Nanopartículas de Óxido de Níquel Sintetizadas Verde desde Jengibre y Ajo: Fuerte Actividad Antibacteriana y Catalítica

Resumen

Las nanopartículas (NPs) fito-sintetizadas con toxicidad química reducida se han enfocado globalmente y se han convertido en componente esencial de la nanotecnología recientemente. Preparamos NPs de NiO reducidas fitoquímicamente (jengibre y ajo) para reemplazar agentes bactericidas y catalíticos sintéticos en industria textil. NPs caracterizadas por espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis), difracción de rayos X (XRD), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), espectroscopía infrarroja transformada Fourier (FTIR), espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). La síntesis de NPs se confirmó por XRD y UV-Vis con fuerte absorción a 350 nm con tamaño 16–52 nm (jengibre) y 11–59 nm (ajo). Microscopía electrónica de barrido y transmisión confirmó pleomorfismo con NPs cúbicas y más esféricas. Además, cantidades exactas de extractos de ajo y jengibre (1:3,6 mL) incorporadas para sintetizar NPs NiO confirmadas exitosamente por FTIR. NPs reducidas fitoquímicamente por ajo presentaron actividad bactericida mejorada contra Staphylococcus aureus multirresistente a concentraciones crecientes (0,5, 1,0 mg/50 μL) y degradaron eficientemente colorante azul de metileno (MB). Conclusivamente, NPs NiO sintetizadas verde son activistas inminentes para resolver resistencia a fármacos y agente catalítico ecológico que puede optarse a escala industrial.

Introducción

La nanotecnología aborda materia con al menos una dimensión 1–100 nm que proporciona capacidad de ingeniar material controlando su tamaño [17]. NPs debido a sus propiedades químicas, físicas y biológicas únicas en diversos campos, incluida medicina, han alcanzado gran atención. Sus propiedades pueden alterarse fácilmente cambiando tamaño a escala nanométrica [47].

Níquel (Ni) y óxido de níquel (NiO) NPs tienen gran importancia por sus propiedades magnéticas, catalíticas y electrónicas particulares en tecnología energética, magnetismo, biomedicinas y electrónica [9, 26, 35]. NiO con banda prohibida ancha 3,6–4,0 eV y estructura cúbica tiene potencial por semiconductor tipo p. Estas NPs con alta estabilidad química, supercapacitancia, capacidad de transferencia electrónica y electrocatálisis se usan en biomedicinas y actividades fotocatalíticas, antiinflamatorias y antibacterianas [8, 10, 11, 45]. La aparición de enfermedades infecciosas, especialmente resistentes a antibióticos (MDR), ha devastado salud pública mundial. Generalmente, tanto cepas bacterianas patógenas Gram-positivas (G+) como Gram-negativas (G−) son amenazas principales.

En industria láctea, mastitis bovina es enfermedad problemática mayor con gran impacto económico caracterizada por cambios químicos, microbiológicos y físicos en leche, mientras cambios patológicos en tejidos glandulares de ubre [6, 19]. Etiología de mastitis incluye agentes infecciosos: bacterias, virus, hongos; lo más importante son bacterias, divididas en patógenos mayores (Streptococci, Staphylococcus aureus, Corynebacterium pyogenes, Coliform) y menores (Corynebacterium bovis, coagulasa-negativas Staphylococci) [25]. La aparición de cepas bacterianas Gram-positivas y Gram-negativas multirresistentes representa amenaza significativa [23, 32].

Zingiber officinale (jengibre) es ingrediente importante en Ayurveda y Unani, y medicina herbal china trata diversas dolencias: antináuseas, ayuda digestiva, reumatismo, trastornos hemorrágicos por amplia diversidad de aceites volátiles como zingiberol, monoterpeno, sesquiterpeno, hidrocarburos sesquiterpénicos [12, 13, 43]. Allium sativum (ajo) contiene componentes organoazufrados: grupos alilo sulfuro, aliina, ajoeno, alilo cisteína, alicina, y otros como vitaminas, fosfolípidos, flavonoides, aminoácidos, ácidos grasos que orientan sus propiedades médicas [14, 24]. Nuestro objetivo fue evaluar acción bactericida de NPs óxido metálico Ni reducidas fitoquímicamente contra MDR (S. aureus), aislamiento de mastitis bovina, y será primer reporte de Pakistán en investigación veterinaria sobre dicho agente.

Métodos

El estudio actual tuvo como objetivo investigar acción bactericida de NPs NiO reducidas fitoquímicamente contra MDR (S. aureus), aislamiento de mastitis bovina.

