应对气候科学家不仅仅是一份工作在更发达的国家。Munyaradzi Makoni谈判肯尼亚和南非的研究人员发现更多
气候变化已经影响了非洲许多国家,化学家有投资他们的专业知识对适应气候变化和环境问题产生影响。从设计酶对绿色制造、探索电池可以存储更多的可再生能源将杂草湖变成绿色燃料的计划进行调查或已交付的承诺新的明天。
提高对自然
2019年,杰里米·伍德沃德Andani Mulelu和安吉拉Kirykowicz,开普敦大学的生物学家,南非,小说和激动人心的见解的结构和内部运作植物腈水解酶酶的酶——一个类的成员广泛应用于广泛的化学物质的合成。这个家族中的一些酶有一天清理有毒氰化物浪费。
3.4解决蛋白质结构是获得英国国家电子能中心同步加速器——钻石光源。非洲的同步加速器技术研究和技术(Start)项目,由£370万拨款资助英国 科学与技术设施理事会,为非洲科学家打开了通往钻石在结构生物学领域的工作,催化和能源材料。格兰特支持博士后、工作坊、互访和结构生物学在开普敦大学资源中心。格兰特时期从2018年到2021年9月,一百多名来自非洲和英国科学家通过互访和培训合作。
腈水解酶是酶超家族的成员,包括一些酰胺酶,研究了开普敦大学的30多年了。而酰胺酶二聚体,经常一起出现在对称组件包含多个子单元,腈水解酶组装成长螺旋细丝。
在实验室工作时对植物腈水解酶的马库斯Piotrowski德国波鸿-鲁尔大学十年前,伍德沃德指出,底物专一性可以被修改,不仅通过修改氨基酸活性部位附近,但也通过改变氨基酸的“热点”活性部位。后者改变改变了螺旋灯丝的音高。
之前做研究员,Mulelu一直着迷于螺旋腈水解酶的结构在他的最后一年作为一个大学生,特别是那些解毒氰化物,清理污染潜力挖掘和电镀。博士期间的研究工作在细菌氰化物水合酶酶,腈水解酶家族的成员知道具体加快氰化物转化为甲酸和氨。Mulelu附近的结构在原子分辨率(3.15)一起cryoEM朱利安那个宿舍叫赖茨在德国法兰克福歌德大学。植物和细菌之间的显著差异腈水解酶是一个插入只有5氨基acidsin螺旋单元的界面表面附近的“热点”被伍德沃德。
伍德沃德和Kirykowicz决定探索这个系统针对选定氨基酸的定向进化。这种技术将细菌的生存表达腈水解酶变异基质的成功转换,从而使详细分析底物特异性和氨基酸变化之间的相关性在特定的位置。
Mulelu和伍德沃德问:“这是怎么工作?这些转化为如何差异可以解释这些酶的能力区分不同底物只有一个碳原子?”
答案在于确定cryoEM的结构。格兰特GCRF开始启用Mulelu和伍德沃德前往英国的电子能中心钻石光源与他们宝贵的样品与tb的图像数据并返回。惊人的清晰的结果是一个三维的地图很容易解释。我们看到在足够高的分辨率来构建酶蛋白质的单个原子的坐标,“Mulelu说。
结果显示插入创建一个皮瓣的活性部位的相邻单元螺旋启用的一个“热点”侧链穿透心脏的活性部位邻近的单元。因此特异性口袋里是依赖于两个相邻单元之间的相互作用的螺旋装置,使特异性调谐通过修改中遥远的氨基酸序列空间的催化部位。
这些结果为新的研究定下基调的可能性。伍德沃德有目光放在“设计师”的腈水解酶的发现生物技术解决方案,可能导致可持续的非洲人的生活和生计的变化。蛋白质工程的一个主要挑战与新奇的底物特异性酶的生成。腈水解酶的详细知识纤维将使在网上代的腈水解酶变异与定制的特异性和其他属性。
清理氰化物
这种方法已被采用Dlamini Lenye目前做博士学位大学结构生物学研究小组开普敦。她拿起Mulelu的工作和迈克尔Benedik集团在美国德州农工大学使用定向进化提高蛋白质的稳定性。她的目标是要使用电脑快速识别特定的氨基酸的变化将导致氰化物降解酶的稳定性,从而会使他们更好的代理环境氰化物污染的控制。
