Grüne Synthese von Kupferoxid-Nanopartikeln und ihre Effizienz beim Abbau des Antibiotikums Rifampicin

Aug 13, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 14030 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In jüngster Zeit hat die grüne Nanotechnologie aufgrund ihrer Kosteneffizienz, einfachen Herstellungsschritte und Umweltfreundlichkeit bei der Synthese metallischer Nanopartikel an Bedeutung gewonnen. In der vorliegenden Studie wurden Kupferoxid-Nanopartikel (CuO-NPs) unter Verwendung eines wässrigen Ganzpflanzenextrakts aus Parthenium hysterophorus als Reduktions-, Stabilisierungs- und Verkappungsmittel hergestellt. Die CuO-NPs wurden mittels UV-Vis-Spektroskopie, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Pulver-Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und dynamischer Lichtstreuung (DLS) charakterisiert. Die UV-Vis-Spektren von CuO-NPs zeigten, dass bei 340 nm eine oberflächenplasmonische Resonanzbande auftritt. Die FTIR-Analyse ergab das Vorhandensein von Sekundärmetaboliten auf der Oberfläche von CuO-NPs, wobei eine charakteristische Cu-O-Streckbande bei 522 cm−1 identifiziert wurde. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen und Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass CuO-NPs nahezu kugelförmig waren, wobei die durchschnittliche Partikelgröße aus der REM-Aufnahme 59,99 nm betrug. Die monokline Kristallstruktur von CuO-NPs wurde mittels XRD bestätigt und die mithilfe der Scherrer-Debye-Gleichung berechnete Kristallitgröße betrug 31,58 nm. DLS zeigte das Vorhandensein einer Nanopartikelagglomeration, was die Gleichmäßigkeit der CuO-NPs zeigte. Darüber hinaus wurde die Abbaufähigkeit biosynthetisierter Nanopartikel gegenüber dem Antibiotikum Rifampicin untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die optimale Abbaueffizienz von Rifampicin von 98,43 % bei einer Temperatur von 65 °C, einer Dosierung von 50 mg CuO-NPs, einer Konzentration von 10 mg/L Rifampicin-Lösung und einer Rifampicin-Lösung bei pH 2 in 8 Minuten erreicht wurde. Aus dieser Studie lässt sich schließen, dass CuO-NPs, die aus dem wässrigen Extrakt von Parthenium hysterophorus synthetisiert werden, bei der Beseitigung der Umweltverschmutzung durch Antibiotika vielversprechend sind. Vor diesem Hintergrund berichtet die Studie, dass die durch Parthenium hysterophorus vermittelte grüne Synthese von CuO-NPs die Umweltverschmutzung auf kostengünstige, umweltfreundliche und nachhaltige Weise wirksam bekämpfen kann.

Wasserknappheit bleibt eine der globalen Herausforderungen, von der viele Menschen auf der Welt betroffen sind, da dokumentiert ist, dass laut UNESCO-Bericht 2023 etwa 26 % (2 Milliarden Menschen) keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben1. Der Bericht weist außerdem darauf hin, dass weltweit zwei bis drei Milliarden Menschen unter Wassermangel leiden, wobei die Wasserknappheit in den kommenden Jahren voraussichtlich noch zunehmen wird. Es wird berichtet, dass etwa die Hälfte der Weltbevölkerung von Wasserknappheit bedroht ist2. Ein im Rahmen der Africa Health Agenda International Conference (AHAIC2023) veröffentlichter Bericht ergab, dass klimatische Veränderungen die Herausforderungen der Wasserknappheit in Afrika verschärft haben3. Klimaveränderungen beeinträchtigen die terrestrische Wasserspeicherung, verschärfen die Wasserknappheit weiter und führen zu einer globalen Wasserkrise. Inmitten der Wasserknappheitskrise nimmt die Wasserverschmutzung durch aktive pharmazeutische Verbindungen (APIs), wie etwa Antibiotika, die als neu auftretende Schadstoffe eingestuft werden, weiter zu3,4,5. Übertragungswege für Antibiotika in die Umwelt (Boden oder Oberflächenwasser) sind das Eindringen von Abwasser aus Kläranlagen und die häusliche Einleitung menschlicher Ausscheidungen6,7,8. Diese Antibiotika haben schädliche Auswirkungen auf Menschen und Wasserökosysteme, was auf ihre höheren Konzentrationen zurückzuführen ist, die über der vorhergesagten Umweltkonzentration liegen8. Das Vorhandensein von Antibiotika in der Umwelt fördert antimikrobielle Resistenzen9,10,11 und ihre geringen Konzentrationen lassen sich mit herkömmlichen Abwasseraufbereitungsanlagen nur schwer entfernen12. Die Weltgesundheitsorganisation erklärte diesen Widerstand zu einer Krise der öffentlichen Gesundheit und bedrohte die Behandlungsmöglichkeiten für die zunehmende Krankheitslast13. Ein weiterer potenzieller Schaden, den Antibiotika in der Umwelt verursachen können, resultiert aus ihrer Beeinträchtigung physiologischer Prozesse bei der Aufnahme durch Pflanzen und damit einer Ausbreitung der ökotoxischen Wirkung7.

