Verde sintetizado fitoquímicamente (Zingiber officinale y Allium sativum) Nanopartículas de óxido de níquel reducidas Potencial catalítico y bactericida confirmado

Esquema de síntesis de extracción de jengibre y ajo y NP-NiO reducidas fitoquímicamente

Síntesis verde de NiO-NP

Se añadieron extractos acuosos de jengibre y ajo de diversas proporciones (1,2, 1,8, 2,4, 3,0, 3,6 y 4,2 ml) a nitrato de níquel (0,1 M) con agitación continua. La solución agitada a pH 12 se mantuvo usando NaOH (2 M) a 90ºC durante 2 h. Los precipitados formados se centrifugaron a 10.000 rpm durante 10 min, se lavaron con DIW y se secaron durante la noche en un horno de aire caliente a 90 ° C como se ilustra en la Fig. 1.

Caracterización

Máximos de absorción ( ƛ _máx ) de NP sintetizadas se escanearon con un espectrofotómetro UV-Visible (Genesys 10 S) de longitudes de onda de 200 a 800 nm. La composición de fases y la información estructural se analizaron mediante difracción de rayos X (XRD) BUNKER D2 phaser que tiene un rango de 2θ de (10–80 °) equipado con radiaciones de Cu Kα1 de λ =1,540 Å. Los grupos funcionales NiO-NP sintetizados en verde se registraron utilizando espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (ATR-FTIR). El tamaño, la forma y el análisis elemental de las NP se analizaron mediante microscopio electrónico de emisión de campo (FESEM) y microscopía electrónica de transmisión Hitachi H7100FA (TEM). La composición de la muestra con los correspondientes huecos de banda se investigó mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS).

Aislamiento e identificación de MDR S. aureus

Aislamiento de S. aureus

Se cultivaron muestras de leche bovina clínicamente positivas recogidas en granjas y hospitales veterinarios del sector público y privado en Punjab, Pakistán, en agar sangre de oveja al 5% y se incubaron a 37 ° C durante 24 a 48 h. Las colonias características obtenidas se sembraron más en estrías en agar con sal de manitol (MSA) TM Media (Titan Biotech Ltd, India) en tripletes para aislar S. aureus .

Identificación de MDR S. aureus

La identificación de colonias bacterianas se realizó mediante características morfológicas, tinción de Gram y procedimientos bioquímicos (prueba de coagulasa y catalasa) según la descripción del manual de bacteriología determinante de Burgey.

La susceptibilidad a los antibióticos de las colonias características se evaluó mediante una prueba de difusión en disco basada en las pautas del Comité Nacional de Estándares de Laboratorio Clínico (NCCLS) para el aislamiento de MDR S. aureus . Discos de antibióticos que contienen oxitetraciclina (30 μg), tilosina (30 μg), gentamicina (10 μg), ciprofloxacina (5 μg) y trimetoprim + sulfametoxazol (1,25 μg + 23,75 μg) aplicados asépticamente en medios de agar Mueller-Hinton (MHA) TM (Titan Biotech Ltd, India) 1 × 10 ⁸ Las UFC / ml se mantuvieron a 37 ° C durante 24 h [7]. La bacteria que se encontró resistente a un mínimo de tres antibióticos fue declarada MDR [28].

Actividad antimicrobiana

El potencial de acción antimicrobiana in vitro de las NiO-NP fitoquímicamente reducidas se evaluó mediante el método de difusión de pozos de agar sobre diez aislamientos representativos de MDR S. aureus extraído de la leche mastitic. Las placas de Petri se frotaron con 1,5 × 10 ⁸ UFC / ml (estándar 0,5 McFarland) MDR S. aureus en MSA. Se formaron pocillos de 6 mm de diámetro utilizando un taladro de corcho estéril. Se aplicaron diversas concentraciones de extractos acuosos individuales de jengibre, ajo y NiO-NP sintetizados en verde (reducidos fitoquímicamente). Se utilizaron extractos acuosos a concentraciones de (10 mg / 100 μl) y (50 mg / 100 μl) y NiO (0,5 mg / 50 μl) y (1,0 mg / 50 μl). Se utilizó ciprofloxacina (0,005 mg / 50 μl) como control positivo y DIW como control negativo (50 μl).

Análisis estadístico

La eficacia antimicrobiana se calculó en términos de tamaño de la zona de inhibición (mm) y los diámetros de la zona de inhibición se analizaron estadísticamente mediante análisis de varianza unidireccional (ANOVA) utilizando SPSS 20.

