48
Extended Essay – Biology LIM JU ANNE 002206018 EXTENDED ESSAY BIOLOGY Optimal Condition for Antimicrobial Activity: In Vitro study on the effects of temperature and pH on Antimicrobial Activity of Aqueous Garlic Extract against Escherichia coli ATCC 25922 and Staphylococcus aureus ATCC 25923. Submitted by: Lim Ju Anne Candidate Number: 002206 – 018 Word Count: 3995 only

Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Research work done by my IB student Lim Ju Ann. Please cite and give proper referencing to her on her work if you use this material.

Citation preview

Page 1: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 1 of 48  

 

EXTENDED ESSAY  

 

BIOLOGY  

 

 

 

Optimal Condition for Antimicrobial Activity: 

 

In Vitro study on the effects of temperature and pH on Antimicrobial Activity of Aqueous Garlic Extract against Escherichia coli ATCC 25922 and Staphylococcus aureus ATCC 25923. 

 

Submitted by: Lim Ju Anne 

Candidate Number: 002206 – 018  

Word Count: 3995 only 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 2 of 48  

Table of Contents  

Figures ........................................................................................................................................................... 3 

Tables ............................................................................................................................................................ 4 

Abstract ......................................................................................................................................................... 6 

1.0  Introduction ........................................................................................................................................ 7 

1.1 Rationale of Study ............................................................................................................................... 7 

1.2 Aim ...................................................................................................................................................... 8 

1.3 Garlic (Allium Sativum) ........................................................................................................................ 9 

1.4 Bacteria ............................................................................................................................................. 11 

2.0 Variables ................................................................................................................................................ 13 

2.1 Independent variable ........................................................................................................................ 13 

2.2 Dependent variable ........................................................................................................................... 13 

2.3 Fixed variable .................................................................................................................................... 13 

3.0 Procedures ............................................................................................................................................ 14 

3.1 Preparation before experiment ........................................................................................................ 14 

3.2 Preparation of Aqueous Garlic Extract for different temperature and pH treatment ..................... 15 

3.3 Method for Agar Disk Diffusion Method .......................................................................................... 17 

4.0  Data Collection ................................................................................................................................. 21 

4.1  Raw Data: Antimicrobial Activity of Aqueous Garlic Extract Incubated at Different Temperature . 21 

4.2 Raw Data: Antimicrobial Activity of Aqueous Garlic Extract Incubated at Different pH .................. 23 

4.3 Data Processing: Comparing Mean Inhibition Zone of E. Coli and Staph. a ..................................... 25 

4.4  Data Processing: ANOVA and Tukey’s HSD test................................................................................ 26 

5.0  Conclusion ........................................................................................................................................ 30 

5.1  Part 1: Temperature ......................................................................................................................... 30 

5.2  Part 2: pH .......................................................................................................................................... 32 

6.0  Evaluation and Suggestion ................................................................................................................ 34 

7.0  References ........................................................................................................................................ 36 

8.0  Appendixes ....................................................................................................................................... 37 

 

Page 3: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 3 of 48  

Figures Figure 1: Generation of Allicin in Garlic Clove (2) ......................................................................................... 9  Figure 3: Cell Wall of Gram‐positive Bacteria (7) ........................................................................................ 11  Figure 2: Cell wall of Gram‐negative Bacteria (10) ..................................................................................... 11  Figure 4: Swabbing direction on the nutrient agar plate ............................................................................ 18  Figure 5: Labelling the Nutrient Agar Plate (left figure: for testing of different incubation pH; right figure: for testing of different incubation temperature) ....................................................................................... 19  Figure 6: Measuring Inhibition Zone of Aqueous garlic Extract Treated at Different pH ........................... 20  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 4 of 48  

Tables 

Table 1: Microcentrifuge labelling and its corresponding temperature ..................................................... 15  Table 2: Microcentrifuge labelling and its corresponding pH ..................................................................... 17  Table 3: Labelling legend on Nutrient agar plate ........................................................................................ 19  Table 4: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various temperatures on E. coli ... 21  Table 5: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various temperatures on Staph. a 22  Table 6: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various pH on E. coli ..................... 23  Table 7: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various pH on Staph. a ................. 24  Table 8: Results of ANOVA on 4 sets of data to determine whether there is significant difference between mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature and pH on E. Coli and Staph. a ..................................................................................................................................... 27  Table 9: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature on E. Coli to determine which group is significantly different than the other....... 28  Table 10: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature on Staph. a to determine which group is significantly different than the other ... 28  Table 11: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different pH on E. Coli to determine which group is significantly different than the other ....................... 29  Table 12: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different pH on Staph. a to determine which group is significantly different than the other ................... 29  Table 13: Conventional notations and its meaning .................................................................................... 41  Table 14: One‐way ANOVA table ................................................................................................................ 42  Table 15: Summary ..................................................................................................................................... 43  Table 16: ANOVA table ............................................................................................................................... 43  Table 17: Summary ..................................................................................................................................... 44 

Page 5: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 5 of 48  

Table 18: ANOVA table ............................................................................................................................... 44  Table 19: Summary ..................................................................................................................................... 45  Table 20: ANOVA table ............................................................................................................................... 45  Table 21: Summary ..................................................................................................................................... 46  Table 22: ANOVA Table ............................................................................................................................... 46 

   

Page 6: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 6 of 48  

Abstract  

Garlic (Allium Sativum) is known to have antimicrobial properties.  This study investigates the effects of 

pH and temperature on the antimicrobial activity of aqueous garlic extract.  The aqueous garlic extract is 

tested on non‐pathogenic Escherichia coli ATCC 25922 and Staphylococus aureus ATCC 25923  in an  in 

vitro environment.  The method chosen is Agar Disc Diffusion Method.  Filter paper discs are dipped into 

the aqueous garlic extract which are pre‐treated at different pH and  temperature and  then put onto 

inoculated agar plates.  The agar plates are incubated at approximately 37oC for 24 hours.  The diameter 

of inhibition zone (clear zone around the filter paper disc) is measured; the larger the diameter of zone 

of  inhibition, the higher the antimicrobial activity of the aqueous garlic extract.   ANOVA  (calculated at 

significance  level of 0.05) and Tukey’s HSD  test  is used  to analyse  the data.   For E. coli and Staph. a, 

inhibition decreases as incubation temperature of aqueous garlic extract increases; there is no inhibition 

at 100oC.    Inhibition  is  greatest  for both bacteria  strains when aqueous garlic extract  is  incubated  at 

room temperature (25oC).  Antimicrobial activity of aqueous garlic extract incubated at 75oC and 80oC is 

significantly lesser than aqueous garlic extract incubated at 25oC and 40oC.  There is inhibition in Staph. 

a and E. coli  for aqueous garlic extract  incubated  in pH 1 and pH 7 medium.   However, antimicrobial 

activity on E. coli is significantly higher when aqueous garlic extract is incubated in pH 1 compared to pH 

7.  There is no antimicrobial activity on Staph. a and E. coli when aqueous garlic extract is incubated in 

medium of pH 12 and pH 14.  The results of my study suggest that optimum incubation temperature for 

antimicrobial activity of aqueous garlic extract  is between 25oC  to 40oC and optimum pH  is between 

acidic (pH 1) to neutral medium (pH 7).  