Rifampicin ist eines der Antibiotika, die zur Behandlung von Tuberkulose (TB) verschrieben werden und eine weltweite Krankheitslast von etwa 10,6 Millionen Menschen verursachen13,14,14. In Entwicklungsländern, in denen nur wenige Abwasseraufbereitungsanlagen vorhanden sind, wurden diese Antibiotika, die nicht vollständig vom Körper aufgenommen werden, im Oberflächenwasser beobachtet16. Konventionelle Methoden zur Entfernung verschiedener Antibiotika aus dem Abwasser umfassen physikalische, chemische und biologische Methoden17. Allerdings weisen diese Methoden aufgrund ihres finanziellen Aufwands, ihres hohen Stromverbrauchs und ihrer Unwirksamkeit bei der vollständigen Entfernung dieser Schadstoffe ihre Grenzen auf17,18. Zu diesem Zweck erwägen Forscher den Einsatz von Nanopartikeln als Katalysatoren zur Entfernung einiger dieser Schadstoffe, da sie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten19,20,21. Diese Nanomaterialien weisen bessere physikalisch-chemische Eigenschaften auf als ihre großen Materialien. Beispielsweise weisen Metallnanopartikel, die bei der Adsorption und dem Abbau von Schadstoffen verwendet werden, im Vergleich zu ihren Massengegenstücken ein verbessertes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und eine bessere chemische Stabilität auf22. Die vergrößerte Oberfläche verstärkt die Entfernungskapazität des Antibiotikums in die aktiven Stellen der Nanopartikel20,21,23. Es gibt verschiedene Methoden zur Synthese metallischer Nanopartikel, darunter physikalische, chemische und biologische Methoden19,24. Zu den chemischen und physikalischen Methoden zur Synthese von Nanopartikeln gehören Sonochemie, Kopräzipitation, Solvothermie, Pyrolyse, thermische Hydrolyse, Kugelmahlen und Sol-Gel24,25,26. Chemische und physikalische Methoden zur Synthese von Nanopartikeln weisen jedoch aufgrund ihrer teuren Natur Nachteile auf, sind zeitaufwändig, energieineffizient und produzieren giftige Produkte, wodurch sie nicht umweltfreundlich sind24,26,27,28. Aufgrund der mit chemischen und physikalischen Methoden verbundenen Einschränkungen haben Forscher kürzlich umweltfreundliche Nanopartikel hergestellt, indem sie Organismen wie Algen, Bakterien, Pilze, Hefen und Pflanzen zur Herstellung von Nanopartikeln verwendet haben20,21, 26. Die Verwendung von Mikroorganismen wie Pilzen und Bakterien weist aufgrund ihrer im Vergleich zur pflanzenvermittelten Synthese langen Synthesezeit Einschränkungen bei der Reduktion von Metallionen auf29.

Insbesondere die grüne Synthesemethode, die Pflanzenextrakte als Reduktions-, Stabilisierungs- und Verkappungsmittel bei der Bildung von Nanopartikeln nutzt, ist eine Alternative zur Beseitigung der mit den oben genannten Methoden verbundenen Herausforderungen und zur Förderung umweltfreundlicher Chemie19,30, 31. Die grüne Synthesemethode ist kostengünstig, schnell, umweltfreundlich und nachhaltig, da Pflanzenmaterialien für die großtechnische Produktion von Nanopartikeln verfügbar sind26,28,28, 32, 33. CuO-NPs wurden zuvor unter Verwendung von Pflanzenextrakten hergestellt. CuO-NPs wurden unter Verwendung von Catha edulis-Blattextrakten als Reduktions- und Verkappungsmittel synthetisiert34. In einer anderen Studie wurden CuO-NPs unter Verwendung von Eucalyptus Globulus-Blattextrakten für Adsorptionsstudien synthetisiert35. Celastrus paniculatus wurde auch zur Herstellung von CuO-NPs unter Verwendung der Sekundärmetaboliten in seinen Blattextrakten verwendet36. In einer anderen Studie wurden CuO-NPs unter Verwendung von Blattextrakten der Pflanze Justicia schimperiana erhalten37. Die Verwendung von Pflanzenextrakten zur Synthese von CuO-NPs hat sich als kostengünstig, schnell, einfach und umweltfreundlich erwiesen38.

Die folgende Tabelle 1 fasst einige der Nanopartikel oder Methoden zusammen, die beim Abbau von Antibiotika eingesetzt werden.

Ein häufiges Problem bei Nanopartikeln, die zur Abwasserbehandlung verwendet werden, ist ihre Toxizität, Ökotoxizität und Zytotoxizität45. Die Freisetzung von CuO-NPs in die Umwelt nach dem Abbauprozess induziert durch oxidative Stressreaktionen eine Toxizität für Organismen und wird von verschiedenen Faktoren wie Form, Größe und Partikelkonzentration beeinflusst45. Daher wäre es bei der großtechnischen Abwasserbehandlung schwierig, die endgültige Wirkung von CuO-NPs nach ihrer Freisetzung in die Umwelt nach einem Abbauprozess zu ermitteln. Eine weitere Überlegung betrifft das Verständnis des Schicksals von Abbauprodukten nach ihrer Freisetzung in die Umwelt. Daher ist die Untersuchung der Ökotoxizität von CuO-NPs ein fortlaufender Forschungsbereich, da nur wenige Informationen über Daten zur menschlichen Exposition gegenüber Nanopartikeln in aufbereitetem Wasser verfügbar sind46.

Parthenium hysterophorus ist ein invasives Unkraut, das stark verzweigt und kurzlebig ist und in vielen Teilen der Welt wächst. Es gehört zur Familie der Asteraceae. Er kann bis zu 1,5 m hoch werden. Es kann auf kultivierten und landwirtschaftlich genutzten Flächen sowie an Straßenrändern wachsen. Es wird berichtet, dass es eine Vielzahl von Kulturpflanzenkrankheiten darstellt und Dermatitis bei Tieren und Menschen verursacht47. Die Pflanze wurde als Heilmittel und Bioherbizid48,49,50 verwendet. Zu den in Parthenium hysterophorus enthaltenen Sekundärmetaboliten gehören Saponine, Haupt- und Spurenöle, Flavonoide, Alkaloide, Terpenoide, Phenole und Tannine, die \({\mathrm{Cu}}^{2+}\) zu nullwertigen Spezies reduzieren können \( {\mathrm{Cu}}^{0}\)51. Die Verfügbarkeit der Anlage macht ihr Nachhaltigkeits- und Skalierbarkeitspotenzial bei der Produktion von CuO-NPs für die Abwasserbehandlung in großem Maßstab und die Entfernung von Antibiotika realisierbar.

