Бактериальные целлюлозные сферы, которые инкапсулируют твердые материалы
Summary
Этот протокол представляет собой простой и недорогой метод формирования сфер бактериальной целлюлозы (БК). Этот биоматериал может функционировать как инкапсуляционная среда для твердых материалов, включая биоуголь, полимерные сферы и отходы шахт.
Abstract
Бактериальные целлюлозные (BC) сферы все чаще исследуются с момента популяризации BC как нового материала. Данный протокол представляет собой доступный и простой метод производства сферы БК. В дополнение к получению этих сфер, был также идентифицирован метод инкапсуляции для твердых частиц. Для получения сфер BC вода, черный чай, сахар, уксус и бактериальная культура объединяются в сбитую колбу и содержимое перемешивают. После определения надлежащих условий культивации для формирования сферы БК, их способность инкапсулировать твердые частицы была проверена с использованием биоугля, полимерных шариков и шахтных отходов. Сферы были охарактеризованы с помощью программного обеспечения ImageJ и термического гравиметрического анализа (TGA). Результаты показывают, что сферы диаметром 7,5 мм могут быть изготовлены за 7 дней. Добавление различных частиц увеличивает средний диапазон размеров капсул BC. Сферы инкапсулируют 10 – 20% их сухой массы. Этот метод показывает недорогую сферу производства и инкапсуляции, что возможно с легко доступными материалами. Сферы BC могут быть использованы в будущем в качестве средства удаления загрязняющих веществ, покрытия удобрений с контролируемым высвобождением или изменения почвы.
Introduction
Бактериальная целлюлоза (BC) была отмечена за ее потенциальное использование в промышленности благодаря ее механической прочности, высокой чистоте и кристалличности, способности удерживать воду и сложной структуре волокна1,2,3,4. Эти характеристики делают BC благоприятным биоматериалом для различных применений, включая биомедицинские, пищевые и экологические восстановительные видыиспользования1. Формирование пленки BC может быть сделано с культурами отдельных организмов или смешанными культурами, такими как те, которые используются для чайного гриба5,ферментированного чайного напитка. Пивоварение чайного гриба опирается на «Симбиотическую культуру бактерий и дрожжей», широко известную как SCOBY. Используя эту симбиотическую культуру организмов, аналогичная техника используется для создания сфер БК. Этот биоматериал может быть использован для изоляции загрязнителей окружающей среды и закрепления сельскохозяйственных поправок, таких как биоуголь, для достижения более эффективного производства сельскохозяйственных культур.
В предыдущей литературе обсуждалось, как характеристики БК, полученные в перемешанные условия, сравниваются с характеристиками БК, полученными в стационарной культуре. Стационарная культура приводит к пленке, которая образуется на границе раздела жидкость-воздух, в то время как встряхнутая культура приводит к изменению частиц BC, нитей и сфер, взвешенных внутри жидкости6. Многие исследования ссылались на утверждение, что коммерческое производство БК более осуществимо в динамических условиях6,7,что дает обоснование для применения метода этой статьи. Кроме того, были проведены различные исследования структуры и свойств сфер БК. Toyosaki et al.6 сравнили сбитые с толку и гладкостенные колбы Эрленмейера в их перемешанных bc-производства. Исследование Hu и Catchmark4 определило условия для сфер BC, которые использовались в качестве ориентиров для текущего процесса производства сферы BC, и их результаты показывают, что размер сферы не продолжает увеличиваться через 60 часов. Обзор производства BC Mohammad et al.1 показывает, что встряхивание культуры BC обеспечивает равномерное снабжение и распределение кислорода, что необходимо для успешного роста BC. Holland et al.8 изучили кристалличность и химическую структуру БК с помощью рентгеновской дифракции и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Предполагается, что капсулы BC будут демонстрировать аналогичные характеристики, и будущие исследования будут изучать структурные свойства. Исследования также изучали полезные эффекты использования BC для получения улучшенных биокомпозитов. Используя эпоксидную смолу в качестве основы, исследователи показали, что добавление BC улучшает характеристики материала, такие как усталостный срок службы, ударная вязкость, а также прочность на растяжение и изгиб9,10. Как показали прошлые и текущие исследования, многие заинтересованы в коммерциализации использования BC.
