Biogene Synthese, Charakterisierung und Bewertung des antibakteriellen Potenzials von Kupferoxid-Nanopartikeln gegen Escherichia coli

Einführung

Einheimische Kräuter- und Gewürzpflanzen enthalten wertvolle antioxidative und antibakterielle Eigenschaften, die in der Human- und Veterinärmedizin eingesetzt werden [1]. Zu den Heilpflanzen mit antimikrobiellen Eigenschaften gehören Knoblauch, Ingwer, Neem, Kurkuma, Tulsi usw. und unter diesen sind Knoblauch und Ingwer für ihre medizinische Verwendung bekannt [2]. Zingiber officinale allgemein bekannt als Ingwer ist eine einheimische Pflanzenwurzel aus der Familie der Zingiberaceae. Es enthält als wichtige sekundäre Pflanzenstoffe Gingerol, Shogaol, Curcumin und Paradol [3]. Die antimikrobielle Aktivität gegen eine Vielzahl von Mikroben wurde durch wässrige Ingwerextrakte aufgrund ihres therapeutischen Phenolgehalts manifestiert [4]. Allium sativum allgemein bekannt als Knoblauch enthält phenolische Verbindungen, die ein breites antibakterielles Wirkungsspektrum sogar gegen MDR-Bakterien aufweisen [5]. Allium sativum hat eine antibakterielle Breitbandaktivität gegen eine Reihe von Gram-positiven und verschiedenen Gram-negativen Bakterien gezeigt [6].

Die Nutzung des Wissens der Nanotechnologie auf molekularer und atomarer Ebene dient als Grundlage für die Anwendung eines integrativen Ansatzes zur Entwicklung neuer Verbindungen mit einzigartigen Eigenschaften für den Einsatz in Breitspektrumanwendungen [7]. Medizinische, landwirtschaftliche, Lebensmittelkonservierungs- und kosmetische Anwendungen von Nanopartikeln haben aufgrund ihrer unübertroffenen inhärenten Eigenschaften zu einer verstärkten Erforschung durch Forscher geführt [8, 9]. Verschiedene biologische Anwendungen von Kupferoxid-Nanopartikeln wurden erfolgreich demonstriert, darunter potenzielle antimikrobielle Wirkstoffe, wirksame therapeutische Verbindungen, Wirkstoffträger, Photokatalysatoren, Gassensorik, photovoltaische Stabilität, Quanteneinschlusseffekt und biologische Sonden [10,11,12,13,14]. Die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) wird durch Nanopartikel aufgrund ihrer Halbleiternatur ausgelöst, was zu oxidativen und degenerativen Transformationen auf zellulärer Ebene führt, die zur Zerstörung der bakteriellen Zellwände und zur Freisetzung von Zellinhaltsstoffen führen [15]. Für die Synthese von Nanopartikeln wurden viele Methoden praktiziert, d. h. chemische, physikalische und biologische Synthese [16]. Die Reduktion von metallischen Verbindungen führt zur Produktion von Nanopartikeln unter Verwendung jeglicher biochemischer oder Mikroorganismen, Pflanzen oder deren Extrakte [17].

Escherichia coli (E. coli ), ein natürlicher Bewohner des Darms und Teil der Darmflora, nimmt aufgrund seiner potentiell virulenten Eigenschaften eine besondere Stellung in der mikrobiologischen Welt ein [18]. Die Existenz von Virulenz hängt von der Anzahl der Gene in E ab. coli Isolate und in einigen Fällen wurde auch ein horizontaler Transfer von Resistenzgenen aufgedeckt [19, 20], der bei Menschen, Tieren [21] gesundheitliche Bedenken und eine Herausforderung für die Lebensmittelsicherheit und -sicherheit darstellen kann [22]. E. coli ist Erreger von Mastitis bei Milchkühen und Büffeln und wurde für einen starken Rückgang der Milchleistung und daraus resultierende wirtschaftliche Verluste verantwortlich gemacht [23, 24], die Resistenzgene, dh Extended-Spectrum-β-Lactamasen (ESBLs) oder über- exprimierte Cephalosporinasen (AmpCs) [25]. Behandlungsversagen im Zusammenhang mit E. coli Infektionen gelten als latente Bedrohung, die sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin zu Mehrfachresistenzen führt [26].