In dieser Studie versuchten wir, CuO-NPs unter Verwendung des wässrigen Ganzpflanzenextrakts von Parthenium hysterophorus zu synthetisieren, und die hergestellten Nanopartikel wurden mithilfe von UV-Vis-Spektroskopie, FTIR-Spektroskopie, XRD-, TEM-, SEM- und DLS-Techniken charakterisiert. Anschließend wurden die CuO-NPs auf ihre Fähigkeit zum Abbau von Rifampicin-Antibiotika untersucht. Der Abbau des Rifampicin-Antibiotikums unter Verwendung von CuO-NPs wurde auch durch Variation von Temperatur, pH-Wert, Dosierung der Nanopartikel, Konzentration der Antibiotikalösungen und Reaktionszeit untersucht. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die über den Abbau des Rifampicin-Antibiotikums unter Verwendung von CuO-NPs berichtet, die aus wässrigen Ganzpflanzenextrakten von Parthenium hysterophorus hergestellt wurden.

Frische Parthenium hysterophorus-Pflanzen wurden in Kalimoni, Juja, Kiambu County in Kenia gesammelt. Es wurde von Herrn John Kamau Muchuku, einem Botaniker der Abteilung für Botanik der Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology (JKUAT), identifiziert und authentifiziert, und ein Belegexemplar wurde im JKUAT Botany Herbarium mit der Zugangsnummer DMN-JKUATBH/001 hinterlegt /2023A-C. Die Probe wurde gründlich mit fließendem Leitungswasser gewaschen, mit destilliertem Wasser gespült und zwei Wochen lang bei Raumtemperatur getrocknet. Die trockene Probe wurde dann mit einer Mühle zu einem feinen Pulver gemahlen.

Das Verfahren zur wässrigen Extraktion von Parthenium hysterophorus wurde aus Ref. 52 übernommen, wobei 20 g der Pflanzenprobe in 200 ml destilliertem Wasser gelöst wurden. Die Mischung wurde auf einer Heizplatte 45 Minuten lang unter ständigem Rühren auf 40 °C erhitzt. Der Extrakt wurde durch Filtration unter Verwendung von Whatman-Filterpapier Nr. 1 erhalten. Der Extrakt wurde dann zur Synthese von Kupferoxid-Nanopartikeln53 verwendet.

Bei der Synthese von Kupferoxid-Nanopartikeln wurde Kupfer(II)-sulfat als Metallvorläufer verwendet. Eine 0,01 M CuSO4-Lösung wurde durch Auflösen von 1,59 g in 100 ml destilliertem Wasser hergestellt. Die Metalllösung wurde dann mit wässrigem Partheniumextrakt im Verhältnis 1:4 gemischt, wobei die Bildung von Nanopartikeln durch Farbumschlag und UV-Vis-spektrophotometrische Messung überwacht wurde. Die kolloidale Lösung wurde 15 Minuten lang bei 4000 U/min zentrifugiert, mehrmals gewaschen und die Nanopartikel in einem Ofen bei 80 °C getrocknet54.

Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm der Synthese von CuO-NPs unter Verwendung des wässrigen Ganzpflanzenextrakts von Parthenium hysterophorus.

Schematische Darstellung der Synthese von CuO-NPs aus wässrigem Parthenium hysterophorus-Extrakt, Charakterisierung und Verwendung in Abbaustudien. Erstellt in BioRender.com.

Die synthetisierten Nanopartikel wurden mit einem Shimadzu UV-1800 UV-Vis-Spektrophotometer (Shimadzu, Japan) charakterisiert, um ihre Oberflächenplasmonenresonanz bei Wellenlängen von 200–800 nm zu bestätigen. Die IR-Spektren der CuO-Nanopartikel wurden im Frequenzbereich von 4000–400 cm−1 mit einem Bruker Tensor II FT-IR-Spektrophotometer (Bruker, Ettlingen, Deutschland)55,56 aufgenommen. Die Röntgendiffraktogramme wurden mit einem Bruker D8 Advance Diffraktometer (Bruker, Ettlingen, Deutschland) mit einem Kupferrohr bei einer Spannung und einem Strom von 40 kV und 40 mA erstellt. Die Proben wurden mit einer monochromatischen CuKα-Strahlung von 0,1542 nm bestrahlt und die Diffraktogramme zwischen 2θ-Werten von 5°–90° in 0,05°-Intervallen mit einer Messzeit von 1 s pro 2θ-Intervalle aufgenommen. Die Kristallgröße der Nanopartikel wurde mithilfe der Debye-Scherrer-Gleichung berechnet

Dabei ist D die durchschnittliche Partikelgröße (nm), K eine Konstante von 0,94, λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlung, β die Halbwertsbreite des Peaks im Bogenmaß und Theta der Beugungswinkel ( Grad). Die morphologische Analyse des Nanokomposits wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop Tescan Mira3 LM FE (Tescan, Brünn – Kohoutovice, Tschechische Republik) beobachtet, das unter einer Beschleunigungsspannung von 3 kV betrieben wurde. Die Proben wurden vor der Analyse mit einem 4-nm-Gold durch Sputtern beschichtet, um eine Aufladung mit dem Agar Sputter Coater AGB7340 (Agar Scientific, Essex, Vereinigtes Königreich) zu vermeiden55,57. Die TEM-Analyse wurde mit einem Tecnai G2 Spirit (ThermoFischer Scientific, Oregon USA) unter einer Betriebsspannung von 120 kV durchgeführt, ausgestattet mit Veleta 2048 × 2048 Weitwinkeldetektoren und Eagle 4096 × 4096 Bodendetektoren. Die trockenen Proben wurden in hochreinem Wasser (Barnstead Genpure, Thermoscientific, Deutschland) suspendiert und ultraschallbehandelt, um eine Lösung zu erhalten, die vor der Analyse auf 300-Mesh-Kohlenstofffilme getropft wurde55,57. Um die Partikelgrößenverteilung und den Polydispersitätsindex der suspendierten Nanopartikel zu bestimmen, wurden die metallischen Nanopartikel in Reinstwasser (18 MΩ cm Barnstead Genpure UV-TOC, Thermoscientific, Deutschland) resuspendiert und mit Ultraschall behandelt, um eine Lösung suspendierter Nanopartikel zu erhalten. Die Lösungen wurden dann durch 0,25 µM PTFE-Spritzen in Glasfläschchen filtriert und 45 µL jeder Lösung wurden dann vor der Analyse in Quarzküvetten überführt. Anschließend wurden die Partikelgrößenverteilung und der Polydispersitätsindex mit einem dynamischen Lichtstreuungsanalysator DelsaMax pro von Bechman Coulter (Beckman Coulter, Indianapolis, USA) gemessen58,59.

