Évaluation de biosurfactants synthétisés comme inhibiteurs de corrosion prometteurs et agents alternatifs antibactériens et antidermatophytes

May 10, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2585 (2023) Citer cet article

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Cette étude a porté sur différents tensioactifs à base d'acides aminés (SAA), également connus sous le nom de biosurfactants, notamment la N-dodécyl asparagine de sodium (AS), le N-dodécyl tryptophane de sodium (TS) et la N-dodécyl histidine de sodium (HS) pour leurs propriétés potentielles anticorrosion, antibactériennes et antidermatophytes. Les techniques chimiques et électrochimiques ont été utilisées pour examiner l'efficacité de l'inhibition de la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 (1,0 M) à 298 K. Les résultats ont indiqué leurs efficacités prometteuses d'inhibition de la corrosion (% IE), qui variaient selon les structures et les concentrations de biosurfactant, et les concentrations de milieu corrosif. Des valeurs plus élevées en % IEs ont été attribuées à l'adsorption du surfactant sur la surface du cuivre et à la production d'un film protecteur. L'adsorption était en accord avec l'isotherme d'adsorption de Langmuir. La cinétique et les mécanismes de la corrosion du cuivre et son inhibition par les AAS examinés ont été éclairés. Les tensioactifs se sont comportés comme des inhibiteurs de type mixte avec une priorité anodique mineure. Les valeurs de % IE obtenus à partir de la technique de perte de poids à 500 ppm des tensioactifs testés ont été fixées à 81, 83 et 88 pour AS, HS et TS, respectivement. Les valeurs de % IE acquises à partir de toutes les techniques appliquées étaient presque cohérentes et ont été augmentées dans l'ordre : TS > HS ≥ AS, établissant la validité de cette étude. Ces tensioactifs ont également montré de fortes activités à large spectre contre les bactéries pathogènes Gram-négatives et Gram-positives et les dermatophytes. HS a présenté l'activité antimicrobienne la plus élevée, suivie de TS et AS. La sensibilité des bactéries pathogènes variait par rapport aux AAS testés. Shigella dysenteriae et Trichophyton mantigrophytes se sont révélés être les agents pathogènes les plus sensibles. HS a présenté l'activité antibactérienne la plus élevée contre Shigella dysenteriae, Bacillus cereus, E. coli, K. pneumoniae et S. aureus par la formation de zones claires de 70, 50, 40, 39 et 35 mm de diamètre, respectivement. Les SAA ont également montré une forte activité antifongique contre toutes les moisissures et champignons dermatophytes testés. HS a provoqué des zones d'inhibition de 62, 57, 56, 48 et 36 mm de diamètre contre les mantigrophytes Trichophyton, Trichophyton rubrum, Candida albicans, Trichosporon cataneum et Cryptococcus neoformans, respectivement. Les concentrations létales minimales d'AAS variaient entre 16 et 128 µg/ml. HS a présenté la valeur la plus faible (16 µg/ml) contre les agents pathogènes testés, suivi de TS (64 µg/ml) et AS (128 µg/ml). Par conséquent, les SAA, en particulier le HS, pourraient servir d'agent antimicrobien alternatif efficace contre les bactéries pathogènes d'origine alimentaire et les champignons dermatophytes associés aux infections cutanées.

La corrosion métallique, un processus naturel, est la dégradation des structures métalliques, de leur résistance et de leur apparence, entraînant d'énormes pertes pour l'économie mondiale1,2,3,4,5,6. Les inhibiteurs de corrosion sont utilisés pour la protection des surfaces métalliques7,8,9. Ce sont des composés spéciaux contenant certains groupes fonctionnels, des cycles aromatiques et/ou hétérocycliques, des structures planes conjuguées et des hétéroatomes. Ces caractéristiques soutiennent leur adsorption sur les surfaces métalliques qui déterminent également l'efficacité des inhibiteurs10,11,12. En raison de leurs propriétés d'interface et d'impact sur la surface, les tensioactifs sont largement utilisés dans diverses applications industrielles vitales13,14,15,16,17. Les valeurs de concentration micellaire critique inférieures des tensioactifs facilitent leur migration et leur adsorption sur les surfaces et inhibent la corrosion des surfaces métalliques18,19. Pour cette raison, de nombreux tensioactifs ont été utilisés comme inhibiteurs de corrosion pour la protection des matériaux métalliques contre la corrosion20,21,22,23,24. Les acides aminés naturels et les acides gras ou leurs dérivés de source oléochimique sont condensés pour préparer des tensioactifs biodégradables et biocompatibles à base d'acides aminés (AAS)14,15,16. Une toxicité plus faible, des propriétés émulsifiantes et une meilleure activité de surface des SAA permettent leurs applications alimentaires25,26,27. Les meilleures propriétés antifongiques, antimicrobiennes, tensioactives et respectueuses de l'environnement des SAA par rapport aux tensioactifs traditionnels incitent les chercheurs à rechercher de nouveaux tensioactifs14,15,16. Quelques AAS ont déjà été étudiés pour l'inhibition des surfaces métalliques telles que la corrosion de l'acier au carbone dans des milieux aqueux neutres et alcalins14, la corrosion de l'acier doux dans HCl15, dans des solutions neutres16 et la corrosion du fer Sabic dans différents milieux17.