Nanopartikel mit ihren charakteristischen antimikrobiellen Eigenschaften haben das Potenzial, etwa 600 Zellen abzutöten, während Antibiotika nur wenige infektiöse Krankheiten behandeln können [27]. Die aktuelle Studie zielt darauf ab, das mögliche antimikrobielle Potenzial von grünen und chemisch synthetisierten CuO-Nanopartikeln und Extrakten aus gewöhnlichen Kräuterwurzeln von Allium sativum . zu untersuchen, zu bewerten und zu vergleichen (AS) und Zingiber officinale (ZO), gegen pathogene E. coli als Alternativen zu Antibiotika, um die aufkommenden Resistenzherausforderungen zu überwinden.

Methoden

Ziel der aktuellen Studie war es, die bakterizide Wirkung von phytochemisch reduzierten CuO-NPs gegen Kräuterwurzeln von Allium sativum . zu untersuchen (AS) und Zingiber officinale (ZO), ein Isolat von Rindermastitis.

Materialien

Chemisch hergestellte Nanopartikel von CuO wurden von Sigma-Aldrich bezogen, während ZO- und AS-Wurzeln vom lokalen Obst- und Gemüsemarkt in Lahore, Pakistan, bezogen wurden. Wurzeln von ZO und AS wurden im Schatten getrocknet, um ein gleichmäßiges Gewicht zu erreichen. Wachstumsmedien für E. coli und Chemikalien in analytischer Qualität wurden ohne Modifikation verwendet.

Wässrige Extraktion von ZO- und AS-Wurzeln

Getrocknete Wurzeln von ZO und AS wurden zu feinen Pulvern ultrafein gemahlen, die dann in luftdichten Gläsern aufbewahrt wurden. Ein kräftiges Rühren von 30 Minuten bei 70 °C zum Mischen feiner pulverisierter Wurzeln mit destilliertem Wasser-DIW wurde im Verhältnis 1:10 durchgeführt. Die Filtration der hergestellten Lösungen wurde unter Verwendung von Whatman-Filterpapier Nr. 1 nach dem Abkühlen der Lösungen durchgeführt und die Lagerung des Filtrats wurde bei 4 °C für das nächste Experiment durchgeführt [28], wie in Abb. 1a gezeigt.

Übersicht über a wässrige Extraktion von Zingiber officinale und Allium sativum Wurzeln, b grüne Synthese von CuO-NPs

Grüne Synthese von CuO

Kupfernitrattetrahydrat (0,1 M) wurde mit verschiedenen Konzentrationen, d. h. 3 ml, 6 ml und 12 ml ZO- und AS-Extrakte unter ständigem Rühren gemischt. NaOH (2 M) wurde verwendet, um den pH-Wert der gerührten Lösung 2 h lang bei 90 °C zur Bildung von Niederschlägen zu halten. Die Zentrifugation der Präzipitate wurde bei 10.000 U/min für 20 Minuten durchgeführt, gefolgt von Waschen mit DI-Wasser und Trocknen über Nacht in einem Heißluftofen bei 90 °C [29], wie in Abb. 1b dargestellt.

Charakterisierung

Das UV-sichtbare GENESYS-10S-Spektrophotometer wurde verwendet, um die Absorptionsspektren von CuO-Nanopartikeln und wässrigen Extrakten von ZO und AS im Wellenlängenbereich von 200 bis 500 nm zu überprüfen [30]. Die Struktur- und Phasenanalyse von CuO-NPs wurde mit Röntgenbeugung (XRD) BRUKER D2 Phaser mit 2θ . durchgeführt = (10°–80°) ausgestattet mit Cu Kα-Strahlung von λ = 1,540 Å [31]. Zur Analyse funktioneller Gruppen in CuO-NPs und wässrigen Extrakten von ZO und AS wurde Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) durchgeführt [31]. Rasterelektronenmikroskopie (JSM-6610LV SEM) gekoppelt mit einem EDS-Detektor wurde zur Beobachtung der elementaren und morphologischen Konstitution von CuO-NPs durchgeführt. Hochauflösende TEM-Bilder und SAED-Muster wurden mit dem Mikroskop JEOL JEM-2100F [32] aufgenommen.

