Grün synthetisierte Nickeloxid-Nanopartikel aus Ingwer und Knoblauch zeigen starke antibakterielle und katalytische Leistung

Zusammenfassung

Phyto-synthetisierte Nanopartikel (NPs) mit reduzierter chemischer Toxizität sind weltweit in den Fokus gerückt und sind kürzlich zu einem wesentlichen Bestandteil der Nanotechnologie geworden. Wir bereiteten grün phytochemisch (Ingwer und Knoblauch) reduzierte NiO-NPs zu, um synthetische bakterizide und katalytische Mittel in der Textilindustrie zu ersetzen. Die NPs wurden mittels Ultraviolett-Visible-Spektroskopie (UV-Vis), Röntgendiffraktometrie (XRD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Die Synthese der NPs wurde durch XRD und UV-Vis mit starker Absorption bei 350 nm und Größen zwischen 16–52 nm für Ingwer und 11–59 nm für Knoblauch bestätigt. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie bestätigten Pleomorphismus mit würfelförmigen und eher kugelförmigen NPs. Zudem wurden exakte Mengen von Knoblauch- und Ingwerextrakten (1:3,6 ml), die zur Synthese von NiO-NPs eingebracht wurden, erfolgreich durch FTIR bestätigt. Phytochemisch durch Knoblauch reduzierte NPs zeigten verstärkte bakterizide Aktivität gegen multiresistente Staphylococcus aureus bei steigenden Konzentrationen (0,5, 1,0 mg/50 µl) und degradierten Methylenblau (MB) Farbstoff effizient. Schlussfolgernd sind grün synthetisierte NiO-NPs vielversprechende Akteure zur Lösung von Medikamentenresistenz sowie umweltfreundliche katalytische Mittel, die im industriellen Maßstab eingesetzt werden können.

Einleitung

Nanotechnologie befasst sich mit Materie mit mindestens einer Dimensionsgröße von 1–100 nm, die die Fähigkeit bietet, Materialien durch Kontrolle ihrer Größe zu designen [17]. NPs haben aufgrund ihrer einzigartigen chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Medizin, große Aufmerksamkeit erlangt. Ihre Eigenschaften können durch Änderung der Größe im Nanometerskalenbereich leicht verändert werden [47].

Nickel (Ni) und Nickeloxid (NiO) NPs haben große Bedeutung aufgrund ihrer besonderen magnetischen, katalytischen und elektronischen Eigenschaften in Energietechnologie, Magnetismus, Biomedizin und Elektronik [9, 26, 35]. NiO mit einer breiten Bandlücke von 3,6 bis 4,0 eV und kubischer Gitterstruktur hat Potenzial als p-Typ-Halbleiter. Diese NPs mit hoher chemischer Stabilität, Superkondensatoreigenschaften, Elektronentransferfähigkeit und Elektrokatalyse werden in Biomedizin, Photokatalyse, entzündungshemmenden und antibakteriellen Aktivitäten eingesetzt [8, 10, 11, 45]. Das Auftreten infektiöser Krankheiten, insbesondere antibiotikaresistenter (MDR), hat die öffentliche Gesundheit weltweit verheert. Generell sind sowohl pathogene Gram-positive (G +ve) als auch Gram-negative (G -ve) Bakterienstämme zu den größten öffentlichen Gesundheitsbedrohungen.

In der Milchindustrie ist bovina Mastitis eine große problematische Erkrankung mit großer wirtschaftlicher Auswirkung, gekennzeichnet durch chemische, mikrobiologische und physikalische Veränderungen in der Milch, während pathologische Veränderungen in den Euterdrüsengeweben auftreten [6, 19]. Die Mastitis-Ätiologie umfasst infektiöse Erreger, d.h. Bakterien, Viren und Pilze, und die wichtigsten sind Bakterien, unterteilt in zwei Gruppen: Haupt- (Streptokokken, Staphylococcus aureus, Corynebacterium pyogenes und Coliforme) und Nebenerreger (Corynebacterium bovis und koagulase-negative Staphylokokken) [25]. Das Auftreten multiresistenter Gram-positiver und Gram-negativer Bakterienstämme stellt eine erhebliche Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar [23, 32].

