Green-Synthesized Zinc Oxide Nanoparticles Show Broad Antimicrobial Potential

Green-Synthesized Zinc Oxide Nanoparticles Show Broad Antimicrobial Potential

Background: The Growing Need for Alternative Antimicrobial Strategies

Nanoparticles (NPs) — materials with sizes between 10 and 100 nanometers — have attracted attention across science and technology for their unique properties. In medicine, they are being explored for drug delivery, antimicrobial and antioxidant applications, and diagnostics. Traditional chemical and physical methods for NP production are often costly, time-consuming, and environmentally hazardous.

Green synthesis offers an alternative: it is faster, less expensive, and eco-friendly, often producing particles with more uniform size and morphology. This approach uses plant extracts or microorganisms as natural reducing, stabilizing, and capping agents in the formation of metal or metal oxide NPs.

Zinc oxide nanoparticles (ZnONPs) have been synthesized from many plants, but until now, no study had examined ZnONPs produced from four desert plants with known medicinal properties:

  • Thymelaea hirsuta – used for anti-inflammatory, cathartic, and other traditional remedies, with evidence of activity against hepatocellular carcinoma.

  • Aloe vera – known for wound healing, burn treatment, antioxidant, and anti-inflammatory benefits.

  • Retama monosperma – used for various health purposes and a source of natural fibers.

  • Peganum harmala – containing β-carboline alkaloids with antibacterial, anticancer, and antioxidant effects.

These plants can thrive in arid, harsh environments and, in some cases, are considered invasive — making them under-utilized yet sustainable resources.

Study Objectives

The research team aimed to:

  1. Biosynthesize ZnONPs from the four selected plant extracts.

  2. Characterize the physical and chemical properties of these nanoparticles.

  3. Assess antimicrobial activity against bacterial, yeast, and fungal strains.

  4. Evaluate phytochemical content, pharmacokinetics, and molecular interactions with microbial target proteins.

How the Nanoparticles Were Made

The aerial parts of the plants were collected in Tunisia, dried, and ground into powder. Extracts were prepared in water and mixed with zinc acetate dihydrate, then heated to produce ZnONPs.

The nanoparticles were designated:

  • Thymhirs.bio-ZnONP (T. hirsuta)

  • Aloever.bio-ZnONP (A. vera)

  • Retam.bio-ZnONP (R. monosperma)

  • Harm.bio-ZnONP (P. harmala)

Characterizing the Particles

The researchers used several techniques to analyze the ZnONPs:

  • UV–Vis spectroscopy showed characteristic absorption peaks at 340–360 nm, confirming ZnO formation.

  • Granulometry revealed particle sizes ranging from about 255 nm (P. harmala) to nearly 980 nm (R. monosperma).

  • FTIR analysis detected functional groups (O–H, C–H, C=C) from plant compounds on the particle surfaces, which act as stabilizers.

  • Electron paramagnetic resonance (EPR) found paramagnetic centers in A. vera and R. monosperma ZnONPs.

Phytochemical Profiles

Using HPLC-MS, the team identified abundant phenolic acids and flavonoids, such as quinic acid, gallic acid, rutin, caffeic acid, apigenin-7-O-glucoside, and cirsiliol.

Different plants showed distinct profiles:

  • P. harmala had the highest quinic acid and naringenin levels.

  • T. hirsuta was rich in quercetin.

  • A. vera had the highest overall phenolic content, including chlorogenic acid and catechin.
    These compounds likely contributed to nanoparticle formation and stability.

Testing Antimicrobial Activity

The nanoparticles were tested against:

  • Bacteria: Staphylococcus aureus, Micrococcus luteus, Salmonella enterica Typhimurium, Escherichia coli

  • Yeasts: Candida albicans, C. krusei, C. neoformans

  • Fungi: Aspergillus flavus, A. niger, A. fumigatus

Bacterial Results

  • T. hirsuta ZnONPs strongly inhibited S. aureus (15 mm zone).

  • A. vera ZnONPs showed the highest effect overall, with 24 mm inhibition against M. luteus.

  • R. monosperma and P. harmala ZnONPs also inhibited S. aureus and M. luteus, though less strongly.

Yeast Results

  • A. vera ZnONPs inhibited all three Candida species tested.

  • P. harmala ZnONPs were notably active against C. neoformans (16 mm).

  • T. hirsuta ZnONPs inhibited only C. albicans.