Catálisis

Para la evaluación catalítica del extracto sintetizado de NiO, se mezcló borohidruro de sodio acuoso recién preparado (300 μl) con 3 ml de azul de metileno (0 . 03 × 10 ⁻³ M) solución. Posteriormente, se añadieron a las soluciones 300 µl de muestra coloidal de la concentración deseada. El color azul claro del tinte azul de metileno (MB) desapareció, lo que representa la degradación del tinte a azul de leucometileno como se muestra en la Fig. 2. La absorción se observó entre 200 y 800 nm utilizando un espectrofotómetro UV-Vis.

Diagrama esquemático para la reducción catalítica de MB a LMB mediante NP sintetizadas en verde

Resultados y discusión

Las propiedades ópticas del NiO reducido fitoquímicamente por extractos acuosos de jengibre y ajo entre 200 y 600 nm se presentan en la Fig. 3a, b. La absorbancia máxima ( λ _máx ) en NiO-NPs se observó alrededor de 350 nm (1:3,6 ml) que aumentó con la concentración de extractos acompañada de desplazamiento azul. Los picos de absorción de extractos de jengibre y ajo aparecieron alrededor de 275 y 280 nm, respectivamente. Se observó un cambio de color abrupto en las mezclas de reacción de rojo vino a verde claro después de la incorporación de extractos de raíces. La amplitud máxima indicó la aglomeración de partículas y la transición electrónica de la valencia a las bandas de conducción con concentración de extracto en NiO, como lo revelan las bandas de absorción fuertes [20]. Por tanto, en la Fig. 3a, los resultados b mostraron una disminución en la absorción de NP sintetizadas al aumentar o disminuir el volumen del extracto más allá del valor optimizado (1:3,6 ml). La banda prohibida se calculó utilizando la gráfica de Tauc (Ec. 1).

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

un - d Espectros de absorción de NiO-NP sintetizados en verde con jengibre ( a ) y extracto de ajo ( b ). Band gap de NiO reducido fitoquímicamente por jengibre ( c ) y ajo ( d ) respectivamente

Donde α es el coeficiente de absorción, h es la constante de Planck, B es una constante, υ se conoce como frecuencia de fotones y E _g es la banda prohibida de energía. La banda prohibida estimada de NiO reducido fitoquímicamente por el jengibre y el ajo de una parcela de ( αhʋ ) ^1/2 contra la energía de los fotones ( hʋ ). La intersección de una tangente a x -eje se registró, que proporciona energías de banda prohibida de muestras como se muestra en la Fig. 3c, d. Las variaciones en las energías de la banda prohibida se determinaron al dopar jengibre en NiO de 4,15 a 3,1 eV y con ajo de 3,5 a 3,0 eV respectivamente (Fig. 3c, d).

La cristalinidad, el tamaño y la composición de fases de NiO-NP se confirmaron mediante XRD como se muestra en la Fig. 4 a, b. Los picos en los valores 2θ 37.10 °, 43.32 °, 62.81 ° y 76.51 ° corresponden a (111), (200), (220) y (311) (tarjeta JCPDS no:00-047-1049) (Fig. 4a , b) referenciado por [30]. La intensidad máxima indica NiO cúbico (fcc) hexagonal y centrado en las caras con un tamaño medio de 32,9 nm calculado por D =0.9λ / βcosθ para jengibre y 29.92 nm para NiO-NPs fitoquímicamente reducidos de ajo. Los picos anchos indican la presencia de espacios de oxígeno y un trastorno de la red local en la muestra [38]. Varios fitoquímicos de jengibre (flavonoides, alcaloides, taninos y saponinas) y extractos acuosos de ajo (alicina, sulfuro de alilo, aliina, ácidos grasos, glicolípidos, fenólicos, aminoácidos y flavonoides) que actúan como agentes de cobertura son responsables del tamaño medio de cristalito de NP de óxido metálico [14, 46].

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

Los espectros FTIR registrados de NiO biosintetizados a partir de raíces de jengibre y ajo se muestran en la Fig. 5 a, b. Absorción amplia elaborada a 3380 cm ⁻¹ corresponden a OH y la amplitud del pico indica un grupo carbonilo con frecuencia de estiramiento de amina (N-H) [50]. La fuerte absorción a 2313 cm ⁻¹ indica vibraciones de estiramiento de CO ₂ ya sea aéreo o CO ₂ dentro de los granos NP. Absorción rápida de CO ₂ atmosférico indica una mayor superficie de material [18]. La amplia absorción a 1629 cm ⁻¹ corresponden al estiramiento del anillo aromático C =C y picos agudos a 1392 y 1064 cm ⁻¹ corresponden a las vibraciones de estiramiento de las aminas alifáticas C – N [48]. Los picos intensos a 978 cm ⁻¹ frecuencia de estiramiento de oxígeno metálico confirmado de NiO [44].

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

Los cambios máximos observados después de la bio-reducción de NiO como 2535–2313, 1828–1629 y 1585–1392 cm ⁻¹ indican fitoquímicos, terpenoides, flavonoides, polioles y proteínas que tienen grupos funcionales cetonas, alcoholes, ácido carboxílico y aminas responsables de la quelación y la protección de la biorreducción [42].

