Summary
Denne protokol præsenterer en nem, billig metode til at danne bakteriel cellulose (BC) kugler. Dette biomateriale kan fungere som et indkapslingsmedium til faste materialer, herunder biochar, polymerkugler og mineaffald.
Abstract
Bakteriel cellulose (BC) sfærer er blevet mere og mere undersøgt siden populariseringen af BC som et nyt materiale. Denne protokol præsenterer en overkommelig og enkel metode til BC-sfæreproduktion. Ud over at producere disse sfærer er der også identificeret en indkapslingsmetode for faste partikler. At producere BC kugler, vand, sort te, sukker, eddike og bakteriekultur kombineres i en forvirret kolbe, og indholdet agiteres. Efter at have bestemt de rette kulturbetingelser for BC-kugledannelse blev deres evne til at indkapsle faste partikler testet ved hjælp af biochar, polymerperler og mineaffald. Sfærer blev karakteriseret ved hjælp af ImageJ software og termisk gravimetrisk analyse (TGA). Resultaterne viser, at kugler med en diameter på 7,5 mm kan laves på 7 dage. Tilføjelse af forskellige partikler øger den gennemsnitlige størrelse vifte af BC kapsler. Kuglerne indkapslede 10 - 20% af deres tørre masse. Denne metode viser lavprissfæreproduktion og indkapsling, der er mulig med let opnåelige materialer. BC sfærer kan anvendes i fremtiden som et forurenende stof fjernelse støtte, kontrolleret frigivelse gødning belægning, eller jord ændring.
Introduction
Bakteriel cellulose (BC) er blevet kendt for sin potentielle industrielle brug på grund af sin mekaniske styrke, høj renhed og krystallinitet, væskeophobning evner, og indviklede fiber struktur1,2,3,4. Disse egenskaber gør BC til et gunstigt biomateriale til en række applikationer, herunder biomedicinsk, fødevareforarbejdning og miljørensning bruger1. Dannelse af en BC-film kan gøres med enkelt organisme kulturer eller blandede kulturer som dem, der anvendes til kombucha5, en gæret te drik. Brewing kombucha er afhængig af en "Symbiotisk kultur af bakterier og gær", almindeligvis kendt som en SCOBY. Ved hjælp af denne symbiotiske kultur af organismer anvendes en lignende teknik til at skabe BC-kugler. Dette biomateriale kan anvendes til at hjælpe med at isolere miljøforurenende stoffer og forankre landbrugsændringer som biochar for at opnå en mere effektiv afgrødeproduktion.
Tidligere litteratur har diskuteret, hvordan egenskaberne ved BC produceret under ophidsede forhold sammenlignes med BC produceret i en stationær kultur. En stationær kultur resulterer i en film, der dannes ved væske-luft-grænsefladen, mens en rystet kultur resulterer i forskellige BC-partikler, tråde og kugler suspenderet i væsken6. Mange undersøgelser har refereret til påstanden om, at kommerciel produktion af BC er mere mulig under de dynamiske forhold6,7, hvilket giver en begrundelse for at anvende dette papirs metode. Derudover er der gennemført forskellige undersøgelser af BC-sfærernes struktur og egenskaber. Toyosaki et al.6 sammenlignede forvirrede og glatvæggede Erlenmeyer kolber i deres ophidsede BC-produktion. En undersøgelse foretaget af Hu og Catchmark4 bestemte betingelser for BC-sfærer, der blev brugt som retningslinjer for den nuværende bc-sfæreproduktionsproces, og deres resultater tyder på, at kuglestørrelsen ikke fortsætter med at stige efter 60 timer. En gennemgang af BC produktion af Mohammad et al.1 viser, at ryste BC kultur sikrer selv iltforsyning og distribution, som er nødvendig for en vellykket BC vækst. Holland et al.8 har studeret krystallinitet og kemiske struktur BC ved hjælp af X-ray diffraktion og Fourier omdanne infrarød spektroskopi. Det antages BC kapsler vil udvise lignende egenskaber og fremtidig forskning vil undersøge strukturelle egenskaber. Undersøgelser har også undersøgt de gavnlige virkninger af at bruge BC til at producere forbedrede biokomponitter. Ved hjælp af epoxyharpiks som base har forskere vist, at tilsætningen af BC forbedrer materialeegenskaber som træthedslevetid, brudsejhed og træk og flexural styrke9,10. Som det fremgår af tidligere og nuværende forskning, mange er interesseret i kommercialisering BC brug.
