Допирование Mg на наностержнях ZnO продемонстрировало улучшенное фотокаталитическое разложение и антимикробный потенциал с помощью молекулярного анализа докинга

Введение

Стоки органических загрязнителей в воде и инфекционные бактериальные загрязнители в пищевых продуктах становятся главными проблемами, которые необходимо преодолеть, чтобы поддерживать здоровую окружающую среду в нашем окружении [1, 2]. Например, инфекции, вызванные Shigellaflexneri бактерии ежегодно уносят около 1,5 миллионов смертей из-за заражения продуктов питания и напитков [3]. Токсичные и канцерогенные вещества, присутствующие в красителях, попадающих в водную среду, представляют серьезную опасность для окружающей среды и здоровья населения [4]. Эти красители также влияют на фотосинтетическую активность водных форм жизни, таких как цианобактерии и водоросли, что снижает прозрачность пресной воды [5].

Были проведены бесчисленные экспериментальные исследования для разработки физических, биологических и химических методов, а также новых технологий удаления красителей из сточных вод. До сих пор изучались физические методы, включая ультрафильтрацию через мембрану, адсорбцию и осаждение [6], а также биологические подходы. Кроме того, процедуры биоразложения использовались для разложения растворимых органических веществ с целью уничтожения бактерий, присутствующих в стоках, в то время как химические методы включают фотохимическое обесцвечивание, хлорирование и озонирование [7]. Обычные методы очистки сточных вод, включая химическое осаждение, адсорбцию, коагуляцию и разделение, не подходят, поскольку они требуют переноса красителей из одной точки в другую и вызывают вторичное загрязнение [8]. Поэтому исследователи ищут экологически чистые технологии очистки, которые предполагают прямое разложение органических загрязнителей на безвредные соединения [9].

В последнее время большое внимание уделяется фотокаталитическим и сонокаталитическим усовершенствованным процессам окисления (АОП) в присутствии полупроводниковых наночастиц (НЧ) из-за их химической стабильности, экономической эффективности и нетоксичности [10,11,12]. Фотокатализ - это усовершенствованный метод окисления, который включает генерацию носителей заряда в полупроводниковом фотокатализаторе при облучении светом. Фотогенерированные носители заряда участвуют в окислительно-восстановительных реакциях и удаляют загрязнители из воды [13, 14]. Несколько исследований показали, что OH ^· радикальные частицы накапливаются на поверхности фотокатализатора во время фотохимических реакций и приводят к деградации различных органических красителей. В настоящее время в результате увеличения производства OH ^· ионов, синергизм фотокаталитического (PCA) и ультразвукового облучения, так называемый сонофотокатализ (SPCA), по-видимому, увеличивает эффективность разложения нанокатализатора. Фактически, SPCA оказывает благотворное влияние на скорость разложения химических соединений в воде, которые являются токсичными, опасными и ядовитыми [15]. В настоящее время использование НЧ оксидов металлов для очистки загрязненной воды из-за их рентабельности, экологичности, стабильности и возможности повторного использования привлекло интерес исследователей [16, 17]. Кроме того, неорганические полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как TiO ₂ , WO _3, ZrO ₂ и ZnO оказались успешными в индуцированных светом каталитических окислительно-восстановительных процессах для разложения красителя [18, 19]. ZnO, хорошо известный полупроводник с широкой запрещенной зоной (Eg =3,37 эВ), демонстрирует исключительный потенциал благодаря активным поверхностным дефектам в приложениях PCA, выдающейся физико-химической стабильности, высокому окислительно-восстановительному потенциалу, большой энергии связи экситонов (∼60 мэВ), помимо того, что он недорогой и не содержит токсичных веществ [20,21,22,23]. Среди различных металлов магний (Mg) является наиболее интересной добавкой для синтеза оптических наноматериалов ZnO, созданных с помощью ЭГ. Замещение Mg в ZnO является предпочтительным из-за следующих факторов; (i) постоянные решетки инвариантны, (ii) ионные радиусы очень близки (Mg ⁺² =0,72 Å и Zn ⁺² =0,74 Å), (iii) высокая растворимость Mg в ZnO, (iv) легированный ZnO обеспечивает увеличение интенсивности люминесценции Eg и УФ-видимой области, что полезно для оптоэлектронных приложений. Более того, ZnO, легированный магнием, может служить эффективным фотокатализатором для разложения красителя и стимулировать антибактериальный агент из-за своей широкой оптической запрещенной зоны [23].

