Synthesis, Characterization, and Environmental Applications of Organometallic Complexes and Nano-Metal Oxides

Abstract

유해성 시아노 박테리아와 같은 세균이나 , 염료와 같은 환경 오염 물질은 - 신선한 식수 및 위생에 대한 접근을 제한합니다. 산업화, 지구 온난화 및 높은 생활 수준은 환경 오염을 가속하고 인체 건강에 지속적인 위험을 유발합니다. 세균은 어디에나 존재하며 여러 항생제에 대한 내성을 발생시켰으며 이는 최근 제약 산업에 가장 큰 위협 중 하나입니다. 지구 온난화와 부영양화는 수중의 유해성 시아노 박테리아의 성장을 가속합니다. 시아 노 박테리아는 수중에 독소를 생성하고 생명체의 건강을 위협합니다. Microcystis aeruginosa는 신경독 및 간 독소와 같은 시아 노 톡신을 방출하는 담수 조류입니다. 메틸렌 블루 (MB)는 여러 산업 및 연구 기관에서 사용되며 수중으로 방류됩니다. 메틸렌 블루에 오염 된 물은 인간에게 여러 해로운 영향을 미칩니다. 이러한 문제에 대응하려면 효율적이고 쉽고 저렴한 기술이 필요합니다. 유기 금속 복합체 (OC)와 나노 금속 산화물 (NMO)은 이러한 환경 문제를 완화 할 수 있습니다. 이러한 환경 문제에 대처하기 위해서 OC 및 NMO의 오염 통제에 대한 잠재력을 평가하기위한 심층적인 연구가 필요합니다. 따라서 우리 연구의 주요 목적은 시아노 박테리아의 성장 억제와 염료의 분해를위한 유기 금속 복합체와 나노 금속 산화물의 합성 및 분류였습니다. 우리는 6 개의 유기 금속 착물 (dichloro-bis(2-isopropylimidazole)-zinc(II) (Zn1), dichloro-bis(2-methylbenzimidazole)-zinc(II) (Zn2), dichloro-bis(2-methylbenzoxazole)-zinc(II) (Zn3), dichloro-bis(2-methylbenzimidazole)-cobalt(II) (Co1), dichloro-bis(2-methylbenzoxazole)-cobalt(II) (Co2), 그리고 dichloro-bis(2-methylbenzothiazole)-cobalt(II) (Co3) complexes) 및 두 개의 나노 금속 산화물 (molybdenum doped zinc oxide (4) 과 copper-vanadium oxides (5)에 대해 연구했습니다. 복합 Zn1-3 / Co1-3은 실온에서 금속과 리간드를 혼합하여 합성되었습니다. 몰리브덴 도핑 된 산화 아연(4) (MoZnO)은 dry ball mill법을 사용하여 합성 된 반면 구리 도핑 된 산화 바나듐(5)은 마이크로파법을 사용하여 합성되었습니다. 유기 금속 복합체는 UV-visible spectroscopy (UV-VIS), 1H NMR spectroscopy, single X-ray crystallography 및 elemental analysis를 사용하여 분류되었으며, 금속 복합체는 FESEM (field Emission 주사 전자 현미경), Energy-dispersive X-ray spectroscopy ( EDS), X- 선 회절 (XRD) 및 FT-IR 분광법을 이용하여 분류되었습니다. 유기 금속 복합체 (Zn1-3 / Co1-3)는 내성 균주를 포함한 그람 양성 및 그람 음성 박테리아에 대해 적용되었습니다. 나노 금속 산화물 4는 가시 광선 하에서 유해성 시아노 박테리아에 대해 적용되었고 5는 유해성 시아노 박테리아 및 염료에 대해 적용되었습니다. 복합체 Zn1-3 / Co1-3 및 나노 금속 산화물 4 및 5의 작용 메커니즘을 각각 세균, 시아노 박테리아 및 염료에 대해 조사했습니다. Sytox green assay 는Co1-3를 단독으로 사용했을 때 와 암피실리과 같이 사용했을 때의 세균 표면 침투를 연구하기 위해 사용되었습니다. 나노 금속 산화물 4와 5의 산화 분해 메커니즘을 찾기 위해 ·OH, ROS 및 지질 과산화 분석을 수행했습니다. 단결정 X- 선 분석으로 복합 Zn1-3 / Co1-3이 사면체 구조를 가짐을 알 수 있었습니다. 금속 산화물의 XRD 결과는 나노 금속 산화물 4 및 5의 결정 특성을 반영합니다. FESEM으로 얻은 나노 금속 산화물 4 및 5의 평균 직경은 40 nm (4) 및 133 nm (5) 였습니다. 복합체 Zn1-3 / Co1-3은 50-200 µg/ml의 농도 범위 내에서 모든 항생제 민감성 세균에 대해 좋은 항균성을 나타냈습니다. 복합체 Co1-3은 복합체 Zn1-3보다 높은 항균성을 나타냈습니다. Co2 및 Co3 복합체의 항균성은 다른 세균에 비해 최소 억제 농도 (MIC) 값이 12.5 μg / mL로 S. aureus에 대해 더 높았습니다. 암피실린 (AMP)과 복합체 Co1-3의 조합은 Methicillin-Resistant S. aureus 균주 (MRSA)에 대한 Co1-3의 항균성을 증가시킵니다. 흥미롭게도 복합체 Co1-3 단독 및 AMP와의 조합은 다른 항균 작용 메커니즘을 나타 냈습니다. AMP와 결합 된 Co2 및 Co3 복합체는 MRSA 막을 파괴 한 반면 나머지 복합체는 그러한 메커니즘을 나타내지 않았습니다. 나노 금속 산화물 4와 5는 최소 유효 농도 1mg / L로및 4 mg / L M. aeruginosa에 대한 항 조류 활성을 나타 냈습니다. 나노 금속 산화물 4와 5의 항 조류 메커니즘을 조사한 결과 가시 광선 하에서 BG-11 매질에서 수산화 라디칼(·OH)이 생성되는 것으로 나타났습니다. ·OH는 M. aeruginosa 지질막의 과산화를 유발하는 반응성이 높은 산소종으로 세포 내 ROS의 생성을 강화하여 시아노 박테리아의 응집을 유발합니다. 나노 금속 산화물 5는 MB를93.8 % 분해했습니다. 결과적으로 복합체 Zn1-3/ Co1-3과 나노 금속 산화물 4와 5를 이용하여 세균과 시아노박테리아, 염료를 더 효과적으로 제어할 수 있었습니다

