Investigation of the anti-biofilm effect of leaf and root extracts of Pistia stratiotes on the biofilms of Enterococcus and Staphylococcus isolated from animal foods

Abstract

Macrophytes are known as a natural source of antibacterial and anti-biofilm agents in addition to their high nutritional value. Pistia stratiotes (Water lettuce/Water cabbage) is an aquatic plant species belonging to the Araceae family, and it is widely distributed in shallow areas of streams, lakes, and swamps, and it is possible to produce in open aquariums and garden ponds. Studies are showing that Pistia stratiotes has antioxidant, antimicrobial, antiallergic, and anticarcinogenic properties. In studies conducted with extracts of its roots and leaves with substances such as methanol, ethanol, water, and ether, it has been shown that it has high phenolic and flavonoid content and antioxidant activity such as free radical scavenging and metal chelating. In our research, 500 µg/ml concentration of ethanol extracts of the roots and leaves of Pistia stratiotes, which was determined to have antioxidant and antimicrobial effects in previous studies, was used. Anti-biofilm effect was studied on 5 Staphylococcus and 17 Enterococcus isolates, which were determined to produce biofilm, and on Staphylococcus aureus 29213 and Enterococcus faecalis 29212 as positive controls. Biofilm production and anti-biofilm tests were performed on a 96-well microplate by staining with crystal violet. According to the test results, the leaf extract of Pistia stratiotes, Staphylococcus aureus ATCC 29213 (%inhibition±SEM: 96±0.06 µg/ml), Enterococcus faecalis 29212 (%inhibition ±SEM: 88.5±0.01 µg/ ml) and 4 Staphylococcus and 5 Enterococcus isolates showed significant anti-biofilm properties (p˂0.05) compared to the control. The root extract, on the other hand, showed a remarkable inhibition (%inhibition±SEM: 86.8±0.02 µg/ml) (p˂0.05) in a single Staphylococcus isolate compared to the control.

Keywords

• Pistia stratiotes
• Anti-biofilm
• Enterococcus
• Biofilm
• Extract

Pistia stratoites’in yaprak ve kök özütlerinin hayvansal gıdalardan izole edilen Enterococcus ve Staphylococcus’ların biyofilmleri üzerine anti-biyofilm etkisinin araştırılması

Öz

Makrofitler, besin değerlerinin yüksek olmasının yanı sıra antibakteriyel ve anti-biyofilm ajanları olarak da doğal bir kaynak olarak bilinmektedirler. Pistia stratiotes (Su marulu/Su lahanası), Araceae (Yılanyastığıgiller) familyasına ait olan sucul bir bitki türü olup, akarsu, göl ve bataklıkların sığ olan bölgelerinde yüksek yayılış göstermekte, üstü açık akvaryumlarda ve bahçe havuzlarında da üretimleri mümkün olmaktadır. Pistia stratiotes’in antioksidan, antimikrobiyal, antialerjik ve antikanserojenik özellikte olduğunu gösteren çalışmalar bulunmaktadır. Kök ve yapraklarının metanol, etanol, su, eter gibi maddelerle yapılan özütleri ile yapılan çalışmalarda yüksek oranda fenolik ve flavanoid içeriğine sahip olduğu ve serbest radikal süpürme, metal şelatlama gibi antioksidan aktivitesi olduğu gösterilmiştir. Araştırmamızda, Pistia stratiotes’in kök ve yapraklarının etanol özütlerinin, daha önceki çalışmalarda antioksidan ve antimikrobiyal etkili olduğu belirlenen 500 µg/ml konsantrasyonunun, biyofilm ürettiği belirlenmiş olan 5 Staphylococcus ve 17 Enterococcus izolatı ile pozitif kontrol olarak Staphylococcus aureus 29213 ve Enterococcus faecalis 29212 üzerine anti-biyofilm etkisi çalışılmıştır. Biyofilm üretimi ve anti-biyofilm testleri, 96 kuyucuklu mikroplakta, kristal viyole ile boyanarak yapılmıştır. Yapılan test sonuçlarına göre, Pistia stratiotes’in yaprak özütü, Staphylococcus aureus ATCC 29213 (%inhibisyon±SEM: 96±0,06 µg/ml), Enterococcus faecalis 29212 (%inhibisyon ±SEM: 88,5±0,01 µg/ml) ile birlikte 4 Staphylococcus ve 5 Enterococcus izolatında kontrole göre anlamlı olarak (p˂0,05) anti-biyofilm özelliği göstermiştir. Kök özütü ise tek bir Staphylococcus izolatında kontrole göre anlamlı (%inhibisyon±SEM: 86,8±0,02 µg/ml) (p˂0,05) bir inhibisyon göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Pistia stratiotes
• Anti-biyofilm
• Enterococcus
• Biyofilm
• Özüt

