Síntesis verde fácil in situ de Ag.

Jun 02, 2024

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 15359 (2022) Citar este artículo

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En este trabajo, se prepararon nanocompuestos de Ag-ZnO mediante una ruta de síntesis verde utilizando extracto acuoso de hoja de Tetradenia riperia y se investigó su actividad antibacteriana contra Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Para optimizar la síntesis de Ag-ZnO, se estudiaron los efectos de las concentraciones de precursores, el pH y las temperaturas. Los nanocompuestos Ag-ZnO se caracterizaron mediante XRD, ATR-FTIR, FESEM y TEM. Los resultados muestran que la concentración de 8% de Ag, la temperatura de 80 °C y un pH de 7–8 fueron óptimos para la síntesis de nanocompuestos de Ag-ZnO. El análisis XRD mostró la disminución en el tamaño de las partículas de Ag-ZnO de 23,6 a 14,8 nm con un aumento en las concentraciones de Ag, lo que fue respaldado aún más por el análisis FESEM. La imagen TEM de 8% Ag proporciona más información sobre la coexistencia de Ag en ZnO donde se determinó un tamaño de partícula promedio de 14,8 nm. El análisis ATR-FTIR confirmó la presencia de compuestos fenólicos, que actúan como agentes reductores y estabilizantes. Los resultados de la actividad antimicrobiana muestran que el nanocompuesto Ag-ZnO demostró una mayor potencia antimicrobiana en E. coli que en S. aureus. Por lo tanto, el extracto de hoja de Tetradenia riperia es una ruta viable para la síntesis de nanocompuestos de Ag-ZnO que se utilizarán para diversas aplicaciones, incluida la desinfección del agua.

Los objetivos de desarrollo sostenible (ODS 2030), consagran a través del sexto objetivo una declaración de que el agua potable y el saneamiento son fundamentales para el desarrollo humano1. Esto se debe a que las infecciones transmitidas por el agua causadas por microorganismos son una de las principales causas de muerte en todo el mundo2,3. Por tanto, es inevitable la necesidad de encontrar tecnologías asequibles, eficientes, versátiles y sostenibles para controlar y eliminar los microbios del agua potable3. La implementación de tecnologías de desinfección del agua para eliminar patógenos en sistemas de tratamiento de agua centralizados y algunos descentralizados se logra mediante métodos convencionales que incluyen cloración, ozonización y tratamiento ultravioleta3,4. Sin embargo, la cloración está limitada por la formación de subproductos tóxicos, mientras que la ozonización y los rayos ultravioleta no ofrecen protección contra la recontaminación en los sistemas de distribución4,5. Por lo tanto, esto requiere el despliegue de tecnologías de tratamiento alternativas.

En los últimos años, la nanotecnología a través de nanomateriales se ha convertido en una herramienta eficaz y versátil para la desinfección del agua gracias a su capacidad para hacer frente a patógenos resistentes. Normalmente, los microbios se adaptan a la resistencia a los medicamentos protegiéndose contra todo pronóstico y mutando para permitirles sobrevivir y reproducirse incluso en entornos hostiles6. Los nanomateriales se han estudiado como una posible solución a los desafíos de la desinfección del agua4,7 porque a los patógenos les resulta difícil adquirir resistencia a las nanopartículas que atacan múltiples componentes bacterianos, en comparación con el uso de materiales a granel durante las técnicas de tratamiento convencionales. La aplicación del metal plateado como agente antimicrobiano está documentada desde la antigüedad8. Desde el siglo XIX, los iones de plata se han asociado con efectos bactericidas9. Recientemente, la prevalencia de resistencia a los antibióticos ha aumentado, por lo que el uso de plata como desinfectante es inevitable. La plata ahora se utiliza en productos de consumo como textiles, cosméticos e instrumentos médicos10,11,12 en forma de nanopartículas, que se preparan mediante la reducción química de sales de plata13. Además, estudios han documentado su potencial en la desinfección del agua14,15,16,17. Por lo tanto, la plata es un candidato fascinante y prometedor a explorar debido a sus capacidades inhibidoras y antibacterianas entre varias nanopartículas metálicas6,18. Sin embargo, las nanopartículas de plata pueden agregarse cuando su tamaño es muy reducido, lo que limita sus propiedades químicas y antimicrobianas. Por lo tanto, para abordar este desafío, la plata se puede recubrir con polímeros para crear nanocompuestos poliméricos6,18 o con una capa de óxido metálico, como óxido de magnesio, óxido de calcio y óxido de zinc, para formar una forma de núcleo-cubierta que proporcione una alta superficie6. Además, cuando se sinergizan los nanomateriales, se pueden producir nanocompuestos híbridos que son más potentes que las nanopartículas individuales; se espera que estos combinen las propiedades de los elementos constituyentes19.

Varios estudios han indicado la eficacia antimicrobiana de las nanopartículas de ZnO contra bacterias grampositivas y gramnegativas20,21,22. Las propiedades antibacterianas de las nanopartículas de ZnO se han orientado a diversas aplicaciones que incluyen el control de patógenos transmitidos por los alimentos23 y patógenos transmitidos por el agua potable4, debido a su alta biocompatibilidad y efectos bactericidas19. El ZnO ha sido reconocido últimamente por la Administración de Medicamentos y Alimentos de los Estados Unidos (21CFR182.8991) (FDA, 2011) como un material seguro6,24 con una vida corta en el organismo que dura solo unas horas25. Las nanopartículas de ZnO suprimen el crecimiento bacteriano mediante una variedad de procesos, incluida la penetración celular, la adhesión electrostática a la superficie bacteriana y la formación de especies reactivas de oxígeno26. En este sentido, las nanopartículas de ZnO pueden considerarse nanomateriales viables y eficaces para su uso en la protección contra infecciones antibacterianas27. Por lo tanto, la sinergia de nanopartículas de Ag con nanopartículas de ZnO producirá un material nanocompuesto con propiedades antibacterianas más fuertes tanto para bacterias grampositivas como gramnegativas18.