(298 words only) 

Page 7: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 7 of 48  

1.0 Introduction 

1.1         Rationale of Study   

Overuse of antibiotics  caused  increasing antibiotic‐resistant bacteria;  the perception  that antibiotic  is 

the ultimate cure had pressured physicians into prescribing antibiotics for every infection, even if it is a 

viral infection.  Not finishing the entire course of antibiotic prescribed leaves behind weakened bacteria 

in  the  host.    Animals  are  sometimes  given  low  dosage  of  antibiotics  for  long  duration  (to  prevent 

bacterial infection) to increase the rate of weight gain (1).  The unnecessary administration of antibiotics 

leaves  weakened  bacteria  which  then  mutate  and  gain  antibiotic  resistant  gene.      Antibiotic  like 

penicillin1 is ineffective now.   

Studies suggest that allicin works by  inhibiting certain thiol‐containing enzymes  in the microorganisms 

by rapid reaction of thiosulfinates with thiol groups of the enzyme (2).  It is difficult for bacteria to gain 

resistance because alteration of enzyme’s structure is not an alternative; according to the lock‐and‐key 

model,  the  action of enzyme  is  specific because  the  geometric  shape of enzyme’s  active  site  and  its 

substrate  is  complementary.   Alteration of  enzyme’s  shape  causes  substrate  to be unable  to  fit  into 

enzyme’s active‐site.  The bacteria cannot survive because bio‐chemical enzyme‐catalysed reaction such 

as respiration cannot be carried out. 

Lastly, as Escherichia  coli  (E.  coli) and Staphylococcus aureus  (Staph. a) are  common bacteria  in our 

daily  lives which  have  the  potential  to  turn  pathogenic  and  garlic  is  a  common  spice  used  in most 

culture,  I  feel  that  it  is worthwhile  studying  the possibility of using  aqueous  garlic extract  as natural 

antibiotic. 

 

                                                            1 See Appendix 1 

Page 8: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 8 of 48  

1.2  Aim  

The  aim  of my  paper  is  to  study  the  effects  of  pH  and  temperature  on  the  antimicrobial  activity  of 

aqueous garlic extract.   

Hence, my  research  question  is Optimal  Condition  for Antimicrobial Activity:  In Vitro  study  on  the 

effects of temperature and pH on Antimicrobial Activity of Aqueous Garlic Extract against Escherichia 

coli ATCC 25922 and Staphylococcus aureus ATCC 25923.   

The Agar Disk Diffusion Method  is  chosen  for  this  experiment  (3).        This method  is  adapted2  from 

Performance Standards for Antimicrobial Disks Susceptibility Tests; Approved – Ninth Edition published 

by Clinical and Laboratory Standards.  I chose this method because of the hydrophilic nature of aqueous 

garlic extract.  Filter paper discs are impregnated with aqueous garlic extract and placed onto inoculated 

nutrient agar.   The active  ingredient will diffuse  through  the nutrient agar’s surface.   No colonies will 

grow near the area where the concentration is equal or more than the effective concentration to kill or 

inhibit the bacteria.   The size of the clear zone  (no bacteria growth)  is a measure of the antimicrobial 

activity.  The larger the diameter of the clear zone, the higher the antimicrobial activity.  

 

 

 

 

 

                                                            2 See Appendix 2 

Page 9: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 9 of 48  

1.3   Garlic (Allium Sativum)  

Garlic  (Allium Sativum)  is one of  the oldest spices  that had been noted  for  its medicinal value across 

many  cultures  (Egyptians, Greeks, Romans, Chinese,  Islamic and  Indians).         For example, Herodotus 

wrote  that  garlic  is  given  to  labourer  building  the  pyramids  to  increase  their  stamina;  Hippocrates 

thought that garlic is good for many ailments; Mohammed, the prophet claimed garlic applied directly to 

a sting wound would relieve its pain (4). 

The earliest documentation garlic’s antimicrobial property of garlic was done by Louis Pasteur  in 1858 

(4).   Due  to  its antimicrobial property, garlic poultice  is used  to dress wound during World War  I.    In 

World War II, the Russian army also turned to garlic when they ran out of penicillin and thus, garlic was 

named the ‘Russian Penicillin’ (5).   

Allicin, produced when crushed, is attributed by many researches to the antimicrobial activity of garlic.  

It  is  responsible  for the typical garlic odour.   Whole garlic bulbs contain odourless, sulphur containing 

amino acid derivative called alliin and an enzyme called allinase.   Alliin  is contained  in  the mesophyll 

cells while  allinase  in  the bundle  sheath  cells of  the whole  garlic.   When  garlic  is  crushed,  alliin  and 

allinase will interact (2).  Allinase converts alliin into allicin as illustrated in Figure 1. 

 

Figure 1: Generation of Allicin in Garlic Clove (2) 

 

Page 10: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 10 of 48  

Though,  theoretically, allicin  is deemed  responsible  for garlic’s antimicrobial activity, many  researches 

show  that allicin  is a volatile  compound which decomposes  into other  sulphurous compound  such as 

diallys sulphide, diallyl disulphide, and ajoene after  its formation (6).   Due to ambiguity of  information 

presented, limitation of my knowledge at this level of education and limitation of school lab instrument, 

I  could  not  possibly  verify  allicin  as  the  compound  responsible  for  garlic’s  antimicrobial  activity.  

Therefore, compound responsible for the antimicrobial activity of aqueous garlic extract will be referred 

collectively as inhibitory components in this study. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 11 of 48  

1.4   Bacteria  

I  have  chosen  E.  coli  and  Staph.  a  because  they  represent  the  two  spectrums  of  bacteria:  E.  coli 

represent  the  gram‐negative  bacteria while  Staph.  a  represent  the  gram‐positive  bacteria.    This will 

therefore  give  a  general  idea of  the different  susceptibility  level of  gram‐positive  and  gram‐negative 

bacteria towards aqueous garlic extract.   

              

 

 

 

 

 

 

Figure 3: Cell Wall of Gram‐positive Bacteria (7) 

 

Figure 2: Cell wall of Gram‐negative Bacteria (10)

Page 12: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 12 of 48  

As shown  in Figure 2, the outer membrane of the gram‐negative cell wall has a type of protein called 

porin which controls what enters and leaves the cell – this gives the quality of selective permeability to 

bile, disinfectants and drugs.  In Figure 3, cell wall of the gram‐positive bacteria has peptidoglycan which 

contains tightly bound acidic polysaccharides (teichoic acid).  The presence of outer membrane in gram‐

negative bacteria provides extra barrier, making it less permeable to antimicrobial substances compared 

to gram‐positive bacteria.   Therefore,  it  is generally easier to  inhibit or destroy gram‐positive bacteria 

due to difference in the cell wall structure(8). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 13: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 13 of 48  

2.0  Variables 

2.1  Independent variable 

Aqueous garlic extract is subjected to different temperature using the water bath for 15 minutes.   The 

temperatures tested are 100oC, 80 oC, 75 oC, 40 oC and room temperature.   

