Plant-mediated green synthesis and antibacterial efficacy of silver nanoparticles: A comparative study of cinnamon, hibiscus, and green tea
Bitki özütleriyle gümüş nanopartiküllerin yeşil sentezi ve antibakteriyel etkinliği: Tarçın, hibiskus ve yeşil çay üzerine karşılaştırmalı bir çalışma
- Tez No: 976270
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Nanomalzemeler ve özellikle metalik nanopartiküller, nanometre ölçeğinde ortaya çıkan benzersiz fiziksel, fizikokimyasal ve optik özellikleri sayesinde çeşitli bilimsel disiplinlerde yoğun bir ilgi görmektedir. Gümüş nanopartiküller (AgNP'ler), geniş bir bakteri, mantar ve virüs yelpazesine karşı gösterdikleri güçlü ve geniş spektrumlu antimikrobiyal aktiviteleriyle bu malzemeler arasında özel bir yere sahiptir. Bu özellikleri, onları tıp, biyoteknoloji, gıda ambalajı, tekstil ve çevresel iyileştirme gibi alanlardaki uygulamalar için oldukça değerli kılmaktadır. Geleneksel olarak AgNP'ler belirli fiziksel ve kimyasal yollarla sentezlenmektedirler. Bu yöntemlerin kullanımı yüksek enerji tüketimi, tehlikeli kimyasalların işlemler sırasında tercih edilmesi ve toksik yan ürünlerin oluşumu gibi önemli dezavantajlar sunmaktadır. Ayrıca, endüstriyel işlemlerin karmaşıklığı ve yüksek maliyetleri, bu işlemlerin kullanımını sınırlamaktadır. Bu sınırlılıklar, dünya genelinde daha sürdürülebilir ve çevre dostu üretim yöntemlerine doğru bir yönelimi tetiklemiştir. Bu bağlamda, bitki özütleri, bakteri, maya gibi biyolojik sistemlerin kullanıldığı“yeşil sentez”yaklaşımı, dikkat çekici bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bitki özütlerinin zengin fitokimyasal içeri sayesinde doğal indirgeyici ve stabilize edici ajanlar olarak kullanan bitki aracılı sentez; basitliği, düşük maliyeti, ölçeklenebilirliği ve çevre dostu doğası nedeniyle özellikle caziptir. Bu tez çalışması, üç farklı bitkisel kaynaktan elde edilen sulu özütler kullanılarak AgNP'lerin yeşil sentezi üzerine sistematik bir araştırma sunmaktadır: tarçın (Cinnamomum zeylanicum), hibiskus (Hibiscus sabdariffa) ve yeşil çay (Camellia sinensis). Çalışmanın temel amaçları şu şekilde belirlenmiştir: (1) her bir bitki özütü kullanılarak AgNP sentezini optimize etmek; (2) elde edilen nanopartiküllerin optik özellikleri, yüzey kimyası, morfolojisi, boyutu ve kolloidal kararlılığı dahil olmak üzere fizikokimyasal özelliklerini kapsamlı bir şekilde karakterize etmek; ve (3) bu nanopartiküllerin Gram-negatif bakteri Escherichia coli ve Gram-pozitif bakteri Staphylococcus aureus'a karşı antibakteriyel etkinliklerini karşılaştırmalı olarak değerlendirerek net bir yapı-aktivite ilişkisi kurmak. Sentez protokolü, bitki özütlerinin 5 mM gümüş nitrat çözeltisine farklı hacimsel oranlarda eklenmesiyle optimize edilmiştir. AgNP'lerin oluşumu, metalik nanopartikül oluşumunun bir göstergesi olan karakteristik Yüzey Plazmon Rezonansı (SPR) pikinin ortaya çıkmasıyla başarılı sentezi doğrulayan UV-Görünür (UV-Vis) spektroskopisi ile izlenmiştir. SPR piklerinin yoğunluğu ve keskinliğine dayanarak, optimal sentez koşulları tarçın için 1:5, hibiskus ve yeşil çay için ise 1:10 oranı olarak belirlenmiştir. Sentezi takiben AgNP çözeltileri, reaksiyona girmemiş iyonları ve bağlanmamış BİTKİ ÖZÜTLERİYLE GÜMÜŞ NANOPARTİKÜLLERİN YEŞİL SENTEZİ VE ANTİBAKTERİYEL ETKİNLİĞİ: TARÇIN, HİBİSKUS VE YEŞİL ÇAY ÜZERİNE KARŞILAŞTIRMALI BİR ÇALIŞMA ÖZET xxiv fitokimyasalları uzaklaştırmak amacıyla filtrasyon ve diyaliz (3.5 kDa MWCO) yoluyla saflaştırılmıştır. Bu saflaştırma adımının etkinliği, nihai örneklerde tespit edilebilir protein kalıntılarının olmadığını gösteren SDS-PAGE analizi ile doğrulanmıştır. Kapsamlı karakterizasyon, bitki özütü seçiminin AgNP'lerin nihai özelliklerini derinden etkilediğini ortaya koymuştur. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, nanopartikülleri kaplayan fonksiyonel grupları tanımlamıştır. Her üç AgNP türünün spektrumları da O–H (alkoller, fenoller) ve C=O (karboniller) gruplarına karşılık gelen güçlü bantlar göstermiş, bu da polifenolik ve diğer fitokimyasal bileşiklerin indirgeme ve stabilizasyon süreçlerinden sorumlu olduğunu teyit etmiştir. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), belirgin morfolojik farklılıkları vurgulamıştır: C-AgNP'ler küresel aglomeratlar oluştururken, H-AgNP'ler düzensiz, plaka benzeri bir yapı sergilemiş, GT-AgNP'ler ise yoğun bir organik kaplamaya işaret eden benzersiz, çatlak yüzeyli bir morfoloji göstermiştir. Dinamik Işık Saçılımı (DLS), nanopartiküllerin süspansiyon içindeki hidrodinamik boyutları ve kararlılıkları hakkında kritik veriler sunmuştur. Analizler net bir hiyerarşi ortaya koymuştur: Yeşil çay özütü, yaklaşık 105 nm'de baskın bir birincil partikül popülasyonuna sahip, en küçük ve en kararlı nanopartikülleri (Z-Ortalama ≈ 144 nm) üretmiştir. Tarçın özütü, orta büyüklükte ve iyi kararlılıkta (Z-Ortalama ≈ 180 nm) nanopartiküller vermiştir. Buna karşılık, hibiskus özütünün zayıf bir stabilize edici ajan olduğu ve büyük, kontrolsüz, mikron boyutunda agregatların (Z-Ortalama> 800 nm) oluşumuna yol açtığı görülmüştür. Bu belirgin fizikokimyasal özelliklerin, nanopartiküllerin antibakteriyel performansıyla doğrudan ilişkili olduğu bulunmuştur. Agar disk difüzyon ve sıvı buyyon mikrodilüsyon (MIC) testleri ile nicelendirilen bu performans, net bir yapıaktivite ilişkisini kanıtlamıştır. En küçük ve en iyi dağılmış olan Yeşil Çay-sentezli AgNP'ler (GT-AgNP'ler), hem S. aureus'a (MIC₅₀ = 0.53 µg/mL) hem de E. coli'ye (MIC₅₀ = 0.044 µg/mL) karşı en düşük MIC₅₀ değerleriyle en yüksek antibakteriyel aktiviteyi sergilemiştir. Buna karşılık, büyük ve agrege olmuş Hibiskus-sentezli AgNP'ler (H-AgNP'ler), özellikle S. aureus'a karşı (MIC₅₀ = 18 µg/mL) en zayıf aktiviteyi göstermiştir. C-AgNP'ler ise orta büyüklükleriyle tutarlı olarak orta düzeyde bir etkinlik sergilemiştir. Çalışmanın önemli bir bulgusu, S.aureus ve E.coli bakterilerinin tarçın, hibiskus ve yeşil çay AgNP formülasyonlarına karşı gösterdiği farklı duyarlılıktır. C-AgNP'ler ve H-AgNP'ler, Gram-pozitif S. aureus'a karşı Gram- negatif E. coli'den daha etkili olmuştur; bu durum Gram-negatif E. coli'nin dış zarının koruyucu bariyer görevi yaptığı işleviyle tutarlıdır. Çarpıcı bir şekilde, GT-AgNP'ler diğer iki AgNP formülasyonu aksine bu genel eğilime uymamış ve E. coli'ye karşı olağanüstü bir etki gücü göstermiştir. Bu, GTAgNP'lerin yoğun polifenolik yüzey kaplamasının bakteri dış zarını aktif olarak bozduğu hipotezini destekleyen, özgün bir etki mekanizmasına işaret etmektedir. xxv Sonuç olarak, bu araştırma, bitki aracılı yeşil sentezin, güçlü antibakteriyel gümüş nanopartiküller üretmek için basit, düşük maliyetli ve sürdürülebilir bir yöntem olduğunu doğrulamaktadır. Yapılan çalışamalar sonucunda, bitki özütü seçiminin, elde edilen nanomalzemelerin terapötik potansiyelini yöneten kritik bir tasarım parametresi olduğunu ortaya koymaktadır. Özellikle yeşil çay, küçük, kararlı ve yüksek etkiye sahip geniş spektrumlu antibakteriyel AgNP'ler sentezlemek için üstün bir bitkisel kaynak olarak öne çıkmakta ve bakteriyel patojenlerle mücadelede daha ileri geliştirmeler için umut vadeden bir aday olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Nanomaterials, and specifically metallic nanoparticles, have garnered immense interest across various scientific disciplines due to their unique physicochemical properties that arise at the nanoscale. Silver nanoparticles (AgNPs) are particularly prominent among these materials, renowned for their potent and broad-spectrum antimicrobial activities against a wide array of bacteria, fungi, and viruses. This makes them highly valuable for applications in medicine, biotechnology, food packaging, and environmental remediation. However, conventional synthesis methods for AgNPs, which include physical and chemical routes, often present