Las nanopartículas de metales y óxidos metálicos han ganado mucha atención como materiales antibacterianos debido a su alta reactividad, que está relacionada con su muy alta relación superficie-volumen28. Como consecuencia, el potencial de los nanocompuestos Ag-ZnO puede aprovecharse y aplicarse en el campo de la salud ambiental para el desarrollo de compuestos antimicrobianos con vistas a la desinfección del agua. Para aprovechar las sinergias, se han sintetizado diferentes aleaciones que han demostrado un efecto antimicrobiano superior durante la desinfección del agua contra la resistencia bacteriana a los fármacos29,30. Los nanocompuestos Ag-ZnO muestran una eficiencia fascinante atribuida a sus propiedades plasmónicas y al proceso de intercambio de electrones interfacial. Además, en comparación con las nanopartículas de ZnO puro, la eficacia de los nanocompuestos Ag-ZnO se ha evaluado en función de su liberación de iones de plata y zinc en solución acuosa, su estabilidad, su reutilización y su efecto bactericida duradero, todos los cuales son significativamente mayores19.

Se han empleado varios métodos para la síntesis de nanocompuestos de Ag-ZnO, que incluyen coprecipitación31, sol-gel32 y síntesis hidrotermal33, por mencionar solo algunos. Sin embargo, la aplicación de altas temperaturas y presiones, tiempos de reacción más prolongados y la generación de residuos químicos34,35,36,37 dificultan su aplicación en la producción a gran escala. Por lo tanto, el desarrollo de una tecnología ambientalmente benigna en la síntesis de materiales es inevitable. La síntesis verde de nanomateriales mediante el uso de materiales biogénicos naturales como hongos, bacterias y partes de plantas está creciendo19,27,34,38,39,40. El estudio de la literatura informa sobre la síntesis verde de nanocompuestos Ag-ZnO de diferentes partes de plantas medicinales, como semillas de moringa oleifera41, extracto de hoja de Azadirachta indica42, rizoma de Zingiber zerumbet43, cáscara de papa44, extractos de Murraya koenigii y Zingiber officinale19 y hojas de guajava45. En la síntesis verde, las propiedades de los nanomateriales están influenciadas por el extracto de la planta porque cada extracto de la planta contiene una concentración y combinación específicas de biomoléculas46. Por lo tanto, los nanomateriales sintetizados a partir de diferentes plantas exhiben diferente eficacia antimicrobiana. Esto motiva una mayor exploración de especies vegetales para la síntesis de nanomateriales18,42,47.

En este sentido, el uso de extractos de plantas a través de vías biosintéticas se considera el enfoque más viable para la síntesis de nanomateriales. Los extractos de plantas contienen compuestos activos como alcaloides, flavonoides, proteínas, taninos, terpenoides, saponinas y polifenoles34,42,43,48,49. Estos fitocompuestos actúan como agentes reductores de iones metálicos (base débil natural) y agentes de protección de los núcleos para evitar la aglomeración de nanopartículas34,35, mejorando así su reactividad. Para aprovechar el potencial de los fitocompuestos antes mencionados, este estudio presenta una ruta verde para la síntesis de Ag-ZnO a partir de sales de plata y zinc utilizando extracto de hoja de la planta medicinal Tetradenia riperia (TR). Tetradenia riperia (TR) pertenece a la familia Lamiaceae y se encuentra abundantemente en las regiones del norte de Tanzania. La planta se ha utilizado con fines medicinales para tratar la diarrea, la indigestión, el estreñimiento, la malaria, la tos y el dolor de garganta por grupos étnicos que incluyen a los meru, masai, pare y chaga de las regiones del norte de Tanzania50. También se ha informado que las hojas de TR muestran propiedades antibacterianas, antiinflamatorias y anticancerígenas51,52. Los análisis fitoquímicos revelaron la presencia de compuestos activos como alcaloides, flavonoides, fenoles, saponinas, taninos, esteroides y azúcares reductores34,50,52, que pueden ser utilizados como agentes reductores y estabilizantes en la síntesis de nanopartículas35. La distribución espacial de Tetradenia riperia ha sido documentada en diversas zonas de países africanos como Ruanda53, Madagascar54, Sudáfrica55, Uganda56 y Tanzania57 en las que se ha atribuido su potencial medicinal a abundantes fitocompuestos con efectos antimicrobianos51. La literatura ha reportado el uso de hojas de Tetradenia riperia en la síntesis de diversas nanopartículas como la plata58,59. Hasta donde sabemos, ningún estudio ha informado sobre la síntesis de nanocompuestos Ag-ZnO utilizando el extracto acuoso de hojas de Tetradenia riperia. Por lo tanto, este trabajo presenta una nueva Tetradenia riperia deja nanocompuestos de Ag-ZnO basados ​​en extractos y evalúa su actividad antibacteriana contra cepas bacterianas resistentes a los antibióticos. El nanocompuesto Ag-ZnO se utilizará posteriormente para el desarrollo de filtros de agua para la desinfección del agua en el punto de uso.

Se recolectaron hojas de Tetradenia riperia de la aldea de Musini en Uru, región norte de Moshi-Kilimanjaro, y de la aldea de Kilala, a lo largo de las laderas del monte Meru en la región de Arusha, Tanzania. La identificación de Tetradenia riperia fue realizada por Njau et al.60. Se ha depositado un espécimen de comprobante (n.º de referencia EN 2980/2013) en el Herbario Nacional de Tanzania (NHT) en el Instituto de Investigación de Pesticidas Tropicales (TPRI)-Arusha. La recolección de los materiales vegetales cumplió con las directrices y legislación institucionales, nacionales e internacionales pertinentes.

El nitrato de plata de calidad analítica (AgNO3) (99%), nitrato de zinc hexahidratado (Zn(NO3)2.6H2O) (95%) y el hidróxido de sodio NaOH (98%) se adquirieron de Sigma-Adrich Chemicals (Alemania).