Materiales

Nitrato de níquel [Ni(NO₃)₂], hidróxido de sodio (NaOH), azul de metileno (MB), borohidruro de sodio (NaBH₄) grado analítico se compraron a Sigma-Aldrich®, y raíces frescas de jengibre y ajo se recolectaron del mercado local. Raíces se secaron a la sombra para peso constante para procesamiento posterior. Discos antibióticos se compraron a Bioanalyse® (Turquía). Medios de cultivo bacteriano grado analítico por TM Media (Titan Biotech Ltd, India).

Preparación de Extractos Acuosos

Raíces de jengibre y ajo se pulverizaron a polvo fino con molino eléctrico y preservaron en contenedores plásticos. Polvo de raíces molidas se mezcló con cantidad controlada agua destilada-DIW (1:10) bajo agitación vigorosa a 70 °C 30 min. Extractos se enfriaron, filtraron papel Whatman No.1, y almacenaron a 4 °C (Fig. 1) hasta uso.

Esquema de síntesis de extracción de jengibre y ajo y NPs NiO reducidas fitoquímicamente

Síntesis Verde de NPs NiO

Extractos acuosos de jengibre y ajo de varias ratios (1,2, 1,8, 2,4, 3,0, 3,6, 4,2 mL) se añadieron a nitrato de níquel (0,1 M) bajo agitación continua. pH 12 de solución agitada se mantuvo con NaOH (2 M) a 90 °C 2 h. Precipitados formados se centrifugaron 10.000 rpm 10 min, lavaron con DIW, y secaron overnight en horno aire caliente 90 °C ilustrado en Fig. 1.

Caracterización

Máximos de absorción (λ_max) de NPs sintetizadas se escanearon por espectrofotómetro UV-Visible (Genesys 10 S) 200–800 nm. Composición de fase e información estructural analizadas por difracción rayos X (XRD) BUNKER D2 phaser rango 2θ (10–80°) con radiaciones Cu Kα1 λ=1,540 Å. Grupos funcionales NPs NiO sintetizadas verde registrados por espectroscopía infrarroja transformada Fourier (ATR-FTIR). Tamaño, forma, análisis elemental NPs analizados por microscopio electrónico emisión de campo (FESEM) y microscopía electrónica transmisión Hitachi H7100FA (TEM). Composición muestra con bandas prohibidas correspondientes investigadas por espectroscopía fotoelectrónica rayos X (XPS).

Aislamiento e Identificación MDR S. aureus

Aislamiento de S. aureus

Muestras leche bovina clínicamente positivas recolectadas de hospitales veterinarios y granjas sector público/privado en Punjab, Pakistán, se cultivaron en agar sangre ovino 5% e incubaron 37 °C 24–48 h. Colonias características obtenidas se resembraron en agar sal manitol (MSA) TM Media (Titan Biotech Ltd, India) en triplicado para aislar S. aureus purificado.

Identificación MDR S. aureus

Identificación colonias bacterianas por características morfológicas, tinción Gram, procedimientos bioquímicos (coagulasa, catalasa) según manual Burgey bacteriología determinativa.

Susceptibilidad antibiótica de colonias características evaluada por prueba difusión disco según guías National Committee Clinical Laboratory Standards (NCCLS) para aislamiento MDR S. aureus. Discos antibióticos conteniendo oxitetraciclina (30 μg), tilosina (30 μg), gentamicina (10 μg), ciprofloxacina (5 μg), trimetoprim+sulfametoxazol (1,25+23,75 μg) aplicados asépticamente en agar Mueller-Hinton (MHA) TM Media 1×10⁸ UFC/mL incubados 37 °C 24 h [7]. Bacteria resistente a mínimo tres antibióticos declarada MDR [28].

Actividad Antimicrobiana

Potencial acción antimicrobiana in vitro de NPs NiO reducidas fitoquímicamente evaluado por método difusión pozo agar sobre diez aislamientos representativos MDR S. aureus de leche mastítica. Placas Petri sembradas con 1,5×10⁸ UFC/mL (estándar 0,5 McFarland) MDR S. aureus en MSA. Pozos 6 mm formados con perforador estéril. Varias concentraciones de extractos acuosos individuales jengibre, ajo, y NPs NiO sintetizadas verde (reducción fitoquímica) aplicadas. Extractos acuosos usados a concentraciones (10 mg/100 μL) y (50 mg/100 μL) y NiO (0,5 mg/50 μL) y (1,0 mg/50 μL). Ciprofloxacina (0,005 mg/50 μL) control positivo y DIW control negativo (50 μL).

