Summary
Dit protocol presenteert een eenvoudige, goedkope methode om bacteriële cellulose (BC) bollen te vormen. Dit biomateriaal kan functioneren als een inkapselingsmedium voor vaste materialen, waaronder biochar, polymeerbollen en mijnafval.
Abstract
Bacteriële cellulose (BC) bollen worden steeds meer onderzocht sinds de popularisering van BC als nieuw materiaal. Dit protocol presenteert een betaalbare en eenvoudige methode voor bc sphere productie. Naast het produceren van deze bollen is ook een inkapselingsmethode voor vaste deeltjes geïdentificeerd. Om BC-bollen te produceren, worden water, zwarte thee, suiker, azijn en bacteriecultuur gecombineerd in een verbijsterde kolf en wordt de inhoud geagiteerd. Na het bepalen van de juiste kweekomstandigheden voor BC-bolvorming, werd hun vermogen om vaste deeltjes in te kapselen getest met behulp van biochar, polymeerparels en mijnafval. Bollen werden gekenmerkt met behulp van ImageJ-software en thermische gravimetrische analyse (TGA). De resultaten geven aan dat bollen met een diameter van 7,5 mm in 7 dagen kunnen worden gemaakt. Het toevoegen van verschillende deeltjes verhoogt het gemiddelde groottebereik van de BC-capsules. De bollen inkapselde 10 - 20% van hun droge massa. Deze methode toont goedkope sfeerproductie en inkapseling die mogelijk is met gemakkelijk verkrijgbare materialen. BC-bollen kunnen in de toekomst worden gebruikt als hulpmiddel voor het verwijderen van verontreinigingen, het aanbrengen van kunstmest met gereguleerde afgifte of het wijzigen van de bodem.
Introduction
Bacteriële cellulose (BC) is genoteerd voor zijn potentiële industriegebruik toe te schrijven aan zijn mechanische sterkte, hoge zuiverheid en kristallinity, waterretentiecapaciteiten, en ingewikkelde vezelstructuur1,2,3,4. Deze kenmerken maken BC een gunstig biomateriaal voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder biomedische, voedselverwerking en milieusaneringstoepassingen1. De vorming van een BC-film kan worden gedaan met culturen van één organisme of gemengde culturen zoals die worden gebruikt voor kombucha5,een gefermenteerde theedrank. Het brouwen van kombucha is gebaseerd op een "Symbiotische cultuur van bacteriën en gist", algemeen bekend als een SCOBY. Met behulp van deze symbiotische cultuur van organismen wordt een vergelijkbare techniek gebruikt om BC-sferen te creëren. Dit biomateriaal kan worden gebruikt om milieuverontreinigingen te helpen isoleren en landbouwamendementen zoals biochar te verankeren om een efficiëntere gewasproductie te bereiken.
Eerdere literatuur heeft besproken hoe de kenmerken van BC geproduceerd in geagiteerd omstandigheden zich verhouden tot BC geproduceerd in een stationaire cultuur. Een stationaire cultuur resulteert in een film die zich vormt op de vloeistof-lucht interface, terwijl een geschud cultuur resulteert in verschillende BC deeltjes, strengen en bollen opgehangen in de vloeistof6. Veel studies hebben verwezen naar de bewering dat commerciële productie van BC haalbaarder is in de dynamische omstandigheden6,7, wat een reden is voor de toepassing van de methode van dit document. Daarnaast zijn er diverse onderzoeken gedaan naar de structuur en eigenschappen van BC bollen. Toyosaki et al.6 vergeleken verbijsterde en gladwandige Erlenmeyer kolven in hun roerige BC-productie. Een studie van Hu en Catchmark4 bepaalde de omstandigheden voor BC-bollen die werden gebruikt als richtlijnen voor het huidige BC-bolproductieproces, en hun resultaten geven aan dat de bolgrootte na 60 uur niet blijft toenemen. Een overzicht van bc productie door Mohammad et al.1 geeft aan dat het schudden van de BC cultuur zorgt voor een gelijkmatige zuurstoftoevoer en -distributie, wat nodig is voor een succesvolle BC-groei. Holland et al.8 hebben de kristalliniteit en chemische structuur van BC bestudeerd met behulp van röntgendiffractie en Fourier transformeren infraroodspectroscopie. Er wordt aangenomen dat BC-capsules vergelijkbare kenmerken zullen vertonen en toekomstig onderzoek zal structurele eigenschappen onderzoeken. Studies hebben ook de gunstige effecten onderzocht van het gebruik van BC om verbeterde biocomposieten te produceren. Met epoxyhars als basis hebben onderzoekers laten zien dat de toevoeging van BC de materiaaleigenschappen verbetert, zoals vermoeidheid, taaiheid van breuken en trek- en buigsterkte9,10. Zoals blijkt uit eerder en huidig onderzoek, zijn velen geïnteresseerd in het commercialiseren van BC-gebruik.