Las hojas recolectadas se lavaron varias veces con agua del grifo y luego con agua bidestilada (DD) para eliminar las partículas de polvo de la superficie. Luego las hojas frescas se cortaron en trozos pequeños y se molieron usando un mortero eléctrico y una licuadora hasta obtener partículas finas. Se mezclaron aproximadamente 20 g de hojas frescas molidas de Tetradenia riperia en 100 ml de agua bidestilada y luego se agitaron en un agitador mecánico durante 24 h para permitir la extracción eficaz de los fitocompuestos de las hojas de TR. El extracto acuoso obtenido se centrifugó a 4000 rpm durante 15 min, luego el sobrenadante (color marrón) se filtró usando papel de filtro Whatman No.1 y se almacenó a 4 °C listo para su uso posterior como agente reductor y estabilizante durante la síntesis verde de Nanocompuestos Ag-ZnO (Fig. 1). El pH del extracto acuoso de hojas de Tetradenia riperia fue 5,10.

Imagen de (a) hojas de la planta Tetradenia riperia (b) extracto acuoso de hojas centrifugadas y sin centrifugar.

La síntesis de nanopartículas de ZnO se realizó basándose en la literatura27 con modificación. Para la síntesis de NP de ZnO, se disolvieron 2,9748 g de ZnO (NO3)2·6H2O en 100 ml de extracto de hoja de Tetradenia riperia en un matraz Erlenmeyer de 250 ml, luego se agitó durante 30 min. Esto redujo el pH del medio a 4,9. Luego se añadió gota a gota NaOH 0,1 M mientras se agitaba para ajustar el pH del medio a 7-8. El lote se puso en agitación continua sobre una placa de agitación magnética a temperatura ambiente (30 °C) durante 3 h. La mezcla resultante se incubó hasta que envejeciera durante 24 h, seguido de una centrifugación a 4000 rpm durante 15 min. Se descartó el sobrenadante y el precipitado se redispersó en una mezcla de etanol y agua en una proporción de 1:1 (v/v) y luego se centrifugó. Los procesos de centrifugación y redispersión se repitieron tres veces. Se adoptaron procedimientos similares para los lotes preparados a 60 y 80 °C. Los precipitados purificados se secaron a 80 °C en un horno de aire caliente durante 4 h, luego se calcinaron a 450 °C durante 2 h a una velocidad de calentamiento de 5 °C/min. Los residuos de color blanco formados se trituraron hasta convertirlos en polvo utilizando un mortero Hargett y luego se almacenaron en un recipiente hermético listo para su posterior análisis y uso.

Los nanocompuestos Ag-ZnO se sintetizaron utilizando un método de síntesis verde, adoptado de la literatura41 con ligeras modificaciones en lo que respecta a la temperatura de síntesis, el tiempo de reacción y el tiempo de envejecimiento. En este caso, se dispersaron lentamente aproximadamente 2,9748 g de Zn (NO3)2 · 6H2O en 90 ml de extracto de hoja de Tetradenia riperia durante 30 minutos mientras se agitaba magnéticamente, luego se agregaron 10 ml de solución de AgNO3 0,01 M mientras se agitaba durante otros 30 minutos a temperatura ambiente. (30 °C) para lograr una concentración final de 0,1 M Zn (NO3)2·6H2O y 1 mM AgNO3. Esto redujo el pH del medio de 5,10 a 4,46. Luego se ajustó el pH a 7-8 añadiendo gota a gota una solución de NaOH 0,1 M mientras se agitaba continuamente. Durante la reacción, se observó un cambio de color, donde el color marrón del extracto de Tetradenia riperia cambió a amarillo pálido después de la adición de sal de nitrato de zinc, luego a amarillo oscuro después de la adición de una solución de AgNO3, lo que significa la reducción de los iones Zn2+ y Ag+. , y luego a amarillo verdoso oscuro después de la adición de una solución de NaOH. De esta manera se prepararon tres lotes a tres temperaturas de síntesis diferentes; temperatura ambiente (30 °C), 60 y 80 °C en un baño de aceite equipado con placas calientes de agitación magnética a 400 rpm durante 3 h. Los lotes se dejaron enfriar y envejecer durante 24 h a temperatura ambiente; posteriormente se centrifugaron a 4000 rpm durante 15 min; Los precipitados se lavaron nuevamente tres veces con una mezcla de etanol-agua preparada en una proporción 1:1 (v/v) y luego se volvieron a centrifugar a 4000 rpm durante 15 min. Los precipitados obtenidos se secaron en estufa a 80 °C durante 4 h, seguido de calcinación a 450 °C durante 2 h a una velocidad de calentamiento de 5 °C/min. Los cristales nanohíbridos obtenidos se trituraron hasta convertirlos en polvo utilizando un mortero Hargett y luego se almacenaron en un recipiente hermético listo para su caracterización y uso. Se adoptaron procedimientos similares en la síntesis de nanocompuestos Ag-ZnO con diferentes concentraciones dopantes de nitrato de plata calculadas según la relación molar de [Ag+]/[Zn2+] = 1%, 3%, 5% y 8%, y sus correspondientes nanocompuestos ( NC) se marcaron como NC1, NC3, NC5 y NC8, respectivamente.