0.5  cm3 of aqueous garlic extract  is added  into 0.5  cm3 either hydrochloric acid or  sodium hydroxide 

adjusted to pH 1, pH7, pH12 and pH14 using pH meter (±0.01). 

2.2  Dependent variable 

The  optimal  pH  and  temperature  is  indicated  by  aqueous  garlic  extracts which  produces  the  largest 

inhibition  zone after being  subjected  to a particular pH  and  temperature.   The  inhibition  zone  is  the 

diameter of  the  clear  zone  around  impregnated  filter paper disc on  the nutrient  agar plate  after  24 

hours of incubation.   

2.3  Fixed variable 

The fixed variables are the amount of bacteria  inoculated on the nutrient agar plate; concentration of 

aqueous garlic extract; concentration, pH (7.2) and volume of nutrient agar used; the duration of filter 

paper disc being soaked in the extract; diameter of filter paper disc (6mm). 

 

 

 

 

Page 14: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 14 of 48  

3.0  Procedures 

3.1 Preparation before experiment 

3.1.1 Apparatus preparation 

  Filter paper discs are cut out with hole puncher of 6mm diameter.   Cheese cloth, mortar and 

pestle, filter paper discs, forceps, and cotton bud are sterilised using an autoclave.    

  7g of Gene Chemicals nutrient agar powder is added to 250cm3 of distilled water.  The mixture 

is heated while stirring until it boils.  Then, it is poured into a glass bottle and sterilised in the pressure 

cooker.  During sterilization, glass bottle cap is loosened to allow steam to escape and prevent explosion 

in the pressure cooker. 

  The  nutrient  agar  solution  is  then  poured  into  90  mm  nutrient  agar  plate3  up  to  7  mm 

thickness  and  allowed  to  set on  a  flat  surface.   After  it had  cooled down,  the nutrient  agar plate  is 

covered to prevent contamination.   

3.1.2   Turbidity standard preparation 

  McFarland 0.5 standard is prepared by mixing 0.05 cm3 of 0.048 mol of barium chloride (BaCl2) 

and  9.95  cm3  of  0.18 mol  of  sulphuric  acid  (H2SO4)  (5)  in  a  screw‐cap  tube  used  for  preparing  the 

bacteria inoculums.   

 

 

 

                                                            3 See Appendix 3 

Page 15: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 15 of 48  

3.1.3  Inoculum preparation 

The bacteria inoculums are prepared by Mr Lawrence Kok4.  The approximate cell density of 

McFarland 0.5 standard is 1.5 x 108 CFU/mL.  The turbidity of bacteria is visually compared to the 

standard5 to make sure bacteria turbidity is similar to turbidity of McFarland 0.5 standard. 

3.2  Preparation of Aqueous Garlic Extract for different temperature and pH treatment 

 

3.2.1  Preparation of aqueous garlic extract 

  100g of garlic  is weighed using electronic weighing machine and then pounded  into pulp using 

the mortar and pestle.   Pulp  is pressed  into a beaker using  two  layers of  cheese  cloth  to obtain  the 

aqueous garlic extract.   

3.2.2  Preparing aqueous garlic extract at different temperature 

5 microcentrifuges are filled with 1cm3 of aqueous garlic extract using the 1000µL micro pipette.  

The microcentrifuges are labelled as shown in table 1. 

 

 

  

 

                                                            4 See Appendix 4 5 See Appendix 5 

Microcentrifuge label 

Temperature  (±0.01)oC 

1  100.00 2  80.00 3  75.00 4  40.00 5 Room temperature

Table 1: Microcentrifuge labelling and its corresponding temperature 

Page 16: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 16 of 48  

As there are only 2 water bath machine  in my school  lab, I devised other ways to  incubate the 

aqueous  garlic  extract.    To  incubate  in  temperature  100oC,  microcentrifuge  1  is  put  through  a 

polystyrene piece (which acts as a float)6 in a beaker with boiling water. 

Incubation at temperature 80oC and 75oC are done in the water bath machine.  The machine is 

set  to  the  required  temperature  and  allowed  to  heat  up.   When  the  thermometer  shows  that  the 

temperature had risen to the required temperature, microcentrifuges 2 and 3 are put into its respective 

water bath with its float.  

As for temperature at 40oC, a hot plate is used to heat up the water in the beaker.  As the heat 

adjustment  tuner on  the heat plate does not  state  the  temperature,  the desired water  temperature 

(40oC)  is  attained  by  adjustment  of  the  heat  adjustment  tuner  through  trial‐and‐error.    The 

microcentrifuge with its float is put into the water. 

The temperature of the aqueous garlic extract is made sure to be at the desired temperature by 

measuring  the  content  in microcentrifuge using  a  temperature probe  (±0.01)oC by  Texas  Instrument. 

Each microcentrifuge is incubated for 15 minutes.  After the microcentrifuges are taken out of its water 

bath, some coagulated white matter is observed.  Therefore, it is spun in a microcentrifuge at 4000 rpm 

for 6 minutes to spin down  the residue.   6  filter paper discs are added  into each microcentrifuge  (for 

triplicates when testing each strain of bacteria) using sterilised forceps and left for 30 minutes. 

 

 

 

                                                            6 See Appendix 6 

Page 17: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 17 of 48  

3.2.3  Preparing aqueous garlic extract at different pH 

4 microcentrifuges are filled with 0.5 cm3 of aqueous garlic extract using the micropipette.  The 

4 microcentricuges are labelled as shown in table 2. 

 

 

 

Aqueous solution of pH 1  is prepared by adding distilled water7 to 1 M HCl.   Distilled water  is 

used  to  represent medium of pH  7.   Aqueous  solution of pH  12  and pH  14  are prepared by  adding 

distilled water to 1M NaOH.  pH of aqueous solution is gauged using pH meter(±0.01).  0.5 cm3 of pH 1 

HCl, distilled water, pH 12 NaOH, pH 14 NaOH is added into microcentrifuge 6, 7, 8, and 9 respectively 

using micropipette.    Content  in  the microcentrifuge  is  shaken  for  thorough mixing  and  left  for  15 

minutes.    As  some  white  coagulated  matter  is  observed  in  the  microcentrifuge,  it  is  spun  in  the 

centrifuge at 4000 rpm for 6 minutes to bring the residue to the bottom.  6 filter paper discs are added 

into each microcentrifuge  (for  triplicates when  testing each strain of bacteria) using sterilised  forceps 

and left for 30 minutes. 

3.3  Method for Agar Disk Diffusion Method  

3.3.1  Inoculation of nutrient agar plate 

Before  inoculation,  the working bench  is wiped with 95% alcohol and  the  fan  is  turned off  to 

prevent contamination.   100µL of nutrient broth containing E. coli  is transferred using a micro pipette 

with clean tip onto the nutrient agar.  A sterile cotton swab is used to swab the surface of nutrient agar                                                             7 See Appendix 7 

Microcentrifuge label 

pH (±0.01)

6  1 7 78  12 9  14 

Table 2: Microcentrifuge labelling and its corresponding pH

Page 18: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 18 of 48  

in one direction.  The plate is swabbed twice more, turning the plate 60o every time.  Then, swab around 

the rim of the agar as shown by figure 4 . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This step is repeated with Staph. a.  Each bacteria strain is inoculated in 6 nutrient agar plates (3 plates 

to be tested for effects of temperature while another 3 plates to be tested for the effects of pH).  Fresh 

micro pipette  tips  are used  for each  transfer of bacteria onto nutrient  agar  surface.    The  inoculated 

nutrient agar plates are left for 5 minutes to dry to ensure an even bacteria lawn growth on the surface.   

