Адсорбционные свойства нативного и модифицированного левана Azotobacter vinelandii

Измерение рН проводили с помощью портативного рН meterWaterproof марки HI 98129 (HannaInstruments, Санде, Германия). Экзополисахариды выделяли осаждением из культуральной жидкости двойным объемом 96 % этилового спирта и высушиванием осадка при 105 °С. Для измерения вязкости культуральной жидкости бактерий A. vinelandii использовали вискозиметр роторный Viscotester VT–04F (Rion, Токио, Япония).Для прессования готовили контрольную пресс-массу, состоящую из 100 г ультрадисперсной древесины, полученной измельчением сосновых опилок (Pinussylvestris) размером около 4–7×1–2×0,5–1,5 мм до ультрадисперсного размера на планетарной шаровой мельнице Retsch PM 400 (Германия) в течение 15 минут при 380 об/мин, и пресс-массу, состоящую из 100 г этой же ультрадисперсной древесины и 50 мл культуральной жидкости, содержащей леван, полученной в результате выращивания A. vinelandii Д–08 на питательной среде с мелассой, послеспиртовой бардой и молочной сывороткой. Перед смешиванием с ультрадисперсной древесиной в культуральную жидкость вносили 1 % борной кислоты в качестве антисептика. Высушивание пресс-масс проводилось в сушильном шкафу при температуре 70 °С до влажности 6–8 %. Полученные пресс-массы подвергали горячему прессованию на формовочном гидравлическом прессе GT – 7014 – A50 при давлении 20 т (26,1 МПа) и 30 т (39,2 МПа), в течение 10 минут при температуре 100, 120, 140 и 160 °С.Определение физических свойств (плотность, водостойкость и разбухание по толщине в воде) биокомпозиционных материалов проводили в соответствии с ГОСТ 10634–88, определение предела прочности при статическом изгибе по ГОСТ 10635–88 и ГОСТ 28840–90. Известно, что наибольшее количество экзополисахаридов (ЭПС) бактерии A. vinelandii синтезируют при выращивании на средах, содержащих в качестве источника углерода мелассу и глюкозу. Поэтому в работе подбирали условия синтеза полисахарида левана с использованием в качестве единственного источника питательных веществ мелассы – отхода сахарного производства. Культивирование бактерий A. vinelandii Д–08 (продуцента левана) проводилось в средах с различным содержанием мелассы.В процессе роста рН сред снижался. В начале культивирования величина рН соответствовала 6,85, она достигала к 72 ч на средах с 7 и 10 % мелассы 6,04 и 6,13 единиц рН соответственно. При этом наблюдался высокий выход полисахарида левана: после 72 ч роста он составил 16,64 и 17,73 г/л соответственно. Также повышалась динамическая вязкость, которая после 72 ч культивирования была равна 0,71 и 0,80 дПа·с на 7 и 10 % мелассных средах соответственно.На следующем этапе работы мы получали биокомпозиционные материалы на основе ультрадисперсной древесины и биологического связующего, содержащего леван.Таким образом, леван можно использовать как биосвязующее для производства экологически безопасных композиционных материалов. Однако биокомпозиты имели низкую влагостойкость. Чтобы улучшить этот показатель, в следующей серии опытов мы вносили в пресс-массу натриевое жидкое стекло, которое является экологически безопасной, универсальной, дешевой и доступной добавкой, и подбирали его процентное содержание для снижения водопоглощения и разбухания в воде.Введение в пресс-массу жидкого стекла привело к повышению прочности и плотности биокомпозитов. Пределы прочности при статическом изгибе материалов с гидрофобной добавкой при увеличении температуры и давления прессования во всех вариантах увеличивались. При 1 % жидкого стекла данный показатель при режимах прессования 26,1 и 39,2 МПа и 140–160 °С соответствовал требованиям стандарта. Значения плотностей увеличивались с повышением температуры и давления от 1327,3 до 1501,0 кг/м3.При добавлении жидкого стекла в количестве 3 % наблюдались более высокие значения плотности и прочности, чем без гидрофобизатора и 1 % добавки. При этом при более мягких режимах прессования увеличение прочности было еще значительнее. Все режимы обеспечивали стандартные показатели предела прочности при статическом изгибе (кроме 100 °С и 26,1 МПа). Плотность изменялась от 1462,7 до 1529,0 кг/м3.Далее мы определяли влагостойкость образцов с гидрофобной добавкой. Этот параметр важен для создания влагостойких материалов, что расширит возможности использования биокомпозитов. При использовании в качестве гидрофобизатора натриевого жидкого стекла происходило снижение значений водопоглощения и разбухания по толщине в воде. Это связано с образованием натриевого силикатного камня, который препятствует проникновению воды в более глубокие слои плиты, однако температура прессования 100 и 120 °С не дала возможность измерить влагостойкость, поскольку образцы распались в воде. Увеличение содержания гидрофобизатора от 1 до 3 % повышало влагостойкость биокомпозитов. [7; 12]При увеличении температуры до 160 °С и давления прессования до 39,2 МПа водопоглощение и разбухание по толщине материалов снижались. По ГОСТ 32399-2013 «Плиты древесностружечные влагостойкие. Технические условия» разбухание по толщине для плит Р3 толщиной от 6 до 13 мм за 24 ч не более 17 %. При 160 °С, 26,1 МПа и 3 % жидкого стекла, а также при 39,2 МПа, 140–160 °С, 1 и 3 % добавки значения разбухания по толщине соответствовали данным требованиям. Самыми влагостойкими оказались образцы, прессованные при 39,2 МПа и 160 °С, – 9,5 % при 1 % жидкого стекла и 8,5 % при 3 %.