Use of an electrochemical biotesting technique for comparing the antibiotic properties of plant extracts obtained using liquefied CO2

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We present a biotesting technique that allows periodic (every 2 hours) recording of changes in the pH, redox potential and electrical conductivity of a liquid nutrient medium incubated in the presence or absence of viable test microorganisms and test samples. This technique was used to compare the pro- and antibiotic activity of various concentrations of subcritical whole extracts obtained from 10 plant species using liquefied CO2 against Lactobacillus acidophilus and other test microorganisms, such as Chlorella vulgaris and Rhodotorula glutinis. It was established that the proposed technique provides for a quicker, more objective and informative, as well as less material-consuming and labour-intensive, microbiological testing compared to conventional visual methods aimed at assessing effects of pharmaceutical, food and other products on the activity of test microorganisms. Among the studied plant varieties, extracts from celandine roots (Chelidonium majus) and calendula officinalis flowers (Calendula officinalis) at a concentration of 3% vol. and above demonstrated the most active prolonged antibiotic properties. Extracts from mistletoe shoots (Viscum album) and walnut leaves (Juglans regia) at a concentration of 0.2% vol. showed the most active prolonged probiotic properties. The initial pro- and antibiotic activity of the tested extracts was in most cases greater than their prolonged activity. At the same time, the medium-term (with respect to the period of interaction of the extracts and microorganisms) pro- and antibiotic activity of the tested extracts showed intermediate values between their initial and prolonged activity. It is noteworthy that a decrease in the concentration of the tested extracts in the test environment led to a steady decrease in their antibiotic activity, at the same time as increasing their probiotic activity. Thus, it is clear that the pro- and antibiotic activity of pharmaceutical, food and other products, including various plant extracts, is determined not only by the choice of raw materials and the method for extracting biologically active substances, but also by the concentration of extracts, the time of their interaction with microbiota and other living organisms, as well as by a variety of other factors. The exact nature of these dependencies can only be established through multiple tests, which can conveniently be carried out using the methodology presented in this work.

About the authors

V. S. Sibirtsev

All-Russia Research Institute for Food Additives - Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems, RAS

Email: vs1969r@mail.ru

U. Yu. Nechiporenko

All-Russia Research Institute for Food Additives - Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems, RAS

Email: unechiporenko@yandex.ru

V. L. Kabanov

All-Russia Research Institute for Food Additives - Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems, RAS

Email: kabanof_v@yahoo.com

O. V. Bukhantsev

All-Russia Research Institute for Food Additives - Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems, RAS