Mange forskere har undersøgt bakteriel cellulose i kontrollerede frigivelsessystemer, og den metode, der er beskrevet her, genererer kapsler, der kan bruges som kontrollerede frigivelsessystemer. Meget af denne forskning fokuserer på kontrolleret frigivelse på det biomedicinske område, samt nogle udforskning i kontrolleret frigivelse gødning (CRF) administration. Baseret på succesen med BC's kontrollerede frigivelse af amoxicillin11, lidocain12, og ibuprofen13, BC kan udvise lignende levering egenskaber med andre stoffer, såsom en pelletiseret gødning. En oversigt over CRF's af Shaviv og Mikkelsen14 anerkender, at CRF's er mere effektive, sparer arbejdskraft og generelt forårsager mindre miljøforringelse end konventionel gødningsanvendelse. Bakteriel cellulose kan fungere som en gunstig indkapsle materiale til CRF's. Gødning kan sive ud af BC membraner eller udledning som BC bionedbrydes15,16. BC's høje vand hævelse kapacitet kan også fungere som en gavnlig jord ændring17,18,19, fordi både gødning næringsstoffer og fugt kan frigive i jorden ved anvendelse af BC kugler. Med disse træk, en CRF dannet af BC kugle indkapsling kan have en fordel i forhold til andre gødning belægning materialer, der kan have negative virkninger i løbet af deres produktion og bortskaffelse faser. Tilpasning af BC til en gødningsbelægning kan yderligere forbedre CRF-teknologier. Ved at sænke udledningshastigheden for gødning vil afgrøderne have tilstrækkelig tid til at optage gødningen og forhindre overskydende afstrømning i vandområder og derved reducere eutrofiering og uoxygenerede zoner. Lignende gødninger med langsom frigivelse er blevet fremstillet og afprøvet ved hjælp af polymerbelægninger20.
I modsætning til protokoller, der er skitseret i tidligere forskning, fokuserer denne på ensartet, sammenhængende sfæreproduktion snarere end højt celluloseudbytte. Desuden bc indkapsling af andre faste stoffer er blevet undersøgt med cellulose film, men ikke kugler21. Ved at udvide forskningen i bakterielle cellulosesfærer kan der tages yderligere skridt til at producere BC kommercielt, hvilket er gavnligt på grund af BC's miljømæssigt sikre funktioner. Denne metode til BC sfære fabrikation udnytter billige, let tilgængelige kulinariske ingredienser. Efter den første samling begynder BC-kugler at danne sig inden for 2 dage uden indblanding. Produktion bc sfærer gennem denne strategi kræver lidt plads og har en spiselig biprodukt, den gærede te 'kombucha'. De indkapslingsteknikker,der er nævnt i andre undersøgelser , omfatter belægninger dannet ved faseinversionsteknik22,23, matrixdannelse24, spraytørring25og direkte indkapsling under syntese26. Den direkte indkapslingsmetode, der er skitseret i dette manuskript, er nyttig for dem, der ønsker en nem, billig proces, der bruger let tilgængelige materialer.
Gennem denne forskning blev der oprettet en vellykket protokol for BC-sfæreproduktion og indkapsling. BC kugler kan indkapsle faste partikler af biochar, mine tailings, og polystyren mikroperler inden for deres individuelle strukturer. Selv om bc endnu ikke er meget udbredt i industrien, er det et praktisk, bæredygtigt fremstillet og naturligt forekommende materiale, der kan bruges til fremtidige anvendelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Skabelse og vedligeholdelse af bakteriel cellulosestarterkultur
- Få en forretskultur af bakteriel cellulose, ca. 50 g, i form af en SCOBY. Det kan købes kommercielt (f.eks. fra Cultures for Health). Placer SCOBY i et 1 L bægerglas, dækket med et køkkenrulle.
- Der koges 700 mL deioniseret vand, det overføres til et andet fartøj end det, der indeholder SCOBY, og der tilsættes 85 g saccharose.
