Введение к работе
Актуальность теуы
Иммобилизованные клсгкн микроорганизмов обладают целым рядом полезных свойств, ьмеюїднх большую значимость при их использовании на практике (Birnbaum, 1994, Ніпґгау, 1995). Это связано со значительным снижением потерь биомассы из рабочей зоны реактора с током жидкости, что, в свею очередь, предотвращает загрязнение продукта и окружающей среды микробными клетками, позволяет достичь большей концентрации работающих клеток, и, в конечном счете, приводит к увеличению производительности и продуктивности (Синнцын и др., 1994).
Несмотря на то, что первые установки по производству уксуса с использованием иммобилизованных микробных клеток появились еще в 1823 году, во времена Пастера, наибольшее распространение и развитие иммобилизация клеток получила в 80-е годы нашего века. Подъем интереса к иммобилизованным биокатализаторам именно в это* время был вызван комплексом объективных факторов, связанных с переходом биотехнологии на качественно новый уровень. Такими факторами, на наш взгляд, явились:
переход к промышленному многотоннажному производству биотехнологических препаратов (аминокислот, витаминов, и др.);
переход, во многих случаях, к непрерывному культивированию, позволяющему повысить эффективность производства;
повышение требований к качеству биотехнологнческой продукции, к экологической чистоте производства.
Среди разнообразных способов иммобилизации, прикрепительные методы, основанные на образовании связей между поверхностями клеток и носителя, отличаются от остальных (включение в матрицу геля, инкапсулирование и др.) своей технической и методической простотой, дешевизной, отсутствием нежелательных воздействий на биокатализатор и уменьшением диффузионных ограничений (Birnbaum,- 1994). Однако следует заметить, что прикрепительные методы иммобилизации, зачастую, не могут обеспечить достаточно прочного и необратимого закрепления клеток на поверхности, в отличие от методов инкапсулирования н включення в гель, где иммобилизованность клеток обеспечивается жестким ограничением их подвижности внутри гелевого матрикса или мембраны (Birnbaum, 1994). Это связано с тем, что воздействиям, вызывающим отрыв клеток от поверхности (ток жидкости, перемешивание, другие энтропийные тенден: ции), противостоит лишь небольшая (хотя и многоточечная) область кон-
такта поверхностен клетки и носителя (Яскович Г.А. 1996). Еще одним недостатком прикрепительной иммобилизации является недостаточная ёмкость поверхности носителя в отношении клеток, что связано с ограниченным количеством сорбционно-активных сайтов.
Указанные обстоятельства в значительной мере препятствуют реализации всего производственного потенциала закрепленных клеток и существенно ограничивают сферу их промышленного использования (Сншщын, 1994). Это свидетельствует об актуальности поиска новых способов увеличения эффективности прикрепительной иммобилизации КЛЄЧС:С, что позволило бы значительно расширить круг производстз с иммобилизованными клетками и, таким образом, повысить эффективность многих биоіехноло-гнческих процессов. Проведение подобных исследований в Казахстане имеет особое значение ввиду остро стоящих проблем рационального использования отходов молочной промышленности, эффективной микробиологической переработки сельскохозяйственной продукции, бытовых и промышленных сточных вод и т.д.
Цель и задачи исследования
. Цель данной работы - разработка способов увеличения прикрепления дрожжевых клеток к твердым поверхностям путем модификации поверхностей ионами переходных металлов, действием водорастворимых полимеров различного происхождения, изучение закономерностей и механизмов действия указанных факторов на прикрепление клеток промышленных штаммов дрожжей. Для достижения поставленной цели в процессе исследования решались следующие задачи:
1. Подбор наиболее подходящих носителей для иммобилизации дрож
жевых клеток. Изучение основных кинетических характеристик ад
сорбции дрожжевых клеток на поверхность носителей различной
химической природы, в зависимости от физико-химических параметров адсорбционной системы, а также от условий культивирования клеток.
-
Изучение физико-химических свойств поверхности клеток дрожжей и ее компонентов, изучение их роли в процессах неспецифического прикрепления клеток к твердым поверхностям.
-
Разработка способов модификации поверхностей полимерами различного химического строения, исследование основных характеристик адсорбционного процесса при модификации.
-
Имплантация в поверхность носителей ионов переходных металлов И изучение механизмов изменения степени адсорбции клеток, на ос-
новгнин кг'їстнческнх и термодинамических характеристик адсорбционного нг.оц-сса. 5. Создание высокоактивных биокатачизаторов с живыми иммобилизованными клетками на основе модифицированных носителей, изучение стабильности и эффективности их функционирования.