努力减少人类对环境的影响要求更可持续和环境友好的废物管理系统,以及生物修复受损的生态系统,生物催化可以替代传统的化学合成行业符合联合国的可持续发展目标。
尼说的工程cyanide-degrading腈水解酶酶可用于回收氰化物浪费在纺织、电镀和金矿产业,使用氰化物和产生cyanide-containing浪费。泄漏或不安全的处理结果在环境污染造成损害的自然资源,生态系统,对人类健康构成威胁。
Dlamini的直接影响的研究项目环境,但它在不同的行业有着更广泛的影响。生物制剂的需求和流程,将取代传统的流程管理浪费和化学合成的也越来越多。的酶,包括腈水解酶,在这方面采取了舞台中央和现在不仅仅是一个环保的选择但产生更好的反应产物,”她说。
腈水解酶是高度的对映体和地区特定的化合物结合,导致更具体的反应产物。使用预测生物物理方法基于结构性知识的氰化物降解腈水解酶,Dlamini打算显著地改善他们的最优温度公差范围,提高酶的操作稳定性,这样就可以经常用于安全、廉价处理氰化物浪费。
为锂离子电池新材料
虽然在个人设备广泛应用在世界各地,越来越多的在使用电动汽车充电电池面临一系列的问题。使用最广泛的类型包含有毒电解质硫酸等铅酸电池和高氯酸锂在锂离子电池。锂离子电池是昂贵的,他们的组件可以恶化在相对较短的时间提高可靠性的担忧。这些材料的常数替代对环境有负面影响。
商业电池用锂盐,如LiClO4或LiFP6,一般溶解在有机溶剂里,烷基碳酸盐作为电解液,这些有机物妥协的安全电池。固态电解质将消除需要一个分隔符,然而,避免使用有机电解质,因此使安全电池,不构成任何泄漏的风险。
与南非最大的污染者,重要的是,我们在可再生能源工作
现在,Gugulethu Nkala,化学学院的博士生在约翰内斯堡的威特沃特斯兰德大学的,南非,正在基于钠超离子导体材料(Nasicon)结构类型,即锂磷酸钛。
她正在调查不同掺杂物的影响磷酸锂钛化合物的结构和性能作为潜在的材料在锂离子电池固态电解质来解决出现的挑战,从目前的电池。
Nkala旨在了解Ti的部分替代4 +在立2(PO4)3和+ 3 + 4金属阳离子对其锂离子电导率的影响在不同温度和不同大气压下,特别是空气和氮气。这项研究还涉及探讨如何降低电池的成本。
用钛4 +与三价阳离子如3 +电荷载体的数量增加。其他策略需要改变的渠道+阳离子迁移与更大的阳离子取代结构,如在3 +或锆4 +。
Nkala说该项目都集中在研究结构-本地和平均这些不同的替代材料的技术,如粉末x射线衍射(PXRD),拉曼光谱,对分布函数(PDF)和x光吸收光谱(xa)。
虽然内部技术(PXRD和拉曼光谱)提供了洞察目前阶段以及平均结构了解,这些材料的局部结构就更难学习实验,”她说。
Nkala说使用同步加速器设施如美国布鲁克海文国家实验室和钻石光源,通过融资机构如GCRF开始,一直是无价的高分辨率研究。PDF和xa技术一直在仪器提供见解的机制控制的变化观察到离子导率。访问描述技术,如PDF和xa显示,当地的结构可能会偏离平均结构通过PXRD获得。
Nkala和她的团队目前正在致力于协调当地(从PDF和xa)和平均(从PXRD)结构模型,提供一个整体的结构对性能的影响在这些Nasicon-type材料。
思考的地方
符合联合国可持续发展目标,Nkala希望缩小能源贫困差距在非洲。科学家可以缩小差距的方法之一是通过促进社区的理解他们的工作在能源材料研究小组。Covid-19流行前,他们参与社区服务活动,比如沙索公司电子X和Yebo Gogga博览会,展示他们的工作以易于消化的方式小学和高中学生。
戴夫的监督下账单,卡伦计费和罗伊·福布斯Nkala想提高可再生能源存储系统使其更有效率,实惠、安全、环保。