  

3.3.2  Application of filter paper discs onto agar plates 

When  the  inoculated  nutrient  agar  surface  is  dry,  filter  paper discs  are  transferred onto  the 

nutrient  agar  individually  using  forceps.    The  forceps  is  sterilised  by dipping  it  into  95%  alcohol  and 

burning  it  over  the  Bunsen  burner.    The  impregnated  filter  paper  discs  are  taken  out  from  their 

Figure 4: Swabbing direction on the nutrient agar plate

Page 19: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 19 of 48  

microcentrifuges.  Any excess liquid on the filter paper disc is dabbed off the wall of the microcentrifuge.  

The filter paper disc is then transferred onto their respective position on the agar.   

                        

Figure 5: Labelling the Nutrient Agar Plate (left: for testing of different incubation pH; right: for testing of different incubation temperature) 

Label  Content of filter paper disc 1 

Aqueous garlic extract incubated at pH 1, 7, 12 and 14 respectively. 

7 12 14 C1  Aqueous solution of pH 1, 

7, 12 and 14 respectively as negative control. 

C7 C12 

C14 

100 Aqueous garlic extract 

incubated at 100oC, 80oC, 75 oC, 40 oC and 25 oC 

respectively. 

80 75 40 25 

C  Distilled water as negative control 

C Antibiotic discs as positive 

control Table 3: Labelling legend on Nutrient agar plate 

 

H2O 

Page 20: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 20 of 48  

  The  filter paper discs are pressed gently onto the surface of the nutrient agar  to ensure good 

contact.   The  filter paper discs are not relocated once  it had been placed because some antimicrobial 

agents are known to act instantly.  The forceps are sterilised with the same method for transfer of each 

filter paper disc.   

3.3.3  Incubation and Data Collection 

  The incubator8 is a shelf with two 100W bulbs in a shelf.  After the transfer of filter paper discs 

onto  nutrient  agar,  all  the  agar  plates  placed  inverted  into  the  incubator.    The  temperature  of  the 

incubator is adjusted to 37 (± 2) oC.  All agar plates are incubated for 24 hours.  The zone of inhibition is 

measured with centimetre ruler ((±1.0)mm) as shown in figure 6. 

 

Figure 6: Measuring Inhibition Zone of Aqueous garlic Extract Treated at Different pH 

  

                                                            8 See Appendix 8. 

12mm

Page 21: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 21 of 48  

4.0  Data Collection 

4.1   Raw Data: Antimicrobial Activity of Aqueous Garlic Extract Incubated at Different Temperature  

 

Substance tested 

Temperature/ oC   (±0.01 oC) 

Diameter of Inhibition Zone (mm)   1  2  3  Mean±S.D 

Aqueous garlic extract 

100.0  

‐  ‐  ‐  ‐ 

80.0  

8  7  7  7.3±0.6 

75.0  

10  9  9  9.3±0.6 

40.0  

16  15  17  16.0±1.0 

25.0 (room temperature) 

19  16  18  17.7±1.5 

Distilled Watera  N/A  

‐  ‐  ‐  ‐ 

Nalidixic acidb#  

N/A  26  26  26  26.0±0.0 

Table 4: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various temperatures on E. coli  

(‐) = no activity (N/A) = not applicable (S.D) = Standard Deviation aNegative control bPositive control # Disc content: 30µg  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 22: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 22 of 48  

 

Substance tested 

Temperature/ oC   (±0.01 oC) 

Diameter of Inhibition Zone (mm)   1  2  3  Mean±S.D 

Aqueous garlic extract 

100.0  

‐  ‐  ‐  ‐ 

80.0  

13  12  12  12.3±0.6 

75.0  

15  14  16  15.0±1.0 

40.0  

20  20  19  19.7±0.6 

25.0 (room temperature) 

22  18  17  19.0±2.6 

Distilled Watera  N/A  

‐  ‐  ‐  ‐ 

  Methicillinb#  

N/A  17  18  17  17.3±0.6 

                Table 5: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various temperatures on Staph. a  

(‐) = no activity (N/A) = not applicable (S.D) = Standard Deviation aNegative control bPositive control # Disc content: 5µg                          

 

Page 23: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 23 of 48  

4.2  Raw Data: Antimicrobial Activity of Aqueous Garlic Extract Incubated at Different pH 

  

Substance tested  pH of medium 

Diameter of Inhibition Zone (mm) 1  2  3  mean±S.D 

Aqueous garlic extract + hydrochloric acid 

1  10  11  10  10.3±0.6 

Aqueous garlic extract + distilled water 

7  

12  14  14  13.3±1.2 

Aqueous garlic extract +  

Sodium Hydroxide 

12  

‐  ‐  ‐  ‐ 

14  

‐  ‐  ‐  ‐ 

Hydrochloric acida  1  

7  8  7  7.3±0.6 

Distilled Watera  7  

7 8 ‐  7.5±0.7 

Sodium Hydrodixea 12  

8  8  ‐  8.0±0.0 

14  

7  7  ‐  7.0±0.0 

Nalidixic acidb#  

N/A  26  27  26  26.3±0.6 

Table 6: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various pH on E. coli 

(‐) = no activity (N/A) = not applicable (S.D) = Standard Deviation aNegative control bPositive control # Disc content: 30µg   

 

 

 

 

 

 

 

Page 24: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 24 of 48  

 

Substance tested  pH of medium 

Diameter of Inhibition Zone (mm) 1  2  3  mean±S.D 

Aqueous garlic extract + hydrochloric acid 

1  

20  17  17  18.0±1.7 

Aqueous garlic extract + distilled water 

7  

22  18  20  20.0±2.0 

Aqueous garlic extract +  

Sodium Hydroxide 

12  

‐  ‐  ‐  ‐ 

14  

‐  ‐  ‐  ‐ 

Hydrochloric acida  1  

‐  ‐  ‐  ‐ 

Distilled Watera  7  

‐  ‐  ‐  ‐ 

Sodium Hydrodixea 12  

‐  ‐  ‐  ‐ 

14  

‐  ‐  ‐  ‐ 

Methicillinb#  N/A  20  19  19  19.3±0.6  

Table 7: Inhibition Zone (mm) of aqueous garlic extract incubated at various pH on Staph. a 

(‐) = no activity (N/A) = not applicable (S.D) = Standard Deviation aNegative control bPositive control #Disc content: 5µg 

   

Page 25: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

 

 

4.3 

Graph 1: M

 

Graph 2: M

Data Proc

Mean Inhibitio

Mean Inhibitio

0

5

10

15

20

25

Mean Inhibition

 Zon

e (m

m)

M

0

5

10

15

20

25

Mean Inhibition

 Zon

e(mm)

Mga

cessing: C

n Zone (mm) o

n Zone (mm) o

100

Mean Ingarlictempe

1

pH at 

Mean Inarlic ext

 Comparin

of aqueous garl

of aqueous garl

80

T

nhibitioc extraceratures

7

which aqueo

nhibitioract inc

coli

Extend

ng Mean In 

ic extract incub

ic extract incub

75

emperature, 

on Zone ct incubas on E. c

us garlic extra

on Zone ubated i and Sta

ed Essa

nhibition 

bated at variou

bated at variou

40

oC

(mm) oated at coli and 

12

act is incubate

(mm) oat varioaph. a

ay – Bio

 Zone of E

us temperature

us pH on E. coli

25

of aqueovariousStaph. 