Veel onderzoekers hebben bacteriële cellulose onderzocht in systemen met gereguleerde afgifte, en de hier beschreven methode genereert capsules die kunnen worden gebruikt als systemen voor gecontroleerde afgifte. Veel van dit onderzoek richt zich op gecontroleerde afgifte op biomedisch gebied, evenals enige exploratie in controlled release fertilizer (CRF) toediening. Op basis van het succes van bc's gecontroleerde afgifte van amoxicilline11, lidocaïne12, en ibuprofen13, BC kan soortgelijke leveringskenmerken vertonen met andere stoffen, zoals een pelletmeststof. Een overzicht van CRF's van Shaviv en Mikkelsen14 erkent dat CRF's efficiënter zijn, arbeid besparen en over het algemeen minder aantasting van het milieu veroorzaken dan conventionele kunstmesttoepassingen. Bacteriële cellulose kan werken als een gunstig inkapselingsmateriaal voor CRF's. Meststoffen kunnen uit de BC-membranen uitlogen of ontladen als BC-biodegraden15,16. Bc's hoge water zwelling capaciteit kan ook fungeren als een gunstige bodem amendement17,18,19 omdat zowel meststof voedingsstoffen en vocht kan vrijgeven in de grond door toepassing van BC sferen. Met deze eigenschappen kan een CRF gevormd door BC-bolinkapseling een voordeel hebben ten opzichte van andere materialen voor het coaten van meststoffen die negatieve effecten kunnen hebben tijdens hun productie- en verwijderingsfasen. Het aanpassen van BC in een kunstmestcoating kan crf-technologieën verder verbeteren. Door de afgiftesnelheid van meststoffen te verlagen, hebben gewassen voldoende tijd om de meststof op te nemen en overtollige afvloeiing in waterlichamen te voorkomen, waardoor eutrofiëring en niet-oxygeneerde zones worden verminderd. Soortgelijke slow-release meststoffen zijn bereid en gepiloteerd met polymeercoatings20.
In tegenstelling tot protocollen die in eerder onderzoek werden beschreven, richt deze zich op uniforme, samenhangende bolproductie in plaats van een hoge celluloseopbrengst. Bovendien is bc-inkapseling van andere vaste stoffen bestudeerd met cellulosefilms, maar niet met bollen21. Door het onderzoek naar bacteriële cellulosebollen uit te breiden, kunnen verdere stappen worden gezet om BC commercieel te produceren, wat gunstig is vanwege de milieuvriendelijke eigenschappen van BC. Deze methode van BC sphere fabricatie maakt gebruik van goedkope, direct beschikbare culinaire ingrediënten. Na de eerste montage beginnen BC-bollen zich binnen 2 dagen zonder interferentie te vormen. Het produceren van BC-bollen via deze strategie vereist weinig ruimte en heeft een eetbaar bijproduct, de gefermenteerde thee 'kombucha'. Inkapselingstechnieken die in andere studies worden genoemd , omvatten coatings die zijn gevormd door de fase-inversietechniek22,23, matrixvorming24, sproeidrogen25, en directe inkapseling tijdenssynthese 26. De directe inkapselingsmethode die in dit manuscript wordt beschreven, is nuttig voor diegenen die een eenvoudig, goedkoop proces wensen dat gebruik maakt van direct beschikbare materialen.
