Synthèse verte de nanoparticules d'oxydes métalliques avec gomme karaya et leur impact écotoxicologique sur Chlamydomonas reinhardtii

Résumé

Nous rapportons une voie durable pour produire des nanoparticules (NP) d'or (Au), platine (Pt), palladium (Pd), argent (Ag) et oxyde de cuivre (CuO) dans l'eau en utilisant le polymère naturel gomme karaya (GK) comme réducteur et stabilisant. Les colloïdes ont été caractérisés par UV-Vis, MET, potentiel zêta et DCS, confirmant des diamètres moyens de 42 nm (Au), 12 nm (Pt), 1,5 nm (Pd), 5 nm (Ag) et 180 nm (CuO) et des charges de surface négatives persistantes pendant six mois à 4 °C. L'exposition de l'algue verte C. reinhardtii à 1–20 mg L⁻¹ de ces NP a révélé que Au et Pt exerçaient une inhibition de croissance minimale, alors que Pd, Ag et CuO supprimaient presque totalement la prolifération algale et déclenchaient des dommages membranaires, stress oxydatif, quenching de la chlorophylle et altération du photosystème II. Ces résultats démontrent que la synthèse verte médiatée par GK produit des nanomatériaux stables et écologiquement bénins, pouvant être adaptés pour des applications antimicrobiennes ou algicides sélectives.

Contexte

Les NP de métaux et d'oxydes métalliques possèdent des propriétés électriques, optiques, magnétiques et catalytiques uniques qui stimulent leur utilisation généralisée dans l'industrie, la médecine, l'agriculture et la dépollution environnementale [1–4]. La synthèse conventionnelle repose sur des réducteurs et tensioactifs toxiques, soulevant des inquiétudes pour la santé humaine et l'intégrité écologique [5–11]. Les approches de chimie verte — employant des agents renouvelables, biodégradables et des solvants bénins — offrent une alternative plus sûre [12–18].

La gomme karaya, un hydrocolloïde extrait d'arbres Sterculia, contient galactose, rhamnose, acide galacturonique et résidus uroniques [63]. Des études toxicologiques confirment sa non-toxicité, même comme additif alimentaire [62–65]. Dans cette étude, nous exploitons les groupes fonctionnels de GK (–OH, –COO⁻) pour réduire les sels métalliques et stabiliser simultanément les NP résultantes, réalisant ainsi une synthèse aqueuse en une seule étape.

Malgré leur promesse technologique, les NP métalliques peuvent générer des espèces réactives de l'oxygène (ROS), des dommages à l'ADN et une peroxydation lipidique, perturbant potentiellement les communautés microbiennes et les organismes supérieurs [32–35]. Des travaux antérieurs ont montré que Ag, CuO et d'autres NP inhibent la croissance algale, la photosynthèse et l'intégrité membranaire [36–49]. Cependant, la toxicité des NP Au, Pt, Pd et CuO dérivés de GK vis-à-vis de l'algue verte modèle C. reinhardtii n'a pas été examinée systématiquement.

Méthodes

Matériaux

GK commercial, AgNO₃, HAuCl₄·3H₂O, CuCl₂·2H₂O, H₂PtCl₆, K₂PdCl₄, HCl, NaOH, NH₄OH (Sigma‑Aldrich, USA). Tous les réactifs étaient de grade analytique et l'eau déionisée (DI) a été utilisée pour toutes les préparations.

Traitement de la gomme karaya

1 g de GK a été dispersé dans 1 L d'eau DI, agité toute la nuit, puis laissé à 20 °C pendant 18 h pour éliminer les insolubles. La solution a été filtrée (10–16 µm) et lyophilisée.

Synthèse des NP

Pour Au, Pt, Pd et Ag, 100 µL de sel métallique 10 mM a été ajouté à 10 mL de solution GK dans des ballons de 50 mL. Le pH a été ajusté pour optimiser le rendement, puis le mélange a été agité à 250 tr/min, 45–95 °C pendant 1 h. Les changements de couleur (jaune, rouge vin, noir) indiquaient la formation des NP. Les NP CuO ont été produits par une voie colloïdale thermique : 100 µL de CuCl₂·2H₂O 10 mM mélangés avec GK, rapport molaire CuCl₂:NaOH 2:5, chauffés à 75 °C, 250 tr/min pendant 1 h, puis le précipité isolé par centrifugation et lavé à l'éthanol et à l'eau DI.

