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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.5 pp.252-261
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.5.252

Biosynthesis of Zinc Oxide Nanoparticles and Structural Characterization and Antibacterial Performance

Joghee Suresh1, Jae Sook Song2, Sun Ig Hong2
1Department of Chemistry, Sri Ramakrishna Engineering College, Coimbatore, Tamil Nadu, India
2Department of Nanomaterials Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : sihong@cnu.ac.kr (S. I. Hong, Chungnam Nat’l Univ.)
April 1, 2020 April 27, 2020 April 28, 2020

Abstract


We prepare ZnO nanoparticles by environmentally friendly synthesis using Cyathea nilgiriensis leaf extract. Various phytochemical constituents are identified through the assessment of ethanolic extract of plant Cyathea nilgiriensis holttum by GC-MS analysis. The formation of ZnO nanoparticles is confirmed by FT-IR, XRD, SEM-EDX, TEM, SAED and PSA analysis. TEM observation reveals that the biosynthesized ZnO nanopowder has a hexagonal structure. The calculated average crystallite size from the high intense plane of (1 0 1) is 29.11 nm. The particle size, determined by TEM analysis, is in good agreement with that obtained by XRD analysis. We confirm the formation of biomolecules in plant extract by FT-IR analysis and propose a possible formation mechanism of ZnO nanoparticles. Disc diffusion method is used for the analyses of antimicrobial activity of ZnO nanoparticles. The synthesized ZnO nanoparticles exhibit antimicrobial effect in disc diffusion experiments. The biosynthesized ZnO nanoparticles display good antibacterial performance against B. subtilis (Gram-positive bacteria) and K. pneumonia (Gram-negative bacteria). Bio-synthesized nanoparticles using green method are found to possess good antimicrobial performance.



바이오 합성법으로 제조된 ZnO 나노입자의 구조 분석 및 항박테리아 거동

Joghee Suresh1, 송 재숙2, 홍 순익2
1인도 Sri Ramakrishna 공과대학
2충남대학교 신소재공학과

초록


    Chungnam National University

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    최근에 환경 문제가 증가함에 따라 화학 합성법 대신 에 새로운 친환경 방법으로 식물 추출물을 사용하여 나 노입자를 합성하는 방법에 대한 연구가 바이오, 화학 및 재료공학 분야에서 활발히 진행되고 있다.1-3) 환경 친화 적인 방법으로 나노입자를 합성하는 방법은 합성과정에 서 독성 화학 물질을 사용하지 않는 장점이 있으며, 이 러한 측면에서 환경 친화적인 방법을 기반으로 한 합성 방법은 산업적으로 요구되는 나노 입자를 얻기 위한 새 로운 방법들을 제공한다.

    Cyathea nilgiriensis는 인도 남부에 서식하는 나무 고 사리이다.4) 시아테아(Cyathea) 속에 속하는 나무 고사리 는 241종의 종(種)과 4종의 잡종이 산악 지대에 분포되 어 있다.5) 인도에는 Cyathea nilgiriensis 나무 고사리처 럼 멸종 위기에 처해있는 11종의 Cyathea가 있으며, 야 생 동식물에 관한 CITES(멸종 위기 종의 국제 무역 협 약) 부록 II에도 수록되어 있다.6)Cyathea nilgiriensis 나 무 고사리는 Kerala, Karnataka, Tamil Nadu 및 Andhra Pradesh 지역에서 그늘지고 습기가 많은 시내 쪽 숲의 일부에만 분포한다.7)Cyathea nilgiriensis 나무 고사리는 진통 효과가 있기 때문에 인도에서 뱀에 물린 상처을 치 료하는 민간 요법으로 널리 사용된다.8) 또 다른 Cyathea gigantea 줄기는 항염 작용을 하며, Cyathea crinita(Hook) Copel의 뿌리줄기와 sporophyll은 항 박테리아 성질을 가 진 것으로 알려져 있다.9-11)