Análisis Estadístico

Eficacia antimicrobiana calculada en zona inhibición (mm), diámetros zona inhibición analizados estadísticamente por ANOVA unidireccional usando SPSS 20.

Catálisis

Para evaluación catalítica NiO sintetizado extracto, borohidruro sodio acuoso fresco (300 μL) mezclado con 3 mL azul metileno (0,03×10⁻³ M). Posteriormente, 300 μL muestra coloidal concentración deseada añadida a soluciones. Color azul claro MB desapareció representando degradación a leucometileno azul como Fig. 2. Absorción anotada 200–800 nm usando espectrofotómetro UV-Vis.

Diagrama esquemático reducción catalítica MB a LMB por NPs sintetizadas verde

Resultados y Discusión

Propiedades ópticas NPs NiO reducidas fitoquímicamente por extractos acuosos jengibre y ajo 200–600 nm presentadas Fig. 3a, b. Máxima absorbancia (λ_max) en NPs NiO observada ~350 nm (1:3,6 mL) aumentó con concentración extracto acompañada por corrimiento azul. Picos absorción extractos jengibre y ajo aparecieron ~275 y 280 nm. Cambio color brusco en mezclas reacción visto vino tinta a verde claro tras incorporación extractos raíces. Anchura pico indicó aglomeración partículas y transición electrónica banda valencia a conducción con concentración extracto en NiO revelada por bandas absorción fuertes [20]. Por tanto, Fig. 3a, b resultados mostraron disminución absorción NPs sintetizadas al aumentar o disminuir volumen extracto más allá valor optimizado (1:3,6 mL). Banda prohibida calculada usando gráfico Tauc (Ec. 1).

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

a–d Espectros absorción NPs NiO sintetizadas verde con jengibre (a) y ajo (b). Banda prohibida NiO reducido fitoquímicamente por jengibre (c) y ajo (d)

Donde α coeficiente absorción, h constante Planck, B constante, υ frecuencia fotón, E_g banda prohibida. Banda prohibida estimada NiO reducido fitoquímicamente por jengibre y ajo de gráfico (αhʋ)^1/2 vs energía fotón (hʋ). Intersección tangente a eje x registrada, proporcionando energías banda prohibida muestras Fig. 3c, d. Variaciones energías banda prohibida determinadas dopando jengibre en NiO 4,15 a 3,1 eV y ajo 3,5 a 3,0 eV respectivamente (Fig. 3c, d).

Cristalinidad, tamaño, composición fase NPs NiO confirmados por XRD Fig. 4a, b. Picos valores 2θ 37,10°, 43,32°, 62,81°, 76,51° corresponden a (111), (200), (220), (311) (tarjeta JCPDS 00-047-1049) (Fig. 4a, b) referenciados [30]. Intensidad pico indica NiO hexagonal y cúbico centrado caras (fcc) con tamaño promedio 32,9 nm calculado D = 0,9λ/βcosθ para jengibre y 29,92 nm ajo NPs NiO reducidas fitoquímicamente. Picos anchos indican presencia espacios oxígeno y desorden reticular local [38]. Varios fitoquímicos jengibre (flavonoides, alcaloides, taninos, saponinas) y extractos ajo (alicina, alilo sulfuro, aliina, ácidos grasos, glicolípidos, fenólicos, aminoácidos, flavonoides) actuando como agentes encapsulantes responsables tamaño cristalito promedio NPs óxido metálico [14, 46].

Patrón XRD diferentes concentraciones NiO reducido fitoquímicamente por jengibre (a) y ajo (b) y NiO estándar (c)

Espectros FTIR registrados NPs NiO biosintetizadas jengibre y ajo Fig. 5a, b. Absorción amplia elaborada 3380 cm⁻¹ corresponde OH y anchura pico indica grupo carbonilo con frecuencia estiramiento amina (N-H) [50]. Absorción aguda 2313 cm⁻¹ indica vibraciones estiramiento CO₂ ya sea aéreo o CO₂ dentro granos NP. Absorción rápida CO₂ atmosférico indica mayor área superficial material [18]. Absorción amplia 1629 cm⁻¹ corresponde estiramiento anillo aromático C=C y picos agudos 1392, 1064 cm⁻¹ corresponden vibraciones estiramiento aminas alifáticas C-N [48]. Picos intensos 978 cm⁻¹ confirman frecuencia estiramiento metal-oxígeno NiO [44].

