本方案介绍了一种简单且低成本的细菌纤维素（BC）微球制备方法。该生物材料可作为固体物质的包封介质，包括生物炭、聚合物微球和矿山废弃物。
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摘要
摘要
自细菌纤维素（BC）作为一种新型材料普及以来，BC微球的研究日益增多。本实验方案介绍了一种经济且简便的BC微球制备方法。除了制备这些微球外，还开发了一种用于固体颗粒包封的方法。制备BC微球时，将水、红茶、糖、醋和细菌培养物加入带挡板的锥形瓶中，并对内容物进行振荡培养。在确定了适宜的BC微球形成培养条件后，采用生物炭、聚合物微珠和矿山废弃物测试了微球对固体颗粒的包封能力。利用ImageJ软件和热重分析（TGA）对所制得的微球进行了表征。结果表明，直径为7.5 mm的微球可在7天内形成。添加不同颗粒可增加BC微胶囊的平均尺寸范围。微球包封量可达其干重的10–20%。该方法展示了利用易得材料实现低成本微球制备与包封的可行性。未来，BC微球可望用于污染物去除辅助剂、控释肥料包衣或土壤改良剂。
引言
细菌纤维素（BC）因其机械强度高、纯度高、结晶度高、保水能力强以及复杂的纤维结构，被认为在工业应用方面具有巨大潜力1,2,3,4这些特性使BC成为多种应用中的理想生物材料，包括生物医学、食品加工和环境修复领域1BC薄膜的形成可使用单一微生物培养物或混合培养物（如用于康普茶的培养物）来完成。5，一种发酵茶饮料。制作康普茶依赖于一种 "细菌与酵母的共生培养"，通常称为SCOBY。利用这种共生微生物培养物，可采用类似技术制备细菌纤维素（BC）微球。该生物材料可用于帮助分离环境污染物，并固定生物炭等农业改良剂，以实现更高效的农作物生产。
先前的文献已讨论了在振荡条件下产生的细菌纤维素（BC）与在静止培养条件下产生的细菌纤维素之间的特性差异。静止培养会在液-气界面形成一层膜，而振荡培养则产生悬浮于液体中的不同形态的细菌纤维素颗粒、纤维束和球状结构6。许多研究指出，在动态条件下进行细菌纤维素的商业化生产更具可行性6,
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方案
1. 细菌纤维素启动培养物的制备与维持
- 获取约 50 g 的细菌纤维素起始培养物，形式为 SCOBY。可通过商业途径购买（例如，从 Cultures for Health 购买）。将 SCOBY 放入一个 1 L 的烧杯中，并用纸巾覆盖。
- 将 700 mL 去离子水煮沸，转移至另一个与 SCOBY 分开的容器中，加入 85 g 蔗糖。
- 待蔗糖完全溶解后，加入 2 袋红茶（4.87 g）。浸泡茶叶 1 小时，然后使用搅拌棒小心取出茶包。
- 向茶液中加入 200 mL 蒸馏白醋。让混合物冷却至 25 °C。冷却后，将 700 mL 室温茶液加入含有 SCOBY 的烧杯中。
警告：若在茶液温度过高时加入酸性茶液，可能会损害 SCOBY 中的微生物。 - 用纸巾覆盖烧杯，并用橡皮筋固定，然后将烧杯置于保持 25 °C 温度的储存区域。该容器通常被称为种子培养物或“酒店”（hotel）。
- 为保持 SCOBY 健康，每月需进行约 2 次维护。
- 戴上手套固定 SCOBY 薄膜，将“酒店”中的液体倒入另一个烧杯中。在盛有液体的容器中，加入足量的酸性茶液，使溶液总体积达到 700 mL。
- 在酸性茶液容器中溶解 65 g 蔗糖。在等待蔗糖溶解期间，用去离子水小心冲洗 SCOBY 薄膜。
- 待蔗糖完全溶解后，可将液体加入含有冲洗后 SCOBY 薄膜的烧杯中。盖....
