Formación de nanopartículas metálicas mediada por microalgas en suspensión y encapsuladas en hidrogeles

• Autores: Spedalieri, Ana Cecilia
• Año de publicación: 2015
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Aldabe Bilmes, Sara Alfonsina; Jobbágy, Matías
• Materia: MICROALGAS; NANOPARTICULAS; BIOSINTESIS; ENCAPSULACION; HIDROGELES; MICROALGAE; NANOPARTICLES; BIOSYNTHESIS; ENCAPSULATION; HYDROGELS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El objetivo principal de este trabajo es estudiar y aprovechar la capacidad de distintas especies demicroalgas para biosintetizar nanopartículas (NPs) de metales nobles (oro, platino y paladio), poniendoénfasis en los parámetros que controlan los procesos de nucleación y crecimiento. El trabajo se abordódesde dos enfoques complementarios: i) reducción química empleando biomoléculas que condicionan lamorfología y dimensión de las NPs resultantes; ii) la biosíntesis a partir de los iones en solución mediadapor microalgas en cultivos líquidos o encapsuladas en matrices de sílica y alginato. La motivación de estatesis es contribuir al desarrollo de (bio)reactores para la recuperación de metales preciosos presentes enefluentes industriales o en aguas naturales. Tomando como punto de partida la síntesis de NPs de oro, de rápida caracterización espectroscópica, setrabajó con microalgas verdes para evaluar el rol del aparato fotosintético en los primeros estadíos de lareducción de los metales. Se utilizaron tres especies: Chlorella vulgaris, Kirchneriella lunaris y Chlamydomonasreinhardtii, consideradas modelo en estudios fotosintéticos y resistentes a altas concentraciones de cationes. Una diferencia importante entre éstas es el tipo de polisacárido que sintetizan, y su excreción yacumulación en la pared celular que pueden ser determinantes de la resistencia a la toxicidad de cationes ya la distribución de tamaño y/o de forma de las NPs biosintetizadas. Se analizaron las característicasmorfológicas y dimensionales de las partículas y su dependencia con la concentración del catión, con elpH, con la especie utilizada y el tiempo del fotoperíodo. Se realizó un estudio sistemático de estas variablesy se analizó el rol de pequeños hidratos de carbono y aminoácidos en la síntesis química de NPs de oro,pudiéndose determinar algunas de las condiciones de concentración de biomoléculas y pH que llevan a NPs cuasi esféricas de pocos nm o a “plateletas” triangulares de decenas de nm. A partir de estosresultados, se pudo establecer cualitativamente el rol de estas variables en los procesos de nucleación ycrecimiento. A partir de la comprensión del proceso de reducción y posterior crecimiento de NPs de oro, se extendióesta metodología a NPs de platino y paladio, poco explorada con microalgas. La reducción de estoscationes tiene un mecanismo más complejo que involucra la formación intracelular de clusters que crecentras ser excretados por las células. Por último, se estudió la biosíntesis de NPs metálicas mediada por microalgas encapsuladas en matrices desílica y alginato. El estudio detallado de la interacción entre los cationes precursores, el alginato y la matrizmineral permitió la optimización de estas plataformas para la biosíntesis en espacios confinados. Ladifusión desde el medio externo de cationes nobles y la biosíntesis exitosa de NPs por las microalgasencapsuladas resulta en un avance prometedor hacia la utilización de microorganismos encapsulados parala recuperación de metales.
The main goal of the present work is to explore the ability of different species of microalgae tobiosynthesize noble metal (gold, platinum, palladium) nanoparticles (NPs), with particular focus on factorsthat affect nucleation and growth. This research was based on two complementary approaches based onionic metallic precursors dissolved in water: i) chemical reduction with biomolecules that determinemorphology and size of the resulting NPs; ii) biosynthesis mediated by microalgae in liquid medium orencapsulated in silica-alginate matrices. The incentive for this thesis is to contribute to the development of (bio)reactors for precious metals recovery from industrial effluents or natural waters. Taking as a starting point the synthesis of gold NPs, easier thanks to a fast spectroscopic characterization,we worked with green microalgae to evaluate the role of the photosynthetic apparatus in the early stages ofmetal reduction. Three species were employed: Chlorella vulgaris, Kirchneriella lunaris y Chlamydomonasreinhardtii, considered model microorganisms for photosynthetic studies and resistant to high cationconcentrations. One of the differences between them is the type of polysaccharides they synthesize, and itsexcretion and accumulation in the cell wall can be determinant for cation toxicity resistance, and size andshape distribution of biosynthesized NPs. The morphological and dimensional characteristics of theparticles and their dependence with cation concentration, pH, species and photoperiod were analyzed. Asystematic study of these variables was carried out, and the role of small carbohydrates and aminoacids ingold NPs chemical synthesis was analyzed, allowing the determination of some conditions as biomoleculeconcentration or pH that drive to quasi-spherical NPs of a few nm or to triangular “plates” of several nm. With these results, we could qualitatively establish the role of these variables in the processes of nucleationand growth. From the understanding of the process of reduction and latter growth of gold NPs, this methodology wasextended towards the study of platinum and palladium NPs, yet underexplored with microalgae. Reductionof these cations has a more complex mechanism, which involves intracellular clusters formation that growonce excreted by the cells. Finally, biosynthesis of metallic NPs by microalgae encapsulated in silica-alginate matrices was studied. Adetailed analysis of interactions between precursor cations, alginate and the mineral matrix allowed theoptimization of these platforms for biosynthesis in confined spaces. Diffusion of noble cations fromexternal media and successful biosynthesis of NPs by encapsulated microalgae results in a promising steptowards the use of encapsulated microorganisms for metal recovery.
Fil: Spedalieri, Ana Cecilia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.