Síntesis Verde de Nanopartículas de Óxidos Metálicos con Goma Karaya y su Impacto Ecotoxicológico en Chlamydomonas reinhardtii

Resumen

Reportamos una ruta sostenible para producir nanopartículas (NPs) de oro (Au), platino (Pt), paladio (Pd), plata (Ag) y óxido de cobre (CuO) en agua usando el polímero natural goma karaya (GK) como reductor y estabilizador. Los coloides se caracterizaron por UV-Vis, MET, potencial zeta y DCS, confirmando diámetros medios de 42 nm (Au), 12 nm (Pt), 1,5 nm (Pd), 5 nm (Ag) y 180 nm (CuO) y cargas superficiales negativas que persistieron seis meses a 4 °C. La exposición del alga verde C. reinhardtii a 1–20 mg L⁻¹ de estas NPs reveló que Au y Pt ejercieron mínima inhibición de crecimiento, mientras que Pd, Ag y CuO suprimieron casi completamente la proliferación algal y desencadenaron daño de membrana, estrés oxidativo, quenching de clorofila y deterioro del fotosistema II. Estos hallazgos demuestran que la síntesis verde mediada por GK produce nanomateriales estables y ambientalmente benignos que pueden adaptarse para aplicaciones antimicrobianas o algicidas selectivas.

Antecedentes

Los NPs de metales y óxidos metálicos poseen propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas y catalíticas únicas que impulsan su uso generalizado en industria, medicina, agricultura y remediación ambiental [1–4]. La síntesis convencional depende de reductantes y surfactantes tóxicos, generando preocupaciones para la salud humana e integridad ecológica [5–11]. Los enfoques de química verde —empleando agentes renovables, biodegradables y disolventes benignos— ofrecen una alternativa más segura [12–18].

La goma karaya, un hidrocoloide extraído de árboles Sterculia, contiene galactosa, ramnosa, ácido galacturónico y residuos urónicos [63]. Estudios toxicológicos confirman su naturaleza no tóxica, incluso como aditivo alimentario [62–65]. En este estudio explotamos los grupos funcionales de GK (–OH, –COO⁻) para reducir sales metálicas y estabilizar simultáneamente los NPs resultantes, logrando una síntesis acuosa en un solo paso.

A pesar de su promesa tecnológica, los NPs metálicos pueden generar especies reactivas de oxígeno (ROS), daño al ADN y peroxidación lipídica, potencialmente alterando comunidades microbianas y organismos superiores [32–35]. Trabajos previos han mostrado que NPs de Ag, CuO y otros inhiben el crecimiento algal, fotosíntesis e integridad de membrana [36–49]. Sin embargo, la toxicidad de NPs de Au, Pt, Pd y CuO derivados de GK contra el alga verde modelo C. reinhardtii no se ha examinado sistemáticamente.

Métodos

Materiales

GK comercial, AgNO₃, HAuCl₄·3H₂O, CuCl₂·2H₂O, H₂PtCl₆, K₂PdCl₄, HCl, NaOH, NH₄OH (Sigma‑Aldrich, EE. UU.). Todos los reactivos fueron grado analítico y se usó agua desionizada (DI) para todas las preparaciones.

Procesamiento de Goma Karaya

1 g de GK se dispersó en 1 L de agua DI, se agitó toda la noche, luego se dejó a 20 °C durante 18 h para eliminar insolubles. La solución se filtró (10–16 µm) y liofilizó.

Síntesis de NPs

Para Au, Pt, Pd y Ag, 100 µL de sal metálica 10 mM se añadieron a 10 mL de solución GK en matraces de 50 mL. El pH se ajustó para optimizar el rendimiento de NPs, luego la mezcla se agitó a 250 rpm, 45–95 °C durante 1 h. Los cambios de color (amarillo, vino-tinto, negro) indicaron formación de NPs. Los NPs de CuO se produjeron vía ruta coloidal térmica: 100 µL 10 mM CuCl₂·2H₂O mezclados con GK, relación molar 2:5 CuCl₂:NaOH, calentado a 75 °C, 250 rpm durante 1 h, luego el precipitado se aisló por centrifugación y lavado con etanol y agua DI.