Zingiber officinale (Ingwer) ist ein wichtiger Inhaltsstoff in Ayurveda und Unani, und die chinesische Kräutermedizin behandelt verschiedene Beschwerden wie Übelkeit, Verdauungshilfe, Rheumatismus und Blutungsstörungen aufgrund der großen Vielfalt an flüchtigen Ölen wie Zingiberol, Monoterpen, Sesquiterpen und Sesquiterpenkohlenwasserstoffen [12, 13, 43]. Allerdings enthält Allium sativum (Knoblauch) Organoschwefelkomponenten, d.h. Allylsulfidgruppen, Alliin, Ajoen, Allylcystein und Allicin, und andere wie Vitamine, Phospholipide, Flavonoide, Aminosäuren und Fettsäuren, die seine medizinischen Eigenschaften bestimmen [14, 24]. Wir zielten darauf ab, die bakterizide Wirkung von phytochemisch reduzierten Ni-Metalloxid-NPs gegen MDR (S. aureus), einen Isolat von boviner Mastitis, zu bewerten, und dies wird der erste Bericht aus Pakistan im veterinärmedizinischen Forschungsbereich über das oben genannte Mittel sein.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, die bakterizide Wirkung von phytochemisch reduzierten NiO-NPs gegen MDR (S. aureus), einen Isolat von boviner Mastitis, zu untersuchen.

Materialien

Nickelnitrat [Ni(NO₃)₂], Natriumhydroxid (NaOH), Methylenblau (MB) und Natriumborhydrid (NaBH₄) analytischen Grades wurden von Sigma-Aldrich® bezogen, und frische Ingwer- und Knoblauchwurzeln wurden vom lokalen Markt gesammelt. Die Wurzeln wurden im Schatten getrocknet, um konstantes Gewicht für weitere Verarbeitung zu erreichen. Antibiotika-Scheiben wurden von Bioanalyse® (Türkei) gekauft. Bakterielle Wachstumsmedien waren analytischen Grades von TM Media (Titan Biotech Ltd, Indien).

Herderung wässriger Extrakte

Ingwer- und Knoblauchwurzeln wurden mit einem elektrischen Mörser zu feinem Pulver zermahlen und in Kunststoffbehältern aufbewahrt. Das gemahlene Wurzelpulver wurde mit kontrollierter Menge destilliertem Wasser-DIW (1:10) unter starkem Rühren bei 70 °C für 30 min vermischt. Die Extrakte wurden abgekühlt, durch Whatman Nr. 1 Filterpapier filtriert und bei 4 °C gelagert (Abb. 1) bis zur weiteren Verwendung.

Syntheseschema der Extraktion von Ingwer und Knoblauch und phytochemisch reduzierten NiO-NPs

Grüne Synthese von NiO-NPs

Ingwer- und Knoblauchwässrige Extrakte in verschiedenen Verhältnissen (1,2; 1,8; 2,4; 3,0; 3,6 und 4,2 ml) wurden zu Nickelnitrat (0,1 M) unter kontinuierlichem Rühren gegeben. Der pH-Wert der gerührten Lösung wurde auf 12 mit NaOH (2 M) bei 90 °C für 2 h gehalten. Die gebildeten Niederschläge wurden bei 10.000 U/min für 10 min zentrifugiert, mit DIW gewaschen und über Nacht in einem Heißluftofen bei 90 °C getrocknet, wie in Abb. 1 illustriert.

