Зеленые никель-оксидные наночастицы из имбиря и чеснока: сильная антибактериальная и каталитическая активность

Аннотация

Фитосинтезированные наночастицы (НЧ) с пониженной химической токсичностью в последнее время привлекают глобальное внимание и становятся важным компонентом нанотехнологий. Мы приготовили зеленые фитохимически (имбирь и чеснок) восстановленные NiO-НЧ для замены синтетических бактерицидных и каталитических агентов в текстильной промышленности. НЧ характеризовали с помощью ультрафиолетово-видимой спектроскопии (УФ-Vis), рентгеновской дифракции (XRD), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), Фурье-преобразования инфракрасной спектроскопии (FTIR), энергии-дисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), сканирующей электронной микроскопии (SEM) и передаточной электронной микроскопии (TEM). Синтез НЧ подтвердили XRD и УФ-Vis с сильным поглощением при 350 нм с размером в диапазоне 16–52 нм для имбиря и 11–59 нм для чеснока. Сканирующая и передаточная электронная микроскопия подтвердили плеоморфизм с кубическими и более сферическими формами НЧ. Более того, точные количества чесночного и имбирного экстрактов (1:3,6 мл), включенные для синтеза NiO-НЧ, успешно подтверждены FTIR. Фитохимически восстановленные НЧ чесноком продемонстрировали усиленную бактерицидную активность против многолекарственно-устойчивого Staphylococcus aureus при увеличивающихся концентрациях (0,5, 1,0 мг/50 мкл) и также эффективно деградировали метиленовый синий (MB) краситель. Заключительно, зеленые синтезированные NiO-НЧ являются перспективными активами для разрешения лекарственной устойчивости и экологически чистых каталитических агентов, которые могут быть применены в промышленном масштабе.

Введение

Нанотехнологии касаются материи с хотя бы одним измерением размера 1–100 нм, что дает способность конструировать материалы путем контроля их размера [17]. НЧ благодаря своим уникальным химическим, физическим и биологическим свойствам в различных областях, включая медицину, привлекли большое внимание. Их свойства могут быть легко изменены путем изменения размера в нанометровом масштабе [47].

Никель (Ni) и оксид никеля (NiO) НЧ имеют большое значение благодаря своим особым магнитным, каталитическим и электронным свойствам в энергетических технологиях, магнетизме, биомедицине и электронике [9, 26, 35]. NiO с широкой запрещенной зоной 3,6–4,0 эВ и кубической кристаллической решеткой имеет потенциал благодаря p-типу полупроводника. Эти НЧ, обладающие высокой химической стабильностью, свойствами суперконденсаторов, способностью к электронному переносу и электрокатализом, используются в биомедицине и фото каталитических, противовоспалительных и антибактериальных активностях [8, 10, 11, 45]. Появление инфекционных заболеваний, особенно антибиотикоустойчивых (MDR), нанесло ущерб общественному здоровью во всем мире. Обычно как патогенные грам-позитивные (G+), так и грам-отрицательные (G−) бактериальные штаммы являются основными угрозами общественному здоровью.

В молочной промышленности коровья мастит — серьезная проблемная болезнь с большим экономическим влиянием, характеризующаяся химическими, микробиологическими и физическими изменениями в молоке, в то время как патологические изменения в железистых тканях вымени [6, 19]. Этиология мастита включает инфекционные агенты, т.е. бактерии, вирусы и грибы, и самыми важными являются бактерии, разделенные на две группы: основные (Streptococci, Staphylococcus aureus, Corynebacterium pyogenes и Coliform) и второстепенные патогены (Corynebacterium bovis и коагулаза-отрицательные Staphylococci) [25]. Появление многолекарственно-устойчивых грам-позитивных и грам-отрицательных бактериальных штаммов представляет значительную угрозу для общественного здоровья [23, 32].

Zingiber officinale (имбирь) — важный ингредиент в Аюрведе и Унани, а китайская трава лечит различные недуги, такие как тошнота, помощь пищеварению, ревматизм и кровотечения благодаря широкому разнообразию летучих масел, таких как зингиберол, монтерпен, сесквитерпен и сесквитерпеновые углеводороды [12, 13, 43]. Однако Allium sativum (чеснок) содержит органически-сернистые компоненты, т.е. аллилсульфидные группы, аллиин, ajoene, аллил цистеин и аллицин, а также витамины, фосфолипиды, флавоноиды, аминокислоты и жирные кислоты, которые определяют его лечебные свойства [14, 24]. Мы стремились оценить бактерицидное действие фитохимически восстановленных оксидных НЧ никеля против MDR (S. aureus), изолята коровьего мастита, и это будет первым отчетом из Пакистана в ветеринарной исследовательской области по вышеупомянутому агенту.

