Influence of thermal treatment on the physicochemical, biological, and ecotoxicological properties of plant-mediated metal and metal-oxide nanoparticles.

چکیده اصلی

Plant-mediated 'green' synthesis of nanoparticles (NPs) is widely reported, but the exact functional role of the retained phytochemical capping layer versus the core metal remains contested. Furthermore, the impact of thermal calcination-a common post-synthesis purification step-on the bio-functional and ecological profile of these NPs is poorly understood. We synthesized four distinct biogenic NPs-Ag and Fe using Salvinia molesta extract, and Cu and Zn using Mimosa pigra extract. While the Cu, Zn, and Fe NPs were evaluated in both non-calcined (as-synthesized) and thermally calcined states, the Ag NPs were evaluated exclusively in their highly active, non-calcined state. We evaluated their physicochemical properties, in vitro antioxidant capacity (with Ag NPs showing 42.08 mg TE/g), and antibacterial efficacy against Escherichia coli, Staphylococcus aureus, and Pseudomonas aeruginosa. Additionally, the ecotoxicological impact was evaluated via a one-month soil microbial respiration assay for the calcined metal oxides (Cu, Zn, Fe) and the non-calcined Ag NPs. Characterization confirmed that calcination successfully formed highly crystalline metal oxides but stripped the Cu, Zn, and Fe NPs of their organic phytochemical corona. Consequently, the non-calcined NPs exhibited significant antioxidant activity, which was substantially abolished in the metal oxides following calcination. Antibacterial assays revealed a strict metal-dependency; Fe, Cu, and Zn NPs showed no significant antibacterial action even at high screening concentrations, regardless of calcination. In contrast, the non-calcined Ag NPs exhibited potent antimicrobial efficacy, with a minimum inhibitory concentration (MIC) of 7.8 ppm. Crucially, 4-week soil respiration assays (at doses up to 1000 ppm) demonstrated that neither the calcined metal-oxides (Fe, Cu, Zn) nor the highly reactive non-calcined Ag NPs exerted long-term toxic effects on the soil microbiome. Our findings demonstrate that the 'green' bioactivity (antioxidant potential) of biogenic NPs is primarily mediated by the uncalcined phytochemical corona, whereas cytotoxicity (antibacterial action) is governed by the core metal identity. The absence of significant suppression of CO₂ respiration suggests minimal acute metabolic disruption in soil microbiomes, providing preliminary evidence for short-term microbial tolerance. These findings warrant further investigation into the potential agricultural applications of these biogenic nanomaterials.

ترجمه فارسی چکیده

سنتز سبز نانوذرات (NP) میانیزی شده توسط گیاه به طور گسترده گزارش شده است، اما نقش عملکردی دقیق لایه پوششی فیتوشیمیایی باقی‌مانده در برابر هسته فلز همچنان مورد بحث است. علاوه بر این، تأثیر کلسیناسیون حرارتی - یک مرحله تصفیه رایج پس از سنتز - بر پروفایل زیست‌عملکردی و اکولوژیک این نانوذرات به درستی درک نشده است. ما چهار نانوذرات بیوژنیک متفاوت - Ag و Fe با استفاده از عصاره Salvinia molesta و Cu و Zn با استفاده از عصاره Mimosa pigra - را سنتز کردیم. در حالی که نانوذرات Cu، Zn و Fe در هر دو حالت غیرکلسینه (همان‌طور که سنتز شده‌اند) و کلسینه شده حرارتی ارزیابی شدند، نانوذرات Ag صرفاً در حالت بسیار فعال و غیرکلسینه خود ارزیابی شدند. ما خواص فیزیوشیمیایی آنها، ظرفیت آنتی‌اکسیدانی در vitro (با نانوذرات Ag که 42.08 mg TE/g نشان دادند) و اثربخشی آنتی‌باکتریال علیه Escherichia coli، Staphylococcus aureus و Pseudomonas aeruginosa را ارزیابی کردیم. علاوه بر این، تأثیر اکوتوکسیکولوژیک از طریق آزمون تنفس میکروبی خاک یک ماهه برای اکسید فلزات کلسینه شده (Cu، Zn، Fe) و نانوذرات Ag غیرکلسینه ارزیابی شد. ویژگی‌یابی تأیید کرد که کلسیناسیون موفقیت‌آمیز اکسید فلزات بلوری بالا را تشکیل داد، اما Cu، Zn و Fe NPs را از کرونا فیتوشیمیایی آلی خود محروم کرد. در نتیجه، نانوذرات غیرکلسینه فعالیت آنتی‌اکسیدانی قابل توجهی را نشان دادند که در اکسید فلزات پس از کلسیناسیون به طور قابل توجهی حذف شد. آزمون‌های آنتی‌باکتریال نشان دادند وابستگی سخت به فلز؛ نانوذرات Fe، Cu و Zn حتی در غلظت‌های بالای غربالگری هیچ اثر آنتی‌باکتریال معناداری نشان ندادند، صرف نظر از کلسیناسیون. در مقابل، نانوذرات Ag غیرکلسینه اثربخشی آنتی‌میکروبی قدرتمندی را نشان دادند، با غلظت مهار حداقل (MIC) 7.8 ppm. به طور حیاتی، آزمون‌های تنفس خاک ۴ هفته‌ای (در دوزهای تا 1000 ppm) نشان داد که نه اکسید فلزات کلسینه شده (Fe، Cu، Zn) و نه نانوذرات Ag بسیار واکنش‌گرای غیرکلسینه اثرات سمی طولانی‌مدت بر میکروبیوم خاک نداشتند. یافته‌های ما نشان می‌دهند که فعالیت زیست‌سبز (پتانسیل آنتی‌اکسیدانی) نانوذرات بیوژنیک عمدتاً توسط کرونا فیتوشیمیایی غیرکلسینه میانیزی می‌شود، در حالی که سمیتیت سلولی (اقدام آنتی‌باکتریال) توسط هویت هسته فلز کنترل می‌شود. نبود کاهش معنادار تنفس CO₂ نشان‌دهنده اختلال متابولیک حاد حداقلی در میکروبیوم‌های خاک است که شواهد اولیه برای تحمل میکروبی کوتاه‌مدت را فراهم می‌کند. این یافته‌ها نیازمند بررسی بیشتر در مورد کاربردهای کشاورزی بالقوه این مواد نانومتری بیوژنیک هستند.

متن کامل اصلی