Charakterisierung

Absorptionsmaxima (λ_max) der synthetisierten NPs wurden mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (Genesys 10 S) von 200–800 nm Wellenlängen gescannt. Phasenzusammensetzung und strukturelle Informationen wurden durch Röntgendiffraktometrie (XRD) BUNKER D2 Phaser mit 2θ-Bereich von (10–80°) ausgestattet mit Cu Kα1-Strahlung von λ = 1,540 Å analysiert. Funktionsgruppen der grün synthetisierten NiO-NPs wurden mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) aufgezeichnet. Größe, Form und Elementaranalyse der NPs wurden mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) und Transmissionselektronenmikroskopie Hitachi H7100FA (TEM) analysiert. Die Probenzusammensetzung mit entsprechenden Bandlücken wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht.

Isolierung und Identifizierung von MDR S. aureus

Isolierung von S. aureus

Klinisch positive bovinen Milchproben, gesammelt von privaten und öffentlichen veterinärmedizinischen Krankenhäusern und Farmen in Punjab, Pakistan, wurden auf 5 % Schafblutagar kultiviert und bei 37 °C für 24–48 h inkubiert. Die charakteristischen Kolonien wurden weiter auf Mannitol-Salz-Agar (MSA) TM Media (Titan Biotech Ltd, Indien) in Tripelikat gestreift, um gereinigte S. aureus zu isolieren.

Identifizierung von MDR S. aureus

Die Identifizierung bakterieller Kolonien erfolgte durch morphologische Eigenschaften, Gram-Färbung und biochemische Verfahren (Koagulase- und Katalase-Test) gemäß der Beschreibung von Burgeys Handbuch der determinativen Bakteriologie.

Die Antibiotika-Empfindlichkeit charakteristischer Kolonien wurde durch den Diskdiffusionstest basierend auf den Richtlinien des National Committee for Clinical Laboratory Standards (NCCLS) zur Isolierung von MDR S. aureus bewertet. Antibiotika-Scheiben mit Oxytetracyclin (30 µg), Tylosin (30 µg), Gentamicin (10 µg), Ciprofloxacin (5 µg) und Trimethoprim + Sulfamethoxazol (1,25 µg + 23,75 µg) wurden aseptisch auf Mueller-Hinton-Agar (MHA) TM Media (Titan Biotech Ltd, Indien) 1 × 10⁸ KBE/ml aufgebracht und bei 37 °C für 24 h belassen [7]. Bakterien, die gegen mindestens drei Antibiotika resistent waren, wurden als MDR erklärt [28].

Antimikrobielle Aktivität

Das in vitro antimikrobielle Wirkungspotenzial von phytochemisch reduzierten NiO-NPs wurde durch Agar-Well-Diffusionsmethode an zehn repräsentativen Isolaten von MDR S. aureus, gesammelt aus mastitischer Milch, bewertet. Petrischalen wurden mit 1,5 × 10⁸ KBE/ml (0,5 McFarland-Standard) MDR S. aureus auf MSA bestrichen. Wells von 6 mm Durchmesser wurden mit einem sterilen Korkenbohrer gebildet. Verschiedene Konzentrationen individueller wässriger Extrakte von Ingwer, Knoblauch und grün synthetisierten (phytochemisch reduzierten) NiO-NPs wurden appliziert. Wässrige Extrakte wurden in Konzentrationen von (10 mg/100 µl) und (50 mg/100 µl) und NiO (0,5 mg/50 µl) und (1,0 mg/50 µl) verwendet. Ciprofloxacin (0,005 mg/50 µl) wurde als Positivkontrolle und DIW als Negativkontrolle (50 µl) verwendet.

Statistische Analyse

Die antimikrobielle Wirksamkeit wurde in Bezug auf Hemmzonengröße (mm) berechnet, und die Hemmzonendurchmesser wurden statistisch durch einseitige Varianzanalyse (ANOVA) mit SPSS 20 analysiert.

Katalyse

Für die katalytische Evaluierung des synthetisierten Extrakt-NiO wurde frisch hergestelltes wässriges Natriumborhydrid (300 µl) mit 3 ml Methylenblau (0,03 × 10⁻³ M) Lösung gemischt. Anschließend wurden 300 µl kolloidale Probe der gewünschten Konzentration zu den Lösungen gegeben. Die hellblaue Farbe des Methylenblau-Farbstoffs (MB) verschwand, was die Farbstoffdegradation zu Leukomethylenblau darstellte, wie in Abb. 2 gezeigt. Die Absorption wurde zwischen 200–800 nm mit UV-Vis-Spektrophotometer notiert.