Методы

Текущее исследование направлено на изучение бактерицидного действия фитохимически восстановленных NiO-НЧ против MDR (S. aureus), изолята коровьего мастита.

Материалы

Нитрат никеля [Ni(NO₃)₂], гидроксид натрия (NaOH), метиленовый синий (MB) и борид натрия (NaBH₄) аналитического чистоты приобретены у Sigma-Aldrich®, а свежие корни имбиря и чеснока собраны на местном рынке. Корни сушили в тени для достижения постоянного веса для дальнейшей обработки. Антибиотические диски приобретены у Bioanalyse® (Турция). Бактериальные питательные среды аналитического чистоты использовались от TM Media, (Titan Biotech Ltd, Индия).

Приготовление водных экстрактов

Корни имбиря и чеснока измельчали в мелкую пыль с помощью электрической мельницы и хранили в пластиковых контейнерах. Пыль из молотых корней смешивали с контролируемым количеством дистиллированной воды (1:10) при интенсивном перемешивании при 70 °C в течение 30 мин. Экстракты остужали, фильтровали через бумагу Whatman No.1 и хранили при 4 °C (Рис. 1) до дальнейшего использования.

Зеленый синтез NiO-НЧ

Водные экстракты имбиря и чеснока в различных соотношениях (1,2, 1,8, 2,4, 3,0, 3,6 и 4,2 мл) добавляли к нитрату никеля (0,1 М) при непрерывном перемешивании. pH размешанного раствора 12 поддерживали с помощью NaOH (2 М) при 90 °C в течение 2 ч. Осажденные осадки центрифугировали при 10 000 об/мин в течение 10 мин, промывали дистиллированной водой и сушили за ночь в сушильном шкафу при 90 °C, как показано на Рис. 1.

Характеристика

Максимумы поглощения (ƛ_max) синтезированных НЧ сканировали УФ-видимым спектрофотометром (Genesys 10 S) в диапазоне длин волн 200–800 нм. Фазовый состав и структурная информация анализировались рентгеновской дифракцией (XRD) BUNKER D2 phaser с диапазоном 2θ (10–80°) с Cu Kα1 излучением λ = 1,540 Å. Функциональные группы зеленых синтезированных NiO-НЧ записывали с помощью Фурье-преобразования инфракрасной спектроскопии (ATR-FTIR). Размер, форма и элементный анализ НЧ анализировали полевой эмиссионной электронной микроскопией (FESEM) и передаточной электронной микроскопией Hitachi H7100FA (TEM). Состав образца с соответствующими запрещенными зонами исследовали рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS).

Изоляция и идентификация MDR S. aureus

Изоляция S. aureus

Клинически положительные образцы коровьего молока, собранные из частных и государственных ветеринарных больниц и ферм в Пенджабе, Пакистан, посевали на 5% овечьей кровяной агаре и инкубировали при 37 °C в течение 24–48 ч. Характерные колонии, полученные, далее высевали на маннитол-солевой агаре (MSA) TM Media (Titan Biotech Ltd, Индия) в триплекте для изоляции чистого S. aureus.

Идентификация MDR S. aureus

Идентификация бактериальных колоний проводили через морфологические характеристики, окраску по Граму и биохимические процедуры (коагулаза и каталаза тесты) согласно описанию руководства Берджея по детерминативной бактериологии.

Антибиотикочувствительность характерных колоний оценивали диффузионным тестом с дисками на основе руководств Национального комитета по клиническим лабораторным стандартам (NCCLS) для изоляции MDR S. aureus. Антибиотические диски, содержащие окситетрациклин (30 мкг), тилозин (30 мкг), гентамицин (10 мкг), ципрофлоксацин (5 мкг) и триметоприм + сульфаметоксазол (1,25 мкг + 23,75 мкг) асептически наносили на Мюллер-Хинтон агар (MHA) TM Media (Titan Biotech Ltd, Индия) 1 × 10⁸ КОЕ/мл и держали при 37 °C в течение 24 ч [7]. Бактерия, устойчивая к минимум трем антибиотикам, объявлялась MDR [28].