significant drawbacks such as high energy consumption, the use of hazardous chemicals, and the generation of toxic byproducts. These limitations have driven a global shift towards more sustainable and environmentally friendly production methods. In this context,“green synthesis”using biological entities has emerged as a compelling alternative. Plant-mediated synthesis, which utilizes the rich phytochemical content of plant extracts to act as natural reducing and stabilizing agents, is especially attractive due to its simplicity, low cost, scalability, and eco-friendly nature. This thesis presents a systematic investigation into the green synthesis of AgNPs using aqueous extracts from three distinct botanical sources: cinnamon (Cinnamomum zeylanicum), hibiscus (Hibiscus sabdariffa), and green tea (Camellia). The primary objectives of this study were: (1) to optimize the synthesis of AgNPs using each plant extract; (2) to comprehensively characterize the resulting nanoparticles' physicochemical properties, including their optical characteristics, surface chemistry, morphology, size, and colloidal stability; and (3) to comparatively evaluate their antibacterial efficacy against the Gram-negative bacterium Escherichia coli and the Gram-positive bacterium Staphylococcus aureus, thereby establishing a clear structure-activity relationship. The synthesis protocol was optimized by testing different volumetric ratios of the plant extracts to a 5 mM silver nitrate solution. The formation of AgNPs was monitored by UV-Visible (UV-Vis) spectroscopy, which confirmed successful synthesis through the appearance of the characteristic Surface Plasmon Resonance (SPR) peak. Optimal synthesis conditions were determined to be a 1:5 ratio for cinnamon and a 1:10 ratio for both hibiscus and green tea, based on the intensity and sharpness of the SPR peaks. Following synthesis, the AgNP solutions were purified via filtration and dialysis (3.5 kDa MWCO) to remove unreacted ions and unbound phytochemicals, a step whose efficacy was later confirmed by SDS-PAGE analysis, which showed no detectable protein residues in the final samples. PLANT-MEDIATED GREEN SYNTHESIS AND ANTIBACTERIAL EFFICACY OF SILVER NANOPARTICLES: A COMPARATIVE STUDY OF CINNAMON, HIBISCUS, AND GREEN TEA SUMMARY xxii Comprehensive characterization revealed that the choice of plant extract profoundly dictated the final properties of the AgNPs. Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy identified the functional groups involved in the capping of the nanoparticles. The spectra for all three AgNP types showed strong bands corresponding to O–H (alcohols, phenols) and C=O (carbonyls) groups, confirming that polyphenolic and other phytochemical compounds were responsible for the reduction and stabilization processes. Scanning Electron Microscopy (SEM) highlighted distinct morphological differences: C-AgNPs formed spherical agglomerates, H-AgNPs exhibited an irregular, plate-like structure, and GT-AgNPs displayed a unique, cracked-surface morphology indicative of a dense organic coating. Dynamic Light Scattering (DLS) provided critical data on the hydrodynamic size and colloidal stability of the nanoparticles in suspension. A clear hierarchy was established: green tea extract produced the smallest and most stable nanoparticles (Z-Average ≈ 144 nm), featuring a dominant primary particle population around 105 nm. Cinnamon extract yielded nanoparticles of intermediate size and good colloidal stability (ZAverage ≈ 180 nm). In stark contrast, hibiscus extract was a poor stabilizing agent, resulting in the formation of large, uncontrolled, micron-sized aggregates (Z-Average > 800 nm). These distinct physicochemical properties were found to directly correlate with the nanoparticles' antibacterial performance, which was quantified using agar disk diffusion and broth microdilution (MIC) assays. The results