Schematisches Diagramm für die katalytische Reduktion von MB zu LMB durch grün synthetisierte NPs

Ergebnisse und Diskussion

Optische Eigenschaften von phytochemisch reduziertem NiO durch Ingwer- und Knoblauchwässrige Extrakte zwischen 200–600 nm sind in Abb. 3a, b dargestellt. Die maximale Absorption (λ_max) in NiO-NPs wurde um 350 nm (1:3,6 ml) beobachtet, die mit Extraktkonzentration zunahm, begleitet von Blauverschiebung. Absorptionspeaks von Ingwer- und Knoblauchextrakten erschienen um 275 und 280 nm. Ein abruptes Farbwechseln in Reaktionsgemischen wurde von weinrot zu hellgrün nach Einarbeitung der Wurzelextrakte gesehen. Peakverbreiterung zeigte Partikelagglomeration und elektronischen Übergang von Valenz- zu Leitungsbändern mit Extraktkonzentration in NiO, wie durch starke Absorptionsbänder enthüllt [20]. Daher zeigten die Ergebnisse in Abb. 3a, b eine Abnahme der Absorption der synthetisierten NPs mit steigender oder fallender Extraktmenge über den optimierten Wert (1:3,6 ml) hinaus. Die Bandlücke wurde mittels Tauc-Plot (Gleichung 1) berechnet.

(αhv) = B(hv - E_g)^(1/2) (1)

Wobei α der Absorptionskoeffizient, h die Plancksche Konstante, B eine Konstante, υ die Photonenfrequenz und E_g die Energiebandlücke ist. Die geschätzte Bandlücke von phytochemisch reduziertem NiO durch Ingwer und Knoblauch aus einem Plot von (αhυ)^(1/2) gegen Photonenenergie (hυ). Der Schnittpunkt einer Tangente an die x-Achse wurde aufgezeichnet, was Bandlückenenergien der Proben liefert, wie in Abb. 3c, d gezeigt. Die Variationen in Bandlückenenergien wurden bei Ingwer-Dotierung in NiO von 4,15 auf 3,1 eV und mit Knoblauch von 3,5 auf 3,0 eV bestimmt (Abb. 3c, d).

a–d Absorptionsspektren von grün synthetisierten NiO-NPs mit Ingwer (a) und Knoblauchextrakt (b). Bandlücke von phytochemisch reduziertem NiO durch Ingwer (c) und Knoblauch (d) jeweils

NiO-NPs Kristallinität, Größe und Phasenzusammensetzung wurden durch XRD bestätigt, wie in Abb. 4a, b gezeigt. Die Peaks bei 2θ-Werten 37,10°, 43,32°, 62,81° und 76,51° entsprechen (111), (200), (220) und (311) (JCPDS Kartennr: 00-047-1049) (Abb. 4a, b) referenziert nach [30]. Die Peakintensität deutet auf hexagonale und flächenzentriert kubische (fcc) NiO mit durchschnittlicher Größe 32,9 nm berechnet durch D = 0,9λ/βcosθ für Ingwer und 29,92 nm für Knoblauch phytochemisch reduzierte NiO-NPs hin. Die breiten Peaks deuten auf Anwesenheit von Sauerstofflücken und lokaler Gitterunordnung in der Probe hin [38]. Verschiedene Phytochemikalien von Ingwer (Flavonoide, Alkaloide, Tannine und Saponine) und Knoblauchwässrigen Extrakten (Allicin, Allylsulfid, Alliin, Fettsäuren, Glykolipide, Phenolische, Aminosäuren und Flavonoide), die als Kappenmittel wirken, sind für die durchschnittliche Kristallitengröße von Metalloxid-NPs verantwortlich [14, 46].

