Nanopartikel Oksida Tembaga Ramah Lingkungan Doped Ekstrak Jahe dan Bawang Putih dengan Aktivitas Antibakteri Kuat terhadap Escherichia coli
Abstrak
Kenaikan bakteri yang resistensi antibiotik dan persistenya sisa obat dalam rantai pangan menimbulkan krisis kesehatan publik global. Antibiotik konvensional semakin tidak efektif, mendesak pengembangan antimikroba baru. Nanopartikel (NP) oksida tembaga (CuO) menawarkan platform anorganik serbaguna dengan properti antimikroba yang terbukti. Dalam studi ini, NP CuO disintesis melalui rute hijau dan di-dope dengan konsentrasi yang bervariasi dari ekstrak jahe (Zingiber officinale, ZO) dan bawang putih (Allium sativum, AS). NP biogen yang dihasilkan dievaluasi terhadap strain patogen Escherichia coli yang terisolasi dari mastitis sapi. Data mengonfirmasi bahwa NP CuO doped jahe, terutama pada rasio 6 mL : 1 ekstrak, memberikan aktivitas bakterisida yang unggul, menyoroti alternatif yang hemat biaya dan ramah lingkungan dibandingkan antibiotik konvensional.
Pendahuluan
Tumbuhan herbal seperti bawang putih dan jahe kaya akan senyawa fenolik yang memberikan efek antioksidan dan antibakteri yang kuat. Jahe mengandung gingerol, shogaol, dan curkumin, sementara bawang putih adalah sumber alisin dan molekul lain yang mengandung sulfur yang menunjukkan aktivitas spektrum luas, termasuk terhadap strain multidrug-resisten (MDR) (refs [1]–[6]).
Nanoteknologi memungkinkan desain materi dengan properti fisikokimia unik. Nanopartikel oksida tembaga telah diteliti untuk aplikasi yang beragam—agen antimikroba, pengiriman obat, fotokatalis, dan sensor—berkat sifat semiconductornya dan kemampuan menghasilkan spesies reaktif oksigen (ROS) yang mengganggu membran bakteri (refs [10]–[15]).
Escherichia coli adalah patogen kunci dalam obat hewan dan manusia. Pada sapi perah, strain E. coli MDR yang menghasilkan β-laktamase spektrum lebar (ESBL) atau β-laktamase AmpC menyebabkan mastitis dan kerugian ekonomi yang signifikan (refs [18]–[25]). Tantangan ini menekankan urgensi antimikroba baru yang menghindari mekanisme resistensi tradisional.
Di sini, kami mengeksplorasi NP CuO yang disintesis hijau, di-dope dengan ekstrak jahe dan bawang putih, sebagai alternatif potensial terhadap antibiotik untuk mengontrol infeksi E. coli.
Metode
Tujuannya adalah untuk menilai efikasi bakterisida NP CuO yang direduksi fitokimia terhadap ekstrak akar jahe dan bawang putih serta isolat E. coli yang berasal dari mastitis sapi.
Bahan
NP CuO yang disintesis kimiawi (Sigma-Aldrich) dan akar jahe dan bawang putih kering (pasar Lahore) digunakan. Media pertumbuhan standar dan reagen analitis digunakan tanpa modifikasi.
Ekstraksi Akuaria Akar ZO dan AS
Akar dicampurkan menjadi bubuk, dicampur dengan air tisu (rasio 1:10), diaduk selama 30 menit pada 70 °C, difilter (Whatman No. 1), didinginkan, dan disimpan pada 4 °C (Fig. 1a).
Gambaran umum (a) ekstraksi akuaria akar ZO dan AS, (b) sintesis hijau NP CuO
Sintesis Hijau CuO
Larutan nitrat tembaga(II) 0,1 M dicampur dengan 3, 6, atau 12 mL ekstrak ZO atau AS di bawah pengadukan berkelanjutan. pH disesuaikan menjadi 12 dengan NaOH 2 M, dipanaskan pada 90 °C selama 2 jam untuk membentuk endapan, yang difusgas (10.000 rpm, 20 menit), dicuci, dan dikeringkan selama malam pada 90 °C (Fig. 1b).
Karakterisasi
Serapan UV–vis (200–500 nm) dicatat menggunakan spektrofotometer GENESYS-10S. Difraksi sinar-X (XRD) dilakukan pada Bruker D2 Phaser (Cu Kα, λ = 1,540 Å). Spektra inframerah transformasi Fourier (FTIR) diperoleh melalui ATR-FTIR. Mikroskopi elektron pemindai (SEM) dan spektroskopi X-dispersif energi (EDS) dilakukan pada JSM-6610LV. TEM resolusi tinggi (HRTEM) dan difraksi elektron daerah terpilih (SAED) dilakukan pada JEOL JEM-2100F. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) digunakan untuk mengonfirmasi status elemen.