Um die Effizienz von CuO-Nanopartikeln beim Abbau des Antibiotikums Rifampicin zu bestimmen, wurden Abbaustudien durchgeführt, wobei der pH-Wert, die Abbauzeit, die Konzentration des Antibiotikums, die Temperatur und die Nanopartikeldosis variiert wurden. Eine Rifampicin-Lösung wurde gemäß Ref. 11 hergestellt, wobei 0,0025 g Rifampicin in 1 ml Methanol und 10 ml destilliertem Wasser gelöst wurden und der Inhalt in einen 250-ml-Messkolben überführt wurde11,60. Die resultierende Rifampicin-Lösung (10 mg/L) wurde verwendet und die Abbaueffizienz wurde unter Verwendung von Gleichung berechnet. (1)36

wobei Ao die anfängliche Absorption von Rifampicin und At die Absorption von Rifampicin nach der Zeit t ist.

Die Pflanzenmaterialien wurden gemäß den nationalen Vorschriften gesammelt und verwendet. Die Nutzung dieser Pflanzenart zu Versuchszwecken bedarf keiner besonderen Genehmigung. Alle für diese Studie verwendeten Methoden entsprechen den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Die Autoren erkennen an, dass die Sammlung von Pflanzenarten möglicherweise Richtlinien unterliegt, die im Rahmen der IUCN Policy Statement on Research Involving Species at Risk of Extinction Protocols festgelegt wurden. Unsere Suche in der IUCN-Datenbank ergab jedoch, dass Parthenium hysterophorus nicht auf der Roten Liste steht oder als bedrohte Art eingestuft ist.

Die Bildung von CuO-NPs wurde durch Messung ihres SPR-Peaks mit einem UV-Vis-Spektrophotometer verfolgt. Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt.

UV-Vis-Spektren von Extrakt- und CuO-NPs.

Wie in Abb. 2 gezeigt, trat der maximale Absorptionspeak bei 340 nm auf, was der SPR-Absorptionsbande von CuO-NPs zugeschrieben wird. Die SPR-Absorptionsbande von CuO-NPs bei 340 nm bestätigte die Bildung von CuO-NPs61. Mit zunehmender Wellenlänge nahm die Absorptionsintensität ab, was darauf hindeutet, dass bei einer großen Wellenlänge keine Bildung stattfand. CuO-NPs bildeten sich in Übereinstimmung mit Studien, die darauf hinwiesen, dass sich CuO-NPs zwischen 200 und 350 nm bildeten62.

Die im wässrigen Extrakt von Parthenium hysterophorus und in CuO-NPs vorhandenen funktionellen Gruppen wurden mittels FTIR-Spektrometrie im Bereich von 4000–400 cm−1 identifiziert (Abb. 3).

IR-Spektren von wässrigem Parthenium hysterophorus-Extrakt und CuO-NPs.

Der wässrige Partheniumextrakt zeigte vier Peaks. Ein breiter Peak im Bereich von 3371–3212 cm−1 und scharfe Peaks bei 1630, 1368 und 1209 cm−1. Das FTIR-Spektrum von CuO-NPs wurde bei 3284, 1600, 1368, 1278, 1084, 820, 522 und 590 cm−1 beobachtet. Der Peak im Bereich von 3371–3212 cm−1 weist darauf hin, dass die für Phenole im Extrakt typische O-H-Gruppe sowohl im Extrakt- als auch im CuO-NP-Spektrum vorhanden war. Diese Spitzen entsprechen früheren Studienergebnissen63,64. Ein Peak bei 1630 cm−1 und 1600 cm−1 für Extrakt und Nanopartikel ist mit einer C=O-Bindungsstreckschwingung verbunden. Die Schwingung der C=O-Bindungsstreckung ist typisch für Amide65. Die Peaks bei 1368 cm−1 für die Extrakt- und CuO-NP-Spektren repräsentieren die C-N-Streckschwingung der Amine34. Ein Peak bei 1084 cm−1 ist mit CO-Streckschwingungen verbunden, die typisch für Flavonoide sind34,63. Der charakteristische Peak bei 522 cm−1 und 590 cm−1 zeigte die Bildung von Cu-O-Streckschwingungen an und bestätigte die Bildung von CuO-NPs34,35. Aus der FTIR-Analyse lässt sich daher ableiten, dass die im wässrigen Extrakt enthaltenen sekundären Pflanzenstoffe wie Phenole und Flavonoide für die Reduktion und Stabilisierung von Metallionen unter Bildung von CuO-NPs verantwortlich waren.

Die Morphologie und Oberflächenstruktur der synthetisierten CuO-NPs wurden mittels REM analysiert und die erhaltene mikroskopische Aufnahme ist in Abb. 4 dargestellt.

SEM-Aufnahme und Größenverteilung von CuO-NPs.

Die Form der Nanopartikel war nahezu kugelförmig und zeigte kaum Anzeichen einer Agglomeration. Frühere Studien bestätigten die Kugelform von CuO-NPs66,67. Die Bestimmung der durchschnittlichen Partikelgröße mithilfe der ImageJ-Software ergab, dass die durchschnittliche Partikelgröße 59,99 nm betrug. Die in dieser Studie erhaltene Partikelgrößenverteilung für CuO-NPs stimmte mit früheren Studien überein67,68.

Die Größe der synthetisierten Kupferoxid-Nanopartikel wurde auch mithilfe von TEM-Mikroaufnahmen visualisiert, wie in Abb. 5 dargestellt.

TEM-Aufnahme und Größenverteilung von CuO-NPs.

Die TEM-Aufnahmen zeigten, dass die Nanopartikel nahezu kugelförmig waren69. Die Partikelgrößenverteilung aus der TEM-Aufnahme betrug 8–22 nm, was in den Größenbereich von CuO-NPs fällt, die in früheren Studien erhalten wurden69,70.