Итак, при культивировании Azotobactervinelandii Д-08 на средах, содержащих отход сахарной промышленности мелассу, образуется полисахарид леван. Максимальный выход левана (17,73 г/л) наблюдался к 72 ч культивирования на 10 % мелассной среде, динамическая вязкость составила 0,80 дПа·с. С помощью горячего прессования получен биокомпозиционный материал на основе ультрадисперсных частиц древесины и культуральной жидкости, содержащей леван. Его можно отнести к разряду новых древесных композиционных биоматериалов. Биокомпозиты на основе левана обладают хорошими прочностными характеристиками. Установлено, что при внесении натриевого жидкого стекла значительно повышается водостойкость плит. Данные биокомпозиты можно использовать в строительстве, при производстве мебели, биодеградируемой тары и упаковки. Они будут серьезно конкурировать по себестоимости с древесными полимерными композитами (ДПК), которые являются одними из самых дорогих материалов в мире. Более того, возможно использование в качестве наполнителя древесной муки (отхода деревопереработки). Размеры частиц этого сырья сопоставимы с размерами УДЧ древесины. [14]ЗаключениеБиотехнология обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности - микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. Современный период в истории развития человеческого общества замечателен теми огромными достижениями, которые наблюдаются почти во всех областях науки и техники. Крупные открытия, определенные технические достижения были и раньше, но еще никогда они не достигали таких масштабов; развитие их не было столь бурно и прогрессивно, как в настоящее время.Бактерии рода Azotobacter относятся к 4 группе по классификации Берджи – грамотрицательные аэробные палочки и кокки. Это свободноживущие азотофиксаторы азотобактеры, к которым относятся Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia, но не Azospirillum. Азотофиксаторы составляют важнейшую для биогеохимической машины планеты функциональную группировку микроорганизмов. Данный микроорганизм является продуцентом высокоадгезивных полисахаридов, одним из которых является леван.Леваны — группа фруктанов. Это полимер фруктозы, образующей запасной полисахарид, состоящий из многих сотен тысяч мономеров [11].Список используемой литературыБезбородов А.М. Физиологически активные соединения – продукты микробиологического синтеза / Успехи микробиологии. - М., 1980. - Т.15.Берцова Ю. В., и др. Дыхательная защитанитрогеназного комплексау AZOTOBACTER VINELANDII. – 2007 – С.14Ботвинко И.В. Экзополисахариды бактерий //Успехи микробиол. 1985, № 20.Егорова Т. А., Клунова С. М. Основы биотехнологии. — М., 2003.Заварзин Г. А. Введение в природоведческую микробиологию: Учебное пособие / Г. А. Заварзин, Н. Н. Колотилова. – М.: Книжный дом «Университет», 2001.– 256 с.Кадникова И. А. Биотехнология структурообразующих полисахаридов для производства пищевой продукции. /Диссертация// - 2007 г. – С.53Калунянц К.А., Голгер Л.И. Микробные ферментные препараты М., 1979.Маслаков Д.А., Эйсмонт К.А. Биологическая активность некоторых полисахаридов и их клиническое применение.- Минск, 1977.Ревин В.В., Атыкян Н.А., Захаркин Д.О.Биотехнология биопрепаратов для сельского хозяйства. /Статья// -2014 г.Ревин В.В. и др. Биокомпозиционные материалы на основе ультрадисперсных частиц древесины и левана, полученного путем микробного биосинтеза AZOTOBACTER VINELANDII Д-08 – 2013 г.Рубан Е.Л. Микробные липиды и липазы.- М., 1977.Сборник трудов биологического факультета МГУ им. Н.П. Огарева – 2011 г.Ферменты медицинского назначения // Под ред. А.А.Терешина.- Л., 1975.Четвериков С. П. Оптимизация условий культивирования и биосинтеза экзополисахаридаAzotobactervinelandii / С. П. Четвериков, Я. О. Логинов, С. А. Пигильцова, Д. В. Черкасова, О. Н. Логинов // Башкирский химический журнал. - 2006.– Т. 13. - №5. – С. 8Stacey, M. Polysaccharides of microorganisms / M. Stacey, S.A. Barker // London: OxfordUniv. press. – 1960. – 312 p.Sutherland, I.W. Biosynthesis of microbial exopolysaccharides / I.W. Sutherland // Adv. Microbial.Physiol. – 1982. – Vol. 23. – P. 79 – 150.Иозеп АА., Куприянова Л.Н., Пономаренко М.Н., Ивин Б.А., Пассет Б.В. Синтез и анализ гидразидовкарбоксиметилпроизводных некоторых микробных полисахаридов. // ЖПХ. 1996. Т.69, №9. С. 1537-1542.Кириллова Л.Е., Корбелайнен Э.С., Иозеп A.A., Ивин Б.А. ОкислениеманнанаRhodotorularubra. II Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. "Результаты и перспективы научных исследований микробных полисахаридов" Л.: ЛХФИ, 1984. С. 80.ИозепA.A. Химическая модификация полисахаридов как путь создания пролекарств.// «Лекарственные препараты на основе модифицированных полисахаридов» Тез. докл. междунар. науч. конф. Минск, 1998. С.32-34.