    다양한 금속 산화물 중에서 ZnO는 새로운 생물학적 기 능과 독특한 특성 때문에 유용하고 가치 있는 물질 중 하나이다. ZnO 산화물의 나노 구조는 항 곰팡이,12) 항 박테리아,13) 항 바이러스,14) 상처 치유,15) 자외선 필터링 특성, 높은 촉매 및 광화학 활성, 우수한 안정성 및 생 체 적합성을 나타내어 많은 연구자들의 관심 대상이 되 고 있다. 최근 몇 년 동안 다양한 유형의 식물 추출물 이 나노 결정질 물질의 합성에서 환원제 또는 캡핑제로 사용되는 것으로 보고되었으며, 본 연구진은 Pongamia pinnata, Nerium oleander, 알로에 잎 및 Vitex negundo L 잎 추출물을 사용하여 ZnO 나노 입자를 친환경적으로 합성하고 그 결과를 전문 학술지에 다수 발표하였다.16-19) 본 연구 결과에 따르면 식물 추출물에 존재하는 생체 분 자는 효율적인 캡핑제로서 작용하여 나노 입자 합성에 서 중추적이고 다양한 역할을 한다. 캡핑제는 정전기적 안정화, 입체 안정화, 수화력에 의한 안정화, 공핍 안정 화 및 반데르발스 힘을 이용한 안정화를 포함하는 다양 한 메커니즘에 의해 나노 입자를 안정화시킨다. 식물 및 기타 천연 자원은 구조적으로 복잡하고 다양한 화합물 의 형태를 제공하기 때문에 많은 연구자들이 식물 및 미 생물의 추출물, 순수 2차 대사 산물 및 새로운 합성 분 자들을 잠재적인 항균제로 연구하는 데 집중 해왔다.20-22) 금속 나노 입자의 항 박테리아 및 세포 독성 효과에 대 한 많은 보고23-24)가 있지만, 식물 추출물을 사용하여 제 조한 금속 산화물 나노 입자에 대한 연구결과는 거의 없 다. 따라서 식물 추출물을 이용한 ZnO 나노 입자의 녹 색 합성과 생체 의학 분야에서 응용에 초점을 맞추어 연 구를 수행하였으며, 본 연구에서는 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사용하여 친환경 합성방법으로 ZnO 나 노 입자를 제조하여 분말의 구조 및 특성을 분석하고 항 균성을 평가하였다.

    2. 실험방법

    Cyathea nilgiriensis 나무고사리 잎을 수집하여 흐르는 물로 완전히 씻은 다음 작은 조각으로 절단하고 건조시 키기 위하여 50 °C의 순환 오븐에 두었다. 건조된 잎 약 10 g을 증류수와 혼합하여 10분간 끓였으며, 2회 반복하 였다. 혼합물은 여과지(Whatman No.1)를 사용하여 여과 하여 밝은 갈색의 추출물을 얻었고, 여과액은 250 mL 삼 각 플라스크에 수집하였다. 또한 GC-MS 분석을 위해, 20 g의 잎 분말을 Soxhlet 장치를 사용하여 250 mL의 에 탄올 용매로 8시간(78.2 °C) 추출 하였으며, 얻어진 식물 잎 추출물을 증류 농축 하여 GC-MS 분석을 하였다.

    ZnO 나노 입자을 합성하기 위하여 0.1M의 Zn(NO3)2· 6H2O 수용액 50 mL와 Cyathea nilgiriensis 잎 추출물 10 mL를 혼합하여 80 °C에서 2시간 교반하여 수산화 질 산 아연 침전물을 형성시켰다. 수산화 질산 아연 침전 물 혼합액을 10,000 rpm에서 10분간 원심 분리하여 수 산화 질산 아연 침전물을 얻었다. 이어서, 원심 분리된 복합체를 물로 세척하고 다시 5,000 rpm에서 10분간 원 심 분리하였다. 분리된 복합체를 40 °C의 오븐에서 8시 간 건조 후, 전기로(muffle furnace)을 이용하여 450 °C 에서 하소하여 ZnO 나노 입자를 얻었다.

    합성된 ZnO 나노분말의 XRD 분석은 PANalytical’s X-ray diffractometer 장비를 이용하였으며, Cu Kα를 사 용하여 40 kV에서 30 mA로 10 ~ 80° 범위에서 측정하였 다. FTIR 분석은 500 ~ 4,000 cm−1 범위의 Nicolet 520P FT-IR 분광계를 사용하여 분석하였으며, 입자 크기 분석 기(Nanophox, Sympatec, Germany)를 사용하여 크기 분 포를 측정하였다. SEM 분석은 JEONL JSM 6390 장비 를 이용하였으며, TEM 분석에는 CM 200(Philips, USA) 장비를 사용하였다.

