Grüne Synthese von Metalloxid-Nanopartikeln mit Gummikaraya und deren ökotoxikologische Auswirkungen auf Chlamydomonas reinhardtii

Zusammenfassung

Wir berichten über einen nachhaltigen Weg zur Herstellung von Gold (Au), Platin (Pt), Palladium (Pd), Silber (Ag) und Kupferoxid (CuO) Nanopartikeln (NPs) in Wasser unter Verwendung des natürlichen Polymers Gummikaraya (GK) als Reduktions- und Stabilisierungsmittel. Die Kolloide wurden durch UV-Vis, TEM, Zeta-Potential und DCS charakterisiert, wobei mittlere Durchmesser von 42 nm (Au), 12 nm (Pt), 1,5 nm (Pd), 5 nm (Ag) und 180 nm (CuO) sowie negative Oberflächenladungen bestätigt wurden, die sechs Monate bei 4 °C stabil blieben. Die Exposition der Grünalge C. reinhardtii gegenüber 1–20 mg L⁻¹ dieser NPs zeigte, dass Au und Pt minimales Wachstumshemmung bewirkten, während Pd, Ag und CuO die algale Proliferation fast vollständig unterdrückten und Membranschäden, oxidativen Stress, Chlorophyll-Quenching und Photosystem-II-Beeinträchtigung auslösten. Diese Ergebnisse zeigen, dass GK-vermittelte grüne Synthese stabile, umweltverträgliche Nanomaterialien liefert, die für selektive antimikrobielle oder algizide Anwendungen angepasst werden können.

Hintergrund

Metall- und Metalloxid-NPs besitzen einzigartige elektrische, optische, magnetische und katalytische Eigenschaften, die ihren breiten Einsatz in Industrie, Medizin, Landwirtschaft und Umweltsanierung antreiben [1–4]. Konventionelle Synthese basiert auf toxischen Reduktionsmitteln und Tensiden, was Bedenken für menschliche Gesundheit und ökologische Integrität aufwirft [5–11]. Grüne Chemie-Ansätze – Einsatz erneuerbarer, biologisch abbaubarer Agenten und benigner Lösungsmittel – bieten eine sicherere Alternative [12–18].

Gummikaraya, ein Hydrokolloid aus Sterculia-Bäumen, enthält Galactose, Rhamnose, Galacturonsäure und Uronatreste [63]. Toxikologische Studien bestätigen seine ungiftige Natur, selbst als Lebensmittelzusatz [62–65]. In dieser Studie nutzen wir die funktionellen Gruppen von GK (–OH, –COO⁻) zur Reduktion von Metallsalzen und gleichzeitigen Stabilisierung der resultierenden NPs, wodurch eine One-Pot, wässrige Synthese erreicht wird.

Trotz ihres technologischen Potenzials können Metall-NPs reaktive Sauerstoffspezies (ROS), DNA-Schäden und Lipidperoxidation erzeugen, was mikrobielle Gemeinschaften und höhere Organismen potenziell stören kann [32–35]. Frühere Arbeiten zeigten, dass Ag, CuO und andere NPs algales Wachstum, Photosynthese und Membranintegrität hemmen [36–49]. Die Toxizität von GK-abgeleiteten Au, Pt, Pd und CuO NPs gegen die Modellgrünalge C. reinhardtii wurde jedoch bisher nicht systematisch untersucht.

Methoden

Materialien

Kommerzielles GK, AgNO₃, HAuCl₄·3H₂O, CuCl₂·2H₂O, H₂PtCl₆, K₂PdCl₄, HCl, NaOH, NH₄OH (Sigma‑Aldrich, USA). Alle Reagenzien waren analytischer Grad und deionisiertes Wasser (DI) wurde für alle Präparationen verwendet.

Gummikaraya-Verarbeitung

1 g GK wurde in 1 L DI-Wasser dispergiert, über Nacht gerührt, dann 18 h bei 20 °C belassen, um Unlösliches zu entfernen. Die Lösung wurde gefiltert (10–16 µm) und lyophilisiert.

Synthese der NPs

Für Au, Pt, Pd und Ag wurden 100 µl 10 mM Metallsalz zu 10 ml GK-Lösung in 50-ml-Kolben gegeben. Der pH wurde zur Optimierung des NP-Ausbeutes eingestellt, dann wurde die Mischung bei 250 min⁻¹, 45–95 °C für 1 h geschüttelt. Farbänderungen (gelb, weinrot, schwarz) zeigten NP-Bildung an. CuO-NPs wurden über einen kolloidalen thermischen Weg hergestellt: 100 µl 10 mM CuCl₂·2H₂O mit GK gemischt, 2:5 CuCl₂:NaOH Molverhältnis, 75 °C, 250 min⁻¹ für 1 h erhitzt, dann Niederschlag durch Zentrifugation isoliert und mit Ethanol und DI-Wasser gewaschen.

