Einfache grüne In-situ-Synthese von Ag

Jun 02, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15359 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wurden Ag-ZnO-Nanokomposite durch eine grüne Syntheseroute unter Verwendung von wässrigem Blattextrakt von Tetradenia Riperia hergestellt und auf antibakterielle Aktivität gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus untersucht. Um die Synthese von Ag-ZnO zu optimieren, wurden die Auswirkungen von Vorläuferkonzentrationen, pH-Wert und Temperaturen untersucht. Die Ag-ZnO-Nanokomposite wurden durch XRD, ATR-FTIR, FESEM und TEM charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Konzentration von 8 % Ag, die Temperatur von 80 °C und ein pH-Wert von 7–8 optimal für die Synthese von Ag-ZnO-Nanokompositen waren. Die XRD-Analyse zeigte eine Abnahme der Partikelgröße von Ag-ZnO von 23,6 auf 14,8 nm mit einem Anstieg der Ag-Konzentrationen, was durch die FESEM-Analyse weiter gestützt wurde. Das TEM-Bild von 8 % Ag liefert weitere Informationen über die Koexistenz von Ag auf ZnO, wo eine durchschnittliche Partikelgröße von 14,8 nm ermittelt wurde. Die ATR-FTIR-Analyse bestätigte das Vorhandensein phenolischer Verbindungen, die als Reduktions- und Stabilisierungsmittel wirken. Die Ergebnisse zur antimikrobiellen Aktivität zeigen, dass Ag-ZnO-Nanokomposit bei E. coli eine höhere antimikrobielle Wirksamkeit aufweist als bei S. aureus. Daher ist der Tetradenia-Riperia-Blattextrakt ein praktikabler Weg für die Synthese von Ag-ZnO-Nanokompositen, die für verschiedene Anwendungen, einschließlich der Wasserdesinfektion, verwendet werden können.

Die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs 2030) verankern in Ziel sechs die Erklärung, dass sauberes Wasser und sanitäre Einrichtungen für die menschliche Entwicklung von entscheidender Bedeutung sind1. Dies liegt daran, dass durch Mikroorganismen verursachte durch Wasser übertragene Infektionen weltweit eine der häufigsten Todesursachen sind2,3. Daher ist es unumgänglich, erschwingliche, effiziente, vielseitige und nachhaltige Technologien zur Kontrolle und Eliminierung von Mikroben aus dem Trinkwasser zu finden3. Die Implementierung von Wasserdesinfektionstechnologien zur Eliminierung von Krankheitserregern in zentralen und einigen dezentralen Wasseraufbereitungssystemen erfolgt durch herkömmliche Methoden, zu denen Chlorierung, Ozonierung und UV-Behandlung gehören3,4. Allerdings wird die Chlorierung durch die Bildung toxischer Nebenprodukte begrenzt, während Ozonung und Ultraviolettstrahlung keinen Schutz vor einer erneuten Kontamination in den Verteilungssystemen bieten4,5. Daher ist der Einsatz alternativer Behandlungstechnologien erforderlich.

In den letzten Jahren hat sich die Nanotechnologie durch Nanomaterialien aufgrund ihrer Fähigkeit, mit resistenten Krankheitserregern umzugehen, zu einem wirksamen und vielseitigen Instrument zur Wasserdesinfektion entwickelt. Normalerweise passen sich Mikroben an Arzneimittelresistenzen an, indem sie sich gegen alle Widrigkeiten schützen und mutieren, damit sie auch in rauen Umgebungen überleben und sich vermehren können6. Nanomaterialien wurden als potenzielle Lösung für die Herausforderungen bei der Wasserdesinfektion untersucht4,7, da es für Krankheitserreger im Vergleich zur Verwendung von Massenmaterialien bei herkömmlichen Behandlungstechniken schwierig ist, eine Resistenz gegen Nanopartikel zu entwickeln, die auf mehrere Bakterienkomponenten abzielen. Die Verwendung von Silbermetall als antimikrobielles Mittel ist seit der Antike dokumentiert8. Seit dem 19. Jahrhundert wird Silberionen eine bakterizide Wirkung zugeschrieben9. In letzter Zeit nimmt die Prävalenz antimikrobieller Resistenzen gegen Antibiotika zu, weshalb die Verwendung von Silber als Desinfektionsmittel unvermeidlich ist. Silber wird heute in Konsumgütern wie Textilien, Kosmetika und medizinischen Instrumenten10,11,12 in Form von Nanopartikeln verwendet, die durch chemische Reduktion von Silbersalzen hergestellt werden13. Darüber hinaus haben Studien sein Potenzial bei der Wasserdesinfektion dokumentiert14,15,16,17. Daher ist Silber aufgrund seiner hemmenden und antibakteriellen Eigenschaften unter verschiedenen Metallnanopartikeln ein faszinierender und vielversprechender Kandidat, der erforscht werden muss6,18. Allerdings können Silbernanopartikel bei starker Verkleinerung aggregieren, was ihre chemischen und antimikrobiellen Eigenschaften einschränkt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, kann Silber daher entweder mit Polymeren bedeckt werden, um polymere Nanokomposite6,18 herzustellen, oder mit einer Schicht aus Metalloxiden wie Magnesiumoxid, Calciumoxid und Zinkoxid, um eine Kern-Schale-Form zu bilden, die für ein hohes Niveau sorgt Oberfläche6. Darüber hinaus können durch die Synergie von Nanomaterialien hybride Nanokomposite hergestellt werden, die leistungsfähiger sind als die einzelnen Nanopartikel; Es wird erwartet, dass diese die Eigenschaften der einzelnen Elemente kombinieren19.

Verschiedene Studien haben die antimikrobielle Wirksamkeit von ZnO-Nanopartikeln sowohl gegen grampositive als auch gegen gramnegative Bakterien gezeigt20,21,22. Die antibakteriellen Eigenschaften von ZnO-Nanopartikeln wurden aufgrund ihrer hohen Biokompatibilität und bakteriziden Wirkung19 auf verschiedene Anwendungen ausgerichtet, darunter die Bekämpfung lebensmittelbedingter Krankheitserreger23 und wasserbedingter Krankheitserreger aus Trinkwasser4. ZnO wurde kürzlich von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (21CFR182.8991) (FDA, 2011) als sicheres Material anerkannt6,24 mit einer kurzen Lebensdauer im Körper, die nur einige Stunden beträgt25. ZnO-Nanopartikel unterdrücken das Bakterienwachstum durch verschiedene Prozesse, darunter Zellpenetration, elektrostatische Adhäsion an der Bakterienoberfläche und die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies26. In dieser Hinsicht können ZnO-Nanopartikel als lebensfähige und wirksame Nanomaterialien zum Schutz vor antibakteriellen Infektionen angesehen werden27. Daher führt die Synergie von Ag-Nanopartikeln mit ZnO-Nanopartikeln zu einem Nanokompositmaterial mit stärkeren antibakteriellen Eigenschaften sowohl für grampositive als auch für gramnegative Bakterien18.

