بررسی اثر آنتی‌باکتریال نانوذرات اکسیدآهن و اکسیدگرافن و نانوکامپوزیت‌های آنان علیه باکتری‌های اشرشیا کلی و استافیلوکوکوس اورئوس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

بخش کشاورزی، دانشگاه پیام نور، ایران

10.22034/aej.2021.139029

چکیده

استفاده بیش از حد آنتی‌بیوتیک‌ها در صنعت دام و طیور سبب ایجاد مقاومت‌ آنتی‌بیوتیکی در دام و انسان شده است. استفاده از نانو اکسیدهای فلزی و نانوکامپوزیت‌ها به عنوان راهکار جدید مقابله با بیماری‌های عفونی مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش فعالیت ضد باکتری نانوذرات اکسید آهن، اکسید گرافن و نانوکامپوزیت‌های این دو ماده مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور از نانوذرات اکسید آهن (F)، اکسید گرافن (GO)، نانوکامپوزیت‌های 0/018 گرم اکسید گرافن کاهش یافته با اکسید آهن (FG1)، 0/036 گرم اکسید گرافن کاهش یافته با اکسید آهن (FG2) و 0/072 گرم اکسید گرافن کاهش یافته با اکسید آهن (FG3) در برابر باکتری‌های گرم منفی اشرشیا کلی و گرم مثبت استافیلوکوکوس اورئوس استفاده شد. فعالیت ضد باکتریایی پنج نانوذره مختلف با روش‌های حداقل غلظت مهارکنندگی (MIC)، حداقل غلظت کشندگی (MBC) و روش سنجش زمان کشتن بررسی شد. نتایج ضد باکتریایی نشان داد که به جز FG1، برای بقیه نانوذرات MIC 60 میکرولیتر در میلی‌لیتر برای اشرشیا کلی و 50 میکرولیتر در میلی‌لیتر برای استافیلوکوکوس اورئوس بود. علاوه‌بر این، سنجش زمان کشتن نشان داد که رشد هر دو باکتری از ساعت 2 به بعد برای همه نانوذرات مهار می‌شود. به طور کلی، نتایج این مطالعه نشان داد که نانوکامپوزیت اکسید آهن و اکسید گرافن اثر آنتی‌باکتریایی آن ها را تقویت می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The antibacterial effect of iron oxide and graphene oxide nanoparticles and their nanocomposites against Escherichia coli and Staphylococcus aureus bacteria

نویسنده [English]

  • Farkhondeh Rezaii
Agriculture Department, Payame Noor University, Iran
چکیده [English]

