Groene synthese van metaal-oxide nanopartikels met gom karaya en hun ecotoxicologische impact op *Chlamydomonas reinhardtii*

Samenvatting

We rapporteren een duurzame route om goud (Au), platina (Pt), palladium (Pd), zilver (Ag) en koperoxide (CuO) nanopartikels (NPs) in water te produceren met het natuurlijke polymer gom karaya (GK) als zowel reducer als stabilisator. De colloïden werden gekarakteriseerd door UV–Vis, TEM, zeta-potentiaal en DCS, wat gemiddelde diameters bevestigde van 42 nm (Au), 12 nm (Pt), 1,5 nm (Pd), 5 nm (Ag) en 180 nm (CuO) en negatieve oppervlakteladingen die zes maanden aanhielden bij 4 °C. Blootstelling van de groenalge *C. reinhardtii* aan 1–20 mg L⁻¹ van deze NPs onthulde dat Au en Pt minimale groeiremming uitoefenden, terwijl Pd, Ag en CuO de algale groei bijna volledig onderdrukten en membraanschade, oxidatieve stress, chlorophyllinkwetting en photosysteem II schade veroorzaakten. Deze bevindingen tonen aan dat GK-gemedieerde groene synthese stabiele, milieuvriendelijke nanomaterialen oplevert die aangepast kunnen worden voor selectieve antimicrobiële of algicide toepassingen.

Achtergrond

Metaal en metaal-oxide NPs bezitten unieke elektrische, optische, magnetische en katalytische eigenschappen die hun wijdverspreide gebruik in industrie, geneeskunde, landbouw en milieusanering drijven [1–4]. Conventionele synthese steunt op giftige reductoren en surfactants, wat zorgen wekt voor menselijke gezondheid en ecologische integriteit [5–11]. Groene chemie benaderingen—die hernieuwbare, biologisch afbreekbare agentia en onschuldige oplosmiddelen gebruiken—bieden een veiliger alternatief [12–18].

Gom karaya, een hydrocolloïde geëxtraheerd uit *Sterculia* bomen, bevat galactose, rhamnose, galacturonzuur en uronzuur resten [63]. Toxicologische studies bevestigen zijn niet-giftige aard, zelfs als voedingsmiddelentoeslag [62–65]. In deze studie benutten we GK's functionele groepen (–OH, –COO⁻) om metalzouten te reduceren en de resulterende NPs tegelijkertijd te stabiliseren, waardoor een one-pot, waterige synthese bereikt wordt.

Ondanks hun technologische belofte, kunnen metaal NPs reactieve zuurstofsoorten (ROS), DNA-schade en lipidperoxidatie genereren, potentieel microbiele gemeenschappen en hogere organismen störend [32–35]. Eerder werk heeft getoond dat Ag, CuO en andere NPs algale groei, fotosynthese en membraanintegriteit remmen [36–49]. De toxiciteit van GK-afgeleide Au, Pt, Pd en CuO NPs tegen het model groenalge *C. reinhardtii* is echter nog niet systematisch onderzocht.

Methodes

Materialen

Commerciële GK, AgNO₃, HAuCl₄·3H₂O, CuCl₂·2H₂O, H₂PtCl₆, K₂PdCl₄, HCl, NaOH, NH₄OH (Sigma‑Aldrich, USA). Alle reagentia waren analytische graad en gedemineraliseerd water (DI) werd gebruikt voor alle bereidingen.

Gom Karaya Verwerking

1 g GK werd gedispergeerd in 1 L DI water, overnacht geroerd, daarna 18 uur bij 20 °C gelaten om onoplosbare stoffen te verwijderen. De oplossing werd gefiltreerd (10–16 µm) en vriesgedroogd.

Synthese van NPs

Voor Au, Pt, Pd en Ag werd 100 µL van 10 mM metalzout toegevoegd aan 10 mL GK oplossing in 50 mL kolven. pH werd aangepast om NP opbrengst te optimaliseren, daarna werd het mengsel geschud bij 250 toer/min, 45–95 °C gedurende 1 uur. Kleurveranderingen (geel, wijnrood, zwart) gaven NP vorming aan. CuO NPs werden geproduceerd via een colloïdale thermische route: 100 µL 10 mM CuCl₂·2H₂O gemengd met GK, 2:5 CuCl₂:NaOH molaire verhouding, verwarmd bij 75 °C, 250 toer/min gedurende 1 uur, daarna neerslag geïsoleerd door centrifugatie en gewassen met ethanol en DI water.