Das XRD-Beugungsmuster von CuO-NPs ist in Abb. 6 dargestellt.

XRD-Muster von CuO-NPs.

Die Röntgenbeugungsanalyse zeigt das Vorhandensein von drei markanten Peaks bei 2θ-Werten im Bereich von 20° bis 80° bei 43,6°, 50,8° und 73,5°. Diese 2θ-Werte stellen die kristallographischen Ebenen (111), (200) und (220) aus der JCPDS-Datenbank dar38,41. Das XRD-Muster bestätigte die hohe Kristallinität von CuO-NPs31. Die Peaks können als typische monokline Strukturen von CuO-NPs34 indiziert werden. Die durchschnittliche Kristallitgröße wurde mithilfe der Scherrer-Gleichung34,43 berechnet und betrug 31,58 nm. Andere Forscher haben die grüne Synthese von CuO-NPs in diesem Größenbereich bestätigt. 22,4 nm CuO-NPs wurden unter Verwendung von Bacopa monnieri-Blattextrakt71 synthetisiert. Die durchschnittliche Größe der CuO-NPs wurde in einer grünen Synthese unter Verwendung von Curcuma longa-Wurzelextrakten mit 29,7 nm berechnet31. Die Parameter d-Abstand und Gitterkonstante wurden unter Verwendung des Braggschen Gesetzes zu 0,2 nm bzw. 0,34 nm bestimmt. Diese Ergebnisse entsprechen früheren Studien72.

Mithilfe dynamischer Lichtstreuung wurde die Größenverteilung der synthetisierten Kupferoxid-Nanopartikel bestimmt. Die Ergebnisse sind in Abb. 7 dargestellt.

Größenverteilung von CuO-NPs aus DLS.

Das DLS-Histogramm zeigt, dass die Partikel im Vergleich zu denen, die in REM-Aufnahmen im Bereich von 20 bis 120 nm beobachtet wurden, größer und polydisperser waren (Abb. 4). Der Durchmesser der Partikel lag im Bereich von 0 bis 200 nm, wobei eine große Population von Nanopartikeln eine durchschnittliche Größe unter 100 nm aufwies. Der Polydispersitätsindex (PDI) betrug 0,3 oder weniger, was darauf hinweist, dass die individuelle Größenverteilung monodispers war73. Infolgedessen kann die individuelle Monodispersität auf Agglomeration oder Aggregation während des Nanopartikelsyntheseprozesses zurückgeführt werden74.

Abbildung 8 zeigt die Wirkung der CuO-NP-Dosis auf den Abbau des Rifampicin-Antibiotikums.

Einfluss der CuO-NP-Dosis auf die Abbaueffizienz.

Wie in Abb. 8 zu sehen ist, stieg der Prozentsatz des Abbaus von Rifampicin innerhalb von 210 Minuten von 92,81 auf 99,89 %, als die Dosis der CuO-NPs von 10 auf 50 mg erhöht wurde. Der Anstieg des Abbauprozentsatzes bei Erhöhung der CuO-NP-Dosis kann auf die vergrößerte Gesamtoberfläche der Nanopartikel zurückgeführt werden, wodurch die aktiven Stellen vergrößert werden, die mit dem Rifampicin-Antibiotikum interagieren75,76. Daher werden mit zunehmender Anzahl aktiver Stellen auf der Oberfläche von CuO-NPs mehr reaktive Radikale erzeugt, die am Abbau von Rifampicin beteiligt sind, und die Abbaueffizienz verbessert sich76,77. Es wurde beobachtet, dass die Intensität der Absorption von Rifampicin mit zunehmender Menge an CuO-NPs abnahm. Dies stützt die Tatsache, dass mehr Rifampicinmoleküle an die aktiven Zentren der CuO-NPs gebunden waren und ihre Struktur immer schneller zerstört wurde, da bei höheren Dosen von CuO-NPs mehr aktive Zentren verfügbar waren. Die Abnahme der Absorptionsintensität bei höheren Nanopartikeldosen weist auf die Bildung intermediärer Abbaunebenprodukte hin.

Abbildung 9 zeigt die Auswirkung der Konzentration des Antibiotikums Rifampicin auf die Abbaueffizienz unter Verwendung von CuO-NPs.

Einfluss der Rifampicin-Konzentration auf die Abbaueffizienz.

Als die Konzentration von Rifampicin von 10 auf 30 mg/l anstieg, sank der Prozentsatz des Abbaus von Rifampicin innerhalb von 12 Minuten nach der Reaktion von 99,42 auf 97,78 %. Bei höheren Rifampicin-Konzentrationen waren alle aktiven Stellen der CuO-NPs besetzt und gesättigt, um zu reagieren und das Rifampicin abzubauen, was bei hohen Rifampicin-Konzentrationen zu einem geringeren Abbauprozentsatz führte76,77. Alle aktiven Zentren von CuO-NPs wurden bei höheren Rifampicin-Konzentrationen genutzt und es verblieben mehr Rifampicin-Moleküle in der Lösung. Gleichzeitig wird die Bildung reaktiver Spezies wie OH-Radikale aus dem Wasserstoffperoxid in der Lösung unterdrückt, wenn die Konzentration der Rifampicin-Lösung hoch ist76. Ein weiterer möglicher Grund für eine abnehmende Abbaueffizienz mit steigender Rifampicin-Konzentration ergibt sich aus der Produktion von Abbaunebenprodukten, die mit den Rifampicin-Molekülen um die begrenzte Anzahl aktiver Stellen auf der Oberfläche von CuO-NPs und die vorhandenen reaktiven Radikale konkurrieren. In Bezug auf die Absorption aus dem UV-Vis-Spektrum wurde beobachtet, dass bei höheren Rifampicin-Konzentrationen die Absorptionsintensität von Rifampicin höher war, was auf eine minimale abbauende Wechselwirkung zwischen Rifampicin und CuO-NPs hinweist78,79.

Abbildung 10 zeigt die Auswirkung unterschiedlicher pH-Werte auf die Effizienz des Abbaus von Rifampicin unter Verwendung von CuO-NPs.