La fase cristalina y la pureza de los nanocompuestos de Ag-ZnO y las nanopartículas de ZnO sintetizadas se examinaron mediante un analizador de difracción de rayos X (DRX) Bruker BV 2D PHASER Best Benchtop (PANalytical BV, Ámsterdam, Países Bajos) con geometría de reflexión en valores de 2θ (10 °–90°) con un tamaño de paso de 0,005°, trabajando con una fuente de radiación Cu Kα (λ = 0,15406 nm) a 50 kV y 30 mA. Los grupos funcionales se determinaron mediante espectroscopía infrarroja atenuada de reflexión total-transformada de Fourier (ATR-FTIR) (Bruker Optic GmbH 2011 (modelo alfa, clase de láser 1) en modo de transmitancia y un rango espectral de 4000–400 cm−1 con una resolución espectral de 2 cm − 1. La morfología y la composición elemental de los nanomateriales fueron examinadas mediante microscopios electrónicos de barrido de emisión de campo (FE-SEM) Zeiss Ultra Plus 55 equipados con rayos X de dispersión de energía (EDX) y un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución ( HRTEM FEI Tecnai-F30; Akishima-shi, Japón) operó a 1,0 kV. Los espectros de absorción ultravioleta-visible (UV-Vis) se registraron en un espectrofotómetro (UVmini-1240 Shimadzu, Japón), en el rango de longitud de onda de 300 a 800 nm. .

La actividad antibacteriana de las nanopartículas de ZnO sintetizadas y los nanocompuestos de Ag-ZnO se evaluó frente a cepas grampositivas (Staphylococcus aureus-ATCC 6538P) y gramnegativas (Escherichia coli-ATCC 9677) utilizando el método de difusión en disco47. El medio de agar nutritivo preparado y esterilizado (15 a 20 ml) se vertió en las placas de Petri esterilizadas y se dejó solidificar. Después de la solidificación del medio de agar nutritivo, cada cepa bacteriana se inoculó en placas de agar individuales y se distribuyó uniformemente mediante el uso de un hisopo esterilizado. Los discos absorbentes esterilizados de aproximadamente 6 mm se empaparon en una solución coloidal de ZnO y Ag-ZnO (1, 3, 5 y 8% Ag) con diferentes concentraciones (concentración mínima inhibidora-CMI) (0,5, 1,0 y 1,5 mg). /ml). Los discos empapados se colocaron en las placas de Petri inoculadas junto con discos de ciprofloxacina como estándar y discos de extracto de Tetradenia riperia como control. Cada placa se compone de tres discos de prueba, un disco estándar y un disco de control. Posteriormente, todas las placas se incubaron a 37 °C durante 24 h. La actividad antimicrobiana de las nanopartículas de ZnO y los nanocompuestos de Ag-ZnO se determinó midiendo la zona de inhibición (ZOI), que aparecía como áreas claras alrededor de los discos.

La Figura 2a muestra patrones de XRD de nanocompuestos puros de ZnO y Ag-ZnO con diversos contenidos de Ag (1, 3, 5 y 8%). Los patrones de ZnO puro muestran posiciones de picos de difracción en valores 2θ de 31,65°, 34,31°, 36,14°, 47,44°, 56,50°, 62,77°, 67,85° y 69,01° que están indexados a los planos cristalinos de (100), (002). ), (101), (102), (110), (103), (112) y (201) de estructuras hexagonales de wurtzita, respectivamente de nanopartículas de ZnO (archivo JCPDS n.° 36–1451)44,61. Además, el nanocompuesto Ag-ZnO exhibe cuatro picos adicionales al dopar con diferentes concentraciones de sales de Ag, a 38.36°, 44.20°, 64.55° y 77.74° que coinciden con (111), (200), (220) y ( 311) aviones, respectivamente62. Estos picos están indexados a una estructura cúbica del centro de la cara (fcc) de nanopartículas de Ag según JCPDS, tarjeta No. 04-078363,64, lo que confirma la presencia de nanopartículas de Ag en el compuesto44. La intensidad de los picos aumenta gradualmente con un aumento en el contenido de Ag, lo que significa la formación exitosa de nanopartículas de Ag en la superficie de ZnO. Mientras que la intensidad del pico de Ag aumenta, a medida que aumenta la concentración de Ag, la intensidad del pico de ZnO disminuye, lo que implica una disminución en la cristalinidad y el tamaño de las partículas en los nanocompuestos de Ag-ZnO65. Los tamaños de grano promedio (D) calculados a partir de la ecuación de Scherrer. (1) para ZnO puro, los nanocompuestos Ag-ZnO al 1%, 3%, 5% y 8% fueron 10,8, 23,6, 20,3, 15,4 y 14,8 nm, respectivamente. El aumento en el tamaño del cristal de ZnO puro a 1% Ag-ZnO (NC1) podría atribuirse al anclaje de Ag en la superficie de ZnO44. Sin embargo, una disminución posterior en el tamaño promedio de los cristales de Ag-ZnO con un aumento en el contenido de Ag podría atribuirse a la dispersión de nanopartículas de Ag en o cerca del límite de la red de ZnO, lo que limita la alianza y difusión de ZnO y, por lo tanto, dificulta la crecimiento del nanocompuesto. Un escenario similar se informó en otros lugares65,66. No se identificaron más picos, lo que sugiere que no hay una función de trabajo vinculada entre Ag y ZnO y, por lo tanto, el nanocompuesto Ag-ZnO sintetizado es puro. Esto proporciona información de que dopar Ag en la superficie de ZnO-NP fue más exitoso que en la red de ZnO, atribuido al mayor radio iónico de Ag+ (1,26 Å) en comparación con Zn2+ (0,74 Å)44. Además, un aumento en la temperatura sintética de 30 a 80 °C mostró picos adicionales en el nanocompuesto Ag-ZnO (Fig. 2b). Además de los picos de la estructura hexagonal de wurtzita de la nanopartícula de ZnO, nuevos cinco picos en 38,36°, 44,20°, 64,55°, 77,74° y 81,74° indexados a los planos cristalinos de (111), (200), (220), (311 ) y (222) respectivamente. Estos picos corresponden a la estructura cúbica del centro de la cara (fcc) de las nanopartículas de Ag según JCPDS, tarjeta No. 04-078363, lo que confirma la existencia de Ag metálica en nanocompuestos de Ag-ZnO. La intensidad y la nitidez de los picos de Ag aumentan gradualmente con el aumento de la temperatura de síntesis, lo que proporciona información de que se forma más Ag metálico en la matriz a temperaturas más altas. Esto podría atribuirse a la alta tasa de nucleación que conduce a la formación de núcleos cristalinos más pequeños67) y nanopartículas distintas.

donde D es el tamaño medio de los cristalitos en nm, K es la constante de Scherrer; igual a 0,9, λ es la longitud de onda específica de los rayos X utilizados (0,154 nm), θ es el ángulo de Bragg de difracción y β2θ es el ancho angular en radianes a una intensidad igual al ancho total y la mitad del máximo.