В этой исследовательской работе метод соосаждения был принят для синтеза эффективных нанокомпозитов ZnO, легированных магнием, с каталитической и бактерицидной активностью. Подготовленные образцы были охарактеризованы с помощью XRD, HR-TEM, EDS, FTIR, UV-Vis и рамановской спектроскопии для детального анализа. Каталитическую активность приготовленных образцов изучали на деградацию смеси метиленового синего и ципрофлоксацина (MBCF), а антибактериальную активность тестировали против бактерий G + ve и G -ve. Кроме того, были проведены исследования молекулярного докинга в отношении дигидрофолатредуктазы (DHFR) и дигидроптероатсинтазы (DHPS) пути биосинтеза фолиевой кислоты и β -кетоацил-ацил-синтаза белка-носителя III (FabH) пути биосинтеза жирных кислот.

Методы

Настоящее исследование было направлено на улучшение фотокаталитического разложения и противомикробный потенциал с помощью молекулярного док-анализа наностержней ZnO, легированных магнием.

Материалы

Тетрагидрат нитрата цинка (Zn (NO ₃ ) .4H ₂ O 99,0%), гексагидрат хлорида магния (MgCl ₂ 6H ₂ O, 99,0%) и гидроксид натрия (NaOH, 99,0%) были получены от Sigma-Aldrich.

Синтез оксида цинка, легированного магнием (ZnO)

Различные концентрации легированного Mg в фиксированном количестве наноматериалов ZnO были синтезированы методом соосаждения. 0,5 М Zn (NO ₃ ) .4H ₂ Раствор O использовали в качестве предшественника Zn, и желаемое количество (2, 4, 6 и 8 мас.%) Допанта было добавлено путем заливки MgCl ₂ в раствор. Приготовленные растворы перемешивали в деионизированной воде (деионизированная вода) в течение 90 мин при 80 ° C, при этом pH поддерживали около 12, медленно добавляя NaOH (0,1 М) в перемешиваемый раствор. Полученные осадки центрифугировали при 4000 об / мин (20 мин), сушили при 100 ° C в течение 24 часов, а затем измельчали ​​до получения мелкодисперсного порошка (рис. 1).

Схематическое изображение методики синтеза наностержней ZnO, легированных магнием

Характеристики материалов

Для определения фазового состава и структуры продуктов рентгеновский дифрактометр-XRD PANanalytical X-pert PRO, оборудованный CuK-альфа-излучением (λ =1,541874 Å), работал в диапазоне 2θ ° (20–80 °). . Наличие функциональных групп с помощью спектрометра PerkinElmer проверяли с помощью FTIR. С помощью спектрофотометра UV – Vis наблюдали оптические свойства (спектрофотометр Genesys 10S). Для регистрации спектров излучения фотолюминесценции (ФЛ) в диапазоне 300–500 нм использовался спектрофлуориметр JASCO FP-8200. Элементный состав был оценен с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) с использованием программного обеспечения INCA EDS. Для определения морфологии и микроструктуры синтезированных образцов использовались сканирующий электронный микроскоп (модель SEM JEOL JSM 6460LV) и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (модель HR-TEM JEOL JEM 2100F).

Фотокаталитическая, сонокаталитическая и сонофотокаталитическая активность

Сонокаталитическая (SCA) и сонофотокаталитическая активность (SPCA) деградации MBCF была протестирована в ультразвуковых ваннах для катализаторов ZnO и Mg:ZnO, работающих на фиксированной частоте ~ 35 кГц. Аналогичным образом, при облучении видимым светом фотокаталитическая деградация была протестирована для нанокатализаторов ZnO и Mg:ZnO против MBCF. В каждом эксперименте в 50 мл модельного красителя суспендировали фотокатализатор (10 мг) и раствор помещали в темноту на 10–15 мин для достижения равновесия адсорбция-десорбция. Видимый свет (фотокатализ - PCA), ультразвуковое устройство (сонокатализ - SCA) и комбинированное облучение видимым светом с ультразвуком (сонофотокатализ - SPCA) методично помещали под суспендированные растворы. Суспензию объемом 3 мл собирали во время экспонирования для анализа абсорбции через равные промежутки времени. Образовавшуюся составляющую красителя наблюдали, определяя разницу в λ max =670 нм MBCF. Раствор синего цвета со временем потускнел из-за разложения MBCF в присутствии нанокатализаторов. Наконец, была оценена степень разложения (Ct / Co), где Ct - временная концентрация красителя, а Co - начальная концентрация красителя. Процент деградации для каждого образца также был рассчитан с использованием уравнения% деградации =\ (\ frac {{\ left ({Co - Ct} \ right)}} {Co} \) × 100.