Kaynakça

1. Büke, E. (2019). Kuzey Ege Havzası Makrofit Kompozisyonunun Belirlenmesi, (Yüksek Lisans Tezi, Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekirdağ, Türkiye).
2. Henry-Silva, G. G., Camargo, A. F., & Pezzato, M. M. (2008). Growth of free-floating aquatic macrophytes in different concentrations of nutrients. Hydrobiologia, 610(1), 153-160.
3. Abraham, J., Chakraborty, P., Chacko, A. M., & Khare, K. (2014). Cytotoxicity and antimicrobial effects of Pistia stratiotes leaves. Int J Drug Dev & Res, 6(4), 208-21.
4. Herpandi, L., SD, B., & Sudirman, S. (2021). Antioxidant activity of the fractions from water lettuce (Pistia stratiotes) extract. Food Research, 5(2), 451-455.
5. Tripathi Pallavi, M. P. R., Sandeep, A., & Rajiv, G. (2011). “Diuretic activity of ethanolic extract of Pistia stratiotes in rats,” Int. Res. J. Pharm., 2(3), 249–251.
6. Kumar, V., Singh, J., & Kumar, P. (2019). Heavy metal uptake by water lettuce (Pistia stratiotes L.) from paper mill effluent (PME): experimental and prediction modeling studies. Environmental Science and Pollution Research, 26(14), 14400-14413.
7. Haroon, A. M. & Daboor, S. M. (2019). Nutritional status, antimicrobial and anti-biofilm activity of Potamogeton nodosus Poir, Egyptian Journal of Aquatic Biology and Fisheries, 23(2), 81-93.
8. Ekanayake, M. S., Udayanga, D., Wijesekara, I., & Manage, P. (2021). Phytoremediation of synthetic textile dyes: biosorption and enzymatic degradation involved in efficient dye decolorization by Eichhornia crassipes (Mart.) Solms and Pistia stratiotes L. Environmental Science and Pollution Research, 28(16), 20476-20486.

