Umweltfreundliche, mit Ingwer- und Knoblauchextrakt dotierte Kupferoxid-Nanopartikel zeigen starke antibakterielle Wirkung gegen Escherichia coli

Zusammenfassung

Der Anstieg antibiotikaresistenter Bakterien und die Persistenz von Arzneimittelrückständen in Nahrungsketten stellen eine globale Gesundheitskrise dar. Herkömmliche Antibiotika werden zunehmend unwirksam, was die rasche Entwicklung neuartiger Antimikrobiika erfordert. Kupferoxid (CuO) Nanopartikel (NPs) bieten eine vielseitige anorganische Plattform mit bewährten antimikrobiellen Eigenschaften. In dieser Studie wurden CuO-NPs über einen grünen Syntheseweg hergestellt und mit variierenden Konzentrationen von Ingwer- (Zingiber officinale, ZO) und Knoblauch- (Allium sativum, AS) Extrakten dotiert. Die resultierenden biogenen NPs wurden gegen einen pathogenen Stamm von Escherichia coli getestet, der aus boviner Mastitis isoliert wurde. Die Daten bestätigen, dass ingwer-dotierte CuO-NPs, insbesondere bei einem Extraktverhältnis von 6 mL : 1, eine überlegene bakterizide Aktivität aufweisen, was eine kosteneffektive, umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Antibiotika darstellt.

Einleitung

Heilpflanzen wie Knoblauch und Ingwer sind reich an phenolischen Verbindungen, die starke antioxidative und antibakterielle Effekte vermitteln. Ingwer enthält Gingerol, Shogaol und Curcumin, während Knoblauch eine Quelle für Allicin und andere schwefelhaltige Moleküle ist, die ein breites Wirkspektrum zeigen, auch gegen multiresistente (MDR) Stämme (Refs. [1]–[6]).

Nanotechnologie ermöglicht das Design von Materialien mit einzigartigen physikochemischen Eigenschaften. Kupferoxid-Nanopartikel wurden für diverse Anwendungen untersucht – als antimikrobielle Wirkstoffe, in der Drug Delivery, als Photokatalysatoren und Sensoren – dank ihrer halbleitenden Natur und Fähigkeit, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu erzeugen, die bakterielle Membranen zerstören (Refs. [10]–[15]).

Escherichia coli ist ein Schlüsselpathogen in der Veterinär- und Humanmedizin. Bei Milchkühen verursachen MDR E. coli-Stämme, die Extended-Spectrum-Beta-Laktamasen (ESBLs) oder AmpC-Beta-Laktamasen produzieren, Mastitis und erhebliche wirtschaftliche Verluste (Refs. [18]–[25]). Diese Herausforderungen unterstreichen die Dringlichkeit neuer Antimikrobiika, die traditionelle Resistenzmechanismen umgehen.

Hier untersuchen wir grün synthetisierte CuO-NPs, dotiert mit Ingwer- und Knoblauchextrakten, als potenzielle Alternativen zu Antibiotika zur Kontrolle von E. coli-Infektionen.

Methoden

Ziel war die Bewertung der bakteriziden Wirksamkeit phytochemisch reduzierter CuO-NPs gegenüber Ingwer- und Knoblauchwurzelextrakten und einem bovinen Mastitis-stammigen E. coli-Isolat.

Materialien

Chemisch synthetisierte CuO-NPs (Sigma-Aldrich) und getrocknete Ingwer- und Knoblauchwurzeln (Lahorer Markt) wurden verwendet. Standard-Nährmedien und Analysenreagenzien kamen unverändert zum Einsatz.

Wässrige Extraktion von ZO- und AS-Wurzeln

Die Wurzeln wurden pulverisiert, mit destilliertem Wasser (Verhältnis 1:10) vermischt, 30 Min bei 70 °C gerührt, filtriert (Whatman Nr. 1), abgekühlt und bei 4 °C gelagert (Abb. 1a).

Grüne Synthese von CuO

Eine 0,1 M Kupfernitrat-Lösung wurde unter Rühren mit 3, 6 oder 12 mL ZO- oder AS-Extrakt vermischt. Der pH-Wert wurde mit 2 M NaOH auf 12 eingestellt, 2 h bei 90 °C erhitzt zur Fällung, zentrifugiert (10.000 rpm, 20 min), gewaschen und über Nacht bei 90 °C getrocknet (Abb. 1b).