Выделение и идентификация S. золотистый и Э. coli

Образцы молочного (коровьего) молока, проверенные на мастит, вызванный серфингом, были собраны на разных фермах. Инкубированные образцы (выращенные на 5% агаре с овечьей кровью) наносили штрихами MSA (агар с маннитоловой солью) и MA (агар MacConkey) для G + ve S. золотистый и G-ve E. coli соответственно (pH ~ 7). Характерные колонии были идентифицированы с помощью биохимического (каталазный и коагулазный тест) и морфологического анализа (окрашивание по Граму).

Антибактериальная активность

Бактерицидное действие синтезированных NR было исследовано на бактериальных штаммах G-ve и G + ve с использованием метода диффузии в лунках агара путем взятия мазка 1,5 × 108 КОЕ / мл S. aureus и Э. coli изоляты с MSA и MA соответственно. Лунки диаметром 6 мм формировали с помощью стерильного пробоотборника на чашках Петри с тампоном MSA и MA. По сравнению с отрицательным контролем (деионизированная вода) и положительным контролем (ципрофлоксацин) использовали различные концентрации NR Mg:ZnO (0,5 мг / 50 мкл) и (1,0 мг / 50 мкл). Содержащие дозу чашки Петри инкубировали (37 ° C) в течение ночи, и антибактериальные свойства NR регистрировали путем измерения диаметра зон ингибирования штангенциркулем Вернье. С помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с использованием SPSS 20 статистически измеренная эффективность с точки зрения зон ингибирования считалась значительной.

Исследования молекулярного докинга

Исследования in silico молекулярного докинга, являющиеся эффективным подходом к идентификации ключевой структурной особенности, лежащей в основе антибактериальной активности допированных ZnO NR, были использованы для предсказания их возможного механизма. Ключевые ферменты пути биосинтеза фолиевой кислоты, а именно дигидрофолатредуктаза (DHFR) и дигидроптероатсинтаза (DHPS) наряду с β Фермент -кетоацил-ацил-носитель белка-синтазы III (FabH) пути биосинтеза жирных кислот, как сообщается, является привлекательной мишенью для открытия антибиотиков. Трехмерные структурные характеристики выбранных ферментов были извлечены из банка данных по белкам и подготовлены с использованием инструмента подготовки белков для стыковки NR ZnO, допированных магнием, внутри активного центра.

Код доступа для выбранных целей был следующим:2ANQ (DHFR _E.coli ) [24], 5U0V (DHPS _E.coli ) [25] и 4Z8D (FabH _E.coli ) [26]. Исследования молекулярного докинга проводили с использованием программного обеспечения ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [27], в котором белковые структуры были оптимизированы с помощью инструмента минимизации энергии. Молекулы воды из кристаллической структуры вместе с сокристаллизованным лигандом были удалены с последующим добавлением полярных H-атомов для получения структуры белка, и сетка была использована для идентификации активного кармана. Наконец, для анализа взаимодействия связывания были отобраны наилучшие стыкованные комплексы для наблюдения за ключевыми аминокислотами, участвующими в связывании лиганда. Для анализа пристыкованных комплексов использовались визуализатор студии Discovery и Pymol.

Результаты и обсуждение

Структурные свойства и фазовый состав легированного ZnO ​​без примесей были оценены с помощью дифракции рентгеновских лучей (рис. 2а). Наблюдаемые пики при 31,7 °, 34,5 °, 36,3 °, 47,5 °, 56,6 °, 62,9 ° и 68,0 ° можно отнести к дифракционным плоскостям (100), (002), (101), (102), (110), ( 103) и (112), которые подтвердили, что ZnO ​​имеет гексагональную структуру (JCPDS № 361451) с пространственной группой P63mc. Два пика отражают примеси соединений, содержащих карбоксил цинка (отмечены черными стрелками). Эти цинк-карбоксильные следы могли появиться из-за реакции прекурсора Zn с другими реагентами во время синтеза [28]. Размер кристаллитов ZnO составлял 26 нм, рассчитанный по формуле Шеррера, который постепенно уменьшался до 23 нм с увеличением количества примеси (до 8 мас.%). Чтобы гарантировать успешное добавление «Mg» в решетку-хозяин, были отслежены положения трех выступающих пиков (100), (002) и (101) плоскости [23]. Считается, что пики ZnO смещаются в сторону высоких значений 2θ при легировании Mg, в то время как несколько исследований сообщают о постепенном уменьшении размера кристаллитов при добавлении к ZnO легирующих примесей, таких как Mg, Fe и Al [29, 30]. Несколько факторов, в том числе напряжение сжатия, вызванное разницей в ионных радиусах Zn и легирующим ионом, препятствие росту кристаллов и / или образование дефектов в кристаллах при легировании, могут подавить рост ZnO. Сдвиг пиков, наблюдаемый для легированных NR ZnO, можно отнести к ионам Mg, которые замещают ионы Zn, из-за разницы ионных радиусов между Mg ²⁺ (0,57 Å) и Zn ²⁺ (0,60 Å) [23, 29].