Einfluss des pH-Werts einer Rifampicin-Lösung auf den Abbau.

Der pH-Wert der Rifampicin-Lösung wurde mit 0,1 M HCl- und 0,1 M NaOH-Lösungen variiert. Durch Variation des pH-Werts der Lösung wird die Konzentration der H+- und OH−-Ionen beeinflusst, die für die Bildung reaktiver Spezies verantwortlich sind, die am Abbauprozess des Antibiotikums Rifampicin beteiligt sind. Unter sauren Bedingungen bei pH 2 und 4 wurde der prozentuale Abbau von Rifampicin durch CuO-NPs berechnet und betrug 98,09 % bzw. 97,35 %. Unter basischen Bedingungen wurden die Abbaustudien bei pH 8 und 12 durchgeführt, was eine Abbaueffizienz von 98,38 % bzw. 98,46 % ergab. Im Vergleich zur Lösung von Rifampicin, die einen pH-Wert von 5 hatte und eine Abbaueffizienz von 93,84 % aufwies, wurde beobachtet, dass die Abbaugeschwindigkeit von Rifampicin sowohl in sauren als auch in basischen Medien deutlich zunahm. Die Steigerung der Abbaueffizienz in sauren Medien kann auf die Bildung von Wasserstoffradikalen bei der Wechselwirkung von Wasserstoffperoxid mit CuO-NPs80 zurückgeführt werden. Gleichzeitig werden die Nanopartikel in sauren Medien positiv geladen, was die Wechselwirkungsrate von H2O2 mit CuO-NPs erhöht, was zur Erzeugung von mehr H+-Ionen und einem beschleunigten Abbau von Rifampicin führt11,75. Die Steigerung der Effizienz des Abbaus von Rifampicin in basischen Medien kann auf die Zunahme der OH−-Ionen zurückgeführt werden, die zur Bildung von mehr Hydroxylradikalen führt, wodurch die aktiven Zentren von CuO-NPs aktiviert werden. Der Anstieg der Hydroxylradikale erhöht die Wechselwirkungsrate von Nanopartikeln mit Rifampicin-Lösung, was zu einer verbesserten Abbaueffizienz im Vergleich zu Rifampicin-Lösung bei pH 5 führt. Der Abbau von Rifampicin kann als pH-abhängig beschrieben werden, und seine Veränderung in der Oberflächenladung des CuO NPs führen zu unterschiedlichem prozentualem Abbau81.

Abbildung 11 zeigt die Auswirkung des Rifampicin-Antibiotikums mit den CuO-NPs auf die Interaktionszeit.

Einfluss der Zeit auf die Abbaugeschwindigkeit von Rifampicin.

Der Abbau von Rifampicin wurde durch Messung der Absorptionsintensität in regelmäßigen Zeitintervallen beobachtet. Die Abnahme der Absorptionsintensität bei λmax = 480 nm korrelierte mit der Verringerung der Rifampicin-Konzentration, was auf eine zunehmende Abbaurate von Rifampicin durch CuO-NPs mit der Wechselwirkungszeit hinweist82. Diese Ergebnisse stimmten mit früheren Studien überein, die eine verbesserte Entfernungseffizienz des Levofloxacin-Antibiotikums unter Verwendung von CuO-NPs von 27 % in 15 Minuten auf 71 % innerhalb von 120 Minuten berichteten83.

Abbildung 12 zeigt die beobachtbaren Änderungen im Einfluss der Temperatur auf den prozentualen Abbau von Rifampicin unter Verwendung von CuO-NPs.

Einfluss der Temperatur auf die Abbaueffizienz.

Als die Temperatur von 25 auf 65 °C stieg, stieg der Prozentsatz des Abbaus von Rifampicin von 97,19 auf 98,76 %. Wie in früheren Studien berichtet, verbessern Temperaturerhöhungen die Abbaukinetik aufgrund einer Zunahme der Brownschen Bewegung75,84. Dies wurde auch durch die Änderung der Absorption von Rifampicin beobachtet, die bei Erhöhung der Temperatur nach 24 Minuten abnahm11.

Die Wärme- und Entropieänderung der Abbaureaktion von Rifampicin unter Verwendung von CuO-NPs wurde aus den Steigungs- bzw. Achsenabschnittswerten von Van't Hoffs Auftragung von \(ln {k}_{eq}\) gegen \(\frac.) bestimmt {1}{T}\), und die Ergebnisse sind in Abb. 13 dargestellt. Die Aktivierungsenergie des Abbauprozesses wurde auch mithilfe des Arrhenius-Diagramms von lnk gegen 1/T bestimmt und die Ergebnisse sind in Abb. 14 dargestellt.

Van't Hoff-Diagramm zum Abbau von Rifampicin.

Arrhenius-Diagramm von lnk gegen 1/T, um die Aktivierungsenergie der Abbaureaktion von Rifampicin zu erhalten.

Van't Hoffs Gleichung verknüpft die Änderung der Gleichgewichtskonstante mit einer Abnahme der Rifampicin-Konzentration bei steigender Temperatur. Es wurde beobachtet, dass bei höheren Temperaturen die Rifampicin-Abbaugeschwindigkeit höher war (Abb. 12), was darauf hindeutet, dass die Reaktion endotherm war81. Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle bei der Beschleunigung der Abbaurate des Antibiotikums. Die Entropie einer endothermen Reaktion nimmt aufgrund der Bildung von Abbaunebenprodukten ab, wenn die Reaktionstemperatur steigt. Für diese Reaktion wurde aus den experimentellen Daten eine Wärmeänderung von 45,87 kJ mol−1 berechnet, während die Entropieänderung der Reaktion 108,03 JK−111 betrug. Der Wert der Aktivierungsenergie (Ea) des Rifampicin-Abbaus wurde aus der Steigung des Arrhenius-Diagramms von lnK gegen 1/T berechnet, indem eine Kinetik pseudo-zweiter Ordnung verfolgt wurde, die beim Abbau des Rifampicin-Antibiotikums durch CuO-NPs auftritt. Der Wert von Ea wurde zu 454 kJ mol−1 bestimmt.