- Når saccharose er opløst, tilsættes 2 poser sort te (4,87 g). Stejl te i 1 time, fjern derefter forsigtigt teposerne ved hjælp af en rørestang.
- Tilsæt 200 mL destilleret hvid eddike til teen. Lad blandingen afkøle til 25 °C. Når den er afkølet, tilsættes 700 mL af rumtemperaturte til bægeret, der indeholder SCOBY.
ADVARSEL: Tilsætning af sur te, mens den er for varm, kan skade organismerne i SCOBY. - Bægerglasset dækkes med et køkkenrulle, og fastgør det med et elastikbånd, og læg bægeret i et opbevaringsområde, der opretholder en temperatur på 25 °C. Dette fartøj er almindeligvis benævnt lager kultur eller et hotel.
- For at holde SCOBY sund kræves vedligeholdelse ca. 2 gange om måneden.
- Brug behandskede hænder til at holde SCOBY måtterne tilbage, dræn væsken fra hotellet til et separat bægerglas. I beholderen med væsken tilsættes nok sur te til i alt 700 ml opløsning.
- 65 g saccharose opløses i beholderen med sur te. Mens du venter på, at saccharosesen opløses, skal SCOBY-måtterne skylles forsigtigt i DI-vand.
- Når saccharose er helt opløst, kan væsken tilsættes til bægeret, der indeholder de skyllede SCOBY-måtter. Dæk bægeret og returnere det til inkubationsområdet.
2. Produktion af bakterielle cellulosekugler
BEMÆRK: Vær forsigtig, når du arbejder med kogende vand. Sørg for, at glasvarer kan modstå de kogende vandtemperaturer, er fri for fejl og har den rette størrelse. Figur 1indeholder en skematisk beskrivelse af produktionen af BC-kugler.
- Kog 350 mL deioniseret vand ved hjælp af en tekedel. Overfør det varme vand til et 500 mL bægerglas. 42,5 g granuleret saccharose opløses i det varme vand ved hjælp af en omrørsstang.
- Når saccharose er helt opløst, stejle 1 pose sort te (2,54 g) i kolben indeholder saccharose og vand i 1 time. Derefter fjernes teposen med en rørestang, idet du sørger for at undgå at bryde teposen op og derefter bortskaffe den i papirkurven.
- Tilsæt 100 mL destilleret hvid eddike til bægeret, og rør derefter blandingen grundigt. 80 mL af den sure teblanding overføres til en 250 mL forvirret kolbe. Lad teblandingen køle af til stuetemperatur, 20 - 25 °C.
BEMÆRK: På dette tidspunkt kan blandingen efterlades til afkøling natten over eller indtil den er forberedt til næste trin. - Når væsketemperaturen er ved stuetemperatur (20 - 25 °C), tilsættes 20 mL mikrobiel starterkulturvæske til den forvirrede kolbe. Denne væske kan fås på et SCOBY hotel. Dæk kolben med parafilm.
- Placer den forvirrede kolbe på et orbital shake bord og sæt hastigheden til 125 rotationer i minuttet (rpm). Lad blandingen ryste i 3 dage i et rum eller inkubator med en temperatur fra 20 - 25 °C til at producere BC kugler.
BEMÆRK: Hvis der dannes uregelmæssige former i kolbens indhold, eller hvis celluloseklumper klæber til kolbens vægge, skal de fjernes for at forhindre, at der dannes yderligere uregelmæssige BC-masser. Brug pincet til at fjerne uønskede BC masser, herunder tynde strenge, ringe, rørformede former, og andre klart ikke-sfæriske former. - Når kuglerne er dannet, hæld dem forsigtigt fra kolben og analyser, kassér eller brug dem på en måde, der ikke er skitseret i dette papir.
3. Brug af bakterielle cellulosekugler til at indkapsle partikler eller forurenende stoffer
- Følg trin 2.1-2.5 ovenfor.
- Efter at have rystet i 3 dage tilsættes ca. 0,01 g fint knuste partikler til den forvirrede kolbe. Passende faste stoffer omfatter biochar (260 ± 140 μm), mineaffald (350 ± 140 μm) og polystyrenmikroper (3 μm). Data for disse materialer er beskrevet i afsnittet Repræsentative resultater. Se vedlagte materialetabel for yderligere beskrivelser af biochar, mineaffald og mikroperler.
