כדורי תאית בקטריאליים התכומסו בחומרים מוצקים
Summary
פרוטוקול זה מציג שיטה קלה וזולה ליצירת תאית חיידקית (BC) כדורים. ביו-חומר זה יכול לתפקד כאמצעי אנקפסולציה לחומרים מוצקים, כולל ביו-פחם, כדורי פולימר ופסולת מכרות.
Abstract
כדורי תאית בקטריאלית (BC) נחקרו יותר ויותר מאז הפופולריזציה של BC כחומר חדשני. פרוטוקול זה מציג שיטה סבירה ופשוטה לייצור כדור BC. בנוסף לייצור תחומים אלה, זוהתה גם שיטת אנקפסולציה לחלקיקים מוצקים. כדי לייצר כדורי BC, מים, תה שחור, סוכר, חומץ, ותרבות חיידקים משולבים בקבוק מבולבל ואת התוכן נסערים. לאחר קביעת תנאי התרבות המתאימים להיווצרות כדור BC, יכולתם לתמצת חלקיקים מוצקים נבדקה באמצעות ביו-פחם, חרוזי פולימר ופסולת מכרה. תחומים התאפיינו באמצעות תוכנת ImageJ וניתוח כבידתי תרמי (TGA). התוצאות מצביעות על כך שניתן לבצע כדורים בקוטר 7.5 מ”מ ב-7 ימים. הוספת חלקיקים שונים מגדילה את טווח הגודל הממוצע של כמוסות BC. הספירות עטפו 10 – 20% מהמסה היבשה שלהן. שיטה זו מציגה ייצור כדור בעלות נמוכה ואנקפסולציה אפשרית עם חומרים הניתנים להשגה בקלות. תחומי BC עשויים לשמש בעתיד כסיוע להסרת מזהמים, ציפוי דשן בשחרור מבוקר או תיקון קרקע.
Introduction
תאית חיידקית (BC) כבר ציין לשימוש בתעשייה הפוטנציאלית שלה בשל כוח מכני שלה, טוהר גבוה גבישיות, יכולות החזקת מים, ומבנה סיביםמורכבים 1,2,3,4. מאפיינים אלה הופכים את BC לביו-חומרית חיובית עבור מגוון יישומים, כולל ביו-רפואי, עיבוד מזון ותיקון סביבתי משתמש ב– 1. היווצרות של סרט BC יכול להיעשות עם תרבויות אורגניזם יחיד אותרבויותמעורבות כמו אלה המשמשים kombucha 5 , משקה תה מותסס. מבשלת קומבוצ’ה מסתמכת על “תרבות סימביוטית של חיידקים ושמרים”, הידוע בכינויו SCOBY. באמצעות תרבות סימביוטית זו של אורגניזמים, טכניקה דומה משמשת ליצירת ספירות BC. ביו-חומר זה עשוי להיות מועסק כדי לסייע בבידוד מזהמים סביבתיים ולעגן תיקונים חקלאיים כמו ביו-פחם כדי להשיג ייצור יבול יעיל יותר.
ספרות קודמת דנה כיצד המאפיינים של BC המיוצר בתנאים נסערים להשוות לפנה”ס המיוצר בתרבות נייחת. תרבות נייחת גורמת לסרט שנוצר בממשק האוויר הנוזלי, בעוד שתרבות מזועזעת גורמת לחלקיקי BC שונים, גדילים וספירות התלויים בתוך הנוזל6. מחקרים רבים התייחסו לטענה כי הייצור המסחרי של BC הוא ריאלי יותר בתנאים הדינמיים6,7, מתן רציונל ליישום השיטה של נייר זה. בנוסף, נערכו חקירות שונות על המבנה והמאפיינים של תחומי BC. Toyosaki et al.6 השווה צלושי ארלנמייר מבולבלים וחלקים בהפקתם הנסערת לפני הספירה. מחקר שנערך על ידי הו ו Catchmark4 קבע תנאים עבור ספירות BC ששימשו כהנחיות לתהליך הייצור הנוכחי של כדור BC, ותוצאותיהם מצביעות על כך שגודל הספירה אינו ממשיך לגדול לאחר 60 שעות. סקירה של ייצור BC על ידי מוחמד ואח‘1 עולה כי טלטול תרבות BC מבטיח אפילו אספקת חמצן והפצה, אשר הכרחי לצמיחה מוצלחת BC. הולנד ואח ‘8 חקרו את הקריסטליות והמבנה הכימי של BC באמצעות עקיפת קרני רנטגן וספקטרוסקופיית אינפרא אדום של טרנספורמציה פורייה. ההנחה היא כי קפסולות BC יציגו מאפיינים דומים ומחקר עתידי יחקור תכונות מבניות. מחקרים חקרו גם את ההשפעות החיוביות של שימוש ב- BC כדי לייצר ביו-קומפוזיטים משופרים. באמצעות אפוקסי-שף כבסיס, החוקרים הראו כי התוספת של BC משפר מאפיינים חומריים כמו חיי עייפות, קשיחות שבר, מתיחה וכוח flexural9,10. כפי שמוצג על ידי מחקרים בעבר ובהווה, רבים מעוניינים במסחור השימוש ב- BC.