L'augmentation substantielle des micro-organismes résistants aux médicaments en réponse à l'utilisation non judicieuse d'antibiotiques exige le développement de nouveaux agents antimicrobiens avec une meilleure stabilité et efficacité contre les agents pathogènes. La résistance aux antibiotiques entraîne une augmentation des coûts des médicaments, des taux de mortalité et des séjours prolongés à l'hôpital. Par conséquent, il est devenu une préoccupation majeure pour la santé mondiale et la sécurité alimentaire. L'efficacité réduite des antibiotiques a compliqué les traitements de diverses maladies telles que la tuberculose, les maladies d'origine alimentaire, la gonorrhée, la pneumonie et l'empoisonnement du sang28,29,30,31,32. La biodégradabilité rapide, la faible toxicité et les excellentes propriétés tensioactives des tensioactifs synthétisés à base d'acides aminés soulignent leur rôle prometteur en tant qu'alternatives efficaces aux agents antimicrobiens conventionnels. Ils sont également largement utilisés dans les applications alimentaires, cosmétiques, pharmaceutiques, de formation de liposomes et d'administration de médicaments en tant qu'émulsifiants, adoucissants, agents mouillants, détergents et vecteurs de transfection. L'utilité des SAA dans les interventions de soins de santé telles que les greffes, la chirurgie et les traitements contre le cancer a également été examinée33,34. Structurellement, les AAS sont des analogues des lipopeptides natifs, qui sont des amphiphiles cationiques constitués d'un ou deux acides aminés liés à une fraction hydrophobe. Par conséquent, ils sont moins susceptibles de développer une résistance et possèdent un mécanisme similaire contre les micro-organismes34,35,36. Une résistance aux antibiotiques a été signalée chez de nombreux pathogènes bactériens, notamment Staphylococcus aureus, Neisseria gonorrhoeae, Mycobacterium tuberculosis, Enterococcus faecium, Klebsiella pneumoniae, Shigella, Acinetobacter baumannii, Salmonella et Pseudomonas aeruginosa29,32,33,34,37. La découverte et le développement de nouveaux agents antimicrobiens sont devenus une condition préalable pour contrer la résistance croissante aux médicaments chez les champignons et les bactéries.

Sur la base des arguments mentionnés ci-dessus, cette étude a évalué les efficacités d'inhibition de la corrosion de trois AAS synthétisés (structures illustrées ci-dessous), pour la première fois, pour le cuivre, qui est un métal stratégique dans diverses applications industrielles. Le milieu acide agressif (solution H2SO4) a été utilisé au cours de cette étude qui est largement utilisé pour le détartrage, le décapage et le nettoyage du cuivre. Différentes techniques, y compris la perte de poids (WL), la polarisation potentiodynamique (PDP) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été appliquées au cours de l'étude. L'étude a approfondi la cinétique et les mécanismes de la corrosion du cuivre et son inhibition par les SAA. Les activités antibactériennes et antifongiques des tensioactifs testés ont également été analysées.

Des produits chimiques de qualité analytique ont été utilisés dans l'étude et les solutions des réactifs ont été préparées dans une solution dd H2O·H2SO4 (1,0 M) qui a été choisie pour servir de milieu corrosif principal. Les tensioactifs ont été préparés selon Fawzy et al.14 et leurs concentrations utilisées variaient entre 100 et 500 ppm (mg/l). Des échantillons de cuivre (Merck) contenant d'autres métaux tels que Fe (0,030%), Pb (0,021%), Ni (0,011%) et Si (0,005%) ont été utilisés pour les tests de corrosion. Les expériences ont été menées dans des milieux stagnants et aérés en triple pour tester la reproductibilité, et pour examiner cette dernière, les valeurs de l'écart type (SD) des résultats acquis ont également été calculées.

Des techniques de perte de poids (WL), de polarisation potentiodynamique (PDP) et de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été suivies au cours de l'étude. La surface de l'échantillon de cuivre a été polie avant les expériences avec différentes qualités de papier émeri (jusqu'à 1500), dégraissée avec de l'acétone, lavée avec dd H2O et séchée à l'air. Des feuilles de cuivre de dimensions 3,6 × 1,4 × 0,2 cm2 ont été utilisées dans la méthode WL tandis qu'une tige en forme de cylindre (1,0 cm2) enfermée dans de l'Araldite a été utilisée pour les techniques PDP et EIS.