E. coli Isolierung und Identifizierung

Sammlung von Proben

Kühe und Büffel, die an klinischer Mastitis litten, wurden für die Sammlung von Milchproben aus verschiedenen Tierhaltungsbetrieben aufgespürt und identifiziert.

E. coli Isolation

MacConkey-Agar wurde zum Ausstreichen und Kultivieren von Milch in dreifacher Ausfertigung zur Isolierung gereinigter Kolonien von E. coli [33]. Disk-Diffusionen charakteristischer Kolonien von E. coli wurden evaluiert, um die Anfälligkeit gegen bestimmte Antibiotika zu überprüfen, wobei die Richtlinien des National Committee for Clinical Laboratory Standards (NCCLS) zur Isolierung von E. coli .

Identifizierung von E. coli

Identifizierung und Bestätigung von E. coli Kolonien wurden basierend auf der Gram-Färbung durchgeführt; Unterscheidung morphologischer Merkmale und biochemischer Tests, d. h. Methylrot- und Katalasetests mit Blick auf das Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. Die Kultivierung von Isolaten auf Eosin-Methylenblau-(EMB)-Agar wurde für E. coli Unterscheidbarkeit und Ratifizierung von verwandten gramnegativen Mastitogenen.

Bewertung des antibakteriellen Potenzials von CuO-NPs in vitro gegen E. coli

Eine Reihe von Experimenten wurde durchgeführt, um in vitro . zu bewerten antibakterielles Potenzial von extraktdotierten CuO-NPs gegen pathogene E. coli . In vitro Studien wurden mit 10 repräsentativen pathogenen E. coli Isolate zur Bewertung des antibakteriellen Potenzials von CuO-NPs. Die Bewertung der Disk-Diffusionsmethode wurde verwendet, um in vitro . zu beurteilen antimikrobielles Potenzial. Petrischalen wurden mit aktiviertem Wachstum von E. coli 1,5 × 108 KBE/ml (0,5 Mcfarland Standard) auf MacConkey-Agar [34]. Ein steriler Korkbohrer wurde verwendet, um Vertiefungen mit 6 mm Durchmesser in den Petrischalen herzustellen. Wässrige Extrakte von ZO und AS, zusammen mit grün dotierten Extrakten und chemisch synthetisierten Kupferoxid-Nanopartikeln in verschiedenen Konzentrationen wurden in Wells eingebracht. Das antimikrobielle Potenzial von wässrigen Extrakten von ZO und AS zusammen mit grün dotierten Extrakten und chemisch synthetisierten Kupferoxid-Nanopartikeln wurde durch aerobe Inkubation der Petrischalen bei 37 °C über Nacht durch Messung der Hemmzonen (mm) mit einem Messschieber bewertet. Die statistische Analyse der Hemmzonen (mm) wurde unter Verwendung von Einweg-ANOVA und Visualisierung (p < 0.05).

Ergebnisse und Diskussion

UV-Vis-Spektroskopie von dotierten CuO-NPs und wässrigen Extrakten von ZO und AS wurde durchgeführt, um das optische Verhalten zu untersuchen, wie in Abb. 2a, b gezeigt. Für die anschließende Bildung von CuO-NPs wurde eine allmähliche Farbverschiebung von Wein zu Kohlenschwarz beobachtet, während die Optimierung der synthetisierten NPs mittels gewölbter, akustischer Extrakte vorgenommen wurde. Wässrige Extrakte ZO- und AS-Absorptionspeaks bei 275 und 280 nm wurden beobachtet. Dargestellte Ergebnisse λ _max für ZO- und AS-dotiertes CuO bei 250 nm mit einem Verhältnis von 6 mL:1 mit charakteristischen Rotverschiebungen bzw. Blauverschiebungen [35]. Breite Peaks spezifizierten Partikelcluster und den Übergang von Elektronen zu Leitungsbändern aus der Valenzphase mit konzentrierten Extrakten in CuO, wie durch starke Absorptionsbanden offenbart [36]. In grün synthetisierten CuO-NPs wurde eine verringerte Absorption durch Erhöhen oder Verringern des Extraktvolumens zusätzlich zum optimierten Wert (6 ml:1) beobachtet.