Fungal Results

  • P. harmala ZnONPs had strong activity against all Aspergillus species, especially A. fumigatus (16 mm).

  • A. vera ZnONPs were active against all Aspergillus strains tested.

  • T. hirsuta and R. monosperma ZnONPs also showed notable antifungal effects.

Importantly, the plant extracts and zinc acetate alone displayed weak or no antimicrobial activity in most cases, confirming the enhanced effect of ZnONPs.

Computational Modeling Insights

Phytochemicals from the plant extracts were docked with:

  • TyrRS from S. aureus

  • Secreted aspartic proteinase from C. albicans

  • Wheat germ agglutinin

Key results:

  • Compound 12 bound most strongly to TyrRS (–10.5 kcal/mol).

  • Compound 8 showed the highest affinity for the fungal enzyme (–10.0 kcal/mol).

  • Compound 16 had the best binding to wheat germ agglutinin (–8.4 kcal/mol).

Many compounds formed up to nine hydrogen bonds with target proteins, suggesting stable interactions that could explain antimicrobial effects.

Pharmacokinetic Assessment

Most identified compounds met Lipinski’s Rule of Five, suggesting good drug-likeness. Bioavailability scores ranged from 0.11 to 0.85. Many were predicted to have good gastrointestinal absorption and were not substrates for P-glycoprotein, which can limit drug effectiveness.

Synthetic accessibility scores indicated these compounds could be feasibly produced if needed for further drug development.

Novel Findings

  • First report of ZnONP biosynthesis from these four desert plant species.

  • Demonstrated broad-spectrum antimicrobial activity, often surpassing plant extracts or zinc salts.

  • Linked phytochemical composition to nanoparticle stability and antimicrobial potency.

  • Combined in vitro and in silico methods to support observed biological effects.

Practical Implications

The study suggests plant-based ZnONPs could:

  • Serve as alternative antimicrobial agents, particularly against drug-resistant pathogens.

  • Be developed into pharmaceutical formulations or functional food additives with antimicrobial properties.

  • Offer a sustainable route for nanoparticle production using under-utilized plant resources from arid regions.

However, the authors note that further work is needed to optimize particle size, improve long-term stability, and assess cytotoxicity before clinical or industrial applications.

Conclusion

This research demonstrates that ZnONPs synthesized from T. hirsuta, A. vera, R. monosperma, and P. harmala possess significant antimicrobial potential. The findings provide a foundation for future exploration of green-synthesized nanomaterials in medicine and industry.

 

The translation of the preceding English text in Arabic:

 

الخلفية: الحاجة المتزايدة لاستراتيجيات بديلة لمكافحة الميكروبات

الجسيمات النانوية (NPs) — وهي مواد يتراوح حجمها بين 10 و100 نانومتر — حظيت باهتمام واسع في مجالات العلوم والتكنولوجيا لما تتميز به من خصائص فريدة. في المجال الطبي، يتم استكشافها لاستخدامها في توصيل الأدوية، والتطبيقات المضادة للميكروبات والأكسدة، والتشخيص. إلا أن الطرق الكيميائية والفيزيائية التقليدية لإنتاج الجسيمات النانوية غالبًا ما تكون مكلفة، وتستغرق وقتًا طويلًا، وتشكل خطرًا على البيئة.

يوفر التخليق الأخضر بديلًا أسرع وأقل تكلفة وصديقًا للبيئة، وغالبًا ما ينتج جسيمات ذات حجم وشكل أكثر انتظامًا. يستخدم هذا النهج مستخلصات النباتات أو الكائنات الدقيقة كمختزلات ومثبتات وعوامل تغليف طبيعية في تكوين الجسيمات النانوية المعدنية أو أكاسيد المعادن.

تم تصنيع جسيمات أكسيد الزنك النانوية (ZnONPs) من العديد من النباتات، لكن حتى الآن لم تُجرَ أي دراسة على جسيمات ZnONPs المنتجة من أربع نباتات صحراوية معروفة بخصائصها الطبية:

  • Thymelaea hirsuta – تُستخدم في العلاجات التقليدية كمضادة للالتهابات وملينة وغيرها، مع وجود أدلة على نشاطها ضد سرطان الكبد.

  • Aloe vera – معروفة بقدرتها على التئام الجروح وعلاج الحروق وخصائصها المضادة للأكسدة والالتهاب.

  • Retama monosperma – تُستخدم لأغراض صحية متعددة وتعد مصدرًا للألياف الطبيعية.