а Рентгенограмма ZnO, легированного магнием, b – d Схема SAED для ZnO, 4%, 8% ZnO, легированного магнием, и e ИК-Фурье спектры соответственно

На картинах SAED легированного ZnO ​​наблюдались яркие пятна из-за дифракции электронов. Каждое пятно возникло из набора параллельных плоскостей, обнаруженных в кристаллической структуре синтезированного продукта, что повлияло на условие дифракции Брэгга. Индексы Миллера были распределены соответственно, как показано на рис. 2b – d. Картины проиндексированы плоскостями (002), (100), (101) и (102), соединенными с гексагональной структурой ZnO с электронным пучком, направленным вдоль оси зоны [101] [31]. Как правило, анизотропное направление роста ZnO определяется как межфазной свободной энергией, так и потенциалом растворения воды. Относительная скорость роста различных плоскостей также контролирует рост. Рост также контролируется относительной скоростью роста различных плоскостей [32].

FTIR-анализ был проведен для исследования присутствия функциональных групп, химического состава поверхности и форм колебаний химических связей, существующих в образцах (рис. 2e). Тесьма от 400 до 560 см ^-1 обозначают растяжение колебательных мод Zn – O – Zn, которые подтвердили образование ZnO. Полосы низкочастотной области / области отпечатков пальцев были приписаны трансляционным колебаниям M – O (590, 670 см ^-1 ) и O – M – O (430 см ⁻¹ ) [33]. При увеличении концентрации Mg не наблюдалось значительного изменения полосы поглощения Zn-O и интенсивности. Ремешок на 1651 см ^-1 соответствует симметричному режиму растяжения C =O, который сильно усиливается при увеличении процентного содержания нитрата магния, в то время как ~ 1362 см ^-1 полоса соответствует асимметричной C – O-валентной моде. Углерод из исходных материалов мог быть случайно включен в NR, тогда как появление широкой полосы пропускания на 3456 см ^-1 соответствует O – H-растяжению поверхностных адсорбированных молекул воды [34].

Чтобы проверить изменение поведения поглощения при легировании, была использована УФ-видимая спектрометрия для легированных и нелегированных образцов. Спектры поглощения синтезированных НК в УФ – видимой области регистрировали в диапазоне от 250 до 600 нм в зависимости от длины волны (рис. 3а). Образцы показали максимальное поглощение около 370–395 нм со сдвигом края поглощения в сторону меньшей длины волны при различных концентрациях легирования. Это увеличение поглощения и сдвига при легировании проявляется в недостатке кислорода, влиянии размера частиц и дефектах зеренной структуры [35]. Значения, извлеченные из рис. 3a, были использованы для расчета оптической ширины запрещенной зоны (Eg) ZnO (с использованием графика Tauc), которая увеличивалась с 3,32 до 3,72 эВ при легировании Mg (рис. 3b) [36, 37]. Это синее смещение Eg можно отнести к феномену эффекта Бурштейна – Мосса. Сообщается, что в методе оксида металла уменьшение размера частиц приводит к синему сдвигу запрещенной зоны из-за эффекта квантового ограничения (QCE). Однако QCE - не единственная причина; легирование также может влиять на локальную симметрию и создавать центры дефектов решетки, которые изменяют структуру полосы и вызывают значительные сдвиги в оптических свойствах [38]. Как описано ранее в анализе XRD, Mg, легированный в ZnO, создает кислородные вакансии в кристалле-хозяине, которые действуют как доноры в системе и ведут себя как положительно заряженные ионы, высвобождая электроны в CB. Поскольку концентрация электронных носителей превышает плотность состояний в CB, уровень энергии Ферми проталкивается в CB. Zn ²⁺ заменить на Mg ²⁺ приводит к увеличению концентрации электронов и кислородной вакансии из-за ионных радиусов и разницы электроотрицательностей обоих материалов, и, таким образом, увеличение плотности носителей приводит к подъему уровня Ферми к вырожденному полупроводнику CB, поскольку ZnO является одним из наиболее вырожденных полупроводников. . Из-за этого действия уровень Ферми, а также его положение зависят от концентрации свободных электронов и возбуждения электронов с VB на уровень Ферми, что приводит к увеличению плотности свободных электронов и расширению запрещенной зоны [39]. Этот сдвиг Бурштейна-Мосса способствует наблюдаемому расширению Eg NR ZnO, легированного магнием.