Metall- und Metalloxid-Nanopartikel haben aufgrund ihrer hohen Reaktivität, die mit ihrem sehr hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zusammenhängt, große Aufmerksamkeit als antibakterielle Materialien erlangt28. Infolgedessen kann das Potenzial von Ag-ZnO-Nanokompositen genutzt und im Bereich der Umweltgesundheit für die Entwicklung antimikrobieller Verbindungen im Hinblick auf die Wasserdesinfektion eingesetzt werden. Um Synergien zu nutzen, wurden verschiedene Legierungen synthetisiert und zeigten eine überlegene antimikrobielle Wirkung bei der Wasserdesinfektion gegen bakterielle Arzneimittelresistenzen29,30. Die Ag-ZnO-Nanokomposite weisen eine faszinierende Effizienz auf, die auf ihre plasmonischen Eigenschaften und den Elektronenaustauschprozess an der Grenzfläche zurückzuführen ist. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit von Ag-ZnO-Nanokompositen im Vergleich zu reinen ZnO-Nanopartikeln anhand ihrer Silber- und Zinkionenfreisetzung in wässriger Lösung, Stabilität, Wiederverwendbarkeit und dauerhaften bakteriziden Wirkung bewertet, die alle deutlich höher sind19.

Für die Synthese von Ag-ZnO-Nanokompositen wurden verschiedene Methoden eingesetzt, darunter Co-Präzipitation31, Sol-Gel-32 und hydrothermale Synthese33, um nur einige zu nennen. Allerdings erschweren die Anwendung hoher Temperaturen und Drücke, längere Reaktionszeiten und die Entstehung chemischer Abfälle34,35,36,37 ihre Anwendung in der Großproduktion. Daher ist die Entwicklung einer umweltfreundlichen Technologie in der Materialsynthese unumgänglich. Die grüne Synthese von Nanomaterialien unter Verwendung natürlicher biogener Materialien wie Pilze, Bakterien und Pflanzenteile nimmt zu19,27,34,38,39,40. Die Literaturübersicht berichtet über die grüne Synthese von Ag-ZnO-Nanokompositen aus verschiedenen Heilpflanzenteilen wie Moringa oleifera-Samen41, Azadirachta indica-Blattextrakt42, Zingiber zerumbet-Rhizom43, Kartoffelschalen44, Murraya koenigii- und Zingiber officinale-Extrakten19 und Guajava-Blättern45. Bei der grünen Synthese werden die Eigenschaften von Nanomaterialien durch den Pflanzenextrakt beeinflusst, da jeder Pflanzenextrakt eine bestimmte Konzentration und Kombination von Biomolekülen enthält46. Daher weisen aus verschiedenen Pflanzen synthetisierte Nanomaterialien unterschiedliche antimikrobielle Wirksamkeit auf. Dies motiviert zu einer stärkeren Erforschung von Pflanzenarten für die Synthese von Nanomaterialien18,42,47.

In diesem Zusammenhang gilt die Nutzung von Pflanzenextrakten über Biosynthesewege als der praktikabelste Ansatz für die Synthese von Nanomaterialien. Die Pflanzenextrakte enthalten Wirkstoffe wie Alkaloide, Flavonoide, Proteine, Tannine, Terpenoide, Saponin und Polyphenole34,42,43,48,49. Diese Phytoverbindungen wirken als Reduktionsmittel für Metallionen (natürliche schwache Base) und als Abdeckmittel für die Kerne, um die Agglomeration von Nanopartikeln zu verhindern34,35 und verbessern so deren Reaktivität. Um das Potenzial der oben genannten Phytoverbindungen auszuschöpfen, berichtet diese Studie über einen umweltfreundlichen Weg für die Synthese von Ag-ZnO aus Silber- und Zinksalzen unter Verwendung von Blattextrakt der Heilpflanze Tetradenia Riperia (TR). Tetradenia reiferia (TR) gehört zur Familie der Lippenblütler (Lamiaceae) und kommt häufig in den nördlichen Regionen Tansanias vor. Die Pflanze wird von ethnischen Gruppen wie Meru, Massai, Pare und Chaga aus den nördlichen Regionen Tansanias für medizinische Zwecke zur Behandlung von Durchfall, Verdauungsstörungen, Verstopfung, Malaria, Husten und Halsschmerzen eingesetzt50. Es wird auch berichtet, dass TR-Blätter antibakterielle, entzündungshemmende und krebshemmende Eigenschaften aufweisen51,52. Die phytochemische Analyse ergab das Vorhandensein aktiver Verbindungen wie Alkaloide, Flavonoide, Phenole, Saponine, Tannine, Steroide und reduzierenden Zucker34,50,52, die als Reduktions- und Stabilisierungsmittel bei der Synthese von Nanopartikeln verwendet werden können35. Die räumliche Verbreitung von Tetradenia reiferia wurde in verschiedenen Gebieten afrikanischer Länder wie Ruanda53, Madagaskar54, Südafrika55, Uganda56 und Tansania57 dokumentiert, in denen sein medizinisches Potenzial auf reichlich vorhandene Phytoverbindungen mit antimikrobieller Wirkung zurückgeführt wurde51. In der Literatur wurde über die Verwendung von Tetradenia Riperia-Blättern bei der Synthese verschiedener Nanopartikel wie Silber58,59 berichtet. Nach unserem besten Wissen gibt es keine Studie über die Synthese von Ag-ZnO-Nanokompositen unter Verwendung des wässrigen Blattextrakts von Tetradenia Riperia. Daher stellt diese Arbeit ein neuartiges Ag-ZnO-Nanokomposit auf der Basis von Tetradenia Riperia-Blattextrakten vor und bewertet dessen antibakterielle Aktivität gegen antibiotikaresistente Bakterienstämme. Das Ag-ZnO-Nanokomposit wird später für die Entwicklung von Wasserfiltern zur Desinfektion von Wasser am Verwendungsort verwendet.

Tetradenia reiferia-Blätter wurden im Dorf Musini in Uru, Region Nord-Moshi-Kilimanjaro, und im Dorf Kilala an den Hängen des Mount Meru in der Region Arusha, Tansania, gesammelt. Die Identifizierung von Tetradenia Riperia erfolgte durch Njau et al.60. Ein Belegexemplar (Referenznummer EN 2980/2013) wurde im National Herbarium of Tanzania (NHT) am Tropical Pesticides Research Institute (TPRI)-Arusha hinterlegt. Die Sammlung des Pflanzenmaterials entsprach den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen.

Silbernitrat (AgNO3) (99 %) in Analysequalität, Zinknitrathexahydrat (Zn(NO3)2.6H2O) (95 %) und Natriumhydroxid NaOH (98 %) wurden von Sigma-Adrich Chemicals (Deutschland) bezogen.