Door dit onderzoek is een succesvol protocol voor BC sphere productie en inkapseling tot stand gekomen. BC-bollen kunnen vaste deeltjes biochar, mijnstaarten en polystyreenmicroben in hun individuele structuren inkapselen. Hoewel bc nog niet veel wordt gebruikt in de industrie, is het een praktisch, duurzaam gemaakt en natuurlijk materiaal dat kan worden gebruikt voor toekomstige toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Creatie en onderhoud van bacteriële cellulosestartcultuur
- Verkrijg een startkweek van bacteriële cellulose, ongeveer 50 g, in de vorm van een SCOBY. Het kan commercieel worden gekocht (bijv. bij Cultures for Health). Plaats de SCOBY in een bekerglas van 1 L, bedekt met een papieren handdoek.
- Kook 700 ml gedeioneerd water, breng het over naar een apart vat van het vat met de SCOBY en voeg 85 g sacharose toe.
- Zodra de sacharose is opgelost, voeg je 2 zakjes zwarte thee (4,87 g) toe. Laat de thee 1 uur trekken en verwijder de theezakjes voorzichtig met een roerstaafje.
- Voeg 200 ml gedestilleerde witte azijn toe aan de thee. Laat het mengsel afkoelen tot 25 °C. Voeg na afkoeling 700 ml thee op kamertemperatuur toe aan het bekerglas met de SCOBY.
LET OP: Het toevoegen van de zure thee terwijl het te warm is, kan schadelijk zijn voor de organismen in de SCOBY. - Bedek het bekerglas met een papieren handdoek en zet het vast met een elastische band en plaats het bekerglas in een opslagruimte met een temperatuur van 25 °C. Dit schip wordt gewoonlijk aangeduid als voorraadcultuur of een hotel.
- Om de SCOBY gezond te houden is onderhoud ongeveer 2 keer per maand nodig.
- Gebruik gehandschoende handen om de SCOBY-matten tegen te houden en giet de vloeistof uit het hotel af in een apart bekerglas. Voeg in de container met de vloeistof voldoende zure thee toe voor in totaal 700 ml oplossing.
- Los 65 g sacharose op in de container met de zure thee. Terwijl u wacht tot de sacharose is opgelost, spoelt u de SCOBY-matten voorzichtig af in DI-water.
- Zodra de sacharose volledig is opgelost, kan de vloeistof worden toegevoegd aan het bekerglas met de gespoelde SCOBY-matten. Bedek het bekerglas en breng het terug naar het incubatiegebied.
2. Productie van bacteriële cellulosebollen
OPMERKING: Wees voorzichtig bij het werken met kokend water. Zorg ervoor dat glaswerk bestand is tegen de kokende watertemperaturen, vrij is van defecten en de juiste maat heeft. Figuur 1geeft een schema dat de productie van BC-bollen beschrijft .
- Kook 350 ml gedeioneerd water met een waterkoker. Breng het warme water over op een bekerglas van 500 ml. Los 42,5 g gegranuleerde sacharose op in het hete water met behulp van een roerstaaf.
- Wanneer de sacharose volledig is opgelost, laat u 1 zakje zwarte thee (2,54 g) gedurende 1 uur in de kolf met de sacharose en het water trekken. Verwijder hierna het theezakje met een roerstaafje, zorg ervoor dat het theezakje niet openbreekt en gooi het vervolgens in de prullenbak.
