МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 6, с. 810-816
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 579.841.41.088
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АДСОРБЦИИ БАКТЕРИАЛЬНЫХ КЛЕТОК НА ПОРИСТЫХ НОСИТЕЛЯХ
© 2004 г. В. В. Самонин, Е. Е. Еликова
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет) Поступила в редакцию 16.01.01 г.
Приведены результаты экспериментальных работ, связанных с адсорбцией бактериальных клеток на пористых носителях.
Ключевые слова: адсорбция, иммобилизация, бактериальные клетки, пористый носитель.
Микробиологические методы широко применяются в различных отраслях промышленности. Известно, что удачно выбранный носитель микроорганизмов активно влияет на окружающую их среду, стимулирует микробный метаболизм, защищает клетки от неблагоприятных воздействий и сохраняет биохимическую активность [1, 2].
Методы иммобилизации клеток на носителях включают в себя химические методы, обусловленные наличием на поверхности микроорганизмов различных реакционно-способных группировок (-Ш2, -ОН, -СООН, 8Н) [3], методы электроудерживания, заключающиеся в удерживании микроорганизмов на поверхности носителей в электрическом поле [4], механические методы, состоящие в заключении микробной клетки в ячейку, разрешающие доступ к ней субстрата, но препятствующие ее собственному перемещению [1, 5], физические, к которым относится адсорбция, использующая способность многих микроорганизмов закрепляться на носителях и продолжать жизнедеятельность в обездвиженном состоянии [2]. Способ дешев, прост, универсален и не оказывает стрессовых воздействий на клетки [7].
Природа сил адсорбции (адгезии) микроорганизмов аналогична адсорбции коллоидов, а размер микроорганизмов (1-10 мкм) относит их к категории частиц, подверженных наиболее сильной адгезии [6].
Факторы, влияющие на сорбцию клеток на носителях многочисленны. Способность клеток к адсорбции во многом определяется свойствами микроорганизмов, их возрастом и состоянием культуры и достигает максимального значения в середине фазы развития [8]. При этом на поверхности клеток меняется количество и характер образований (жгутики, выросты) [5], которые лучше сорбируются на поверхности, что является причиной прикрепления к адсорбенту палочко-
видных клеток своим окончанием [5, 8]. Важную роль в процессах иммобилизации играют гидра-тационные эффекты [8], обусловленные гидро-фильностью и гидрофобностью [1] клетки и носителя. Состав, рН среды и условия проведения оказывают существенное влияние на процессы иммобилизации, изменяя электрокинетический потенциал клеток, препятствующий адсорбции [8]. Зависимость адсорбции от свойств твердой поверхности адсорбента является наиболее интересным фактором в процессе иммобилизации. Целесообразно использовать [5] крупнопористые адсорбенты с поверхностью более 0.01 м2/г. Число иммобилизованных клеток зависит от структуры пор сорбента [9] и не всегда пропорционально его удельной поверхности [1, 5, 7]. Размеры пор существенно влияют на адсорбцию клеток [9]. Для делящихся микроорганизмов оптимальным считается, если диаметр пор в 2-5 раз больше, чем размер микроорганизма. Для почкующихся клеток оптимален сорбент с диаметром пор, в 4 раза превышающим размер клеток, а для спо-рообразующих микроорганизмов установлено, что оптимальными являются как поры, размеры которых совпадают с величиной спор, так и примерно в 4 раза превосходящие этот размер [1, 5].
Виды сорбентов, применяемых для иммобилизации, многочисленны. Органические адсорбенты химически стабильны, характеризуются большими возможностями изменения свойств поверхности и варьирования структуры пор и геометрической формы. Неорганические адсорбенты обладают высокой биологической стабильностью, доступны и дешевы, легко регенерируются [5], но в большинстве своем характеризуются повышенной растворимостью в щелочных растворах.
Выбор носителей для закрепления клеток осуществляется эмпирически, поскольку до настоящего времени не выработаны научно-обоснован-
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АДСОРБЦИИ Параметры пористой структуры носителей микроорганизмов
Образец
Ws, см3/г 5уд, м2/г ^ма Sма, м2/г ^пор, нм Заряд
по H2O по СбНб см3/г поверхн.
Углеродные и органические материалы
АГ-ПР 0.26 0.34 900 0.95 0.55 0.22 5500 -
Кокс каменноугольн. 0.04 0.03 0.3 0.05 0.02 0.05 1000 -
Нефтекокс 0.05 0.04 0.03 0.98 0.93 0.39 5000 +
Сансорб 0.24 0.21 2 1.22 0.83 2.10 800 -
Шунгизит 0.001 0.16 0.4 0.31 0.10 0.05 50 -
Торф 0.16 0.04 0.03 0.32 0.13 0.05 500 -
Неорганические материалы
Керамзит 0.01 0.06 0.04 0.64 0.54 1.35 800 -
Газобетон 0.12 0.18 28 0.32 0.20 1.95 25 +
Перлит 0.05 0.003 1 3.21 2.90 7.20 800 -
Вермикулит 0.07 0.06 2.2 0.92 0.81 0.36 500 -
Обожженная глина 0.02 0.10 14 0.25 0.15 0.07 6000 -
Лава 0.004 0.004 0.3 0.01 0.01 0.08 200 -
КСКГ 0.11 0.71 250 1.10 0.65 0.43 15 -
Бентонит 0.15 0.18 30 0.86 4000 +
ные подходы к решению этого вопроса. Выделяются несколько групп сорбентов, к которым относятся природные неорганические материалы: глины (бентонит, каолинит, кордерит) [10], цеолиты, диатомовые земли, кизельгур, песок, природные силикаты, карбонаты, фосфаты, перлит, морская губка [7], природные органические материалы: хитин, хитозан, декстран, древесина, багасса, коллаген, шелк, шерсть, лигнин [5], неорганические и углеродные искусственные материалы: кремнеземы, силикагели [11], стекла, графитизированные, микрокристаллические и аморфные углеродные материалы (сажа, активные угли [12], ткани, волокна), кирпич, керамика, магнетит, оксиды и гидро-ксиды Ti, Zr, Sn, V, Fe, Al [9, 17], синтетические полимеры [7] и комбинированные материалы (подложка-модификатор) [5].
Цель данной работы - определить оптимальные параметры, по которым возможен отбор носителя для иммобилизации бактериальных клеток.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовали следующие углеводород окисляющие штаммы микроорганизмов: Bacillus mucilaginosus, характеристика которых приведена ранее [13], и Acinetobacter sp., характеристика культуры дана в Каталоге штаммов ИЭГМ [14].
Иммобилизацию проводили на разнообразных твердых органических и неорганических, природных и искусственных материалах (таблица).
Сорбционные характеристики пористых материалов определяли традиционными методами [15]. Удельную поверхность (5УД) сорбентов измеряли методом тепловой десорбции аргона. Предельный объем сорбционного пространства (Ж?), по парам воды и бензола, определяли эксикаторным методом, при Р/Р3 = 0.95 для исключения образования на поверхности гранул капель жидкого сорбента. Расчет суммарного объема пор Ух был произведен как разность обратных значений кажущейся и пикнометрической плотности материалов. Объем и удельная поверхность и преимущественный радиус макропор определяли методом ртутной порометрии.
На всех материалах определяли клеточный титр (Гк), под которым понимается количество жизнеспособных клеток микроорганизмов, иммобилизованных на 1 г адсорбента-носителя. Гк определяли по разности концентраций клеточной суспензии до и после контакта с адсорбентом. Число клеток в суспензии определяли методом Коха по стандартной методике [16]. Время контакта клеток АствгоЪасгвг 8р. с адсорбентом 4 ч, с В. mucilaginosus - 20 ч. Все клетки находились в экспоненциальной фазе роста. Значения Гк для всех 14 исследованных образцов были определены М.И. Янкевич и В.В. Хадеевой.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Сопоставление величины клеточного титра с основными параметрами пористой структуры
TKlg(A, B) 9
2 3 4 lg(Sy„ » [м2/г]
Рис. 1. Влияние удельной поверхности носителей на величину клеточного титра Acinetobacter sp. (lg A ) и Bacillus mucilaginosus (lgB ).
TK, lg(A, B) 9
8
7
6
5
4
3
2
1
Tk, lgA Tk, lgB
-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
^ит см3/г
Рис. 2. Зависимость клеточного титра от суммарного объема пор носителей.
Tk, lg(A, B) 9
-0.5 0
2.0 2.5 3.0 ^ см3/г
Tk, lg(A, B) 9
-0.5 0
2.0 2.5
Sма, м2/г
Рис. 3. Зависимость клеточного титра от объема ма-кропор носителей.
Рис. 4. Зависимость клеточного титра от удельной поверхности макропор.
сорбента-носителя в виде графических зависимостей, позволило более наглядно представить полученные результаты и определить вклад каждого из параметров в формирование величины Тк.
Как видно из рис. 1, варьирование такой интегральной характеристикой пористых носителей, как удельная поверхность, не приводит к получению какой-либо ярко выраженной зависимости Тк от ее величины. Аналогичным образом выглядит изменение Тк от значения суммарного объема пор (рис. 2). Таким образом, увеличение полной удельной поверхности и суммарного объема пор носителя не является гарантией эффективной адсорбции микроорганизмов. Вполне возможно,
что это явление может быть объяснено различным вкладом в значения полной удельной поверхности и суммарного объема пор, величины удельной поверхности и объема пор различного типа (макро-, мезо-, микропор), которые могут внести решающий вклад в успешную адсорбцию клеток на пористых носителях.
Анализ зависимости числа адсорбированных клеток от удельной поверхности (рис. 4) и объема (рис. 3) макропор (так как только макропоры, линейный размер которых составляет 0.1-30 мкм [15], в силу стерических ограничений могут способствовать иммобилизации микроорганизмов на носителях), также не дает явной зависимости Тк от
Tä, lg(A, 9
8
7
6
5
4
3
2
1
B)
TK, IgA TK, lgB
0.1 0.2 0.3
Ws, (H2O), r/r
-0.2
Tk, lg(A, B) 9
0.6 0.8 Ws(C6H6), r/r
Рис. 5. Влияние предельного объема сорбционного пространства по парам воды на величину клеточного титра.
Рис. 6. Влияние предельного объема сорбционного пространства по парам бензола на величину клеточного титра.
0
данных факторов и иллюстрирует возможность достижения его максимальных значений даже при минимальных (0.01 см3/г) значениях объема макропор. Несложный математический расчет позволяет оценить минимальное значение объема макропор для успешной иммобилизации микроорганизмов. Например, если радиус макропор в образце гма = 3 мкм (минимально возможная величина для иммобилизации рассматриваемых микроорганизмов), то объем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.