XRD-Muster verschiedener Konzentrationen von phytochemisch reduziertem NiO durch Ingwer (a) und Knoblauch (b) und Standard-NiO (c)

Die aufgezeichneten FTIR-Spektren von NiO, biosynthetisiert aus Ingwer- und Knoblauchwurzeln, sind in Abb. 5a, b gezeigt. Eine elaborate breite Absorption bei 3380 cm⁻¹ entspricht OH und die Peakbreite deutet auf Carbonylgruppe mit (N-H) Amin-Dehnungsfrequenz [50]. Die scharfe Absorption bei 2313 cm⁻¹ zeigt Dehnungsschwingungen von CO₂ entweder atmosphärisch oder CO₂ innerhalb der NP-Körner. Schnelle Absorption von atmosphärischem CO₂ deutet auf größere Oberfläche des Materials hin [18]. Die breite Absorption bei 1629 cm⁻¹ entspricht C=C aromatischer Ring-Dehnung und scharfe Peaks bei 1392 und 1064 cm⁻¹ entsprechen Dehnungsschwingungen von C-N aliphatischen Aminen [48]. Die intensiven Peaks bei 978 cm⁻¹ bestätigten Metall-Sauerstoff-Dehnungsfrequenz von NiO [44].

FTIR-Spektren mit Ingwerextrakt zu NiO (a) und Knoblauch (b)

Die nach Bio-Reduktion von NiO beobachteten Peakverschiebungen bei 2535–2313, 1828–1629 und 1585–1392 cm⁻¹ deuten auf Phytochemikalien, Terpenoide, Flavonoide, Polyole und Proteine mit Ketonen, Alkoholen, Carbonsäuren und Aminen funktionellen Gruppen hin, die für Chelatierung und Kappen in der Bio-Reduktion verantwortlich sind [42].

Oberflächenmorphologie und Größe von phytochemisch reduzierten NiO-NPs wurden mittels Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt, wie in Abb. 6a–f dargestellt. Die NiO-NPs zeigten Pleomorphismus mit würfelförmiger und eher kugelförmiger Form (< 50 nm) mit leichter Agglomeration [40]. Die Agglomeration der NPs könnte durch Polymeradhäsion und magnetische Wechselwirkung zwischen den Teilchen evident sein [49].

a–f REM-Bild von phytochemisch reduziertem NiO durch Ingwer (a) und Knoblauch (b). TEM-Bild von phytochemisch reduziertem NiO mit Ingwer (c) und Knoblauch (d) und Größenverteilung von phytochemisch reduziertem NiO durch Ingwer (e) und Knoblauch (f)

Elementaranalyse und weitere Merkmale der synthetisierten NiO-NPs wurden durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) beschrieben, die reine NiO-Phasen bestätigte, wie in Abb. 7a, b gezeigt. Die EDS-Spektren bestätigten drei Peaks, die direkt mit der hohen Reinheit von Ni in den getesteten Proben zwischen 1 und 10 kV zusammenhängen. Die beobachteten atomaren Gewichtsprozente durch Spektren für Ni, O, C und Zn betragen 54,69, 27,81, 18,06 und -0,55 jeweils.

a, b EDS-Spektrum von grün synthetisierten NiO-NPs

XPS zeigt C1s, O1s und Ni2p Spektren von phytochemisch reduzierten NiO-NPs in Abb. 8a–d, die chemische Natur und Bindungszustände der synthetisierten Proben andeuten. Die intensivsten Peaks bei 284,8 und 286,2 eV demonstrieren C1s-Spektrum (Abb. 8b) entsprechend C-C und C-OH/C-O-C [21]. Der O1s-Peak bei 530,8 eV (Abb. 8c) könnte Hydroxylgruppen von Sauerstoffatomen, Sauerstoffatome benachbart zu Nickel-Vakanzen oder sauerstoffgebundene Kohlenstoffatome C=O zugewiesen werden [1, 15, 37]. Der Beitrag bei 532,2 eV wird Sauerstoffatomen in absorbierten Wassermolekülen (NiOH) zugeschrieben [31, 41]. Das Ni2p-Spektrum, das Ni2p3/2 und Ni2p1/2 Peaks enthält, kann mittels Gauss-Lorentz-Funktion in fünf Komponenten separiert werden (Abb. 8d). Die intensivsten Peaks bei 872,72 und 855,82 eV gehören zu Ni2p1/2 und Ni2p3/2 mit entsprechenden Satellitenpeaks 879,36 und 861,57 eV [16]. Die Spin-Orbit-Aufspaltung zwischen Ni (2p1/2) und Ni (2p3/2) und NiO-NP-Kernniveau beträgt 17,28 eV, was gut mit früheren Berichten übereinstimmt [33, 34].

