Sintesis Hijau Nanopartikel Logam-Oksida dengan Getah Karaya dan Dampak Ekotoksikologinya pada Chlamydomonas reinhardtii

Abstrak

Kami melaporkan rute berkelanjutan untuk menghasilkan nanopartikel (NP) emas (Au), platinum (Pt), paladium (Pd), perak (Ag), dan oksida tembaga (CuO) dalam air menggunakan polimer alami getah karaya (GK) sebagai redutor dan stabilisator sekaligus. Kolloid dikarakterisasi dengan UV–Vis, TEM, potensial zeta, dan DCS, yang mengonfirmasi diameter rata-rata 42 nm (Au), 12 nm (Pt), 1,5 nm (Pd), 5 nm (Ag), dan 180 nm (CuO) serta muatan permukaan negatif yang bertahan selama enam bulan pada 4 °C. Paparan alga hijau C. reinhardtii terhadap 1–20 mg L⁻¹ NP ini mengungkapkan bahwa Au dan Pt menyebabkan inhibisi pertumbuhan minimal, sedangkan Pd, Ag, dan CuO hampir sepenuhnya menekan proliferasi alga dan memicu kerusakan membran, stres oksidatif, pemadaman klorofil, dan gangguan fotosistem II. Temuan ini menunjukkan bahwa sintesis hijau yang dimediasi GK menghasilkan nanomaterial yang stabil dan ramah lingkungan yang dapat disesuaikan untuk aplikasi antimikroba atau algaisid selektif.

Latar Belakang

NP logam dan logam-oksa memiliki sifat listrik, optik, magnetik, dan katalitik unik yang mendorong penggunaan luasnya dalam industri, kedokteran, pertanian, dan rehabilitasi lingkungan [1–4]. Sintesis konvensional bergantung pada redutor toksik dan tensioaktif, yang menimbulkan kekhawatiran untuk kesehatan manusia dan integritas ekologis [5–11]. Pendekatan kimia hijau—yang menggunakan agen terbarukan, terurai, dan pelarut benign—menawarkan alternatif yang lebih aman [12–18].

Getah karaya, hidrokoloid yang diekstrak dari pohon Sterculia, mengandung galaktosa, ramnosa, asam galakturonat, dan residu uronik [63]. Studi toksikologi mengonfirmasi sifat non-toksiknya, bahkan sebagai aditif pangan [62–65]. Dalam studi ini, kami mengeksploitasi grup fungsional GK (–OH, –COO⁻) untuk mereduksi garam logam dan secara bersamaan memstabilkan NP yang dihasilkan, sehingga mencapai sintesis satu-konter dalam air.

Meski janji teknologisnya, NP logam dapat menghasilkan spesies reaktif oksigen (ROS), kerusakan DNA, dan peroksidasi lipid, yang mungkin mengganggu komunitas mikroba dan organisme yang lebih tinggi [32–35]. Kerja sebelumnya telah menunjukkan bahwa Ag, CuO, dan NP lainnya menghambat pertumbuhan alga, fotosintesis, dan integritas membran [36–49]. Namun, toksisitas NP Au, Pt, Pd, dan CuO yang berasal dari GK terhadap alga hijau model C. reinhardtii belum telah secara sistematis diperiksa.

Metode

Bahan

GK komersial, AgNO₃, HAuCl₄·3H₂O, CuCl₂·2H₂O, H₂PtCl₆, K₂PdCl₄, HCl, NaOH, NH₄OH (Sigma-Aldrich, USA). Semua reagen adalah kelas analitik dan air deion (DI) digunakan untuk semua persiapan.

Pengolahan Getah Karaya

1 g GK didisperdi dalam 1 L air DI, diaduk selama semalam, lalu dibiarkan pada 20 °C selama 18 jam untuk menghilangkan tidak larut. Larutan difilter (10–16 µm) dan liofilisasi.

Sintesis NP

Untuk Au, Pt, Pd, dan Ag, 100 µL garam logam 10 mM ditambahkan ke 10 mL larutan GK dalam kolong 50 mL. pH disesuaikan untuk mengoptimalkan hasil NP, kemudian larutan diayun pada 250 rpm, 45–95 °C selama 1 jam. Perubahan warna (kuning, merah anggur, hitam) menunjukkan pembentukan NP. NP CuO dihasilkan melalui rute termal koloidal: 100 µL CuCl₂·2H₂O 10 mM dicampur dengan GK, rasio molar CuCl₂:NaOH 2:5, dipanaskan pada 75 °C, 250 rpm selama 1 jam, kemudian endapan diisolasi melalui sentrifugasi dan dicuci dengan etanol dan air DI.