Environmental pollutants such as bacteria, blooming harmful cyanobacteria, and dye limited the access to fresh drinking water and sanitation, which necessitates the remediation of these pollutants. Increased industrialization, global warming, and high living standards contribute to environmental pollution and pose continuing risks to human health. Bacteria are omnipresent and developed resistance to several antibiotics, which are one of the serious threats to the accomplishment of recent medications. The bloom of harmful cyanobacteria is intensified in water due to global warming and eutrophication. Cyanobacterial bloom produces toxins in water and endangers aquatic life and human health. Microcystis aeruginosa is the major bloom-causing freshwater blue-green algae, which contaminate the freshwater by releasing cyanotoxins such as neurotoxins and hepatotoxins. Methylene blue (MB) is used in several industries, and research institutes eventually discharge it in the water. MB contaminated water has several harmful effects on humans. To counter these issues, efficient, easy, and cheap techniques are required. Organometallic complexes (OC) and nano-metal oxides (NMO) could offer boundless scope to mitigate these environmental issues. Hence, an intensive investigation is needed to estimate the potential of OC and NMO for pollution control to help in this unprecedented crisis. Accordingly, the main objective of this work was to synthesize, characterize, and evaluate antibacterial, anti-algal, and dye degradation activity of OC and NMO. We synthesized six organometallic complexes (dichloro-bis(2-isopropylimidazole)-zinc(II) (Zn1), dichloro-bis(2-methylbenzimidazole)-zinc(II) (Zn2), dichloro-bis(2-methylbenzoxazole)-zinc(II) (Zn3), dichloro-bis(2-methylbenzimidazole)-cobalt(II) (Co1), dichloro-bis(2-methylbenzoxazole)-cobalt(II) (Co2), and dichloro-bis(2-methylbenzothiazole)-cobalt(II) (Co3) complexes) and two nano-metal oxides (molybdenum doped zinc oxide (4) and copper-vanadium oxides (5). Complexes Zn1-3/ Co1-3 was synthesized by mixing metal and ligands at room temperature. Molybdenum doped zinc oxide (4) (MoZnO) was synthesized using a dry ball mill method, whereas copper doped vanadium oxide (5) using a microwave method. Organometallic complexes were characterized using UV-visible spectroscopy (UV-VIS), 1H NMR spectroscopy, single X-ray crystallography, and elemental analysis, whereas metal complexes using field emission-scanning electron microscopy (FESEM), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), and FT-IR spectroscopy. Organometallic complexes (Zn1-3/ Co1-3) were applied against Gram-positive and Gram-negative bacteria, including resistant strain. 4 was applied against harmful bloom-forming cyanobacteria and 5 against harmful bloom-forming cyanobacteria and dye, under visible light. The mechanism of action of complexes Zn1-3/ Co1-3 and nano-metal oxides 4 and 5 were investigated against bacteria, cyanobacteria, and dye, respectively. Sytox green assay was used to find bacteria surface penetration behavior of Co1-3 alone and in the combination of ampicillin (AMP). ·OH, ROS, and lipid peroxidation assays were performed to find the oxidative degradation mechanism of nano-metal oxides 4 and 5. Single crystal X-ray analysis showed that complexes Zn1-3/ Co1-3 had tetrahedral geometry. XRD analysis of metal oxides indicated the crystalline nature of nano-metal oxides 4 and 5. The average diameter of nano-metal oxides 4 and 5 obtained by FESEM was 40 nm (4) and 150 nm (5). Zn1-3/ Co1-3 was exhibited significant antibacterial activity against all antibiotic susceptible bacteria within a concentration range of 50-200 µg/ml. Complexes Co1-3 showed high antibacterial activity than complexes Zn1-3. The complexes Co2 and Co3 were more active against S. aureus with the minimum inhibitory concentration (MIC) value of 12.5 μg/mL. The combination of AMP with complexes Co1-3 increased the antibacterial activity of Co1-3 against Methicillin-Resistant S. aureus strains (MRSA). Interestingly, complexes Co1-3 alone and in combination with AMP exhibited different antibacterial mechanism of action. Complexes Co2 and Co3 in combination with AMP disrupted the MRSA membrane, whereas other complexes did not show such a mechanism of action. Nano-metal oxides 4 and 5 showed anti-algal activity against M. aeruginosa with a minimum effective concentration of 1 mg/L and 4 mg/L, respectively. The investigation of the anti-algal mechanism of nano-metal oxides 4 and 5 showed the generation of hydroxyl free radical (·OH) in the BG-11 medium under visible light. ·OH was a highly reactive oxygen species that caused the peroxidation of M. aeruginosa lipid membrane and triggered the intracellular ROS level. Nano-metal oxide 5 showed 93.8% degradation of MB. Overall, the current study demonstrated that the complexes Zn1-3/ Co1-3 and visible light active nano-metal oxides 4 and 5 could be easily synthesized and employed to control environmental pollutants such as bacteria, cyanobacteria, and dye.