14

ed (pH)

of aqueoous pH o

logy  LIM00

P

E. Coli and

es on E. coli and

and Staph. a  

ous s a

E.co

Sta

ous on E. 

E. c

Sta

M JU ANNE 2206‐018

Page 25 of 48

d Staph. a 

 

d Staph. a  

 

oli

ph. A

coli

aph. A

 

Page 26: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 26 of 48  

4.4   Data Processing: ANOVA and Tukey’s HSD test  

Further  data  analysis  is  carried  out  using  Analysis  of  Variance  (ANOVA)  and  Tukey’s  HSD  (honestly 

significant difference)  (9).   ANOVA partitions  the variance of all observations  into variations between 

group  and  variations within  each  group.    The  result  of  ANOVA  indicates whether  the manipulated 

variable (pH and temperature) causes significance difference in the antimicrobial activity.  If yes, a post 

hoc analysis called Tukey’s HSD test is carried out.  Tukey’s HSD test is a multiple comparison test used 

to  test  the  hypothesis  that  all  possible  pairs  of  means  are  equal.    It  determines  which  group  is 

significantly different than the others. 

For ANOVA to be carried out, three assumptions are made: 

1. Observations are independent (the value of one observation is not correlated with the value of 

another observation). 

2. Observations in each group are normally distributed. 

3. Homogeneity of variances (variance of each group is equal to that of any other group). 

The null hypothesis is first assumed – there is no difference between means of different groups.  Then, 

the statistic test is carried out to find the F ratio.   

             

If the computed F ratio is greater than the F critical value at the significance level of 0.05 (α=0.05), the 

null hypothesis is rejected.  There is one group that is significantly different from others.   

 

Page 27: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 27 of 48  

For  Tukey’s HSD  test,  a  critical  value, HSD  is  calculated.    If  the mean  difference  between  groups  is 

greater than HSD critical value, there is significant difference between these pairs.  

The ANOVA  is carried out using Microsoft Excel 2007 while Tukey HSD9  is calculated manually.   Below 

are the results of my tests:  

Variable  Bacteria strain  F‐value  F‐critical  Indication 

Temperature 

E. Coli  151.73  3.48  ANOVA test on the four sets of data shows that there is a group which is significantly different from others in their own respective set of data. 

i.e.: mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at a certain temperature or pH is significantly 

larger than those incubated at other temperature or pH. 

Staph. a  109.77  3.38 

pH E. Coli  346.87  4.07 

Staph. a  207.43  4.07 

Table 8: Results of ANOVA on 4 sets of data to determine whether there is significant difference between mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature and pH on E. Coli and Staph. a  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                            9 For detailed calculations, see Appendix 9 

Page 28: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 28 of 48  

One group is significantly different from the others in their respective set of data, thus Tukey’s HSD test is carried out and the results are as shown in below: 

 

Group Combination, oC (Mean Inhibition Zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature on E.coli) 

Mean difference, 

mm 

HSD critical value 

Implication 

100  80  7.3 2.40 significant difference100  75  9.3  2.40  significant difference 100  40  16.0  2.40  significant difference 100  25  17.7  2.40  significant difference 80  75  2.0  2.40  No significant difference 80  40  8.7  2.40  significant difference 80  25  10.3  2.40  significant difference 75  40  6.7  2.40  significant difference 75  25  8.3  2.40  significant difference 40  25  1.7  2.40  No significant difference 

Table 9: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature on E. Coli to determine which group is significantly different than the other 

 

 

 

Group Combination, oC (Mean Inhibition Zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature on Staph. a) 

Mean difference, 

mm 

HSD critical value 

Implication 

100  80  12.33  3.53  significant difference 100  75  15.00  3.53  significant difference 100  40  19.67  3.53  significant difference 100  25  19.00  3.53  significant difference 80  75  3.33  3.53  No significant difference 80  40  7.30  3.53  significant difference 80  25  6.67  3.53  significant difference 75  40  4.67  3.53  significant difference 75  25  4.00  3.53  significant difference 40  25  0.67  3.53  No significant difference 

Table 10: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different temperature on Staph. a to determine which group is significantly different than the other  

 

 

Page 29: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 29 of 48  

 

 

Group Combination, pH (Mean Inhibition Zone of aqueous garlic extract 

incubated at different pH on E. Coli) 

Mean difference, 

mm 

HSD critical value 

Implication 

1  7  3.33  1.69  significant difference 1  12  10.33  1.69  significant difference 1  14  10.33  1.69  significant difference 7  12  13.33  1.69  significant difference 7  14  13.33  1.69  significant difference 12  14  0.00  1.69  No significant difference 

Table 11: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different pH on E. Coli to determine which group is significantly different than the other 

 

 

 

Group Combination, pH (Mean Inhibition Zone of aqueous garlic extract 

incubated at different pH on Staph. a) 

Mean difference, 

mm 

HSD critical value 

Implication 

1  7  2.00  3.46  No significant difference 1  12  18.00  3.46  significant difference 1  14  18.00  3.46  significant difference 7  12  20.00  3.46  significant difference 7  14  20.00 3.46 significant difference12  14  0.00  3.46   No significant difference 

Table 12: Results of Tukey’s HSD test on mean inhibition zone of aqueous garlic extract incubated at different pH on Staph. a to determine which group is significantly different than the other 

 

 

 

 

 

 

 

Page 30: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 30 of 48  

5.0  Conclusion 

5.1   Part 1: Temperature  

Graph 1 and 2 shows that Staph. a (gram‐positive) is more susceptible to antimicrobial effects of 

garlic regardless of how aqueous garlic extract is pre‐treated compared to E. coli (gram‐negative) as the 

inhibition zone of Staph. a  is always  larger than E. coli  in this study.   However, as this study does not 

concern the susceptibility of different bacteria, no further analysis is carried out to verify whether there 

is significant difference between susceptibility of E. coli and Staph. a. 

Graph  1  indicates  the  effects  of  temperature  on  the  antimicrobial  activity  of  aqueous  garlic 

extract on E. coli and Staph. a:  

1. Aqueous  garlic  extract  incubated  at  room  temperature,  25  oC  yield  the  highest  antimicrobial 

activity while aqueous garlic extract incubated at 100 oC has no antimicrobial activity 

2. Antimicrobial activity has an  inverse  relationship with  the  incubation  temperature of aqueous 

garlic extract: as temperature decreases from 100 oC to 25 oC, the inhibition zone increases.   