Karakterisasi

ICP-MS (Perkin Elmer OPTIMA 2100 DV) mengukur kandungan logam. Spektra UV–Vis (Cintra 202) memantau puncak plasmon dan stabilitas jangka panjang. TEM (Tecnai F 12, 15 kV) mengungkap morfologi dan distribusi ukuran. Dalam medium alga, sedimentasi sentrifugal diferensial (DC24000UHR) menentukan distribusi ukuran berbasis bobot; potensial zeta diukur dengan Malvern Zetasizer ZS. Rilis ion dalam medium alga dievaluasi dengan ultrafiltraasi (potongan 3 kDa) diikuti dengan ICP-MS.

Kultur C. reinhardtii

Strain CPCC11 dibudidayakan dalam medium TAPx4 pada 20 °C, 100 rpm, 114,2 µmol m⁻² s⁻¹ iluminasi, memelihara fase eksponensial ≈10⁶ sel mL⁻¹.

Eksperimen Paparan Alga

NP (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) ditambahkan ke 5 mL suspensi alga dalam botol 50 mL. Pertumbuhan, integritas membran (iodida propidium), stres oksidatif (CellROX Green), fluoresensi klorofil, dan hasil kuantum fotosistem II (AquaPen-C AP-C 100) dipantau pada 1, 3, 5, dan 24 jam. Kontrol mencakup alga yang tidak dirawat, sel yang dibunuh panas, dan stres oksidatif yang diinduksi oleh jinten. Data dikumpulkan duplikat dan dianalisis dengan ANOVA dengan uji Dunnett (GraphPad PRISM).

Hasil

Pembentukan NP dan Karakterisasi Primer

Citra TEM (Fig. 1a–e) menunjukkan NP monodisperse, bolak-bola. Spektra UV–Vis (Fig. 1f) menampilkan puncak plasmon permukaan pada 412 nm (Au) dan 525 nm (Ag); Pt, Pd, dan CuO tidak menunjukkan puncak yang jelas. Setelah 6 bulan, spektra tetap tidak berubah, mengonfirmasi stabilitas.

Karakterisasi dalam Medium Alga

Ukuran berbasis bobot bervariasi dari 180 hingga 5 nm (CuO > Au > Pt > Ag > Pd). Semua NP memiliki potensial zeta negatif pada pH 7 (Tabel 1). Konsentrasi logam ionik tertinggi untuk Pt, Ag, dan CuO (33–36 µg L⁻¹) dan terendah untuk Au dan Pt (6–7 µg L⁻¹).

Efek pada Pertumbuhan Alga

Pertumbuhan kontrol: 1 × 10⁶ sel jam⁻¹. Paparan 1 mg L⁻¹ Ag, Pd, dan CuO mengurangi pertumbuhan menjadi 2,2 × 10⁴, 1,7 × 10⁴, dan 0,2 × 10⁴ sel jam⁻¹, masing-masing (P < 0,001). Pada konsentrasi yang lebih tinggi, pertumbuhan berhenti sepenuhnya (Gambar 2). Au dan Pt juga memperlambat pertumbuhan, tetapi efeknya meresap terlepas dari dosis.

Induksi Stres Oksidatif

NP Ag dan CuO menginduksi generasi ROS hampir sepenuhnya (≈100 %) pada 5–20 mg L⁻¹ (Gambar 3d, e). Au menyebabkan <10 % ROS, menurun menjadi 15 % pada 20 mg L⁻¹ (P < 0,001). Pt memicu <8 % ROS dalam 5 jam; pada 20 mg L⁻¹, 19 % sel stres setelah 24 jam. NP Ag menghasilkan 100 % stres setelah 24 jam pada 10–20 mg L⁻¹. CuO mencapai stres yang signifikan dalam 3 jam pada 10–20 mg L⁻¹; 5 mg L⁻¹ menyebabkan stres setelah 5 jam. Au menghasilkan ROS abiotik yang dapat diabaikan (P > 0,05).

Integritas Membran

Au dan Pt menyebabkan kerusakan membran yang signifikan pada semua waktu hingga 5 jam (P < 0,001) tetapi tidak setelah 24 jam. NP Ag merusak 100 % sel dalam 1 jam di seluruh konsentrasi. NP Pd menunjukkan kerusakan minimal pada 1–5 mg L⁻¹; 20 mg L⁻¹ menghasilkan kerusakan yang signifikan setelah 24 jam. Kerusakan CuO meningkat dengan dosis dan waktu, mencapai puncak pada 24 jam (Gambar 4).

