Model chloristanu. Tetraedrické uspořádání atomů kyslíku brání snadné redukci centrálního chloru. Kredit: Volné dílo.

Před časem jste měli možnost zachytit zprávu o nizozemských vědcích, kteří v simulované půdě Marsu obohacené o organickou složku úspěšně zkoušeli pěstovat všelijaké plodiny. Pokud jste ji přijali nekriticky, spolkli jste průhlednou lež i s navijákem. Skutečně věrohodně napodobená půda rudé planety by spolehlivě zabila, nebo alespoň potlačila růst jakékoliv dospělé rostliny, natož aby ze semen do ni zasetých vzešly prosperující klíčky, jak bylo uvedenými experimenty dosaženo. A i kdyby vědci našli, vyšlechtili nebo GMO modifikací odvodili rezistentní plodinu, její jedlé části pěstované na kontaminované půdě by se staly vzhledem k bioakumulaci otrávené. Je to tím, že půda planetárního souseda je prosycená jedovatým aniontem zvaným chloristan.

Chloristan na Marsu

Jednoduchá kyslíkatá sloučenina chloru zamořila Mars ihned poté, co vyschnul a od té doby se udržuje v dynamické rovnováze. Sondy ji detekovaly v koncentračním rozmezí od 0,5  do 1 % na všech místech, kde provedly analýzu. Protože vzniká zřejmě chemickými reakcemi na povrchu a v atmosféře, obsahuje ji převážně svrchní část půdy. Kromě toho se spekuluje o tom, že udržuje bohatou vodní zásobu (vyskytující se v hloubce 1,5 km pod oblastí blízkou jižnímu pólu) ve stavu podchlazené kapaliny. Je to ale výrazně hypotetické. Chloristan sám o sobě nestačí zabránit vodě, aby při tak nízké teplotě, která panuje v ložisku, nezamrzla. Na to by potřebovala ještě teplo z vulkanické aktivity, po níž nenacházíme nejmenších stop. Z toho důvodu je pravděpodobnější, že ozvěny z radaru, hlásící kapalné skupenství, nás tahají za nos.

Takhle by po nějaké době mohla zduřet oblast krku u návštěvníků Marsu, pokud by plány nezahrnovaly přípravu na chloristanovou hrozbu. Chloristanem navozený pokles hladiny hormonů T3 a T4 zapříčiňuje růst štítné žlázy. Stejnými fyzickými symptomy se projevuje onemocnění štítné žlázy nejednotného původu, kterému se říká struma. Právě strumu zachycuje obrázek. Kredit: Volné dílo.

Toxický nepřítel

Vědci nebo lidé snící o návštěvě Marsu by souhlasili s upraveným lidovým moudrem pravícím: Když nemůže na Mars čert, nastrčí tam chloristan. Pro jakékoliv aktivity, ať už distanční nebo prezenční je chloristan učiněná pohroma. Dálkový průzkum sabotují jeho oxidační účinky. Například nepřímo způsobil pozitivní výsledek testu hledání projevů mikrobiálního metabolismu a přímo dal šach-mat přístrojům pro analýzu organických látek.

Pilotovaným letům zase vadí jeho toxicita. Nám lidem chloristan ubližuje rozvrácením hormonálního systému štítné žlázy. Jodidová pumpa, jejímž úkolem je jod transportovat do folikulárních buněk štítné žlázy, si jodid a chloristan plete, čímž je při nadbytku chloristanu potlačen příjem jodidu nezbytného k syntéze hormonů T3 a T4. Chloristan zabraňuje absorpci jodu natolik efektně, že v minulosti určitou dobu sloužil k léčbě nadměrné funkce štítné žlázy, nežli byl stažen z důvodů vážných nežádoucích účinků. Je-li mu organismus vystaven po dostatečně dlouhou dobu, hrozí nebezpečí vývinu nedostatku hormonů T3 a T4, což vyprovokuje, ve snaze navodit ztracenou rovnováhu v hladině hormonů, zbytnění štítné žlázy.

Schématické znázornění chemické reakce přeměňující toxický chloristan na neškodný chlorid za mírných reakčních podmínek, na niž se účastní katalyzátor inspirovaný mikrobiálním enzymem, který obsahuje molybden v aktivním centru. Kredit: Nakresleno pro OSEL podle: Ren, C.; Yang, P.; Sun, J.; Bi, E. Y.; Gao, J.; Palmer, J.; Zhu, M.; Wu, Y. and Liu, J. (2021). A Bioinspired Molybdenum Catalyst for Aqueous Perchlorate Reduction, J. Am. Chem. Soc. 143 : 7891-7896.

Toxikologové mají jasno v tom, že tyto změny jsou nežádoucí, ale ztrácejí půdu pod nohama mají-li vyjádřit, jaké by měly být nastaveny bezpečné limity. U zvířat snadno navodili zvětšení štítné žlázy a pokračovali-li v podávání chloristanu, objevilo se i zhoubné bujení štítné žlázy (i když chloristan nevykazuje přímou karcinogenitu). Nicméně biologického účinku dosáhli vysokými dávkami, které výrazně převyšují rozmezí, jaké lze předpokládat při nezáměrné intoxikaci astronautů během plnění úkolů. Například u lidí s profesionální expozicí nebyly nalezeny žádné dopady na zdraví. Přesto opatření proti této hrozbě budou zajisté přehnaně opatrná.