Patrones de XRD (a) nanocompuestos puros de ZnO y Ag-ZnO con diferentes contenidos de Ag (1% Ag, 3% Ag, 5% Ag, 8% Ag) y (b) nanocompuestos puros de ZnO y Ag-ZnO a diferentes temperaturas sintéticas (RT (30 °C), 60 °C y 80 °C) (Los picos característicos de Ag están en rojo hkl).

La Figura 3a muestra el espectro FTIR de las biomoléculas activas de las hojas de Tetradenia riperia que funcionan como agente reductor y bloqueador durante la biosíntesis de nanomateriales. Los picos de absorción en 3292, 2931 y 1709 cm-1 corresponden al modo de estiramiento O-H, estiramiento C-H sp3 y estiramiento C=O del grupo carbonilo respectivamente, lo que sugiere la presencia de alcohol, polifenoles, amidas, ésteres y ácidos que significa la disponibilidad de flavonoides, saponinas, taninos, alcaloides y azúcares reductores34,35,36,68. Los picos de adsorción a 1589 y 1375 cm-1 se deben al estiramiento C=C del alqueno presente en la estructura del anillo aromático y al estiramiento C-C de los flavonoides, respectivamente34,69. Los picos de adsorción en alrededor de 1247 y 1028 cm-1 se asignan a grupos de aminas de estiramiento C-N35,49,70, mientras que el pico de 859 cm-1 se atribuye a la vibración de flexión de la amina N-H35. Además, las bandas de absorción en 817 y 772 cm-1 se deben a la flexión C = C para vinilideno y alqueno trisustituido, mientras que la banda a 536 cm-1 representa la flexión aromática C-H fuera del plano en polifenoles68. El estiramiento de la amina C – N y la flexión N – H del extracto TR confirman la presencia de alcaloides36,39. Los compuestos alcaloides funcionan como bases débiles debido a la presencia de átomos de nitrógeno en anillos cíclicos que proporcionan pares de electrones para reaccionar con las moléculas de agua y producir iones −OH que hidrolizan o reducen los iones metálicos34,36,38,39. Por otro lado, la flexión −OH y el estiramiento −OH representan la presencia de flavonoides, taninos y saponinas en el extracto TR que actúan como agentes de protección para prevenir la aglomeración y así controlar el tamaño de las partículas34,36,39,71. Durante la formación de nanopartículas, la cabeza hidrófila −OH de los fitocompuestos interactúa con iones metálicos, mientras que la parte hidrófoba proporciona un impedimento estérico que previene la aglomeración de nanopartículas36,72. Además de los grupos OH, los estudios han demostrado que los grupos C=C y C=O de los fitocompuestos pueden funcionar como agentes de protección48. Además, se ha observado que algunos picos de extracto de TR (3292, 2931, 1709, 1589, 1247,859, 817 y 771 cm-1) desaparecieron después de la formación de nanopartículas de ZnO y nanocompuestos Ag-ZnO, lo que proporciona una idea de la participación de biomoléculas en la reducción y estabilización de los nanomateriales. Sin embargo, se observó un pico amplio a 3386 cm-1, que representa un pico característico de grupos OH del agua absorbida en la superficie de las nanopartículas. Además, los picos amplios a 1380 y 1025 cm-1 para los polifenoles del extracto de hoja de TR permanecieron en la superficie del nanocompuesto de ZnO y Ag-ZnO, lo que proporciona evidencia adicional sobre la participación de los fitocompuestos de Tetradenia riperia en la formación de nanopartículas por esta ruta verde. Los mecanismos para la biosíntesis de nanopartículas de ZnO y nanocompuestos de Ag-ZnO utilizando extracto de hojas de TR pueden presentarse mediante las siguientes reacciones.

Espectros ATR-FTIR de (a) extracto de planta de Tetradenia riperia (TR-PE), nanocompuestos puros de ZnO y Ag-ZnO en diferentes concentraciones de Ag (b) espectros UV-Vis de ZnO-NP puros y nanocompuestos de Ag-ZnO dopados con diferentes concentraciones de Iones Ag.

La Figura 3b muestra los espectros de absorción UV-Vis de nanopartículas de ZnO puras y nanocompuestos de ZnO dopados con 1% de Ag, 3% de Ag, 5% de Ag y 8% de Ag. Los resultados muestran que las nanopartículas de ZnO puro mostraron un pico de absorción a 395 nm, debido a la absorción excitónica, mientras que los nanocompuestos de ZnO dopados con Ag con 1%, 3%, 5% y 8% de contenido de Ag exhibieron picos de absorción atribuidos a la resonancia de plasmón superficial. a 397, 380, 377 y 368 nm, respectivamente. El aumento en el pico de 395 a 397 nm (desplazamiento al rojo) se puede atribuir al aumento en el tamaño de las partículas atribuido al dopaje con Ag en la matriz de ZnO73. Esto aumenta la distancia entre las bandas de valencia, lo que reduce la frecuencia de emisión electromagnética. Además, la intensidad de la absorción de ZnO dopado disminuye de 397 a 368 nm con un aumento en el contenido de Ag (desplazamiento al azul). Esto puede explicarse por una reducción en el tamaño de las partículas de los nanocompuestos Ag-ZnO atribuida a nanopartículas de Ag ancladas y la formación de núcleos más pequeños en la superficie de ZnO43,74, lo que obstruye el movimiento y la difusión de ZnO como lo demuestra el estudio XRD. También se informaron resultados similares en otros lugares43.