Fluoresensi Klorofil

Au dan Pt tidak memiliki efek yang signifikan pada fluoresensi klorofil selama 24 jam. Ag, Pd dan CuO secara mencolok mengurangi fluoresensi dengan dosis yang lebih tinggi dan paparan yang lebih lama; 5 mg L⁻¹ Ag menurunkan fluoresensi menjadi 22 % pada 24 jam (P < 0,001). CuO dan Pd pada 20 mg L⁻¹ menghasilkan penurunan yang paling tajam setelah 24 jam (Gambar 5).

Efisiensi Fotosistem II

Au, Pt dan CuO menghasilkan penurunan minor dan sporadis dalam hasil kuantum (QY) pada beberapa titik waktu. NP Ag menyebabkan penurunan QY dramatis (>90 %) setelah 1 jam pada semua konsentrasi. Pd dan CuO secara signifikan menurunkan QY hanya pada 20 mg L⁻¹ (Gambar 6).

Pembahasan

Sintesis berbasis GK kami menghasilkan NP Au, Pt, Pd, Ag dan CuO yang stabil dan monodisperse yang mempertahankan integritas selama enam bulan pada 4 °C. Ukuran dan kimia permukaan partikel ini sangat mempengaruhi aktivitas biologisnya. Au dan Pt, dengan diameter yang lebih besar (42 dan 12 nm) dan rilis ion yang rendah, menunjukkan toksisitas minimal, yang menunjukkan kesesuaiannya untuk aplikasi biomedis atau katalitik di mana kompatibilitas biologis adalah kritis. Sebaliknya, Pd (1,5 nm), Ag (5 nm) dan CuO (180 nm) sangat toksik terhadap C. reinhardtii, sesuai dengan kecenderungan mereka untuk menghasilkan ROS, merilis ion, dan mengganggu membran. Efek kuat Pd layak diperhatikan; ukuran ultra-kecilnya kemungkinan memfasilitasi penyerapan seluler dan rilis ion, yang menjelaskan stres oksidatif dan pemadaman klorofil yang diamati.

Toksisitas NP Ag selaras dengan literatur yang menunjukkan bahwa Ag⁺ yang terlarut, dan bukan nanopartikel itu sendiri, mendorong aktivitas algaisid [80–89]. NP Ag yang dilapisi GK kami menunjukkan tindakan biocidal yang kuat, yang mengindikasikan potensi penggunaan sebagai algaisid dalam kolam renang atau sistem pengolahan air. NP CuO kemungkinan memberikan toksisitas melalui gangguan membran yang diinduksi partikel dan rilis ion Cu²⁺, yang mengkoreksi studi sebelumnya pada C. reinhardtii dan alga lainnya [36, 47, 48].

NP Au hanya menghasilkan stres oksidatif yang ringan dan sementara serta gangguan fisiologis yang dapat diabaikan, yang mendukung klasifikasinya sebagai non-toksik dalam sistem alga ini. Pt NP menyebabkan inhibisi pertumbuhan ringan dan pengurangan klorofil, mungkin karena kombinasi ion Pt dan efek bayangan partikel, tetapi toksisitas secara keseluruhan tetap rendah.

Kesimpulan

Kami berhasil menyintesis NP Au, Pt, Pd, Ag dan CuO yang dihasilkan secara hijau menggunakan getah karaya, dengan ukuran masing-masing 42, 12, 1,5, 5 dan 180 nm, semua memiliki muatan permukaan negatif dan stabil selama enam bulan. Paparan C. reinhardtii terhadap NP ini mengungkapkan bahwa Au dan Pt sebagian besar tidak berbahaya, sementara Pd, Ag dan CuO menghasilkan efek toksik yang kuat pada pertumbuhan, integritas membran, produksi ROS, fluoresensi klorofil, dan efisiensi fotosistem II. Hasil ini menekankan pentingnya sifat fisikokimia NP dalam menentukan risiko ekologis dan menyoroti janji NP Ag dan CuO yang berasal dari GK sebagai algaisid target dan NP Pd, Ag, CuO untuk permukaan antimikroba, sedangkan NP Au dan Pt dapat dianggap aman untuk paparan alga hijau.