المجالات السليلوز البكتيرية التي تغلف المواد الصلبة
Summary
يقدم هذا البروتوكول طريقة سهلة وغير مكلفة لتشكيل كرات السليلوز البكتيرية (BC). يمكن أن تعمل هذه المادة الحيوية كوسيط تغليف للمواد الصلبة ، بما في ذلك الشحن الحيوي ، ومجالات البوليمر ، ونفايات المناجم.
Abstract
وقد تم بحث مجالات السليلوز البكتيرية (قبل الميلاد) بشكل متزايد منذ تعميم قبل الميلاد كمادة جديدة. يقدم هذا البروتوكول طريقة بسيطة وبأسعار معقولة لإنتاج المجال قبل الميلاد. وبالإضافة إلى إنتاج هذه المجالات، تم أيضا تحديد طريقة لتغليف الجسيمات الصلبة. لإنتاج مجالات قبل الميلاد، يتم الجمع بين الماء والشاي الأسود والسكر والخل والثقافة البكتيرية في قارورة حائرة ومحتويات هي هياج. بعد تحديد ظروف الثقافة المناسبة لتشكيل الكرة قبل الميلاد ، تم اختبار قدرتها على تغليف الجسيمات الصلبة باستخدام الفحم الحيوي ، حبات البوليمر ، ونفايات المناجم. وتميزت المجالات باستخدام برنامج ImageJ والتحليل الحراري gravimetric (TGA). تشير النتائج إلى أن المجالات ذات أقطار 7.5 مم يمكن صنعها في 7 أيام. إضافة جزيئات مختلفة يزيد من متوسط نطاق حجم كبسولات BC. المجالات مغلفة 10 -20٪ من كتلتها الجافة. تظهر هذه الطريقة إنتاج المجال منخفض التكلفة والتغليف الممكن باستخدام مواد يمكن الحصول عليها بسهولة. يمكن استخدام مجالات BC في المستقبل كمساعد لإزالة الملوثات ، أو طلاء الأسمدة الخاضع للرقابة ، أو تعديل التربة.
Introduction
وقد لوحظ السليلوز البكتيري (قبل الميلاد) لاستخدامه الصناعة المحتملة نظرا لقوتها الميكانيكية، والنقاء العالي والبلورة، وقدرات الاحتفاظ بالماء، وهيكل الأليافالمعقدة 1،2،3،4. هذه الخصائص تجعل قبل الميلاد مادة حيوية مواتية لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الطب الحيوي، وتجهيز الأغذية، والمعالجة البيئية يستخدم1. تشكيل فيلم قبل الميلاد يمكن القيام به مع الثقافات كائن حي واحد أو الثقافات المختلطة مثل تلك المستخدمة لكومبوتشا5، مشروب الشاي المخمرة. تختمر kombucha يعتمد على “ثقافة التكافل من البكتيريا والخميرة”، والمعروفة باسم سكوبي. باستخدام هذه الثقافة التكافلية للكائنات الحية ، يتم استخدام تقنية مماثلة لإنشاء مجالات BC. ويمكن استخدام هذه المادة الحيوية للمساعدة في عزل الملوثات البيئية وتثبيت التعديلات الزراعية مثل الفحم الحيوي لتحقيق إنتاج المحاصيل بشكل أكثر كفاءة.
وقد ناقش الأدب السابق كيف أن خصائص BC المنتجة في ظروف مهتاجة تقارن ب BC المنتجة في ثقافة ثابتة. ينتج عن الثقافة الثابتة فيلم يتشكل في واجهة الهواء السائل ، في حين أن الثقافة المهزوزة تؤدي إلى جزيئات وخيوط ومجالات مختلفة قبل الميلاد معلقة داخل السائل6. وقد أشارت العديد من الدراسات إلى الادعاء بأن الإنتاج التجاري من قبل الميلاد هو أكثر جدوى في الظروف الديناميكية6،7، وتوفير الأساس المنطقي لتطبيق طريقة هذه الورقة. وبالإضافة إلى ذلك، أجريت تحقيقات مختلفة بشأن هيكل وخصائص مجالات كولومبيا البريطانية. Toyosaki وآخرون6 مقارنة حيرة وسلس الجدران قارورة Erlenmeyer في إنتاجها قبل الميلاد المهتاج. حددت دراسة أجراها هو و Catchmark4 الشروط لمجالات BC التي تم استخدامها كإرشادات لعملية إنتاج الكرة الحالية قبل الميلاد ، وتشير نتائجها إلى أن حجم الكرة لا يستمر في الزيادة بعد 60 ساعة. ويشير استعراض إنتاج BC من قبل محمد وآخرون1 إلى أن هز ثقافة BC يضمن حتى إمدادات الأوكسجين وتوزيعه، وهو أمر ضروري لنمو BC ناجحة. هولندا وآخرون8 وقد درس البلورة والبنية الكيميائية من قبل الميلاد باستخدام الحيود الأشعة السينية وفورييه تحويل الطيف الأشعة تحت الحمراء. ومن المفترض أن كبسولات BC سوف تظهر خصائص مماثلة والبحوث المستقبلية سوف تحقق في الخصائص الهيكلية. كما استكشفت الدراسات الآثار المفيدة لاستخدام BC لإنتاج الكومبيوات الحيوية المحسنة. باستخدام الايبوكسي الراتنج كقاعدة، وقد أظهرت الباحثين أن إضافة قبل الميلاد يحسن الخصائص المادية مثل الحياة التعب، وصلابة الكسر، وقوة الشد والانثناء9،10. كما هو مبين في البحوث السابقة والحالية ، وكثير من المهتمين في تسويق استخدام قبل الميلاد.
وقد حقق العديد من الباحثين السليلوز البكتيري في أنظمة الإفراج التي تسيطر عليها، والأسلوب الموصوف هنا يولد كبسولات التي يمكن استخدامها كأنظمة الإفراج التي تسيطر عليها. يركز الكثير من هذه الأبحاث على الإطلاق الخاضع للرقابة في مجال الطب الحيوي ، بالإضافة إلى بعض الاستكشاف في إدارة الأسمدة المتحكم فيها (CRF). استنادا إلى نجاح إطلاق BC الخاضعة للرقابة من أموكسيسيلين11، ليدوكائين12، و ايبوبروفين13، قبل الميلاد قد تظهر خصائص التسليم مماثلة مع مواد أخرى ، مثل الأسمدة بيليه. نظرة عامة على CRF من Shaviv وMikkelsen14 يعترف بأن CRF هي أكثر كفاءة ، وتوفير العمالة ، وتسبب عموما تدهورا بيئيا أقل من استخدام الأسمدة التقليدية. السليلوز البكتيري قد تعمل كمادة تغليف مواتية لCRF. قد تتسرب الأسمدة من أغشية BC أو التفريغ كماتحلل بيولوجيا قبل الميلاد15،16. BC قدرة تورم المياه العالية يمكن أيضا أن تكون بمثابة تعديل التربةمفيدة 17،18،19 لأن كل من المواد المغذية والأسمدة والرطوبة قد تطلق في الأرض من خلال تطبيق مجالات قبل الميلاد. مع هذه الصفات، قد يكون CRF التي شكلتها تغليف الكرة قبل الميلاد ميزة على غيرها من مواد طلاء الأسمدة التي يمكن أن يكون لها آثار سلبية خلال مراحل الإنتاج والتخلص منها. قد يؤدي تكييف BC إلى طلاء الأسمدة إلى زيادة تحسين تقنيات CRF. ومن خلال خفض معدل إطلاق الأسمدة، سيكون لدى المحاصيل الوقت الكافي لامتصاص الأسمدة ومنع الجريان السطحي الزائد في المسطحات المائية، وبالتالي الحد من التمغذيات والمناطق غير المتجانسة. وقد تم إعداد الأسمدة بطيئة الإفراج مماثلة وتجريبها باستخدام الطلاء البوليمر20.
على عكس البروتوكولات المبينة في البحوث السابقة، وهذا واحد يركز على إنتاج مجال موحد ومتماسك بدلا من غلة السليلوز عالية. وعلاوة على ذلك، تمت دراسة تغليف قبل الميلاد من المواد الصلبة الأخرى مع أفلام السليلوز، ولكن ليس المجالات21. من خلال توسيع نطاق البحث على مجالات السليلوز البكتيرية ، يمكن اتخاذ المزيد من الخطوات لإنتاج BC تجاريا ، وهو أمر مفيد بسبب ميزات BC الآمنة بيئيا. هذه الطريقة من تصنيع المجال قبل الميلاد يستخدم غير مكلفة، والمكونات المتاحة بسهولة الطهي. بعد التجميع الأولي ، تبدأ مجالات BC في التشكل في غضون يومين دون تدخل. إنتاج مجالات قبل الميلاد من خلال هذه الاستراتيجية يتطلب مساحة صغيرة ولديه منتج ثانوي صالح للأكل، والشاي المخمرة ‘kombucha’. تقنيات التغليف المذكورة في دراسات أخرى تشمل الطلاء التي تشكلت من خلال تقنية انعكاس المرحلة22،23، تشكيل مصفوفة24، رذاذالتجفيف 25، والتغليف المباشر أثناء التوليف26. طريقة التغليف المباشر المبينة في هذه المخطوطة مفيدة لأولئك الذين يرغبون في عملية سهلة وغير مكلفة تستخدم المواد المتاحة بسهولة.
من خلال هذا البحث، تم إنشاء بروتوكول ناجح لإنتاج الكرة قبل الميلاد والتغليف. يمكن أن تغلف مجالات BC الجسيمات الصلبة من الفحم الحيوي ومخلفات المناجم والميكروبات البوليسترين داخل هياكلها الفردية. على الرغم من عدم استخدامها على نطاق واسع في الصناعة حتى الآن ، فإن BC هي مادة عملية ومستدامة وناطعة يمكن استخدامها للتطبيقات المستقبلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يحدد هذا البروتوكول أساليب إنتاج وتغليف المجال قبل الميلاد التي يسهل تنفيذها وفعالة من حيث التكلفة. ومن خلال التعديلات المختلفة التي أدخلت على البروتوكول الأصلي، تم تحديد عملية ملائمة. ويجب اتخاذ خطوات حاسمة لضمان وجود مجالات قابلة للحياة. جميع المكونات المشاركة في تشكيل قبل الميلاد تلع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل هو استمرار لمشروع برنامج مساعد الإرشاد في مونتانا للتكنولوجيا من قبل أدولفو مارتينيز وكاثرين مولهولاند وتايلر سومرفل ولوريل ميرمان. وقد رعت المؤسسة الوطنية للعلوم البحوث في إطار المنحة رقم OIA-1757351 ومختبر أبحاث الجيش لقيادة تطوير القدرات القتالية (الاتفاق التعاوني رقم W911NF-15-2-0020). أي آراء أو نتائج أو استنتاجات أو توصيات يتم التعبير عنها في هذه المواد هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة وجهات نظر المؤسسة الوطنية للعلوم أو مختبر أبحاث الجيش. كما نود أن نشكر إيمي كوينزي ولي ريتشاردز وكاتيلين آلي وكريس غامونز وماكس وولغنانت وكريس بوش على مساهماتهم.
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).