La Figura 4a-e muestra las imágenes FESEM de nanomateriales sintetizados en los que el ZnO puro presentó nanopartículas esféricas con un tamaño promedio de 64,00 nm. Además, el análisis FESEM mostró un nanocompuesto de Ag-ZnO de forma esférica más denso con un tamaño promedio de 76,5, 75,8, 74,6 y 47,9 nm con un contenido de Ag de 1, 3, 5 y 8%, respectivamente. Esto se corresponde con los datos de XRD, que muestran una disminución en el tamaño de las partículas con la carga de Ag. Por otro lado, para confirmar la coexistencia de Ag sobre nanopartículas de ZnO, se realizó un análisis TEM sobre el nanocompuesto con 8% de Ag. La imagen TEM en la Fig. 4f muestra una dispersión de las nanopartículas esféricas de Ag ancladas en la superficie de las nanopartículas de ZnO, como se informó en otro lugar75. Esto podría atribuirse al gran tamaño iónico de Ag, que dificultaba la incorporación de Ag dopada en la red cristalina de ZnO76. El tamaño promedio de partícula del nanocompuesto de Ag-ZnO representado por el análisis TEM con 8% de Ag fue de 12,3 nm, lo que concuerda con los resultados de XRD de la misma composición que se informaron en otros lugares77. La Figura 5 muestra los espectros EDX para el nanocompuesto Ag-ZnO en el que se observaron señales de Ag, O y Zn; esto confirma el anclaje de Ag sobre ZnO en la superficie. Además, para determinar la cantidad de Ag dopado con ZnO en varias concentraciones, se realizó un análisis EDX de Ag-ZnO con diferente contenido de Ag. Los resultados de la Fig. 5 muestran que la cantidad de Ag dopado (1, 3, 5 y 8%) corresponde con el análisis elemental que se muestra en la tabla (recuadro), lo que indica que Ag se dopó con éxito en ZnO. La presencia de sodio elemental en los espectros EDX se atribuye al NaOH utilizado para ajustar el pH durante la síntesis de los nanomateriales.

Imágenes SEM de nanocompuestos puros de ZnO (a) Ag-ZnO con (b) 1%, (c) 3%, (d) 5% (e) 8% Ag e imagen TEM (f) 8% Ag.

Espectros EDX de (a) 1%, (b) 3%, (c) 5% y (d) 8% nanocompuestos Ag-ZnO.

En la síntesis química húmeda y la ingeniería de nanomateriales, la temperatura tiene una influencia significativa en la síntesis de nanopartículas a través de la nucleación y el crecimiento de nanopartículas. La formación de núcleos (nucleación) que produce partículas más pequeñas se favorece a una temperatura más alta, mientras que el crecimiento se favorece a una temperatura más baja67,78. En este estudio, se investigó el efecto de la temperatura sobre el tamaño de las nanopartículas de ZnO y Ag-ZnO sintetizadas a temperatura ambiente (30 °C), 60 y 80 °C. Los resultados que se muestran en la Fig. 6 muestran que el tamaño de las partículas se vuelve más pequeño con un aumento en la temperatura de reacción. Esto podría atribuirse a la alta nucleación de los iones metálicos, porque un aumento de temperatura impacta más en la nucleación que en el crecimiento de los núcleos79,80. Normalmente, a alta temperatura, la energía cinética de las moléculas aumenta y los precursores se consumen más rápidamente para formar núcleos, suprimiendo así el crecimiento de partículas78. Por otro lado, a temperaturas más bajas, la energía cinética de las nanopartículas disminuye. Esto da como resultado un crecimiento de cristales atribuido a la maduración de Oswald81. Como resultado, a temperaturas más altas, se forman partículas más pequeñas con una distribución de tamaño más uniforme78. Sin embargo, cuando la temperatura es demasiado alta, la actividad superficial de los núcleos aumenta, lo que favorece la colisión y aglomeración de los núcleos79. Por lo tanto, temperaturas superiores a 80 °C podrían dar lugar a tamaños de partículas más grandes67,79. Se han informado hallazgos similares en otros lugares67,78.

Variación del tamaño de partículas para ZnO puro y Ag-ZnO con diferentes concentraciones de Ag a diferentes temperaturas de síntesis.

El efecto de la concentración de precursores sobre el tamaño del nanocompuesto de Ag-ZnO y la eficacia del método de síntesis se estudió en diferentes concentraciones de iones de plata (1, 3, 5, 8 mM) dopados en nanocompuestos de Ag-ZnO. La formación de Ag-ZnO ocurre en dos etapas: la primera etapa es la generación de núcleos, seguida por el crecimiento de los núcleos. Los resultados de la Fig. 6 muestran la disminución del tamaño de los nanocompuestos de Ag-ZnO con un aumento en las concentraciones de sales de plata de 1 a 8 mM. Esto podría atribuirse a la mayor nucleación de iones a concentraciones más altas de sales precursoras, lo que produce núcleos de menor tamaño79. Sin embargo, a concentraciones más altas de sales precursoras, se forma un número excesivo de núcleos, lo que resulta en aglomeración de núcleos y crecimiento de partículas82. Un fenómeno similar también fue reportado en la literatura79, donde se observó un aumento en el tamaño de las nanopartículas de cobre sintetizadas verdes cuando la concentración de las sales precursoras aumentó de 7,5 a 10 mM. En este estudio, una concentración máxima de 8 mM para la sal de Ag dio como resultado el nanocompuesto más pequeño. Esto está cerca del valor óptimo de 7,5 mM para la sal de cobre informado en la literatura79.

