Síntese Verde de Nanopartículas de Óxido Metálico com Goma Karaya e Seu Impacto Ecotoxicológico em Chlamydomonas reinhardtii

Resumo

Relatamos rota sustentável para produzir nanopartículas (NPs) de ouro (Au), platina (Pt), paládio (Pd), prata (Ag) e óxido de cobre (CuO) em água usando o polímero natural goma karaya (GK) como redutor e estabilizador. Os coloides foram caracterizados por UV-Vis, TEM, potencial zeta e DCS, confirmando diâmetros médios de 42 nm (Au), 12 nm (Pt), 1,5 nm (Pd), 5 nm (Ag) e 180 nm (CuO) e cargas superficiais negativas que persistiram por seis meses a 4 °C. Exposição da alga verde C. reinhardtii a 1-20 mg L⁻¹ dessas NPs revelou que Au e Pt exerceram inibição mínima de crescimento, enquanto Pd, Ag e CuO quase suprimiram completamente a proliferação algal e desencadearam dano de membrana, estresse oxidativo, quenching de clorofila e prejuízo do fotossistema II. Esses achados demonstram que a síntese verde mediada por GK produz nanomateriais estáveis e ambientalmente benignos que podem ser adaptados para aplicações antimicrobianas ou algicidas seletivas.

Introdução

NPs de metal e óxido metálico possuem propriedades elétricas, ópticas, magnéticas e catalíticas únicas que impulsionam seu uso generalizado em indústria, medicina, agricultura e remediação ambiental [1-4]. Síntese convencional depende de redutores e surfactantes tóxicos, levantando preocupações para saúde humana e integridade ecológica [5-11]. Abordagens de química verde — empregando agentes renováveis, biodegradáveis e solventes benignos — oferecem alternativa mais segura [12-18].

Goma karaya, um hidrocoloide extraído de árvores Sterculia, contém galactose, ramnose, ácido galacturônico e resíduos urônicos [63]. Estudos toxicológicos confirmam sua natureza não tóxica, mesmo como aditivo alimentar [62-65]. Neste estudo exploramos os grupos funcionais da GK (–OH, –COO⁻) para reduzir sais metálicos e simultaneamente estabilizar as NPs resultantes, alcançando síntese aquosa one-pot.

Apesar de sua promessa tecnológica, NPs metálicas podem gerar espécies reativas de oxigênio (ROS), dano ao DNA e peroxidação lipídica, potencialmente perturbando comunidades microbianas e organismos superiores [32-35]. Trabalhos prévios mostraram que NPs de Ag, CuO e outras inibem crescimento algal, fotossíntese e integridade de membrana [36-49]. No entanto, a toxicidade de NPs de Au, Pt, Pd e CuO derivadas de GK contra a alga verde modelo C. reinhardtii não foi examinada sistematicamente.

Métodos

Materiais

GK comercial, AgNO₃, HAuCl₄·3H₂O, CuCl₂·2H₂O, H₂PtCl₆, K₂PdCl₄, HCl, NaOH, NH₄OH (Sigma-Aldrich, EUA). Todos os reagentes eram de grau analítico e água deionizada (DI) foi usada para todos os preparos.

Processamento da Goma Karaya

1 g de GK foi disperso em 1 L de água DI, agitado durante a noite, então deixado a 20 °C por 18 h para remover insolúveis. A solução foi filtrada (10-16 µm) e liofilizada.

Síntese de NPs

Para Au, Pt, Pd e Ag, 100 µL de sal metálico 10 mM foi adicionado a 10 mL de solução GK em frascos de 50 mL. pH foi ajustado para otimizar rendimento de NPs, então a mistura foi agitada a 250 rpm, 45-95 °C por 1 h. Mudanças de cor (amarelo, vinho, preto) indicaram formação de NPs. NPs de CuO foram produzidas via rota coloidal térmica: 100 µL de 10 mM CuCl₂·2H₂O misturado com GK, razão molar 2:5 CuCl₂:NaOH, aquecido a 75 °C, 250 rpm por 1 h, então precipitado isolado por centrifugação e lavado com etanol e água DI.

