固体材料を封入する細菌セルロース球
Summary
このプロトコルは、細菌セルロース(BC)球体を形成する簡単で安価な方法を提示する。この生体材料は、バイオチャー、ポリマー球、鉱山廃棄物などの固体材料のカプセル化媒体として機能します。
Abstract
細菌セルロース(BC)球体は、新しい材料としてBCの普及以来、ますます研究されています。このプロトコルは、BC球体生産のための手頃な方法と簡単な方法を提示します。これらの球体の生成に加えて、固体粒子のカプセル化方法も同定されている。BC球体を生成するには、水、紅茶、砂糖、酢、細菌培養をバッフルフラスコに組み合わせて、内容物を攪拌する。BC球形成のための適切な培養条件を決定した後、固体粒子を封入する能力をバイオチャー、ポリマービーズ、および鉱山廃棄物を用いて試験した。球体は、ImageJ ソフトウェアと熱重量分析 (TGA) を使用して特徴付けられた。 結果は、直径7.5mmの球体を7日間で作ることができることを示している。様々な粒子を添加すると、BCカプセルの平均サイズ範囲が増加する。球体は乾燥質量の10〜20%を封入した。この方法は、容易に入手できる材料で可能な低コストの球体生産およびカプセル化を示す。BC球体は、汚染物質除去助剤、放出性肥料コーティング、または土壌修正として将来的に使用され得る。
Introduction
細菌セルロース(BC)は、その機械的強度、高純度および結晶性、保水能力、および複雑な繊維構造1、2、3、4のために、その潜在的な産業の使用のために注目されている。これらの特性は、生物医学、食品加工、環境修復法を含む様々な用途に適した生体材料であるBCを1.BCフィルムの形成は、単一の生物培養物または昆布茶5、発酵茶飲料に使用されるもののような混合培養物で行うことができる。醸造昆布茶は、一般的にSCOBYとして知られている「細菌と酵母の共生培養」に依存しています。生物のこの共生文化を用いて、BC球体を作り出すために同様の技術が用いられた。この生体材料は、より効率的な作物生産を達成するために、環境汚染物質を分離し、バイオチャーのような農業改正を固定するのに役立つ可能性があります。
以前の文献では、攪拌状態で生成されたBCの特性が静止培養で生産されたBCと比較してどのように議論されてきた。静止培養は液体空気界面で形成されるフィルムをもたらし、振られた培養物は液体6内に浮遊する様々なBC粒子、ストランド、および球体をもたらす。多くの研究は、BCの商業生産は、この論文の方法を適用するための根拠を提供する動的な条件6、7でより実現可能であるという主張を参照しています。さらに、BC球体の構造や性質に関する様々な調査が行われています。豊崎ら6は、動揺したBC生産におけるバッフルと滑らかな壁のエルレンマイヤーフラスコを比較した。HuとCatchmark4の研究では、現在のBC球体生産プロセスのガイドラインとして使用されたBC球体の条件が決定され、その結果は、球体のサイズが60時間後に増加し続けないことを示しています。MohammadらのBC生産のレビューは、BC培養を揺るがすことで、BCの成長を成功させるために必要な酸素供給と分布さえ保証することを示している。オランダ等は、X線回折とフーリエ変換赤外分光法を用いてBCの結晶性と化学構造を研究した。BCカプセルも同様の特徴を示し、今後の研究では構造特性を調査する。研究はまた、改善されたバイオコンポジットを生成するためにBCを使用することの有益な効果を探っています。.研究者は、エポキシ樹脂をベースとして、BCの添加により疲労寿命、破壊靭性、引張および曲げ強度9,10などの材料特性が向上することを示している。過去と現在の研究で示されるように、多くはBCの使用を商品化することに興味を持っています。