Caractérisation

ICP‑MS (Perkin Elmer OPTIMA 2100 DV) a quantifié le contenu métallique. Les spectres UV-Vis (Cintra 202) ont suivi les pics de plasmon et la stabilité long terme. Le MET (Tecnai F 12, 15 kV) a révélé la morphologie et la distribution de taille. En milieu algal, la sédimentation centrifuge différentielle (DC24000UHR) a déterminé la distribution de taille pondérée ; le potentiel zêta a été mesuré par Malvern Zetasizer ZS. La libération ionique en milieu algal a été évaluée par ultrafiltration (coupe 3 kDa) suivie d'ICP‑MS.

Culture de C. reinhardtii

La souche CPCC11 a été cultivée en milieu TAPx4 à 20 °C, 100 tr/min, éclairage 114,2 µmol m⁻² s⁻¹, maintenant une phase exponentielle d'environ 10⁶ cellules mL⁻¹.

Expériences d'exposition algale

Les NP (1, 5, 10, 20 mg L⁻¹) ont été ajoutés à 5 mL de suspensions algales dans des flacons de 50 mL. La croissance, l'intégrité membranaire (iodure de propidium), le stress oxydatif (CellROX Green), la fluorescence de chlorophylle et le rendement quantique du photosystème II (AquaPen‑C AP‑C 100) ont été surveillés à 1, 3, 5 et 24 h. Les témoins comprenaient algues non traitées, cellules tuées par chaleur et stress oxydatif induit par le cumin. Les données ont été collectées en double et analysées par ANOVA avec le test de Dunnett (GraphPad PRISM).

Résultats

Formation des NP et caractérisation primaire

Les images MET (Fig. 1a–e) montraient des NP sphériques monodisperses. Les spectres UV-Vis (Fig. 1f) affichaient des pics de plasmon de surface à 412 nm (Au) et 525 nm (Ag) ; Pt, Pd et CuO n'avaient pas de pics distincts. Après 6 mois, les spectres restaient inchangés, confirmant la stabilité.

Caractérisation en milieu algal

Les tailles pondérées variaient de 180 à 5 nm (CuO > Au > Pt > Ag > Pd). Tous les NP portaient des potentiels zêta négatifs à pH 7 (Tableau 1). Les concentrations ioniques métalliques étaient les plus élevées pour Pt, Ag et CuO (33–36 µg L⁻¹) et les plus faibles pour Au et Pt (6–7 µg L⁻¹).

Effet sur la croissance algale

Croissance témoin : 1 × 10⁶ cellules h⁻¹. L'exposition à 1 mg L⁻¹ Ag, Pd et CuO a réduit la croissance à 2,2 × 10⁴, 1,7 × 10⁴ et 0,2 × 10⁴ cellules h⁻¹ respectivement (P < 0,001). À concentrations plus élevées, la croissance a cessé complètement (Fig. 2). Au et Pt ont aussi ralenti la croissance, mais les effets ont plateaué indépendamment de la dose.

Induction du stress oxydatif

Les NP Ag et CuO ont induit une génération de ROS quasi complète (≈100 %) à 5–20 mg L⁻¹ (Fig. 3d, e). Au a causé <10 % ROS, diminuant à 15 % à 20 mg L⁻¹ (P < 0,001). Pt a déclenché <8 % ROS en 5 h ; à 20 mg L⁻¹, 19 % cellules stressées après 24 h. Les NP Ag ont produit 100 % stress après 24 h à 10–20 mg L⁻¹. CuO a atteint un stress significatif en 3 h à 10–20 mg L⁻¹ ; 5 mg L⁻¹ a causé un stress après 5 h. Au a produit un ROS abiotique négligeable (P > 0,05).