Karakterisering

ICP‑MS (Perkin Elmer OPTIMA 2100 DV) kwantificeerde metalinhoud. UV–Vis spectras (Cintra 202) monitorden plasmonpieken en langetermijnstabiliteit. TEM (Tecnai F 12, 15 kV) onthulde morfologie en grootteverdeling. In algal medium werd differentiële centrifugaal sedimentatie (DC24000UHR) gebruikt voor gewichts-gebaseerde grootteverdeling; zeta-potentiaal gemeten met Malvern Zetasizer ZS. Ionvrijgave in algal medium beoordeeld door ultrafiltratie (3 kDa afsnij) gevolgd door ICP‑MS.

*C. reinhardtii* Cultuur

Stam CPCC11 werd gekweekt in TAPx4 medium bij 20 °C, 100 toer/min, 114,2 µmol m⁻² s⁻¹ verlichting, met een exponentiële fase van ≈10⁶ cellen mL⁻¹.

Algal Blootstellingsexperimenten

NPs (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) werden toegevoegd aan 5 mL algale suspensies in 50 mL flessen. Groei, membraanintegriteit (propidium iodide), oxidatieve stress (CellROX Green), chlorofyll fluorescentie en photosysteem II kwantumopbrengst (AquaPen‑C AP‑C 100) werden gemonitord na 1, 3, 5 en 24 uur. Controles omvatten onbehandelde algen, hitte-gedode cellen en oxidatieve stress geïnduceerd door komijn. Data verzameld in duplicaat en geanalyseerd met ANOVA met Dunnett's test (GraphPad PRISM).

Resultaten

NP Vorming en Primaire Karakterisering

TEM beelden (Fig. 1a–e) toonden monodisperse, bolvormige NPs. UV–Vis spectras (Fig. 1f) vertoonden oppervlakte-plasmonpieken bij 412 nm (Au) en 525 nm (Ag); Pt, Pd en CuO vertoonden geen duidelijke pieken. Na 6 maanden bleven spectras ongewijzigd, wat stabiliteit bevestigt.

Karakterisering in Algal Medium

Gewichts-gebaseerde grootten varieerden van 180 tot 5 nm (CuO > Au > Pt > Ag > Pd). Alle NPs droegen negatieve zeta-potentialen bij pH 7 (Tabel 1). Ionische metalconcentraties waren hoogst voor Pt, Ag en CuO (33–36 µg L⁻¹) en laagst voor Au en Pt (6–7 µg L⁻¹).

Effect op Algal Groei

Controle groei: 1 × 10⁶ cellen h⁻¹. Blootstelling aan 1 mg L⁻¹ Ag, Pd en CuO verlaagde groei tot 2,2 × 10⁴, 1,7 × 10⁴ en 0,2 × 10⁴ cellen h⁻¹ respectievelijk (P < 0,001). Bij hogere concentraties stopte groei volledig (Fig. 2). Au en Pt remden groei ook, maar effecten plateauwde ongeacht dosis.

Oxidatieve Stress Inductie

Ag en CuO NPs induceerden bijna complete ROS generatie (≈100 %) bij 5–20 mg L⁻¹ (Fig. 3d, e). Au veroorzaakte <10 % ROS, dalend tot 15 % bij 20 mg L⁻¹ (P < 0,001). Pt triggerde <8 % ROS binnen 5 uur; bij 20 mg L⁻¹, 19 % gestresste cellen na 24 uur. Ag NPs produceerden 100 % stress na 24 uur bij 10–20 mg L⁻¹. CuO bereikte significante stress binnen 3 uur bij 10–20 mg L⁻¹; 5 mg L⁻¹ veroorzaakte stress na 5 uur. Au produceerde verwaarloosbare abiotische ROS (P > 0,05).