Email: bukhantsev_ov@yandex.ru

References

  1. Sutherland J., Miles M., Hedderley D., Li J., Devoy S., Sutton K., Lauren D. In vitro effects of food extracts on selected probiotic and pathogenic bacteria // International Journal of Food Sciences and Nutrition. 2009. Vol. 60. issue 8. Р. 717-727. https://doi.org/10.3109/09637480802165650
  2. Das S., Anjeza C., Mandal S. Synergistic or additive antimicrobial activities of Indian spice and herbal extracts against pathogenic, probiotic and food-spoiler microorganisms // International Food Research Journal. 2012. Vol. 19. Issue 3. Р. 11851191.
  3. Al-Zubairi A. S., Al-Mamary M. A., Al-Ghasani E. The antibacterial, antifungal and antioxidant activities of essential oil from different aromatic plants // Global Advanced Research Journal of Medicine and Medical Sciences. 2017. Vol. 6. Issue 9. Р. 224233.
  4. Zhuravlev O.E., Voronchikhina L.I. Synthesis and antimicrobial activity of n-decylpyridinium salts with inorganic anions // Pharmaceutical Chemistry Journal. 2018. Vol. 52. Issue 4. P. 312-315. https://doi.org/10.1007/s11094-018-1813-6
  5. Luzhnova S.A., Tyrkov A.G., Gabitova N.M., Yurtaeva E.A. Synthesis and antimicrobial activity of 5-(arylmethylidene)-2,4,6-pyrimidine-2,4,6(1H,3H,5H)-triones // Pharmaceutical Chemistry Journal. 2018. Vol. 52. Issue 6. P. 506-509. https://doi.org/10.1007/s11094-018-1849-7
  6. Rodino S., Butu M. Herbal extracts - new trends in functional and medicinal beverages. In: Grumezescu A.M., Holban A.M. (ed.). Functional and Medicinal Beverages. Vol. 11: The Science of Beverages. Chapter 3. Academic Press. 2019. P. 73-108. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816397-9.00003-0
  7. Burt S. Essential oils: their antibacterial properties and potential applications in foods - a review // International Journal of Food Microbiology. 2004. Vol. 94. Issue 3. P. 223-253. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2004.03.022
  8. Bakkali F., Averbeck S., Averbeck D., Ida-omar M. Biological effects of essential oils - a review // Food and Chemical Toxicology. 2008. Vol. 46. Issue 2. Р. 446-475. https://doi.org/10.1016/j.fct.2007.09.106
  9. Tripathi A.K., Bhoyar P.K., Baheti J.R., Biyani D.M., Khalique M., Kothmire M.S., et al. Herbal antidiabetics: a review // International Journal of Research in Pharmaceutical Sciences. 2011. Vol. 2. Issue 1. Р. 30-37.
  10. Fatima A., Alok S., Agarwal P., Singh P.P., Verma A. Benefits of herbal extracts in cosmetics: a review // International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. 2013. Vol. 4. Issue 10. Р. 3746-3760. https://doi.org/10.13040/ijpsr.0975-8232.4(10).3746-60
  11. Alok S., Jain S.K., Verma A., Kumar M., Ma-hor A., Sabharwal M. Herbal antioxidant in clinical practice: a review // Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine. 2014. Vol. 4. Issue 1. P. 78-84. https://doi.org/10.1016/S2221-1691(14)60213-6
  12. Radice M., Manfredini S., Ziosi P., Dissette V., Buso P., Fallacara A., et al. Herbal extracts, lichens and biomolecules as natural photo-protection alternatives to synthetic UV filters. A systematic review // Fitoterapia. 2016. Vol. 114. Р. 144-162. https://doi.org/10.1016/j.fitote.2016.09.003
  13. Merghni A., Marzouki H., Hentati H., Aouni M., Mastouri M. Antibacterial and antibiofilm activities of Laurus nobilis L. essential oil against Staphylococcus aureus strains associated with oral infections // Current Research in Translational Medicine. 2016. Vol. 64. Issue 1. Р. 29-34. https://doi.org/10.1016/j.patbio.2015.10.003
  14. Fani M., Kohanteb J. In vitro antimicrobial activity of thymus vulgaris essential oil against major oral pathogens // Journal of Evidence-based Complementary & Alternative Medicine. 2017. Vol. 22. Issue 4. Р. 660-666. https://doi.org/10.1177/2156587217700772
  15. Kokina M.S., Frioui M., Shamtsyan M., Sibirtsev V.S., Krasnikova L.V., Konusova V.G., et al. Influence of pleurotus ostreatus в-glucans on the growth and activity of certain lactic acid bacteria // Scientific Study and Research: Chemistry and Chemical Engineering, Biotechnology, Food Industry. 2018. Vol. 19. Issue 4. Р. 465-471.
  16. Atares L., Chiralt A. Essential oils as additives in biodegradable films and coatings for active food packaging // Trends in Food Science & Technology. 2016. Vol. 48. P. 51-62. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2015.12.001
  17. Ribeiro-Santos R., Andrade M., Melo N.R., Sanches-Silva A. Use of essential oils in active food packaging: Recent advances and future trends // Trends in Food Science & Technology. 2017. Vol. 61. P. 132-140. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2016.11.021
  18. Ju J., Xie Y., Guo Y., Cheng Y., Qian H., Yao W. Application of edible coating with essential oil in food preservation // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019. Vol. 59. Issue 15. P. 2467-2480. https://doi.org/10.1080/10408398.2018.1456402
  19. Yuan G.-F., Chen X., Li D. Chitosan films and coatings containing essential oils: The antioxidant and antimicrobial activity, and application in food systems // Food Research International. 2016. Vol. 89. Part 1. P. 117-128. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2016.10.004
  20. Donsi F., Ferrari G. Essential oil nanoemulsions as antimicrobial agents in food // Journal of Biotechnology. 2016. Vol. 233. P. 106-120. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.07.005
  21. Pavela R., Benelli G. Essential Oils as Ecofriendly Biopesticides? Challenges and Constraints // Trends in Plant Science. 2016. Vol. 21. Issue 12. Р. 1000-1007. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2016.10.005
