ИЗУЧЕНИЕ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА И ОКСИДА ЦИНКА НА ЦЕЛЛЮЛОЗНОМ НОСИТЕЛЕ

STUDY OF THE ANTIMICROBIAL ACTIVITY OF SILVER AND ZINC OXIDE NANOPARTICLES ON THE CELLULOSE CARRIER
Цитировать:
ИЗУЧЕНИЕ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТИ НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА И ОКСИДА ЦИНКА НА ЦЕЛЛЮЛОЗНОМ НОСИТЕЛЕ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Хамраева З.Т. [и др.]. 2023. 9(111). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/15858 (дата обращения: 06.10.2024).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniChem.2023.111.9.15858

 

АННОТAЦИЯ

С использованием растворов очищенной натрий-карбоксиметилцеллюлозы (Na-KMЦ) содержащих наночастицы оксида цинка и серебра различных концентрациях и соотношениях были изучены антимикробные активности на рост и развитие условно патогенных и патогенных бактерий. Было показано, что наиболее высокой антимикробной активностью в отношении всех видов испытуемых бактерий оказался модифицированный раствор Na-КМЦ, содержащий 0,0648% стабилизированных наночастиц серебра. Также, высокой антибактериальной активностью обладает раствор Na-КМЦ, содержащий 0,039% стабилизированных форм наночастиц оксида цинка, проявляет ингибирующее действие по отношению бактерий Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus. Полученные данные могут найти практическое применение в медицинской практике в качестве изделий медицинского назначения с антибактериальными свойствами, а также для создания воздухопроницаемых биоматериалов с антимикробными активностями.

ABSTRACT

Were studied antimicrobial activities on the growth and development of conditionally pathogenic and pathogenic bacteria using solutions of sodium carboxymethyl cellulose (Na-CMC) containing zinc and silver oxide nanoparticles of various concentrations and ratios. It was shown that the modified Na-CMC solution containing 0.0648% of stabilized silver nanoparticles to have the highest antimicrobial activity against all types of tested bacteria. In addition Na-CMC solution containing 0.039% of stabilized forms of zinc oxide nanoparticles has a high antibacterial activity, showing an inhibitory effect on the bacteria Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus. The results data obtained can find practical application in medical practice as a medical device with antibacterial properties, as well as for the creation of breathable biomaterials with antimicrobial activities.

 

Ключевые слова: натрий-карбоксиметилцеллюлоза, модификация, матрица, импрегнирование, наночастицы серебра и оксида цинка, антимикробная активность.

Keywords: sodium carboxymethylcellulose, modification, matrix, impregnation, silver and zinc oxide nanoparticles, antimicrobial activity.

 

Введение

Известно, что микрофлора атмосферы воздуха, почвы, воды и других покрытий обильно засеяны микроорганизмами, которые имеют непосредственное влияние на окружающую среду, экологию, и самое главное на здоровье людей и теплокровных животных. Современные вентиляционные и кондиционированные системы, используемые для обеспечения приемлемой температуры и влажности воздуха в помещениях, одновременно улучшают качество воздуха, очищая его от различных механических и биологических частиц для обеспечения здоровья человека [1].

Бурный рост численности населения, аграрного сектора, химизация многих отраслей промышленности и сельского хозяйства привели не только к увеличению численности микобиоты, но и появлению агрессивных форм патогенных и условно патогенных микроорганизмов.

Поэтому, самой главной проблемой современной медицины, микробиологии и фармацевтики является появление и сильное размножение антибиотико- резистентных штаммов возбудителей различных инфекционных заболеваний

Следовательно, большой научно-практический интерес представляет создание современных фильтров из целлюлозных волокон, текстильных материалов и изделий, обладающих бактерицидной активностью против патогенных микробов и вирусов [2].  В работе Lee H.J с сотрудниками было показано, что бактерицидная и бактериостатическая активность целлюлозным материалам могут быть приданы посредством включения в их структуру ионов серебра с последующим их восстановлением до наночастиц [3].

С этой связи совместно с Институтом физики и химии полимеров АН РУз были проведены исследования по созданию новых профилактических агентов и средств путем определения бактерицидной активности гидрогелей натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы в комбинации с наночастицами серебра и оксида цинка в разных концентрациях и соотношениях.