Au cours de l'analyse WL, les feuilles de cuivre préparées ont été insérées dans 100 ml des solutions corrosives (H2SO4 1,0 M) et en présence de différentes concentrations d'AAS pendant des intervalles de temps fixes toutes les 4 h. Ensuite, les feuilles de cuivre ont été dégraissées, lavées, séchées à l'air et pesées pour évaluer la perte de poids moyenne (mg/cm2). Pour les mesures PDP et EIS, l'électrode de cuivre a été préparée comme indiqué précédemment38,39,40 et a été immergée dans une cellule contenant le milieu examiné au potentiel de circuit ouvert (OCP). Un potentiostat/galvanostat PGSTAT30 thermostaté a été utilisé pour enregistrer les mesures électrochimiques. La cellule contenait une électrode de travail de l'échantillon de cuivre, une contre-électrode de la feuille de platine et une électrode de référence de calomel. Une plage de fréquences de 100 kHz à 0,1 Hz et une amplitude de 5,0 mV (crête à crête) ont été définies dans les études EIS, qui utilisaient des signaux CA à l'OCP.

Pour déterminer l'activité antimicrobienne de l'AAS, S. aureus (ATCC25923) et Bacillus cereus (ATCC11778) ont été utilisés comme Gram-positifs tandis que E. coli (ATCC25922), K. pneumoniae (ATCC n° 700603) et Shigella dysenteriae (DSM103303) ont été utilisés comme indicateurs bactériens Gram-négatifs. Les SAA ont également été évalués contre les champignons dermatophytes associés aux infections cutanées, notamment Trichophyton mantigrophytes (ATCC n° 18748), Trichophyton rubrum (ATCC n° 28188), Trichosporon cataneum ATCC n° 28592, Cryptococcus neoformans (ATCC n° 208821) et C. albicans (ATCC n° 90028). Toutes les souches bactériennes ont été obtenues auprès de la Collection de cultures bactériennes du Département de microbiologie agricole, Faculté d'agriculture, Université du Fayoum, Égypte. Tous les isolats fongiques ont été obtenus auprès du Fungi Center, Université d'Assiut, Égypte. Les cultures souches bactériennes ont été maintenues à 4 ° C sur des plaques de gélose Mueller Hinton, tandis que les moisissures et les champignons ont été sous-cultivés sur des plaques de gélose au dextrose de pomme de terre et maintenus à 4 ° C.

La méthode de diffusion en puits d'agar a été adoptée pour évaluer le potentiel antimicrobien des surfactants testés41,42. En bref, le milieu de gélose Mueller Hinton et la gélose au dextrose de pomme de terre ont été préparés, autoclavés à 121 ° C, refroidis à 50 ° C, versés dans des boîtes de Pétri stérilisées et solidifiés à température ambiante. Par la suite, des plaques de gélose Mueller Hinton ont été tamponnées avec des cultures bactériennes fraîches, tandis que des cultures fongiques fraîches ont été tamponnées sur des plaques PDA. Un perce-bouchon stérilisé a été utilisé pour créer les puits (9 mm) au centre de la plaque de gélose. Des solutions mères de SAA (1 mg/ml) ont été préparées et 100 µg de chaque SAA ont été placés à l'intérieur des puits. Plaques contenant des pathogènes bactériens, de la levure Candida albicans et Cryptococcus sp. ont été incubés à 30 ° C pendant 24 à 48 h, respectivement. L'incubation des pathogènes fongiques restants a été réalisée pendant 48 à 72 h à 28 °C. Le diamètre des zones d'inhibition (mm) autour de chaque puits a été mesuré pour évaluer l'activité antimicrobienne des SAA. Le fluconazole, la nystatine (Mycosat) et le ciclopirox (Batrafen) (100 μg/ml) ont été utilisés comme standards antifongiques tandis que le traitement de l'eau a servi de contrôle. Les zones d'inhibition bactérienne (mm) ont été mesurées en suivant la méthode de diffusion sur disque de gélose et comparées aux standards antibiotiques (utilisés contre les bactéries Gram-négatives et positives)43.

La méthode de dilution a été suivie pour déterminer les concentrations létales minimales (MLC) des AAS44. Pour déterminer la MLC de Candida albicans et de bactéries, des concentrations en série doubles d'AAS ont été pipetées dans des tubes contenant du bouillon de dextrose de pomme de terre (PD) ou du LB (4 ml), respectivement. 0,4 ml de milieu McFarland 0,5 de chaque suspension bactérienne standard contenant 1 × 106 cellules/ml-1 a ​​été inoculé dans chaque tube. Pour déterminer la MLC des pathogènes fongiques, des concentrations en série doubles d'AAS ont été pipetées dans un bouillon PD (4 ml) contenant des tubes et 1 × 106 spores / ml -1 ont été inoculés dans chaque tube41,42. L'incubation des tubes a été effectuée à des températures et des intervalles de temps optimaux pour chaque micro-organisme. Après incubation, 0,1 ml de solution de chaque tube a été sous-cultivé sur des plaques de gélose Mueller Hinton ou des plaques PDA et à nouveau incubé à leurs températures et intervalles de temps optimaux respectifs. La concentration la plus faible d'AAS produisant seulement 0,1 % de numération viable par rapport à l'inoculum d'origine de 1 × 106 cellules/ml a été considérée comme la concentration létale minimale (MLC).