The Tukey’s HSD test  is used to determine whether the antimicrobial activity of aqueous garlic 

extract  incubated  at  25  oC  is  significantly  higher  than  being  incubated  at  other  temperature.    All 

calculations are based on significance  level of 0.05, α=0.05.   Table 8 and table 9  (involving E. coli and 

Staph. a) show  that there  is no significant difference between antimicrobial activity of aqueous garlic 

extract  incubated  at  80  oC  and  75  oC.    There  is  also  no  significant  difference  between  antimicrobial 

activity of aqueous garlic extract incubated at 40 oC and 25 oC.   

As aqueous garlic extract incubated at 100 oC does not show any antimicrobial activity, there is 

significant difference  in  antimicrobial  activity when  compared  to  aqueous  garlic  extract  incubated  at 

Page 31: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 31 of 48  

other temperatures (80 oC, 75 oC, 40 oC, 25 oC).  This is shown by results in the first four rows in table 8 

and 9.   

Aqueous  garlic  extract  incubated  at  75  oC  and  80  oC  shows  significantly  lower  antimicrobial 

activity when compared to aqueous garlic extract incubated at 40 oC and 25 oC.  This is shown by results 

in  table  8  and  9,  suggesting  that  the  optimum  incubation  temperature  for  aqueous  garlic  extract’s 

antimicrobial activity is between 40 oC and 25 oC.   

Though there is no concrete evidence why aqueous garlic extract loses its antimicrobial activities 

when incubated at high temperature, there are two plausible explanations.  

Increase in temperature increases the kinetic energy of atoms in molecules; atoms vibrate more 

violently.  If kinetic energy of atoms in molecule overcomes bond enthalpy, bonds between atoms in a 

molecule  are  broken.    The  3‐D  structure  of  inhibitory  components  is  altered  and  thus  is  rendered 

dysfunctional.    If  the  inhibitory  component  is  an  enzyme,  it  is  denatured,  i.e.:  loss  of  structure  and 

function. 

Lastly,  it  is  possible  that  the  inhibitory  components  are  volatile  at  high  temperatures.    The 

increased  in  kinetic  energy  causes  molecules  of  inhibitory  components  to  have  enough  energy  to 

overcome  the  attractive  forces  between  the  molecules.      Inhibitory  components  become  gaseous 

molecules and escape into the atmosphere.  

 

 

 

Page 32: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 32 of 48  

5.2   Part 2: pH  

  Graph 2 shows that aqueous garlic extract incubated at pH 7 yields higher antimicrobial activity 

compared to pH 1 for both E. coli and Staph. a..  Aqueous garlic extract incubated at pH 12 and 14 does 

not show any antimicrobial activity in both strains of bacteria.   

  For both strains of bacteria, the results of the Tukey’s HSD test (calculated at significance level 

of 0.05) in table 10 and 11 show that aqueous garlic extract incubated at pH 1 and pH 7 has significant 

difference in antimicrobial activity when compared to that of aqueous garlic extract incubated at pH 12 

and 14.   

Table 10  also  indicates  significant difference between  antimicrobial  activity of  aqueous  garlic 

extract  incubated at pH 1 and pH 7 on E. coli.    It appears that antimicrobial activity of aqueous garlic 

extract on E. coli is significantly higher when aqueous garlic extract is incubated at pH 7 compared to pH 

1.   However, there  is no significant difference between antimicrobial activity of aqueous garlic extract 

incubated at pH 1 and pH 7 on Staph. a. as indicated in table 11. 

Table 5 shows distilled water (control) causes inhibition zone of 7‐8 mm in E. coli. This indicates 

that random errors (possibly contaminated distilled water) occurred during this part of the experiment 

because distilled water  should not  show  any  antimicrobial  activity.    Thus,  inhibition  zone of 7‐8 mm 

caused by hydrochloric acid and sodium hydroxide can be disregarded,  i.e.: antimicrobial activity on E. 

coli is solely caused by aqueous garlic extract. 

This part of the experiment suggests that the optimum incubation pH for aqueous garlic extract 

is from pH 1 to pH 7 (acidic to neutral medium). 

Page 33: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 33 of 48  

One  possible  explanation  to  aqueous  garlic  extract’s  lost  of  antimicrobial  activity  when 

incubated in alkaline solution is that the hydroxide ions (OH‐) may have affected the polar bonds which 

exist between atoms  in molecule of the  inhibitory components.   Polar bonds exist between one atom 

which is partially positive and another which is partially negative.  The OH‐ may have neutralised or alter 

the bond polarity between atoms, causing bonds between atoms to break.  Broken bonds in a molecule 

causes structural change of inhibitory components, leading to loss of function.   

Lastly,  if  the  formation  of  inhibitory  component  involves  enzymatic  reaction,  loss  of 

antimicrobial activity may be due  to denaturation of enzyme.   Enzymes are pH  sensitive;  it  functions 

optimally  at  certain  pH.   Besides  the breaking  of  bonds  between  atoms  in  an  enzyme which  causes 

structural change, OH‐ could affect the polarity of the enzyme’s active site.  OH‐ would get attached to 

positively  charged active  site, preventing negatively  charged  substrate  from  sitting on  the active  site.  

Enzymatic reaction cannot take place, causing the loss of antimicrobial activity.  

    

 

 

 

 

 

 

Page 34: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 34 of 48  

6.0  Evaluation and Suggestion  

Possible Errors 

As  this  experiment  is  very  time  consuming,  I was  only  able  to  do  three  repetitions  for  each 

bacteria strain and at the same time control all the fixed variables.  As there are only three repetitions, 

my results may not be conclusive due to the high possibility of random errors.   

Realising  the possibility of anomalous  results due  to experimental  techniques,  I have  included 

positive  control  in my  experiment.   Nalidixic  acid  (30µg)  and Methycillin  (5µg)  is  used  as  a  positive 

control  for  E.  coli  and  Staph.  a  respectively.    According  to M100‐S2  –  Performance  Standards  for 

Antimicrobial  Susceptibility  Testing;  Second  International  Supplement,  control  limits  for  inhibitory 

diameter zones of E. coli and Staph. a when tested with antibiotic discs are 22‐28 mm and 17‐22 mm 

respectively.  The recorded inhibition zones for Staph. a when tested with methycillin (5µg) is 17‐19 mm 

while for E. coli when tested with Nalidixic acid (30µg) is 26‐27 mm.  The inhibition zone of both bacteria 

strain  is well within  the  control  limits,  indicating  that my methodology  is  valid  despite  possibility  of 

random error. 

Limitations 

  My study only involves one strain of E. coli and Staph. a; thus antimicrobial activity of aqueous 

garlic extract on E. coli, Staph. a, gram‐positive and gram‐negative bacteria cannot be generalised.  In 

order  to  generalise  the  antimicrobial  activity  of  differently  pre‐treated  aqueous  garlic  extract  on 

different bacteria, different strains of E. coli and Staph. a, as well as other common gram‐positive and 

gram‐negative bacteria should be tested.  Testing aqueous garlic extract with a wider range of bacteria 

will enable us to establish its status as an antibiotic. 