Die gesammelten Blätter wurden mehrmals mit Leitungswasser und anschließend mit doppelt destilliertem Wasser (DD) gewaschen, um etwaige Staubpartikel von der Oberfläche zu entfernen. Dann wurden frische Blätter in kleine Stücke gehackt und mit einem elektrischen Mörser und Mixer zu feinen Partikeln zermahlen. Etwa 20 g frische, gemahlene Tetradenia-Riperia-Blätter wurden in 100 ml doppelt destilliertem Wasser gemischt und anschließend 24 Stunden lang auf einem mechanischen Schüttler geschüttelt, um eine wirksame Extraktion von Phytoverbindungen aus TR-Blättern zu ermöglichen. Der erhaltene wässrige Extrakt wurde 15 Minuten lang bei 4000 U/min zentrifugiert, dann wurde der Überstand (braune Farbe) mit Whatman-Filterpapier Nr. 1 filtriert und bei 4 °C gelagert, bereit zur weiteren Verwendung als Reduktions- und Stabilisierungsmittel während der grünen Synthese von Ag-ZnO-Nanokomposite (Abb. 1). Der pH-Wert des wässrigen Blattextrakts von Tetradenia reiferia betrug 5,10.

Bild von (a) Tetradenia-Riperia-Pflanzenblättern (b) unzentrifugiertem und zentrifugiertem wässrigen Blattextrakt.

Die Synthese von ZnO-Nanopartikeln erfolgte basierend auf der Literatur27 mit Modifikation. Für die Synthese von ZnO-NPs wurden 2,9748 g ZnO (NO3)2·6H2O in 100 ml Tetradenia-riperia-Blattextrakt in einem 250-ml-Erlenmeyerkolben gelöst und dann 30 Minuten lang gerührt. Dadurch wurde der pH-Wert des Mediums auf 4,9 gesenkt. Dann wurde 0,1 M NaOH unter Rühren tropfenweise zugegeben, um den pH-Wert des Mediums auf 7–8 einzustellen. Die Charge wurde 3 Stunden lang auf einer Magnetrührplatte bei Raumtemperatur (30 °C) kontinuierlich gerührt. Die resultierende Mischung wurde zum Altern 24 Stunden lang inkubiert, gefolgt von einer 15-minütigen Zentrifugation bei 4000 U/min. Der Überstand wurde verworfen und der Niederschlag in einer Ethanol-Wasser-Mischung im Verhältnis 1:1 (v/v) redispergiert und anschließend erneut zentrifugiert. Die Zentrifugations- und Redispergiervorgänge wurden dreimal wiederholt. Ähnliche Verfahren wurden für die bei 60 und 80 °C hergestellten Chargen angewendet. Die gereinigten Niederschläge wurden 4 Stunden lang bei 80 °C in einem Heißluftofen getrocknet und dann 2 Stunden lang bei 450 °C mit einer Heizrate von 5 °C/min kalziniert. Die gebildeten weißen Rückstände wurden mit einem Hargett-Mörser und Pistill zu Pulver gemahlen und dann in einem luftdichten Behälter für die weitere Analyse und Verwendung aufbewahrt.

Die Ag-ZnO-Nanokomposite wurden mithilfe einer grünen Synthesemethode synthetisiert, die aus der Literatur übernommen wurde41 mit geringfügigen Modifikationen hinsichtlich der Synthesetemperatur, Reaktionszeit und Alterungszeit. Dabei wurden etwa 2,9748 g Zn (NO3)2·6H2O langsam in 90 ml Tetradenia-riperia-Blattextrakt für 30 Minuten unter magnetischem Rühren dispergiert, dann wurden 10 ml einer 0,01 M AgNO3-Lösung unter Rühren für weitere 30 Minuten bei Raumtemperatur zugegeben (30 °C), um eine Endkonzentration von 0,1 M Zn (NO3)2·6H2O und 1 mM AgNO3 zu erreichen. Dadurch wurde der pH-Wert des Mediums von 5,10 auf 4,46 gesenkt. Anschließend wurde der pH-Wert durch tropfenweise Zugabe von 0,1 M NaOH-Lösung unter ständigem Rühren auf 7–8 eingestellt. Während der Reaktion wurde eine Farbänderung beobachtet, bei der sich die braune Farbe des Tetradenia-riperia-Extrakts nach der Zugabe von Zinknitratsalz in blassgelb und nach der Zugabe von AgNO3-Lösung in dunkelgelb änderte, was auf die Reduktion von Zn2+- und Ag+-Ionen hinweist , und später nach Zugabe von NaOH-Lösung dunkelgrüngelb. Auf diese Weise wurden drei Ansätze bei drei unterschiedlichen Synthesetemperaturen hergestellt; Raumtemperatur (30 °C), 60 und 80 °C in einem Ölbad mit magnetischen Rührheizplatten bei 400 U/min für 3 Stunden. Man ließ die Chargen abkühlen und 24 Stunden lang bei Raumtemperatur altern; danach wurden sie 15 Minuten lang bei 4000 U/min zentrifugiert; Die Niederschläge wurden erneut dreimal mit einer Mischung aus Ethanol und Wasser im Verhältnis 1:1 (v/v) gewaschen und dann erneut 15 Minuten lang bei 4000 U/min zentrifugiert. Die erhaltenen Niederschläge wurden 4 Stunden lang bei 80 °C im Ofen getrocknet und anschließend 2 Stunden lang bei 450 °C mit einer Heizrate von 5 °C/min kalziniert. Die erhaltenen Nanohybridkristalle wurden mit einem Hargett-Mörser und Pistill zu Pulver gemahlen und dann in einem luftdichten Behälter zur Charakterisierung und Verwendung aufbewahrt. Ähnliche Verfahren wurden bei der Synthese von Ag-ZnO-Nanokompositen mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen von Silbernitrat angewendet, die anhand des Molverhältnisses von [Ag+]/[Zn2+] = 1 %, 3 %, 5 % und 8 % berechnet wurden, und der entsprechenden Nanokomposite ( NC) wurden als NC1, NC3, NC5 bzw. NC8 markiert.