Антимикробная активность

Ин витро антимикробный потенциал фитохимически восстановленных NiO-НЧ оценивали методом диффузии в агаре через колодцы путем измерения зоны ингибирования (мм) как показано на Рис. 9а–д и Таблице 1. Петриевы чаши размазывали 1,5 × 10⁸ КОЕ/мл (0,5 стандарт Макфарланда) MDR S. aureus на MSA. Колодцы диаметром 6 мм формировали стерильным бором для проб. Различные концентрации отдельных водных экстрактов имбиря, чеснока и зеленых синтезированных (фитохимически восстановленных) NiO-НЧ применяли. Водные экстракты использовали в концентрациях (10 мг/100 мкл) и (50 мг/100 мкл) и NiO (0,5 мг/50 мкл) и (1,0 мг/50 мкл). Ципрофлоксацин (0,005 мг/50 мкл) использовали как положительный контроль и DIW как отрицательный контроль (50 мкл).

Статистический анализ

Антимикробная эффективность рассчитывали в терминах размера зоны ингибирования (мм), а диаметры зон ингибирования анализировали статистически однофакторным дисперсионным анализом (ANOVA) с использованием SPSS 20.

Катализ

Для каталитической оценки синтезированных экстрактных NiO, свежеприготовленный водный борид натрия (300 мкл) смешивали с 3 мл раствора метиленового синего (0,03 × 10⁻³ М). Затем 300 мкл коллоидного образца желаемой концентрации добавляли к растворам. Голубой цвет красителя метиленового синего (MB) исчезал, представляя деградацию красителя до лейкометиленового синего как показано на Рис. 2. Абсорбцию отмечали между 200–800 нм с помощью УФ-Vis спектрофотометра.

Результаты и обсуждение

Оптические свойства фитохимически восстановленного NiO имбирным и чесночным водными экстрактами между 200–600 нм представлены на Рис. 3а, б. Максимальная абсорбция (λ_max) в NiO-НЧ наблюдалась около 350 нм (1:3,6 мл), которая увеличивалась с концентрацией экстрактов, сопровождаясь голубым смещением. Пороговые пики имбирного и чесночного экстрактов появлялись около 275 и 280 нм соответственно. Резкое изменение цвета реакционных смесей наблюдалось от винно-красного к светло-зеленому после добавления корневых экстрактов. Широта пиков указывала на агломерацию частиц и электронный переход от валентной зоны в зону проводимости с концентрацией экстракта в NiO, как показывают сильные полосы поглощения [20]. Следовательно, на Рис. 3а, б результаты показывали уменьшение поглощения синтезированных НЧ при увеличении или уменьшении объема экстракта за пределами оптимизированного значения (1:3,6 мл). Запрещенная зона рассчитывали по графику Таука (Ур. 1).

$$ \left(\alpha hv\right)=B{\left( hv-{E}_g\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.} $$ (1)

Где α — коэффициент поглощения, h — постоянная Планка, B — постоянная, υ — частота фотона, и E_g — энергия запрещенной зоны. Оцененная запрещенная зона фитохимически восстановленного NiO имбирем и чесноком от графика (αhʋ)^1/2 против энергии фотона (hʋ). Перехват касательной к x-оси записывали, что дает энергии запрещенной зоны образцов как показано на Рис. 3в, г. Вариации энергий запрещенной зоны определялись при легировании имбирем в NiO от 4,15 до 3,1 эВ и с чесноком от 3,5 до 3,0 эВ соответственно (Рис. 3в, г).

Кристалличность, размер и фазовый состав NiO-НЧ подтверждали XRD как показано на Рис. 4а, б. Пики при 2θ значениях 37,10°, 43,32°, 62,81° и 76,51° соответствуют (111), (200), (220) и (311) (карта JCPDS №: 00-047-1049) (Рис. 4а, б) согласно [30]. Интенсивность пиков указывает на гексагональную и гранецентрированную кубическую (fcc) NiO со средним размером 32,9 нм, рассчитанным по D = 0,9λ/βcosθ для имбиря и 29,92 нм для чесночно восстановленных NiO-НЧ. Широкие пики указывают на наличие кислородных вакансий и локального кристаллического беспорядка в образце [38]. Различные фитохимические вещества имбиря (флавоноиды, алкалоиды, танины и сапонины) и чесночных водных экстрактов (аллицин, аллилсульфид, аллиин, жирные кислоты, гликолипиды, фенолики, аминокислоты и флавоноиды), действующие как каппинг-агенты, отвечают за средний кристаллитный размер металл-оксидных НЧ [14, 46].