Page 35: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 35 of 48  

  Due to limitation of school lab facilities, aqueous garlic extract was only incubated at 5 different 

temperatures; thus I could only approximate the temperature at which antimicrobial activity of aqueous 

garlic  extract  decreases.    For  further  investigation,  I  would  incubate  aqueous  garlic  extract  at 

temperature  ranging between 80oC  to 100oC  (because  this  study  shows  that  antimicrobial  activity of 

aqueous  garlic  extract  starts  to  decrease  when  incubated  at  temperature  greater  than  75  oC)  to 

determine the exact temperature at which there is no antimicrobial activity. 

Further Research 

It would be interesting to observe how multiple antibiotic resistant strains of E. coli and Staph. a 

reacts to aqueous garlic extract.  Should the growth of multiple antibiotic resistant E. coli and Staph. a 

be inhibited, it could lead to discovery of a new generation of antibiotics. 

  There  is  possibility  of  synergistic  effect  between  aqueous  garlic  extract  and  acidic  food 

substance such as lime, lemon and vinegar.  Though this study shows lower antimicrobial activity when 

aqueous  garlic  extract  is  incubated  at  pH  1,  there  is  possibility  of  synergistic  effect  because  acidic 

medium  is  known  to  be  able  to  kill  bacteria  (just  like  the  acidic medium  in  the  stomach which  kills 

ingested  bacteria).    Besides,  there  is  no  significant  difference  between  antimicrobial  activities  of 

aqueous garlic extract incubated at pH 1 and pH 7 when tested against Staph. a..      

Lastly,  some  unanswered  questions  are  how  exactly  alkaline  solution  (pH)  and  temperature 

affects  the  antimicrobial  activity  of  aqueous  garlic  extract.    It  is  also  unknown  which  inhibitory 

component inhibits the bacterial growth. 

 

Page 36: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 36 of 48  

7.0  References  

1. Lewis, Ricki. U.S Food and Drug Administration. The Rise of Antibiotic‐Resistant Infection. [Online] September 1995. [Cited: June 27, 2007.] http://www.fda.gov/Fdac/features/795_antibio.html. 

2. Ankri, Serge and Mirelman, David. Antimicrobial Properties of Garlic. Microbes and Infection. Elesvier, Paris : s.n., 1999. 

3. Performance Standards for Antimicrobial Disks Susceptibility Tests; Approved Standard ‐ Ninth Edition. Clinical and Labaratory Standards Institute. 2006, pp. M2‐A9. 

4. Heinrich, Michael, Pieroni, Michael and Bremner, Paul. Plants as Medicine. [book auth.] Ghillean Prance and Mark Nesbitt. Cultural History of Plants. New York : Routledge, 2005, pp. 219‐221. 

5. Schou, Chad. Economic Botany Leaflets. [Online] may 09, 2000. [Cited: February 24, 2008.] http://www.siu.edu/~ebl/leaflets/garlic2.htm. 

6. Inhibition of Microbial growth by Ajoene, a Sulphur‐Containing Compound Derived from Garlic. Nagavana, Rie, et al. 11, New York : American Society for Microbiology, 1996, Vol. 62. 0099‐2240. 

7. Introduction to Biotic. Antibiotic Attack. [Online] [Cited: December 12, 2007.] http://maflib.mtandao‐afrika.net/TQA01074/english/bio.htm. 

8. Talaro, Kathleen Park. An Introduction to Cell and Procaryotic Cell Structure and Function. Foundations in Microbiology: Basic Principles, Sixth Edition. New York : Mc Graw Hill, pp. 99‐101. 

9. McGraw‐Hill. ANOVA. [book auth.] Jan W Kuzma and Stephen E Bohnenblust. Basic Statistic for the Health Sciences‐4th edition. Singapore : Mayfield Publishing Company, 2001. 

10. Chapter 2 ‐ Cell structure and organization. Microbiology and Bacteriology :: The World of Microbes. [Online] [Cited: December 12, 2007.] http://www.bact.wisc.edu/Microtextbook/index.php?module=Book&func=displaychapter&chap_id=35&theme=printer. 

  

 

 

 

 

Page 37: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 37 of 48  

8.0  Appendixes  

Appendix 1: Excerpt from ‘The Rise of Antibiotic‐Resistant Infection’.  

 URL: http://www.fda.gov/Fdac/features/795_antibio.html 

Disease‐causing microbes thwart antibiotics by interfering with their mechanism of action. For example, penicillin kills bacteria by attaching to their cell walls, then destroying a key part of the wall. The wall falls apart, and the bacterium dies. Resistant microbes, however, either alter their cell walls so penicillin can't bind or produce enzymes that dismantle the antibiotic. 

 

In  another  scenario,  erythromycin  attacks  ribosomes,  structures within  a  cell  that  enable  it  to make proteins.  Resistant  bacteria  have  slightly  altered  ribosomes  to  which  the  drug  cannot  bind.  The ribosomal route is also how bacteria become resistant to the antibiotics tetracycline, streptomycin and gentamicin. 

 

 

 

Appendix 2: Why were the adaptations made 

Mueller‐Hinton agar was not used in my study because the school lab did not have this particular type of agar at the time of my experiment.   Therefore,  I used common nutrient agar  from Gene Chemicals.    I believe that this would not be much of a  limitation to my experiment because E. Coli and Staph. a are common bacteria; therefore,  it  is able to survive  in most environments.   The nutrient agar from Gene Chemicals has  a  softer  texture.   Therefore,  the  thickness of nutrient  agar  in  this experiment  is 7mm instead of 4mm; the increased thickness is to compensate for the fragility of the nutrient agar. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 38: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 38 of 48  

Appendix 3: Nutrient Agar Plate 

 

 

Appendix 4: Method of Preparing Bacteria Culture from Mr Lawrence Kok 

Screw‐cap  bottles  that  are  needed  to  contain  bacteria  culture  and  pre‐prepared  nutrient  broth  are sterilized in the autoclave.  Pure Escherichia Coli ATCC 25922 and Staphylococcus aureus ATCC 25923 is purchased  in dry  lypholised  form.   Two bottles are  filled half‐way with sterilized nutrient broth.   Pure strains of Escherichia coli ATCC 25922 and Staphylococcus aureus ATCC 25923 are put into the nutrient broth.  Inoculated nutrient broth is incubated at 37oC for 24 hours. 

 

 

 

 

 

 

 

90 mm 

Page 39: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 39 of 48  

Appendix 5: Comparison of inoculums turbidity with 0.5 McFarland Standard. 