En la síntesis verde de nanomateriales, la reducción y la protección de nanopartículas dependen de la carga de los fitocompuestos, que se ve afectada por un cambio en el pH79. La variación del pH afecta la formación y morfología de las nanopartículas. En este documento, se evaluó la formación de nanopartículas de ZnO y nanocompuestos de Ag-ZnO en condiciones ácidas y ligeramente básicas del extracto de hojas de Tetradenia riperia. Se observó que el pH del extracto de hojas de Tetradenia riperia era 5,10, pero se redujo a 4,46 después de la adición de precursores metálicos, lo que podría atribuirse a la liberación de iones H+ por algunos fitocompuestos de Tetradenia riperia cuando se oxidan en presencia de metal. iones precursores83. Esto se puede evidenciar por la reacción química de los fenoles con iones metálicos, lo que da como resultado fenol oxidado, elementos metálicos reducidos e iones de hidrógeno que explican el bajo pH del medio. Debido al bajo pH (acidez) del extracto TR, se suprimió la formación de nanopartículas en el medio, lo que podría atribuirse a la inactivación de los fitocompuestos79,82 responsables de la reducción y protección de los precursores metálicos. Sin embargo, cuando el pH era mayor (7-8), se observó la formación de nanopartículas. Un escenario similar también se informó en la literatura79 donde se observó la represión en la formación de nanopartículas a un pH de 4,7, pero a un pH de 6,6, se observó que se formaban nanopartículas de cobre a partir del extracto de hojas de Azadirachta indica. Curiosamente, se descubrió que incluso un pH alto era eficaz en la formación de nanopartículas. Sin embargo, la aglomeración da como resultado nanopartículas de gran tamaño78. Por lo tanto, el pH óptimo para la formación de nanopartículas de pequeño tamaño por biorutas podría estar en el rango neutro a ligeramente alcalino.

La actividad antimicrobiana de las nanopartículas de ZnO biosintetizadas y los nanocompuestos de Ag-ZnO contra cepas de bacterias E. coli (gramnegativas) y S. aureus (grampositivas) se evaluó determinando la zona de inhibición (ZOI) y la concentración mínima de inhibición (MIC). ). Los resultados de la Tabla 1 y la Fig. 9 muestran que los valores de ZOI de los nanocompuestos Ag-ZnO son innegablemente más altos que los del ZnO puro para ambas cepas. Esto demuestra la mayor actividad antibacteriana de los nanocompuestos de Ag-ZnO sobre las nanopartículas de ZnO, lo que se atribuye a su efecto sinérgico. Además, se descubrió que la actividad antibacteriana de los nanocompuestos Ag-ZnO aumenta con el aumento de las concentraciones de Ag (Fig. 7a, b. Esto demuestra que el dopaje de Ag en ZnO mejora la actividad antibacteriana de las nanopartículas de ZnO. Este fenómeno puede atribuirse a la efecto antimicrobiano más fuerte de Ag84, 85 así como el tamaño más pequeño del nanocompuesto formado como lo demuestran los resultados de XRD y FESEM. Además, la Fig. 7a, b muestra que la efectividad de los nanocompuestos estuvo influenciada por la temperatura, en la que las nanopartículas de ZnO y Ag –Los nanocompuestos de ZnO sintetizados a temperatura ambiente tuvieron un efecto moderado (ZOI bajo) en comparación con los sintetizados a 80 °C. Esto podría atribuirse a la alta tasa de nucleación y la formación de tamaños de partículas más pequeños a 80 °C. Además, los resultados de la Fig. 7c,d muestran que la actividad antimicrobiana de los nanocompuestos biosintetizados de ZnO y Ag-ZnO aumenta con los valores de CIM, lo que podría atribuirse al aumento de la dosis por cepa de bacteria, lo que da como resultado una alta actividad antimicrobiana. Los valores máximos de ZOI registrados por Ag-ZnO fueron 19,33 ± 0,58 mm para E. coli y 14,33 ± 0,58 mm para S. aureus, mientras que ZnO registró valores de ZOI más bajos de 8,33 ± 0,58 mm y 7,67 ± 0,58 mm para E. coli y S. .aureus respectivamente. Se informaron resultados similares en otros lugares6,43. Estos resultados demuestran que la incorporación de Ag en nanopartículas de ZnO mejora la actividad antibacteriana del nanocompuesto Ag-ZnO debido a un efecto sinérgico. Por lo tanto, esto proporciona información de que E. coli es más susceptible a los nanocompuestos de Ag-ZnO (Fig. 8). Esto podría atribuirse a diferencias en la composición de la pared celular de las dos bacterias43,48,86, en las que la pared celular de la bacteria S. aureus está cubierta por una capa gruesa y rígida de peptidoglicano entrecruzada por cadenas peptídicas, lo que limita la penetración de la Nanocompuesto Ag-ZnO85. Por otro lado, la pared celular de E. coli contiene una fina capa de peptidoglicano, lo que facilita la penetración de los nanocompuestos Ag-ZnO86. Se han informado hallazgos similares en otros lugares43,86. Se han adoptado varios enfoques para la síntesis de nanocompuestos de ZnO NP y Ag-ZnO utilizando métodos ecológicos. En la Tabla 2 se muestra que los nanomateriales de este estudio muestran un mejor rendimiento en comparación con las concentraciones utilizadas en otros estudios.

Zona de inhibición para nanocompuestos puros de ZnO y Ag-ZnO con diferente contenido de Ag a diferentes temperaturas sintéticas para (a) Escherichia coli (b) Staphylococcus aureus y valores de concentración mínima inhibidora (CIM) para ZnO puro y ZnO dopado con Ag para (c) Escherichia coli (d) Staphylococcus aureus.

Actividad antibacteriana del Ag-ZnO sintetizado contra Escherichia coli y Staphylococcus aureus a diferentes concentraciones inhibitorias mínimas (CIM).