Isolasi dan Identifikasi E. coli
Pengumpulan Sampel
Sampel susu dikumpulkan dari sapi dan kerbau dengan mastitis klinis di beberapa farm.
Isolasi E. coli
Agar MacConkey digunakan untuk mencultura sampel; koloni di-subculture dan diuji kepekaan antibiotik mengikuti pedoman NCCLS.
Identifikasi E. coli
Pewarnaan Gram, penilaian morfologi, dan tes biokimia (merah metil, katalase) mengonfirmasi isolat E. coli, dikoreborasi dengan pertumbuhan pada agar EMB.
Evaluasi Antibakteri In Vitro
Assay difusi cakram dilakukan terhadap 10 isolat E. coli patogen. Petrri dish di-seed dengan 1,5 × 10⁸ CFU/mL dan lubang 6-mm diisi dengan 100 µL dari setiap larutan uji (ekstrak, NP doped, atau CuO yang disintesis kimiawi). Plat diinkubasi pada 37 °C selama 24 jam, dan zona inhibisi (mm) diukur dengan penggaris vernier. Data dianalisis dengan one-way ANOVA (p < 0,05).
Hasil dan Pembahasan
Spektrum UV–vis mengungkapkan perubahan warna dari anggur menjadi hitam arang selama pembentukan NP CuO. Ekstrak menunjukkan maksimum pada 275 nm (ZO) dan 280 nm (AS). NP CuO doped menunjukkan λmax pada 250 nm, dengan serapan optimal pada rasio 6 mL : 1 ekstrak (Fig. 2a,b).
Spektrum serapan NP CuO doped dengan (a) ZO dan (b) ekstrak AS; spektrum PL NP CuO dengan (c) ZO dan (d) ekstrak AS.
Pola XRD mengonfirmasi fase CuO monoklinik (JCPDS 00-002-1040). Ukuran kristal adalah 24,7 nm (doped ZO), 47,6 nm (doped AS), dan 27,4 nm (pristine) (Fig. 3a,b). Spektra FTIR menunjukkan getaran O-H, C=O, dan Cu-O khas, mengonfirmasi capping fitokimia (Fig. 4a,b).
Pola XRD NP CuO: (a) doped AS, (b) doped ZO.
Gambar SEM menunjukkan nanopartikel bola dengan aglomerat <1 µm dalam ukuran; EDS mengonfirmasi kebernakan tinggi Cu dan O, dengan sinyal Zn dan S minor dari ekstrak (Fig. 5,6).
Gambar HRTEM dan layang jaring kawat untuk (a–f) doped ZO dan (g–l) NP CuO doped AS.
Analisis XPS: (a) C 1s, (b) Cu 2p.
Assay difusi cakram menunjukkan bahwa NP CuO doped ZO pada rasio 6 mL : 1 menghasilkan zona inhibisi terbesar (hingga 2,30 mm) dan efikasi bakterisida 54,1 % (Fig. 9a–c). NP doped AS menunjukkan aktivitas modest, dengan zona maksimum 1,00 mm dan efikasi 23,5 % pada konsentrasi ekstrak tertinggi (Fig. 9b–d). Kontrol positif (siprofloksasin) menghasilkan zona 4,25 mm, sementara kontrol negatif (air tisu) tidak menunjukkan inhibisi.
Aktivitas antibakteri in vitro: (a) doped ZO (dosis rendah/tinggi), (b) doped AS (dosis rendah/tinggi), (c) % efikasi untuk doped ZO, (d) % efikasi untuk doped AS.
Mekanisme antibakteri dikaitkan dengan generasi ROS dan rilis ion Cu²⁺, yang mengakibatkan gangguan membran, denaturasi protein, dan kerusakan DNA (Fig. 10). NP yang lebih kecil menghasilkan tingkat ROS yang lebih tinggi, meningkatkan efisiensi bakterisida.
Ilustrasi tindakan bakterisida NP CuO.
Kesimpulan
NP CuO yang disintesis hijau dan di-dope dengan ekstrak jahe dan bawang putih menunjukkan aktivitas antibakteri yang signifikan terhadap E. coli patogen dari mastitis sapi. NP doped jahe, terutama pada rasio 6 mL : 1, memberikan efikasi tertinggi, kemungkinan karena interaksi sinergis antara flavonoid dan CuO. Analisis struktural mengonfirmasi fase monoklinik, morfologi bola, dan ukuran nano (24,7 nm untuk doped ZO, 47,6 nm untuk doped AS). Temuan ini mendukung penggunaan NP CuO berbasis tumbuhan sebagai alternatif hemat biaya dan ramah lingkungan terhadap antibiotik konvensional, mengatasi masalah yang semakin tumbuh dari resistensi antibiotik dan kontaminasi sisa.