    ZnO 나노분말의 항균활성을 분석하고자 디스크 확산 방법을 이용하여 3 g 그람 양성균(S. aureus, B. subtilis 및 M. luteus)과 3 g 그람 음성균(E. coli, S. paratyphi 및 K. pneumonia)에 대해 시험하였고, 유사하게 항진균 분석은 C. albicans와 A. niger의 두 균주에 대해 시험 하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 합성한 ZnO 나노분말의 형태, 크기 및 구조

    본 연구에서는 처음으로 Cyathea nilgiriensis 식물 추 출물을 사용하여 환경 친화적 인 새로운 합성방법으로 ZnO 나노 입자를 합성하였다. ZnO 나노 입자 합성에 사 용된 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 화합물을 분 석하여 그 결과를 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 보여 주는 바와 같이 15종류의 화합물 분석결과 13종류 의 화합물이 존재하는 것으로 분석되었다. 플라보노이드, 테르페노이드, 트리 테르페노이드, 폴리페놀 및 글리코시 드와 같은 대사산물은 더 높은 농도로 나타났으며(++로 표시), 타닌, 사포닌, 스테로이드, 알칼로이드, 탄수화물, 단 백질, 안트라퀴논 및 쿠마린과 같은 대사산물은 약간 낮 은 농도로 존재하며(+로 표시), 플로바탄닌과 안토시아닌 대사산물은 검출되지 않았다.

    Janakiraman et al. 연구진25)에 따르면 3.12분에서 38.75분까지 GC-MS 분석을 통하여 Cyathea nilgiriensis 에 존재하는 식물 속 화합물의 주성분은 메틸옥타데실 디클로로실란(C19H40Cl2Si) 29.19 %와 2-Methylbutane-1, 4-diol,3-1-ethoxyethoxy(C9H20O4) 24.48 %로 구성되어 있다. Janakiraman et al. 연구진의 실험방법에 기반하여 본 연구에서는 분석 시간을 1시간(60분)으로 변경하여 60 개의 화학물질을 예측하였다.

    Fig. 1Cyathea nilgiriensis 식물 추출물의 GC-MS 스펙트럼을 나타낸다. GC-MS 분석에서 분석시간 1시간 동안 60개의 화합물을 예측하였다. 60개의 화합물 중 7 개의 화합물이 피크 영역 1 % 이내에 존재하고 있으 며, 나머지 53개의 화합물 중 43개의 화합물이 1 ~ 5 % 의 피크 영역 내에 존재한다. 나머지 10종류 중 6종류 1-Hexadecene(C16H32), 테트라데칸산 에틸 에스테르 (C16H32O2), 옥타데칸산 에틸 에스테르(C20H40O2), 2,2,4,4- tetrakis(t-butyl)-1,3-bis[(mesityl)mercurio]-1,3-diphospha– 2,4-disiletane(C34H58Hg2P2Si2), Heptadecanoic acid-15- methyl-ethylester(C20H40O2) 및 1,2-bis(Trimethylsilyl)-4- (t-butyl)-1-bromo-2,2-bi phenyl(C26H33BrSi2) 등은 5 ~ 10 % 범위에 속하는 화합물이다. 이들 화합물에 대한 NIST 데이터와 분석된 피크가 일치할 확률은 각각 7.39 %, 76.54 %, 79.26 %, 36.74 %, 12.27 % 및 24.7 %이다. 따라서 테트데칸산 에틸 에스테르와 옥타데칸산 에틸 에 스테르 화합물이 주요 화합물로 여겨진다. 나머지 4개의 화합물, 즉 C18H36O2 화합물, C21H54F2N2OSi5 화합물, C19H38N4O10 화합물 및 C25H39NO11 화합물은 10 ~ 15 % 범위에 존재하며, NIST 데이터와 일치 할 확률은 각각 74.17 %, 18.66 %, 14.29 % 및 10.66 %이고, 헥사데칸산 에틸 에스테르(C18H36O2)가 주요 화합물이다. C18H13BrO 및 C14H7Cl3O5 화합물 같은 플라보노이드는 환경친화적인 합성에 관여하는 화합물이다. Fig. 2Cyathea nilgiriensis 식물추출물의 주요 화합물인 에스테르, 플라보노이드 및 페놀 화합물의 화학 구조 및 분자식을 보여준다.