Pour étudier l'impact du H2SO4 sur les efficacités d'inhibition de la corrosion (% IE) des tensioactifs examinés (AS, HS, TS), des mesures de WL ont été effectuées en utilisant différentes concentrations de solution de H2SO4 (0,25–2,0 M) en présence d'une concentration fixe des tensioactifs (500 mg/l) à 298 K et sont illustrées à la Fig. 1.

L'impact de la concentration du milieu corrosif sur les valeurs de % IEs des tensioactifs examinés dans la corrosion du cuivre dans les solutions H2SO4 à 298 K.

Les taux de corrosion (CR) du cuivre ont été calculés en mils de pénétration par an (mpy) en appliquant l'équation suivante. (1)45 :

où K est constant (3,45 × 106), W représente WL (grammes), A représente la surface de la feuille de cuivre (cm2), t représente le temps (heure) et d représente la densité du cuivre.

Les % IE et les degrés de couverture de surface (θ) des AAS ont été calculés à l'aide de l'équation. (2)46 :

où CRinh et CR représentent respectivement les vitesses de corrosion avec et sans inhibiteur.

La figure 1 révèle qu'une concentration de solution de H2SO4 plus élevée a réduit les valeurs de % IE, ce qui indique une efficacité de surfactant plus élevée à une concentration de milieu corrosif plus faible. Ces résultats peuvent être attribués au potentiel plus agressif du milieu corrosif à fortes concentrations.

Les mesures de WL pour les feuilles de cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M ont été effectuées à 298 K sans et avec les AAS examinés à différentes concentrations (100–500 mg/L). La figure 2 illustre les tracés WL du tensioactif AS en fonction du temps d'immersion (à titre d'exemple représentatif). Le tableau 1 décrit les CR de cuivre, les % IE et les θ des AAS testés à 298 K. Ici, les valeurs de l'écart type (SD) des taux de corrosion ont également été calculées. Les résultats ont révélé des CR de cuivre réduits alors que les valeurs de % IE et θ des tensioactifs étaient augmentées à des concentrations plus élevées. Le tableau 1 montre également que les valeurs SD étaient très faibles, indiquant une plus grande précision des résultats acquis. Ces découvertes peuvent être attribuées à l'adsorption améliorée de la molécule de surfactant sur la surface du cuivre, qui a augmenté à des concentrations plus élevées pour réduire les valeurs de CR et augmenter les valeurs de % IE et θs. Les tensioactifs testés inhibent efficacement la corrosion du cuivre dans la solution H2SO4 (1,0 M). Les valeurs de % IE ont également augmenté à une concentration particulière d'AAS lorsque TS> HS ≥ AS, comme illustré à la Fig. 3.

Graphiques WL en fonction du temps d'immersion pour la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M et en présence du tensioactif AS à 298 K.

L'impact des concentrations des tensioactifs examinés sur l'inhibition de la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M à 298 K.

Les SAA sont apparus comme des inhibiteurs efficaces de la corrosion du cuivre dans la solution H2SO4 (1,0 M). La formation d'un film protecteur et l'adsorption de molécules de surfactant sur la surface du cuivre pourraient avoir contribué à leur meilleure activité anticorrosion47,48,49,50,51. Le mécanisme d'adsorption des AAS sur la surface du cuivre a été élaboré en soumettant les valeurs θs de différentes concentrations de surfactant à diverses isothermes d'adsorption (Langmuir, Frumkin, Temkin et Freundlich). La figure 4 montre que les résultats ont suivi l'isotherme de Langmuir et ont été exprimés par l'Eq. (3)52,

où Kads représente la constante d'adsorption. Les interceptions linéaires des parcelles ont été utilisées pour calculer leurs valeurs à 2, 61 × 103, 3, 21 × 103 et 4, 70 × 103 pour AS, HS et TS, respectivement (Fig. 4).

Isothermes d'adsorption de Langmuir pour l'adsorption des tensioactifs examinés sur la surface du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M à 298 K.