Многие исследователи исследовали бактериальную целлюлозу в системах с контролируемым высвобождением, и метод, описанный здесь, генерирует капсулы, которые могут быть использованы в качестве систем контролируемого высвобождения. Большая часть этих исследований сосредоточена на контролируемом высвобождении в биомедицинской области, а также на некоторых исследованиях в области администрирования удобрений с контролируемым высвобождением (CRF). Основываясь на успехе контролируемого высвобождения BC амоксициллина11,лидокаина12и ибупрофена13,BC может демонстрировать аналогичные характеристики доставки с другими веществами, такими как гранулированное удобрение. Обзор ОФД от Shaviv и Mikkelsen14 признает, что ОФД более эффективны, экономят трудозатраты и, как правило, вызывают меньшую деградацию окружающей среды, чем обычное применение удобрений. Бактериальная целлюлоза может работать как благоприятный инкапсулирующий материал для ХПН. Удобрения могут выщелачиваться из мембран БК или разряжаться по мере биоразложенияБК 15,16. Высокая набухающая способность BC может также выступать в качестве полезной почвенной поправки17,18,19, потому что как питательные веществаудобрения,так и влага могут выделяться в землю при применении сфер BC. С этими признаками ОФД, образованный сферной инкапсуляцией BC, может иметь преимущество перед другими материалами для покрытия удобрениями, которые могут иметь негативные последствия на этапах их производства и утилизации. Адаптация BC в удобрение может еще больше улучшить технологии CRF. Снижая скорость высвобождения удобрений, культуры будут иметь достаточно времени для поглощения удобрения и предотвращения избыточного стока в водоемы, тем самым уменьшая эвтрофикацию и некисообразные зоны. Аналогичные удобрения с медленным высвобождением были подготовлены и опробованы с использованием полимерных покрытий20.
В отличие от протоколов, изложенных в предыдущих исследованиях, этот фокусируется на равномерном, сплоченном производстве сферы, а не на высоком выходе целлюлозы. Кроме того, инкапсуляция BC других твердых веществ была изучена с помощью целлюлозных пленок, но не сфер21. Расширяя исследования бактериальных целлюлозных сфер, можно сделать дальнейшие шаги для коммерческого производства BC, что выгодно из-за экологически безопасных характеристик BC. Этот метод изготовления сферы BC использует недорогие, легкодоступные кулинарные ингредиенты. После первоначальной сборки сферы БК начинают формироваться в течение 2 дней без помех. Производство сфер BC с помощью этой стратегии требует небольшого пространства и имеет продукт, ферментированный чайный гриб. Методы инкапсуляции, упомянутые в других исследованиях, включают покрытия, образованные с помощью метода инверсии фаз22,23,матричного образования24,распылительной сушки25и прямой инкапсуляции во время синтеза26. Метод прямой инкапсуляции, описанный в этой рукописи, полезен для тех, кто хочет простого и недорогого процесса, использующем легкодоступные материалы.
Благодаря этому исследованию был создан успешный протокол для производства и инкапсуляции сферы БК. Сферы BC могут инкапсулировать твердые частицы биоугля, шахтных хвостов и полистирольных микрошариков в их отдельных структурах. Хотя BC еще не широко используется в промышленности, он является практичным, устойчиво изготовленным и естественным материалом, который может быть использован для будущих применений.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе описываются методы производства и инкапсуляции сферы BC, которые просты в проведении и экономически эффективны. Благодаря различным корректировкам первоначального протокола был определен адекватный процесс. Необходимо предпринять важнейшие шаги для обеспечения жиз?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа является продолжением проекта Montana Tech Research Assistant Mentorship Program Адольфо Мартинеса, Кэтрин Малхолланд, Тайлера Сомервилля и Лорел Биттерман. Исследование было спонсировано Национальным научным фондом в рамках гранта No. OIA-1757351 и Научно-исследовательская лаборатория Командования по развитию боевых возможностей армии (соглашение о сотрудничестве No W911NF-15-2-0020). Любые мнения, выводы и заключения или рекомендации, выраженные в этом материале, являются мнениями авторов и не обязательно отражают взгляды Национального научного фонда или Армейской исследовательской лаборатории. Мы также хотели бы поблагодарить Эми Куэнци, Ли Ричардса, Кейтлин Элли, Криса Гэммонса, Макса Вольгенанта и Криса Боша за их вклад.
Materials
| 100 mL graduated cylinder | |||
| 1000 mL beaker | |||
| 25 mL graduated cylinder | |||
| 250 mL Erlenmeyer baffled flask | Chemglass | CLS-2040-02 | |
| 500 mL beaker | |||
| Balance | |||
| Biochar | Ponderosa pine heat treated under argon gas, heated at 15 °C per minute to 800 °C | ||
| Black tea | |||
| Deionized water | |||
| Distilled white vinegar | |||
| Elastic band | |||
| Microbial starter culture | Cultures for Health | ||
| Mine waste | Collected from Butte, MT: 46.001978,-112.582465. Mine waste contains soil and metals originating from past copper mining. Mn, Si, Ca, Al, and Fe were the five most prevalent elements measured in the mine waste through x-ray diffraction. | ||
| Mortar and pestle | |||
| Orbital shaker | Used various brands | ||
| Paper towel | |||
| Polystyrene microbeads | Polybead | 17138 | 3 micron diameter |
| Stir rod | |||
| Sucrose | |||
| Tea kettle | |||
| TGA | TA Instruments | TA Q500 | 400 °C/min to 800 °C, 100 mL/min N2 |
| Thermometer | |||
| XRF Analyzer | ThermoFisher Scientific | 10131166 |
References
- Mohainin Mohammad, S., Abd Rahman, N., Sahaid Khalil, M., Rozaimah Sheikh Abdullah, S. An Overview of Biocellulose Production Using Acetobacter xylinum Culture. Advances in Biological Research. 8 (6), 307-313 (2014).
- Dufresne, A. Bacterial cellulose. Nanocellulose. , 125-146 (2017).
- Czaja, W., Romanovicz, D., Brown, R. M. Structural investigations of microbial cellulose produced in stationary and agitated culture. Cellulose. 11 (3-4), 403-411 (2004).
- Hu, Y., Catchmark, J. M. Formation and characterization of spherelike bacterial cellulose particles produced by acetobacter xylinum JCM 9730 strain. Biomacromolecules. 11 (7), 1727-1734 (2010).
- Goh, W. N., Rosma, A., Kaur, B., Fazilah, A., Karim, A. A., Bhat, R. Microstructure and physical properties of microbial cellulose produced during fermentation of black tea broth (kombucha). International Food Research Journal. 19 (1), 153-158 (2012).
- Toyosaki, H., Naritomi, T., Seto, A., Matsuoka, M., Tsuchida, T., Yoshinaga, F. Screening of Bacterial Cellulose-producing Acetobacter Strains Suitable for Agitated Culture. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 59 (8), 1498-1502 (1995).
- Shi, Z., Zhang, Y., Phillips, G. O., Yang, G. Utilization of bacterial cellulose in food. Food Hydrocolloids. 35, 539-545 (2014).
- Holland, M. C., Eggensperger, C. G., Giagnorio, M., Schiffman, J. D., Tiraferri, A., Zodrow, K. R. Facile Postprocessing Alters the Permeability and Selectivity of Microbial Cellulose Ultrafiltration Membranes. Environmental Science and Technology. 54 (20), 13249-13256 (2020).
- Le Hoang, S., Vu, C. M., Pham, L. T., Choi, H. J. Preparation and physical characteristics of epoxy resin/ bacterial cellulose biocomposites. Polymer Bulletin. 75 (6), 2607-2625 (2018).
- Vu, C. M., Nguyen, D. D., Sinh, L. H., Pham, T. D., Pham, L. T., Choi, H. J. Environmentally benign green composites based on epoxy resin/bacterial cellulose reinforced glass fiber: Fabrication and mechanical characteristics. Polymer Testing. 61, 150-161 (2017).
- Pavaloiu, R. D., Stoica, A., Stroescu, M., Dobre, T. Controlled release of amoxicillin from bacterial cellulose membranes. Central European Journal of Chemistry. 12 (9), 962-967 (2014).
- Trovatti, E., et al. Biocellulose membranes as supports for dermal release of lidocaine. Biomacromolecules. 12 (11), 4162-4168 (2011).