Die kristalline Phase und Reinheit der synthetisierten Ag-ZnO-Nanokomposite und ZnO-Nanopartikel wurden mit einem Bruker BV 2D PHASER Best Benchtop (PANalytical BV, Amsterdam, Niederlande) Röntgenbeugungsanalysator (XRD) mit Reflexionsgeometrie bei 2θ-Werten (10) untersucht °–90°) mit einer Schrittweite von 0,005°, arbeitend mit einer Cu-Kα-Strahlungsquelle (λ = 0,15406 nm) bei 50 kV und 30 mA. Die funktionellen Gruppen wurden durch abgeschwächte Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) (Bruker Optic GmbH 2011 (Alpha-Modell, Laserklasse 1) im Transmissionsmodus und einem Spektralbereich von 4000–400 cm−1 mit einer spektralen Auflösung bestimmt von 2 cm−1. Die Morphologie und Elementzusammensetzung von Nanomaterialien wurden mit Zeiss Ultra Plus 55-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopen (FE-SEM) untersucht, die mit einem energiedispersiven Röntgenmikroskop (EDX) und einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop ausgestattet sind ( HRTEM FEI Tecnai-F30; Akishima-shi, Japan) wurde bei 1,0 kV betrieben. Ultraviolett-sichtbare (UV-Vis) Absorptionsspektren wurden mit einem Spektrophotometer (UVmini-1240 Shimadzu, Japan) im Wellenlängenbereich von 300–800 nm aufgezeichnet .

Die antibakterielle Aktivität der synthetisierten ZnO-Nanopartikel und Ag-ZnO-Nanokomposite wurde gegen grampositive (Staphylococcus aureus – ATCC 6538P) und gramnegative (Escherichia coli – ATCC 9677) Stämme mithilfe der Scheibendiffusionsmethode47 bewertet. Die vorbereiteten und sterilisierten Nähragarmedien (15–20 ml) wurden in die sterilisierten Petrischalen gegossen und erstarren gelassen. Nach der Verfestigung des Nähragarmediums wurde jeder Bakterienstamm auf einzelne Agarschalen geimpft und mit einem sterilisierten Tupfer gleichmäßig verteilt. Die sterilisierten absorbierenden Scheiben von etwa 6 mm wurden in einer kolloidalen Lösung aus ZnO und Ag-ZnO (1, 3, 5 und 8 % Ag) mit unterschiedlichen Konzentrationen (minimale Hemmkonzentration – MHK) (0,5, 1,0 und 1,5 mg) getränkt /ml). Die eingeweichten Scheiben wurden auf die beimpften Petrischalen gelegt, zusammen mit Ciprofloxacin-Scheiben als Standard und Tetradenia-Ripriria-Extrakt-Scheiben als Kontrolle. Jede Platte besteht aus drei Testscheiben, einer Standardscheibe und einer Kontrollscheibe. Anschließend wurden alle Schalen 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Die antimikrobielle Aktivität von ZnO-Nanopartikeln und Ag-ZnO-Nanokompositen wurde durch Messung der Hemmzone (ZOI) bestimmt, die als klare Bereiche um die Scheiben herum erschien.

Abbildung 2a zeigt XRD-Muster von reinen ZnO- und Ag-ZnO-Nanokompositen mit verschiedenen Ag-Gehalten (1, 3, 5 und 8 %). Die reinen ZnO-Muster zeigen Beugungspeakpositionen bei 2θ-Werten von 31,65°, 34,31°, 36,14°, 47,44°, 56,50°, 62,77°, 67,85° und 69,01°, die auf die Kristallebenen von (100), (002) indiziert sind ), (101), (102), (110), (103), (112) und (201) von hexagonalen Wurtzitstrukturen bzw. von ZnO-Nanopartikeln (JCPDS-Datei Nr. 36–1451)44,61. Darüber hinaus weist das Ag-ZnO-Nanokomposit bei Dotierung mit unterschiedlichen Konzentrationen von Ag-Salzen vier zusätzliche Peaks bei 38,36°, 44,20°, 64,55° und 77,74° auf, die mit (111), (200), (220) und ( 311) Flugzeuge bzw.62. Diese Peaks sind gemäß JCPDS, Karte Nr. 04-078363,64, auf eine kubische Flächenmittenstruktur (fcc) von Ag-Nanopartikeln zurückzuführen, was das Vorhandensein von Ag-Nanopartikeln im Verbundwerkstoff bestätigt44. Die Peakintensität nimmt mit zunehmendem Ag-Gehalt allmählich zu, was auf die erfolgreiche Bildung von Ag-Nanopartikeln auf der ZnO-Oberfläche hinweist. Während die Intensität der Ag-Peaks mit zunehmender Ag-Konzentration zunimmt, nimmt die Peakintensität von ZnO ab, was eine Abnahme der Kristallinität und Partikelgröße in Ag-ZnO-Nanokompositen bedeutet. Die durchschnittlichen Korngrößen (D), berechnet aus der Scherrer-Gl. (1) Für reines ZnO betrugen die 1 %, 3 %, 5 % und 8 % Ag-ZnO-Nanokomposite 10,8, 23,6, 20,3, 15,4 bzw. 14,8 nm. Der Anstieg der Kristallgröße von reinem ZnO auf 1 % Ag-ZnO (NC1) könnte auf die Ag-Verankerung auf der ZnO-Oberfläche zurückzuführen sein44. Eine anschließende Abnahme der durchschnittlichen Kristallgröße von Ag-ZnO mit einem Anstieg des Ag-Gehalts könnte jedoch auf die Dispersion von Ag-Nanopartikeln in oder nahe der Grenze des ZnO-Gitters zurückgeführt werden, was die Allianz und Diffusion von ZnO einschränkt und somit behindert Wachstum des Nanokomposits. Über ein ähnliches Szenario wurde an anderer Stelle berichtet65,66. Es wurden keine weiteren Peaks identifiziert, was darauf hindeutet, dass zwischen Ag und ZnO keine verknüpfte Austrittsarbeit vorliegt und das synthetisierte Ag-ZnO-Nanokomposit daher rein ist. Dies liefert Erkenntnisse, dass die Dotierung von Ag auf der Oberfläche von ZnO-NPs erfolgreicher war als in das ZnO-Gitter, was auf den größeren Ionenradius für Ag+ (1,26 Å) im Vergleich zu Zn2+(0,74 Å)44 zurückzuführen ist. Darüber hinaus zeigte ein Anstieg der Synthesetemperatur von 30 auf 80 °C zusätzliche Peaks im Ag-ZnO-Nanokomposit (Abb. 2b). Abgesehen von den hexagonalen Wurtzit-Strukturpeaks von ZnO-Nanopartikeln gibt es neue fünf Peaks bei 38,36°, 44,20°, 64,55°, 77,74° und 81,74°, indiziert für die Kristallebenen von (111), (200), (220), (311). ) bzw. (222) wurden beobachtet. Diese Peaks entsprechen der kubischen Flächenmittenstruktur (fcc) von Ag-Nanopartikeln gemäß JCPDS, Karte Nr. 04-078363, was die Existenz von metallischem Ag in Ag-ZnO-Nanokompositen bestätigt. Die Intensität und Schärfe der Ag-Peaks nehmen mit zunehmender Synthesetemperatur allmählich zu, was darauf schließen lässt, dass sich bei höheren Temperaturen mehr metallisches Ag in der Matrix bildet. Dies könnte auf die hohe Keimbildungsrate zurückzuführen sein, die zur Bildung kleinerer Kristallkeime67) und unterschiedlicher Nanopartikel führt.

wobei D die durchschnittliche Kristallitgröße in nm ist, K die Scherrer-Konstante ist; gleich 0,9, λ ist die spezifische Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrahlung (0,154 nm), θ ist der Beugungs-Bragg-Winkel und β2θ ist die Winkelbreite im Bogenmaß bei einer Intensität, die der vollen Breite und dem halben Maximum entspricht.