a–d XPS-Survey von phytochemisch reduzierten Partikeln (a), C1s-Orbitale (b), O1s-Spektren von NiO (c) und Ni2p (d)

Die antimikrobielle/bakterizide Wirkung von Ingwer- und Knoblauchwurzelextrakten und grün/phytochemisch reduzierten NiO-NPs wurde mittels Agar-Well-Diffusionsassay durch Hemmzonenmessung (mm) bewertet, wie in Abb. 9a–d und Tabelle 1 gezeigt. Die Ergebnisse zeigten einen starken Zusammenhang zwischen NP-Konzentration und Hemmzonen (mm). Signifikante Hemmzonen (mm) (P < 0,05) wurden für Proben 1 (1,2 ml:1), 2 (1,8 ml:1), 3 (2,4 ml:1), 4 (3 ml:1), 5 (3,6 ml:1) und 6 (4,2 ml:1) im Bereich (3–4,9 mm) und (3,05–5,2 mm) bei niedrigen und hohen Konzentrationen phytochemisch reduzierter NiO-NPs durch Ingwer (Abb. 9c, d) aufgezeichnet, während (3,15–5,3 mm) und (3,75–5,9 mm) phytochemisch reduzierte NPs mit Knoblauch gegen MDR S. aureus (Abb. 9e, f). Ingwerwässrige Extrakte zeigten null Wirksamkeit (Abb. 9a), und Knoblauchwurzeln zeigten 2,65 und 5 mm Hemmzonen bei niedrigen und hohen Konzentrationen (Abb. 9b). Alle Ergebnisse wurden mit Negativkontrolle DIW (0 mm) und Positivkontrolle Ciprofloxacin (12,55 mm) verglichen. Insgesamt zeigten phytochemisch reduzierte NiO-NPs mit Knoblauch signifikante (P < 0,05) verstärkte bakterizide Wirkung gegen MDR S. aureus.

a–f In-vitro antimikrobielle Aktivität von Ingwerwässrigem Extrakt (a), Knoblauch (b) und NiO-NPs phytochemisch synthetisiert durch Ingwerextrakt bei niedrigen und hohen Dosen (c, d) und Knoblauch (e, f)

Der Unterschied in der oxidativen Stresstoleranz hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie Oberfläche, Morphologie und Teilchengröße des synthetisierten Nanomaterials, die eine inferentielle Rolle in der antibakteriellen Wirkung spielen [29, 36]. Eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen Bakterienstämmen und nanoskaligen Materialien führt zur Generierung reaktiver Sauerstoffspezies, die für den bakteriellen Zelltod verantwortlich sind [2,3,4,5, 22]. Zwei Reaktionen wurden für die Nanomaterial-Reaktion mit Bakterienstämmen als möglich befunden, einschließlich starker Wechselwirkung von Kationen Ni²⁺ mit negativ geladenen Teilen der bakteriellen Zelle, was zum Kollaps führt, während die zweite Reaktion in elektronischer Anregung von Valenz- zu Leitungsband bei Bestrahlung der NiO-Oberfläche mit Licht resultiert. Weitere elektronische Reaktion mit O₂ erzeugt O₂⁻ Radikale, was in H₂O₂ Produktion resultiert. Die ·OH-Produktion erfolgte bei Reaktion von h⁺ mit Wasser. Somit spielten die resultierenden O₂⁻· und ·OH-Spezies eine signifikante Rolle beim Abbau von Lipid- oder Proteinmolekülen in der bakteriellen Zelloberfläche [39].