Absorptionsspektren von CuO-NPs dotiert mit a ZO b AS-Extrakt und PL-Spektren CuO-NPs mit c ZO und d AS-Extrakte bzw.

Außerdem war bemerkenswert, dass halbleitende Strukturen ihre physikalischen Eigenschaften gegenüber den existierenden nanometrischen Quantengrößeneffekten bestätigten. PL-Spektren von ZO- und AS-dotierten CuO-NPs mit einer anregenden UV-Wellenlänge von 300 nm sind in Abb. 2c, d dargestellt. Die drei Emissionspeaks bei 418, 561 und 664 nm wurden auf jedem reinen und dotierten PL-Diagramm von CuO (UV-Bereich) dargestellt [37]. Eine violett-blaue Lichtbande bei 418 nm ist ein Standard-CuO-Emissionspeak an der nahen Bandkante [38, 39]. Bei 430 nm kann die Schulterkante auf CuO-Leerstellen zurückzuführen sein, bei denen es sich um einen Halbleiter vom p-Typ handelt. Der gelblich-grüne Rand ist für die Tiefenfehler bei tiefen Temperaturen bei 561 nm verantwortlich. Die roten Emissionspeaks bei 664 nm sind für unterschiedliche Kupferbedingungen oder das Vorhandensein einzelner ionisierter Sauerstoffleerstellen verantwortlich [40, 41]. Das vielfältige Vorhandensein sichtbarer Emissionen im violett-blauen, gelb-grünen und roten Spektrum weist darauf hin, dass die untersuchten CuO-Partikel ein hohes Volumen-Oberflächen-Verhältnis und eine Vielzahl von Oberflächen-zu-Volumen-Bedingungen und Defekten (Leerstellen oder Zwischengitteratome) aufweisen, die Trap-to-Emission-Bereiche [40, 42].

XRD wurde durchgeführt, um die kristalline Struktur, Zusammensetzung und Größe von CuO-NPs zu beurteilen, wie in Abb. 3a, d, dotiert mit ZO bzw. AS, dargestellt. Die Zunahme der Kristallinität wurde durch Peaks nachgewiesen, die bei 2θ . nachgewiesen wurden = 38,7°, 48,6°, 53,5°, 58,3°, 61,7° und 66,2° mit entsprechenden Kristallebenen (111), (–202), (020), (202), (–113) bzw. (022). Die nachgewiesenen Peaks bestätigten das Vorhandensein einer monoklinen CuO-Phase, synchronisiert mit der JCPDS-Karte Nr. 00–002–1040 [43]. Die charakteristische Kristallitgröße gemessen mit D = 0.9λ /β cosθ wurde für ZO- bzw. AS-dotiertes CuO mit 24,7 und 47,6 nm ermittelt, und die Kristallitgröße der unberührten Probe betrug 27,4 nm. Mehrere Naturstoffe wurden als Verkappungs- und Reduktionsmittel für die durchschnittliche Kristallitgröße in AS- und ZO-Extrakten identifiziert [44].

XRD-Muster von CuO-NPs ohne und mit Dotierung von a AS b ZO

Funktionelle Gruppen von mit AS- und ZO-Extrakt dotierten CuO-NPs wurden mit FTIR untersucht, wie in Abb. 4a, b entsprechend dargestellt. Der breite Peak bei 3314 cm ⁻¹ bestätigten das Vorhandensein von Hydroxylgruppen und die Peakbreite steht für direktes C=O mit (N-H)-Aminen [45]. Der intensive Peak bei 1638 cm ⁻¹ entsprach CH₂ –OCH₃ Gruppe, die in 6-Snogal und 6-Gingerol von ZO existiert, wie eine wesentliche Reduktion von CuO festgestellt wurde. Die typischen Einfachbindungen von Cu-O bei 478,8 cm ⁻¹ in der verdrehten Weise waren auf starke Vibrationsarten zurückzuführen [46]. Alle Peaks deuten darauf hin, dass Alkohol-, Amin- und Ketongruppen zu Chelatbildung und Capping von Flavonoiden, pflanzenchemischen Substanzen und Proteinen führten [47].