Excessive use of antibiotics in the livestock and poultry industry has led to antibiotic resistance in livestock and humans. The use of metal Nano-oxides and nanocomposites has been considered as a new strategy to combat infectious diseases. In this study, the antibacterial activity of iron oxide and graphene oxide nanoparticles and their nanocomposites were investigated. aureus; S. For this purpose, antibacterial activity of iron oxide (Fe2o3; F), Graphene oxide (GO), 0.018g reduced graphene oxide-Fe2O3 Nanocomposite (FG1), 0.036g reduced graphene oxide-Fe2O3 Nanocomposite (FG2), 0.072g reduced graphene oxide-Fe2O3 Nanocomposite (FG3) against Gram-negative (Escherichia coli; E. coli) and Gram-positive (Staphylococcus aureus) bacteria was screened. The antibacterial activity of the five different nanoparticles was assessed by minimum inhibitory concentration (MIC), minimum bactericidal concentration (MBC), and the time-kill assay methods. The antibacterial results showed that except for FG1, for the rest of the nanoparticles MIC were 60 μL/mL for E. coli and 50 μL/mL for S. aureus. Moreover, the time-kill assay revealed that the growth of both bacteria was inhibited from the 2nd hour onwards for all nanoparticles. In general, the results of this study showed that iron oxide and graphene oxide nanocomposites increase their antibacterial effect.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanoparticles
  • Nanocomposite
  • Iron oxide
  • graphene oxide
  • antibacterial
  1. سیدالحسینی، ه.؛ یحیوی، م. و یزدان­ پناه­ گوهرریزی، ل.، 1399. تأثیر اسانس‌های آویشن، زیره، دارچین و سیر بر باکتری بیماری ­زای استرپتوکوکوس اینیایی در محیط برون ­تنی. فصلنامه محیط زیست جانوری. دوره 12، شماره 2، صفحات 275 تا 282.
  2. صفرقلی ­تبار مرزونی، س.؛ امتیازجو، م.؛ تاج ­آبادی­ ابراهیمی، م.؛ گرجیان­ عربی، م.ح. و مظهر، ف.، 1392. بررسی الگوی مقاومت و جذب فلزات سنگین نیکل و وانادیوم در باکتری­ های جداسازی شده از سواحل جزیره خارک به­ منظور پاکسازی زیستی فلزات. فصلنامه محیط زیست جانوری. دوره 5، شماره 4، صفحات 37 تا 48.
  3. Azam, A.; Ahmed, A.S.; Oves, M.; Khan, M.S.; Habib, S.S. and Memic, A., 2012. Antimicrobial activity of metal oxide nanoparticles against Gram-positive and Gram-negative bacteria: a comparative study. International journal of nanomedicine. Vol. 7, pp: 6003.
  4. Belkhedkar, M.; Ubale, A.; Sakhare, Y.; Zubair, N. and Musaddique, M., 2016. Characterization and antibacterial activity of nanocrystalline Mn doped Fe2O3 thin films grown by successive ionic layer adsorption and reaction method. Journal of the Association of Arab Universities for Basic and Applied Sciences. Vol. 21, pp: 38-44.
  5. Bhushan, M.; Kumar, Y.; Periyasamy, L. and Viswanath, A.K., 2018. Antibacterial applications of α-Fe 2 O 3/Co 3 O 4 nanocomposites and study of their structural, optical, magnetic and cytotoxic characteristics. Applied Nanoscience. Vol. 8, pp: 137-53.
  6. Blecher, K.; Nasir, A. and Friedman, A., 2011. The growing role of nanotechnology in combating infectious disease. Vol. 2, pp: 395-401.
  7. Bora, C.; Bharali, P.; Baglari, S.; Dolui, S.K. and Konwar, B.K. 2013. Strong and conductive reduced graphene oxide/polyester resin composite films with improved mechanical strength, thermal stability and its antibacterial activity. Composites Science and Technology. Vol. 87, pp: 1-7.
  8. Brayner, R.; Dahoumane, S.A.; Yepremian, C.; Djediat, C.; Meyer, M.; Coute, A. and Fievet, F., 2010. ZnO nanoparticles: synthesis, characterization, and ecotoxicological studies. Langmuir. Vol. 26, pp: 6522-6528.
  9. Burello, E. and Worth, A.P., 2011. A theoretical framework for predicting the oxidative stress potential of oxide nanoparticles. Nanotoxicology. Vol. 5, pp: 228-235.
  10. Chipara, M.; Ibrahim, E.; Yust, B.; Padilla, D. and Chipara, D., 2015. Nanoparticles and nacteria. J. Nanomed. Vol. 2, pp: 00033.
  11. Gao, N.; Chen, Y. and Jiang, J., 2013. [email protected] nanocomposites prepared by a phase transfer method with long-term antibacterial property. ACS Appl Mater Interfaces. Vol. 5, pp: 11307-11314.
  12. Gokulakrishnan, R.; Ravikumar, S. and Raj, J.A., 2012. In vitro antibacterial potential of metal oxide nanoparticles against antibiotic resistant bacterial pathogens. Asian Pacific Journal of Tropical Disease. Vol. 2, pp: 411-413.
  13. Hassan, A.A.; Oraby, N.H.; El-Dahshan, E. and Ali, M., 2015. Antimicrobial potential of iron oxide nanoparticles in control of some causes of microbial skin affection in cattle. European Journal of Academic Essays. Vol. 2, pp: 20-31.