Научная навизча
Впервые изучены основные закономерности закрепления клеток промышленных штаммов дрожжей на твердых поверхностях, модифицированных ионами переходных металлов и водорастворимыми полимерами. Разработаны способы модификации поверхностей водорастворимыми полимерами, определен круг наиболее перспективных модификаторов. Впервые исследованы механизмы влияния водорастворимых полимеров различной химической природы на адсорбцию дрожжевых клеток на твердых поверхностях в модельных опытах.
Для максимально адекватной оценки сорбционных свойств носителей и клеток впервые предложен интегральный показатель эффективности прикрепления (ПЭП). Получены новые данные о ведущей ролн поверхностных биополимеров дрожжей в неспецифнческой адгезии клеток к твердым поверхностям.
Впервые описано явление инверсии температурной зависимости адсорбции клеток, имеющей место при модификации кремнеземных поверхностей ионами переходных металлов. На основании термодинамических расчетов, а также кинетических закономерностей процесса, сделаны выводы о смене при модификации электростатических и др. адсорбционных взаимодействий более прочными координационными связями.
Анализ обширного экспериментального материала позволил сформулировать качественно новую концепцию о существенно различных механизмах, лежащих в основе увеличения адсорбции клеток микроорганизмов водорастворимыми полимерами и ионами переходных металлов.
Практическая ценность диссертации
Результаты исследований рекомендуются для применения п биотехнологии. Использование разработанных способов модификации носителей для повышения адсорбции дрожжевых клеток позволяет достичь большей концентрации активных клеток в рабочей зоне биореакторов, объемных'
фильтрах очистных сооружений и других систем с иммобилизованными клетками, а также увеличить стабильность их функционирования, чго способствует увеличению производительности и продуктивности биотехноло-гическнх процессов.
Достигаемое модификацией поверхностей значительное снижение потерь биомассы из рабочей зоны реактора с токо і жидкости предотвращает загрязнение продукта и окружающей среды микробными клетками.
В работе обсуждены вопросы выбора наиболее адекватных с то\"н зрения практического использования носителей и спосоСов модификации адсорбционных свойств поверхности в зависимости от природы и структуры носителя. Обнаруженные в работе общие закономерности несиецифи-ческого взаимодействия микробных клеток с твердыми поверхностями представляют интерес для решения проблем биообрастаний, медицинской трансплантологии, при исследовании почвенных экосистем.
Полоз/сепия, выносимые на защиту
-
Предлагаемые способы модификации поверхности носителей ионами переходных металлов и водорастворимыми полимерами приводят к увеличению количества иммобилизованных дрожжевых клеток и позволяют повысить эффективность работы биокатализаторов с иммобилизованными клетками.
-
Стимулирующее действие ионов переходных металлов и водорастворимых полимеров обусловлено существенно различными механизмами. Увеличение прикрепления клеток под действием полимеров обусловлено уменьшением электростатического отталкивания поверхностей и увеличением сорбционно-активных сайтов поверхности, і; то время как имплантация в поверхность носителей ионов переходных металлов приводит к возникновению качественно новых адсорбцион-
" ных взаимодействий координационного характера.
Личный вклад автора
Все разделы представляемой работы выполнены лично автором.
Апробация работы
Материалы диссертации были доложены на конференции молодых ученых и студентов КазГУ им. аль-Фараби 1995г, 1997г, на международ-нон научно-практической конференции (г. Степногорск, 1995), на ко.тфе-ренцин, посвященной 25-летию кафедры микробиологии КазГУ им аль-
Фараби (декабрь 199 г), на г іспублчканской научной конференции молодых ученых и студи іточ (Лл:/агы, 23-23 апреля 1997 г.), на 1 съезда микробиолога:! Узбекистана (Ташкент, 6-9 октября 1997г.), на неучней конференции "Актуальные проблемы сельскохозяйственной биотехнологии" (гит. Гвардейский, 21-22 мая 199S г), на международном мнкросг.мпозиумс "Colloids and surftccs". Almaty, 29 Aug.- 3 Sept. 1998, на республиканской пцучко-нрактнческон конференции "Состояние, npo6j,eMH и перег.сктнпм развития пищевых технологий в условиях реформировани:, экономик" Казахстана" (Ллматы, 15-16 октября 1998 г.), на конференции молодых ученых бнотехнологот Республики Молдова (Кишинев, 24-27 октября 199S г).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Получены положительные решения на выдачу патентов по двум заявкам.
Структура и объем диссертации
Материалы диссертации изложены на 138 страницах машинописного текста, иллюстрированы 45 рисунками и 10 таблицами. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 5 разделов собственных исследований, обсуждения, выводов, указателя литературы, включающего 396 наименований, из которых 201 иностранных авторов.