Espectros FTIR con extracto jengibre a NiO (a) y ajo (b)

Desplazamientos pico observados tras biorreducción NiO 2535–2313, 1828–1629, 1585–1392 cm⁻¹ indican fitoquímicos, terpenoides, flavonoides, polialcoholes, proteínas con grupos funcionales cetonas, alcoholes, ácidos carboxílicos, aminas responsables quelación y encapsulación en biorreducción [42].

Morfología superficial y tamaño NPs NiO reducidas fitoquímicamente determinados por microscopía electrónica emisión campo y transmisión Fig. 6a-f. NPs NiO mostraron pleomorfismo con forma cúbica y más esférica (< 50 nm) ligera aglomeración [40]. Aglomeración NPs podría evidenciarse por adherencia polímero e interacción magnética entre partículas [49].

a–f Imagen SEM NiO reducido fitoquímicamente por jengibre (a) y ajo (b). Imagen TEM NiO reducido fitoquímicamente con jengibre (c) y ajo (d) y distribución tamaño NiO reducido fitoquímicamente por jengibre (e) y ajo (f)

Análisis elemental y características adicionales NPs NiO sintetizadas descritas por espectroscopía rayos X dispersiva energía (EDS) confirmaron fases NiO puras Fig. 7a, b. Espectros EDS confirmaron tres picos directamente relacionados alta pureza Ni en muestras probadas entre 1–10 kV. Porcentajes peso atómico observados Ni, O, C, Zn: 54,69, 27,81, 18,06, −0,55 respectivamente.

a, b Espectro EDS NPs NiO sintetizadas verde

XPS muestra C1s, O1s, Ni2p espectros NPs NiO reducidas fitoquímicamente Fig. 8a-d sugiriendo naturaleza química y estados enlace muestras sintetizadas. Picos más intensos 284,8, 286,2 eV demuestran espectro C1s (Fig. 8b) correspondientes C-C, C-OH/C-O-C [21]. Pico O1s 530,8 eV (Fig. 8c) asignable a grupos hidroxilo átomos oxígeno, átomos oxígeno adyacentes vacancias níquel, o átomos carbono oxígeno-ligados C=O [1, 15, 37]. Contribución 532,2 eV atribuible átomos oxígeno moléculas agua absorbidas (NiOH) [31, 41]. Espectro Ni2p conteniendo Ni2p3/2, Ni2p1/2 picos separables función Gauss-Lorentz en cinco componentes (Fig. 8d). Picos más intensos 872,72, 855,82 eV pertenecen Ni2p1/2, Ni2p3/2 con picos satélite correspondientes 879,36, 861,57 eV [16]. Separación spin-órbita entre Ni (2p1/2), Ni (2p3/2) y nivel núcleo NiO-NP 17,28 eV corresponde bien reportes previos [33, 34].

a–d Sondeo XPS partículas reducidas fitoquímicamente (a), orbitales C1s (b), espectros O1s NiO (c), Ni2p (d)

Acción antimicrobiana/bactericida extractos raíces jengibre, ajo y NPs NiO verde/reducidas fitoquímicamente evaluada por ensayo difusión pozo agar vía medición zona inhibición (mm) Fig. 9a-d, Tabla 1. Resultados mostraron fuerte relación entre concentración NP y zonas inhibición (mm). Zonas inhibición significativas (P < 0,05) registradas muestras 1 (1,2 mL:1), 2 (1,8 mL:1), 3 (2,4 mL:1), 4 (3 mL:1), 5 (3,6 mL:1), 6 (4,2 mL:1) rangos (3–4,9 mm) y (3,05–5,2 mm) concentraciones baja y alta NPs NiO reducidas fitoquímicamente jengibre (Fig. 9c, d), mientras (3,15–5,3 mm) y (3,75–5,9 mm) NPs fitoquímicamente reducidas ajo contra MDR S. aureus (Fig. 9e, f). Extracto acuoso jengibre mostró eficacia cero (Fig. 9a), ajo raíces 2,65 y 5 mm zonas inhibición concentraciones baja y alta (Fig. 9b). Todos resultados comparados control negativo DIW (0 mm) y control positivo ciprofloxacina (12,55 mm). Globalmente, NPs NiO reducidas fitoquímicamente ajo mostraron acción bactericida significativamente (P < 0,05) mejorada contra MDR S. aureus.