Ochrana před chloristanem

Ačkoliv obávanějšího a zapeklitějšího nepřítele pobytu na Marsu ztělesňuje radiace, nelze brát na lehkou váhu ani chemické faktory. Od jedů se snáze izoluje. Slabé místo ovšem představují skafandry. Během pobíhání po povrchu Marsu s geologickým kladivem si průzkumníci zaneřádí skafandr od prachu, který pak vysvlečou ve vnitřním prostoru a kontaminují ho tak. Experti nabídli několik návrhů, co s tím udělat. Nejlépe by problém obešel skafandr připnutý na vnější straně základny, do kterého by se lezlo zevnitř. O “zip” na zadní straně obleku a o zachování hermetičnosti obytného modulu by se staral kolega. Nezdá se však, že by takový oblek někdo vyvíjel. Proto se nedivme přesvědčení Elona Muska, že první návštěvníci přiletí na Mars zemřít.

Jinyong Liu, vedoucí výzkumné skupiny. Kredit: University of California Riverside.

Izolace od vnějšího prostředí přestane dostačovat v okamžiku využívání zdrojů dostupných na místě nezbytných pro přežití výsadku v dlouhodobějším horizontu. Když ji najdou, mohou návštěvníci těžit vodu, využít regolit jako stavební materiál a také v něm pěstovat plodiny. V takovém případě musí vytěžené suroviny dekontaminovat. Proces bude vypadat asi takto: Velmi dobře ve vodě rozpustný chloristan se z materiálu nebo také z povrchu skafandru napřed vymyje a kontaminovaný roztok nashromáždí. Poté se roztok zbaví chloristanu a k finální úpravě poputuje tam, kam odchází moč astronautů, čímž vodní cyklus v umělém prostředí bude dovršen.

Byť je chloristan silný oxidant, je díky prostorovému uspořádání atomů do čtyřstěnu velmi stabilní, přesto ho není těžké rozložit na neškodné produkty. Jen jsou k tomu potřeba drsné podmínky nebo mírné podmínky a těžko akceptovatelné bezvodé prostředí. Kdyby to nešlo udělat jednodušeji, tak budiž, přizpůsobíme se, ale ono to jde.

Úžasný katalyzátor

To předvedli v publikaci šéf týmu Jinyong Liu a hlavní autor Changxu Ren z UC Riverside's Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering. Ti si vypůjčili část know-how od anaerobních mikroorganismů, co zapojují chloristan do své respirace. Konkrétně na chloristan posílají enzym obsahující molybden jako kofaktor.

Changxu Ren, hlavní autor výzkumu. Kredit: University of California Riverside.

Navzdory velké komplexitě biologického katalyzátoru vytvořili vědci syntetickou napodobeninu onoho enzymu až neskutečně jednoduše. Smíchali molybdenan sodný, obyčejnou komplexotvornou organickou sloučeninu (bipyridyl) a palladium zachycené na porézním uhlíku. Redukci chloristanu v přítomnosti katalyzátoru pak rozjeli molekulárním vodíkem, který sloužil, jako zdroj elektronů. Na Marsu se bude vodík získávat elektrolýzou vody. Výhoda je, že metoda zabije dvě mouchy jednou ranou. Elektrolýza odmění astronauty kyslíkem, jež bude vedlejším produktem likvidace chloristanu a zároveň drahocennou surovinou.

Redukční reakce běží, což je úžasné, při pokojové teplotě a atmosferickém tlaku tedy za mírných podmínek a neskutečně rychle až do zcela úplné přeměny chloristanu na chlorid. Katalyzátor si poradí ze slabě, ale i s extrémně znečištěnou vodou. Takové drobnosti velmi zvyšují atraktivitu procesu nejen pro zajištění obyvatelnosti Marsu.

Nejen na Marsu

Existuje nenulová pravděpodobnost, že metoda najde dříve uplatnění na Zemi než mimo ní. Poslední dvě desetiletí se diskutuje s obavami o přítomnosti chloristanu v pitné vodě a potravinách. I když vzniká v malé míře přirozeně, za pozorované znečištění v drtivém podílu příroda vinu nenese. Výsledky rozborů vody nás usvědčují z nedbalosti při výrobě, skladování a jiném nakládání s chloristanem, tuhými raketovými palivy, světlicemi, zápalkami a zábavnými či jinými pyrotechnickými výdobytky. Mimo průmysl výbušnin jde část znečištění na vrub chlorové dezinfekci a hnojivům z chilského ledku, jež je nejbohatší přírodní úschovnou chloristanu (obsah chloristanu v ledku 0,05-0,4 %).

Úniky se dostávají do povrchových a hromadí v podzemních vodách, přičemž je kontaminují na několik desítek let, protože chloristan nepodléhá rozkladu. V reakci na zařazení chloristanu na seznam sledovaných kontaminantů životního prostředí jsou sanační technologie pro podzemní vody, pro úpravu pitné vody a pro likvidaci odpadů při výrobě ve středu zájmu. Zde popsaná metoda by mohla doplnit stávající nevelký arzenál chloristan eliminujících postupů.

Literatura:

Ren, C.; Yang, P.; Sun, J.; Bi, E. Y.; Gao, J.; Palmer, J.; Zhu, M.; Wu, Y. and Liu, J. (2021). A Bioinspired Molybdenum Catalyst for Aqueous Perchlorate Reduction, J. Am. Chem. Soc. 143 : 7891-7896.

DOI: 10.1515/opag-2019-0051

DOI.org/10.1515/reveh-2020-0006