Журналов:     Статей:        

Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021; 98: 416-425

Микробный синтез и оценка бактерицидных свойств наночастиц сульфида кадмия

Журавлева О. А., Воейкова Т. А., Кулигин В. С., Дебабов В. Г.

https://doi.org/10.36233/0372-9311-89

Аннотация

Введение. Продуктивность микробного синтеза стабильных наночастиц определяется стадией роста популяций бактериальных культур, используемых для получения наноструктур. Перспективно изучение биоцидной активности биогенных наночастиц сульфида кадмия (NPsCdS), сравнимых по свойствам с наноматериалами, полученными физико-химическими методами.

Цель работы — оценить влияние фазы роста клеток штаммов бактерий Bacillus subtilis 168 и Shewanella oneidensis MR-1 на эффективность биосинтеза NPsCdS и изучить их бактерицидные свойства в отношении ряда грамположительных и грамотрицательных штаммов микроорганизмов.

Материалы и методы. Наночастицы получали введением солей Na2S и CdCl2 до конечной концентрации 2 мМ : 2 мМ в культуральные жидкости бактерий с клетками, находящимися в различных фазах роста. Эффективность биосинтеза NPsCdS оценивали по оптической плотности водных растворов наночастиц. Бактерицидные свойства NPsCdS определяли по диаметру зоны ингибирования роста грамположительных бактерий B. subtilis 168, B. amyloliquefaciens, Streptococcus salivarius, Rhodococcus rhodochrous и грамотрицательных S. oneidensis MR-1, Escherichia coli K-12, Pseudomonas putida.

Результаты. Установлено, что использование клеток в стационарной фазе роста (18–24 ч) способствует получению максимального количества NPsCdS, соответствующего концентрациям 1,0–1,2 мг/мл. Высокая антимикробная активность NPsCdS показана в отношении грамположительных микроорганизмов, среди грамотрицательных бактерий незначительную чувствительность проявил штамм P. putida.

Обсуждение. Результаты экспериментов расширяют научные данные о влиянии фазы ростового цикла бактерий для получения наночастиц. В отношении NPsCdS оптимальной является стационарная фаза роста B. subtilis 168, S. oneidensis MR-1. Впервые продемонстрирована цитотоксичность NPsCdS/Shewanella в отношении бактерий различных таксономических групп.

Заключение. Разработан эффективный метод получения внеклеточных NPsCdS с использованием бактерий B. subtilis 168, S. oneidensis MR-1 в стационарной фазе роста. Показана биоцидная активность биогенных NPsCdS, что позволяет рассматривать их как новый класс противомикробных агентов.

Список литературы

1. Veerathangam K., Pandian M.S., Ramasamy P. Size-dependent photovoltaic performance of cadmium sulfide (CdS) quantum dots for solar cell applications. J. Alloys Compd. 2018; 735: 202–8. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.055

2. Садовников С.И., Гусев А.И., Ремпель А.А., ред. Полупроводниковые наноструктуры сульфидов свинца, кадмия и серебра. М.: Физматлит; 2018.

3. Moghaddam M., Naderi N., Hosseinifard M., Kazemzadeh A. Improved optical and structural properties of cadmium sulfide nanostructures for optoelectronic applications. Ceram. Int. 2020; 46(6): 7388–95. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.234

4. Cheng L., Xiang Q., Liao Y., Zhang H. CdS-based photocatalysts. Energy Environ. Sci. 2018; 11: 1362–91. https://doi.org/10.1039/C7EE03640J

5. Nivetha A., Mangala D., Prabha S.I. Fascinating physic-chemical properties and resourceful applications of selected cadmium nanomaterials. J. Inorg. Organomet. Polym. 2019; 29: 1423–38. https://doi.org/10.1007/s10904-019-01141-z

6. Mostafa A.M., Mwafy E.A., Hasanin M.S. One-pot synthesis of nanostructured CdS, CuS, and SnS by pulsed laser ablation in liquid environment and their antimicrobial activity. Opt. Laser Technol. 2020; 121: 105824. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105824

7. Ullah M.W., Shi Z., Shi X., Zeng D., Li S., Yang G. Microbes as structural templates in biofabrication: study of surface chemistry and applications. ACS Sustainable Chem. Eng. 2017; 5(12): 11163–75. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b02765

8. Gahlawat G., Choudhury A.R. A review on the biosynthesis of metal and metal salt nanoparticles by microbes. RSC Adv. 2019; 9: 12944–67. https://doi.org/10.1039/C8RA10483B

9. Feng Y., Marusak K.E., You L., Zauscher S. Biosynthetic transition metal chalcogenide semiconductor nanoparticles: progress in synthesis, property control and applications. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 2018; 38: 190–203. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2018.11.002

10. Yang Z., Lu L., Berard V.F., He Q., Kiely C.J., Berger B.W., et al. Biomanufacturing of CdS quantum dots. Green Chem. 2015; 17: 3775–82. https://doi.org/10.1039/C5GC00194C

11. Shivashankarappa A., Sanjay K.R. Escherichia coli-based synthesis of cadmium sulfide nanoparticles, characterization, antimicrobial and cytotoxicity studies. Braz. J. Microbiol. 2020; 51(3): 939–48. https://doi.org/10.1007/s42770-020-00238-9

12. Kumar A., Singh A.K., Choudhary K.K., eds. Role of Plant Growth Promoting Microorganisms in Sustainable Agriculture and Nanotechnology. Elsevier Inc.; 2019.

13. Журавлева О.А., Воейкова Т.А., Хаддаж М.Х., Булушова Н.В., Исмагулова Т.Т., Бахтина А.В. и др. Бактериальный синтез наночастиц сульфидов кадмия и цинка. Характеристика и перспектива их применения. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2018; 36(4): 191–8. https://doi.org/10.17116/molgen201836041191

14. Elsalam Abd S.S., Taha R.H., Tawfeik A.M., El-Monem Abd M.O., Mahmoud H.A. Antimicrobial activity of bio and chemical synthesized cadmium sulfide nanoparticles. Egypt. J. Hosp. Med. 2018; 70(9): 1494–507. https://doi.org/10.12816/0044675

15. Sankhla A., Sharma R., Yadav R.S., Kashyap D., Kothari S.L., Kachhwaha S. Biosynthesis and characterization of cadmium sulfide nanoparticles — an emphasis of zeta potential behavior due to capping. Mater. Chem. Phys. 2016; 170: 44-51. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2015.12.017

16. Marusak K.E., Feng Y., Eben C.F., Payne S.T., Cao Y., You L., et al. Cadmium sulphide quantum dots with tunable electronic properties by bacterial precipitation. RSC Adv. 2016; 6(80): 76158–66. https://doi.org/10.1039/C6RA13835G

17. Qi P., Zhang D., Zeng Y., Wan Y. Biosynthesis of CdS nanoparticles: A fluorescent sensor for sulfate-reducing bacteria detection. Talanta. 2016; 147: 142–6. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2015.09.046

18. Sweeney R.Y., Mao C., Gao X., Burt J.L., Belcher A.M., Georgiou G., et al. Bacterial biosynthesis of cadmium sulfide nanocrystals. Chem. Biol. 2004; 11(11): 1553–9. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2004.08.022

19. Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Д., ред. Методы генетической инженерии. Молекулярное клонирование. М.: Мир; 1984.

20. Воейкова Т.А., Журавлева О.А., Грачева Т.С., Булушова Н.В., Исмагулова Т.Т., Шайтан К.В. и др. Оптимизация микробного синтеза наночастиц сульфида серебра. Биотехнология. 2017; 33(3): 38–46. https://doi.org/10.1016/10.21519/0234-2758-2017-33-3-38-46

21. Воейкова Т.А., Шебанова А.С., Иванов Ю.Д., Кайшева А.Л., Новикова Л.М., Журавлева О.А. и др. Роль белков внешней мембраны бактерии Shewanella oneidensis MR-1 в образовании и стабилизации наночастиц сульфида серебра. Биотехнология. 2015; 31(5): 41–8.

22. Воейкова Т.А., Журавлева О.А., Кулигин В.С., Иванов Е.В., Кожухова Е.И., Егоров А.С. и др. Природоподобный метод получения полимерных нанокомпозитов и изучение их физико-химических свойств. Вопросы материаловедения. 2019; (4): 113–23. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-100-4-113-123

23. Alsaggaf M.S., Elbaz A.F., Badawy El S., Moussa S.H. Anticancer and antibacterial activity of cadmium sulfide nanoparticles by Aspergillus niger. Adv. Polym. Technol. 2020; 2020: 4909054. https://doi.org/10.1155/2020/4909054

24. Bhat Ul I.H., Yi Y.S. Green synthesis and antibacterial activity of cadmium sulfide nanoparticles (CdSNPs) using Panicum sarmentosum. Asian J. Green Chem. 2019; 3(4): 455–69. https://doi.org/10.33945/SAMI/AJGC.2019.4.3

Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2021; 98: 416-425

Microbial synthesis and evaluation of bactericidal properties of cadmium sulfide nanoparticles

Zhuravliova O. A., Voeikova T. A., Kuligin V. S., Debabov V. G.

https://doi.org/10.36233/0372-9311-89

Abstract

Introduction. The productivity of microbial synthesis of stable nanoparticles is determined by the growth stage of the populations of bacterial cultures used to obtain nanostructures. The study of the biocidal activity of biogenic nanoparticles of cadmium sulfide (NPsCdS), comparable in properties with nanomaterials obtained by physicochemical methods, is promising.

The aim of this work was to evaluate the effect of the cell growth phase of the bacterial strains Bacillus subtilis 168 and Shewanella oneidensis MR-1 on the efficiency of biosynthesis of NPsCdS and to study their bactericidal properties against a number of gram-positive and gram-negative strains of microorganisms.

Material and methods. Nanoparticles were obtained by introducing Na2S and CdCl2 salts to a final concentration of 2 mM : 2 mM in liquid bacterial cultures with cells in different phases of growth. The efficiency of NPsCdS biosynthesis was evaluated by the optical density of aqueous nanoparticles solutions. The bactericidal properties of NPsCdS were determined by the diameter of zone of inhibition growth of gram-positive bacteria B. subtilis 168, B. amyloliquefaciens, Streptococcus salivarius, Rhodococcus rhodochrous and gram-negative S. oneidensis MR-1, Escherichia coli K-12, Pseudomonas putida.

Results. It was found that the use of cells in the stationary phase of growth (18–24 hours) contributes to obtaining the maximum amount of NPsCdS corresponding to concentrations of 1.0–1.2 mg/ml. The high antimicrobial activity of NPsCdS was shown against gram-positive microorganisms, among gram-negative bacteria, P. putida strain showed insignificant sensitivity.

Discussion. The experimental results expand scientific data about the effect of the phase of bacterial growth cycle on biosynthesis of nanoparticles. The stationary phase of growth of B. subtilis 168, S. oneidensis MR-1 is optimal for obtaining of NPsCdS. For the first time, the cytotoxicity of NPsCdS/Shewanella against bacteria of various taxonomic groups was demonstrated.

Conclusion. An effective method for obtaining extracellular NPsCdS using bacteria B. subtilis 168, S. oneidensis MR-1 in the stationary phase of growth has been developed. The biocidal activity of biogenic NPsCdS was shown, which allows to consider them as a new class of antimicrobial agents.

References

1. Veerathangam K., Pandian M.S., Ramasamy P. Size-dependent photovoltaic performance of cadmium sulfide (CdS) quantum dots for solar cell applications. J. Alloys Compd. 2018; 735: 202–8. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.055

2. Sadovnikov S.I., Gusev A.I., Rempel' A.A., red. Poluprovodnikovye nanostruktury sul'fidov svintsa, kadmiya i serebra. M.: Fizmatlit; 2018.

3. Moghaddam M., Naderi N., Hosseinifard M., Kazemzadeh A. Improved optical and structural properties of cadmium sulfide nanostructures for optoelectronic applications. Ceram. Int. 2020; 46(6): 7388–95. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.234

4. Cheng L., Xiang Q., Liao Y., Zhang H. CdS-based photocatalysts. Energy Environ. Sci. 2018; 11: 1362–91. https://doi.org/10.1039/C7EE03640J

5. Nivetha A., Mangala D., Prabha S.I. Fascinating physic-chemical properties and resourceful applications of selected cadmium nanomaterials. J. Inorg. Organomet. Polym. 2019; 29: 1423–38. https://doi.org/10.1007/s10904-019-01141-z

6. Mostafa A.M., Mwafy E.A., Hasanin M.S. One-pot synthesis of nanostructured CdS, CuS, and SnS by pulsed laser ablation in liquid environment and their antimicrobial activity. Opt. Laser Technol. 2020; 121: 105824. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105824

7. Ullah M.W., Shi Z., Shi X., Zeng D., Li S., Yang G. Microbes as structural templates in biofabrication: study of surface chemistry and applications. ACS Sustainable Chem. Eng. 2017; 5(12): 11163–75. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b02765

8. Gahlawat G., Choudhury A.R. A review on the biosynthesis of metal and metal salt nanoparticles by microbes. RSC Adv. 2019; 9: 12944–67. https://doi.org/10.1039/C8RA10483B

9. Feng Y., Marusak K.E., You L., Zauscher S. Biosynthetic transition metal chalcogenide semiconductor nanoparticles: progress in synthesis, property control and applications. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 2018; 38: 190–203. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2018.11.002

10. Yang Z., Lu L., Berard V.F., He Q., Kiely C.J., Berger B.W., et al. Biomanufacturing of CdS quantum dots. Green Chem. 2015; 17: 3775–82. https://doi.org/10.1039/C5GC00194C

11. Shivashankarappa A., Sanjay K.R. Escherichia coli-based synthesis of cadmium sulfide nanoparticles, characterization, antimicrobial and cytotoxicity studies. Braz. J. Microbiol. 2020; 51(3): 939–48. https://doi.org/10.1007/s42770-020-00238-9

12. Kumar A., Singh A.K., Choudhary K.K., eds. Role of Plant Growth Promoting Microorganisms in Sustainable Agriculture and Nanotechnology. Elsevier Inc.; 2019.

13. Zhuravleva O.A., Voeikova T.A., Khaddazh M.Kh., Bulushova N.V., Ismagulova T.T., Bakhtina A.V. i dr. Bakterial'nyi sintez nanochastits sul'fidov kadmiya i tsinka. Kharakteristika i perspektiva ikh primeneniya. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya. 2018; 36(4): 191–8. https://doi.org/10.17116/molgen201836041191

14. Elsalam Abd S.S., Taha R.H., Tawfeik A.M., El-Monem Abd M.O., Mahmoud H.A. Antimicrobial activity of bio and chemical synthesized cadmium sulfide nanoparticles. Egypt. J. Hosp. Med. 2018; 70(9): 1494–507. https://doi.org/10.12816/0044675

15. Sankhla A., Sharma R., Yadav R.S., Kashyap D., Kothari S.L., Kachhwaha S. Biosynthesis and characterization of cadmium sulfide nanoparticles — an emphasis of zeta potential behavior due to capping. Mater. Chem. Phys. 2016; 170: 44-51. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2015.12.017

16. Marusak K.E., Feng Y., Eben C.F., Payne S.T., Cao Y., You L., et al. Cadmium sulphide quantum dots with tunable electronic properties by bacterial precipitation. RSC Adv. 2016; 6(80): 76158–66. https://doi.org/10.1039/C6RA13835G

17. Qi P., Zhang D., Zeng Y., Wan Y. Biosynthesis of CdS nanoparticles: A fluorescent sensor for sulfate-reducing bacteria detection. Talanta. 2016; 147: 142–6. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2015.09.046

18. Sweeney R.Y., Mao C., Gao X., Burt J.L., Belcher A.M., Georgiou G., et al. Bacterial biosynthesis of cadmium sulfide nanocrystals. Chem. Biol. 2004; 11(11): 1553–9. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2004.08.022

19. Maniatis T., Frich E., Sembruk D., red. Metody geneticheskoi inzhenerii. Molekulyarnoe klonirovanie. M.: Mir; 1984.

20. Voeikova T.A., Zhuravleva O.A., Gracheva T.S., Bulushova N.V., Ismagulova T.T., Shaitan K.V. i dr. Optimizatsiya mikrobnogo sinteza nanochastits sul'fida serebra. Biotekhnologiya. 2017; 33(3): 38–46. https://doi.org/10.1016/10.21519/0234-2758-2017-33-3-38-46

21. Voeikova T.A., Shebanova A.S., Ivanov Yu.D., Kaisheva A.L., Novikova L.M., Zhuravleva O.A. i dr. Rol' belkov vneshnei membrany bakterii Shewanella oneidensis MR-1 v obrazovanii i stabilizatsii nanochastits sul'fida serebra. Biotekhnologiya. 2015; 31(5): 41–8.

22. Voeikova T.A., Zhuravleva O.A., Kuligin V.S., Ivanov E.V., Kozhukhova E.I., Egorov A.S. i dr. Prirodopodobnyi metod polucheniya polimernykh nanokompozitov i izuchenie ikh fiziko-khimicheskikh svoistv. Voprosy materialovedeniya. 2019; (4): 113–23. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-100-4-113-123

23. Alsaggaf M.S., Elbaz A.F., Badawy El S., Moussa S.H. Anticancer and antibacterial activity of cadmium sulfide nanoparticles by Aspergillus niger. Adv. Polym. Technol. 2020; 2020: 4909054. https://doi.org/10.1155/2020/4909054

24. Bhat Ul I.H., Yi Y.S. Green synthesis and antibacterial activity of cadmium sulfide nanoparticles (CdSNPs) using Panicum sarmentosum. Asian J. Green Chem. 2019; 3(4): 455–69. https://doi.org/10.33945/SAMI/AJGC.2019.4.3