    Fig. 3Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사용하여 합성한 ZnO 나노 입자의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. FT-IR 스펙트럼 분석은 Cyathea nilgiriensis 식물 추출 물에 의해 합성된 ZnO 나노 입자의 캡핑 및 안정화에 기여하는 생체 분자를 찾기 위하여 시험하였다. 그림에 서 보는 바와 같이 ZnO 나노 입자의 FT-IR 스펙트럼 은 418 ~ 555 cm−1에서 흡수된다. O-H 스트레치는 3,373 cm−1부터 매우 넓은 대역에서 나타난다. 넓은 대역의 OH 스트레치 밴드는 C=O 피크와 함께 나타나며, 화합물 이 지방족 카복실산임을 나타낸다. 1,112 cm−1에서의 CF에 기인 한 2개의 피크는 모노 및 폴리 플루오르화 화 합물을 나타낸다. 1,590 ~ 1,468 cm−1 영역의 중간 흡수 는 방향족 고리의 존재를 의미한다. 1,047 cm−1의 흡수 피크는 포화된 알콜의 C-O 스트레치를 나타내고, 2,927 cm−1에서 눈에 띄는 이중 복사 흡수는 방향족 알데히드 의 C-H 신축 진동이며, 1,690 cm−1의 밴드는 플라보노 이드의 카보닐 그룹을 나타낸다.

    Fig. 4Cyathea nilgiriensis 식물 추출물의 FT-IR 스 펙트럼을 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 O-H 은 3,428 cm−1에 나타난다. 2,072.44 cm−1에서 포스핀(phosphine) 의 존재를 보여 주며, 16,432 및 1,532 cm−1에서 primary amine(NH2) 및 아미드(N-H) 스트레칭 진동을 나타낸다. 알콜 및 페놀릭 O-H 밴드 그룹은 1,349 cm−1의 범위로 나타난다. 마지막으로, 알킨 C-H 변형은 632 ~ 680 cm−1 에서 보여준다. FT-IR 결과 잎으로부터 추출된 트리테르 페노이드, 스테롤, 알콜, 탄화수소, 플라보노이드, 쿠마 린, 탄닌, 탄수화물, 단백질, 글리코시드와 같은 생물 미 생물들이 나노 입자에 부착된다고 여겨진다.

    FT-IR 분석 결과, 플라보노이드의 페놀 화합물은 금속 과의 결합력이 강하기 때문에 페놀 기가 금속 나노 입 자를 형성하여 응집을 방지하고 그로 인해 매체를 안정 화시킬 수 있음을 나타낸다. 이것은 생물학적 분자가 수 성 매질에서 ZnO 나노 입자의 형성과 안정화의 이중 기 능을 수행 할 수 있음을 시사한다. Gnanasangeetha 등 26)은 식물 추출물 azadirachta 및 emblica에서 테르페노 이드가 ZnO 나노 입자의 형성 및 안정화에 기여한다고 하였으며, 플라보노이드는 ZnO 나노 입자의 안정화 및 캡핑에 중요한 역할을 한다고 하였다.

    Fig. 5는 친환경적으로 합성된 ZnO 나노 입자의 XRD 스펙트럼을 나타내었다. 주요 피크을 나타내는 2θ값은 31.70, 34.38, 36.20, 47.52, 56.54, 62.85, 67.95 및 69.05이다. 스펙트럼의 위치는 (1 0 0), (0 0 2), (1 0 1), (1 0 2), (1 0 0), (1 0 3) 및 (2 0 1)면을 나타내어 ZnO 육방구조임을 보여준다(표준 JCPDS 카드 79-2205). (1 0 1)면으로부터 계산된 평균 결정립 크기는 29.11 nm 이었다. 이 연구에서 얻은 XRD 패턴은 생물학적으로 합 성된 ZnO 나노 입자에서 얻어진 XRD 패턴과 유사하 며,27) 화학적 합성방법은 이전에 보고되었다.28) Yedurkar 등29)은 Ixora coccinea 잎 추출물에서 관찰한 ZnO 나노 입자는 구형이며 크기가 80 ~ 130 nm이고, Raut 등30)은 Ocimum tenuiflorum 잎 추출물에서 11 ~ 25 nm의 크기 를 갖는 육방구조의 나노 입자를 제안했다.