 

Appendix 6: Polystyrene as a float in the water bath 

 

 

Escherichia Coli Staphylococcus aureus 0.5 McFarland Standard 

microcentrifuge 

Polystyrene 

Water bath   

Page 40: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

 

 

Append

pH stand

It is a mecharactedissociathappensfluorineatom in another

When mthe pH oconcent

 

 

Append

 

ix 7: How ad

ds for Power

easurement eristics, it hate in water bs when hydro.  Then, hydrthe molecul molecule.   

more water isof a solution.rated base a

ix 8: Incubat

Heat shieheating th

djustment of 

r for hydroge

   

of the conces to dissociabecause wateogen atom isrogen atom we will be attr

s added to a .  The same aallows more 

tion of inocu

eld – to preventhe inoculated p

pH can be d

en.  It is calcu

entration of te in water ter molecule s bonded to will be partiaracted to lon

concentrateapplies whenhydroxide io

lated plates

t over plates 

Extend

done by addi

ulated by the

 

hydrogen ioto form hydrcan from hyhighly electrally positive ine pair electr

ed acid, moren adjusting tons to dissoc

ed Essa

ng water 

e formula be

ns in a solutrogen or hydydrogen bondronegative atin the molecron on the h

e hydrogen iohe pH of basiate, thus inc

ay – Bio

elow:  

ion.  In orderoxonium ioding.  Hydrogtoms such ascule.  The parighly electro

ons can dissosic solution; acreasing the 

Thetha

logy  LIM00

P

r for an acid ns.  Acid is agen bondings nitrogen, ortially positivonegative ato

ociate and thadding watepH. 

ermometer is uat the temperat

M JU ANNE 2206‐018

Page 40 of 48

to show its ble to g only oxygen and ve hydrogen om of 

hus lower r to 

used to make suture is 37±2 oC

 

ure 

Page 41: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 41 of 48  

Appendix 9: Detailed Calculation of ANOVA from Microsoft Excel 2007 

ANOVA first starts with null hypotheses,  , where mean of groups are hypothesised to be the same. 

:   

ANOVA partitions the variance of all observations into two sources of variation: variation between the group means and variation within the group means.  The sampling distribution used for testing is called the F distribution (in honour of R. A. Fisher, who developed F statistic).  Between‐group variance measure the treatment effect, which in this study is the antimicrobial effects of aqueous garlic extract when incubated at different temperature and pH.  Below is the conventional notation of ANOVA and its explanation: 

 

NOTATION  MEANING 

 or    Within‐group variance or 

mean square within 

                                 or    Between‐group variance or 

mean square between 

  Degree of freedom 

  Number of groups 

  Number of observation in each group 

  Total number of observation 

  Significance level 

  Sum of squares between group 

  Sum of squares within group 

Table 13: Conventional notations and its meaning 

 

 

 

Page 42: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 42 of 48  

If the between group variance is greater than the within group variance,  , then there is 

treatment effect.  If  , then there is no treatment effect.   

Test of Hypothesis is performed by comparing the ratio of the two variance estimates,  . 

 has  1 degree of freedom; labelled as   

 has   degree of freedom; labelled as  . 

 

Source of 

variation 

Sum of 

Squares df 

Mean 

Squares,  F ratio  Critical F*  P value 

Between    1 1 

  ,   Computer generated 

Within      

Total    1   

Table 14: One‐way ANOVA table 

*the critical F value is at significance level of 0.05,  0.05and the value is obtained from the Percentiles of F Distribution table in APPENDIX 10‐A below. 

There are differences between at least one pair of means when F ratio is greater than critical F.  In order to find out exactly where the differences are, Tukey’s HSD (honestly significant difference) is carried out to make multiple comparisons. 

The formula for computing  HSD is: 

, ,    

Where   is obtained from Percentage Points of the Studentized Range for 2 Through 20 treatments table in APPENDIX 10‐B below. 

There is significant difference between groups of a certain pair if the mean difference between pair is greater than HSD value. 

 

 

 

Page 43: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 43 of 48  

For this experiment, I used Microsoft 2007 to generate ANOVA tables.  Below are the tables generated: 

1. The effects of temperature on the antimicrobial activity of aqueous garlic extract on inhibition zone of E. coli.  

Groups  (temperature, 0C)  Count  Sum  Average  Variance 

Group 1 (100 oC)  3  0  0.00  0.00 Group 2 (80 oC)  3  22  7.33  0.33 Group 3 (75 oC)  3  28  9.33  0.33 Group 4 (40 oC)  3  48 16.00 1.00Group 5 (25 oC)  3  53  17.67  2.33 

Table 15: Summary 

Source of Variation  SS  df  MS  F  P‐value  F crit 

Between Groups  606.93  4  151.73  189.67  2.2117E‐09  3.48 

Within Groups  8.00  10  0.80 

Total  614.93  14 Table 16: ANOVA table 

 

4.650.83 

2.40 

 

 

 

 

 

 

 

Page 44: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 44 of 48  

2. The effects of temperature on the antimicrobial activity of aqueous garlic extract on inhibition zone of Staph. a.  

Groups(temperature, 0C)  Count  Sum  Average  Variance 

Column 1 (100 oC)  3  0  0.00  0.00 

Column 2 (80 oC)  3  37  12.33  0.33 

Column 3 (75 oC)  3  45  15.00  1.00 

Column 4 (40 oC)  3  59  19.67  0.33 

Column 5 (25 oC)  3  57  19.00  7.00 Table 17: Summary 

 

Source of Variation  SS  df  MS  F  P‐value  F crit 

Between Groups  761.07  4  190.27  109.77  3.22E‐08  3.48 

Within Groups  17.33  10  1.73 

Total  778.40  14 Table 18: ANOVA table 

 

4.651.733  

3.53 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 45: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 45 of 48  

3. The effects of pH on the antimicrobial activity of aqueous garlic extract on inhibition zone of E. coli.  

Groups(pH)  Count  Sum  Average  Variance

Groups 1 (pH 1)  3  31  10.33  0.33 

Groups 2 (pH 7)  3  40  13.33  1.33 

Groups 3 (pH 12)  3  0  0.00  0.00 

Groups 4 (pH 14)  3  0  0.00  0.00 Table 19: Summary 

 

Source of Variation  SS  df  MS  F  P‐value  F crit 

Between Groups  433.58  3  144.53  346.87  8.31E‐09  4.07 

Within Groups  3.33  8  0.42 

Total  436.92  11 Table 20: ANOVA table 

 

4.530.423

 

1.69 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 46: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 46 of 48  

 

4. The effects of pH on the antimicrobial activity of aqueous garlic extract on inhibition zone of Staph. a. 

 

Groups(pH)  Count  Sum  Average  Variance

Group 1 (pH 1)  3  54  18.00  3.00 

Group 2 (pH 7)  3  60  20.00  4.00 

Group 3 (pH 12)  3  0  0.00  0.00 

Group 4 (pH 14)  3  0  0.00  0.00 Table 21: Summary 

 

Source of Variation  SS  df  MS  F  P‐value  F crit 

Between Groups  1089.00  3  363.00  207.43  6.35E‐08  4.07 

Within Groups  14.00  8  1.75 

Total  1103.00  11 Table 22: ANOVA Table 

 

4.531.753  

3.46 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 47: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 47 of 48  

APPENDIX 10 – A: Percentiles of F Distribution (9) 

 

Page 48: Antimicrobial effect of garlic against E Coli and Stap.A

Extended Essay – Biology  LIM JU ANNE 002206‐018

 

Page 48 of 48  

APPENDIX 10 – B: Points of the Studentized Range for 2 Through 20 treatments (9)