9. Szafrański, S. P., Winkel, A., & Stiesch, M. (2017). The use of bacteriophages to biocontrol oral biofilms. Journal of biotechnology, 250, 29-44.
10. Cucarella, C., Tormo, M. A., Ubeda, C., Trotonda, M. P., Monzón, M., Peris, C., Amorena, B., Lasa I., & Penadés, J. R. (2004). Role of biofilm-associated protein bap in the pathogenesis of bovine Staphylococcus aureus. Infection and immunity, 72(4), 2177-2185.
11. Uzundağ, D., Yılmaz, E.Ş., & Baba, H. (2020). Biofilm Formation Mechanism in Fungi, Anatol. J. Bot., 4(2), 116–120.
12. Fratamico, P. M., Annous, B. A., & Guenther, N. W. (Eds.). (2009). Biofilms in the food and beverage industries. Elsevier.
13. Yağcıoğlu, P. (2015). Farklı Ekstraksiyon Metotları İle Adaçayı (Salvia Officinalis L.) Bitkisinden Antioksidan Ekstraksiyonunun Optimizasyonu, (Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye).
14. Stepanović, S., Vuković, D., Dakić, I., Savić, B., & Švabić-Vlahović, M. (2000). A modified microtiter-plate test for quantification of staphylococcal biofilm formation. Journal of microbiological methods, 40(2), 175-179.
15. Gündoğan, N., & Ataol, Ö. (2012). Et örneklerinden izole edilen Staphylococcus aureus ve koagülaz negatif stafilokok’ların biyofilm üretimi ve DNaz aktivitelerinin belirlenmesi. Türk Hijyen ve Deneysel Biyoloji Dergisi, 69(3), 135-142.
16. Gürkan, T., KÜLAHCI, M. B., & ÇITAK, S. (2021). Gıda örneklerinden izole edilen Enterococcus türlerinin çeşitli virülans özellikleri, biyofilm oluşumu ve antibiyotik dirençliliklerinin belirlenmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (28), 924-932.
17. Kılıç, T., Karaca, B., & Cihan, A. Ç. (2021). Abiyotik yüzeylerde termofilik Anoxybacillus rupiensis DSM 17127T suşunun biyofilm oluşumu ve polistiren yüzeyler üzerindeki biyofilm yapısının giderimi. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 23(2), 455-470.
18. Özkan, M. & Yılmaz, H. (2018). Biofilm Inhibition Effect of cell extracts of Bdellovibrio bacteriovorus, a predator bacterium,” Türk Mikrobiyoloji Cemiy. Derg., 48(1), 29–37.
19. Bali, E., Erdönmez, D., Yavuz, M., & Koca Çalışkan, U. (2021). Aromaterapötik Gül Uçucu Yağının Bakteriyel Quorum Sensing ve Biyofilm Üretimine Karşı İnhibisyon Etkileri. Türk Mikrobiyoloji Cemiyeti Dergisi, 51(3), 245–253.
20. Tavaf, Z., Tabatabaei, M., Khalafi-Nezhad, A., Panahi, F., & Hosseini, A. (2015). Green synthesis of silver nanoparticles by reduced glycated casein adducts: Assessment of their antibacterial and antioxidant activity against Streptococcus mutans. European Journal of Integrative Medicine, 7(3), 294-302.
21. Jafri, H., Husain, F. M., & Ahmad, I. (2014). Antibacterial and antibiofilm activity of some essential oils and compounds against clinical strains of Staphylococcus aureus. J Biomed Ther Sci, 1(1), 65-71.
22. Kehinde Moruff, A., Shafiu Kilishi, H., Enobong Aloysious, F., & Deji Abiodun, J. (2021). Efficacy of Aqueous Extract of Pistia stratiotes (Water Lettuce) against some Tropical Fish Bacterial. Journal of Nutrition and Food Security, 6(3), 220-225.
23. Ali, K. M. A., Paul, P., Torequl, I. M., Nath, B. N., & Kumar, S. S. (2011). Cytotoxicity and Antibacterial Activity of Androgaphis Peniculata, Euphorbia Evaluation Of Ethanolic Extract Of Pistia stratiotes L . International Research Journal Of Pharmacy, 2(2), 82-92.
24. Hussain, M. S., Ibrahim, M., Hasan, M. M., Aziz, M. T., Suchi, S. A., & Uddin, M. G. (2018). An in vivo study of the pharmacological activities of a methanolic acetate fraction of Pistia stratiotes L.: An ethno‐medicinal plant used in Bangladesh. Animal Models and Experimental Medicine, 1(3), 221-227.
25. Nocchi, S., Boaretto, A. G., Macedo, A. J., Silva, D. B., & Carollo, C. A. (2017, November). Dereplication and antibiofilm activity of macrophytes species of Pantanal, 6th Brazilian Conference on Natural Products, Brazil.