Intégrité membranaire

Au et Pt ont causé des dommages membranaires significatifs à tous les temps jusqu'à 5 h (P < 0,001) mais pas après 24 h. Les NP Ag ont endommagé 100 % des cellules en 1 h à toutes concentrations. Les NP Pd ont montré des dommages minimes à 1–5 mg L⁻¹ ; 20 mg L⁻¹ a produit des dommages significatifs après 24 h. Les dommages CuO augmentaient avec la dose et le temps, culminant à 24 h (Fig. 4).

Fluorescence de chlorophylle

Au et Pt n'ont eu aucun effet significatif sur la fluorescence de chlorophylle sur 24 h. Ag, Pd et CuO ont réduit marquée la fluorescence avec doses plus élevées et exposition plus longue ; 5 mg L⁻¹ Ag a fait chuter la fluorescence à 22 % à 24 h (P < 0,001). CuO et Pd à 20 mg L⁻¹ ont produit la déclin le plus raide après 24 h (Fig. 5).

Efficacité du photosystème II

Au, Pt et CuO ont produit des réductions mineures et sporadiques du rendement quantique (QY) à certains temps. Les NP Ag ont causé une chute dramatique du QY (>90 %) après 1 h à toutes concentrations. Pd et CuO ont significativement abaissé le QY seulement à 20 mg L⁻¹ (Fig. 6).

Discussion

Notre synthèse à base de GK a produit des NP Au, Pt, Pd, Ag et CuO stables, monodisperses, conservant leur intégrité six mois à 4 °C. La taille et la chimie de surface de ces particules influencent fortement leur activité biologique. Au et Pt, avec des diamètres plus grands (42 et 12 nm) et une faible libération ionique, ont affiché une toxicité minimale, suggérant leur adéquation pour applications biomédicales ou catalytiques où la biocompatibilité est critique. En revanche, Pd (1,5 nm), Ag (5 nm) et CuO (180 nm) étaient hautement toxiques pour C. reinhardtii, cohérent avec leur propension connue à générer des ROS, libérer des ions et perturber les membranes. L'effet fort de Pd est notable ; sa taille ultra-petite facilite probablement l'absorption cellulaire et la libération ionique, expliquant le stress oxydatif et l'appauvrissement en chlorophylle observés.

La toxicité des NP Ag s'aligne avec la littérature indiquant que l'Ag⁺ dissous, plutôt que la nanoparticule elle-même, pilote l'activité algicide [80–89]. Nos NP Ag enrobés de GK ont exhibé une action biocide puissante, suggérant un usage potentiel comme algicide dans piscines ou systèmes de traitement d'eau. Les NP CuO ont probablement exercé leur toxicité par perturbation membranaire induite par les particules et libération ionique Cu²⁺, corroborant des études antérieures sur C. reinhardtii et d'autres algues [36, 47, 48].

Les NP Au n'ont induit qu'un stress oxydatif modeste et transitoire et une perturbation physiologique négligeable, soutenant leur classification comme non-toxiques dans ce système algal. Les NP Pt ont causé une inhibition de croissance légère et une réduction de chlorophylle, possiblement due à une combinaison d'Pt ionique et d'ombrage particulaire, mais la toxicité globale est restée faible.

Conclusions

Nous avons synthétisé avec succès des NP Au, Pt, Pd, Ag et CuO produits de manière verte en utilisant la gomme karaya, atteignant des tailles de 42, 12, 1,5, 5 et 180 nm respectivement, toutes portant des charges de surface négatives et stables six mois. L'exposition de C. reinhardtii à ces NP a révélé que Au et Pt étaient largement inoffensifs, tandis que Pd, Ag et CuO exerçaient de forts effets toxiques sur la croissance, l'intégrité membranaire, la production de ROS, la fluorescence de chlorophylle et l'efficacité du photosystème II. Ces résultats soulignent l'importance des propriétés physicochimiques des NP dans la détermination du risque écologique et mettent en avant la promesse des NP Ag et CuO dérivés de GK comme algicides ciblés et des NP Pd, Ag, CuO pour surfaces antimicrobiennes, tandis que les NP Au et Pt peuvent être considérés sûrs pour l'exposition aux algues vertes.