unequivocally demonstrated a strong structure-activity relationship. The Green Tea-synthesized AgNPs (GT-AgNPs), being the smallest and most well-dispersed, exhibited the highest antibacterial activity, with the lowest MIC₅₀ values against both S. aureus(0.53 µg/mL) and E. coli (0.044 µg/mL). Conversely, the large, aggregated Hibiscus-AgNPs (HAgNPs) showed the weakest activity, particularly against S. aureus (MIC₅₀ = 18 µg/mL). The C-AgNPs displayed an intermediate level of efficacy, consistent with their intermediate size. A significant finding of this study was the differential susceptibility of the bacteria to the AgNP formulations. Both C-AgNPs and H-AgNPs were more effective against Gram-positive S. aureus than Gram-negative E. coli, which is consistent with the protective barrier function of the E. coli outer membrane. Strikingly, GT-AgNPs defied this trend, demonstrating exceptional potency against E. coli. This suggests a unique mechanism of action, hypothesized to involve the active destabilization of the bacterial outer membrane by the dense polyphenolic corona of the GT-AgNPs. In conclusion, this research validates plant-mediated green synthesis as a simple, costeffective, and sustainable method for producing potent antibacterial silver nanoparticles. It establishes that the choice of plant extract is a critical design parameter that governs the therapeutic potential of the resulting nanomaterials. Green tea, in particular, emerges as a superior botanical source for synthesizing small, stable, and highly effective broad-spectrum antibacterial AgNPs, making it a promising candidate for further development in the fight against bacterial pathogens
Benzer Tezler
- Köpeklerde çay ağacı yağı ve karanfil yağının birlikte kullanımının demodektik uyuza karşı akarisidal etkinliğinin değerlendirilmesi
Evaluation of the acaricidal efficacy of the combined use of tea tree oil and clove oil against demodectic mange in dogs
LEMAN AYDINLIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Veteriner HekimliğiBurdur Mehmet Akif Ersoy ÜniversitesiVeterinerlik Farmakoloji ve Toksikolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİDAYET TUTUN
- Plant-mediated sustainable nanomaterials for biomedical and optical applications
Biyomedikal ve optik uygulamalar için bitki aracılı sürdürülebilir nanomalzemeler
DİLBER AKCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
BiyomühendislikAbdullah Gül ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZELİHA SORAN ERDEM
- PANC-1 insan pankreas kanseri hücre hattında biyolojik ve kimyasal olarak sentezlenen gümüş nanopartiküllerin HIF-1 sinyal yolağı üzerindeki etkilerinin araştırılması
Investigation of effects of silver nanoparticles synthesized biologically and chemically on HIF-1 signal pathway in PANC-1 human pancreatic cancer cell line
ŞEVVAL ÖZKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
GenetikNecmettin Erbakan ÜniversitesiMoleküler Biyokimya ve Genetik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİNE NEDİME KORUCU
- In vitro olarak yetiştirilen Aloe vera L. kullanilarak gümüş nanopartiküllerin yeşil sentezi
Green synthesis of silver nanoparticles using in vitro grown Aloe vera L.
DAMLA GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimyaİstanbul ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NESLİHAN TURGUT KARA
- Mavi Kelebek Sarmaşığı (Clitoria ternatea) ekstraktından biyosentezlenen çinko oksit nanopartiküllerin İn Vitro antimikrobiyal, antidiyabetik ve antioksidan aktivitelerinin değerlendirilmesi
Zinc biosynthesis from blue butterfly (Clitoria ternatea) extract oxide nonaparticles are antimicrobial, antidiabetic and antioxidant in vitro evaluation of activities
SIDIKA YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyoteknolojiBurdur Mehmet Akif Ersoy ÜniversitesiSağlık ve Biyomedikal Bilimler Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. ŞÜKRİYE YEŞİLOT