Charakterisierung

ICP-MS (Perkin Elmer OPTIMA 2100 DV) quantifizierte Metallgehalt. UV-Vis-Spektren (Cintra 202) überwachten Plasmonenpeaks und Langzeitstabilität. TEM (Tecnai F 12, 15 kV) zeigte Morphologie und Größenverteilung. In Algenmedium bestimmte differentielle Zentrifugalsedimentation (DC24000UHR) die gewichtsbasierte Größenverteilung; Zeta-Potential wurde mit Malvern Zetasizer ZS gemessen. Ionenfreisetzung in Algenmedium wurde durch Ultrafiltration (3 kDa Cut-off) gefolgt von ICP-MS bewertet.

C. reinhardtii Kultur

Stamm CPCC11 wurde in TAPx4-Medium bei 20 °C, 100 min⁻¹, 114,2 µmol m⁻² s⁻¹ Beleuchtung gezüchtet, wobei eine exponentielle Phase von ≈10⁶ Zellen ml⁻¹ erhalten blieb.

Algenexpositionsexperimente

NPs (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) wurden zu 5 ml Algensuspensionen in 50-ml-Röhrchen gegeben. Wachstum, Membranintegrität (Propidiumiodid), oxidativer Stress (CellROX Green), Chlorophyllfluoreszenz und Photosystem-II-Quantenausbeute (AquaPen‑C AP‑C 100) wurden nach 1, 3, 5 und 24 h überwacht. Kontrollen umfassten unbehandelte Algen, hitzetötete Zellen und durch Kreuzkümmel induzierten oxidativen Stress. Daten wurden in Duplikat erhoben und per ANOVA mit Dunnett-Test analysiert (GraphPad PRISM).

Ergebnisse

NP-Bildung und Primärcharakterisierung

TEM-Bilder (Abb. 1a–e) zeigten monodisperse, kugelförmige NPs. UV-Vis-Spektren (Abb. 1f) zeigten Oberflächenplasmonenpeaks bei 412 nm (Au) und 525 nm (Ag); Pt, Pd und CuO wiesen keine deutlichen Peaks auf. Nach 6 Monaten blieben die Spektren unverändert, was Stabilität bestätigt.

Abbildung 1. TEM-Bilder von Au (a), Pt (b), Ag (c), Pd (d) und CuO (e) NPs, synthetisiert mit GK; Inset-Graphen zeigen gewichtsbasierte Größenverteilung in Algenmedium; (f) UV-Vis-Spektren.

Charakterisierung in Algenmedium

Gewichtsbasierte Größen reichten von 180 bis 5 nm (CuO > Au > Pt > Ag > Pd). Alle NPs trugen negative Zeta-Potenziale bei pH 7 (Tabelle 1). Ionische Metallkonzentrationen waren für Pt, Ag und CuO am höchsten (33–36 µg L⁻¹) und für Au und Pt am niedrigsten (6–7 µg L⁻¹).

Auswirkungen auf algales Wachstum

Kontrollwachstum: 1 × 10⁶ Zellen h⁻¹. Exposition gegenüber 1 mg L⁻¹ Ag, Pd und CuO reduzierte Wachstum auf 2,2 × 10⁴, 1,7 × 10⁴ und 0,2 × 10⁴ Zellen h⁻¹ (P < 0,001). Bei höheren Konzentrationen stoppte Wachstum vollständig (Abb. 2). Au und Pt verlangsamten Wachstum ebenfalls, aber Effekte plateauierten unabhängig von der Dosis.

Abbildung 2. Wachstumsrate von C. reinhardtii nach 24 h Exposition gegenüber 1, 5, 10 und 20 mg L⁻¹ Au, Pt, Pd, Ag und CuO NPs. Fehlerbalken: SD.

Induktion von oxidativem Stress

Ag und CuO NPs induzierten nahezu vollständige ROS-Generierung (≈100 %) bei 5–20 mg L⁻¹ (Abb. 3d, e). Au verursachte <10 % ROS, abnehmend auf 15 % bei 20 mg L⁻¹ (P < 0,001). Pt löste <8 % ROS innerhalb von 5 h aus; bei 20 mg L⁻¹ 19 % gestresste Zellen nach 24 h. Ag NPs erzeugten 100 % Stress nach 24 h bei 10–20 mg L⁻¹. CuO erreichte signifikanten Stress innerhalb von 3 h bei 10–20 mg L⁻¹; 5 mg L⁻¹ verursachte Stress nach 5 h. Au produzierte vernachlässigbaren abiotischen ROS (P > 0,05).

Abbildung 3. Prozentsatz gestresster C. reinhardtii-Zellen (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) nach 1, 3, 5 und 24 h für Au, Pt, Pd, Ag und CuO NPs.

Membranintegrität

Au und Pt verursachten signifikante Membranschäden zu allen Zeitpunkten bis 5 h (P < 0,001), aber nicht nach 24 h. Ag NPs beschädigten 100 % der Zellen innerhalb von 1 h über alle Konzentrationen. Pd NPs zeigten minimale Schäden bei 1–5 mg L⁻¹; 20 mg L⁻¹ erzeugte signifikante Schäden nach 24 h. CuO-Schäden nahmen mit Dosis und Zeit zu, Peak bei 24 h (Abb. 4).