    Fig. 6(a) ~ (c)는 합성된 ZnO 나노 입자의 SEM 이미 지을 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이 ZnO 나노입 자는 응집된 형태를 나타낸다. 응집된 덩어리를 자세히 살펴보면 많은 나노 입자의 응집체가 존재함을 알 수 있 다. Fig. 6(a)에서 입자는 응집되어 나타나고 개별 결정 의 일부가 선명하게 보이며, Fig. 6(b)에서 덩어리는 길 쭉한 육각형의 혈소판 형태를 나타낸다. Fig. 6(c)에서 나 타낸 바와 같이 육각형 소판과 분리된 나노 크기 입자 가 존재하는 것은 명확하다. Fig. 6(c)의 일부 입자의 크 기는 0.05 nm보다 작은 것으로 나타났으며, 이는 입자가 나노 크기로 간주 될 수 있음을 시사한다. Fig. 6(d)의 EDX 결과는 ZnO 나노 입자가 생성되었음을 나타낸다.

    Fig. 7(a) ~ (d)는 TEM과 SAED 패턴으로 분석한 ZnO 나노 입자의 크기와 형태를 보여준다. Fig. 7(d)의 회절 패턴에서 보여 주듯이 ZnO 나노 입자는 육방구조를 나 타낸다. 육각형 모양의 분자가 명확하게 보이지 않는 것 은 생체 분자들이 산화 아연 입자 표면에 캡핑되어 있기 때문이다. 회절패턴은 합성된 ZnO 나노입자의 (1 0 0), (0 0 2), (1 0 1), (1 0 2), (1 0 0), (1 0 0), (1 0 3), (2 0 0), (1 1 2) 및 (2 0 1)을 나타낸다. 생체 분자는 ZnO 나노 입자의 형성에 기여하는 것으로 알려져 있으 며, TEM 분석에 나타난 입자 크기는 XRD 분석 결과 와 잘 일치한다.

    입자의 평균 크기와 합성된 ZnO 나노 입자의 크기 분 포를 분석하여 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 그림에 서 보는 바와 같이 ZnO 나노 입자의 입자 크기는 20 ~ 40 nm의 크기 분포를 나타내며, 이러한 결과는 SEM 분 석에서 측정된 30 nm의 평균 입자 크기와 잘 일치함을 나타낸다.

    Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 합성한 ZnO 나노 분말 형성기구를 Fig. 9에 나타내었다. Cyathea nilgiriensis 식물 추출물의 예비 분석 결과 알칼로이드, 테르페노이 드, 플라보노이드, 페놀 및 스테로이드의 존재가 확인되 었다.31) 이들 대사 산물은 수성 추출물을 고도로 산화시 키는 역할을 하며 ZnO 나노 입자의 생물학적 환원에 중 요한 역할을 한다. 플라보노이드는 안토시아닌, 이소 플 라보노이드, 플라보놀, 칼콘, 플라본 및 플라바논을 포함 하는 폴리페놀 화합물 군이다. 금속 이온 감소는 플라 보노이드에서 카복실산으로의 케톤 전환의 내부 메카니 즘에 기인한다. 또한 일부 플라보노이드는 Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Al3+, Cr3+, Pb2+ 및 CO2+와 같은 금속 이온을 카르보닐기 또는 p- 전자로 킬레이트하는 것으로 알려져 있다.32) 또한, Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에 존재하 는 플라보노이드, 테르페노이드 및 페놀기와 같은 수용 성 화합물의 작용기는 나노 입자의 합성 및 안정화에 관 여하는 것으로 보인다. 이전 연구에서 생물학적 물질에 존재하는 단백질 또는 다당류가 나노 입자를 캡핑하고 안정화시키는 것으로 보고 했다.33-34) Johnson과 그 연구 진은35)Cyathea nilgiriensis 추출물에서 플라보노이드의 존재로 인한 Ag 이온의 감소와 Ag 나노 입자의 안정 화를 보고 했다. 이 과정에서 전구체로 선택되는 질산 아 연은 아연-아르세테린 복합체와 같은 금속 킬레이트 복합 체를 형성하기 위해 플라보노이드 아르세텔린과 반응한 다. 그런 다음 복합체 용액을 8시간 동안 오븐에서 유지 시켜 수산화물 복합체를 얻는다. 최종적으로 수산화물 복 합체를 450 °C에서 하소하여 안정한 금속 산화물 나노 입 자를 형성하며, 이 반응에서 플라보노이드는 C14H7Cl3O5 화합물이며, arthothelin으로 알려져 있다. C14H7Cl3O5 화 합물은 trihydorxy 플라보노이드 화합물이므로 쉽게 금속 을 받아들여 복합체를 형성한다. 본 연구에서 ZnO 나 노 입자의 FT-IR 결과는 플라보노이드의 수산기와 카르 보닐기의 존재가 있음을 시사한다. 또한, Johnson과 그 연구진은35) 금속에서 Ag 나노 입자의 합성에 관여하는 플라보노이드의 존재를 제시하였다.

