In vitro antimicrobial activity of plant extracts against bovine mastitis pathogens

Abstract

Bovine mastitis is a major challenge to dairy industry manufacturers due to the costs involved and the inefficacy of antibiotic therapy. The disinfectants commonly used in the cleaning of dairy farms surfaces, are not effective which is often due to the ability of dairy industry pathogens to form biofilms. Considering that plants are a source of bioactive compounds, some of them with antimicrobial activity, plant-derivates may be a promising alternative to conventional disinfectants. So, one of the aims of this work was the determination of the antimicrobial activity of four phenolic compounds, derived from Eucalyptus globulus, and medicinal and aromatic plant decoction and hydroethanolic extracts, against several bovine mastitis pathogens. For this, susceptibility tests were used, namely disk diffusion and microdilution method. The disk diffusion test showed that gallic acid was the only phenolic compound with antibacterial activity against all tested Staphylococcus aureus strains. In the case of medicinal and aromatic extracts, Klebsiella pneumoniae ATCC 11926 was the most susceptible strain, being vulnerable to all extracts. Furthermore, Origanum majorana and Satureja montana extracts were the most active, with decoction exhibiting more pronounced effects. The minimum inhibitory concentration (MIC) values of these two extracts were determined for S. aureus ATCC 25923 and K. pneumoniae ATCC 11926, with values of 1.56 mg/mL and 1.56 – 3.13 mg/mL, respectively. The combined effect of chlorhexidine with gallic acid, O. majorana and S. montana decoctions was also accessed. Gallic acid and S. montana increased the antibacterial activity of this common disinfectant against S. aureus ATCC 25923. These combinations were also tested on S. aureus ATCC 25923 preformed biofilms, and there were no interactions between the plant-derivatives and chlorhexidine. Susceptibility assays also showed that S. montana alone was the only plant-derivate that exert some antibacterial effect on the tested biofilm (p < 0.05). O. majorana and S. montana decoctions presented some antifungal effect only against Candida tropicalis ATCC 750. The mode of action of O. majorana and S. montana was investigated through flow cytometry and fluorescence microscopy, and it was found that both extracts disrupted the S. aureus ATCC 25923 cellular membrane. Thus, the use of phenolic compounds/plant extracts, specifically, gallic acid, O. majorana and S. montana decoctions as antimicrobial agents could be valuable in dairy industry disinfection.

A mastite bovina é um grande desafio para os produtores de laticínios devido aos custos envolvidos e à ineficácia dos antibióticos. Os desinfetantes geralmente usados na limpeza das superfícies da indústria dos laticínios são ineficazes, o que se deve frequentemente à capacidade dos agentes patogénicos em causa formarem biofilmes. Considerando que as plantas são uma fonte de compostos bioativos, alguns deles com atividade antimicrobiana, os derivados de plantas podem ser uma alternativa promissora aos desinfetantes comuns. Um dos objetivos deste trabalho era a determinação da atividade antimicrobiana de quatro compostos fenólicos, derivados de Eucalyptus globulus, e de decocções e extratos hidroetanólicos de plantas medicinais e aromáticas contra vários agentes patogénicos da mastite bovina. Para tal foram usados testes de suscetibilidade, nomeadamente, a difusão em disco e o método da microdiluição. O teste da difusão em disco mostrou que o ácido gálico foi o único composto fenólico com atividade antibacteriana contra todas as estirpes de Staphylococcus aureus testadas. No caso dos extratos medicinais e aromáticos, Klebsiella pneumoniae ATCC 11926 foi a estirpe mais suscetível, sendo vulnerável a todos os extratos. Além disso, os extratos de Origanum majorana e Satureja montana foram os mais ativos, com a decocção a exibir efeitos mais pronunciados. Os valores da concentração mínima inibitória (MIC) desses dois extratos para S. aureus ATCC 25923 e K. pneumoniae ATCC 11926, são 1.56 mg/mL e 1.56 – 3.13 mg/mL, respetivamente. O efeito combinado de clorexidina com ácido gálico, e as decocções de O. majorana e S. montana foi também investigado. O ácido gálico e a S. montana aumentaram a atividade antibacteriana deste desinfetante comum contra S. aureus ATCC 25923. Os derivados de plantas não potenciaram o efeito da clorexidina no biofilme preformado de S. aureus ATCC 25923. Os testes de suscetibilidade também mostraram que S. montana, foi o único derivado de planta que exerceu algum efeito antibacteriano no biofilme testado (p <0,05). As decocções de O. majorana e S. montana apresentaram algum efeito antifúngico apenas contra a Candida tropicalis ATCC 750. Através da citometria de fluxo e da microscopia de fluorescência, foi verificado que os extratos de O. majorana e S. montana danificaram a membrana celular de S. aureus ATCC 25923. Assim, o uso de compostos fenólicos/extratos de plantas, especificamente, do ácido gálico, e decocções de O. majorana e S. montana, como agentes antimicrobianos pode ser vantajoso na desinfeção da indústria dos laticínios.