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结果
在培养的前48小时内，细菌纤维素球体的生长速度最快（图2）。图2还显示，球体往往达到一个平均最大尺寸后便保持稳定。在本实验中，球体的平均直径达到7.5 ± 0.2 mm。尽管细菌纤维素球体在整个10天的生长期中从未完全退化，但从第8天左右开始，它们逐渐从球体主干部分伸出细长的须状结构。这一点在图2E中可以观察到，尤其是左上角较大的球体最为明显。
采用本文所述的包封方法，可得到平均57 ± 4个细菌纤维素球体，其直径范围为3至12 mm（图3）。从图3中还可以看出，向细菌纤维素球体中添加固体物质对球体的大小或数量并无一致的影响。轨道摇床转速、环境温度以及不规则颗粒的形成似乎是影响球形颗粒形态、大小和数量的主要因素。图4显示，过高的.......
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讨论
本方案概述了易于操作且成本效益高的细菌纤维素（BC）球体制备与包封方法。通过对原始方案进行多种优化，已确定出合适的工艺流程。必须遵循关键步骤以确保获得具有活性的球体。参与BC形成的全部成分均对球体的健康状态和耐久性起着关键作用：蔗糖为微生物提供营养，茶叶提供氮源，而醋则降低pH值至适宜范围，从而防止不需要的污染物滋生28。本方法中的另一个重要变量是温度。在加入微生物起始培养物之前，必须将茶液冷却至室温（约25 °C）。若微生物暴露于高温下，BC球体的生长可能受到抑制。培养瓶所处环境的室温也会影响球体的生长3, 28, 29。当振荡培养温度超过30 °C时，会形成不规则形状的BC结构（图4A）。在包封过程中，一个关键步骤是在添加固体颗粒之前，先让BC球体充分形成。这是因为观察发现，若烧瓶中存在异物，会抑制BC的生长。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作是阿道夫·马丁内斯（Adolfo Martinez）、凯瑟琳·马伦兰（Catherine Mulholland）、泰勒·萨默维尔（Tyler Somerville）和劳蕾尔·比特曼（Laurel Bitterman）在蒙大拿理工学院研究助理导师计划中开展项目的延续。本研究由美国国家科学基金会（资助号：OIA-1757351）以及美国陆军能力发展司令部陆军研究实验室（合作协定编号：W911NF-15-2-0020）资助。本文所表达的观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，不一定反映美国国家科学基金会或陆军研究实验室的立场。我们还要感谢艾米·昆齐（Amy Kuenzi）、李·理查兹（Lee Richards）、凯特琳·艾利（Katelyn Alley）、克里斯·加蒙斯（Chris Gammons）、马克斯·沃尔根特（Max Wohlgenant）和克里斯·博世（Kris Bosch）所做出的贡献。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100 mL 量筒 | |||
| 1000 mL 烧杯 | |||
| 25 mL 量筒 | |||
| 250 mL 带挡板锥形瓶 | Chemglass | CLS-2040-02 | |
| 500 mL 烧杯 | |||
| 天平 | |||
| 生物炭 | 花旗松在氩气环境下热处理，以每分钟 15 °C 的速率升温至 800 °C | ||
| 红茶 | |||
| 去离子水 | |||
| 蒸馏白醋 | |||
| 橡皮筋 | |||
| 微生物起始培养物 | Cultures for Health | ||
| 矿山废弃物 | 采自蒙大拿州巴特：46.001978,-112.582465。矿山废弃物包含源自以往铜矿开采的土壤和金属。通过X射线衍射分析，测得其中含量最高的五种元素为 Mn、Si、Ca、Al 和 Fe。 | ||
| 研钵和研杵 | |||
| 轨道摇床 | 使用多个品牌 | ||
| 纸巾 | |||
| 聚苯乙烯微珠 | Polybead | 17138 | 直径 3 微米 |
| 搅拌棒 | |||
| 蔗糖 | |||
| 烧水壶 | |||
| TGA | TA Instruments | TA Q500 | 以每分钟 400 °C 的速率升温至 800 °C，氮气流速 100 mL/min |
| 温度计 | |||
| XRF 分析仪 | ThermoFisher Scientific | 10131166 |
参考文献
- 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).
- ....
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重印与许可