XRD-Muster (a) reine ZnO- und Ag-ZnO-Nanokomposite mit unterschiedlichem Ag-Gehalt (1 % Ag, 3 % Ag, 5 % Ag, 8 % Ag) und (b) reine ZnO- und Ag-ZnO-Nanokomposite bei unterschiedlichen Synthesetemperaturen (RT). (30 °C), 60 °C und 80 °C) (Die charakteristischen Peaks für Ag sind in rotem HKL).

Abbildung 3a zeigt das FTIR-Spektrum der aktiven Biomoleküle aus Tetradenia Riperia-Blättern, die während der Biosynthese von Nanomaterialien als Reduktions- und Verkappungsmittel wirken. Die Absorptionspeaks bei 3292, 2931 und 1709 cm−1 entsprechen der O-H-Streckschwingung, der C-H-sp3-Streckschwingung bzw. der C=O-Streckschwingung der Carbonylgruppe, was auf das Vorhandensein von Alkohol, Polyphenolen, Amiden, Estern usw. schließen lässt Säuren, die die Verfügbarkeit von Flavonoiden, Saponinen, Tanninen, Alkaloiden und reduzierenden Zuckern anzeigen34,35,36,68. Die Adsorptionspeaks bei 1589 und 1375 cm−1 sind auf die C=C-Streckung des in der aromatischen Ringstruktur vorhandenen Alkens bzw. die C-C-Streckung der Flavonoide zurückzuführen34,69. Die Adsorptionspeaks bei etwa 1247 und 1028 cm−1 werden C-N-Streckgruppen von Aminen zugeordnet35, 49, 70, während der Peak bei 859 cm−1 der N-H-Biegeschwingung von Aminen zugeordnet wird35. Darüber hinaus sind die Absorptionsbanden bei 817 und 772 cm-1 auf die C=C-Biegung für Vinyliden und trisubstituierte Alkene zurückzuführen, während die Bande bei 536 cm-1 die aromatische C-H-Biegung aus der Ebene in Polyphenolen darstellt68. Die Amin-C-N-Streckung und N-H-Biegung aus dem TR-Extrakt bestätigen das Vorhandensein von Alkaloiden36,39. Alkaloidverbindungen wirken aufgrund der Anwesenheit von Stickstoffatomen in zyklischen Ringen als schwache Base, die Elektronenpaare bereitstellen, die mit Wassermolekülen reagieren und −OH-Ionen erzeugen, die die Metallionen hydrolysieren oder reduzieren34,36,38,39. Andererseits zeigen die −OH-Biegung und −OH-Streckung das Vorhandensein von Flavonoiden, Tanninen und Saponinen im TR-Extrakt, die als Verkappungsmittel wirken, um eine Agglomeration zu verhindern und so die Partikelgröße zu kontrollieren34,36,39,71. Während der Bildung von Nanopartikeln interagiert der hydrophile −OH-Kopf von Phytoverbindungen mit Metallionen, während der hydrophobe Teil eine sterische Hinderung darstellt, die die Agglomeration von Nanopartikeln verhindert36,72. Abgesehen von den OH-Gruppen haben Studien gezeigt, dass die C=C- und C=O-Gruppen der Phytoverbindungen als Verkappungsmittel wirken können48. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass einige TR-Extraktpeaks (3292, 2931, 1709, 1589, 1247,859, 817 und 771 cm−1) nach der Bildung von ZnO-Nanopartikeln und Ag-ZnO-Nanokompositen verschwanden, was Aufschluss darüber gibt die Beteiligung von Biomolekülen an der Reduktion und Stabilisierung der Nanomaterialien. Allerdings wurde ein breiter Peak bei 3386 cm−1 beobachtet, der einen charakteristischen Peak der OH-Gruppen des absorbierten Wassers auf der Oberfläche von Nanopartikeln darstellt. Darüber hinaus blieben breite Peaks bei 1380 und 1025 cm−1 für Polyphenole aus TR-Blattextrakt auf der Oberfläche des ZnO- und Ag-ZnO-Nanokomposits zurück, was einen weiteren Beweis für die Beteiligung von Tetradenia reiferia-Phytoverbindungen an der Bildung von Nanopartikeln auf diesem grünen Weg liefert. Die Mechanismen der Biosynthese von ZnO-Nanopartikeln und Ag-ZnO-Nanokompositen unter Verwendung von TR-Blattextrakt können durch die folgenden Reaktionen dargestellt werden.

ATR-FTIR-Spektren von (a) Tetradenia reiferia-Pflanzenextrakt (TR-PE), reinem ZnO und Ag-ZnO-Nanokompositen bei unterschiedlichen Ag-Konzentrationen (b) UV-Vis-Spektren von reinen ZnO-NPs und Ag-ZnO-Nanokompositen, dotiert mit unterschiedlichen Konzentrationen von Ag-Ionen.

Abbildung 3b zeigt die UV-Vis-Absorptionsspektren von reinen ZnO-Nanopartikeln und 1 % Ag, 3 % Ag, 5 % Ag und 8 % dotierten ZnO-Nanokompositen. Die Ergebnisse zeigen, dass reine ZnO-Nanopartikel aufgrund der excitonischen Absorption einen Absorptionspeak bei 395 nm zeigten, während die Ag-dotierten ZnO-Nanokomposite mit 1 %, 3 %, 5 % und 8 % Ag-Gehalt Absorptionspeaks zeigten, die auf Oberflächenplasmonenresonanz zurückzuführen sind bei 397, 380, 377 bzw. 368 nm. Der Anstieg des Peaks von 395 auf 397 nm (Rotverschiebung) kann auf die Zunahme der Partikelgröße zurückgeführt werden, die auf die Ag-Dotierung auf der ZnO-Matrix zurückzuführen ist73. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen den Valenzbändern, was die Frequenz der elektromagnetischen Emission verringert. Darüber hinaus nimmt die Intensität der Absorption von dotiertem ZnO mit zunehmendem Ag-Gehalt von 397 auf 368 nm ab (Blauverschiebung). Dies kann durch eine Verringerung der Partikelgröße der Ag-ZnO-Nanokomposite erklärt werden, die auf verankerte Ag-Nanopartikel zurückzuführen ist, und auf die Bildung kleinerer Kerne auf der ZnO-Oberfläche43,74, was die Bewegung und Diffusion von ZnO behindert, wie aus der XRD-Studie hervorgeht. Ähnliche Ergebnisse wurden auch anderswo berichtet43.