Abbildung 4. Prozentsatz Zellen mit beschädigten Membranen nach Exposition gegenüber 1, 5, 10, 20 mg L⁻¹ Au, Pt, Pd, Ag und CuO NPs.

Chlorophyllfluoreszenz

Au und Pt hatten keine signifikanten Auswirkungen auf Chlorophyllfluoreszenz über 24 h. Ag, Pd und CuO reduzierten Fluoreszenz markant mit höheren Dosen und längerer Exposition; 5 mg L⁻¹ Ag senkte Fluoreszenz auf 22 % nach 24 h (P < 0,001). CuO und Pd bei 20 mg L⁻¹ erzeugten steilsten Abfall nach 24 h (Abb. 5).

Abbildung 5. Chlorophyllfluoreszenz von C. reinhardtii nach 1, 3, 5 und 24 h Exposition gegenüber 1, 5, 10, 20 mg L⁻¹ Au, Pt, Pd, Ag und CuO NPs.

Photosystem-II-Effizienz

Au, Pt und CuO produzierten geringfügige, sporadische Reduktionen des Quantenausbeute (QY) an einigen Zeitpunkten. Ag NPs verursachten dramatischen QY-Abfall (>90 %) nach 1 h bei allen Konzentrationen. Pd und CuO senkten QY signifikant nur bei 20 mg L⁻¹ (Abb. 6).

Abbildung 6. Photosystem-II-QY (%) nach 1, 3, 5 und 24 h Exposition gegenüber 1, 5, 10, 20 mg L⁻¹ Au, Pt, Pd, Ag und CuO NPs.

Diskussion

Unsere GK-basierte Synthese lieferte stabile, monodisperse Au, Pt, Pd, Ag und CuO NPs, die über sechs Monate bei 4 °C intakt blieben. Die Größe und Oberflächenchemie dieser Partikel beeinflussten ihre biologische Aktivität stark. Au und Pt, mit größeren Durchmessern (42 und 12 nm) und geringer Ionenfreisetzung, zeigten minimale Toxizität, was ihre Eignung für biomedizinische oder katalytische Anwendungen nahelegt, wo Biokompatibilität kritisch ist. Im Gegensatz dazu waren Pd (1,5 nm), Ag (5 nm) und CuO (180 nm) hochtoxisch für C. reinhardtii, konsistent mit ihrer bekannten Neigung, ROS zu generieren, Ionen freizusetzen und Membranen zu stören. Der starke Effekt von Pd ist bemerkenswert; seine ultra-kleine Größe erleichtert wahrscheinlich zelluläre Aufnahme und Ionenfreisetzung, was den beobachteten oxidativen Stress und Chlorophyllabbau erklärt.

Ag-NP-Toxizität stimmt mit Literatur überein, die anzeigt, dass gelöstes Ag⁺, nicht das Nanopartikel selbst, die algizide Aktivität antreibt [80–89]. Unsere GK-beschichteten Ag NPs zeigten potente biozide Wirkung, was potenziellen Einsatz als Algizid in Schwimmbädern oder Wasseraufbereitungssystemen nahelegt. CuO NPs übten Toxizität wahrscheinlich durch partikelinduzierte Membranstörung und ionische Cu²⁺-Freisetzung aus, was frühere Studien an C. reinhardtii und anderen Algen bestätigt [36, 47, 48].

Au NPs induzierten nur bescheidenen, transienten oxidativen Stress und vernachlässigbare physiologische Störung, was ihre Klassifizierung als ungiftig in diesem Algalsystem stützt. Pt NPs verursachten milde Wachstumshemmung und Chlorophyllreduktion, möglicherweise durch Kombination aus ionischem Pt und Partikelschatteneffekten, aber Gesamttoxizität blieb gering.

Schlussfolgerungen

Wir synthetisierten erfolgreich grün produzierte Au, Pt, Pd, Ag und CuO NPs mit Gummikaraya, erreichten Größen von 42, 12, 1,5, 5 und 180 nm, alle mit negativen Oberflächenladungen und sechsmonatiger Stabilität. Exposition von C. reinhardtii gegenüber diesen NPs zeigte, dass Au und Pt weitgehend harmlos waren, während Pd, Ag und CuO starke toxische Effekte auf Wachstum, Membranintegrität, ROS-Produktion, Chlorophyllfluoreszenz und Photosystem-II-Effizienz ausübten. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der NP-physikochemischen Eigenschaften für die Bestimmung ökologischer Risiken und heben das Potenzial von GK-abgeleiteten Ag und CuO NPs als gezielte Algizide sowie Pd, Ag, CuO NPs für antimikrobielle Oberflächen hervor, während Au und Pt NPs als sicher für Grünalgenexposition betrachtet werden können.