FTIR-Spektren von a AS b ZO-dotierte CuO-NPs

FE-SEM wurde verwendet, um die Oberflächeneigenschaften und den Maßstab von mit ZO- und AS-Extrakt dotierten CuO-NPs zu untersuchen, wie in Abb. 5a–d′ gezeigt. Die FE-REM-Bilder zeigen, dass die CuO-NPs in sphärischer Morphologie extrem agglomeriert sind. Magnetische Interferenz und die Konformität von Polymeren zwischen Partikeln können eine Agglomeration zwischen Partikeln zeigen [48]. Die Dotierung von ZO und AS mit CuO wurde durch die Bilder deutlich, die die Clusterbildung und die Partikelgröße zeigten < 1 μm, wie in Abb. 5b–d′ dargestellt.

Bilder von CuO-NPs, aufgenommen mit FESEM a CuO, b –d ZO-dotiertes CuO und b′ –d′ AS-dotierte CuO-NPs bzw.

Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) veranschaulichte die chemische Zusammensetzung mit elementarer Untersuchung unberührter Proben und dotierter CuO-NPs mit ZO- und AS-Wurzelextrakten durch eingefleischte CuO-Phasen, wie in Abb. 6a–d′ gezeigt. Drei Peaks, die der hohen Reinheit von Cu entsprechen, bestätigt durch EDS der getesteten Proben im Vergleich mit Vorläufersauerstoff zwischen 1 und 10 keV. Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) von CuO-NPs führte zu Absorptionspeaks [49]. 83,7 %, 15,2 % und 0,6 % wurden für das Atomgewicht durch Spektren für Cu, O bzw. Ca für die Kontrollprobe beobachtet, während 82,8 %, 14,8 % und 2,4 % für die ZO-dotierte und optimierte Probe (6 mL:1) beobachtet durch Spektren für Cu, O bzw. Zn. In ähnlicher Weise wurden 65,3, 29,6 bzw. 4,6 für Cu, O und S mit AS-Dotierung gefunden. Die zusätzlichen atomaren Verbindungen, die in EDS erscheinen, reagierten auf den während der Analyse verwendeten SEM-Probenhalter [50].

EDS-Spektren von CuO-NPs a reines CuO b –d ZO-dotiertes CuO und b′ –d′ AS-dotierte CuO-NPs bzw.

Die exklusive und charakteristische Struktur von CuO-NPs wurde weiter mit HR-TEM bei 50 nm bewertet, wie in Abb. 7a–l dargestellt. HR-TEM-Bilder zeigten verzierte Nanopartikel ähnlich den FE-SEM-Bildern zusammen mit einer höheren Agglomeration bei einer Größe von weniger als 50 nm. Das Vorhandensein von sekundären Pflanzenstoffen in ZO- und AS-dotierten CuO-NPs wurde auch mit HR-TEM-Bildern bestätigt [51]. In der integralen Gitterstruktur von ZO- und AS-dotierten CuO-NPs wurde weder eine Imperfektion noch eine Deformierung beobachtet [52]. Gefilterte Mikroskopaufnahmen wurden durch HR-TEM-Ergebnisse zusammen mit einer schnellen Fourier-Transformation [FFT] des spezifizierten Bereichs präsentiert, der in Abb. 7b, d, f, h, j, l durch das gelbe Quadrat dargestellt ist und hochauflösende strukturelle und atomare Eigenschaften darstellt. Die mittleren HR-TEM-Partikelabmessungen sind genau auf die Kristallitgrößen abgestimmt, die während der XRD- und SEM-Analyse beobachtet wurden [53].

a , b HR-TEM, a –f Gitterstreifen von 3 ml, 6 ml und 12 ml ZO-dotiertes CuO g –l Gitterstreifen von 3 ml, 6 ml bzw. 12 ml AS-dotierte CuO-NPs

