Synthesis, characterization and antibacterial properties of pure and Li doped ZnO nanoparticles for alternative water disinfection methods

Abstract

As a consequence of growing water demand and pollution, water borne disease outbreaks are on the rise and current disinfection methods have shown to be ineffective in inactivating all pathogens during water treatment. Zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) have reported antimicrobial properties due to oxidative stress caused by reactive oxygen species (ROS) generation. Also, ZnO has high thermal and chemical stability and low toxicity, which makes these NPs an excellent candidate for water treatment applications. Furthermore, incorporation of lithium (Li) in the crystal structure of ZnO NPs should enhance the production of reactive oxygen species. On the other hand, for practical applications, the nanoparticles must be immobilized in a medium to ensure that particles are not dispersed into the treated water. Accordingly, this work addresses the effect of Li+1 doping on the bactericidal properties of ZnO nanorods synthesized using a polyol-based process. Additionally, synthesized nanoparticles were dispersed in electrospun polyacrylonitrile (PAN) membranes to evaluate antibacterial capacity of the composites. X-Ray Diffraction (XRD) analyses confirmed the wurtzite ZnO phase, while the incorporation of Li+1 in the ZnO structure was evidenced by the systematic shift of the diffraction peaks. The embedding of ZnO nanoparticles to PAN electrospun membranes was also confirmed by XRD. Scanning Electron Microscopy (SEM) characterization was used to determine morphology and size. UV-VIS and Photoluminescence (PL) spectroscopy measurements were used to evaluate the optical properties of the synthesized nanoparticles. The antibacterial activity of pure and doped ZnO NPs was evaluated against E. coli, S. typhimurium and E. faecalis. Minimum inhibitory concentration (MIC) was determined using a simple microdilution method. Also, growth curves of the test bacterium were generated using the colony count method to better elucidate the possible bactericide mechanisms of synthesized nanoparticles and membrane composites. Generation of ROS species was evaluated via photocatalytic experiments using methylene blue dye.

Como consecuencia de la creciente demanda y contaminación del agua, los brotes de enfermedades transmitidas por agua están en aumento y los métodos actuales de desinfección han demostrado ser ineficaces para inactivar todos los patógenos durante el tratamiento del agua. Las nanopartículas de óxido de zinc (NPs ZnO) han demostrado propiedades antimicrobiales debido al estrés oxidativo causado por la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés). Además, ZnO tiene una alta estabilidad térmica y química y una baja toxicidad, lo que convierte a estas nanopartículas en excelentes candidatas para aplicaciones en tratamiento de agua. Adicionalmente, la incorporación de litio (Li) en la estructura cristalina de ZnO debería mejorar la producción de especies reactivas de oxígeno. Por otro lado, para aplicaciones prácticas, las nanopartículas deben permanecer inmovilizadas en un medio para garantizar que estas no se dispersen en el agua tratada. Por lo tanto, este trabajo aborda el efecto del dopaje de Li+1 en las propiedades antibacteriales de nanovaras de ZnO sintetizadas utilizando un proceso de polyol. Además, las nanopartículas sintetizadas se dispersaron en membranas de poliacrilonitrilo (PAN) para evaluar la capacidad antibacterial de estos compuestos. Los análisis de difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en ingles) confirmaron la fase de wurtzita de ZnO, mientras que la incorporación de Li+1 en la estructura de ZnO se evidenció por el cambio sistemático de los picos de difracción. La incorporación de nanopartículas de ZnO a membranas electrohiladas de PAN también fue confirmada por XRD. Se usó la caracterización de microscopía electrónica de barrido para determinar la morfología y el tamaño. Para evaluar las propiedades ópticas de las nanopartículas sintetizadas, se utilizaron medidas de espectroscopia ultravioleta-visible y fotoluminiscencia. La actividad antibacterial de las NPs de ZnO puras y dopadas se evaluó contra E. coli, S. typhimurium y E. faecalis. La concentración mínima inhibitoria se determinó utilizando un método simple de microdiluciónes. Además, las curvas de crecimiento de las bacterias se generaron utilizando un método de conteo de colonias para dilucidar mejor los posibles mecanismos antibacteriales de las nanopartículas sintetizadas y los compuestos de membrana. La generación de ROS se evaluó mediante experimentos fotocatalíticos usando colorante de azul de metileno.