Caracterização

ICP-MS (Perkin Elmer OPTIMA 2100 DV) quantificou conteúdo metálico. Espectros UV-Vis (Cintra 202) monitoraram picos de plasmon e estabilidade a longo prazo. TEM (Tecnai F 12, 15 kV) revelou morfologia e distribuição de tamanho. Em meio algal, sedimentação centrífuga diferencial (DC24000UHR) determinou distribuição de tamanho baseada em peso; potencial zeta medido por Malvern Zetasizer ZS. Liberação iônica em meio algal foi avaliada por ultrafiltração (corte 3 kDa) seguida por ICP-MS.

Cultura de C. reinhardtii

Cepa CPCC11 foi cultivada em meio TAPx4 a 20 °C, 100 rpm, iluminação 114,2 µmol m⁻² s⁻¹, mantendo fase exponencial de ≈10⁶ células mL⁻¹.

Experimentos de Exposição Algal

NPs (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) foram adicionadas a 5 mL de suspensões algais em frascos de 50 mL. Crescimento, integridade de membrana (iodeto de propídio), estresse oxidativo (CellROX Green), fluorescência de clorofila e rendimento quântico do fotossistema II (AquaPen-C AP-C 100) foram monitorados a 1, 3, 5 e 24 h. Controles incluíram algas não tratadas, células mortas por calor e estresse oxidativo induzido por cominho. Dados foram coletados em duplicata e analisados por ANOVA com teste de Dunnett (GraphPad PRISM).

Resultados

Formação de NPs e Caracterização Primária

Imagens TEM (Fig. 1a-e) mostraram NPs monodispersas, esféricas. Espectros UV-Vis (Fig. 1f) exibiram picos de plasmon de superfície a 412 nm (Au) e 525 nm (Ag); Pt, Pd e CuO não exibiram picos distintos. Após 6 meses, espectros permaneceram inalterados, confirmando estabilidade.

Caracterização em Meio Algal

Tamanhos baseados em peso variaram de 180 a 5 nm (CuO > Au > Pt > Ag > Pd). Todas NPs carregavam potenciais zeta negativos a pH 7 (Tabela 1). Concentrações iônicas metálicas foram mais altas para Pt, Ag e CuO (33-36 µg L⁻¹) e mais baixas para Au e Pt (6-7 µg L⁻¹).

Efeito no Crescimento Algal

Crescimento controle: 1 × 10⁶ células h⁻¹. Exposição a 1 mg L⁻¹ Ag, Pd e CuO reduziu crescimento para 2,2 × 10⁴, 1,7 × 10⁴ e 0,2 × 10⁴ células h⁻¹, respectivamente (P < 0,001). Em concentrações mais altas, crescimento cessou completamente (Fig. 2). Au e Pt também retardaram crescimento, mas efeitos estabilizaram independentemente da dose.

Indução de Estresse Oxidativo

NPs de Ag e CuO induziram geração de ROS quase completa (≈100%) a 5-20 mg L⁻¹ (Fig. 3d, e). Au causou <10% ROS, diminuindo para 15% a 20 mg L⁻¹ (P < 0,001). Pt desencadeou <8% ROS dentro de 5 h; a 20 mg L⁻¹, 19% células estressadas após 24 h. NPs de Ag produziram 100% estresse após 24 h a 10-20 mg L⁻¹. CuO atingiu estresse significativo dentro de 3 h a 10-20 mg L⁻¹; 5 mg L⁻¹ causou estresse após 5 h. Au produziu ROS abiótico negligenciável (P > 0,05).