Membraanintegriteit

Au en Pt veroorzaakten significante membraanschade op alle tijden tot 5 uur (P < 0,001) maar niet na 24 uur. Ag NPs beschadigden 100 % van cellen binnen 1 uur over alle concentraties. Pd NPs toonden minimale schade bij 1–5 mg L⁻¹; 20 mg L⁻¹ produceerde significante schade na 24 uur. CuO schade nam toe met dosis en tijd, piekend bij 24 uur (Fig. 4).

Chlorofyll Fluorescentie

Au en Pt hadden geen significant effect op chlorofyll fluorescentie over 24 uur. Ag, Pd en CuO verlaagden fluorescentie duidelijk met hogere doses en langere blootstelling; 5 mg L⁻¹ Ag liet fluorescentie dalen tot 22 % bij 24 uur (P < 0,001). CuO en Pd bij 20 mg L⁻¹ produceerden de steilste daling na 24 uur (Fig. 5).

Photosysteem II Efficiëntie

Au, Pt en CuO produceerden kleine, sporadische reducties in kwantumopbrengst (QY) op sommige tijdstippen. Ag NPs veroorzaakten een dramatische QY daling (>90 %) na 1 uur bij alle concentraties. Pd en CuO verlaagden QY significant alleen bij 20 mg L⁻¹ (Fig. 6).

Discussie

Onze GK-gebaseerde synthese leverde stabiele, monodisperse Au, Pt, Pd, Ag en CuO NPs die integriteit behielden gedurende zes maanden bij 4 °C. De grootte en oppervlaktechemie van deze deeltjes beïnvloedden hun biologische activiteit sterk. Au en Pt, met grotere diameters (42 en 12 nm) en lage ionische vrijgave, vertoonden minimale toxiciteit, wat hun geschiktheid voor biomedische of katalytische toepassingen waar biocompatibiliteit cruciaal is, suggereert. In tegenstelling waren Pd (1,5 nm), Ag (5 nm) en CuO (180 nm) hoogst giftig voor *C. reinhardtii*, consistent met hun bekende neiging om ROS te genereren, ionen vrij te geven en membranen te storen. Het sterke effect van Pd is opmerkelijk; zijn ultra-kleine grootte vergemakkelijkt waarschijnlijk cellulaire opname en ionvrijgave, wat de waargenomen oxidatieve stress en chlorofylverlies verklaart.

Ag NP toxiciteit sluit aan bij literatuur die aangeeft dat opgeloste Ag⁺, in plaats van de nanopartikels zelf, algicide activiteit drijft [80–89]. Onze GK-gecoate Ag NPs vertoonden krachtige biocide werking, wat potentiële toepassing als algicide in zwembaden of waterbehandelingssystemen suggereert. CuO NPs oefenden waarschijnlijk toxiciteit uit door zowel deeltjes-geïnduceerde membraanstoring als ionische Cu²⁺ vrijgave, wat eerdere studies op *C. reinhardtii* en andere algen bevestigt [36, 47, 48].

Au NPs induceerden slechts bescheiden, tijdelijke oxidatieve stress en verwaarloosbare fysiologische verstoring, wat hun classificatie als niet-giftig in dit algale systeem ondersteunt. Pt NPs veroorzaakten milde groeiremming en chlorofylreductie, mogelijk door een combinatie van ionisch Pt en deeltjes-schaduw effecten, maar algehele toxiciteit bleef laag.

Conclusies

We synthetiseerden met succes groene Au, Pt, Pd, Ag en CuO NPs met gom karaya, met grootten van 42, 12, 1,5, 5 en 180 nm respectievelijk, allemaal met negatieve oppervlakteladingen en stabiel gedurende zes maanden. Blootstelling van *C. reinhardtii* aan deze NPs onthulde dat Au en Pt grotendeels onschadelijk waren, terwijl Pd, Ag en CuO sterke toxische effecten uitoefenden op groei, membraanintegriteit, ROS-productie, chlorofyll fluorescentie en photosysteem II efficiëntie. Deze resultaten benadrukken het belang van NP fysicochemische eigenschappen in het bepalen van ecologisch risico en benadrukken de belofte van GK-afgeleide Ag en CuO NPs als gerichte algiciden en Pd, Ag, CuO NPs voor antimicrobiële oppervlakken, terwijl Au en Pt NPs veilig kunnen worden beschouwd voor blootstelling aan groenalgen.