如果原材料当地可用它会降低电池生产的成本
最大的污染者的南非是由于主要通过燃烧煤炭发电,重要的是,我们的解决方案来推动可再生能源的使用,”卡伦计费说。南非的景观使它理想的收获太阳能和风能,但这些替代能源是不可控的,间歇性的,从而驱动需要高效和可靠的能源存储设备。
锂离子电池发挥重要作用在这个,因为他们有很高的能量密度和相对简单的反应机制,她说——锂离子电池广泛应用,只是预测增加。这增加了生产安全的需要电池固态电解质的原因我们正在调查,“Nkala说。
高效的能源储存
米歇尔Sibonokuhle Nyoni正在发生在津巴布韦的农业思想。我意识到我们拥有丰富的可再生能源——风能和太阳能,但阻碍了如何有效地存储能量的挑战,”她回忆道。储能电池的想法被点燃,它在2017年成为她的博士学位的焦点。
做化学讲师切赫伊理工大学在津巴布韦,她现在是一个大学兼职博士生威特沃特斯兰德调查锂钒磷酸盐作为改善锂离子电池阴极材料。
南非是世界上最大的钒生产商之一;津巴布韦是世界上最大的锂生产商之一。如果本地可用的原材料将希望意味着降低了电池的生产成本,”她说。
Nyoni旨在理解正在发生的事情在原子水平。“发生在材料的结构是什么?磷酸钒锂材料了,但这是合成方法可再生的吗?它可以扩展到商业水平吗?如何添加一个掺杂剂操作材料的电化学性能?”
磷酸钒锂的潜力在于其各种吸引人的属性,包括热力学和动力学稳定性高。它还可以有很好的电化学性质,意味着他们将特定的能量,高工作电压高、循环稳定性好。
随着电池的年龄和他们进行更多的充电和放电周期,能力得到贫穷但磷酸钒锂材料有良好的循环稳定性。电动汽车的关键应用程序,将受益于增加行程由于磷酸钒锂材料的循环稳定性。
的磷酸钒锂材料,我与阴极材料,因此,如果我们可以在本地源这些在非洲的南部非洲发展共同体地区,这将使他们提供负担得起的和可以实现的,”她说。
到目前为止,Nyoni用粉末x射线衍射、拉曼光谱来研究她的样本来获得更清晰的理解化学结构、阶段和交互。不幸的是,由于Covid旅行限制,实验工作博士已经阻碍了但她期待回到实验室从2021年12月。
在肯尼亚变化的杂草
肯尼亚的烹饪燃料市场是由木炭、木柴、液化石油气和煤油。这些会造成严重的健康危害,环境和社会经济成本。库克在全球范围内,30亿人在烟雾缭绕的明火或在炉灶使用煤油、木材、木炭、粪便或煤炭世界卫生组织说。因此,每年超过400万人的死亡发生。肮脏的烹饪燃料也导致气候变化。
我们的业务解决了两个问题,水葫芦的威胁和能源贫困
但干净的现代烹饪燃料在肯尼亚正在不断发展。在变革的燃料被认为是可行的,干净的和负担得起的是乙醇,虽然仍在小范围内。只是在中国每年生产120万升。
乙醇可以从各种各样的原料生产。含糖或淀粉质植物如玉米、甘蔗、甜高粱、大麦和木薯的主要候选人。
在肯尼亚,大量的乙醇来自甘蔗,但乙醇生产商必须直接与糖制造业竞争,既使用它作为原料和甘蔗生产太小了。情况有质量差的作物产量很小,导致短缺和价格波动。木薯可能是另一个选择,但肯尼亚的木薯价值链是不发达,导致可怜的收益率。此外,木薯是容易发生疾病,包括褐条病毒。植物的根部腐烂在24 - 48小时内如果储存不当,可能意味着重大损失之前如果没有有效地存储乙醇处理。
水葫芦,水生漂浮植物原产于南美洲,可能是更好的选择。它第一次被发现在1980年代早期,维多利亚湖,由1990年代中期建立了本身,覆盖了约17000公顷的肯尼亚一边湖上。风信子的富足是给它的优势在其他原料乙醇生产。
早在2016年,理查德·Arwa中学是一个化学老师。他和两个学生开始从风信子提取燃料产生一个小样本的实验水平和科学的竞争。示例把他们从当地竞争国家的水平。每一层的评论法官鼓励他们波兰的想法变成一个商业机会。