Abbildung 4a–e zeigt die FESEM-Bilder synthetisierter Nanomaterialien, in denen reines ZnO kugelförmige Nanopartikel mit einer durchschnittlichen Größe von 64,00 nm darstellte. Darüber hinaus zeigte die FESEM-Analyse ein dichteres kugelförmiges Ag-ZnO-Nanokomposit mit einer durchschnittlichen Größe von 76,5, 75,8, 74,6 und 47,9 nm bei 1, 3, 5 bzw. 8 % Ag-Gehalt. Dies stimmt mit den XRD-Daten überein, die eine Abnahme der Partikelgröße mit zunehmender Ag-Beladung zeigen. Um andererseits die Koexistenz von Ag auf ZnO-Nanopartikeln zu bestätigen, wurde eine TEM-Analyse am Nanokomposit mit 8 % Ag durchgeführt. Das TEM-Bild in Abb. 4f zeigt eine Dispersion der kugelförmigen Ag-Nanopartikel, die auf der Oberfläche von ZnO-Nanopartikeln verankert sind, wie an anderer Stelle berichtet75. Dies könnte auf die große Ionengröße von Ag zurückzuführen sein, die den Einbau von dotiertem Ag in das Kristallgitter von ZnO76 behinderte. Die durch TEM-Analyse mit 8 % Ag dargestellte durchschnittliche Partikelgröße des Ag-ZnO-Nanokomposits betrug 12,3 nm, was gut mit den an anderer Stelle berichteten XRD-Ergebnissen der gleichen Zusammensetzung übereinstimmt77. Abbildung 5 zeigt die EDX-Spektren für das Ag-ZnO-Nanokomposit, in dem Ag-, O- und Zn-Signale beobachtet wurden; Dies bestätigt die Verankerung von Ag auf ZnO auf der Oberfläche. Um die Menge an auf ZnO dotiertem Ag in verschiedenen Konzentrationen zu ermitteln, wurde außerdem eine EDX-Analyse von Ag-ZnO mit unterschiedlichem Ag-Gehalt durchgeführt. Die Ergebnisse von Abb. 5 zeigen, dass die Menge an dotiertem Ag (1, 3, 5 und 8 %) mit der in der Tabelle (Einschub) gezeigten Elementaranalyse übereinstimmt, was darauf hinweist, dass Ag erfolgreich auf ZnO dotiert wurde. Das Vorhandensein von elementarem Natrium in den EDX-Spektren wird dem NaOH zugeschrieben, das zur pH-Wert-Einstellung während der Synthese der Nanomaterialien verwendet wird.

REM-Bilder von reinem ZnO (a) Ag-ZnO-Nanokompositen mit (b) 1 %, (c) 3 %, (d) 5 % (e) 8 % Ag und TEM-Bild (f) 8 % Ag.

EDX-Spektren von (a) 1 %, (b) 3 %, (c) 5 % und (d) 8 % Ag-ZnO-Nanokompositen.

Bei der nasschemischen Synthese und Entwicklung von Nanomaterialien hat die Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die Synthese von Nanopartikeln durch Keimbildung und Wachstum von Nanopartikeln. Die Bildung von Keimen (Keimbildung), die zu kleineren Partikeln führt, wird bei einer höheren Temperatur begünstigt, während das Wachstum bei einer niedrigeren Temperatur begünstigt wird67,78. In dieser Studie wurde der Einfluss der Temperatur auf die Größe der synthetisierten ZnO- und Ag-ZnO-Nanopartikel bei Raumtemperatur (30 °C), 60 und 80 °C untersucht. Die in Abb. 6 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Partikelgröße mit zunehmender Reaktionstemperatur kleiner wird. Dies könnte auf die starke Keimbildung von Metallionen zurückzuführen sein, da ein Temperaturanstieg mehr Auswirkungen auf die Keimbildung als auf das Wachstum von Keimen hat79,80. Normalerweise nimmt bei hohen Temperaturen die kinetische Energie der Moleküle zu und Vorläufer werden schneller zur Bildung von Kernen verbraucht, wodurch das Partikelwachstum unterdrückt wird78. Andererseits nimmt bei niedrigeren Temperaturen die kinetische Energie der Nanopartikel ab. Dies führt zu einem Kristallwachstum, das der Oswald-Reifung zugeschrieben wird81. Dadurch bilden sich bei höheren Temperaturen kleinere Partikel mit gleichmäßigerer Größenverteilung78. Wenn die Temperatur jedoch zu hoch ist, erhöht sich die Oberflächenaktivität der Kerne, was die Kollision und Agglomeration der Kerne begünstigt.79 Daher können Temperaturen über 80 °C zu größeren Partikelgrößen führen67,79. Ähnliche Ergebnisse wurden an anderer Stelle gemeldet67,78.

Variation der Partikelgröße für reines ZnO und Ag-ZnO mit unterschiedlichen Ag-Konzentrationen bei unterschiedlichen Synthesetemperaturen.

Der Einfluss der Konzentration der Vorläufer auf die Größe des Ag-ZnO-Nanokomposits und die Wirksamkeit der Synthesemethode wurde bei unterschiedlichen Konzentrationen von Silberionen (1, 3, 5, 8 mM) untersucht, die auf Ag-ZnO-Nanokompositen dotiert waren. Die Bildung von Ag-ZnO erfolgt in zwei Phasen: Die erste Phase ist die Bildung von Keimen, gefolgt vom Wachstum von Keimen. Die Ergebnisse aus Abb. 6 zeigen die Abnahme der Größe von Ag-ZnO-Nanokompositen mit einem Anstieg der Silbersalzkonzentrationen von 1 auf 8 mM. Dies könnte auf die stärkere Keimbildung von Ionen bei höheren Konzentrationen von Vorläufersalzen zurückgeführt werden, was zu kleineren Kernen führt79. Bei höheren Konzentrationen an Vorläufersalzen bildet sich jedoch eine übermäßige Anzahl an Keimen, was zu einer Agglomeration der Keime und einem Wachstum der Partikel führt82. Ein ähnliches Phänomen wurde auch in der Literatur79 berichtet, wo eine Zunahme der Größe grün synthetisierter Kupfernanopartikel beobachtet wurde, wenn die Konzentration der Vorläufersalze von 7,5 auf 10 mM anstieg. In dieser Studie führte eine maximale Konzentration von 8 mM für Ag-Salz zum kleinsten Nanokomposit. Dies liegt nahe am in der Literatur angegebenen optimalen Wert von 7,5 mM für Kupfersalz79.