а Спектры поглощения образцов ZnO, легированного магнием, b Заговор Тауц, c Спектры ФЛ и d Рамановские спектры наностержней ZnO, легированных магнием

Анализ ФЛ - ценный инструмент для получения более полной информации о примесях, переходах и легирующих добавках путем изучения спектров излучения. Квантовые размерные эффекты влияют на физические свойства полупроводниковых материалов в наномасштабе, подобно тому как ZnO изменил свое оптическое поведение за счет увеличения квантового ограничения, наблюдаемого при фотолюминесценции [40]. Спектры ФЛ различных концентраций Mg, включенного в ZnO, измерены при возбуждении λ ~ 325 нм при комнатной температуре (рис. 3в). Для нелегированного и легированного ZnO ​​были обнаружены широкие глубокие уровни и ближняя зона излучения. Все образцы показали пик излучения в УФ-области, который приписывают рекомбинации экситонов. Пики, наблюдаемые в видимой области, появляются из-за дефектных состояний (донор), таких как O ₂ вакансии-V _o , Zn междоузлия-Zn _i , дефектные состояния (акцептор) от вакансий цинка -V _z и кислородные интерстициальные - O _i [39]. На соотношение интенсивностей пиков в УФ и видимой областях в основном влияет качество кристаллов легированных материалов, поскольку плотность дефектов уменьшается с увеличением кристалличности. Образцы продемонстрировали пики излучения около 408 нм, приписываемые переходу ZnO на границе ближней зоны и NBE [39]. Пики, обнаруженные при 408, 442, 467, 488 нм, приводят к синей эмиссии и, приписываемой межузельным частицам цинка, имеют основное фиолетовое излучение при 408 нм. Слабое излучение, наблюдаемое при 442, 467 и 488 нм, свидетельствует о рекомбинации донорно-акцепторной (D / A) пары, которая включает различные уровни дефектов в образцах. Эмиссия при 488 нм обусловлена ​​электронами в однократно ионизированном O ₂ вакансия с фотовозбужденными дырками в ВБ [41]. Интенсивность излучения широких глубоких уровней увеличивалась при легировании, в то время как пики излучения NBE переносились в область более высоких энергий. Этот синий сдвиг излучения NBE может быть интерпретирован на основе эффекта Бурштейна – Мосса. ZnO является материалом n-типа, и при сильном легировании его уровень Ферми смещается внутрь зоны проводимости. Таким образом, абсорбция должна демонстрировать синий сдвиг, как это было предложено Бурштейном; заполненные области будут блокировать оптическое или тепловое возбуждение [42]. Увеличение интенсивности ФЛ наблюдалось для легированных образцов, что означает снижение эффективности переноса электронов.

Рамановское рассеяние - это чувствительный и неразрушающий метод изучения микроструктуры и анализа свойств, связанных с колебательными состояниями наноматериалов. Оксид цинка вюрцита с примитивной ячейкой, содержащей две формульные единицы, помещен в пространственную группу C6ν. Оптические фононы, присутствующие в примитивной ячейке в обратном пространстве, оправдываются несводимым соотношением:Гopt =1A ₁ + 2B ₁ + E ₁ + 2E ₂ где B ₁ представляет беззвучные режимы комбинационного рассеяния, а A ₁ и E ₁ представляют собой полярные моды (дальнодействующие кулоновские силы), которые расщепляются на продольные оптические (LO) и поперечные оптические (TO) фононы. Кроме того, двухчастотная фононная мода E ₂ (неполярный), имеющий E ₂ (низкий) и E ₂ (высокий), соответствует подрешетке Zn и O ₂ атомы [43]. В спектрах комбинационного рассеяния пики, которые смещаются в сторону большего или меньшего волнового числа, зависят от различной длины связи между молекулами. Увеличение длины связи приводит к сдвигу в сторону низкого волнового числа и наоборот. Больше пиков высокого порядка выше 1300 см ^-1 не наблюдалось. (Рис. 3d). Доминирующий пик наблюдается на ~ 1069 см ^-1 представляет E ₂ H (характеристическая) мода гексагонального ZnO ​​[44]. Кроме того, также наблюдались три второстепенных пика в районе 436, 723 и 1386 см ⁻¹ . возникшие из-за сильного флуоресцентного фона. Кроме того, спектр комбинационного рассеяния 8 мас.% Легированного ZnO ​​был смещен в синий цвет, что связано с замещением Mg ²⁺ с Zn ²⁺ в решетке ZnO, который, как полагают, играет роль в динамике решетки [45]. Обычно сдвиги рамановских пиков происходят по трем причинам:эффекты ограничения фононов, деформация решетки и кислородные вакансии. Спектры, полученные с помощью XRD и рамановской спектроскопии, подтвердили, что на структуру вюрцит-ZnO не влияет включение Mg; однако качество кристалла значительно снижается.