- Voeg 100 ml gedestilleerde witte azijn toe aan het bekerglas en roer het mengsel vervolgens grondig. Breng 80 ml van het zure theemengsel over in een verbijsterde kolf van 250 ml. Laat het theemengsel afkoelen tot kamertemperatuur, 20 - 25 °C.
OPMERKING: Op dit punt kan het mengsel 's nachts worden laten afkoelen of tot het is voorbereid op de volgende stap. - Zodra de vloeistoftemperatuur op kamertemperatuur is (20 - 25 °C), voegt u 20 ml microbiële startkweekvloeistof toe aan de verbijsterde kolf. Deze vloeistof kan worden verkregen bij een SCOBY hotel. Bedek de kolf met parafilm.
- Plaats de verbijsterde kolf op een orbitale schudtafel en stel de snelheid in op 125 omwentelingen per minuut (tpm). Laat het mengsel 3 dagen schudden in een kamer of incubator met een temperatuur van 20 - 25 °C om BC-bollen te produceren.
OPMERKING: Als zich onregelmatige vormen vormen in de inhoud van de kolf of als celluloseklonters aan de wanden van de kolf blijven plakken, moeten deze worden verwijderd om verdere onregelmatige BC-massa's te voorkomen. Gebruik een pincet om ongewenste BC-massa's te verwijderen, waaronder dunne snaren, ringen, buisvormige vormen en andere duidelijk niet-bolvormige vormen. - Zodra de bollen zich hebben gevormd, giet u ze voorzichtig uit de kolf en analyseert, verwijdert of gebruikt u ze op een manier die niet in dit papier is beschreven.
3. Bacteriële cellulosebollen gebruiken om deeltjes of verontreinigingen in te kapselen
- Volg de stappen 2.1-2.5 hierboven.
- Voeg na 3 dagen schudden ongeveer 0,01 g fijngemalen deeltjes toe aan de verbijsterde kolf. Geschikte vaste stoffen zijn biochar (260 ± 140 μm), mijnafval (350 ± 140 μm) en polystyreen microbeads (3 μm). De gegevens voor deze materialen worden beschreven in de sectie Representatieve resultaten. Zie de bijgevoegde tabel met materialen voor verdere beschrijvingen van biochar, mijnafval en microbeads.
- Bedek de kolf opnieuw met de parafilm en plaats deze nog 3 dagen terug op een orbitale shaker met dezelfde snelheid en omgevingstemperatuur (20 - 25 °C). Verwijder de BC ingekapselde deeltjes voor analyse, verwijdering of ander gebruik.
Figuur 1. Bacteriële cellulose bol fabricage en inkapseling van vaste deeltjes. Stap 1 omvat het combineren van bacteriële stamcultuur met zwarte thee, suiker en azijnmedia in een verbijsterde kolf. De schijven in de stamcultuur vertegenwoordigen BC matten. Vervolgens wordt de verbijsterde kolf gedurende 3 dagen op een orbitale schudtafel geplaatst. De middelste trede toont vaste stoffen die aan de kolf worden toegevoegd zodra BC-bollen zijn gevormd. De kolf wordt nog 3 dagen geschud. In de laatste stap zijn BC-bollen steeds groter worden en de vaste deeltjes ingekapseld. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
BC-bollen hebben de snelste groeisnelheid tijdens de eerste 48 uur van de cultuur (figuur 2). Figuur 2 laat ook zien hoe de bollen de neiging hebben om een maximale gemiddelde grootte te bereiken en vervolgens constant te blijven. In dit experiment bereikten de bollen een gemiddelde diameter van 7,5 ± 0,2 mm. Hoewel de BC-sferen nooit volledig verslechteren binnen de groeiperiode van 10 dagen, begonnen ze wel ranken te vormen die zich rond de achtste dag uitstrekken van het hoofdlichaam van de bol. Dit is te zien in figuur 2E, het meest opvallend op de grote bol linksboven.