Um die Abbaukinetik von Rifampicin zu verstehen, wurden die kinetischen Modelle unter Verwendung pseudo-erster Ordnung und pseudo-zweiter Ordnung bei Temperaturen von 298, 308, 328, 328 und 338 K angepasst, wie in Tabelle 2, Abb. dargestellt. 15 und 16.

Plot pseudo-erster Ordnung bei 55 °C.

Pseudo-Plot zweiter Ordnung bei 55 °C.

Unter variierenden Temperaturbedingungen entsprachen die kinetischen Daten pseudo-zweiter Ordnung, da die R2-Werte (Korrelationskoeffizient) für alle Temperaturbedingungen ≥ 0,98 waren und damit höher waren als die R2-Werte pseudo-erster Ordnung. Der Anstieg der Geschwindigkeitskonstanten deutete darauf hin, dass die Reaktion endotherm war, was mit früheren Erkenntnissen zum Abbau des Antibiotikums Rifampicin übereinstimmt11.

Die Abbildungen 17 und 18 zeigen die Abbaueffizienz bei optimalen Bedingungen (10 mg/L Rifampicin-Konzentration, 65 °C und 50 mg CuO-NPs, pH 2 und 8).

Abbau von Rifampicin unter optimalen Bedingungen bei pH 8.

Abbau von Rifampicin unter optimalen Bedingungen bei pH 2.

Der prozentuale Abbau von Rifampicin bei pH 8 unter den genannten optimalen Bedingungen wurde berechnet und ergab 98,37 %, erreicht nach 16 Minuten. Unter Verwendung der gleichen optimalen Parameter bei saurem pH-Wert 2 wurde eine Abbaueffizienz von 98,43 % berechnet, die nach 8 Minuten erreicht wurde. Daraus lässt sich schließen, dass bei der höchsten Dosis an CuO-NPs (50 mg) mehr aktive Zentren für die Reaktion mit den Rifampicin-Molekülen zur Verfügung stehen, während saure (pH 2) und basische (pH 8) und erhöhte Temperaturbedingungen die Wasserstofferzeugung erhöhen und Hydroxylradikale, die die Oberfläche der Nanopartikel weiter aktivieren und so zu einer verbesserten Abbaueffizienz führen. Diese optimalen Bedingungen erhöhen die Bildung von Radikalen und verbessern die Geschwindigkeit, mit der das Antibiotikum Rifampicin abgebaut wird11.

Mehrere Studien haben über den Mechanismus des Abbaus von Antibiotika durch metallische Nanopartikel berichtet41,77,78,79. Das Vorhandensein von einfallendem Licht auf der Oberfläche von CuO-NPs führt zu einem Loch im Valenzband (VB). Dadurch entsteht eine positive Ladung auf dem VB \(\left({\mathrm{h}}_{\mathrm{VB}}^{+}\right)\). Dadurch wird das Elektron von VB in das Leitungsband CB \(({\mathrm{e}}_{\mathrm{CB}}^{-})\)85 angeregt. Das Vorhandensein angeregter Elektronen auf dem CB reduziert Sauerstoffmoleküle zu Sauerstoffradikalen, während die Wassermoleküle bei der Reaktion zu Hydroxylradikalen oxidiert werden86,87. Abbildung 19 veranschaulicht den Mechanismus des Abbaus von Rifampicin mithilfe von CuO-NPs. Die Mechanismen des Abbaus von MB-Farbstoff durch ZnO-NPs können auch mithilfe der in den folgenden Gleichungen dargestellten Schritte beschrieben werden.

Wahrscheinlicher Abbaumechanismus des Rifampicin-Antibiotikums unter Verwendung von CuO-NPs.

Abbildung 20 zeigt FTIR-Spektren, die die Veränderungen in CuO-NPs nach abbauender Wechselwirkung mit Rifampicin zeigen.

FTIR-Spektren von CuO-NPs vor und nach dem Abbau von Rifampicin.

Wie in Abb. 20 gezeigt, wurden leichte Veränderungen in den FTIR-Spektren von CuO-NPs nach ihrer Verwendung beim Abbau des Rifampicin-Antibiotikums beobachtet. Nach der Wechselwirkung der CuO-NPs mit Rifampicin wurden Verschiebungen der Wellenzahl der funktionellen Gruppen beobachtet. Die für eine OH-Gruppe typische Breitbandverschiebung von 3270 cm-1 zu zwei Peaks bei 3288 cm-1 und 2949 cm-1 nach dem Abbau war etwas schmaler als vor den Abbaustudien. Die für C=O-Gruppen typische Bande verschob sich von 1609 cm−1 vor dem Abbau auf 1737 cm−1 nach dem Abbau. Die Verschiebung des CO wurde von 1271 cm−1 vor dem Abbau auf 1209 cm−1 nach Abbaustudien beobachtet. Die Übergänge wurden auf die Adsorption von Rifampicin an der Oberfläche von CuO-NPs zurückgeführt, die die Frequenzen veränderte. Die der funktionellen Cu-O-Gruppe zugeordneten Peaks zeigten eine leichte Verschiebung von zwei Peaks bei 590 cm–1 und 522 cm–1 zu einem einzelnen Peak nach Abbau bei 528 cm–1. Diese Veränderungen in den Peaks von CuO-NPs vor und nach Abbaustudien von Rifampicin zeigen, dass die Funktionalität der CuO-NPs nicht durch ihre Abbaufähigkeit bei der Entfernung von Antibiotika verloren ging84.

Die Recycling- und Wiederverwendungsfähigkeit von CuO-NPs beim Abbau des Rifampicin-Antibiotikums wurde in vier Zyklen für jeweils 90 Minuten untersucht. Nach jedem Gebrauch wurden die Nanopartikel dekantiert, mit Wasser gewaschen und 6 Stunden lang in einem Ofen bei 60 °C getrocknet, wie zuvor beschrieben41,71. Die trockenen Nanopartikel wurden dann im anschließenden Abbauzyklus mit frischer 10 mg/L Rifampicin-Lösung verwendet. Die Abbaueffizienz wurde berechnet und die Ergebnisse wie in Abb. 21 dargestellt grafisch dargestellt.