La cinétique des points de corrosion a été suivie pour tester les caractéristiques d'inhibition de la corrosion et mesurer la stabilité des espèces chimiques trouvées lors de la corrosion de divers matériaux. La cinétique de la corrosion du cuivre a été étudiée dans une solution de H2SO4 (1,0 M) avec un tensioactif HS (par exemple) à 298 K. La figure 5 présente des tracés linéaires de - ln(WL) en fonction du temps (basés sur l'équation de la constante de vitesse du premier ordre et le processus de corrosion). Il révèle que la cinétique de corrosion du cuivre en solution H2SO4 et son inhibition par le surfactant HS étaient des processus négatifs de premier ordre. Les gradients de ces tracés se réfèrent aux valeurs constantes de taux de premier ordre [k1 (en h−1)] (tableau 2). Les valeurs de demi-vie (t1/2, h) ont été calculées en suivant l'Eq. (4)53 (tableau 2)

Courbes de constante de vitesse de premier ordre pour la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M et en présence du surfactant HS à 298 K.

Les ordres (n) de l'inhibition de la corrosion du cuivre par rapport aux concentrations de surfactant (Cinh) ont été calculés à l'aide de l'Eq. (5)54,

où k est la constante de vitesse spécifique (mg/cm2 h).

La figure 6 présente des tracés linéaires du log CR en fonction du log Cinh des tensioactifs testés. Les valeurs n ont été estimées à partir des pentes des tracés comme étant − 0,54, − 0,60 et − 0,71 pour AS, HS et TS, respectivement. Ces n valeurs du processus d'inhibition de la corrosion ont révélé qu'il s'agissait d'une réaction négative de premier ordre fractionnaire par rapport aux concentrations des inhibiteurs. Le signe n négatif et les valeurs CR inversement proportionnelles aux concentrations d'inhibiteurs se réfèrent à de meilleurs % IE des tensioactifs étudiés55 (Fig. 6).

log CR vs log Cinh pour l'inhibition de la corrosion du cuivre par les tensioactifs examinés dans une solution de H2SO4 1,0 M à 298 K.

Les mesures PDP de la corrosion du cuivre ont été effectuées dans une solution de H2SO4 1,0 M à 298 K en présence et en l'absence de différentes concentrations des tensioactifs examinés. La figure 7 ne montre que les courbes PDP (courbes de Tafel) du surfactant HS (à titre d'exemple) en rapport avec la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M. Différentes valeurs de paramètres de corrosion ont été obtenues à partir des tracés de Tafel pour les AAS examinés, notamment le potentiel de corrosion (Ecorr), la densité de courant de corrosion (icorr), les pentes anodiques et cathodiques de Tafel (βa, βc) et la résistance de polarisation (Rp) (tableau 3). Les valeurs de % IE des AAS ont été calculées à l'aide de l'équation. (6) (tableau 3),

où, icorr et icorr(inh) représentent les densités de courant de corrosion en l'absence et en présence de tensioactifs, respectivement.

Courbes PDP de la corrosion du cuivre en solution 1,0 M H2SO4 et en présence du surfactant HS à 298 K.

La figure 7 révèle que l'ajout de tensioactif HS dans le milieu corrosif a déplacé les branches Tafel cathodique et anodique de la courbe PDP du cuivre dans la solution sans inhibiteur pour abaisser les valeurs icorr. L'inhibition de la dissolution du métal en réponse à l'empêchement des réactions cathodiques et anodiques pourrait être la principale raison de ce phénomène. Le tableau 3 contient la liste des paramètres de corrosion, qui indiquent que la valeur Ecorr du cuivre enregistrée dans le milieu corrosif (blanc) a été légèrement abaissée à des valeurs négatives (vers la direction anodique) lorsque différentes concentrations de tensioactif ont été ajoutées. Par conséquent, ces tensioactifs sont considérés comme des inhibiteurs de type mixte avec une légère priorité anodique56,57. Les valeurs βa et βc ont également été légèrement réduites dans la solution à blanc après l'ajout des tensioactifs. Il présente une diminution de la dissolution anodique qui entrave les réactions cathodiques de dégagement d'hydrogène. De plus, la valeur icorr du cuivre acquise dans la solution corrosive a diminué tandis que les valeurs de Rp et % IEs ont augmenté à des concentrations plus élevées de surfactant. En outre, les valeurs de SD des valeurs icorr enregistrées ont été calculées et répertoriées dans le tableau 3 qui éclaire les valeurs SD inférieures signifiant une plus grande précision des résultats acquis.

Les mesures EIS pour la corrosion du cuivre ont été effectuées à 298 K dans une solution de H2SO4 1,0 M avec et sans addition de différentes concentrations des tensioactifs testés. La figure 8 montre les spectres EIS (courbes de Nyquist) de la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M et en présence du tensioactif TS (à titre d'exemple). Les spectres ont révélé des constantes ponctuelles et des boucles capacitives déprimées simples, ce qui indique que le comportement de la double couche et le processus de transfert de charge ont géré la corrosion du cuivre58. La taille de la boucle capacitive en cuivre dans la solution à blanc augmentait régulièrement en proportion directe avec les concentrations des tensioactifs examinés. Ce comportement indique une réduction des taux de corrosion du cuivre et une augmentation des valeurs % IE des tensioactifs. L'analyse des spectres EIS a été réalisée en les comparant à un circuit équivalent (Fig. 9). Les valeurs de l'élément à phase constante (CPE), de la résistance au transfert de charge (Rct) et de la résistance de la solution (Rs) ont été obtenues à partir des spectres EIS et sont répertoriées dans le tableau 4. Les valeurs % IEs ont été calculées en suivant l'Eq. (7)59 (tableau 4),

où Rct(inh) et Rct représentent respectivement les résistances au transfert de charge en l'absence et en présence de tensioactifs.

