Summary
Denne protokollen presenterer en enkel, billig metode for å danne bakterielle cellulose (BC) sfærer. Dette biomaterialet kan fungere som et innkapslingsmedium for faste materialer, inkludert biokull, polymerkuler og gruveavfall.
Abstract
Bakterielle cellulose (BC) sfærer har blitt stadig mer undersøkt siden populariseringen av BC som et nytt materiale. Denne protokollen presenterer en rimelig og enkel metode for produksjon av BC-sfære. I tillegg til å produsere disse sfærene, er det også identifisert en innkapslingsmetode for faste partikler. For å produsere BC-sfærer kombineres vann, svart te, sukker, eddik og bakteriekultur i en forbløffet kolbe og innholdet blir opphisset. Etter å ha bestemt de riktige kulturforholdene for BC-sfæredannelse, ble deres evne til å innkapsle faste partikler testet ved hjelp av biokull, polymerperler og gruveavfall. Sfærer ble karakterisert ved hjelp av ImageJ-programvare og termisk gravimetrisk analyse (TGA). Resultatene indikerer at sfærer med 7,5 mm diameter kan gjøres på 7 dager. Tilsetning av ulike partikler øker gjennomsnittlig størrelsesområde for BC-kapslene. Sfærene innkapslet 10 -20% av deres tørre masse. Denne metoden viser lavkostnads sfæreproduksjon og innkapsling som er mulig med lett oppnåelige materialer. BC-sfærer kan brukes i fremtiden som et forurensningsfjerningshjelpemiddel, kontrollert frigjøringsgjødselbelegg eller jordendring.
Introduction
Bakteriell cellulose (BC) har blitt notert for sin potensielle industribruk på grunn av sin mekaniske styrke, høye renhet og krystallitet, vannretensjonsevner og intrikat fiberstruktur1,2,3,4. Disse egenskapene gjør BC til en gunstig biomateriale for en rekke bruksområder, inkludert biomedisinsk, matbehandling og miljøutbedring bruker1. Dannelse av en BC-film kan gjøres med enkeltorganismekulturer eller blandede kulturer som de som brukes til kombucha5, en gjæret tedrikk. Brewing kombucha er avhengig av en "Symbiotisk kultur av bakterier og gjær", kjent som en SCOBY. Ved hjelp av denne symbiotiske kulturen av organismer brukes en lignende teknikk for å skape BC-sfærer. Denne biomaterialet kan brukes til å isolere miljøgifter og forankre landbruksendringer som biokull for å oppnå mer effektiv avlingsproduksjon.
Tidligere litteratur har diskutert hvordan egenskapene til BC produsert i agiterte forhold sammenlignet med BC produsert i en stasjonær kultur. En stasjonær kultur resulterer i en film som dannes ved væske-luft-grensesnittet, mens en rystet kultur resulterer i varierende BC-partikler, tråder og sfærer suspendert i væsken6. Mange studier har referert påstanden om at kommersiell produksjon av BC er mer gjennomførbar under de dynamiske forholdene6,7, og gir begrunnelse for å anvende denne artikkelens metode. I tillegg er det utført ulike undersøkelser av strukturen og egenskapene til BC-sfærer. Toyosaki et al.6 sammenlignet forvirrede og glattveggede Erlenmeyer-kolber i deres opphissede BC-produksjon. En studie av Hu og Catchmark4 bestemte betingelser for BC-sfærer som ble brukt som retningslinjer for den nåværende BC-sfæreproduksjonsprosessen, og resultatene indikerer at sfærestørrelsen ikke fortsetter å øke etter 60 timer. En gjennomgang av BC-produksjonen av Mohammad et al.1 indikerer at risting av BC-kulturen sikrer jevn oksygentilførsel og distribusjon, noe som er nødvendig for vellykket BC-vekst. Holland et al.8 har studert krystalliniteten og den kjemiske strukturen til BC ved hjelp av røntgendiffraksjon og Fourier transformere infrarød spektroskopi. Det antas at BC kapsler vil vise lignende egenskaper og fremtidig forskning vil undersøke strukturelle egenskaper. Studier har også utforsket de gunstige effektene av å bruke BC til å produsere forbedrede biokompositter. Ved hjelp av epoksyharpiks som base har forskere vist at tilsetningen av BC forbedrer materialkarakteristikker som tretthetsliv, bruddseighet og strekkfasthet og fleksibel styrke9,10. Som vist av tidligere og nåværende forskning, er mange interessert i å kommersialisere BC-bruk.