חוקרים רבים חקרו תאית חיידקית במערכות שחרור מבוקרות, והשיטה המתוארת כאן מייצרת כמוסות שניתן להשתמש בהן כמערכות שחרור מבוקרות. חלק גדול ממחקר זה מתמקד בשחרור מבוקר בתחום הביו-רפואי, כמו גם בכמה מחקרים בניהול דשן שחרור מבוקר (CRF). בהתבסס על ההצלחה של שחרור מבוקר של BC של אמוקסיצילין11, לידוקאין12, ואיבופרופן13, BC עשוי להפגין מאפייני משלוח דומים עם חומרים אחרים, כגון דשן כדורי. סקירה כללית של CRF של שביב ומיקלזן14 מכירה בכך ש-CRF’s יעילים יותר, חוסכים בעבודה, ובדרך כלל גורמים פחות השפלה סביבתית מאשר יישום דשן קונבנציונלי. תאית חיידקית עשויה לעבוד כחומר אנקפסולטור חיובי עבור CRF של. דשנים עשויים להחליק מתוך קרום BC או פריקה כמו מתכלים BC15,16. קיבולת נפיחות מים גבוהה של BC יכול לשמש גם תיקון קרקע מועיל17,18,19 כי הן חומרים מזינים דשן ולחות עשוי לשחרר לתוך הקרקע באמצעות יישום של כדורי BC. עם תכונות אלה, CRF שנוצר על ידי אנקפסולציה כדור BC עשוי להיות יתרון על פני חומרי ציפוי דשן אחרים שיכולים להיות השפעות שליליות במהלך שלבי הייצור וההשלכה שלהם. התאמת BC לציפוי דשן עשויה לשפר עוד יותר את טכנולוגיות CRF. על ידי הורדת קצב שחרור דשן, לגידולים יהיה מספיק זמן כדי לכבוש את הדשן ולמנוע נגר עודף לתוך גופי מים, ובכך להפחית eutrophication ואזורים לא מתוחכמים. דשנים דומים לשחרור איטי הוכנו והוטחו באמצעות ציפוי פולימר20.
שלא כמו פרוטוקולים שתוארו במחקרים קודמים, זה מתמקד בייצור כדור אחיד ומלוכד ולא בתפוקה תאית גבוהה. יתר על כן, אנקפסולציה BC של מוצקים אחרים נחקרה עם סרטים תאית, אבל לא כדורים21. על ידי הרחבת המחקר על כדורי תאית חיידקית, ניתן לבצע צעדים נוספים כדי לייצר BC מסחרית, אשר מועיל בגלל תכונות בטוחות לסביבה של BC. שיטה זו של ייצור כדור BC מנצלת מרכיבים קולינריים זולים, זמינים. לאחר ההרכבה הראשונית, ספירות BC מתחילות להיווצר תוך יומיים ללא הפרעה. הפקת תחומי BC באמצעות אסטרטגיה זו דורשת מעט מקום ויש לה תוצר-על אכיל, תה מותסס ‘kombucha’. טכניקות אנקפסולציה המוזכרות במחקרים אחרים כוללות ציפויים שנוצרו באמצעות טכניקת היפוך פאזה22,23, היווצרות מטריצה24, ייבוש ספריי25, ו אנקפסולציה ישירה במהלך סינתזה26. שיטת האנקפסולציה הישירה המתוארת בכתב יד זה שימושית למי שרוצה תהליך קל וזול העושה שימוש בחומרים זמינים.
באמצעות מחקר זה נוצר פרוטוקול מוצלח לייצור ואקפסולציה של כדור BC. כדורי BC יכולים לתמצת חלקיקים מוצקים של ביו-פחם, זנבות מוקשים ומיקרוביאדות פוליסטירן בתוך המבנים האישיים שלהם. למרות שעדיין לא נעשה שימוש נרחב בתעשייה, BC הוא חומר מעשי, בר קיימא, המתרחשים באופן טבעי שיכול לשמש עבור יישומים עתידיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר שיטות ייצור ואקפסולציה של BC, קלות להתנהלות וחסכוניות. באמצעות התאמות שונות לפרוטוקול המקורי, זוהה תהליך מתאים. יש לנקוט בצעדים קריטיים כדי להבטיח תחומים בני קיימא. כל המרכיבים המעורבים בהיווצרות BC ממלאים תפקיד מפתח בבריאות ובעמידות של הספירות. סוכרוז מאכיל אורגניזמים, הת…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו היא המשך של פרויקט תוכנית חונכות מחקר טק מונטנה על ידי אדולפו מרטינז, קתרין מולהולנד, טיילר סומרוויל, לורל ביטרמן. המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא. OIA-1757351 ומעבדת המחקר של צבא הפיקוד לפיתוח יכולות לחימה (מספר הסכם שיתוף פעולה W911NF-15-2-0020). כל חוות דעת, ממצאים ומסקנות, או המלצות המובעות בחומר זה הן של המחברים ואינן משקפות בהכרח את עמדות הקרן הלאומית למדע או מעבדת המחקר של הצבא. ברצוננו גם להודות לאיימי קונצי, לי ריצ’רדס, קייטלין אלי, כריס גמונס, מקס וולגנט וקריס בוש על תרומתם.
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 |
Referências
- 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).