    3.2 ZnO 나노분말의 항균 활성

    박테리아 및 곰팡이에 대한 ZnO 나노 입자의 항균 활 성은 입자 크기, 분말 농도, 형태, 비표면적 등에 따라 달 라진다. Stan 등은36) 부추속 사디움, 로즈마리 Officinalis, Ocimum basilicum 등의 식물 추출물 항균 활성을 설명 했다. 그들의 결과에 따르면 ZnO 나노 입자는 황색 포 도상구균(S. aureus), 고초균(B. subtilis), 리스테리아균(L. monocytogenes), 대장균(E. coli), 살모레나균(S. typhimurium) 및 녹용균(P. aeruginosa) 박테리아 균주에 대해 우수한 살 균 활성을 보였다. 본 연구에서는 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 얻은 바이오 합성 ZnO 나노 입자의 항균 효 율을 분석 하였다.

    Fig. 10Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 바이 오 합성으로 얻은 ZnO 나노 입자의 항균 이미지를 나 타낸다. 3종류의 그람 양성 세균(포도상구균, 고초균 및 마이크로코커스 루테우스균) 및 3종류의 그람 음성 세균 (대장균, 살모레나균 및 페렴구균)에 대한 항균 활성을 나 타내었으며, 시프로플록사신은 모든 박테리아 균주의 표 준이다. Table 2는 ZnO 나노 입자의 저지 영역을 나타 내었으며, 곰팡이 및 세균 균주 모두에 대해 100g/디스 크 샘플을 채취하여 분석하였다. 3종류의 그램 양성 세 균에 대한 표준 시프로플록사신 억제 영역은 포도당구 균 32 mm, 고초균 40 mm 및 마이크로코커스 루테우스 균 34 mm로 측정되었다. 3종류의 그람 양성 세균 중 고 초균(16 mm)의 저해 구역이 포도당구균(32 mm)과 마이 크로코커스 루테우스균(34 mm) 보다 더 높았다. 3종류의 그람 음성 박테리아에 대한 표준 시프로플록사신 저해 구역은 대장균 36 mm, 살모레나균 36 mm 및 페렴균 38 mm로 측정되어 페렴구균이 다른 음성 박테리아 균주와 비교하여 더 높은 억제 영역을 나타내었다.

    생합성 된 ZnO 나노 입자의 영역 억제는 표면 산소 종의 생성 속도가 세포막 파괴의 중요한 역할을 하며 결 국 병원균의 사멸을 초래한다. 억제 영역은 병원체의 유 형, 합성 방법 및 ZnO 나노 입자의 농도에 따라 다르 게 나타난다. W. Rizwan과 그 연구진은37) ZnO 나노 입 자 디스크의 농도를 증가시킴으로써 한천 배지에서 나 노 입자의 적절한 확산으로 인해 성장 억제가 지속적으 로 증가한다는 것을 발견했다. 박테리아의 기공 크기 보 다 작은 나노 입자는 방해 없이 세포막을 가로 지르며 충격을 주었다.38) 또한 표면에 주로 나타나는 금속 산화 물 나노 입자의 항균 활성은 세포벽에 존재하는 단백질 의 티올(-SH) 그룹과 결합한다. 이러한 상호 작용은 세 포 용해를 감소시켜 세포 융합을 유도하며,39) 세포막의 손상은 미네랄, 단백질 및 유전 물질의 누출로 이어져 세포 사멸을 초래한다.