Die XPS-Analyse von dotiertem CuO mit Gi- und Ga-CAE zeigt C 1s und Cu 2p Spektrum ist in Abb. 8a, b gezeigt. Die C1s Bereich zeigte das Vorhandensein von vier unterschiedlichen Peaks an Abb. 8a mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen als C(H,C) (284,39 eV), C(N) (285,6 eV), C(O,=N) (287,0 eV) und C–O –C (288,75 eV) [54,55,56]. Fig. 8b zeigt hauptsächlich Cu 2p Muster von dotiertem CuO mit Peaks bei 933,3 und 953,3 eV Bindungsenergien entsprechend Cu 2p _3/2 und Cu 2p _1/2 Spinorbit zeigt den zweiwertigen Oxidationszustand der präparierten Probe an. Die relevanten Peaks bei 942,2 und 962 eV beziehen sich auf Satellitenpeaks von Cu 2p _3/2 und Cu 2p _1/2 was hauptsächlich auf teilweise gefüllte 3d . zurückzuführen zu sein schien ⁹ Orbital in zweiwertiger Oxidationsstufe [57].

a , b XPS-Analyse dotierter CuO-NPs a C1s b Cu 2p

Die Well-Diffusions-Methode wurde zur Bewertung des bakteriziden Potenzials von wässrigen ZO- und AS-Extrakten und synthetisierten CuO-NPs angewendet, indem die Hemmflächen nach 24-stündiger Inkubation der Petriplatten gemessen wurden, wie in Abb. 9a–d gezeigt, Zusatzdatei 1:Abb. S1 und tabellarisch in Tabelle 1 aufgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die NP-Konzentration und die Hemmzonen synergistisch reagierten. Signifikante Hemmzonen, die für Probe 1 (3 ml:1), Probe 2 (6 ml:1) und Probe 3 (12 ml:1) gefunden wurden, waren (1,05–1,85 mm) und (1,85–2,30 mm) mit verringertem (↓) bzw. erhöhte (↑) Konzentrationen für ZO-dotierte CuO-Nanopartikel (p < 0,05), Abb. 9a. In ähnlicher Weise wiesen AS-dotierte NPs nur bei maximaler Konzentration (0,65–1,00 mm) Hemmzonen auf, Abb. 9b. AS-dotierte NPs zeigten keine Wirksamkeit gegen pathogene E. coli bei minimalen Konzentrationen. Der ZO-Extrakt zeigte die Wirkung bei einer verringerten (↓) Konzentration im Vergleich zu einer erhöhten (↑) Konzentration mit einer 1,55 mm-Zone. Ebenso wurde keine antibakterielle Wirkung von AS-Extrakten sowohl bei verringerten (↓) als auch bei erhöhten (↑) Konzentrationen gefunden. Das mit Ciprofloxacin behandelte Kontroll-Positiv zeigte eine Zone von 4,25 mm, während das mit DIW behandelte Kontrollnegativ 0 mm aufwies. Der Prozentsatz der bakteriziden Wirksamkeit wurde von 24,7 auf 43,5 % bzw. 43,5–54,1 % für ZO-dotierte NPs bei minimaler bzw. maximaler Konzentration erhöht (Abb. 9c). In ähnlicher Weise ergab sich eine Wirksamkeit von 15,3–23,5% bei maximaler Konzentration nur für AS-dotierte NPs (Abb. 9d). Zusammenfassend zeigte CuO, das mit ZO-Extrakt dotiert und auf 6 ml:1 optimiert war, ein höheres bakterizides Potenzial gegen pathogene E. coli von Rindermastitis (p < 0,05) wie in Abb. 9a, b gezeigt.

a –d In-vitro-antibakterielle Aktivität von CuO-NPs a dotiert mit ZO bei ↓ und ↑ Dosis, b dotiert mit AS bei ↓ bzw. ↑ Dosen, c Wirksamkeit %age dotiert mit ZO und d Wirksamkeit % mit AS dotiert