Arwa现在在非洲经营创新科技中心在湖边基苏姆城。当我们开始我们的业务目标是不解决水葫芦的问题,但随着我们继续我们的业务解决了两个问题,水葫芦的威胁和能源贫困的Arwa说。
超过一半的水葫芦植物纤维素生产生物乙醇的一个重要因素。这个过程始于雇船被用于手动收获丰富的杂草,以妨碍钓鱼,生活在湖边的关键。树根和树叶被切断,只有遏制由卡车运输到工厂的杂草经过一系列程序分离化合物从纤维素半纤维素和木质素等。
水葫芦纤维素有很强的债券。Arwa通过发酵生产酶破坏这些债券。通过水解、提取过程可发酵糖,纤维素与水发生反应。糖发酵,然后转换成高浓度的乙醇和蒸馏。94%纯乙醇是通过这一过程。
分离和提取乙醇Arwa建造自己的设备后发现商用设备,每天生产2000升乙醇,是负担不起的。他计划向其他中小企业生产和销售设备。
清洁和廉价
相对于其它常用的燃料在肯尼亚,如煤油、石棺的乙醇比煤油便宜近40%。实验室测试表明,石棺乙醇燃烧时,它发出一个微不足道的烟和硫含量低安全的烹饪。
生产一公升风信子生物燃料成本约£0.27,零售价在£0.46,低于£0.55升的石蜡或更多。一公升水葫芦生物燃料燃烧最高权力长达五个小时。一公升生物燃料持续三天左右一个家庭准备一日三餐,加起来每月大约10升£4.60。
在196000注册难民和寻求庇护者在肯尼亚西部Kakuma难民营是快乐的客户。他们购买乙醇烹饪燃料,他们也为照明使用的燃料。企业家在难民营购买和转售它收入。
截至今年年初CIST-Africa是每天生产600升乙醇燃料计划希望通过年底的两倍。Arwa说,他们目前正在建设实验室评估原材料的质量和乙醇生产。计划也在每天生产12000升,针对在5年增加一天60000升。
捕获碳在津巴布韦
Mehlana礼物,2019年Gweru中部州立大学自然科学家,津巴布韦,赢得了£300000年授予来自未来的领导人——非洲独立研究(天赋)项目。点燃他的愿望先建立了一个研究小组对二氧化碳捕获。
天赋,内罗毕的非洲科学院组织的英国皇家学会,给他空间,时间和资源去做他的研究。他招募了两个主和三个博士生。我感到很高兴有这样一个机会,“Mehlana说,在津巴布韦化学学会的现任总统是谁。
逮捕他的计划的核心是大气中二氧化碳浓度的增加。Mehlana的团队遵循两种方法以效率将二氧化碳转化为甲醇或甲酸,使用化学和生物催化剂。这意味着使用小分子成分与温室气体改变成有用的化学物质反应建立日常用品。他们在实验室开发了一种专门的表面,他们用来捕获二氧化碳和把它变成甲酸,一个潜在的有用的化学原料,甚至可能发现作为储氢载体。
我们准备了大量的新材料,我们在捕捉和应用将二氧化碳转化为甲酸
我们选择适应性强的材料,很容易使液体和空气通过他们,因为他们可以很容易地调整来达到理想的性质,”他说。团队管理生产甲酸和甲醇,而酒精可以与汽油混合,改善空气质量,用于制造其他清洁燃料。
资金从天赋还提供了一个分析材料的粉末x射线衍射仪,第一个在津巴布韦。这大大提高了Mehlana的设置:在此之前,实验室的样本被送往在津巴布韦进行分析,然后发回,严重妨碍他做研究的能力。
2020年,播种实验室捐赠一些水净化系统、冷却装置和一些基本的化学设备中部州立大学的化学部门。分析发展中不再是一个障碍的二氧化碳回收技术。
我们准备了大量的新材料应用于二氧化碳的捕捉和转换甲酸,“Mehlana说。我们需要实现这个大规模,从而确定其是否适合在减少向大气中排放的二氧化碳量从电厂和水泥制造企业,”他补充道。
随着气候变化和环境破坏不成比例地影响人们在低收入国家,是至关重要的科学和技术解决他们面临的问题是发展。和更好的去理解和解决那些问题比自己国家的人呢?
Munyaradzi Makoni是科学作家在开普敦,南非
还没有评论