Integridade de Membrana

Au e Pt causaram dano de membrana significativo em todos os tempos até 5 h (P < 0,001) mas não após 24 h. NPs de Ag danificaram 100% das células dentro de 1 h em todas as concentrações. NPs de Pd mostraram dano mínimo a 1-5 mg L⁻¹; 20 mg L⁻¹ produziu dano significativo após 24 h. Dano por CuO aumentou com dose e tempo, pico a 24 h (Fig. 4).

Fluorescência de Clorofila

Au e Pt não tiveram efeito significativo na fluorescência de clorofila em 24 h. Ag, Pd e CuO reduziram marcadamente fluorescência com doses maiores e exposição mais longa; 5 mg L⁻¹ Ag reduziu fluorescência a 22% a 24 h (P < 0,001). CuO e Pd a 20 mg L⁻¹ produziram declínio mais acentuado após 24 h (Fig. 5).

Eficiência do Fotossistema II

Au, Pt e CuO produziram reduções menores e esporádicas no rendimento quântico (QY) em alguns pontos de tempo. NPs de Ag causaram queda dramática de QY (>90%) após 1 h em todas as concentrações. Pd e CuO reduziram significativamente QY apenas a 20 mg L⁻¹ (Fig. 6).

Discussão

Nossa síntese baseada em GK produziu NPs de Au, Pt, Pd, Ag e CuO estáveis e monodispersas que mantiveram integridade por seis meses a 4 °C. O tamanho e a química de superfície dessas partículas influenciaram fortemente sua atividade biológica. Au e Pt, com diâmetros maiores (42 e 12 nm) e baixa liberação iônica, exibiram toxicidade mínima, sugerindo adequação para aplicações biomédicas ou catalíticas onde biocompatibilidade é crítica. Em contraste, Pd (1,5 nm), Ag (5 nm) e CuO (180 nm) foram altamente tóxicos a C. reinhardtii, consistente com sua propensão conhecida a gerar ROS, liberar íons e romper membranas. O forte efeito de Pd é notável; seu tamanho ultrapequeno provavelmente facilita captação celular e liberação iônica, explicando o estresse oxidativo e depleção de clorofila observados.

Toxicidade de NPs de Ag alinha com literatura indicando que Ag⁺ dissolvido, não a nanopartícula em si, impulsiona atividade algicida [80-89]. Nossas NPs de Ag revestidas com GK exibiram ação biocida potente, sugerindo uso potencial como algicida em piscinas ou sistemas de tratamento de água. NPs de CuO provavelmente exerceram toxicidade através de rompimento de membrana induzido por partícula e liberação iônica de Cu²⁺, corroborando estudos prévios em C. reinhardtii e outras algas [36, 47, 48].

NPs de Au induziram apenas estresse oxidativo modesto e transitório e perturbação fisiológica negligenciável, suportando sua classificação como não tóxicas neste sistema algal. NPs de Pt causaram inibição leve de crescimento e redução de clorofila, possivelmente devido a combinação de Pt iônico e efeitos de sombreamento por partícula, mas toxicidade geral permaneceu baixa.

Conclusões

Sintetizamos com sucesso NPs de Au, Pt, Pd, Ag e CuO produzidas de forma verde usando goma karaya, alcançando tamanhos de 42, 12, 1,5, 5 e 180 nm respectivamente, todas com cargas superficiais negativas e estáveis por seis meses. Exposição de C. reinhardtii a essas NPs revelou que Au e Pt foram amplamente inofensivas, enquanto Pd, Ag e CuO exerceram fortes efeitos tóxicos em crescimento, integridade de membrana, produção de ROS, fluorescência de clorofila e eficiência do fotossistema II. Esses resultados ressaltam a importância das propriedades físico-químicas das NPs em ditar risco ecológico e destacam a promessa de NPs de Ag e CuO derivadas de GK como algicidas direcionados e NPs de Pd, Ag, CuO para superfícies antimicrobianas, enquanto NPs de Au e Pt podem ser consideradas seguras para exposição a algas verdes.