Экологически чистые оксидные наночастицы меди, легированные экстрактами имбиря и чеснока, проявляют высокую антибактериальную активность против Escherichia coli

Аннотация

Рост антибиотикорезистентных бактерий и накопление лекарственных остатков в пищевых цепочках создают глобальный кризис общественного здравоохранения. Конвенциональные антибиотики всё менее эффективны, требуется быстрая разработка новых антимикробных средств. Наночастицы оксида меди (CuO) представляют универсальную неорганическую платформу с доказанными антимикробными свойствами. В этом исследовании CuO НЧ синтезированы «зеленым» методом и легированы различными концентрациями экстрактов имбиря (Zingiber officinale, ZO) и чеснока (Allium sativum, AS). Полученные биогенные НЧ протестированы на патогенном штамме Escherichia coli, выделенном из коровьего мастита. Данные подтверждают, что имбирь-легированные CuO НЧ, особенно при соотношении экстракта 6 мл:1, обеспечивают превосходную бактерицидную активность, подчеркивая дешевую экологичную альтернативу традиционным антибиотикам.

Введение

Травяные растения, такие как чеснок и имбирь, богаты фенольными соединениями, дающими мощные антиоксидантные и антибактериальные эффекты. Имбирь содержит гингерол, шогаол и куркумин, а чеснок — аллицин и другие сернистые соединения с широким спектром действия, включая мультирезистентные штаммы. Нанотехнологии позволяют создавать материалы с уникальными физико-химическими свойствами. Наночастицы оксида меди изучались для антимикробных агентов, доставки лекарств, фото катализаторов и сенсоров благодаря полупроводниковой природе и способности генерировать реактивные формы кислорода (РФК), разрушающие бактериальные мембраны. Escherichia coli — ключевой патоген в ветеринарии и человеческой медицине. У молочного скота мультирезистентные штаммы E. coli, производствующие расширенные спектра β-лактамазы (ESBL) или AmpC β-лактамазы, вызывают мастит и значительные экономические потери. Эти вызовы подчеркивают срочность новых антимикробных средств, обходящих традиционные механизмы резистентности. Здесь исследуются «зелено» синтезированные CuO НЧ, легированные экстрактами имбиря и чеснока, как потенциальные альтернативы антибиотикам для контроля E. coli инфекций.

Методы

Цель — оценить бактерицидную эффективность фитохимически редуцированных CuO НЧ против экстрактов корней имбиря и чеснока и коровьего маститисного изолята E. coli.

Материалы

Использовались химически синтезированные CuO НЧ (Sigma-Aldrich) и сушеные корни имбиря и чеснока (рынок Лахора). Стандартные питательные среды и аналитические реактивы применялись без модификаций.

Водная экстракция корней ZO и AS

Корни измельчали, смешивали с дистиллированной водой (1:10), перемешивали 30 мин при 70 °C, фильтровали (Whatman №1), охлаждали и хранили при 4 °C (Рис. 1a).

Зеленый синтез CuO

0.1 M раствор нитрата меди смешивали с 3, 6 или 12 мл экстракта ZO или AS при непрерывном перемешивании. pH корректировали до 12 с помощью 2 M NaOH, нагревали при 90 °C 2 часа для осаждения, центрифугировали (10 000 об/мин, 20 мин), промывали и сушили сутками при 90 °C (Рис. 1b).

Характеризация

UV-vis поглощение (200–500 нм) измеряли спектрофотометром GENESYS-10S. Рентгеновская дифракция (XRD) на Bruker D2 Phaser (Cu Kα, λ = 1.540 Å). FTIR спектры методом ATR. SEM и EDS на JSM-6610LV. HRTEM и SAED на JEOL JEM-2100F. XPS для подтверждения элементных состояний.

Изоляция и идентификация E. coli

Сбор проб

Молоко собирали от коров и буйволов с клиническим маститом на нескольких фермах.

Изоляция E. coli

Посев на агар Эндо; колонии пересевали и проводили тест на чувствительность к антибиотикам по рекомендациям NCCLS.

Идентификация E. coli

Грам-краска, морфология и биохимические тесты (метил-красный, каталаза) подтверждали E. coli, подтвержденный ростом на агар EMB.

In vitro оценка антибактериальной активности

Диффузионный метод в агаре (дырочки 6 мм) против 10 патогенных изолятов E. coli. Посев 1.5×10⁸ CFU/мл, 100 мкл каждого тестового раствора (экстракты, легированные НЧ, химические CuO). Инкубация 37 °C 24 часа, зоны подавления измеряли штангенциркулем. Статистика: односторонний ANOVA (p < 0.05).

Результаты и обсуждение

UV-vis спектры показали смену цвета от винного до угольно-черного при образовании CuO НЧ. Экстракты имели максимумы при 275 нм (ZO) и 280 нм (AS). Легированные CuO НЧ демонстрировали λmax при 250 нм, оптимальное поглощение при соотношении 6 мл:1 (Рис. 2a,b).

XRD подтвердил моноклинную фазу CuO (JCPDS 00-002-1040). Кристаллит размером 24.7 нм (ZO-легированные), 47.6 нм (AS-легированные), 27.4 нм (чистые) (Рис. 3a,b). FTIR показал характерные O-H, C=O и Cu-O вибрации, подтверждающие фитохимическое каппирование (Рис. 4a,b).

SEM изображения показали сферические наночастицы с агломератами <1 мкм; EDS подтвердил высокую чистоту Cu и O, незначительные Zn и S от экстрактов (Рис. 5,6).

Диффузионные тесты показали, что ZO-легированные CuO НЧ при соотношении 6 мл:1 дают крупнейшиезоны подавления (до 2.30 мм) и бактерицидную эффективность 54.1% (Рис. 9a–c). AS-легированные НЧ проявляли умеренную активность: макс. зона 1.00 мм, эффективность 23.5% при наивысшей концентрации экстракта (Рис. 9b–d). Позитивный контроль (ципрофлоксацин) дал зону 4.25 мм, негативный (DIW) — без подавления.

Механизм антибактериального действия атрибутируется генерации РФК и выделению Cu²⁺ ионов, ведущим к разрушению мембран, денатурации белков и повреждению ДНК (Рис. 10). Меньшие НЧ производят больше РФК, повышая бактерицидную эффективность.

Заключение

«Зелено» синтезированные CuO НЧ, легированные экстрактами имбиря и чеснока, демонстрируют значительную антибактериальную активность против патогенного E. coli из коровьего мастита. Имбирь-легированные НЧ, особенно при соотношении 6 мл:1, показали наивысшую эффективность, вероятно, из-за синергизма флавоноидов и CuO. Структурный анализ подтвердил моноклинную фазу, сферическую морфологию и нанометровые размеры (24.7 нм для ZO, 47.6 нм для AS). Результаты поддерживают использование растительных CuO НЧ как экономичных, экологически чистых альтернатив конвенциональным антибиотикам, решая проблему антибиотикорезистентности и загрязнения остатками.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

fcc:

Границецентрированная кубическая

FTIR:

Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии

G + ve:

Грам-положительные

G − ve:

Грам-отрицательные

JCPDS:

Объединенный комитет по стандартам порошковой дифракции

CuO:

Оксид меди

nm:

Нанометр