Das bakterizide Potenzial von Nanopartikeln hängt von der Größe der Nanopartikel, der morphologischen Struktur und dem Verhältnis von Oberfläche zu Masse ab. Es wird angenommen, dass reaktive Sauerstoffspezies (ROS) für die Bildung von Hemmzonen durch CuO-Nanopartikel verantwortlich sind [58, 59]. Die Denaturierung des Zellproteins resultierte durch die Bildung von schädlichen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) [60]. Einige reaktive Spezies spielten bei der Photokatalyse eine wichtige Rolle, wie Hydroxyl- und Superoxidradikale und Löcher [61]. Die Synthese reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und die Freisetzung von Metallionen sind die Hauptmerkmale, die die strukturellen Veränderungen von Enzymen und Proteinen manifestieren, die folglich zu irreparablen Schäden an der DNA und nachfolgendem Bakterientod führen [62]. In ähnlicher Weise gilt oxidativer Stress, der durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt wird, als der Hauptfaktor für die Photokatalyse [63]. Die ROS-Produktion ist umgekehrt proportional zur Größe der Nanopartikel, d. h., je kleiner die Größe der NPs ist, desto höher ist die ROS-Produktion, die folglich die Bakterienmembran schädigt, was zur Extrusion des zytoplasmatischen Inhalts und zum DNA-Abbau führt, was zu einem Bakterienplatzen führt, wie in Abb. 10 dargestellt. Gleichzeitig interagiert positiv geladenes Cu elektrostatisch mit negativ geladener Bakterienmembran, was zum Zerfall der Zellen und schließlich zur Zerstörung der Bakterien führt [58, 64, 65]. Zwei Reaktionen wurden als Potenzial für den bakteriziden Mechanismus von Nanostrukturen vorgeschlagen. Eine beinhaltet eine bessere Verknüpfung zwischen den Kationen Cu ²⁺ und Bakterienzellen, was zur Bildung von negativisierten Abschnitten und schließlich zum Kollaps führt. Die andere beinhaltet die elektronische Anregung der CuO-Valanzbandoberfläche durch Anregung. Darüber hinaus ist der elektrische O₂ Reaktion erzeugt O ²⁻ Radikale, die zur Bildung von H₂ . führen O₂ . Das erzeugte O ²⁻ Arten sind essentiell für den Abbau von Lipid- oder Proteinmolekülen auf der äußeren Zellmembran von Bakterien [58, 66].

Illustration der bakteriziden Wirkung von CuO-NPs

Schlussfolgerungen

Bakterizides Potenzial von CuO-NPs dotiert mit Zingiber officinale und Allium sativum Extrakte gegen pathogene E. coli wurde in dieser Studie evaluiert, die mit dem Ziel alternativer, ökonomischer und wirksamer antimikrobieller Mittel hergestellt wurde. Die bedeutende Rolle phytochemischer Inhaltsstoffe von ZO- und AS-Extrakten wurde bei der biogenen Synthese von CuO-NPs gezeigt, während synergistische Effekte von Flavonoiden mit CuO als konzentrationsabhängig unter Ausnutzung des bakteriziden Potenzials gegen pathogene E gefunden wurden. coli . FTIR wurde zur Bestätigung der Dotierung von ZO- und AS-Extrakten durchgeführt, und XRD-Peaks bestätigten die monokline Phase und sphärische Struktur mit mittleren Größen von 24,7 nm (ZO-dotiert) und 47,6 nm (AS-dotiert). Die sphärische Morphologie wurde mit FESEM-Bildern zusammen mit einer exorbitanten Ansammlung von CuO-NPs bestätigt. Verzierte Nanopartikel zeigten eine höhere Agglomeration in TEM-Bildern mit einer Größe von weniger als 50 nm. Bei dotierten Proben mit Wurzelextrakten wurde festgestellt, dass der Zwischenschichtabstand von CuO-Nanopartikeln, gemessen mit 0,23 nm, mit XRD-Mustern kompatibel ist. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass das antibakterielle Potenzial von grün synthetisierten CuO-NPs als alternative bakterizide Mittel erwartet werden kann, um die Bedenken im Zusammenhang mit Antibiotikaresistenzen und Rückständen auszuräumen. Daraus kann geschlossen werden, dass mit einheimischen Kräutern dotierte CuO-NPs wirtschaftliche, wirksame und naturfreundliche antibakterielle Mittel sind.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

fcc:

Kubisch flächenzentriert

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

G + ve:

Gram positiv

G −ve:

Gram negativ

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverbeugungsstandards

CuO:

Kupferoxid

nm:

Nanometer