- Kolben dækkes igen med parafilmen, og den anbringes på en orbital shaker med samme hastighed og omgivelsestemperatur (20 - 25 °C) i yderligere tre dage. Fjern BC indkapslede partikler til analyse, bortskaffelse eller andre anvendelser.
Figur 1. Bakteriel cellulosekugle fabrikation og indkapsling af faste partikler. Trin 1 indebærer at kombinere bakteriel bestand kultur med sort te, sukker og eddike medier i en forvirret kolbe. Diskene i lagerkulturen repræsenterer BC-måtter. Derefter placeres den forvirrede kolbe på et orbital shakebord i 3 dage. Det midterste trin viser faste stoffer, der tilsættes til kolben, når BC-kuglerne er dannet. Kolben rystes i yderligere 3 dage. I det sidste trin er BC-kuglerne fortsat stigende i størrelse og indkapslet de faste partikler. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
BC-sfærer har den hurtigste vækstrate i de første 48 timer af kulturen(figur 2). Figur 2 viser også, hvordan kuglerne har tendens til at nå en maksimal gennemsnitlig størrelse og derefter forblive konstante. I dette eksperiment nåede kuglerne en gennemsnitlig diameter på 7,5 ± 0,2 mm. Selvom BC-kuglerne aldrig helt forværres inden for 10 dages vækstperiode, begyndte de at danne tendrils, der strækker sig fra kuglens hovedkrop omkring den ottende dag. Dette kan ses i figur 2E, mest mærkbart på den store kugle øverst til venstre.
Anvendelse af den indkapslingsmetode, der er beskrevet i dette dokument, resulterer i et gennemsnit på 57 ± 4 bakterielle cellulosekugler med en diameter på mellem 3 og 12 mm (figur 3). Det fremgår også af figur 3, at tilsætningen af faste stoffer til BC-kugler ikke har en konsekvent effekt på kuglestørrelsen eller -hyppigheden. Den orbitale rystehastighed, omgivelsestemperatur og dannelse af uregelmæssige partikler synes at være de vigtigste faktorer, der påvirker form, størrelse og hyppighed af sfæriske partikler. Figur 4 viser, hvor høj en stuetemperatur og ukorrekt fjernelse af uregelmæssige masser kan ændre BC fra en intakt kugle (Figur 4B) til stjernepartikler (Figur 4A) eller trævlede klumper (Figur 4C).
For at bestemme fraktionen af indkapslede faste stoffer i BC-kuglerne blev der udført en termisk gravimetrisk analyse på fire forskellige prøver af BC. De fire testede prøver var BC, BC med biochar, BC med polystyren mikroperler, og BC med mineaffald. Figur 5 viser, hvordan de enkelte prøver opførte sig, når de blev udsat for en høj temperatur i nitrogengas. Det fremgår af den stiplede linje, der repræsenterer sfærer BC med mineaffald, at 18,7% af denne prøve var mineaffald efter vægt, hvilket afslører vellykket indkapsling. Den snørede linje viser, at 14,5% af prøven indeholdt biochar. Disse procentsatser blev beregnet ved at trække den almindelige BC masse procent fra masseprocenten af prøver med tilsatte faste stoffer. Da BC og polystyren nedbrydes ved lignende temperaturer, blev derivatmassekurver dekonvoluteret for at adskille nedbrydningen af polymer fra cellulose (Figur 6). Denne analyse viser, at 13 % af massetabet i denne prøve svarer til den termiske nedbrydning af polystyren. Da den termiske nedbrydning af pæn polystyren fører til et massetab på ca. 100%27, anslås det, at alle 13% af prøvens masse svarer til indkapslede polystyrenperler. Figur 7 viser, at den blå polystyrenmikrobeadopløsning resulterede i blå f.Kr. (figur 7D). Disse tørrede BC masser er de prøver, der blev brugt til TGA.