Записанные FTIR спектры NiO, биосинтезированного из корней имбиря и чеснока, показаны на Рис. 5а, б. Обширное широкое поглощение при 3380 см⁻¹ соответствует OH и широта пика указывает на карбонильную группу с (N-H) аминовой валентной частотой [50]. Острое поглощение при 2313 см⁻¹ указывает на валентные вибрации CO₂ либо атмосферного, либо CO₂ внутри зерен НЧ. Быстрое поглощение атмосферного CO₂ указывает на большую удельную поверхность материала [18]. Обширное поглощение при 1629 см⁻¹ соответствует валентным вибрациям ароматического кольца C=C, а острые пики при 1392 и 1064 см⁻¹ соответствуют валентным вибрациям алифатических аминов C–N [48]. Интенсивные пики при 978 см⁻¹ подтверждают валентную частоту металл-кислород NiO [44].

Смещения пиков, наблюдаемые после био-восстановления NiO как 2535–2313, 1828–1629 и 1585–1392 см⁻¹, указывают на фитохимические вещества, терпеноиды, флавоноиды, полиолы и белки, имеющие кетонные, спиртовые, карбоксильные и аминовые функциональные группы, ответственные за хелатирование и каппинг в био-восстановлении [42].

Поверхностная морфология и размер фитохимически восстановленных NiO-НЧ определяли с помощью полевой эмиссионной сканирующей и передаточной электронной микроскопии как представлено на Рис. 6а–f. NiO-НЧ демонстрировали плеоморфизм с кубической и более сферической формой (< 50 нм) с легкой агломерацией [40]. Агломерация НЧ может быть очевидна от полимерного адгезирования и магнитного взаимодействия между частицами [49].

Элементный анализ и дальнейшие особенности синтезированных NiO-НЧ описывали энергией-дисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDS), которая подтвердила чистые NiO фазы как показано на Рис. 7а, б. EDS спектры подтвердили три пика, напрямую связанные с высокой чистотой Ni в тестированных образцах между 1 и 10 кВ. Атомные весовые проценты, наблюдаемые через спектры для Ni, O, C и Zn составляют 54,69, 27,81, 18,06 и −0,55 соответственно.

XPS показывает C1s, O1s и Ni2p спектры фитохимически восстановленных NiO-НЧ на Рис. 8а–д, что предполагает химическую природу и состояния связывания синтезированных образцов. Наиболее интенсивные пики при 284,8 и 286,2 эВ демонстрируют C1s спектр (Рис. 8б), соответствующий C–C и C–OH/C–O–C [21]. O1s пик при 530,8 эВ (Рис. 8в) может быть приписан гидроксильным группам атомов кислорода, атомам кислорода, смежным с вакансиями никеля, или кислород-связанным атомам углерода C=O [1, 15, 37]. Вклад, расположенный при 532,2 эВ, приписывается атомам кислорода в адсорбированных водных молекулах (NiOH) [31, 41]. Ni2p спектр, содержащий Ni2p3/2 и Ni2p1/2 пики, может быть разделен с помощью Гауссово-Лоренцевой функции на пять компонентов (Рис. 8г). Наиболее интенсивные пики при 872,72 и 855,82 эВ принадлежат Ni2p1/2 и Ni2p3/2 с соответствующими сателлитными пиками 879,36 и 861,57 эВ соответственно [16]. Спин-орбитальное расщепление между Ni (2p1/2) и Ni (2p3/2) и ядерным уровнем NiO-НЧ составляет 17,28 эВ, что хорошо согласуется с более ранними отчетами [33, 34].

Антимикробное/бактерицидное действие имбирных и чесночных корневых экстрактов и зеленых/фитохимически восстановленных NiO-НЧ оценивали с помощью агарного колодцевого метода диффузии через измерение зоны ингибирования (мм) как показано на Рис. 9а–д и Таблице 1. Результаты изобразили сильную связь между концентрацией НЧ и зонами ингибирования (мм). Значимые зоны ингибирования (мм) (P < 0,05) записывали для образца 1 (1,2 мл:1), 2 (1,8 мл:1), 3 (2,4 мл:1), 4 (3 мл:1), 5 (3,6 мл:1) и 6 (4,2 мл:1) в диапазоне (3–4,9 мм) и (3,05–5,2 мм) при низких и высоких концентрациях фитохимически восстановленных NiO-НЧ имбирем (Рис. 9в, г), в то время как (3,15–5,3 мм) и (3,75–5,9 мм) фитохимически восстановленные НЧ чесноком против MDR S. aureus (Рис. 9д, е). Имбирный водной экстракт показывал нулевую эффективность (Рис. 9а), а чесночные корни показывали 2,65 и 5 мм зоны ингибирования при низких и высоких концентрациях соответственно (Рис. 9б). Все результаты сравнивали с отрицательным контролем DIW (0 мм) и положительным контролем ципрофлоксацин (12,55 мм). В целом, фитохимически восстановленные NiO-НЧ с чесноком показали значимую (P < 0,05) усиленную бактерицидную активность против MDR S. aureus.