Recycling und Wiederverwendung von CuO-NPs beim Abbau von Rifampicin in vier Zyklen.

Es wurde beobachtet, dass die Abbaueffizienz von CuO-NPs durch das Antibiotikum Rifampicin von 35,48 % (erster Zyklus) auf 28,87 % (vierter Zyklus) zurückgegangen ist. Die Abnahme der Abbaueffizienz in jedem nachfolgenden Recyclingzyklus kann auf die Adsorption von Rifampicin-Antibiotika an den aktiven Stellen der CuO-NPs zurückgeführt werden, wodurch die katalytische Eigenschaft der Nanopartikel deaktiviert wird41,71. Darüber hinaus kann die Abnahme der Abbaueffizienz von CuO-NPs mit zunehmender Zyklenzahl durch die Tatsache gestützt werden, dass CuO-NPs während der Trenn- und Trocknungsschritte ihre katalytische Leistung verlieren72,88. Die Ergebnisse dieser Studie zur Recyclingfähigkeit stimmen mit zuvor veröffentlichten Studien72,88 überein.

Die Wirksamkeit von CuO-NPs beim Abbau des Antibiotikums Rifampicin wurde mit anderen Katalysatoren verglichen, die beim Abbau von Antibiotika verwendet wurden, und in Tabelle 1 zusammengefasst. In dieser Studie wurde nachgewiesen, dass CuO-NPs eine verbesserte Abbaueffizienz bei der Entfernung von Rifampicin aufwiesen, was die Nanopartikel für die Anwendung vielversprechend machte beim Abbau anderer Antibiotika.

In der vorliegenden Studie wurde eine kostengünstige und umweltfreundliche grüne Synthese von CuO-NPs unter Verwendung wässriger Parthenium hysterophorus-Pflanzenextrakte als Reduktions- und Verkappungsmittel beschrieben. Die CuO-NPs wurden mithilfe von UV-Vis-Spektroskopie, FTIR-, SEM-, TEM-, XRD- und DLS-Analysetechniken charakterisiert. Das UV-Vis-Spektrum zeigte eine SPR-Bande bei 340 nm, die auf CuO-NPs zurückzuführen ist. Die FTIR-Analyse zeigte das Vorhandensein von Sekundärmetaboliten in den Extrakten, die für die Reduktion von Kupferionenlösungen zu CuO-NPs mit charakteristischer Streckschwingung bei 522 cm−1 verantwortlich waren. SEM- und TEM-Aufnahmen bestätigten die Kugelform von CuO-NPs. Die XRD-Analyse bestätigte die Kristallinität der CuO-NPs und die Kristallitgröße wurde mit 31,58 nm berechnet. DLS-Studien zeigten eine Polydispersität von CuO-NPs. CuO-NPs erwiesen sich als wirksam beim Abbau von Rifampicin-Antibiotika, wobei unter optimalen Bedingungen eine Abbaueffizienz von über 98 % berichtet wurde. Der Abbau des Rifampicin-Antibiotikums folgt einem kinetischen Modell pseudo-zweiter Ordnung. Daher kann eine umweltfreundliche und kostengünstige Parthenium hysterophorus-vermittelte grüne Synthese von CuO-NPs beim Abbau von Antibiotika in Kläranlagen vielversprechend sein und zur Bewältigung der zunehmenden Herausforderungen der Wasserverschmutzung beitragen. Zukünftige Forschungen sollten sich auf die Verwendbarkeit von CuO-NPs in der großtechnischen Abwasserbehandlung und die Identifizierung tatsächlicher Abbauprodukte und deren Auswirkungen auf das Ökosystem konzentrieren. Wir stellen außerdem fest, dass toxische Abbauprodukte in den Umweltkompartimenten die Wasserverschmutzung weiter verschlimmern können, weshalb es notwendig ist, ihr Auftreten durch Einkapselung oder die Herstellung magnetischer Nanokomposite zu verhindern. Auf diese Weise kann die Sicherheit von Nanopartikeln erhöht werden, da sie der Umweltverschmutzung entgegenwirken.

Die mit dieser Forschungsstudie verbundenen Daten, die ausreichen, um die Ergebnisse und Schlussfolgerungen zu ziehen, wurden im Manuskript bereitgestellt. Alle Datensätze wurden jedoch im öffentlichen Repository Zenodo hinterlegt und sind über den Link https://doi.org/10.5281/zenodo.8116191 zugänglich.

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Die Autoren danken dem Department of Chemistry, College of Pure and Applied Sciences, Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology, für die Bereitstellung von Laboreinrichtungen zur Durchführung der Studie. Die Autoren danken auch der Eidgenössischen Stipendienkommission (EKS) für ein einjähriges Austauschprogramm an der Universität Freiburg, Schweiz, und dem Schweizerischen Nationalfonds unter der Fördernummer IZSEZ0_200290, das den Zugang zu verschiedenen Analysegeräten bei Prof. Katharina Fromm ermöglichte Labor, Fachbereich Chemie, Universität Freiburg.

Für die Erstellung dieses Manuskripts wurden keine finanziellen Mittel bereitgestellt.

Chemieabteilung, Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology, PO Box 62000, 00200, Nairobi, Kenia

Dennis Mwanza Nzilu, Edwin Shigwenya Madivoli, Sammy Indire Wanakai, Gideon Kirui Kiprono und Patrick Gachoki Kareru

Abteilung für biologische und physikalische Wissenschaften, Karatina University, Postfach 1957-10101, Karatina, Kenia

David Sujee Makhanu

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. Materialvorbereitung, Datenerfassung und Analyse wurden von DMNDMN entworfen, der den ersten Entwurf verfasste, und alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Dennis Mwanza Nzilu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nzilu, DM, Madivoli, ES, Makhanu, DS et al. Grüne Synthese von Kupferoxid-Nanopartikeln und ihre Effizienz beim Abbau des Antibiotikums Rifampicin. Sci Rep 13, 14030 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41119-z

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Eingegangen: 29. Juni 2023

Angenommen: 22. August 2023

Veröffentlicht: 28. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41119-z

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