  • Peganum harmala – تحتوي على قلويدات بيتا-كاربولين ذات تأثيرات مضادة للبكتيريا والسرطان والأكسدة.

تتميز هذه النباتات بقدرتها على النمو في البيئات الجافة والقاسية، وبعضها يُعد نباتًا غازيًا، مما يجعلها موارد مستدامة وغير مستغلة بالشكل الكافي.

أهداف الدراسة

سعى فريق البحث إلى:

  1. تصنيع جسيمات ZnONPs حيويًا من المستخلصات النباتية الأربعة المختارة.

  2. توصيف الخصائص الفيزيائية والكيميائية لهذه الجسيمات.

  3. تقييم النشاط المضاد للميكروبات ضد البكتيريا والخمائر والفطريات.

  4. دراسة المحتوى الكيميائي النباتي، والخواص الحركية الدوائية، والتفاعلات الجزيئية مع بروتينات الأهداف الميكروبية.

كيفية تصنيع الجسيمات النانوية

تم جمع الأجزاء الهوائية للنباتات من تونس، وتجفيفها وطحنها إلى مسحوق. أُعدت المستخلصات في الماء وخلطت مع خلات الزنك ثنائية الهيدرات، ثم سُخنت لإنتاج جسيمات ZnONPs.

تمت تسمية الجسيمات كالتالي:

  • Thymhirs.bio-ZnONP (T. hirsuta)

  • Aloever.bio-ZnONP (A. vera)

  • Retam.bio-ZnONP (R. monosperma)

  • Harm.bio-ZnONP (P. harmala)

توصيف الجسيمات

استخدم الباحثون عدة تقنيات لتحليل الجسيمات النانوية:

  • أظهر التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية–المرئية قمم امتصاص مميزة عند 340–360 نانومتر، مؤكداً تكوين ZnO.

  • أظهر التحليل الحجمي أن أحجام الجسيمات تراوحت بين نحو 255 نانومتر (P. harmala) إلى قرابة 980 نانومتر (R. monosperma).

  • كشف تحليل FTIR عن وجود مجموعات وظيفية (O–H، C–H، C=C) من المركبات النباتية على أسطح الجسيمات تعمل كمثبتات.

  • أظهر الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR) وجود مراكز بارامغناطيسية في جسيمات A. vera وR. monosperma.

الملفات الكيميائية النباتية

باستخدام HPLC-MS، حدد الفريق وفرة من الأحماض الفينولية والفلافونويدات مثل حمض الكينيك، وحمض الغاليك، والروتين، وحمض الكافيك، والأبيجينين-7-O-غلوكوزيد، والسيرسيليول.

أظهرت النباتات ملفات كيميائية مميزة:

  • احتوت P. harmala على أعلى مستويات من حمض الكينيك والنارينجينين.

  • كانت T. hirsuta غنية بالكويرسيتين.

  • احتوت A. vera على أعلى محتوى فينولي إجمالي، بما في ذلك حمض الكلوروجينيك والكاتيكين.

يُحتمل أن هذه المركبات ساهمت في تكوين الجسيمات النانوية واستقرارها.

اختبار النشاط المضاد للميكروبات

تم اختبار الجسيمات ضد:

  • البكتيريا: المكورات العنقودية الذهبية، المكورات الدقيقة الصفراء، السالمونيلا تيفيموريوم، الإشريكية القولونية.

  • الخمائر: المبيضات البيضاء، المبيضات كروسي، المستخفية المورمة.

  • الفطريات: الرشاشية الصفراء، الرشاشية السوداء، الرشاشية الدخناء.

نتائج البكتيريا

  • أظهرت جسيمات T. hirsuta تثبيطًا قويًا للمكورات العنقودية الذهبية (15 مم).

  • أظهرت جسيمات A. vera أعلى تأثير إجمالي (24 مم ضد المكورات الدقيقة الصفراء).

  • أظهرت جسيمات R. monosperma وP. harmala أيضًا نشاطًا ضد البكتيريا، لكن أقل قوة.

نتائج الخمائر

  • ثبطت جسيمات A. vera جميع أنواع المبيضات الثلاثة.

  • كانت جسيمات P. harmala نشطة بشكل ملحوظ ضد المستخفية المورمة (16 مم).

  • ثبطت جسيمات T. hirsuta فقط المبيضات البيضاء.