Bei der grünen Synthese von Nanomaterialien hängt die Reduktion und Verkappung von Nanopartikeln von der Ladung der Phytoverbindungen ab, die durch eine Änderung des pH-Werts79 beeinflusst wird. pH-Schwankungen beeinflussen die Bildung und Morphologie von Nanopartikeln. Hierin wurde die Bildung von ZnO-Nanopartikeln und Ag-ZnO-Nanokompositen unter sauren und leicht basischen Bedingungen des Tetradenia-riperia-Blattextrakts bewertet. Es wurde beobachtet, dass der pH-Wert des Tetradenia-Riperia-Blattextrakts 5,10 betrug, nach der Zugabe von Metallvorläufern jedoch auf 4,46 gesenkt wurde, was möglicherweise auf die Freisetzung von H+-Ionen durch einige Tetradenia-Ripperia-Phytoverbindungen zurückzuführen ist, wenn sie in Gegenwart von Metall oxidiert werden Vorläuferionen83. Dies lässt sich an der chemischen Reaktion von Phenolen mit Metallionen erkennen, die zu oxidiertem Phenol, reduzierten Metallelementen und Wasserstoffionen führt, die für den niedrigen pH-Wert des Mediums verantwortlich sind. Aufgrund des niedrigen pH-Werts (Säuregehalts) des TR-Extrakts wurde die Bildung von Nanopartikeln im Medium unterdrückt, was möglicherweise auf die Inaktivierung der Phytoverbindungen79,82 zurückzuführen ist, die für die Reduktion und Verkappung von Metallvorläufern verantwortlich sind. Bei höheren pH-Werten (7–8) wurde jedoch die Bildung von Nanopartikeln beobachtet. Ein ähnliches Szenario wurde auch in der Literatur79 beschrieben, bei dem die Unterdrückung der Nanopartikelbildung bei einem pH-Wert von 4,7 beobachtet wurde, bei einem pH-Wert von 6,6 jedoch die Bildung von Kupfernanopartikeln aus dem Extrakt der Blätter von Azadirachta indica beobachtet wurde. Interessanterweise erwies sich sogar ein hoher pH-Wert als wirksam bei der Bildung von Nanopartikeln. Durch die Agglomeration entstehen jedoch große Nanopartikel78. Daher könnte der optimale pH-Wert für die Bioroutenbildung kleiner Nanopartikel im neutralen bis leicht alkalischen Bereich liegen.

Die antimikrobielle Aktivität der biosynthetisierten ZnO-Nanopartikel und Ag-ZnO-Nanokomposite gegen die Bakterienstämme E. coli (gramnegativ) und S. aureus (grampositiv) wurde durch Bestimmung der Hemmzone (ZOI) und der minimalen Hemmkonzentration (MIC) bewertet ). Die Ergebnisse aus Tabelle 1 und Abb. 9 zeigen, dass die ZOI-Werte der Ag-ZnO-Nanokomposite für beide Stämme unbestreitbar höher sind als für reines ZnO. Dies zeigt die höhere antibakterielle Aktivität von Ag-ZnO-Nanokompositen gegenüber ZnO-Nanopartikeln, die auf ihre synergistische Wirkung zurückzuführen ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die antibakterielle Aktivität von Ag-ZnO-Nanokompositen mit steigenden Ag-Konzentrationen zunimmt (Abb. 7a, b). Dies zeigt, dass die Dotierung von Ag in ZnO die antibakterielle Aktivität von ZnO-Nanopartikeln verbessert. Dieses Phänomen kann darauf zurückgeführt werden stärkere antimikrobielle Wirkung von Ag84,85 sowie die geringere Größe des gebildeten Nanokomposits, wie durch XRD- und FESEM-Ergebnisse gezeigt. Darüber hinaus zeigt Abb. 7a,b, dass die Wirksamkeit von Nanokompositen durch die Temperatur beeinflusst wurde, in der sich ZnO-Nanopartikel und Ag befanden –ZnO-Nanokomposite, die bei RT synthetisiert wurden, hatten im Vergleich zu denen, die bei 80 °C synthetisiert wurden, einen mäßigen Effekt (niedriger ZOI). Dies könnte auf die hohe Keimbildungsrate und die Bildung kleinerer Partikelgrößen bei 80 °C zurückzuführen sein. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse aus Abb. 7c,d zeigen, dass die antimikrobielle Aktivität der biosynthetisierten ZnO- und Ag-ZnO-Nanokomposite mit den MHK-Werten zunimmt. Dies könnte auf die erhöhte Dosis pro Bakterienstamm zurückzuführen sein, die zu einer hohen antimikrobiellen Aktivität führt. Die von Ag-ZnO aufgezeichneten maximalen ZOI-Werte betrugen 19,33 ± 0,58 mm für E. coli und 14,33 ± 0,58 mm für S. aureus, wohingegen ZnO niedrigere ZOI-Werte von 8,33 ± 0,58 mm und 7,67 ± 0,58 mm für E. coli und S. aureus aufwies . aureus bzw. Ähnliche Ergebnisse wurden an anderer Stelle berichtet6,43. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Einbau von Ag in ZnO-Nanopartikel die antibakterielle Aktivität des Ag-ZnO-Nanokomposits aufgrund eines synergetischen Effekts verbessert. Daraus lässt sich schließen, dass E. coli anfälliger für Ag-ZnO-Nanokomposite ist (Abb. 8). Dies könnte auf Unterschiede in der Zellwandzusammensetzung der beiden Bakterien zurückzuführen sein43,48,86, bei denen die Zellwand von S. aureus-Bakterien von einer dicken und starren Peptidoglycanschicht bedeckt ist, die durch Peptidketten vernetzt ist, was das Eindringen der Bakterien begrenzt Ag-ZnO-Nanokomposit85. Andererseits enthält die Zellwand von E. coli eine dünne Peptidoglycanschicht, die das leichte Eindringen von Ag-ZnO-Nanokompositen erleichtert86. Ähnliche Ergebnisse wurden an anderer Stelle gemeldet43,86. Für die Synthese von ZnO-NPs und Ag-ZnO-Nanokompositen unter Verwendung grüner Methoden wurden verschiedene Ansätze verfolgt. Tabelle 2 zeigt, dass Nanomaterialien aus dieser Studie im Vergleich zu Konzentrationen, die in anderen Studien verwendet wurden, eine bessere Leistung zeigen.

Hemmzone für reines ZnO und Ag-ZnO-Nanokomposit mit unterschiedlichem Ag-Gehalt bei unterschiedlicher Synthesetemperatur für (a) Escherichia coli (b) Staphylococcus aureus und minimale Hemmkonzentrationswerte (MIC) für reines ZnO und Ag-dotiertes ZnO für (c) Escherichia coli (d) Staphylococcus aureus.

Antibakterielle Aktivität von synthetisiertem Ag-ZnO gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus bei verschiedenen minimalen Hemmkonzentrationen (MHK).