Для морфологического подтверждения нелегированного и легированного ZnO ​​была проведена ВР-ПЭМ (рис. 4a – e) для определения гексагональной стержневой морфологии ZnO:Mg. Похоже, что Mg показал роль зародышеобразования при его росте при допировании [39]. Значения межслоевого расстояния между слоями для нелегированного и легированного ZnO ​​были рассчитаны на изображениях ~ 0,464, 0,183, 0,333, 0,27 и 0,232 нм, полученных с помощью ПЭМ-изображений высокого разрешения (рис. 4a′ – e ′). Значения d-расстояния хорошо согласуются с плоскостями, полученными с помощью рентгеноструктурного анализа. Отсутствие примесей / вторичных фаз предполагает адекватное включение атомов примеси в наностержни ZnO без кластеризации [46]. Кроме того, изменение d-расстояния было приписано включению Mg в решетки ZnO.

а – е Изображения HR-TEM различных концентраций ZnO, легированного Mg, и d-расстояния, рассчитанные с использованием изображений HR-TEM Mg-ZnO a ′ –e ′ С содержанием Mg (2, 4, 6 и 8 мас.%)

Элементный анализ был выполнен с использованием EDS для подтверждения присутствия цинка и кислорода в нанопорошках ZnO (рис. 5a – e). Среднее атомное соотношение (67,6:23,6) количественно подтвердило образование ZnO вместе с добавкой. Пики золота (Au) появляются в спектрах из-за напыления золотого покрытия на образец для уменьшения эффекта зарядки. Пики Cu могут происходить от ленты Cu, используемой с держателем образца. Некоторые дополнительные пики (Cl, Si) могут указывать на загрязнение. Пик Na мог происходить из-за NaOH, который использовался для поддержания щелочного pH во время синтеза. Однако пик Na перекрывается с Zn, поэтому его присутствие в образце невозможно установить.

а EDS-анализ ZnO и различных концентраций (2, 4, 6 и 8 мас.%) ZnO, легированного магнием ( b – e ) соответственно

Фотокаталитический процесс включает образование электронно-дырочных пар (e-, h +) с последующим разделением и рекомбинацией электронов и дырок (рис. 6), демонстрируя следующую окислительно-восстановительную реакцию [35].

Схематическое изображение механизма фотокатализа наностержней ZnO, легированных магнием

Все подготовленные образцы были оценены на предмет их фотокаталитической, сонокаталитической и сонофотокаталитической активности против MBCF как целевого загрязнителя. Профили деградации красителя MBCF, фотокатализируемого под воздействием УФ-излучения синтезированными нанокатализаторами, показаны на рис. 7a – c.

а Фотокатализ, б сонокатализ и c кинетика реакции сонофотокатализа разложения красителя MBCF для наностержней ZnO, легированных магнием

Основанный на кинетике псевдопервого порядка k (константа скорости) определяли путем построения линейных кривых ln (Ct / Co) в зависимости от времени воздействия t. Константа скорости разложения k для нелегированного и легированного ZnO ​​(2, 4, 6 и 8 мас.%) Была рассчитана и составила 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 и 0,00336 мин ^-1 соответственно (рис. 7а). Было обнаружено, что легированный ZnO имеет лучшую фотокаталитическую эффективность, чем чистый ZnO, с максимальной деградацией 26% для легированного ZnO ​​(8 мас.%) (Рис. 8a – c). Из-за наличия поверхностных кислородных вакансий увеличение площади поверхности было объяснением повышенной фотокаталитической активности легированного ZnO ​​[35]. Фотоиндуцированный перенос электронов в CB полупроводника с положительными дырками, оставленными в VB, является фундаментальным механизмом фотокатализа [15]. Пока экситоны не аннигилируют, они принимают участие в окислительно-восстановительных реакциях с окружающими молекулами красителя на поверхности катализаторов, что приводит к разложению продуктов. Фотоиндуцированные электроны действуют как сильный восстановитель, который взаимодействует с окружающим O ₂ молекулы для образования реактивного O ₂ ^{· -} разновидность. С другой стороны, фотоиндуцированные дыры действуют как сильный окислитель, который генерирует высокореактивный ОН ^· разновидности из гидроксильных групп. Результирующие радикальные частицы (O ₂ ^{· -} и ОН ^· ) взаимодействуют с окружающими молекулами красителя, чтобы превратить их в нетоксичные продукты или минералы.

