DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84974-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762412
تاريخ النشر: 2025-01-06
المؤلف: Sanaz Ashrafi-Saeidlou وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تخليق جزيئات نانوية من أكسيد الحديد (Fe$_2$O$_3$ NPs) باستخدام السائل الفائق الخالي من الخلايا من *Pseudomonas fluorescens*. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، تحليل مساحة السطح باستخدام طريقة بروناوير-إيميت-تيلر (BET)، ومغناطيسية العينة المهتزة (VSM)، نجاح التخليق وكشفت أن الحديد يشكل 89.5% من الجزيئات النانوية. كانت أحجام الجسيمات المتوسطة حوالي 20.43 ± 5.38 نانومتر (SEM) و24.32 ± 5.03 نانومتر (TEM). أظهرت جزيئات Fe$_2$O$_3$ NPs نشاطًا مضادًا للميكروبات كبيرًا، مع مناطق تثبيط تبلغ 8.35 ± 0.103 مم ضد *Pseudomonas syringae* و*Staphylococcus aureus* بتركيز 400 ميكروغرام مل$^{-1}$. أظهرت التقييمات المضادة للفطريات تقليصات في النمو تصل إلى 90.4% لـ *Aspergillus niger* وكفاءات تحلل ضوئي ملحوظة للأصباغ الصناعية، محققة أكثر من 79.71% تحلل.
تسلط النتائج الضوء على الخصائص متعددة الوظائف لجزيئات Fe$_2$O$_3$ NPs، بما في ذلك تطبيقاتها المحتملة في العلاجات المضادة للميكروبات وإعادة تأهيل البيئة. أظهرت الجزيئات النانوية مساحة سطح محددة تبلغ 271.4 م$^2$ غ$^{-1}$ ومتوسط حجم جسيمات يبلغ 22.73 نانومتر، مما يشير إلى ملاءمتها للاستخدام في الأنسجة وتغليف المواد الغذائية لمنع نمو الميكروبات. بالإضافة إلى ذلك، تجاوزت النشاط المضاد للأكسدة لجزيئات Fe$_2$O$_3$ NPs، مع قيمة IC$_{50}$ تبلغ 8.45 ± 0.59 ميكروغرام مل$^{-1}$، تلك الخاصة بحمض الأسكوربيك. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث في آليات التخليق والتأثيرات المحتملة لهذه الجزيئات النانوية على النظم البيئية وصحة الإنسان لضمان تطبيقها الآمن والفعال عبر مختلف الصناعات.
الطرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجارب والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. يتم وصف المنهجية بطريقة منظمة، مع تسليط الضوء على التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، بالإضافة إلى أي طرق إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم معلومات حول الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، المدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على الأساليب المتبعة للتحقيق في الأسئلة البحثية المطروحة في الدراسة، مما يسهل فهم كيفية اشتقاق النتائج.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع اختبارات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في الظواهر الملاحظة، مما يدعم الفرضيات الأولية المطروحة في البحث.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الموجودة. لا تعزز النتائج الدراسات السابقة فحسب، بل تقدم أيضًا رؤى جديدة حول الآليات الأساسية المعنية. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويتم اقتراح اقتراحات للبحث المستقبلي لاستكشاف العلاقات الملاحظة وتطبيقاتها المحتملة بشكل أكبر.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة من ورقة البحث التخليق الأخضر وتوصيف جزيئات نانوية من أكسيد الحديد (Fe₂O₃ NPs) باستخدام الكائن الحي المجهرية *Pseudomonas fluorescens*. توضح عملية التخليق، التي تشير إلى تغيير اللون من الأصفر إلى البني الداكن عند إضافة كلوريد الحديد، قدرة الكائن الحي المجهرية الفعالة على الاختزال، والتي تُعزى إلى عوامل بيولوجية مختلفة مثل الإنزيمات والمركبات العضوية. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، تحليل بروناوير-إيميت-تيلر (BET)، ومغناطيسية العينة المهتزة (VSM)، نجاح تخليق جزيئات Fe₂O₃ NPs بحجم متوسط يبلغ حوالي 22.73 نانومتر، وهيكل بلوري معيني، وخصائص مغناطيسية كبيرة.