Toepassing van de in dit document beschreven inkapselingsmethode resulteert in gemiddeld 57 ± 4 bacteriële cellulosebollen met een diameter van 3 tot 12 mm (figuur 3). In figuur 3 is ook te zien dat de toevoeging van vaste stoffen aan BC-bollen geen consistent effect heeft op de bolgrootte of frequentie. De baanschuddsnelheid, omgevingstemperatuur en vorming van onregelmatige deeltjes lijken de belangrijkste factoren te zijn die van invloed zijn op vorm, grootte en frequentie van bolvormige deeltjes. Figuur 4 laat zien hoe een te hoge kamertemperatuur en onjuiste verwijdering van onregelmatige massa 's de BC kunnen veranderen van een intacte bol (figuur 4B) in stellate deeltjes (figuur 4A) of sliertige klonten (figuur 4C).
Om de fractie van ingekapselde vaste stoffen in de BC-bollen te bepalen, werd een thermische gravimetrische analyse uitgevoerd op vier verschillende monsters van BC. De vier geteste monsters waren BC, BC met biochar, BC met polystyreen microbeads en BC met mijnafval. Figuur 5 laat zien hoe de afzonderlijke monsters zich gedroegen bij blootstelling aan een hoge temperatuur in stikstofgas. Het is te zien aan de stippellijn die bollen BC met mijnafval vertegenwoordigt dat 18,7% van dat monster mijnafval in gewicht was, wat een succesvolle inkapseling aan het licht kwam. De stippellijn laat zien dat 14,5% van dat monster biochar bevatte. Deze percentages werden berekend door het gewone BC-massapercentage af te trekken van het massapercentage van monsters met toegevoegde vaste stoffen. Omdat BC en polystyreen bij vergelijkbare temperaturen ontleden, werden derivatenmassacurven gedeconvoluteerd om de afbraak van polymeer van die van cellulose te scheiden (figuur 6). Uit deze analyse blijkt dat 13% van het massaverlies in dit monster overeenkomt met de thermische afbraak van polystyreen. Omdat de thermische afbraak van net polystyreen leidt tot een massaverlies van ongeveer 100%27, wordt geschat dat alle 13% van de massa van het monster overeenkomt met ingekapselde polystyreenparels. Figuur 7 laat zien dat de blauwe polystyreen microbead oplossing resulteerde in blauwe BC (Figuur 7D). Deze gedroogde BC massa's zijn de monsters die werden gebruikt voor TGA.
Figuur 2. Bacteriële cellulosegroei. (A) Diameter van bacteriële cellulosecapsules in de loop van de tijd; foto's van capsules van bacteriële cellulose op (B) 1 dag, (C) 3 dagen, (D), 7 dagen en (E) 10 dagen. Bacteriële cellulose werd gekweekt bij 20 - 25 °C in een verbijsterde Erlenmeyerkolf op een orbitale shaker bij 125 tpm. Beelden van bacteriële cellulosebollen werden genomen met een Gel Doc XR en de grootteanalyse werd uitgevoerd met behulp van ImageJ. Gegevens in paneel A worden weergegeven als gemiddeld met foutbalken die de standaardafwijking aanduiden (n ≥ 8). Schaalbalken vertegenwoordigen 10 mm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Grootteverdeling van capsules na 7 dagen. Met (A) geen toegevoegde vaste stoffen; ( B) biochar; (C) plastic microbeads; en (D) vast mijnafval. Bacteriële cellulose werd geteeld bij temperaturen variërend van 20 - 25 °C in een verbijsterde Erlenmeyerkolf op een orbitale shaker bij 145 tpm. Groeimedia bevatten 0,0101-0,0114% additieven. Beelden van bacteriële cellulosebollen werden genomen met een Gel Doc XR en de grootteanalyse werd uitgevoerd met behulp van ImageJ. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4. Mogelijke uitkomsten van suboptimale experimenten. (A) Bacteriële cellulose stellate deeltjes gevormd bij 30 °C en 140 tpm; B) bolvormige bolvormige bolvorm gevormd bij 20 - 25 °C en 125 tpm; en (C) BC-bolletjes gevormd bij 20 - 25 °C en 140 tpm wanneer onregelmatige vormen niet uit de kolf worden verwijderd terwijl ze zich vormen. Zwart-witfoto's zijn gemaakt met een Gel Doc XR en de kleurenfoto is gemaakt met een Surface Pro. Alle afbeeldingen zijn geanalyseerd met Behulp van ImageJ en alle schaalbalken vertegenwoordigen 10 mm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5. Fractie van ingekapselde vaste stoffen. (A) Thermische gravimetrische sporen van capsules; met (B) geen toegevoegde vaste stoffen; c) biochar; D)plastic microbeads; en (E) mijnafval. Voorafgaand aan TGA werden monsters gedurende 3 dagen gedroogd op een papieren handdoek om overtollig water te verwijderen. Thermische gravimetrische analyses werden uitgevoerd met een verwarmingshelling van 4 °C/min tot 800 °C in stikstofgas. Beelden van bacteriële cellulosebollen werden genomen met een Gel Doc XR. De rode pijlen wijzen naar ingekapselde vaste deeltjes. Schaalbalken vertegenwoordigen 10 mm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6. Massapercentage van de inkapseling zoals bepaald door vergelijking van differentiële TGA-profielen van (A) BC met polystyreen microbeads en (B) plain BC. Het differentiële TGA-profiel van effen BC kan worden uitgerust met vier Gaussiaanse krommen die in bijna identieke grootte in de BC verschijnen met polystyreenparels. Een vijfde piek (weergegeven in rood) gecentreerd rond de afbraaktemperatuur van polystyreen verschijnt echter ook in de laatste. Deze piek is toegeschreven aan thermische ontbinding geassocieerd met de polystyreen kralen. Het gebied eronder, 13%, komt overeen met procentisch massaverlies geassocieerd met het polystyreen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 7. BC monsters drogen op een papieren handdoek in een overdekte petrischaal. (A) en (B) Gewone bacteriële cellulose; (C) BC met biochar; (D) BC met plastic microbeads; en (E) BC met mijnafval. Afbeelding is gemaakt met een Surface Pro en geanalyseerd met Behulp van ImageJ. Schaalbalk vertegenwoordigt 1 cm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit protocol schetst BC sphere productie- en inkapselingsmethoden die eenvoudig uit te voeren en kosteneffectief zijn. Door verschillende aanpassingen aan het oorspronkelijke protocol is een adequaat proces geïdentificeerd. Er moeten kritische stappen worden genomen om levensvatbare gebieden te waarborgen. Alle ingrediënten die betrokken zijn bij BC-vorming spelen een sleutelrol in de gezondheid en duurzaamheid van de bollen. De sacharose voedt organismen, de thee levert stikstof en de azijn verlaagt de pH tot optimale omstandigheden om ongewenste verontreinigingen te voorkomen28. Een andere belangrijke variabele in deze methode is de temperatuur. De thee moet worden afgekoeld tot kamertemperatuur (ongeveer 25 °C) voordat microbiële startcultuur wordt toegevoegd. Als de organismen worden blootgesteld aan hoge temperaturen, kan de bc-bolgroei worden geremd. De temperatuur van de ruimte waarin de kolf schudt , heeft ook invloed op de bolgroei3,28,29. Schudden bij kamertemperatuur boven 30 °C zorgt ervoor dat zich onregelmatige BC-vormen vormen (figuur 4A). In het inkapselingsproces is een belangrijke stap om BC-bollen te laten vormen voordat vaste deeltjes worden toegevoegd. Dit komt door de constatering dat de aanwezigheid van vreemde voorwerpen in de kolf de BC-groei remde.