Katalytische Aktivität

Abb. 10 a–e demonstrieren MB katalytische Reduktion in Gegenwart von Wurzelextrakten und grün/phytochemisch reduzierten NiO-NPs bei Raumtemperatur. Abb. 10a zeigt katalytisches Potenzial von NiO-NPs, synthetisiert durch konventionellen Weg, während (Abb. 10b, c) katalytisches Potenzial von Ingwer- und Knoblauchwässrigen Extrakten darstellt. Katalytische Kapazität von phytochemisch reduzierten NiO-NPs wird in Abb. 10d, e dargestellt. Es ist offensichtlich, dass NiO und Pflanzenwurzelextrakte keine effizienten Nanokatalysatoren sind, da sie 15, 21 und 38 min für Methylenblau-Reduktion verbrauchten (Abb. 10a-c). Phytochemisch reduzierte NPs mit Ingwer zeigten schnelle Degradation (λ_max = 8 min) mit effizienter Umwandlung von MB zu Leukomethylenblau (Abb. 10d). Knoblauch-vermittelte NiO-NPs zeigten ähnliches Muster von 100 % Farbstoffreduktion in 5 min (Abb. 10e).

a–e Katalytische Aktivität von NiO (a), Ingwerextrakt (b), Knoblauchextrakt (c), phytochemisch reduziertem NiO durch Ingwer (d) und Knoblauch reduzierten NPs (e)

Grün/phytochemisch reduzierte NPs führen signifikante katalytische Farbstoffdegradation durch Elektronentransfer von Donator-Spezies (BH₄⁻) zu Akzeptor (MB) und stabilisieren das System durch Reduktion der Aktivierungsenergie [27]. Die Daten enthüllten grüne NPs als effiziente Nanokatalysatoren im Vergleich zu konventionellen NPs und individuellem Extrakt.

Schlussfolgerung

NiO-NPs mit Ingwer- und Knoblauchwurzelextrakten dienten als hervorragende bakterizide sowie katalytische Mittel. Die Einarbeitung von Wurzelextrakten mit phytochemischen Gruppen resultierte in erfolgreicher NiO-NP-Synthese, bestätigt durch FTIR. Die XRD-Peaks bestätigten NiO hexagonale und flächenzentriert kubische (fcc) Gitterstruktur und REM bestätigte Pleomorphismus mit würfelförmiger und eher kugelförmiger Morphologie der NPs mit durchschnittlicher Größe 16–52 (Ingwer-Dotierung) und 11–59 nm (Knoblauch-Dotierung). Allerdings enthüllte die Elementaranalyse chemische Natur und Bindungszustände, analysiert durch EDS und XPS, und präsentierte tatsächliche Prozente von Nickel und Sauerstoff, während UV-Analyse Absorptionspeaks-Differenz im Bereich 350 nm verifizierte und Blauverschiebung bei höheren Dotiermengen einführte. Phytochemisch Knoblauch-reduziertes NiO bei hoher Konzentration wurde als potenter im Vergleich zu Ingwer-reduzierten NPs gegen MDR S. aureus sowie effiziente MB-Reduktion befunden. Somit kann grün/phytochemisch reduziertes NiO aus Knoblauchwurzelextrakten in der fortgeschrittenen Medizin als Ersatz für Antibiotikaresistenz und in der Textilindustrie als katalytisches Mittel ohne Umweltgefahr eingesetzt werden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

fcc:

Flächenzentriert kubisch

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

G +ve:

Gram-positiv

G –ve:

Gram-negativ

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverdiffraktionsstandards

MB:

Methylenblau

Ni:

Nickel

NiO:

Nickeloxid

nm:

Nanometer

NPs:

Nanopartikel

REM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

UV-Vis:

Ultraviolett-Visible-Spektroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktometrie