ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Суспензии микроорганизмов из "Флокулянты в биотехнологии" В основе реагентных методов концентрирования и удаления из дисперсионной среды микроорганизмов лежит теория устойчивости дисперсных систем. При этом необходимо принять во внимание, что агрегативная и седиментационная устойчивость суспензий клеток, вирусов и других биоколлоидов в общем случае определяется одновременным действием всех рассмотренных выше факторов устойчивости коллоидных систем. Разумеется, в зависимости от условий (типа микроорганизма, состава дисперсионной среды, внешних условий) удельный вес различных факторов стабилизации может бьггь различным, но все же приходится учитьтать более сложный, чем в случае неорганических дисперсий, характер стабилизации клеточных суспензий. [c.13] В литературе в качестве синонимов процесса агрегации микроорганизмов встречается ряд терминов флокуляция, агглютинация, коагуляция, ассоциация, агломерация и другие. Такое терминологическое разнообразие связано с многообразием процессов контактного взаимодействия клеток, рассмотрение которых выходит за рамки книги. Отметим, что под флокуляцией обычно понимают процесс потери агрегативной и седиментационной устойчивости суспензий, в том числе суспензий клеток микроорганизмов, под влиянием добавленных высокомолекулярных соединений (флокулянтов), либо под действием образующихся в процессе роста культуры биополимеров. В последнем случае говорят о биофлокулянтах, подчеркивая решающую роль биополимеров (био-флокулянтов) в процессе дестабилизации клеточной суспензии. [c.15] Согласно принятой для микрогетерогенных систем классификации среди микробиологических объектов также различают истинные коллоиды, линейные размеры которых не превьппают 0,1 мкм (например, суспензии вирусов и ряда бактерий), и грубодисперсные системы (дрожжи, микроводоросли). Несмотря на то, что размеры последних больше 10 м, по ряду коллоидно-химических характеристик их справедливо относят к коллоидам. Подчеркивая биологическую природу клеточных суспензий, часто используют термин биоколлоиды . [c.16] В то же время в связи с отсутствием количественной теории агрегативной устойчивости лиофильных коллоидов при оценке устойчивости биоколлоидов обычно пользуются аппаратом теории устойчивости лиофобных золей, часть выводов которой может быть распространена и на лиофильные объекты. [c.17] Один из важных факторов, определяющих агрегативную устойчивость суспензий микроорганизмов, — наличие поверхностного заряда клетки. Этот заряд зависит от видовой принадлежности, строения и физиологического состояния клеток и может варьироваться в широких пределах [14]. В отличие от частиц небиологической природы, имеющих четко выраженную границу раздела фаз, клеточная поверхность формируется на основе ряда поверхностных структур, включающих клеточную стенку, а также капсулы, пили, жгутики и ряд других, каждая из которых может оказьшать влияние на электрические поверхностные характеристики суспензий и определять их устойчивость [15]. Клеточные стенки микроорганизмов могут различаться как строением, так и химическим составом. Диссоциация функциональных групп полимеров формирует поверхностный заряд клеток. Заметный вклад в возникновение ловерх-ностного заряда вносят адсорбированные ионы металлов. Кроме того, образование поверхностных зарядов клеток обусловлено наличием трансмембранного потенциала, т. е. разности потенциала между цитоплазмой клетки и окружающей ее средой. Причина возникновения разности потенциалов связана с наличием физико-химических гра-диентов между цитоплазмой и средой, обусловленных активным переносом ионов и молекул клеткой. Трансмембранный потенциал может оказать заметное влияние на электрокинетический потенциал клетки [14]. [c.17] Влияние трансмембранного потенциала на электроповерхностные свойства и устойчивость клеточных суспензий в последнее время интенсивно изучается (Ульберг, Духин, Карамушка и др.). [c.17] концентрации ионов водорода и ионов металлов на ЭФП. На рис. 1.3 изображены характерные кривые зависимости ЭФП от pH среды для различных типов клеточных поверхностей. По мнению многих авторов, изучение такой зависимости дает наиболее точную характеристику поверхностных ионогенных групп. Как правило, для частиц с неионогенной поверхностью с ростом pH ЭФП увеличивается по линейному закону (кривая I), для клеток, содержащих кислые карбоксильные и фосфатные группы, ЭФП сначала растет а потом выходит на насыщение (кривая 2), а для поверхностей, сформированных в основном из амин-ных групп, ЭФП падает (кривая S). Клеточная поверхность со сложным составом будет иметь некоторый интегральный характер зависимости ЭФП от pH среды в соответствии с вкладом тех или иных компонентов поверхности (кривая 4). [c.18] По современным представлениям, клеточная поверхность большинства микроорганизмов сформирована мозаикой из катионных и анионных групп. На одну клетку приходится Ю —10 положительных и Ю — 10 отрицательных зарядов, т. е. большинство микроорганизмов имеет избыточный отрицательный заряд. Плотность отрицательного заряда поверхности, рассчитанная из данных f-потенциала бактерии Е.соИ, составляет один карбоксильный ион на 48,9 нм клеточной поверхности [17]. [c.19] Плотность зарядов определяют методом коллоидного титрования или рассчитывают из данных о f-потенциале клеток в предположении диффузионного строения двойного слоя. Последнее предположение не всегда оправдано, к тому же переход от ЭФП к f-потенциалу осуществляется не всегда корректно. В связи с этим имеющиеся в литературе данные о плотности зарядов на клеточной поверхности, вычисленные из данных электрофореза, можно считать лишь ориентировочными. [c.19] Медведевым, Гирфановой и сотр. [18] на выборке из 100 клеток показано, что f-потенциал клеток Е. oli (штамм М-17) имеет большой размах вариаций, в несколько раз превышающий ошибку единичного измерения. Наблюдаемый в эксперименте разброс связан с различием электроповерхностных свойств отдельных групп микробных клеток и является характеристическим признаком для клеточной популяции. Гауссово распределение клеток по ЭФП обнаруживается как для популяции нативньк, так и для инактивированных клеток (рис. 1.5). Причем для инактивированных клеток наблюдается уменьшение f-потенциала, т. е. характеристики выборки могут служить показателем физиологического состояния клеток. Полученные авторами [18] результаты указывают на необходимость статистической обработки данных по f-потенциалу микроорганизмов, так как единичные определения могут привести к ошибочным выводам. [c.19] Достаточно высокие значения плотности поверхностного заряда клеток приводит к их электростатическому отталкиванию, что является одной из причин агрегативной устойчивости биоколлоидов. [c.19] В отличие от вирусов и бактерий дрожжи не перезаряжаются даже при значительных концентрациях Al , Ti [20]. Очевидно, это объясняется особенностями строения и химического состава клеточной поверхности. Аналогичные данные известны для капсули-рованных бактериальных культур. [c.20] Как отмечалось ранее, биологические клеточные объекты представляют собой типичные лиофильные объекты. Для них, в отличие от лиофобных золей, характерно сильное взаимодействие вещества дисперсной фазы с дисперсионной средой. Такое взаимодействие приводит к образованию протяженных сольватных оболочек из молекул иммобилизованной дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Слизистые оболочки, капсулы и другие поверхностные структуры, образующиеся в результате нормального роста либо при неблагоприятных воздействиях окружающей среды,препятствуют контакту клеток во втором энергетическом минимуме. Например, грамотрицательные бактерии могут образовывать в процессе культивирования полисахаридные оболочки и капсулы, толщина которых порою достигает 400-500 нм [15]. В работе [21] показано, что при pH 4,0 или при наличии в среде 5- 10 моль/л AI I3 достигается изоэлектрическое состояние клеток Е.соИ, однако они не коагулируют из-за стерических препятствий, обусловленных гидратным барьером. Следовательно, адсорбционные слои гидрофильных материалов служат причиной высокой агрегативной устойчивости биоколлоидов. [c.20] Часто в присутствии многозарядных ионов металлов достижение изоэлектрической точки сопровождается агрегацией клеток например, коагуляция суспензий Е. соИ происходит при содержании в системе солей Al и Fe 15-50 и 40-80 мг/л соответственно, т. е. когда f-потенциал клеток близок к нулю. В то же время известны данные о сохранении агрегативной устойчивости суспензий микроорганизмов даже при нулевых значениях f-потенциала [21,22]. [c.21] Вернуться к основной статье