Courbes de Nyquist représentant la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M et en présence du surfactant TS à 298 K.

Circuit équivalent électrochimique pour optimiser les données de sortie EIS pour la corrosion du cuivre dans une solution H2SO4 1,0 M et en présence des tensioactifs examinés.

Les valeurs des paramètres EIS (énumérées dans le tableau 4) ont indiqué que l'ajout de surfactant dans une solution corrosive augmentait les valeurs Rct et réduisait les valeurs CPE. Les valeurs de SD des valeurs Rct acquises ont été calculées et répertoriées dans le tableau 4 qui montre des valeurs SD inférieures signifiant une plus grande précision des résultats acquis. Ces données confirment le rôle du surfactant en tant qu'inhibiteurs par adsorption dans l'interface cuivre/solution qui protège ensuite la surface du cuivre de la solution corrosive, puis améliore les valeurs % IEs60,61,62.

Enfin, les valeurs de % IE gagnées des tensioactifs étudiés obtenues à partir de la technique EIS (tableau 4) ont été alignées sur celles obtenues par les techniques WL et PDP (tableaux 1 et 3). La figure 10 représente les valeurs du tensioactif TS (à titre d'exemple), qui confirment la validité des mesures employées.

Comparaison des différentes techniques employées pour étudier l'inhibition de la corrosion du cuivre par le surfactant TS dans une solution de H2SO4 1,0 M à 298 K.

Il a été suggéré que la corrosion du cuivre dans les milieux acides se produise par les réactions suivantes63 :

Réaction anodique par laquelle le cuivre métallique est oxydé (corrodé) en Cu2+,

Réaction cathodique

Les résultats obtenus grâce aux différentes techniques utilisées ; WL, PDP et EIS ont indiqué que les AAS examinés se sont révélés être des inhibiteurs efficaces pour la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M. Le mécanisme d'inhibition a été proposé comme suit. Les valeurs enregistrées de Ecorr pour le cuivre dans les milieux testés étaient positives, rendant la surface de cuivre chargée positivement. Cela permet aux ions SO42- de s'adsorber sur la surface du cuivre, ce qui la charge négativement. D'autre part, dans les milieux acides, il est proposé de protoner les AAS examinés qui comprennent des atomes polaires O et N pour produire des cations comme indiqué par l'Eq. (dix),

Ainsi, les AAS chargés positivement ont été adsorbés sur la surface de cuivre négative pour produire un film solidement adsorbé (adsorption physique). Les molécules des AAS et leurs cations pourraient être adsorbés sur les emplacements anodiques et cathodiques, en conséquence, existaient sur la surface du cuivre. L'adsorption sur les emplacements anodiques pourrait se produire à travers les atomes O et N, entraînant un retard de la corrosion du cuivre. L'adsorption sur les emplacements cathodiques entraîne une limitation du dégagement d'O264,65. De plus, la formation de complexes (précipités) qui pourraient se produire entre les hétéroatomes dans les molécules de surfactant (N & O) et les orbitales d inoccupées sur la surface du cuivre contribuent au processus d'adsorption et donc à l'inhibition de la corrosion du métal66. Ainsi, l'inhibition de la corrosion du cuivre pourrait se produire par la construction de deux couches protectrices : un film solidement adsorbé et/ou le précipité formé sur la surface du cuivre. Les valeurs variables de % IE des AAS testés résultant de leurs différentes capacités d'adsorption sur la surface du cuivre ont été attribuées à la différence de leurs structures chimiques. Le % IE le plus élevé du tensioactif TS pourrait être dû à la présence d'un fragment indole dans la structure TS avec des propriétés d'adsorption plus élevées. De plus, la légère priorité du tensioactif HS sur AS peut être attribuée à la présence d'un cycle diazole dans HS.