Figur 2. Bakteriel cellulosevækst. (A) Diameter af bakteriel cellulose kapsler over tid; fotografier af bakteriel cellulosekapsler ved (B) 1 dag , (C ) 3 dage , (D), 7 dage og (E) 10 dage. Bakteriel cellulose blev dyrket ved 20 - 25 °C i en forvirret Erlenmeyer kolbe på en orbital shaker ved 125 omdrejninger i minuttet. Billeder af bakterielle cellulosekugler blev taget med en Gel Doc XR og størrelsesanalyse blev udført ved hjælp af ImageJ. Data i panel A repræsenteres som middelværdi med fejllinjer, der angiver standardafvigelsen (n ≥ 8). Skalalinjer repræsenterer 10 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Størrelsesfordeling af kapsler på 7 dage. Med (A) ingen tilsatte faste stoffer; b) biochar; c) mikroperler af plast og(D)fast mineaffald. Bakteriel cellulose blev dyrket ved temperaturer fra 20 - 25 °C i en forvirret Erlenmeyer kolbe på en orbital shaker ved 145 omdrejninger i minuttet. Vækstmedier indeholdt 0,0101-0,0114% tilsætningsstoffer. Billeder af bakterielle cellulosekugler blev taget med en Gel Doc XR og størrelsesanalyse blev udført ved hjælp af ImageJ. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Mulige resultater fra suboptimale eksperimenter. (A) Bakterielle cellulose stellatepartikler dannet ved 30 °C og 140 omdrejninger i minuttet b) bc-kugleformet ved 20 - 25 °C og 125 omdrejninger i minuttet ; (C) BC-globules dannet ved 20 - 25 °C og 140 omdr./min., når uregelmæssige former ikke fjernes fra kolben, som de dannes. Sort-hvide billeder blev taget med en Gel Doc XR og farvefotoet blev taget med en Surface Pro. Alle billeder blev analyseret ved hjælp af ImageJ, og alle skalalinjer repræsenterer 10 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Brøkdel af indkapslede faste stoffer. (A)Termiske gravimetriske spor af kapsler; med (B) ingen tilsatte faste stoffer; c) biochar; d) mikroperler af plast og(E)mineaffald. Før TGA blev prøverne tørret på et køkkenrulle i 3 dage for at fjerne overskydende vand. Termiske gravimetriske analyser blev udført med en opvarmningsrampe på 4 °C/min. til 800 °C i nitrogengas. Billeder af bakterielle cellulose kugler blev taget med en Gel Doc XR. De røde pile peger på indkapslede faste partikler. Skalalinjer repræsenterer 10 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Masseprocent af indkapsling som bestemt ved sammenligning af differentierede TGA-profiler af (A) BC med polystyrenmikroperber og (B) almindelig f.Kr. Den differentierede TGA-profil af almindelig BC kan udstyres med fire gaussiske kurver, der vises i næsten identiske størrelser i BC med polystyrenperler. Men en femte top (vist med rødt) centreret omkring nedbrydningstemperaturen af polystyren vises også i sidstnævnte. Denne top er blevet tilskrevet termisk nedbrydning i forbindelse med polystyrenperlerne. Området nedenunder, 13%, svarer til procent massetab forbundet med polystyren. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. BC prøver tørring på et køkkenrulle i en overdækket petriskål. (A) og (B) Almindelig bakteriel cellulose; c) BC med biochar; d) BC med mikroperler af plast; og(E)BC med mineaffald. Billedet blev taget med en Surface Pro og analyseret ved hjælp af ImageJ. Skalalinjen repræsenterer 1 cm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne protokol skitserer BC sfære produktion og indkapsling metoder, der er nemme at gennemføre og omkostningseffektive. Gennem forskellige justeringer af den oprindelige protokol er der identificeret en passende proces. Der skal tages kritiske skridt for at sikre levedygtige sfærer. Alle de ingredienser, der er involveret i BC-dannelse, spiller en central rolle i sfærernes sundhed og holdbarhed. Saccharoseen fodrer organismer, teen giver nitrogen, og eddiken sænker pH til optimale forhold for at forhindre uønskede forurenende stoffer28. En anden vigtig variabel i denne metode er temperaturen. Teen skal afkøles til stuetemperatur (ca. 25 °C), før der tilsættes mikrobiel starterkultur. Hvis organismerne udsættes for høje temperaturer, kan BC kuglevæksten hæmmes. Temperaturen i det rum, hvor kolben ryster, påvirker ogsåkuglevæksten 3,28,29. Rystelser ved stuetemperaturer over 30 °C får uregelmæssige BC-former til at danne sig(figur 4A). I indkapslingsprocessen er et vigtigt trin at tillade BC-kugler at danne, før der tilføjes faste partikler. Dette skyldes observationen af, at tilstedeværelsen af fremmedlegemer i kolben hæmmede BC-væksten.