а Фотокатализ, б сонокатализ и c фотодеградация MBCF при сонофотокатализе для наностержней ZnO, легированных магнием

Альтернативный подход к эффективному разложению органических отходов в воде - сонокатализ (SC) [15]. Влияние ультразвуковых волн на деградацию MBCF изучалось с использованием нелегированного и легированного ZnO. (Рис. 7б). Что касается концентрации красителя MBCF, SC-деградация MBCF легированным ZnO следовала кинетике псевдопервого порядка. Константы скорости разложения нелегированного и легированного ZnO ​​(2, 4, 6 и 8 мас.%) Составляли 0,02062, 0,01332, 0,00456, 0,00653 и 0,00204 мин ^-1 , соответственно. Недавно было опубликовано несколько исследований разложения красителя SC, основанного на механизме горячих точек и сонолюминесценции, в присутствии различных катализаторов. Образование кавитационных пузырьков в растворе может быть усилено за счет создания горячих точек за счет асимметричного зарождения пузырьков. Эти горячие точки могут вызвать образование OH из H ₂ Молекулы O пиролизуются. Сонохимический механизм обычно требует сонолиза воды, которая является растворителем при высоком давлении и температуре внутри схлопывающихся кавитационных пузырьков. In MBCF and nanocatalyst solution, ultrasonic waves not only cause water sonolysis, but also catalyst couple to create charge carriers. OH radicals and superoxide anions ^· О ^2– can be generated by electron–hole pairs, which decompose dyes into non-toxic species [15, 47]. Sonophotocatalysis (SPC) also appears to follow pseudo-first-order kinetics, similar to photocatalysis and sonocatalysis. Degradation rate constants for undoped and doped ZnO (2, 4, 6 and 8 wt %) were 0.00242, 0.04493, 0.1776, 0.01903 and 0.01883 min ⁻¹ , respectively (Fig. 7c). Degradation performance of doped ZnO was 12, 29, 53, 58 and 87%, respectively (Fig. 8c).

These results suggest that doping plays a crucial role in the efficiency of ZnO photocatalytic. At identical operating conditions, SPC has a higher degradation rate than the corresponding individual mechanisms. The combined process reaction rate constant is greater than the sum of individual processes' rate constants, i.e., photo of Ksono > Kphoto + Ksono, which can be attributed to (i) increase in OH production in mixture, (ii) raised transfer of mass between solution and catalyst surface, and (iii) enhanced activity related to ultrasound disaggregation, consequently enhancing the area of surface [15, 48]. In order to estimate the reusability as well as sample steadiness, Fig. 9a indicates that photocatalytic switches off MBCF colorant degradation under similar conditions after back to back (four cycling experiments). In this way, sample’s degradation efficiency reduced from to 82 to 75%. Herein (Fig. 9b), there is some depletion of nanomaterial by centrifugation or washing while doing recycling experiment. Following the recycling results, it was concluded that the product lasts stable and possesses remarkable ability and acceptance for dangerous wastewater treatment. Anyhow, Table 2 shows the comparison of photocatalytic degradation efficiency of present work with other reported materials.

а Photocatalysis reusability performance of Mg-doped ZnO and b %degradation bar graph

In vitro bactericidal action of undoped and doped ZnO NRs for G-ve and G+ve bacteria is given in Table 1. Results depict improved bactericidal synergism and action of doped ZnO against E. coli in contrast to S. золотистый . Inhibition zones were recorded as (1.05–2.05 mm) and (2.10–4.15 mm) for S. золотистый and (0–6.15 mm) to (0–8.65 mm) for E. coli , respectively, while ZnO showed negligible efficacy for E. coli as compared to S. золотистый . Moreover, control + ve depicted inhibition zone (9.00 mm) against E. coli и С. золотистый parallel to control -ve (0 mm). Overall, Mg-doped ZnO exhibited substantial (P < 0.05) efficacy against G-ve as compared to G+ve bacteria.

Oxidative stress induced by prepared doped ZnO depends upon concentration, shape and size of NRs, while increment in NRs size reduces antibacterial activity. Nanosized rods generate oxygen species (ROS) to produce bacterial cell membrane as a result of extrusion of cytoplasmic content, which cause bacteria death as shown in Fig. 10. Another possible phenomenon involves strong interaction between negatively charged cell membrane and cations (Mg ²⁺ и Zn ²⁺ ) that results in crumbling of micro-pathogens [49].