a–f Actividad antimicrobiana in vitro extracto acuoso jengibre (a), ajo (b), y NPs NiO fitoquímicamente sintetizadas por extracto jengibre dosis baja y alta (c, d) y ajo (e, f)

Diferencia tolerancia estrés oxidativo depende varios factores: área superficial, morfología, tamaño partícula nanomaterial sintetizado juegan papel inferencial en potencial acción antibacteriana [29, 36]. Interacción electrostática entre cepas bacterianas y materiales nanoescala resulta generación especies reactivas oxígeno responsables muerte celular bacteriana [2,3,4,5, 22]. Dos reacciones posibles nanomaterial reacción cepas bacterianas: fuerte interacción cationes Ni²⁺ con partes cargadas negativamente célula bacteriana resultando colapso, mientras segunda reacción resulta excitación electrónica banda valencia a conducción irradiando superficie NiO con luz. Reacción electrónica adicional con O₂ genera radicales O⁻₂ resultando producción H₂O₂. Producción ·OH ocurrió reacción h⁺ con agua. Así, resultantes especies O⁻₂· y ·OH jugaron papel significativo ruptura moléculas lípido o proteína superficie externa célula bacteriana [39].

Actividad Catalítica

Fig. 10a-e demostrando reducción catalítica MB en presencia extractos raíces y NPs NiO verde/reducidas fitoquímicamente a temperatura ambiente. Fig. 10a potencial catalítico NPs NiO síntesis convencional mientras (Fig. 10b, c) potencial catalítico extractos acuosos raíces jengibre, ajo. Capacidad catalítica NPs reducidas fitoquímicamente representada Fig. 10d, e. Obvio que NiO y extractos raíces no son nano-catalizadores eficientes consumiendo 15, 21, 38 min reducción azul metileno (Fig. 10a-c). NPs reducidas fitoquímicamente jengibre mostraron degradación rápida (λ_max = 8 min) conversión eficiente MB a leucometileno azul (Fig. 10d). NPs mediadas ajo mostraron patrón similar 100% reducción colorante 5 min (Fig. 10e).

a–e Actividad catalítica NiO (a), extracto jengibre (b), ajo (c), NPs NiO reducidas fitoquímicamente jengibre (d), NPs reducidas ajo (e)

NPs verde/reducidas fitoquímicamente realizan degradación catalítica significativa colorante transfiriendo electrones especies donantes (BH₄) a aceptor (MB) y estabilizan sistema reduciendo energía activación [27]. Datos revelaron NPs verde como nano-catalizador eficiente comparado NPs convencionales y extracto individual.

Conclusiones

NPs NiO con extractos raíces jengibre y ajo sirvieron como excelentes agentes bactericidas y catalíticos. Incorporación extracto raíz con grupos fitoquímicos resultó síntesis exitosa NPs NiO revelada por FTIR. Picos XRD confirmaron NiO red hexagonal y cúbica centrada caras (fcc) y SEM confirmó pleomorfismo con morfología cúbica y más esférica NPs tamaño promedio 16–52 (dopaje jengibre) y 11–59 nm (dopaje ajo). Sin embargo, análisis elemental reveló naturaleza química y estados enlace analizados EDS y XPS presentaron porcentaje real níquel y oxígeno, mientras análisis UV verificó picos absorción diferencia rango 350 nm e introdujo corrimiento azul mayor cantidad dopantes. NPs NiO reducidas fitoquímicamente ajo alta concentración más potentes comparadas NPs reducidas jengibre contra MDR S. aureus y redujeron MB eficientemente. Así, NPs NiO verde/fitoquímicamente reducidas extracto raíz ajo pueden adoptarse en medicina avanzada como sustituto resistencia antibiótica y en industrias textiles como agente catalítico sin riesgo ambiental.

Disponibilidad Datos y Materiales

Todos los datos disponibles completamente sin restricción.

Abreviaturas

EDS:

Espectroscopía rayos X dispersiva energía

fcc:

Cúbico centrado caras

FTIR:

Espectroscopía infrarroja transformada Fourier

G+:

Gram positivo

G−:

Gram negativo

JCPDS:

Comité conjunto estándares difracción polvo

MB:

Azul metileno

Ni:

Níquel

NiO:

Óxido níquel

nm:

Nanómetro

NPs:

Nanopartículas

SEM:

Microscopía electrónica barrido

TEM:

Microscopía electrónica transmisión

UV-Vis:

Espectroscopía ultravioleta-visible

XPS:

Espectroscopía fotoelectrónica rayos X

XRD:

Difracción rayos X