Исходя из этого, целью данной работы явилась изучение антибактериальных свойств, стабилизированных наночастиц ZnO и Ag, импрегнированный в структуру полимерной матрицы - натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), представленные сотрудниками Института химии и физики полимеров АН РУз.

Материалы и методы исследований

С целью определения бактерицидной активности наночастиц ZnO и Ag была исследована их способность подавлять рост условно патогенных бактерий Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli в течение 24-72 часов в поверхностных условиях культивирования.

В качестве антимикробных агентов были использованы следующие варианты гидрогелей с наночастицами серебра и оксида цинка на целлюлозном носителе, приготовленные в различных соотношениях и концентрациях:

  1. 2%-гидрогель Na-КМЦ, содержащий наночастицы серебра (Ag) в концентрации 0,00648 %   в соотношениях (100:6),
  2. 2%-гидрогель Na-КМЦ содержащий наночастицы цинка (ZnO) в концентрации 0,0195%  в соотношениях (100:3),
  3. 2%-гидрогель Na-КМЦ содержащий наночастицы серебра (Ag) в концентрации 0,0648 %  в соотношениях (100:6),
  4. 2%-гидрогель Na-КМЦ содержащий наночастицы цинка  (ZnO) в концентрации  0,039%  в соотношениях (100:3)

В качестве контрольного варианта был использован изотонический раствор хлорида натрия (0,9%) и другие процедуры опытов были проведены в идентичных условиях с опытными вариантами экспериментов.

Культуры тест штаммов - бактерий в количестве – 4 шт (Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli), были взяты из коллекции культур Института микробиологии АН РУз. Выросшие культуры бактерий на агаризованной селективной питательной среде (маясо-пептонный агар) в виде гомогенной культуры, использовали для приготовления суспензий в физиологическом растворе (0,9%), доводя концентрации клеток до 105 КОЕ/мл, согласно стандарту мутности по Мак Фарланду [4].

Далее, с целью определения антимикробной активности наночастиц серебра и оксида цинка, импрегнированных в растворах 2,0 % Na-КМЦ были исследованы их свойства по ингибированию роста испытуемых бактерий в поверхностных условиях культивирования на благоприятных для них селективных средах. Для этого, приготовленные бактериальные суспензии (105 КОЕ/мл), в количестве 100 мкл засевали сплошным газоном на поверхность стерильного питательного агара, залитый на чашки Петри.  После диффузии суспензии на поверхности агаризованной среды вырезали в толще сплошного агара лунки диаметром 8 мм и помещали в лунки по 100 мкл испытуемый гель в четырёх вариантах, т.е. наночастицы серебра и оксида цинка, приготовленные смешиванием по указанных выше количествах.

Далее, диффундировали раствор наночастиц в течение 30-40 минут до полной адсорбции, затем помещали чашки Петри с посевами в термостат – при 33℃ для наблюдения роста и развития испытуемых культур в течение 12-72 час. Через каждые 6-часов оценивали антимикробную активность образцов наночастиц на наличие или отсутствие зоны подавления роста испытуемых тест-культур бактерий. Для оценки сравнительной антимикробной активности наночастиц - гидрогелей и бактерий учитывали диаметр зоны подавления роста тест-культур вокруг лунок, наполненной с образцами гидрогелей, импрегнированные с наночастицами.

Результаты и их обсуждение

В ходе проведения микробиологических исследований по ингибированию роста условно патогенных и патогенных культур бактерий, выращенные поверхностном способом на чашках Петри, содержащей мясо-пептонный агар и оптимальные условия, количество клеток 105 КОЕ/мл.   Было обнаружено, что в течение 24 часов наблюдения вокруг лунок с наночастицами металлов образовались зоны подавления роста тест культур   Bacillus subtilis, Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosа  в различной степени. В отличие от этих трех культур, зона подавления роста культуры Staphylococcus aureus появилась позже, т.е.  через 48 часов культивирования. Полученные результаты экспериментов приведены в таблице.

Таблица.