Schematic illustration of bactericidal mechanism of Mg-doped ZnO nanorods

Drug resistance has been considered as major threat to mankind, and there is continuous need for discovery of more compatible antibiotics. Bactericidal activity of metal NRs is well documented, and their role as possible candidate for new antibiotic discovery has been suggested previously [50]. In silico molecular docking studies facilitate to get insight into mechanism behind their antibacterial activity. Dihydrofolate reductase (DHFR) and dihydropteroate synthase (DHPS) enzyme belonging to folate biosynthetic pathway have been reported as well-known target for trimethoprim and sulfonamide drugs, respectively [51, 52]. Here, we evaluated binding tendency of Mg-doped ZnO NRs against DHFR, DHPS and FabH enzymes from E. coli . Docked complexes revealed their binding pattern inside active site and suggested them as possible inhibitor against selected enzyme targets.

For DHFR_E.coli , the best docked complex revealed H-bonding interaction with Ile94 (3.1 Å), Tyr100 (3.1 Å) and metal–contact interaction with Met20 and Ala7 with overall binding score -7.518 kcal/mol. Binding interactions with key amino acids of active pocket and orientation of Mg-doped ZnO NP are depicted in Fig. 11a.

Binding interaction pattern of Mg-doped ZnO NRs inside active pocket a Dihydrofolate reductase (DHFR), b Dihydropteroate synthase (DHPS) from E. coli

For DHPS_E.coli , docking complexes showed H-bonding with Leu21 (3.1 Å), Asp56 (3.4 Å), Gly59 (2.9 Å), Thr62 (2.8 Å) and Arg255 (2.8 Å). In addition, the Asn22 and Ile20 interacted with NRs through metal contact inside active site as shown in Fig. 11b. These Mg-doped ZnO NPs blocked active site (binding score:-6.973 kcal/mol) and are suggested to be possible inhibitors against DHPS enzyme.

Similarly, docking of Mg-doped ZnO NRs against the β -ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) enzyme of fatty acid biosynthetic pathway showed H-bonding interaction with Glu302 (3.3 Å), Leu220 (2.9 Å), Thr254 (3.2 Å), and Gln245 (2.7 Å) having binding score -6.548 kcal/mol (Fig. 12). Furthermore, Mg-doped ZnO NPs involved metal contact interaction with Ile250 and His241.

Binding interaction pattern of Mg-doped ZnO NRs inside active pocket β -ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) from E. coli

Blockage of active site through binding of ligands prevents entry of substrate and thus leads to loss of enzyme activity. Owing to better antibacterial activity of Mg-doped ZnO NRs against E. coli as compared to S. золотистый , in silico predictions against selected enzyme targets revealed their possible binding patterns inside active pocket and suggested them potential inhibitors of given enzymes.

A comparison of present sonophotocatalytic study with the literature is shown in Table 2.

Заключение

Using co-precipitation technique, Mg-doped ZnO NRs were successfully synthesized, and the influence of Mg doping on the phase constitution, elemental composition, morphology and optical properties of ZnO was investigated. Using XRD analysis, the ZnO has hexagonal wurtzite phase, while the estimated crystallite size was less than 100 nm. Crystalline structure of ZnO was also improved by Mg doping, which in turn led to increased luminescence and an increase in the band gap. UV–Vis absorption spectra revealed blueshift indicating band gap widening, while ZnO rod formation was confirmed by EDS study, where an average atomic ratio of 67.6:23.6 was observed. Raman spectrum was blueshifted for higher values of doping (8 wt%) caused by substitution of Mg ²⁺ for Zn ²⁺ in ZnO lattice. PL results indicated increased visible emissions with Mg, leading to an increase in electron hole pair delocalization. Dye degradation performance of synthesized NRs was evaluated against MBCF, and best results were obtained via sonophotocatalysis with maximum degradation efficiency of 87% for Mg-doped ZnO. Inhibition zones were recorded as (1.05–2.05 mm) and (2.10–4.15 mm) for S. золотистый and (0–6.15 mm) to (0–8.65 mm) for E. coli , соответственно. Therefore, doped nanorods may be imposed as a control material to minimize antibiotic resistance. Furthermore, in silico molecular docking studies predicted Mg-doped ZnO NRs as potential inhibitor of DHFR, DHPS and FabH enzyme. The inhibition of given enzymes is suggested as possible mechanism behind bactericidal activity of Mg-doped ZnO NRs against E. coli .

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

DHFR:

Dihydrofolate reductase

DHPS:

Dihydropteroate synthase

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

FESEM:

Автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия

G+ve:

Gram-positive

G-ve:

Gram-negative

HR-TEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

JCPDS:

Объединенный комитет по стандартам порошковой дифракции

Mg:

Magnesium

UV – Vis:

Ультрафиолетовая – видимая спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция

ZnO:

Оксид цинка