Los nanocompuestos Ag-ZnO atacan y provocan la lisis de las células bacterianas mediante varios mecanismos. En primer lugar, la interacción de nanopartículas de menor tamaño con la célula bacteriana conduce a la penetración de la membrana debido a la alteración de la membrana celular causada por cambios en la proteína de la membrana o la actividad enzimática87. Esto permite la entrada de nanopartículas de Ag y ZnO en la célula bacteriana y provoca la destrucción de la bicapa lipídica y la proteína de la membrana. Esto a su vez provoca un desequilibrio dentro de la célula, lo que conduce a la muerte celular. En segundo lugar, la oxidación superficial del nanocompuesto Ag-ZnO da como resultado la liberación de plata (Ag+), que influye en las interacciones electrostáticas entre los iones formados y la pared celular bacteriana cargada negativamente. Esto da como resultado la alta actividad antibacteriana de los nanocompuestos Ag-ZnO reportados en este artículo sobre E. coli, como se informó en otro lugar43. En tercer lugar, debido a la penetración de las nanopartículas dentro de la célula bacteriana, se produce un goteo del citoplasma; esto da como resultado la contracción de la membrana celular y la muerte de las bacterias6. En cuarto lugar, los nanocompuestos Ag-ZnO obstaculizan la replicación del ADN al liberar Ag+, que interactúa con los grupos azúcar-fosfato, mutando así el gen y afectando el funcionamiento celular de las bacterias6,88. Por otro lado, las nanopartículas de ZnO iluminadas producen especies reactivas de oxígeno (ROS) que provocan estrés oxidativo en la célula89. Esto afecta las actividades mitocondriales, debilitando las actividades metabólicas, lo que finalmente conduce a la muerte celular. Cuando las nanopartículas de ZnO o las ROS generadas obstruyen la vía de transducción de señales, se detienen funciones celulares vitales como la replicación, transcripción y traducción del ADN, lo que provoca la muerte celular.18,27,89. Por lo tanto, los mecanismos antes mencionados muestran que los nanocompuestos ofrecen mecanismos de múltiples objetivos para desnaturalizar las cepas de bacterias. Esto sugiere que los nanocompuestos de Ag-ZnO pueden tener actividades antibacterianas superiores en comparación con los antibióticos o desinfectantes convencionales (Fig. 9).

Imágenes reales que muestran la actividad antibacteriana de nanocompuestos biosintetizados de ZnO puro y Ag-ZnO con diferentes contenidos de Ag (1%, 3%, 5% y 8% Ag) contra Escherichia coli y Staphylococcus aureus.

Los nanocompuestos Ag-ZnO se sintetizaron con éxito mediante un enfoque ambientalmente benigno mediante el uso de un extracto acuoso de hoja de la planta Tetradenia riperia y se evaluó su actividad antimicrobiana contra cepas de bacterias E. coli y S. aureus. El análisis SEM y XRD reveló que los nanocompuestos biosintetizados de Ag-ZnO eran de naturaleza esférica y cristalina y se observó que disminuían el tamaño promedio de las partículas de 23,6 a 14,8 nm como resultado de un aumento en las concentraciones de Ag. Se investigaron diferentes actividades antimicrobianas de los nanocompuestos Ag-ZnO y se encontró que tenían una mayor actividad antimicrobiana contra E. coli que contra las bacterias S. aureus. Los nanocompuestos Ag-ZnO presentaron mayores propiedades antimicrobianas en comparación con las nanopartículas de ZnO. Esto proporciona una idea de que la adición de nanopartículas de plata (Ag) mejora la actividad antimicrobiana de los nanocompuestos Ag-ZnO, especialmente para E. coli (bacterias gramnegativas). Además, se encontró que las actividades antimicrobianas de Ag-ZnO aumentan con el aumento de las concentraciones de dopantes de Ag y las temperaturas sintéticas, lo que indica que se forman partículas más pequeñas a concentraciones y temperaturas más altas de Ag. En este sentido, el nanocompuesto de Ag-ZnO biosintetizado proporciona resultados prometedores para su aplicación en diversos campos de la salud ambiental, como la desinfección del agua.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados en este estudio están disponibles en el repositorio DRYAD, https://datadryad.org/stash/share/n4Y_Pm0gXObU_5ngMAfCDNUqQbU_4OFqng1RtXt1sXQ.

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Este trabajo fue financiado por el Consejo Interuniversitario Flamenco para la Cooperación al Desarrollo Universitario (VLIR-UOS) con el número de subvención TZ2019IUC029A101 a través de un programa de Cooperación Universitaria Institucional (IUC) con KU Leuven, Bélgica, y la Institución Africana de Ciencia y Tecnología Nelson Mandela ( NM-AIST), Tanzania.

Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, KU Leuven, Celestijnenlaan 200F, 3001, Lovaina, Bélgica

Stanslaus G. Mtavangu y Bart van der Bruggen

Escuela de Materiales, Energía, Agua y Ciencias Ambientales, Institución Africana de Ciencia y Tecnología Nelson Mandela, PO Box 447, Arusha, Tanzania

Stanslaus G. Mtavangu, Revocatus L. Machunda y Karoli N. Njau

Departamento de Química, Facultad de Educación de la Universidad de Dar es Salaam, PO Box 2329, Dar es Salaam, Tanzania

Stanslaus G. Mtavangu

Facultad de Ingeniería y Medio Ambiente Construido, Universidad Tecnológica de Tshwane, Private Bag X680, Pretoria, 0001, Sudáfrica

Bart van der Bruggen

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Conceptualización, metodología, análisis formal, investigación, redacción: borrador original, visualización, SGM; conceptualización, metodología, redacción: revisión y edición, supervisión, administración de proyectos, adquisición de fondos, RLM; conceptualización, metodología, redacción: revisión y edición, validación, supervisión, adquisición de financiación, BVB; conceptualización, metodología, redacción: revisión y edición, supervisión, administración de proyectos, adquisición de fondos, KNN

Correspondencia a Stanslaus G. Mtavangu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mtavangu, SG, Machunda, RL, van der Bruggen, B. et al. Síntesis verde fácil in situ de nanocompuestos Ag-ZnO utilizando extracto de hoja de Tetradenia riperia y su eficacia antimicrobiana en la desinfección del agua. Representante científico 12, 15359 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19403-1

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Recibido: 08 de junio de 2022

Aceptado: 29 de agosto de 2022

Publicado: 13 de septiembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19403-1

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