Антимикробное действие различных вариантов гидрогелей 2%-Na-КМЦ с наночастицами (серебра и оксида цинка) на рост и развитие некоторых условно патогенных и патогенных бактерий

Тест-культуры, бактерии

Образцы гидрогелей, зоны подавления роста бактерий (мм)

Na-КМЦ: 0,00648% Ag (100:6)

Na-КМЦ: 0,0195% ZnO (100:3)

Na-КМЦ:  0,0648% Ag (100:6)

Na-КМЦ:  0,039%ZnO (100:3)

1

Bacillus subtilis

2,0

0,7

4,0

1,5

2

Escherichia coli

4,0

-

6,0

-

3

Pseudomonas aeruginosa

4,5

-

8,5-9,0

-

4

Staphylococcus aureus

-

-

7,0-8,0

0,5

(-) – отсутствие зоны подавления роста бактерий

 

Изучение действия гидрогелей, импрегнированные с наночастицами серебра и оксида цинка на рост испытуемых патогенных бактерий показали, что образец №-1, состоящий из 2 % раствора Na-КМЦ, содержащей 0,00648% Ag в соотношении (100:6) оказал большее ингибирующее действие на рост бактерий P. aeruginosa,  зона подавления которого составила 4,5 мм, E. coli -  4,0 мм, и в меньшей степени оказывает действие на бактерии B. subtilis - 2,0 мм.

Образец №-2, раствор Na-КМЦ, содержащий 0,0195% стабилизированных наночастиц ZnO в соотношениях (100:3), обладает сравнительно меньшей антимикробной активностью против бактерий B. subtilis (0,7 мм), тогда как при 0,039% ZnO (100:3) зона подавления составила 1,5 мм (рис.1, 2-лунка). В случае испытания остальных двух культур наблюдали сплошной рост по всей поверхности чашки Петри.

Оказалось, что увеличение концентрации наночастиц серебра в растворе 2,0% Na-КМЦ в 10 раз - образец №-3, (рис.1, 3-лунка) до 0,0648% стабилизированных НЧ Ag в соотношении (100:6), обладает большей антимикробной активностью против всех испытуемых тест культур.

Так, например, при испытании образца №3 (Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)) зона подавления роста тест культур P. aeruginosa была наибольшей и составила 8,5 - 9 мм, по отношению к культуре E. coli, зона подавления роста  достигала 6,0 мм, в случае тестирования бактерии St. aureus, зона ингибирования роста составила 7,0-8,0 мм. Следует отметить, что зона подавления роста тест культуры B. subtilis была по сравнению с другими культурами наименьшей и составила 4,0 мм.

Оказалось, что образец №-4 (рис.1) раствор Na-КМЦ, содержащих 0,039% стабилизированных наночастиц ZnO в соотношении Na-КМЦ:ZnO (100:3)  обладает меньшей антимикробной активностью. Умеренное подавления роста наблюдали у бактерии B.subtilis - 1,5 мм и почти незаметное подавления у St. aureus - 0,2 мм.

 

Bacillus subtilis

1. Na-КМЦ: 0,00648% Ag (100:6) 

2. Na-КМЦ: 0,0195% ZnO (100:3)

3. Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)

4. Na-КМЦ: 0,039%ZnO (100:3)

Escherichia coli

1. Na-КМЦ: 0,00648% Ag (100:6) 

2. Na-КМЦ: 0,0195% ZnO (100:3)

3. Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)

4. Na-КМЦ: 0,039%ZnO (100:3)

Pseudomonas aeruginosa

1. Na-КМЦ: 0,00648% Ag (100:6) 

2. Na-КМЦ: 0,0195% ZnO (100:3)

3. Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)

4. Na-КМЦ: 0,039%ZnO (100:3)

Staphylococcus aureus

1.Na-КМЦ: 0,00648% Ag (100:6) 

2. Na-КМЦ: 0,0195% ZnO (100:3)

3. Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)

4. Na-КМЦ: 0,039%ZnO (100:3)

 

Рисунок 1. Антибактериальная активность гидрогелей с наночастицами (Ag, ZnO) и зоны подавления роста тест- культур

 

Данные полученные по ходу выполнения экспериментов показали, что антибактериальная активность в сравнительном аспекте между испытуемыми наночастицами металлов и бактерий (по зонам подавления роста) распределялись следующим образом:

Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6)> Na-КМЦ: 0,00648% Ag (100:6)> Na-КМЦ: 0,0195% ZnO (100:3)> Na-КМЦ: 0,039%ZnO (100:3)

Таким образом, было установлено, что самой высокой антимикробной активностью обладает образец №3, т.е вариант Na-КМЦ: 0,0648% Ag (100:6) против тест культур P. aeruginosa и St. aureus.