Различия в толерантности к оксидативному стрессу зависят от различных факторов, таких как удельная поверхность, морфология и размер частиц синтезированного наноматериала, играющие инференциальную роль в антибактериальном потенциале [29, 36]. Электростатическое взаимодействие между бактериальными штаммами и наноразмерными материалами приводит к генерации реактивных форм кислорода, признанных ответственными за смерть бактериальных клеток [2,3,4,5, 22]. Две реакции найдены возможными для реакции наноматериала с бактериальными штаммами, включая сильное взаимодействие катионов Ni²⁺ с отрицательно заряженными частями бактериальной клетки, приводящее к коллапсу, в то время как вторая реакция приводит к электронному возбуждению от валентной зоны в зону проводимости при облучении поверхности NiO светом. Дальнейшая электронная реакция с O₂ генерирует O⁻₂ радикалы, приводящие к производству H₂O₂. Производство ·OH происходило при реакции h⁺ с водой. Таким образом, полученные O⁻₂· и ·OH виды играли значительную роль в разрушении липидных или белковых молекул, присутствующих на внешней поверхности бактериальной клетки [39].

Каталитическая активность

Рис. 10а–е демонстрируют каталитическое восстановление MB в присутствии корневых экстрактов и зеленых/фитохимически восстановленных NiO-НЧ при комнатной температуре. Рис. 10а показывает каталитический потенциал NiO-НЧ, синтезированных традиционным путем, в то время как (Рис. 10б, в) представляют каталитический потенциал имбирных и чесночных водных экстрактов. Каталитическая способность фитохимически восстановленных NiO-НЧ представлена на Рис. 10г, д. Очевидно, что NiO и корневые экстракты не являются эффективными нано-катализаторами, так как они потребляли 15, 21 и 38 мин для восстановления метиленового синего (Рис. 10а–в). Фитохимически восстановленные НЧ с имбирем показывали быстрое деградирование (λ_max = 8 мин) с эффективным превращением MB в лейкометиленовый синий (Рис. 10г). Чесночно-медированные NiO-НЧ показывали аналогичный паттерн 100% деградации красителя за 5 мин (Рис. 10д).

Зеленые/фитохимически восстановленные НЧ выполняют значительную каталитическую деградацию красителя путем переноса электронов от донорских видов (BH₄) к акцепторским (MB) и стабилизации системы за счет снижения энергии активации [27]. Данные раскрыли зеленые НЧ как эффективные нано-катализаторы по сравнению с традиционными НЧ и отдельными экстрактами.

Заключение

NiO-НЧ с имбирными и чесночными корневыми экстрактами служили отличными бактерицидными и каталитическими агентами. Включение корневого экстракта с фитохимическими группами привело к успешному синтезу NiO-НЧ, раскрытому FTIR. XRD пики подтвердили NiO гексагональную и гранецентрированную кубическую (fcc) решетку, а SEM подтвердил плеоморфизм с кубической и более сферической морфологией НЧ со средним размером 16–52 (имбирное легирование) и 11–59 нм (чесночное легирование). Однако элементный анализ раскрыл химическую природу и состояния связывания, проанализированные EDS и XPS, и представили фактический процент никеля и кислорода, в то время как УФ анализ верифицировал разницу пиков поглощения в диапазоне 350 нм и ввел голубое смещение при больших количествах допантов. Фитохимически чесночно восстановленные NiO при высокой концентрации оказались более мощными по сравнению с имбирно восстановленными НЧ против MDR S. aureus, а также эффективно восстанавливали MB. Таким образом, зеленые/фитохимически восстановленные NiO из чесночных корневых экстрактов могут быть приняты в передовой медицине как замена антибиотикоустойчивости и в текстильной промышленности как каталитический агент без экологического риска.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

EDS:

Энергии-дисперсионная рентгеновская спектроскопия

fcc:

Гранецентрированная кубическая

FTIR:

Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии

G+:

Грам-позитивные

G−:

Грам-отрицательные

JCPDS:

Объединенный комитет по стандартам порошковой дифракции

MB:

Метиленовый синий

Ni:

Никель

NiO:

Оксид никеля

нм:

Нанометр

НЧ:

Наночастицы

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

TEM:

Передаточная электронная микроскопия

UV-Vis:

Ультрафиолетово-видимая спектроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция