Антибактериальная активность фотокаталитических сферических частиц TIO₂ размером 100-200 нм, синтезированных пероксометодом

Обоснование. Разработка фотокатализаторов с антибактериальными свойствами представляется актуальной для борьбы с полирезистентными микроорганизмами в медицинских учреждениях. Недавно пероксометодом синтезирован полупроводниковый оксид металла TiO₂ в виде сферических частиц (СЧ) с размерами 100-200 нм, его антибактериальные свойства не изучены.

Целью является  оценка  выживаемости  и  морфологии  Escherichia  coli и Staphylococcus aureus под воздействием частиц TiO₂ , оценка их токсичности в биолюминесцентном тесте.

Методы. TiO₂ в концентрациях 0,5–2 г/л после 10–120 мин УФ-облучения добавляли к суспензии E. coli или S. aureus. Выживаемость, микроскопическое исследование (SEM, ASM) и биолюминесцентный тест токсичности проводились после 60–90 мин контакта.

Результаты. Антибактериальный эффект TiO₂ СЧ сохранялся после прекращения УФ-облучения. TiO₂ в концентрации 0,5–2 г/л, предварительно активированный УФ (120 мин), снижал жизнеспособность как E. coli, так и S. aureus. Согласно биолюминесцентному тесту, EC50 для наночастиц TiO₂ составила 7,46, 2,61, 1,87 г/л после 10, 60, 120 мин предварительной УФ-активации, соответственно. Наблюдения с помощью электронного микроскопа показали, что наночастицы TiO₂ с предварительной УФ-активацией обладают адгезией и прочно прикрепляются к клеткам E. coli и S. aureus.

Заключение. Понимание механизма взаимодействия TiO₂ СЧ с бактериями позволит разработать новый фотокатализатор с антибактериальными свойствами.

1. Hawkey PM. Multidrug-resistant Gram-negative bacteria: a product of globalization. J Hosp Infect. 2015; 89(4): 241-247. doi: 10.1016/j.jhin.2015.01.008

2. Solcova O, Spacilova L, Maleterova Y, Morozova M, Ezechias M, Kresinova Z. Photocatalytic water treatment on TiO2 thin layers. Desalination Water Treat. 2016; 57(25): 11631-11638. doi: 10.1080/19443994.2015.1049964

3. Maryani E, Nurjanah NS, Hadisantoso EP, Wijayanti RB. The effect of TiO2 additives on the antibacterial properties (Escherichia coli and Staphylococcus aureus) of glaze on ceramic tiles. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020; 980: 012011. doi: 10.1088/1757-899X/980/1/012011

4. Zhukova LV. Evidence for сompression of Escherichia coli K12 сells under the effect of TiO₂ nanoparticles. ACS Appl Mater Interfaces. 2015; 7(49): 27197-27205. doi: 10.1021/acsami.5b08042

5. Verdier T, Coutand M, Bertron A, Roques C. Antibacterial activity of TiO2 photocatalyst alone or in coatings on E. coli: The influence of methodological aspects. Coatings. 2014; 4(3): 670–686. doi: 10.3390/coatings4030670

6. Baranowska-Wójcik E, Szwajgier D, Gustaw K. Effect of TiO2 on selected pathogenic and opportunistic intestinal bacteria. Biol Trace Elem Res. 2022; 200(5): 2468-2474. doi: 10.1007/s12011-021-02843-7

7. Kim B, Kim D, Cho D, Cho S. Bactericidal effect of TiO2 photocatalyst on selected food-borne pathogenic bacteria. Chemosphere. 2003; 52(1): 277-281. doi: 10.1016/S0045-6535(03)00051-1

8. Kosyan DB, Yausheva EV, Vasilchenko AS, Vasilchenko AV, Miroshnikov SA.Toxicity of SiO2,TiO2 and CeO2 nanoparticles evaluated using the bioluminescence assay. Int. J. GEOMATE. 2017; 13(40): 66-73. doi: 10.21660/2017.40.32064

9. O’Neill S, Robertson JMC, Héquet V, Chazarenc F, Pang X, Ralphs K, et al. Comparison of titanium dioxide and zinc oxide photocatalysts for the inactivation of Escherichia coli in water using slurry and rotating-disk photocatalytic reactors. Ind Eng Chem Res. 2023; 62(45): 1895218959. doi: 10.1021/acs.iecr.3c00508

10. Yemmireddy VK, Hung YC. Using Photocatalyst Metal Oxides as Antimicrobial Surface Coatings to Ensure Food Safety-Opportunities and Challenges. Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2017; 16: 617-631. doi: 10.1111/1541-4337.12267

11. Pigeot-Rémy S, Simonet F, Atlan D, Lazzaroni JC, Guillard C. Bactericidal effi y and mode of action: a comparative study of photochemistry and photocatalysis. Water Res. 2012; 46(10): 3208-3218. doi: 10.1016/j.watres.2012.03.019

12. Kim SW, An YJ. Effect of ZnO and TiO₂ nanoparticles preilluminated with UVA and UVB light on Escherichia coli and Bacillus subtilis. Appl Microbiol Biotechnol. 2012; 95(1): 243-253. doi: 10.1007/s00253-012-4153-6

13. Sandua X, Rivero PJ, Esparza J, Fernández-Palacio J, Conde A, Rodríguez RJ. Design of photocatalytic functional coatings based on the immobilization of metal oxide p articles by the Combination of Electrospinning and Layer-by-Layer Deposition Techniques. Coatings. 2022; 12: 862. doi: 10.3390/coatings12060862

14. Gong M, Xiao S, Yu X, Dong C, Ji J, Zhang D, Xing M. Research progress of photocatalytic sterilization over semiconductors. RSC Adv. 2019; 9(34): 19278-19284. doi: 10.1039/c9ra01826c

15. Pleskova SN, Golubeva IS, Verevkin YK. Bactericidal activity of titanium dioxide ultraviolet-induced films. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016; 59: 807-817. doi: 10.1016/j.msec.2015.10.021

16. Kanan S, Moyet MA, Arthur RB, Patterson HH. Recent advances on TiO2-based photocatalysts toward the degradation of pesticides and major organic pollutants from water bodies. Catalysis Reviews. 2019; 62(1): 1-65. doi: 10.1080/01614940.2019.16133235

17. Serov DA, Gritsaeva AV, Yanbaev FM, Simakin AV, Gudkov SV. Review of antimicrobial properties of titanium dioxide nanoparticles. Int J Mol Sci. 2024; 25(19): 10519. doi: 10.3390/ijms251910519

18. Sora Yu, You J, Yang I, Kang P, Rawal ShB, Sung SD, LeeWI.Tailoring of nanoporousTiO2 spheres with 100–200 nm sizes for effi t dye-sensitized solar cells. Journal of Power Sources. 2016; 325: 7-14. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.06.018

19. Morozov R, Krivtsov I, Avdin V, Amghouz Z, Gorshkov A, Pushkova E, et al. Microporous composite SiO2-TiO2 spheres prepared via the peroxo route: Lead(II) removal in aqueous media. J Non Cryst Solids. 2018; 497: 71-81. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2017.11.031

20. Danilov VS, Zarubina AP, Erochnikov GE, Solov’eva LN, Kartashev FV, Zavil’gel’skii GB. Sensory bioluminescence systems based on lux-operons of various-type luminescent bacteria. Vest. Moscow Univ. Biol. 2002; 3: 20-24.

21. Oleskin AV, Sorokina EV, Zarubina AP, Parkhomenko IM. Testing neurotransmitters for toxicity with a luminescent biosensor: implications for microbial endocrinology. Journal of Pharmacy and Nutrition Sciences. 2017; 7(3): 88-94.

22. Scimone A, Redfern J, Patiphatpanya P, Thongtem T, Ratova M, Kelly P, et al. Development of a rapid method for assessing the effi y of antibacterial photocatalytic coatings. Talanta. 2021; 225: 122009. doi: 10.1016/j.talanta.2020.122009

23. Palza H. Antimicrobial polymers with metal nanoparticles. Int J Mol Sci. 2015; 16(1): 2099-2116. doi: 10.3390/ijms16012099

24. Xiong S, George S, Ji Z, Lin S, Yu H, Damoiseaux R, et al. Size of TiO(2) nanoparticles influences their phototoxicity: an in vitro investigation. Arch Toxicol. 2013; 87(1): 99109. doi: 10.1007/s00204-012-0912-5

25. Jafari S, Mahyad B, Hashemzadeh H, Janfaza S, Gholikhani T, Tayebi L. Biomedical applications of TiO2 nanostructures: recent advances. Int J Nanomedicine. 2020; 15: 3447-3470. doi: 10.2147/IJN.S249441

26. Ahamed A, Liang L, Lee MY, Bobacka J, Lisak G. Too small to matter? Physicochemical transformation and toxicity of engineered nTiO2, nSiO2, nZnO, carbon nanotubes, and nAg. J Hazard Mater. 2021; 404(Pt A): 124107. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.124107

27. Adams CP, Walker KA, Obare SO, Docherty KM. Size-dependent antimicrobial effects of novel palladium nanoparticles. PLoS One. 2014; 9(1): e85981. doi: 10.1371/journal.pone.0085981

28. Dalai S, Pakrashi S, Kumar RSS, Chandrasekaran N, Mukherjee A. A comparative cytotoxicity study of TiO2 nanoparticles under light and dark conditions at low exposure concentrations. Toxicol Res. 2012; 1: 116-130. doi: 10.1039/C2TX00012A

29. Liou JW, Chang HH. Bactericidal effects and mechanisms of visible light-responsive titanium dioxide photocatalysts on pathogenic bacteria. Arch Immunol Ther Exp (Warsz). 2012; 60(4): 267-275. doi: 10.1007/s00005-012-0178-x

30. Chubenko EB, Baglov AV, Borisenko VE, Dudchik NV, Drozdova EV, Yemelyanova OA. Estimation of the integral toxicity of photocatalysts based on graphitic carbon nitride in a luminescent test. Kinetics and Catalysis. 2022; 63(2): 166171. doi: 10.31857/S0453881122020010