Forskellige kulturforhold påvirker succesen af BC sfære produktion, som også vist ved Hu og Catchmark4. BC dannet bedst i forvirrede kolber på en orbital ryste bord. Tilstedeværelsen af røglede bafler accelereret kugleudvikling sammenlignet med glatvæggede kolber6. Konventionel omrøring med en magnetisk stang forhindrede kugledannelse. Derudover påvirkede forskellige forhold mellem mikrobiel starterkultur og teblanding sfæregenerering og overflod. I første omgang blev 3 ml starterkultur (2,10 masseprocent opløsning) tilføjet til 140 ml temedier. Efter fortsatte forsøg blev den mikrobielle starterkulturmængde øget, mens mængden af temedierne blev reduceret. De endelige anvendte mængder var 20 mL mikrobiel starterkultur (20 masse %) og 80 mL teblanding. For rotationshastighed var BC-kugledannelsen ikke vellykket, når den blev rystet ved hastigheder under 100 omdrejninger i minuttet. Hastigheder på 125, 140 og 150 omdrejninger i minuttet producerer kugler, men har varians i kuglestørrelse, antal og form, som rapporteret tidligere6,29.
Som en BC-dannelsesproces er ophidset kultur at foretrække frem for statisk kultur, som tidligere nævnt2. Sammenlignet med de metoder, der forklares i andre undersøgelser, er denne mindre kompliceret og kræver færre materialer. Anden litteratur nævner forberedelse af en bestand kultur BC ved først gæring en statisk eller ophidset medium og derefter høste BC celler til podning i hovedkulturen3,4,6,28,29,30. Nogle celle høst metoder omfatter kraftig ryste derefter filtrering30, blanding derefter filtrering4, og centrifugering3,29. BC-cellerne, der er indarbejdet i denne produktionsproces, er altid tilgængelige i de mikrobielle starterkulturbeholdere, så cellehøst er ikke nødvendig. Desuden, ved at bidrage med en anden metode til BC sfære dannelse til den eksisterende litteratur, kommerciel BC brug er mere opnåelig. Dette er gavnligt på grund af BC's miljøvenlige materialeegenskaber29,31.
Selvom BC er et interessant og potentielt værdifuldt biomateriale, er der stadig udfordringer for dets udbredte anvendelse, da tidligere undersøgelser viser18,32. I denne metode er der uoverensstemmelser med BC kugle størrelse og form. Rørformede og strandlignende strukturer dannes undertiden i medierne2,18,32. BC klæber også til væggene i kolberne og danner ringe, der undertiden bliver suspenderet i væsken, og bør fjernes for at forhindre yderligere uregelmæssigheder i at danne sig. Mens ensartede sfærer muliggør en konsekvent videnskabelig analyse, er de muligvis ikke nødvendige til visse industrielle anvendelser. En anden udfordring er kulturtiden, hvor minimumsvarigheden er mindst 2 dage. For at overvinde ventetiden kunne producenterne producere kugler i forskudte partier eller en kontinuerlig flowreaktor for en stabil forsyning af BC-kugler. Selv i betragtning af disse udfordringer præsenterer BC-sfærer en interessant metode til bæredygtig produktion af bakteriel cellulose og evnen til at indkapsle forskellige materialer inden for BC-matrixen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde er en fortsættelse af en Montana Tech Research Assistant Mentorship Program projekt af Adolfo Martinez, Catherine Mulholland, Tyler Somerville, og Laurel Bitterman. Forskning blev sponsoreret af National Science Foundation under Grant No. OIA-1757351 og Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory (Samarbejdsaftale Nummer W911NF-15-2-0020). Eventuelle udtalelser, resultater og konklusioner, eller anbefalinger udtrykt i dette materiale er dem af forfatterne og ikke nødvendigvis afspejler de synspunkter, som National Science Foundation eller Army Research Lab. Vi vil også gerne takke Amy Kuenzi, Lee Richards, Katelyn Alley, Chris Gammons, Max Wohlgenant og Kris Bosch for deres bidrag.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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.
- 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.
- 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).