Die Ag-ZnO-Nanokomposite greifen die Bakterienzellen über mehrere Mechanismen an und verursachen deren Lyse. Erstens führt die Wechselwirkung kleinerer Nanopartikel mit der Bakterienzelle zu einer Membranpenetration aufgrund einer Störung der Zellmembran, die durch Veränderungen des Membranproteins oder der Enzymaktivität verursacht wird87. Dies ermöglicht den Eintritt von Ag- und ZnO-Nanopartikeln in die Bakterienzelle und führt zur Zerstörung der Lipiddoppelschicht und des Membranproteins. Dies wiederum führt zu einem Ungleichgewicht innerhalb der Zelle, was zum Zelltod führt. Zweitens führt die Oberflächenoxidation des Ag-ZnO-Nanokomposits zur Freisetzung von Silber (Ag+), das die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den gebildeten Ionen und der negativ geladenen Bakterienzellwand beeinflusst. Dies führt zu der hohen antibakteriellen Aktivität der Ag-ZnO-Nanokomposite, über die in dieser Arbeit an E. coli berichtet wird, wie an anderer Stelle berichtet43. Drittens kommt es aufgrund des Eindringens der Nanopartikel in die Bakterienzelle zu einer Tröpfchenbildung des Zytoplasmas; Dies führt zum Schrumpfen der Zellmembran und zum Absterben von Bakterien6. Viertens behindern Ag-ZnO-Nanokomposite die Replikation von DNA, indem sie Ag+ freisetzen, das mit Zuckerphosphatgruppen interagiert, wodurch das Gen mutiert und die Zellfunktion von Bakterien beeinträchtigt wird6,88. Andererseits erzeugen beleuchtete ZnO-Nanopartikel reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die zu oxidativem Stress in der Zelle führen89. Dies beeinträchtigt die mitochondrialen Aktivitäten und schwächt die Stoffwechselaktivitäten, was letztendlich zum Zelltod führt. Wenn ZnO-Nanopartikel oder die daraus erzeugten ROS den Signaltransduktionsweg blockieren, werden lebenswichtige Zellfunktionen wie DNA-Replikation, Transkription und Translation gestoppt, was zum Zelltod führt.18,27,89. Daher zeigen die oben genannten Mechanismen, dass Nanokomposite Multizielmechanismen zur Denaturierung der Bakterienstämme bieten. Dies deutet darauf hin, dass Ag-ZnO-Nanokomposite im Vergleich zu herkömmlichen Antibiotika oder Desinfektionsmitteln möglicherweise überlegene antibakterielle Aktivitäten aufweisen (Abb. 9).

Echte Bilder, die die antibakterielle Aktivität von biosynthetisierten reinen ZnO- und Ag-ZnO-Nanokompositen mit unterschiedlichem Ag-Gehalt (1 %, 3 %, 5 % und 8 % Ag) gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus zeigen.

Die Ag-ZnO-Nanokomposite wurden erfolgreich durch einen umweltfreundlichen Ansatz unter Verwendung eines wässrigen Blattextrakts der Pflanze Tetradenia reiferia synthetisiert und auf ihre antimikrobielle Aktivität gegen E. coli- und S. aureus-Bakterienstämme untersucht. Die SEM- und XRD-Analyse ergab, dass biosynthetisierte Ag-ZnO-Nanokomposite kugelförmiger und kristalliner Natur waren und eine Abnahme der durchschnittlichen Partikelgröße von 23,6 auf 14,8 nm als Folge einer Erhöhung der Ag-Konzentrationen beobachtet wurde. Verschiedene antimikrobielle Aktivitäten von Ag-ZnO-Nanokompositen wurden untersucht und es wurde festgestellt, dass sie eine höhere antimikrobielle Aktivität gegen E. coli als gegen S. aureus-Bakterien aufweisen. Die Ag-ZnO-Nanokomposite zeigten im Vergleich zu ZnO-Nanopartikeln höhere antimikrobielle Eigenschaften. Dies liefert die Erkenntnis, dass die Zugabe von Silber (Ag)-Nanopartikeln die antimikrobielle Aktivität der Ag-ZnO-Nanokomposite verbessert, insbesondere für E. coli (gramnegative Bakterien). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die antimikrobielle Aktivität von Ag-ZnO mit steigenden Ag-Dotierstoffkonzentrationen und synthetischen Temperaturen zunimmt, was darauf hindeutet, dass sich bei höheren Ag-Konzentrationen und Temperaturen kleinere Partikel bilden. In dieser Hinsicht liefert das biosynthetisierte Ag-ZnO-Nanokomposit vielversprechende Ergebnisse für die Anwendung in verschiedenen Bereichen der Umweltgesundheit, beispielsweise der Wasserdesinfektion.

Die in dieser Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind im DRYAD-Repository verfügbar, https://datadryad.org/stash/share/n4Y_Pm0gXObU_5ngMAfCDNUqQbU_4OFqng1RtXt1sXQ.

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Diese Arbeit wurde vom Flämischen Interuniversitären Rat für universitäre Entwicklungszusammenarbeit (VLIR-UOS) unter der Fördernummer TZ2019IUC029A101 im Rahmen eines Institutional University Cooperation (IUC)-Programms mit der KU Leuven, Belgien, und der Nelson Mandela African Institution of Science and Technology finanziert ( NM-AIST), Tansania.

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, KU Leuven, Celestijnenlaan 200F, 3001, Leuven, Belgien

Stanslaus G. Mtavangu & Bart van der Bruggen

School of Materials Energy Water and Environmental Sciences, Nelson Mandela African Institution of Science and Technology, Postfach 447, Arusha, Tansania

Stanslaus G. Mtavangu, Revocatus L. Machunda und Karoli N. Njau

Fachbereich Chemie, Pädagogische Hochschule der Universität Dar es Salaam, Postfach 2329, Daressalam, Tansania

Stanslaus G. Mtavangu

Fakultät für Ingenieurwesen und gebaute Umwelt, Tshwane University of Technology, Private Bag X680, Pretoria, 0001, Südafrika

Bart van der Bruggen

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Konzeptualisierung, Methodik, formale Analyse, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf, Visualisierung, SGM; Konzeptualisierung, Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Überwachung, Projektverwaltung, Finanzierungseinwerbung, RLM; Konzeptualisierung, Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Validierung, Überwachung, Finanzierungseinwerbung, BVB; Konzeptualisierung, Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Überwachung, Projektverwaltung, Finanzierungseinwerbung, KNN

Korrespondenz mit Stanslaus G. Mtavangu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mtavangu, SG, Machunda, RL, van der Bruggen, B. et al. Einfache grüne In-situ-Synthese von Ag-ZnO-Nanokompositen unter Verwendung von Tetradenia-riperia-Blattextrakt und seiner antimikrobiellen Wirksamkeit bei der Wasserdesinfektion. Sci Rep 12, 15359 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19403-1

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Eingegangen: 08. Juni 2022

Angenommen: 29. August 2022

Veröffentlicht: 13. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19403-1

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