多くの研究者は、制御放出系で細菌セルロースを調査しており、ここで説明する方法は、制御放出システムとして利用できるカプセルを生成する。この研究の多くは、生物医学分野における制御放出と、制御放出肥料(CRF)投与におけるいくつかの探査に焦点を当てています。BCのアモキシシリン11、リドカイン12、およびイブプロフェン13の制御放出の成功に基づいて、BCはペレット化肥料などの他の物質と同様の送達特性を示し得る。ShavivとMikkelsen14によるCRFの概要は、CRFがより効率的で、労働力を節約し、一般的に従来の肥料塗布よりも環境劣化が少ないことを認めています。細菌セルロースは、CRFの良好な封入材料として働く可能性があります。肥料はBC膜から浸出するか、BC生分解15、16として排出することができる。BCの高水膨張能力は、肥料の栄養素と水分の両方がBC球体の適用によって地面に放出される可能性があるため、有益な土壌修正17、18、19としても機能します。これらの形質を使用すると、BC球カプセル化によって形成されたCRFは、生産および処分段階で悪影響を及ぼす可能性のある他の肥料コーティング材料よりも有利である可能性があります。BCを肥料コーティングに適応させることは、CRF技術をさらに向上させる可能性があります。肥料の放出率を下げることで、作物は肥料を取り込み、水域への過剰流出を防ぐのに十分な時間を持ち、それによって富栄養化および非酸素化地帯を減少させる。同様の緩徐放出肥料が、ポリマーコーティング20を用いて調製および試験的に製造されている。
以前の研究で概説されたプロトコルとは異なり、これは高いセルロース収率ではなく、均一でまとまりのある球体生産に焦点を当てています。さらに、他の固形物のBCカプセル化はセルロース膜で研究されているが、球体21ではない。細菌セルロース球の研究を拡大することにより、BCの環境的に安全な特徴のために有益であるBCを商業的に生産するためのさらなるステップを作ることができます。BC球の製造のこの方法は、安価で容易に入手可能な料理の食材を利用しています。最初のアセンブリの後、BC球は干渉なしで2日以内に形成し始める。この戦略を通じてBC球体を生産するには、スペースがほとんどなく、食用の副産物である発酵茶「昆布茶」があります。他の研究で言及されたカプセル化技術は、相反転技術22、23、マトリックス形成24、噴霧乾燥25、および合成中の直接封入26を介して形成されるコーティングを含む。本稿で概説されている直接封入法は、容易に入手できる材料を利用する、簡単で安価なプロセスを望む人に有用である。
この研究を通じて、BC球体生産とカプセル化のための成功したプロトコルが作成されました。BC球体は、バイオチャー、鉱山テーリング、ポリスチレンマイクロビーズの固体粒子を個々の構造内に封入することができます。まだ業界で広く使用されていませんが、BCは実用的で持続可能な材料であり、将来の用途に使用できる天然材料です。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、BC球体の生産方法と、実施が容易で費用対効果の高いカプセル化方法を概説しています。元のプロトコルに対する様々な調整によって、適切なプロセスが特定されました。有効な球体を確保するには、重要な手順に従う必要があります。BC形成に関与するすべての成分は、球体の健康と耐久性において重要な役割を果たしています。スクロースは生物に餌を与え、茶は窒素…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、アドルフォ・マルティネス、キャサリン・マルホランド、タイラー・サマヴィル、ローレル・ビッターマンによるモンタナ工科大学研究アシスタントメンターシッププログラムプロジェクトの継続です。研究は、グラントNo.の下で国立科学財団によって後援されました。OIA-1757351および戦闘能力開発司令部陸軍研究所(協同協定番号W911NF-15-2-0020)。この資料で表明された意見、調査結果、結論、または勧告は著者のものであり、必ずしも国立科学財団または陸軍研究所の見解を反映しているわけではありません。また、エイミー・クエンジ、リー・リチャーズ、ケイトリン・アレー、クリス・ギャモンズ、マックス・ヴォルゲナント、クリス・ボッシュの貢献に感謝します。
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 |
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