Verschillende cultuuromstandigheden beïnvloeden het succes van bc-sfeerproductie, zoals ook blijkt uit Hu en Catchmark4. BC vormde zich het best in verbijsterde kolven op een orbitale schudtafel. De aanwezigheid van schotten versnelde de ontwikkeling van de bol in vergelijking met soepelwandige kolven6. Conventioneel roeren met een magnetische stang voorkwam bolvorming. Bovendien beïnvloedden verschillende verhoudingen van microbiële startcultuur en theemengsel de sfeergeneratie en overvloed. Aanvankelijk werd 3 ml startcultuur (2,10 massa-procent van de oplossing) toegevoegd aan 140 ml theemedia. Na voortdurende proeven werd de microbiële starterkweekhoeveelheid verhoogd terwijl het volume van de theemedia afnam. De uiteindelijke gebruikte hoeveelheden waren 20 ml microbiële startkweek (20 massa %) en 80 ml theemengsel. Voor rotatiesnelheid was bc-bolvorming niet succesvol bij schudden bij snelheden onder 100 tpm. Snelheden van 125, 140 en 150 tpm produceren bollen, maar hebben een afwijking in bolgrootte, aantal en vorm, zoals eerder gerapporteerd6,29.
Als BC-vormingsproces heeft geagiteerd cultuur de voorkeur boven statische cultuur, zoals eerder vermeld2. In vergelijking met de methoden die in andere studies worden uitgelegd, is deze minder ingewikkeld en vereist minder materialen. Andere literatuur vermeldt het voorbereiden van een stamcultuur van BC door eerst een statisch of geagiteerd medium te fermenteren en vervolgens de BC-cellen te oogsten voor inenting in de hoofdcultuur3,4,6,28,29,30. Sommige cel het oogsten methodes omvatten krachtig schudden danfiltratie 30,het mengen danfiltratie 4,en centrifugation3,29. De BC-cellen die in dit productieproces zijn opgenomen, zijn altijd beschikbaar in de microbiële starterkweekcontainers, dus het oogsten van cellen is niet nodig. Bovendien is commercieel BC-gebruik haalbaarder door een andere methode van BC-sfeervorming bij te dragen aan de bestaande literatuur. Dit is gunstig vanwege de milieuvriendelijke materiaaleigenschappen van BC29,31.
Hoewel BC een interessant en potentieel waardevol biomateriaal is , zijn er nog steeds uitdagingen voor het wijdverbreide gebruik ervan , zoals eerdere studies aangeven18,32. In deze methode zijn er inconsistenties met bc bol grootte en vorm. Buisvormige en strengachtige structuren vormen zich soms in de media2,18,32. BC kleeft ook aan de wanden van de kolven en vormt ringen die soms in de vloeistof hangen en moeten worden verwijderd om verdere onregelmatigheden te voorkomen. Hoewel uniforme sferen een consistente wetenschappelijke analyse mogelijk maken, zijn ze mogelijk niet vereist voor sommige industriële toepassingen. Een andere uitdaging is de cultuurtijd, met een minimale duur van minimaal 2 dagen. Om de wachttijd te overwinnen, konden fabrikanten bollen produceren in gespreide batches of een continue stroomreactor voor een constante toevoer van BC-bollen. Zelfs gezien deze uitdagingen presenteren BC-bollen een interessante methode voor duurzame productie van bacteriële cellulose en het vermogen om verschillende materialen in de BC-matrix in te kapselen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
Dit werk is een voortzetting van een Montana Tech Research Assistant Mentorship Program project van Adolfo Martinez, Catherine Mulholland, Tyler Somerville en Laurel Bitterman. Het onderzoek werd gesponsord door de National Science Foundation onder Grant No. OIA-1757351 en het Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory (Coöperatieve Overeenkomst nummer W911NF-15-2-0020). Alle meningen, bevindingen en conclusies, of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van de National Science Foundation of het Army Research Lab. We willen ook Amy Kuenzi, Lee Richards, Katelyn Alley, Chris Gammons, Max Wohlgenant en Kris Bosch bedanken voor hun bijdragen.
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).