Une augmentation alarmante de la résistance aux antibiotiques chez les agents pathogènes microbiens exige le développement de nouveaux agents antimicrobiens efficaces, stables et hautement efficaces. Dans ce scénario, les tensioactifs synthétisés à base d'acides aminés gagnent en popularité en tant que meilleure alternative aux agents antimicrobiens et antibiotiques traditionnels28,29,32,34. Tous les biosurfactants testés au cours de cette étude ont montré des activités à large spectre contre les bactéries Gram-négatives et Gram-positives et les champignons dermatophytes grâce à des concentrations létales minimales et une inhibition de la zone claire (Tableaux 5 et 6, Figs. 11 et 12). Le surfactant HS présentait le potentiel antimicrobien le plus élevé suivi du TS et de l'AS. La sensibilité de diverses bactéries pathogènes d'origine alimentaire variait par rapport au SAA testé. Shigella dysenteriae s'est avérée être l'espèce la plus sensible, suivie respectivement de Bacillus cereus, E. coli, K. pneumoniae et S. aureus. Le tensioactif HS, ayant une MLC très faible, a notamment montré des activités à large spectre contre les champignons dermatophytes et les bactéries pathogènes d'origine alimentaire. L'ajout de HS a entraîné des zones d'inhibition de 70, 50, 40, 39 et 35 mm de diamètre contre Shigella dysenteriae, Bacillus cereus, E. coli, K. pneumoniae et S. aureus respectivement, tandis que des zones d'inhibition de 48, 39, 38, 34 et 33 mm de diamètre ont été notées contre Shigella dysenteriae, K. Pneumoniae, E. coli, S. aureus , et Bacillus cereus respectivement après addition du tensioactif TS. L'ajout de surfactant AS a produit des zones d'inhibition de 45, 36, 32, 32 et 27 mm de diamètre contre Shigella dysenteriae, E. coli, Bacillus cereus, K. pneumoniae et S. aureus respectivement. La concentration létale minimale d'AAS variait entre 16 et 128 µg/ml. La valeur la plus faible (16 µg/ml) a été enregistrée pour HS contre la plupart des agents pathogènes testés, suivi de TS (64 µg/ml) et AS (128 µg/ml).

Activité antimicrobienne des tensioactifs par rapport aux antibiotiques traditionnels contre les bactéries pathogènes d'origine alimentaire indiquée par le diamètre de la zone claire (mm).

Activité antimicrobienne des tensioactifs par rapport aux antifongiques traditionnels contre les levures et champignons dermatophytes indiquée par le diamètre de la zone claire (mm).

Tous les SAA étudiés ont également démontré de fortes activités antifongiques contre les levures et champignons dermatophytes. Trichophyton mantigrophytes a été observé comme étant le dermatophyte le plus sensible, suivi de Trichophyton rubrum, Candida albicans, Trichosporon cataneum et Cryptococcus neoformans. HS a affiché l'activité antifongique la plus élevée, suivie de TS et AS. Le surfactant HS, ayant une MLC de 16 µg/ml, a entraîné des zones d'inhibition de 62, 57, 56, 48 et 36 mm de diamètre contre les mantigrophytes Trichophyton, Trichophyton rubrum, Candida albicans, Trichosporon cataneum et Cryptococcus neoformans, respectivement. Le surfactant AS, ayant une MLC de 64 µg/ml, présentait le potentiel antifongique le plus faible avec des zones d'inhibition de 45, 43, 40, 36 et 35 mm de diamètre contre Candida albicans, Trichophyton rubrum, Trichosporon cataneum, Cryptococcus neoformans et Trichophyton mantigrophytes, respectivement. Fait intéressant, les activités antimicrobiennes des AAS ne se sont pas modifiées lorsqu'elles ont été incubées pendant 10 jours supplémentaires et avaient le même diamètre de zones claires. De plus, la culture de milieux de bouillon frais et de plaques de gélose avec une boucle à partir de ces zones claires n'a pas pu se développer. Ces résultats confirment la létalité des SAA plutôt que l'effet inhibiteur. Les activités antimicrobiennes à large spectre des SAA suggèrent leurs mécanismes non spécifiques par rapport aux antibiotiques traditionnels, qui présentent des activités spécifiques telles que l'altération de la membrane cellulaire, l'activité antimétabolite et l'inhibition de la synthèse des protéines, des parois cellulaires et des acides nucléiques. Il a été rapporté que les AAS s'associent de préférence aux membranes cellulaires plutôt que de cibler un processus et une molécule spécifiques, ce qui les facilite pour pénétrer dans la bicouche lipidique hydrophobe des cellules pathogènes pour provoquer la lyse, la dépolarisation et la mort. Ce phénomène permet d'éviter la résistance bactérienne25,34,35,67,68,69. L'interaction des SAA cationiques avec les micro-organismes se produit principalement en deux étapes. Initialement, l'amphiphile se fixe à la membrane par l'interaction électrostatique de la tête polaire du tensioactif chargé positivement et des molécules membranaires bactériennes chargées négativement telles que l'acide lipotéichoïque et les lipopolysaccharides chez les bactéries Gram-positives et Gram-négatives, respectivement. Ensuite, la chaîne alkyle hydrophobe des amphiphiles cationiques AAS interagit avec les bicouches lipidiques membranaires pour perturber sa structure et favoriser le transport des matériaux intracellulaires à travers la membrane cellulaire. Au cours de l'étape suivante, la polarité et l'hydrophobicité du surfactant établissent un lien optimal qui favorise la diffusion du surfactant dans l'environnement non polaire de la bicouche lipidique70,71,72. C'est ainsi que les tensioactifs cationiques exercent leurs activités antimicrobiennes. Les tensioactifs sont généralement plus efficaces contre les lipides chargés négativement contenant des bactéries Gram-positives. Les tensioactifs ne présentent généralement pas de propriétés antifongiques car leur densité chargée négativement dans la membrane cellulaire est inférieure à celle des bactéries70. HS présentait un potentiel antibactérien à large spectre significativement élevé contre les bactéries pathogènes d'origine alimentaire (Shigella dysenteriae, Bacillus cereus, E. coli, K. Pneumoniae et S. aureus) et les champignons (Trichophyton mantigrophytes, Trichophyton rubrum, Candida albicans, Trichosporon cataneum et Cryptococcus neoformans). HS avait une plage MLC basse de 32 et 128 μg/ml. Pinazo et al.34 ont également rapporté un lien optimal entre la fraction hydrophobe et la charge cationique du SAA qui explique ses activités antimicrobiennes (levures, champignons et bactéries). Le surfactant HS présentait comparativement une meilleure activité antimicrobienne à large spectre contre les dermatophytes qui pouvait être comparée aux normes antibiotiques utilisées dans cette étude (tableaux 5 et 6). Malgré le potentiel antimicrobien très efficace, certains inconvénients tels que des coûts de production plus élevés sont également associés à la synthèse chimique des SAA, ce qui entrave leurs applications à grande échelle.