تم تقييم الفعالية المضادة للميكروبات لجزيئات Fe₂O₃ NPs المُصنعة ضد مجموعة من البكتيريا والفطريات المسببة للأمراض، مما يكشف عن نشاطات مضادة للبكتيريا والفطريات كبيرة، خاصة عند التركيزات العالية. أظهرت الجزيئات النانوية علاقة تعتمد على الجرعة في تثبيط نمو الميكروبات، مع آليات عمل تشمل تعطيل الغشاء، توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، والتداخل مع العمليات الخلوية. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم النشاط الضوئي لجزيئات Fe₂O₃ NPs من خلال تحلل الأصباغ العضوية، مما يظهر إمكاناتها للتطبيقات البيئية. تم تسليط الضوء أيضًا على القدرة المضادة للأكسدة للجزيئات النانوية، حيث أظهرت فعالية متفوقة مقارنة بحمض الأسكوربيك. بشكل عام، تؤكد النتائج على الإمكانات متعددة الوظائف لجزيئات Fe₂O₃ NPs في السياقات العلاجية والبيئية، مدفوعة بخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84974-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762412
Publication Date: 2025-01-06
Author(s): Sanaz Ashrafi-Saeidlou et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
This study explores the biosynthesis of iron oxide nanoparticles (Fe$_2$O$_3$ NPs) utilizing the cell-free supernatant of *Pseudomonas fluorescens*. Characterization techniques, including UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), transmission electron microscopy (TEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and vibrating sample magnetometry (VSM), confirmed successful synthesis and revealed that iron constituted 89.5% of the nanoparticles. The average particle sizes were approximately 20.43 ± 5.38 nm (SEM) and 24.32 ± 5.03 nm (TEM). The Fe$_2$O$_3$ NPs exhibited significant antimicrobial activity, with inhibition zones of 8.35 ± 0.103 mm against *Pseudomonas syringae* and *Staphylococcus aureus* at a concentration of 400 μg mL$^{-1}$. Antifungal assessments indicated growth reductions of up to 90.4% for *Aspergillus niger* and notable photocatalytic degradation efficiencies for industrial dyes, achieving over 79.71% degradation.
The findings highlight the multifunctional properties of Fe$_2$O$_3$ NPs, including their potential applications in antimicrobial treatments and environmental remediation. The nanoparticles demonstrated a specific surface area of 271.4 m$^2$ g$^{-1}$ and a mean particle size of 22.73 nm, suggesting their suitability for use in textiles and food packaging to inhibit microbial growth. Additionally, the antioxidant activity of Fe$_2$O$_3$ NPs, with an IC$_{50}$ value of 8.45 ± 0.59 μg mL$^{-1}$, surpassed that of ascorbic acid. The study emphasizes the need for further research into the synthesis mechanisms and potential impacts of these nanoparticles on ecosystems and human health to ensure their safe and effective application across various industries.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology is described in a systematic manner, highlighting the techniques for data collection and analysis, as well as any statistical methods applied to interpret the results.
Additionally, the section may include information on the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the approaches taken to investigate the research questions posed in the study, facilitating an understanding of how the results were derived.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the data demonstrate a clear trend in the observed phenomena, supporting the initial hypotheses posited in the research.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within the existing literature. The results not only reinforce previous studies but also offer new insights into the underlying mechanisms at play. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are proposed to further explore the observed relationships and their potential applications.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the green synthesis and characterization of iron oxide nanoparticles (Fe₂O₃ NPs) using the microorganism Pseudomonas fluorescens. The synthesis process, indicated by a color change from yellow to dark reddish brown upon the addition of iron chloride, demonstrates the microorganism’s effective reduction capacity, which is attributed to various biological agents such as enzymes and organic compounds. Characterization techniques, including UV-vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, and vibrating sample magnetometry (VSM), confirmed the successful synthesis of Fe₂O₃ NPs with an average size of approximately 22.73 nm, a rhombohedral crystal structure, and significant magnetic properties.
The antimicrobial efficacy of the synthesized Fe₂O₃ NPs was assessed against various pathogenic bacteria and fungi, revealing significant antibacterial and antifungal activities, particularly at higher concentrations. The nanoparticles exhibited a dose-dependent relationship in inhibiting microbial growth, with mechanisms of action involving membrane disruption, reactive oxygen species (ROS) generation, and interference with cellular processes. Additionally, the photocatalytic activity of Fe₂O₃ NPs was evaluated through the degradation of organic dyes, demonstrating their potential for environmental applications. The antioxidant capacity of the nanoparticles was also highlighted, showing superior efficacy compared to ascorbic acid. Overall, the findings underscore the multifunctional potential of Fe₂O₃ NPs in therapeutic and environmental contexts, driven by their unique physicochemical properties.