Charakterisierung

UV-vis-Absorption (200–500 nm) wurde mit einem GENESYS-10S-Spektrophotometer aufgezeichnet. Röntgendiffraktion (XRD) erfolgte an einem Bruker D2 Phaser (Cu Kα, λ = 1,540 Å). Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurde via ATR-FTIR durchgeführt. Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) an einem JSM-6610LV. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) und ausgewählte Bereichselektronendiffraktion (SAED) an einem JEOL JEM-2100F. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) diente der Bestätigung der Elementarzustände.

E. coli-Isolierung und Identifizierung

Probenentnahme

Milchproben wurden von Kühen und Büffeln mit klinischer Mastitis auf mehreren Farmen entnommen.

E. coli-Isolierung

MacConkey-Agar diente zur Kultur; Kolonien wurden subkultiviert und einem Antibiotika-Empfindlichkeitstest nach NCCLS-Richtlinien unterzogen.

Identifizierung von E. coli

Gram-Färbung, morphologische Beurteilung und biochemische Tests (Methylrot, Katalase) bestätigten E. coli-Isolate, corroboriert durch Wachstum auf EMB-Agar.

In-vitro-Antibakterielle Evaluation

Disk-Diffusionsassays wurden an 10 pathogenen E. coli-Isolaten durchgeführt. Petrischalen wurden mit 1,5 × 10⁸ KBE/mL beimpft und 6-mm-Wellen mit 100 µL jeder Testlösung (Extrakte, dotierte NPs, chemisch synthetisiertes CuO) befüllt. Nach 24 h Inkubation bei 37 °C wurden Hemmzonen (mm) mit einem Messschieber gemessen. Daten wurden per Einfaktor-Varianzanalyse (p < 0,05) analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

UV-vis-Spektren zeigten einen Farbumschlag von weinrot zu kohleschwarz während der CuO-NP-Bildung. Extrakten zeigten Maxima bei 275 nm (ZO) und 280 nm (AS). Dotierte CuO-NPs wiesen λmax bei 250 nm auf, mit optimaler Absorption bei einem 6 mL : 1 Extraktverhältnis (Abb. 2a,b).

XRD-Muster bestätigten die monokline CuO-Phase (JCPDS 00-002-1040). Kristallitgrößen betrugen 24,7 nm (ZO-dotiert), 47,6 nm (AS-dotiert) und 27,4 nm (pristin) (Abb. 3a,b). FTIR-Spektren zeigten charakteristische O-H, C=O und Cu-O-Schwingungen, was die phytochemische Kappung bestätigt (Abb. 4a,b).

REM-Bilder zeigten kugelförmige Nanopartikel mit Agglomeraten < 1 µm; EDS bestätigte hohe Reinheit von Cu und O, mit geringen Zn- und S-Signalen aus den Extrakten (Abb. 5,6).

Disk-Diffusionsassays demonstrierten, dass ZO-dotierte CuO-NPs bei einem 6 mL : 1 Verhältnis die größten Hemmzonen (bis 2,30 mm) und eine bakterizide Wirksamkeit von 54,1 % erzeugten (Abb. 9a-c). AS-dotierte NPs zeigten moderate Aktivität, mit maximal 1,00 mm Zone und 23,5 % Wirksamkeit bei höchster Extraktkonzentration (Abb. 9b-d). Das Positivkontroll (Ciprofloxacin) ergab eine 4,25 mm Zone, die Negativkontrolle (DIW) keine Hemmung.

Der antibakterielle Mechanismus wird auf ROS-Generierung und Cu²⁺-Ionenfreisetzung zurückgeführt, was zu Membrandestruktion, Proteindenaturierung und DNS-Schädigung führt (Abb. 10). Kleinere NPs erzeugen höhere ROS-Mengen, was die bakterizide Effizienz steigert.

Schlussfolgerungen

Grün synthetisierte CuO-NPs, dotiert mit Ingwer- und Knoblauchextrakten, zeigen signifikante antibakterielle Aktivität gegen pathogene E. coli aus boviner Mastitis. Ingwer-dotierte NPs, besonders bei 6 mL : 1 Verhältnis, lieferten die höchste Wirksamkeit, wahrscheinlich durch synergistische Interaktionen zwischen Flavonoiden und CuO. Strukturanalysen bestätigten monokline Phase, kugelförmige Morphologie und nanometrische Größe (24,7 nm für ZO-dotiert, 47,6 nm für AS-dotiert). Diese Ergebnisse unterstützen den Einsatz pflanzenbasierter CuO-NPs als ökonomische, umweltfreundliche Alternativen zu konventionellen Antibiotika, um das wachsende Problem der Antibiotikaresistenz und Rückstandskontamination anzugehen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

fcc:

Flächenzentriert kubisch

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

G + ve:

Gram-positiv

G − ve:

Gram-negativ

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

CuO:

Kupferoxid

nm:

Nanometer