Полученные нами данные согласуются с литературными данными, в которых описывается бактерицидная и бактериостатическая активность целлюлозных материалов и изделий, посредством включения в их структуру ионов серебра [5]. Отмечено, что оксид цинка (ZnO) представляет большой интерес в применении во многих областях науки, техники и медицины в качестве воздух фильтрующего, функционального материала. Показано, что нано- и микрочастицы ZnO представляет интерес при разработке простых и эффективных методов для создания материалов с заданными свойствами [6].

Выводы

Установлено, что производные карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), импрегнированные с ZnO и ионами Ag оказывают антимиробное действие на некоторые условно патогенные бактерии. Наиболее высокой антимикробной активностью из представленных 8-образцов, различающихся по составу и концентрациям, высокой ингибирующей активностью отличается раствор 2,0 Na-КМЦ, содержащей 0,0648% наночастиц Ag в соотношении (100:6). Данный раствор подавляет рост и развитие всех испытуемых 4-х культур бактерий: Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli в течение 12 - 24 час культивирования.  Полученные данные могут быть рекомендованы в медицинской практике в качестве исходного изделия с антибактериальными свойствами.   

* Работа выполнена при финансовой поддержке международного проекта Узбекистан-Белоруссия MRB-2021-548 “Создание модифицированных органическими и полимер-неорганическими покрытиями волокнистых материалов различного функционального назначения” (2021-2023 гг.) Министерства инновационного развития РУз.

 

Список литературы:

  1. Barhate R.S., Sundarrajan S., Pliszka D., Ramakrishna S. //Fine chemical processing: The potential of nanofibres in filtration. Journal filtration and separation, 2008. 45(4), pp. 32–35.
  2. Karin K. F. Methodology to perform clean air delivery rate type determinations with microbiological aerosols// Journal Aerosol Science and Technology, 1999, 30 (2), pp. 235-245.
  3. Lee H.J., Yeo S.Y., Jeong S.H. Antibacterial еffect of nanosized silver colloidal solution on textile fabrics // Journal Materials Science, 2003, 38, pp.2199-2204.
  4. Мирзоева А.Е. - Методы общей бактериологии // Москва 2002. 62 с.
  5. Chavali M.S., Nikolova M.P., // Metal oxide nanoparticles and their applications in nanotechnology, Journal Materials Science and applied Sciences, 2019, 1(6), pp. 4-12.
  6. Mahamuni, Pranjali P.; Patil, Pooja M.; Dhanavade, Maruti J.; Badiger, Manohar V.; Shadija, Prem G.; Lokhande, Abhishek C.; Bohara, Raghvendra A. (2019). // Synthesis and characterization of zinc oxide nanoparticles by using polyol chemistry for their antimicrobial and antibiofilm activity. Journal Biochemistry and Biophysics Reports, 2018, 17, pp. 71–80.
Информация об авторах

мл. науч. сотр. Института микробиологии АН РУз, Республика Узбекистан, г. Ташкент

junior researcher of the Institute of the Microbiology, Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent

д-р биол. наук, проф., заведующая лабораторией «Природоохранная биотехнология» Института микробиологии АН РУз, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of the Laboratory "Environmental biotechnology" of the Institute of Microbiology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent

мл. науч. сотр. Института микробиологии АН РУз, Республика Узбекистан, г. Ташкент

junior researcher of the Institute of the Microbiology, Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent

мл. науч. сотр., Институт химии и физики полимеров Академии наук Республики Узбекистан, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Junior researcher, Institute of Polymer Chemistry and Physics, Uzbekistan Academy of Sciences, Republic of Uzbekistan, Tashkent

д-р техн. наук, ст. науч. сотр., Институт химии и физики полимеров Академии наук Республики Узбекистан, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Technical Sciences, Senior researcher, Institute of Polymer Chemistry and Physics, Uzbekistan Academy of Sciences, Republic of Uzbekistan, Tashkent

доктор техн. наук, профессор Научно-исследовательского центра химии и физики полимеров при Национальном университете Узбекистана, 100128, Узбекистан, г. Ташкент, ул. А. Кадыри, 7б

Doctor of Engineering Sciences, professor of Scientific research center of Polymer chemistry and physics at The National University of Uzbekistan, 100128, Uzbekistan, Tashkent, A. Kadiry str, 7b

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top