    Table 3은 생합성 ZnO 나노 입자의 항진균 결과를 나 타내었으며, Fig. 10은 두 가지 균주에 대한 ZnO 나노 입자의 곰팡이 방지 이미지를 보여준다. Table 3에서 보 는 바와 같이 2종류 곰팡이 종에 대한 표준 클로 트리 마졸에 대한 억제 구역은 칸디다 알비칸스균 37 mm와 아스페르길루스 니게르균 30 mm로 측정되었으며, 칸디다 알비칸스균(15 mm)은 다른 균류 인 아스페르길루스 니 게르균(11 mm)에 비해 더 높은 억제 구역을 나타낸다. 항균 활성은 미생물에서 음전하를 띤 세포막과 양전하 를 띤 나노 입자 사이의 정전 기 인력, 아연을 포함한 금속 이온과 미생물 및 ZnO 배열의 상호 작용을 통해 유도되며, 바이오 합성법을 사용하여 합성된 ZnO 나노 입자는 시험된 균류에 대해 우수한 항진균 활성을 갖는 것으로 밝혀졌다. Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사 용하여 생합성화된 ZnO의 항균 작용은 세균 뿐만 아니 라 곰팡이 종에도 좋은 결과를 나타내었다. 따라서 나 노 입자는 잠재적인 항진균제로서 사용될 수 있으며, 기 존의 살균제에 대한 내성을 극복하는 대안으로 주목 받 으며, 곰팡이 질병 관리의 장애물을 극복하는 것을 도 울 수 있을 것으로 기대된다.

    4. 결 론

    Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 이용하여 ZnO 나 노분말을 합성하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. GC-MS 분석은 식물 Cyathea nilgiriensis의 에탄올 추출물에서 다양한 식물 화학 성 분의 존재를 확인하였다.

    2. Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 이용한 ZnO 나 노 입자 합성은 침전제 및 캡핑 제를 사용하여 실온에 서 수산화물 침전, 450 °C에서 하소를 통한 녹색 화학 공정 에 의해 얻어졌다.

    3. 생합성 된 ZnO 나노 분말은 육방구조을 나타내며, 평균 결정립 크기는 29.11 nm로 측정되었다.

    4. 생합성 된 ZnO 나노 입자는 그람 음성균과 그람 양성균에 대해 우수한 항 박테리아 활성을 나타내었으 며, 칸디다 알비칸스균은 다른 균류 인 아스페르길루스 니게르균 에 비해 우수한 항진균 작용을 보였다.

    5. 생합성 된 ZnO 나노 입자는 박테리아 및 곰팡이 식물 병원균에 대해 우수한 멸균특 성을 나타내어 농업 분야의 상업적 응용을 위한 항균제에 사용될 수 있음을 시사한 다.

    Acknowledgments

    This work was supported by Chungnam National University.

    Figure

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    GC-MS image of Cyathea nilgiriensis plant extract.

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    Some of major phytochemical constituent’s structure of Cyathea nilgiriensis plant extract.

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    FT-IR spectrum of biosynthesized ZnO nanoparticles.

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    FT-IR spectrum of Cyathea nilgiriensis plant extract.

    MRSK-30-5-252_F5.gif

    XRD Spectrum of ZnO Nanoparticles.

    MRSK-30-5-252_F6.gif

    SEM images of ZnO Nanoparticles from [a-c] and EDX image of ZnO nanoparticles [d].

    MRSK-30-5-252_F7.gif

    TEM images of ZnO Nanoparticles from [a-c] and SAED image of ZnO nanoparticles [d].

    MRSK-30-5-252_F8.gif

    PSA image of ZnO nanoparticles.

    MRSK-30-5-252_F9.gif

    Possible mechanism of ZnO nanoparticles formation.

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    Antibacterial images of ZnO nanoparticles [a-c] S. aureus, M. luteus & B. subtilis (Gram positive bacterias) [d-f] E. coli, K. pneumoniae & S. paratyphi (Gram negative bacterias).

    Table

    Qualitative Analysis report of ethanolic extract of Cyathea nilgiriensis plant extract

    Antibacterial activity of ZnO nanoparticles.

    Antifungal activity of ZnO nanoparticles.

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