  22. Rout P.K., Naik S.N., Rao Y.R. Subcritical CO2 extraction of floral fragrance from Quisqualis indica // Journal of Supercritical Fluids. 2008. Vol. 45. Issue 2. P. 200-205. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2008.02.011
  23. Sahena F., Zaidul I.S.M., Jinap S., Karim A.A., Abbas K.A., Norulaini N.A.N., et al. Application of supercritical CO2 in lipid extraction - a review // Journal of Food Engineering. 2009. Vol. 95. Issue 2. P. 240-253. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2009.06.026
  24. Ibadullaeva G.S., Pichkhadze G.M., Usteno-va G.O., Dil’barkhanov R., Tikhonova S.A., Grud’-ko V.A., et al. Chemical composition of the CO2-extract of Acorus Calamus obtained under subcriti-cal conditions // Pharmaceutical Chemistry Journal. 2015. Vol. 49. Issue 6. Р. 388-392. https://doi.org/10.1007/s11094-015-1290-0
  25. Valle Jr.D.L., Cabrera E.C., Puzon J.J.M., Rivera W.L. Antimicrobial activities of methanol, ethanol and supercritical CO2 extracts of Philippine Piper betle L. on clinical isolates of gram positive and gram negative bacteria with transferable multiple drug resistance // PLoS ONE. 2016. Vol. 11. Issue 1. Article e0146349. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0146349
  26. Lazarotto M., Valerio A., Boligon A., Tres M.V., Scapinello J., Dal Magro J., et al. Chemical composition and antibacterial activity of bergamot peel oil from supercritical CO2 and compressed propane extraction // Open Food Science Journal. 2018. Vol. 10. Issue 1. Р. 16-23. https://doi.org/10.2174/1874256401810010016
  27. Vieitez I., Maceiras L., Jachmanian I., Al-bores S. Antioxidant and antibacterial activity of different extracts from herbs obtained by maceration or supercritical technology // Journal of Supercritical Fluids. 2018. Vol. 133. Р. 58-64. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2017.09.025
  28. Coelho J., Veiga J., Karmali A., Nicolai M., Pinto Reis C., Nobre B., et al. Supercritical CO2 extracts and volatile oil of basil (Ocimum basilicum L.) comparison with conventional methods // Separations. 2018. Vol. 5. Issue 2. Р. 21-33. https://doi.org/10.3390/separations5020021
  29. Sibirtsev V.S., Garabadzhiu A.V., Ivanov S.D. Spectral properties of bisbenzimidazole dyes upon interaction with DNA // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 1997. Vol. 23. Issue 12. P. 857-866.
  30. Иванов С.Д., Коваленко А.Л., Ковань-ко Е.Г., Ямшанов В.А., Акимов А.А., Забежинский М.А.. Применение циклоферона при экспериментальной лучевой терапии опухолей // Вопросы онкологии. 1999. Т. 45. N 3. С. 292-297.
  31. Sibirtsev V.S., Glibin E.N., Ivanov S.D. Variation of spectral properties of actinocin derivatives due to equilibrium transformations // Russian Journal of Organic Chemistry. 2000. Vol. 36. Issue 12. P. 1812-1818.
  32. Sibirtsev V.S., Garabadzhiu A.V., Ivanov S.D. Comparative study of DNA-specific dyes of the indole and benzimidazole series // Russian Journal of Organic Chemistry. 2001. Vol. 27. Issue 1. P. 5473. https://doi.org/10.1023/A:1009535320077
  33. Sibirtsev V.S., Tolmachev A.Yu., Suslov V.V., Garabadzhiu A.V., Traven' V.F. Dependence of fluorescence properties of compounds from psoralen, angelicin, and carbazole series on the character of their terminal substituents // Russian Journal of Organic Chemistry. 2003. Vol. 39. Issue 6. P. 881-889. https://doi.org/10.1023/B:RUJO.0000003169.96393.1d
  34. Sibirtsev V.S. Study of applicability of the bifunctional system “Ethidium bromide + Hoechst-33258” for DNA analysis // Biochemistry (Moscow). 2005. Vol. 70. Issue 4. P. 449-457. https://doi.org/10.1007/s10541-005-0136-x
  35. Sibirtsev V.S., Tolmachev A.Yu., Kovaleva M.V., Garabadzhiu A.V., Traven V.F. Spectral study of interactions of 4,8,4'-trimethylpsoralen and 4,4'-dimethylangelicin dyes with DNA // Biochemistry (Moscow). 2005. Vol. 70. Issue 7. P. 822-832. http://doi.org/10.1007/s10541-005-0190-4
  36. Sibirtsev V.S. Fluorescent DNA probes: study of mechanisms of changes in spectral properties and features of practical application // Biochemistry (Moscow). 2007. Vol. 72. Issue 8. P. 887-900. https://doi.org/10.1134/S0006297907080111
  37. Sibirtsev V.S., Garabadzhiu A.V. Spectral study of the interaction of DNA with benzothiazolyl-benz-a-chromene // Biochemistry (Moscow). 2007. Vol. 72. Issue 8. P. 901-909. https://doi.org/10.1134/S0006297907080123
  38. Sibirtsev V.S., Naumov I.A., Kuprina E.E., Olekhnovich R.O. Use of impedance biotesting to assess the actions of pharmaceutical compounds on the growth of microorganisms // Pharmaceutical Chemistry Journal. 2016. Vol. 50. Issue 7. P. 481485. https://doi.org/10.1007/s11094-016-1473-3
  39. Сибирцев В.С., Маслова А.Ю. Комплексное исследование динамики жизнедеятельности E. coli в присутствии ионов переходных металлов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. N 2. С. 236-241. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-2-236-241
  40. Sibirtsev V.S., Uspenskaya M.V., Gara-badgiu A.V., Shvets V.I. An integrated method of instrumental microbiotesting of environmental safety of various products, wastes, and territories // Dokla-dy Biological Sciences. 2019. Vol. 485. Issue 1. P. 59-61. https://doi.org/10.1134/S001249661902011X
  41. Сибирцев В.С., Гарабаджиу А.В., Швец В.И. Новая методика комплексного фотофлуоресцентного микробиотестирования // Доклады Академии наук. 2019. Т. 489. N 6. С. 641-645. https://doi.org/10.31857/S0869-56524896641-645
  42. Johnson K.J. Numerical methods in chemistry. New York: Taylor & Francis, 1980. 503 p.
  43. Sibirtsev V.S. Analysis of benzopyrene deactivation mechanisms in rats // Bioche-mistry (Moscow). 2006. Vol. 71. Issue 1. P. 90-98. https://doi.org/10.1134/S0006297906010147

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».