Caracterización

ICP-MS (Perkin Elmer OPTIMA 2100 DV) cuantificó el contenido metálico. Espectros UV-Vis (Cintra 202) monitorizaron picos de plasmón y estabilidad a largo plazo. MET (Tecnai F 12, 15 kV) reveló morfología y distribución de tamaño. En medio algal, sedimentación centrífuga diferencial (DC24000UHR) determinó distribución de tamaño basada en peso; potencial zeta se midió con Malvern Zetasizer ZS. La liberación iónica en medio algal se evaluó por ultrafiltración (corte 3 kDa) seguida de ICP-MS.

Cultivo de C. reinhardtii

La cepa CPCC11 creció en medio TAPx4 a 20 °C, 100 rpm, iluminación 114,2 µmol m⁻² s⁻¹, manteniendo fase exponencial de ≈10⁶ células mL⁻¹.

Experimentos de Exposición Algal

NPs (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) se añadieron a 5 mL de suspensiones algales en viales de 50 mL. Crecimiento, integridad de membrana (yoduro de propidio), estrés oxidativo (CellROX Green), fluorescencia de clorofila y rendimiento cuántico del fotosistema II (AquaPen‑C AP‑C 100) se monitorizaron a 1, 3, 5 y 24 h. Controles incluyeron algas no tratadas, células muertas por calor y estrés oxidativo inducido por comino. Los datos se recogieron en duplicado y analizaron por ANOVA con prueba de Dunnett (GraphPad PRISM).

Resultados

Formación de NPs y Caracterización Primaria

Imágenes MET (Fig. 1a–e) mostraron NPs esféricas monodispersas. Espectros UV-Vis (Fig. 1f) mostraron picos de plasmón de superficie a 412 nm (Au) y 525 nm (Ag); Pt, Pd y CuO no mostraron picos distintos. Tras 6 meses, los espectros permanecieron inalterados, confirmando estabilidad.

Figura 1. Imágenes MET de Au (a), Pt (b), Ag (c), Pd (d) y CuO (e) NPs sintetizadas con GK; gráficos insertados muestran distribución de tamaño basada en peso en medio algal; (f) espectros UV-Vis.

Caracterización en Medio Algal

Tamaños basados en peso variaron de 180 a 5 nm (CuO > Au > Pt > Ag > Pd). Todos los NPs presentaron potenciales zeta negativos a pH 7 (Tabla 1). Las concentraciones de metales iónicos fueron mayores para Pt, Ag y CuO (33–36 µg L⁻¹) y menores para Au y Pt (6–7 µg L⁻¹).

Efecto en Crecimiento Algal

Crecimiento control: 1 × 10⁶ células h⁻¹. Exposición a 1 mg L⁻¹ Ag, Pd y CuO redujo el crecimiento a 2,2 × 10⁴, 1,7 × 10⁴ y 0,2 × 10⁴ células h⁻¹, respectivamente (P < 0,001). A concentraciones mayores, el crecimiento cesó completamente (Fig. 2). Au y Pt también frenaron el crecimiento, pero los efectos se estabilizaron independientemente de la dosis.

Figura 2. Tasa de crecimiento de C. reinhardtii tras 24 h de exposición a 1, 5, 10 y 20 mg L⁻¹ NPs de Au, Pt, Pd, Ag y CuO. Barras de error: DE.

Inducción de Estrés Oxidativo

NPs de Ag y CuO indujeron generación de ROS casi completa (≈100 %) a 5–20 mg L⁻¹ (Fig. 3d, e). Au causó <10 % ROS, disminuyendo a 15 % a 20 mg L⁻¹ (P < 0,001). Pt desencadenó <8 % ROS en 5 h; a 20 mg L⁻¹, 19 % células estresadas tras 24 h. NPs de Ag produjeron 100 % estrés tras 24 h a 10–20 mg L⁻¹. CuO alcanzó estrés significativo en 3 h a 10–20 mg L⁻¹; 5 mg L⁻¹ causó estrés tras 5 h. Au produjo ROS abióticos despreciables (P > 0,05).

Figura 3. Porcentaje de células de C. reinhardtii estresadas (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) tras 1, 3, 5 y 24 h para NPs de Au, Pt, Pd, Ag y CuO.

Integridad de Membrana

Au y Pt causaron daño de membrana significativo en todos los tiempos hasta 5 h (P < 0,001) pero no tras 24 h. NPs de Ag dañaron 100 % de células en 1 h a todas las concentraciones. NPs de Pd mostraron daño mínimo a 1–5 mg L⁻¹; 20 mg L⁻¹ produjo daño significativo tras 24 h. El daño por CuO aumentó con dosis y tiempo, pico a 24 h (Fig. 4).