- Trovatti, E., et al. Bacterial cellulose membranes applied in topical and transdermal delivery of lidocaine hydrochloride and ibuprofen: In vitro diffusion studies. International Journal of Pharmaceutics. 435 (1), 83-87 (2012).
- Shaviv, A., Mikkelsen, R. L. Controlled-release fertilizers to increase efficiency of nutrient use and minimize environmental degradation – A review. Fertilizer Research. 35 (1-2), 1-12 (1993).
- Eggensperger, C. G., et al. Sustainable living filtration membranes. Environmental Science and Technology Letters. 7 (3), 213-218 (2020).
- Schröpfer, S. B., et al. Biodegradation evaluation of bacterial cellulose, vegetable cellulose and poly (3-hydroxybutyrate) in soil. Polimeros. 25 (2), 154-160 (2015).
- Orts, W. J., Glenn, G. M. Reducing soil erosion losses with small applications of biopolymers. ACS Symposium Series. 723, 235-247 (1999).
- Mohite, B. V., Patil, S. V. A novel biomaterial: Bacterial cellulose and its new era applications. Biotechnology and Applied Biochemistry. 61 (2), 101-110 (2014).
- Mikkelsen, R. L. Using hydrophilic polymers to control nutrient release. Fertilizer Research. 38 (1), 53-59 (1994).
- Du, C. W., Zhou, J. M., Shaviv, A. Release characteristics of nutrients from polymer-coated compound controlled release fertilizers. Journal of Polymers and the Environment. 14 (3), 223-230 (2006).
- Serafica, G., Mormino, R., Bungay, H. Inclusion of solid particles in bacterial cellulose. Applied Microbiology and Biotechnology. 58 (6), 756-760 (2002).
- Tomaszewska, M., Jarosiewicz, A. Use of polysulfone in controlled-release NPK fertilizer formulations. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 50 (16), 4634-4639 (2002).
- González, M. E., et al. Evaluation of biodegradable polymers as encapsulating agents for the development of a urea controlled-release fertilizer using biochar as support material. Science of the Total Environment. 505, 446-453 (2015).
- Shavit, U., Shaviv, A., Shalit, G., Zaslavsky, D. Release characteristics of a new controlled release fertilizer. Journal of Controlled Release. 43 (2-3), 131-138 (1997).
- Kolakovic, R., Laaksonen, T., Peltonen, L., Laukkanen, A., Hirvonen, J. Spray-dried nanofibrillar cellulose microparticles for sustained drug release. International Journal of Pharmaceutics. 430 (1-2), 47-55 (2012).
- Zaharia, A., et al. Bacterial cellulose-poly(acrylic acid-: Co-N, N ′-methylene-bis-acrylamide) interpenetrated networks for the controlled release of fertilizers. RSC Advances. 8 (32), 17635-17644 (2018).
- Peterson, J. D., Vyazovkin, S., Wight, C. A. Kinetics of the thermal and thermo-oxidative degradation of polystyrene, polyethylene and poly(propylene). Macromolecular Chemistry and Physics. 202 (6), 775-784 (2001).
- Goh, W. N., Rosma, A., Kaur, B., Fazilah, A., Karim, A. A., Bhat, R. Fermentation of black tea broth (kombucha): I. effects of sucrose concentration and fermentation time on the yield of microbial cellulose. International Food Research Journal. 19 (1), 109-117 (2012).
- Zhu, H., Jia, S., Yang, H., Jia, Y., Yan, L., Li, J. Preparation and application of bacterial cellulose sphere: A novel biomaterial. Biotechnology and Biotechnological Equipment. 25 (1), 2233-2236 (2011).
- Nguyen, V. T., Flanagan, B., Gidley, M. J., Dykes, G. A. Characterization of cellulose production by a Gluconacetobacter xylinus strain from Kombucha. Current Microbiology. 57 (5), 449-453 (2008).
- Costa, A. F. S., Almeida, F. C. G., Vinhas, G. M., Sarubbo, L. A. Production of bacterial cellulose by Gluconacetobacter hansenii using corn steep liquor as nutrient sources. Frontiers in Microbiology. 8, 1-12 (2017).
- Watanabe, K., Tabuchi, M., Morinaga, Y., Yoshinaga, F. Structural features and properties of bacterial cellulose produced in agitated culture. Cellulose. 5 (3), 187-200 (1998).