La morfología de la superficie y el tamaño de las NiO-NP fitoquímicamente reducidas se determinaron mediante microscopía electrónica de transmisión y exploración de emisión de campo, como se presenta en la Fig. 6a-f. Los NiO-NPs mostraron pleomorfismo con forma cúbica y más esférica (<50 nm) con ligera aglomeración [40]. La aglomeración de NP podría ser evidente por la adherencia del polímero y la interacción magnética entre las partículas [49].

un - f Imagen SEM de NiO reducido fitoquímicamente por jengibre ( a ) y ajo ( b ). Imagen TEM de NiO reducido fitoquímicamente con jengibre ( c ) y ajo ( d ) y distribución del tamaño del NiO reducido fitoquímicamente por el jengibre ( e ) y ajo ( f )

El análisis elemental y otras características de las NiO-NP sintetizadas se describieron mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) que confirmó las fases de NiO puro como se muestra en la Fig. 7a, b. Los espectros de EDS confirmaron tres picos directamente relacionados con la alta pureza del Ni presente en las muestras analizadas entre 1 y 10 kV. Los porcentajes de peso atómico observados a través de los espectros de Ni, O, C y Zn son 54,69, 27,81, 18,06 y - 0,55, respectivamente.

un , b Espectro EDS de NiO-NP sintetizados en verde

XPS muestra C1 s , O1 s y Ni2 p espectros de NiO-NP fitoquímicamente reducidos en la Fig. 8a-d que sugiere la naturaleza química y los estados de enlace de las muestras sintetizadas. Los picos más intensos a 284,8 y 286,2 eV demuestran C1 s espectro (Fig. 8b) correspondiente a C – C y C – OH / C – O – C [21]. Los O1 s El pico a 530,8 eV (Fig. 8c) podría asignarse a grupos hidroxilo de átomos de oxígeno, átomos de oxígeno adyacentes a las vacantes de níquel o átomos de carbono unidos por oxígeno C =O [1, 15, 37]. La contribución ubicada en 532,2 eV se atribuye a los átomos de oxígeno en las moléculas de agua absorbidas (NiOH) [31, 41]. El Ni2 p espectro que contiene Ni2 p 3/2 y Ni2 p 1/2 picos se pueden separar usando la función gaussiana-lorentziana en cinco componentes (Fig. 8d). Los picos más intensos a 872,72 y 855,82 eV pertenecen a Ni2 p 1/2 y Ni2 p 3/2 con picos de satélite correspondientes 879,36 y 861,57 eV, respectivamente [16]. El giro-órbita que se divide entre el Ni (2 p 1/2) y Ni (2 p 3/2) y el nivel básico de NiO-NP es 17.28 eV, lo que se corresponde bien con informes anteriores [33, 34].

un - d Estudio XPS de partículas reducidas fitoquímicamente ( a ), C1 s orbitales ( b ), O1 s espectros de NiO ( c ) y Ni2 p ( d )

La acción antimicrobiana / bactericida de los extractos de raíz de jengibre y ajo y los NiO-NP verdes / reducidos fitoquímicamente se evaluó utilizando un ensayo de difusión en pozos de agar mediante la medición de la zona de inhibición (mm) como se muestra en la Fig. 9a-dy la Tabla 1. Los resultados muestran una fuerte relación entre la concentración de NP y las zonas de inhibición (mm). Zonas de inhibición significativas (mm) ( P <0.05) se registraron para la muestra 1 (1.2 ml:1), 2 (1.8 ml:1), 3 (2.4 ml:1), 4 (3 ml:1), 5 (3.6 ml:1) y 6 ( 4,2 ml:1) que varían (3–4,9 mm) y (3,05–5,2 mm) a concentraciones bajas y altas NP-NiO reducidas fitoquímicamente por el jengibre (Fig. 9c, d), mientras que (3,15–5,3 mm) y (3,75– 5,9 mm) NP reducidas fitoquímicamente con ajo contra MDR S. aureus (Fig. 9e, f) . Los extractos acuosos de raíz de jengibre mostraron una eficacia cero (Fig. 9a), y las raíces de ajo mostraron zonas de inhibición de 2,65 y 5 mm a concentraciones bajas y altas, respectivamente (Fig. 9b). Todos los resultados se compararon con el control negativo DIW (0 mm) y el control positivo con ciprofloxacina (12,55 mm). En general, los NiO-NP fitoquímicamente reducidos con ajo mostraron una ( P <0.05) acción bactericida mejorada contra MDR S. aureus.

un - f Actividad antimicrobiana in vitro del extracto acuoso de jengibre ( a ), ajo ( b ) y NiO-NPs sintetizados fitoquímicamente por extracto de jengibre en dosis bajas y altas ( c , d ) y ajo ( e , f )