Figura 4. Porcentaje de células con membranas dañadas tras exposición a 1, 5, 10, 20 mg L⁻¹ NPs de Au, Pt, Pd, Ag y CuO.

Fluorescencia de Clorofila

Au y Pt no tuvieron efecto significativo en fluorescencia de clorofila en 24 h. Ag, Pd y CuO redujeron marcadamente la fluorescencia con mayores dosis y exposición prolongada; 5 mg L⁻¹ Ag redujo fluorescencia a 22 % a 24 h (P < 0,001). CuO y Pd a 20 mg L⁻¹ produjeron la caída más pronunciada tras 24 h (Fig. 5).

Figura 5. Fluorescencia de clorofila de C. reinhardtii tras 1, 3, 5 y 24 h de exposición a 1, 5, 10, 20 mg L⁻¹ NPs de Au, Pt, Pd, Ag y CuO.

Eficiencia del Fotosistema II

Au, Pt y CuO produjeron reducciones menores y esporádicas en el rendimiento cuántico (QY) en algunos puntos temporales. NPs de Ag causaron caída dramática de QY (>90 %) tras 1 h a todas las concentraciones. Pd y CuO redujeron significativamente QY solo a 20 mg L⁻¹ (Fig. 6).

Figura 6. QY del fotosistema II (%) tras 1, 3, 5 y 24 h de exposición a 1, 5, 10, 20 mg L⁻¹ NPs de Au, Pt, Pd, Ag y CuO.

Discusión

Nuestra síntesis basada en GK produjo Au, Pt, Pd, Ag y CuO NPs estables y monodispersas que mantuvieron integridad seis meses a 4 °C. El tamaño y química superficial de estas partículas influyeron fuertemente en su actividad biológica. Au y Pt, con diámetros mayores (42 y 12 nm) y baja liberación iónica, mostraron toxicidad mínima, sugiriendo su idoneidad para aplicaciones biomédicas o catalíticas donde la biocompatibilidad es crítica. En contraste, Pd (1,5 nm), Ag (5 nm) y CuO (180 nm) fueron altamente tóxicos para C. reinhardtii, consistente con su conocida propensión a generar ROS, liberar iones y alterar membranas. El fuerte efecto de Pd es notable; su tamaño ultrapequeño probablemente facilita la captación celular y liberación iónica, explicando el estrés oxidativo y depleción de clorofila observados.

La toxicidad de NPs de Ag se alinea con literatura indicando que Ag⁺ disuelto, más que la nanopartícula en sí, impulsa la actividad algicida [80–89]. Nuestros NPs de Ag recubiertos con GK exhibieron potente acción biocida, sugiriendo uso potencial como algicida en piscinas o sistemas de tratamiento de agua. Los NPs de CuO probablemente ejercieron toxicidad mediante disrupción de membrana inducida por partícula y liberación iónica de Cu²⁺, corroborando estudios previos en C. reinhardtii y otras algas [36, 47, 48].

Los NPs de Au indujeron solo estrés oxidativo modesto y transitorio y alteración fisiológica despreciable, apoyando su clasificación como no tóxicos en este sistema algal. Los NPs de Pt causaron inhibición leve de crecimiento y reducción de clorofila, posiblemente por combinación de Pt iónico y efectos de sombreo por partícula, pero la toxicidad general permaneció baja.

Conclusiones

Sintetizamos con éxito NPs de Au, Pt, Pd, Ag y CuO producidas verdes usando goma karaya, logrando tamaños de 42, 12, 1,5, 5 y 180 nm respectivamente, todos con cargas superficiales negativas y estables seis meses. La exposición de C. reinhardtii a estos NPs reveló que Au y Pt fueron mayormente inofensivos, mientras que Pd, Ag y CuO ejercieron fuertes efectos tóxicos en crecimiento, integridad de membrana, producción de ROS, fluorescencia de clorofila y eficiencia del fotosistema II. Estos resultados subrayan la importancia de las propiedades fisicoquímicas de NPs en dictar el riesgo ecológico y destacan la promesa de NPs de Ag y CuO derivados de GK como algicidas dirigidos y NPs de Pd, Ag, CuO para superficies antimicrobianas, mientras que NPs de Au y Pt pueden considerarse seguros para exposición a algas verdes.