Les AAS étudiés se sont avérés être des inhibiteurs efficaces de la corrosion du cuivre dans une solution de H2SO4 1,0 M à 298 K. Les efficacités d'inhibition (% IE) variaient avec les concentrations et les structures de surfactant et la concentration du milieu corrosif. Des % IE plus élevés des surfactants examinés ont été attribués à l'adsorption potentielle des molécules de surfactant sur la surface du cuivre en accord avec l'isotherme d'adsorption de Langmuir. La cinétique et les mécanismes de corrosion du cuivre et son inhibition par les SAA ont été étudiés et discutés. Les tensioactifs étudiés se sont comportés comme des inhibiteurs de type mixte avec une légère priorité anodique. Les résultats de toutes les techniques adoptées ont été alignés les uns avec les autres confirmant la validité des résultats. Les SAA ont montré une bonne activité de surface, des propriétés émulsifiantes et une activité antimicrobienne à large spectre significative contre les bactéries pathogènes et les champignons dermatophytes. Ces caractéristiques en font des candidats idéaux pour les applications de produits alimentaires, pharmaceutiques et de soins personnels.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Les auteurs tiennent à remercier le décanat de la recherche scientifique de l'Université Umm Al-Qura pour avoir soutenu ce travail par le code de subvention : 22UQU4180164DSR01.

Département de chimie, Faculté des sciences appliquées, Université Umm Al-Qura, La Mecque, 21955, Arabie saoudite

Ahmed Faouzy

Département de chimie, Faculté des sciences, Université d'Assiut, Assiut, 71516, Égypte

Ahmed Faouzy

Département de chimie, Faculté des sciences, Université King Khalid, Abha, 64734, Arabie saoudite

Areej Al Bahir

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Nada Alkarni

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Élections d'Arafat

Département de chimie, Faculté des sciences, Université de South Valley, Qena, 83523, Égypte

Élections d'Arafat

Département des sciences laitières, Faculté d'agriculture, Université du Fayoum, Fayoum, 63514, Égypte

Manal Khider

Département de microbiologie agricole, Faculté d'agriculture, Université du Fayoum, Fayoum, 63514, Égypte

Ibrahim M. Ibrahim & Khaled Elbanna

Département de biologie, Faculté des sciences appliquées, Université Umm Al-Qura, La Mecque, Arabie saoudite

Hussein Hasan Abulreesh et Khaled Elbanna

Unité des laboratoires de recherche, Faculté des sciences appliquées, Université Umm Al-Qura, La Mecque, Arabie saoudite

Hussein Hasan Abulreesh et Khaled Elbanna

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AF, KE et HHA Conceptualisation, conception de la méthodologie, travail expérimental. Interprétation AF, MK, IM et KE des résultats. AAB, NA et AT ont préparé des figures et des tableaux. KE et HHA ont rédigé le texte du manuscrit. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit et l'ont approuvé.

Correspondance à Hussein Hasan Abulreesh.

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Réimpressions et autorisations

Fawzy, A., Al Bahir, A., Alqarni, N. et al. Évaluation des biosurfactants synthétisés en tant qu'inhibiteurs de corrosion prometteurs et agents alternatifs antibactériens et antidermatophytes. Sci Rep 13, 2585 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29715-5

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Reçu : 25 septembre 2022

Accepté : 09 février 2023

Publié: 14 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-29715-5

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