  14. Huh, A.J. and Kwon, Y.J., 2011. “Nanoantibiotics”: a new paradigm for treating infectious diseases using nanomaterials in the antibiotics resistant era. Journal of controlled release. Vol. 56, pp: 128-145.
  15. Jiang, Y.; Gong, J.L.; Zeng, G.M.; Ou, X.M.; Chang, Y.N.; Deng, C.H.; Zhang, J.; Liu, H.Y. and Huang, S.Y., 2016. Magnetic chitosan–graphene oxide composite for anti microbial and dye removal applications. International journal of biological macromolecules. Vol. 82, pp: 702-710.
  16. Khan, S.; Shah, Z.H.; Riaz, S.; Ahmad, N.; Islam, S.; Raza, M.A. and Naseem, S., 2020. Antimicrobial activity of citric acid functionalized iron oxide nanoparticles Superparamagnetic effect. Ceramics International. Online published.
  17. Li, Y.; Zhang, W.; Niu, J. and Chen, Y., 2012. Mechanism of Photogenerated Reactive Oxygen Species and Correlation with the Antibacterial Properties of Engineered Metal-Oxide Nanoparticles. ACS Nano.Vol. 6, pp: 5164-5173.
  18. Liu, S.; Zeng, T.H.; Hofmann, M.; Burcombe, E.; Wei, J.; Jiang, R.; Kong, J. and Chen, Y., 2011. Antibacterial activity of graphite, graphite oxide, graphene oxide, and reduced graphene oxide: membrane and oxidative stress. ACS nano. Vol. 5, pp: 6971-6980.
  19. Makhluf, S.; Dror, R.; Nitzan, Y.; Abramovich, Y.; Jelinek, R. and Gedanken, A., 2005. Microwave‐assisted synthesis of nanocrystalline MgO and its use as a bacteriocide. Advanced Functional Materials. Vol. 15, pp: 1708-1715.
  20. Matharu, R.K.; Tabish, T.A.; Trakoolwilaiwan, T.; Mansfield, J.; Moger, J.; Wu, T.; Lourenco, C.; Chen, B.; Ciric, L.; Parkin, I.P. and Edirisinghe, M., 2020. Microstructure and antibacterial efficacy of graphene oxide nanocomposite fibres. Journal of Colloid and Interface Science. Vol. 571, pp: 239-252.
  21. Mohamed, R.M.; Syed Zameer Ahmed, K.; Prem Nazeer, K. and Siva Kumar, D., 2015. Synthesis, Characterization and Magnetic Properties of Hematite (a-Fe2O3) Nanoparticles on Polysaccharide Templates and their Antibacterial Activity. Appl. Nanosci. Vol. 5, pp: 515-520.
  22. Moritz, M. and Geszke-Moritz, M., 2013. The newest achievements in synthesis, immobilization and practical applications of antibacterial nanoparticles. Chemical Engineering Journal. Vol. 228, pp: 596-613.
  23. Ravikumar, S.; Gokulakrishnan, R.; Selvanathan, K. and Selvam, S., 2011. Antibacterial activity of metal oxide nanoparticles against ophthalmic pathogens. Int J Pharm Res Dev. Vol. 3, pp: 122-127.
  24. Rufus, A.; Sreeju, N.; Vilas, V. and Philip, D., 2017. Biosynthesis of hematite (α-Fe2O3) nanostructures: size effects on applications in thermal conductivity, catalysis, and antibacterial activity. Journal of Molecular Liquids. Vol. 242, pp: 537-549.
  25. Sharma, D.; Ledwani, L.; Mehrotra, T.; Kumar, N.; Pervaiz, N. and Kumar, R., 2020. Biosynthesis of hematite nanoparticles using Rheum emodi and their antimicrobial and anticancerous effects in vitro. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. Vol. 20, pp: 111841.
  26. Somaraj, M.; John, N. and Tharayil, N., 2017. DNA assisted synthesis of chitosan/α-Fe2O3 nanocomposites for antioxidant and antimicrobial activities. Bulletin of Materials Science. Vol. 40.
  27. Tran, N.; Mir, A.; Mallik, D; Sinha, A.; Nayar, S. and Webster, T.J., 2010. Bactericidal effect of iron oxide nanoparticles on Staphylococcus aureus. International journal of nanomedicine. Vol. 5, pp: 277.
  28. Xia, T.; Kovochich, M.; Liong, M.; Madler, L.; Gilbert, B.; Shi, H.; Yeh, J.I.; Zink, J.I. and Nel, A.E., 2008. Comparison of the mechanism of toxicity of zinc oxide and cerium oxide nanoparticles based on dissolution and oxidative stress properties. ACS nano. Vol. 2, pp: 2121-2134.
  29. Yamamoto, O., 2001. Influence of particle size on the antibacterial activity of zinc oxide. International Journal of Inorganic Materials. Vol. 3, pp: 643-436.
  30. Zhang, H.; Chen, B. and Banfield, J.F., 2010. Particle size and pH effects on nanoparticle dissolution. The Journal of Physical Chemistry. Vol. 114, pp: 14876-14884.
  31. Zhang, L.; Ding, Y.; Povey, M. and York, D., 2008. ZnO nanofluids–A potential antibacterial agent. Progress in Natural Science. Vol. 18, pp: 939-944.
  32. Zhang, Q.; Lambert, G.; Liao, D.; Kim, H.; Robin, K.; Tung, C.k.; Pourmand, N. and Austin, R.H., 2011. Acceleration of emergence of bacterial antibiotic resistance in connected microenvironments. Science. Vol. 333, pp: 1764-1767.