La diferencia en la tolerancia al estrés oxidativo depende de varios factores como el área de superficie, la morfología y el tamaño de partícula del nanomaterial sintetizado que desempeña un papel inferencial en el potencial de acción antibacteriano [29, 36]. Una interacción electrostática entre cepas bacterianas y materiales a nanoescala da como resultado la generación de especies reactivas de oxígeno que se encuentran responsables de la muerte celular bacteriana [2, 3, 4, 5, 22]. Se encontraron dos reacciones posibles para la reacción de nanomateriales con cepas bacterianas, incluida una fuerte interacción de los cationes Ni ²⁺ con partes cargadas negativamente de la célula bacteriana que dan como resultado el colapso, mientras que la segunda reacción da como resultado la excitación electrónica de la cenefa a la banda de conducción tras la irradiación de la superficie de NiO con luz. Más reacción electrónica con O ₂ genera O ^- ₂ radicales que dan como resultado H ₂ O ₂ producción. La producción de · OH se produjo tras la reacción de h ⁺ con agua. Por lo tanto, O ^- resultante ₂ Las especies · y · OH desempeñaron un papel importante en la degradación de la molécula de lípidos o proteínas presentes en la superficie externa de las células bacterianas [39].

Actividad catalítica

Figura 10 a – e que demuestra la reducción catalítica de MB en presencia de extractos de raíces y NiO-NP verdes / reducidas fitoquímicamente a temperatura ambiente. La Figura 10a muestra el potencial catalítico de NiO-NP sintetizadas por la ruta convencional, mientras que (Fig. 10b, c) representa el potencial catalítico de extractos acuosos de jengibre y raíz de ajo. La capacidad catalítica de las NiO-NP fitoquímicamente reducidas se representa en la Fig. 10d, e. Es obvio que el NiO y los extractos de raíces de plantas no son un nanocatalizador eficiente, ya que consumían 15, 21 y 38 minutos para la reducción del azul de metileno (Fig. 10a-c). Los NP reducidos fitoquímicamente con jengibre mostraron una rápida degradación ( λ _máx =8 min) con conversión eficiente de MB a azul de leucometileno (Fig. 10d). Los NiO-NP mediados por ajo mostraron un patrón similar de reducción del tinte del 100% en 5 minutos (Fig. 10e).

un - e Actividad catalítica de NiO ( a ), extracto de jengibre ( b ), extracto de ajo ( c ), NiO reducido fitoquímicamente por jengibre ( d ) y NPs reducidos en ajo ( e )

Los NP verdes / fitoquímicamente reducidos realizan una degradación catalítica significativa del colorante mediante la transferencia de electrones de especies donantes (BH ₄ ) al aceptor (MB) y estabilizar el sistema reduciendo la energía de activación [27]. Los datos revelaron que las NP verdes son un nanocatalizador eficiente en comparación con las NP convencionales y el extracto individual.

Conclusión

Los NP-NiO con extractos de raíz de jengibre y ajo sirvieron como un excelente agente bactericida y catalítico. La incorporación de extracto de raíz que tiene grupos fitoquímicos dio como resultado una síntesis exitosa de NiO-NP revelada por FTIR. Los picos XRD confirmaron una red hexagonal de NiO y cúbica centrada en la cara (fcc) y la SEM confirmó el pleomorfismo con morfología cúbica y más esférica de NP que tenían un tamaño medio de 16–52 (dopaje con jengibre) y 11–59 nm (dopaje con ajo). Sin embargo, el análisis elemental reveló la naturaleza química y los estados de unión analizados por EDS y XPS y presentó el porcentaje real de níquel y oxígeno, mientras que el análisis UV verificó la diferencia de picos de absorción en el rango de 350 nm e introdujo un desplazamiento azul en una mayor cantidad de dopantes. Se encontró que el NiO reducido fitoquímicamente con ajo a alta concentración era más potente en comparación con los NP reducidos en jengibre contra MDR S. aureus así como MB reducido de manera eficiente. Por lo tanto, el NiO verde / reducido fitoquímicamente de los extractos de raíz de ajo puede adoptarse en la medicina avanzada como sustituto de la resistencia a los antibióticos y en las industrias textiles como agente catalítico sin peligro para el medio ambiente.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

EDS:

Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía

fcc:

Cúbico centrado en la cara

FTIR:

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

G + ve:

Gram positivo

G –ve:

Gram negativo

JCPDS:

Comité conjunto sobre estándares de difracción de polvo

MB:

Azul de metileno

Ni:

Níquel

NiO:

Óxido de níquel

nm:

Nanómetro

NP:

Nanopartículas

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

UV-Vis:

Espectroscopia visible ultravioleta

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X

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