نتائج الفطريات

  • أظهرت جسيمات P. harmala نشاطًا قويًا ضد جميع أنواع الرشاشية، خاصة الرشاشية الدخناء (16 مم).

  • كانت جسيمات A. vera نشطة ضد جميع الأنواع المختبرة.

  • أظهرت جسيمات T. hirsuta وR. monosperma أيضًا تأثيرات مضادة للفطريات.

من المهم أن المستخلصات النباتية وخلات الزنك بمفردها أظهرت نشاطًا ضعيفًا أو معدومًا، مما يؤكد التأثير المعزز لجسيمات ZnONPs.

الرؤى من النمذجة الحاسوبية

تم إرساء المركبات الكيميائية النباتية مع:

  • TyrRS من المكورات العنقودية الذهبية.

  • إنزيم الأسبارتيك البروتيني الإفرازي من المبيضات البيضاء.

  • ليكتين جنين القمح.

النتائج الرئيسية:

  • المركب 12 أظهر أعلى ارتباط بـ TyrRS (‎–10.5 kcal/mol).

  • المركب 8 أظهر أعلى ألفة للإنزيم الفطري (‎–10.0 kcal/mol).

  • المركب 16 أظهر أفضل ارتباط بليكتين جنين القمح (‎–8.4 kcal/mol).

شكلت العديد من المركبات حتى تسع روابط هيدروجينية مع البروتينات المستهدفة، مما يشير إلى تفاعلات مستقرة قد تفسر التأثيرات المضادة للميكروبات.

التقييم الحركي الدوائي

معظم المركبات المستخلصة استوفت قاعدة ليبنسكي الخماسية، مما يشير إلى قابليتها الجيدة كأدوية. تراوحت درجات التوافر الحيوي بين 0.11 و0.85، وتوقع أن العديد منها يتمتع بامتصاص جيد عبر الجهاز الهضمي ولا يعد ركيزة لبروتين P-glycoprotein الذي قد يحد من فعالية الدواء.

أظهرت درجات سهولة التخليق أن هذه المركبات يمكن إنتاجها صناعيًا إذا لزم الأمر للتطوير الدوائي.

الاكتشافات الجديدة

  • أول تقرير عن تصنيع ZnONPs من هذه الأنواع الأربعة من النباتات الصحراوية.

  • أظهر نشاطًا واسع الطيف مضادًا للميكروبات، غالبًا أقوى من المستخلصات النباتية أو أملاح الزنك.

  • ربط بين التركيب الكيميائي النباتي واستقرار الجسيمات النانوية وقدرتها المضادة للميكروبات.

  • دمج الطرق المعملية والحاسوبية لدعم النتائج البيولوجية.

التطبيقات العملية

تشير الدراسة إلى أن ZnONPs المستخلصة من النباتات يمكن أن:

  • تكون بدائل علاجية مضادة للميكروبات، خصوصًا ضد الممرضات المقاومة للأدوية.

  • تطور إلى مستحضرات دوائية أو إضافات غذائية وظيفية ذات خصائص مضادة للميكروبات.

  • توفر مسارًا مستدامًا لإنتاج الجسيمات النانوية باستخدام موارد نباتية غير مستغلة من المناطق الجافة.

لكن يشير الباحثون إلى الحاجة لمزيد من العمل لتحسين حجم الجسيمات، وتحسين الاستقرار طويل المدى، وتقييم السمية الخلوية قبل التطبيقات السريرية أو الصناعية.

الخلاصة

تُظهر هذه الدراسة أن جسيمات ZnONPs المصنعة من T. hirsuta وA. vera وR. monosperma وP. harmala تمتلك قدرة كبيرة كمضادات للميكروبات. توفر النتائج أساسًا

لاستكشاف أوسع للمواد النانوية المصنعة بيئيًا في مجالي الطب والصناعة.


Samira Jebahi, Riadh Badraoui, Ghada Ben Salah, Fadia Ben Taheur, Faten Brahmi, Mohsen Mhadhbi, Talel Bouhamda, Saoussen Jilani, Bandar Aloufi, Mohd Adnan, Arif J. Siddiqui, Abdel Moneim E. Sulieman, Ines Karmous
Green synthesis of plant-derived ZnO nanoparticles: Characterization, pharmacokinetics, molecular interactions, and in-vitro antimicrobial and antifungal evaluation. Biomol Biomed [Internet]. 2025 May 15 [cited 2025 Aug. 12];

Be the first to comment

Leave a Reply