Mange forskere har undersøkt bakteriell cellulose i kontrollerte frigjøringssystemer, og metoden beskrevet her genererer kapsler som kan brukes som kontrollerte frigjøringssystemer. Mye av denne forskningen fokuserer på kontrollert utslipp på biomedisinsk felt, samt noe leting i administrasjon av kontrollert frisettingsgjødsel (CRF). Basert på suksessen med BC's kontrollerte frigjøring av amoksicillin11, lidokain12og ibuprofen13, kan BC vise lignende leveringsegenskaper med andre stoffer, for eksempel en pelletert gjødsel. En oversikt over CRF-er av Shaviv og Mikkelsen14 erkjenner at CRF-er er mer effektive, sparer arbeidskraft og generelt forårsaker mindre miljøødeleggelser enn konvensjonell gjødselapplikasjon. Bakteriell cellulose kan fungere som et gunstig innkapslingsmateriale for CRF-er. Gjødsel kan lekke ut av BC membraner eller utslipp som BC biologisk nedbrytninger15,16. BC høy vann hevelse kapasitet kan også fungere som en gunstig jord endring17,18,19 fordi både gjødsel næringsstoffer og fuktighet kan slippe ut i bakken gjennom anvendelse av BC sfærer. Med disse egenskapene kan en CRF dannet av BC-sfæreinnkapsling ha en fordel i forhold til andre gjødselbeleggmaterialer som kan ha negative effekter under produksjons- og avhendingsstadiene. Tilpasning av BC til et gjødselbelegg kan forbedre CRF-teknologiene ytterligere. Ved å senke gjødselutløsningshastigheten vil avlinger ha tilstrekkelig tid til å ta opp gjødsel og forhindre overflødig avrenning i vannmasser, og dermed redusere eutrofiering og uoksygenerte soner. Lignende langsomme gjødsel er tilberedt og pilotert ved hjelp av polymerbelegg20.
I motsetning til protokoller skissert i tidligere forskning, fokuserer denne på ensartet, sammenhengende sfæreproduksjon i stedet for høyt celluloseutbytte. Videre har BC-innkapsling av andre faste stoffer blitt studert med cellulosefilmer, men ikke sfærer21. Ved å utvide forskningen på bakterielle cellulosekuler, kan ytterligere trinn gjøres for å produsere BC kommersielt, noe som er gunstig på grunn av BC's miljøsikre egenskaper. Denne metoden for BC-sfærefabrikasjon bruker billige, lett tilgjengelige kulinariske ingredienser. Etter den første monteringen begynner BC-sfærer å danne seg innen 2 dager uten forstyrrelser. Å produsere BC-sfærer gjennom denne strategien krever liten plass og har et spiselig biprodukt, den gjærede teen 'kombucha'. Innkapslingsteknikker nevnt i andre studier inkluderer belegg dannet gjennom faseinversjonsteknikken22,23, matrisedannelse24, spraytørking25og direkte innkapsling under syntese26. Den direkte innkapslingsmetoden som er skissert i dette manuskriptet, er nyttig for de som ønsker en enkel, billig prosess som bruker lett tilgjengelige materialer.
Gjennom denne forskningen ble det opprettet en vellykket protokoll for produksjon og innkapsling av BC-sfærer. BC-sfærer kan innkapsle faste partikler av biokull, mine tailings og polystyrenmikrobeader innenfor sine individuelle strukturer. Selv om BC ikke er mye brukt i industrien ennå, er det et praktisk, bærekraftig og naturlig forekommende materiale som kan brukes til fremtidige applikasjoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Opprettelse og vedlikehold av bakteriell cellulosestarterkultur
- Få en startkultur av bakteriell cellulose, ca 50 g, i form av en SCOBY. Det kan kjøpes kommersielt (f.eks. fra Cultures for Health). Plasser SCOBY i et 1 L beger, dekket med et papirhåndkle.
- Kok 700 ml deionisert vann, overfør det til et eget fartøy fra det som inneholder SCOBY, og tilsett 85 g sukrose.
- Når sukrose har oppløst, legg til 2 poser svart te (4,87 g). Bratt teen i 1 time, fjern deretter teposene forsiktig ved hjelp av en rørestang.
- Tilsett 200 ml destillert hvit eddik til teen. La blandingen avkjøles til 25 °C. Når den er avkjølt, tilsett 700 ml romtemperaturte til begeret som inneholder SCOBY.
FORSIKTIG: Hvis du tilsetter den sure teen mens den er for varm, kan det skade organismene i SCOBY-en. - Dekk begeret med et papirhåndkle og fest det med et elastisk bånd, og plasser begeret i et lagringsområde som opprettholder en temperatur på 25 °C. Dette fartøyet omtales ofte som lagerkultur eller hotell.
- For å holde SCOBY frisk, er vedlikehold nødvendig ca 2 ganger i måneden.
- Bruk hanskede hender til å holde tilbake SCOBY-mattene, tøm væsken fra hotellet i et separat beger. I beholderen med væsken, tilsett nok sur te til totalt 700 ml løsning.
- Løs opp 65 g sukrose i beholderen med sur te. Skyll SCOBY-mattene forsiktig i DI-vann mens du venter på at sukrosen skal oppløses.
- Når sukrose er fullstendig oppløst, kan væsken legges til begeret som inneholder de skyllede SCOBY-mattene. Dekk begeret og returner det til inkubasjonsområdet.
2. Produksjon av bakterielle cellulosekuler
MERK: Vær forsiktig når du arbeider med kokende vann. Sørg for at glassvarer tåler kokende vanntemperaturer, er fri for feil og har riktig størrelse. En skjematisk som beskriver produksjonen av BC-sfærer, er angitt i figur 1.
- Kok 350 ml deionisert vann ved hjelp av en tekoker. Overfør varmtvannet til et 500 ml beger. Løs opp 42,5 g granulert sukrose i varmtvannet ved hjelp av en rørestang.
- Når sukrose er helt oppløst, bratt 1 pose svart te (2,54 g) i kolben som inneholder sukrose og vann i 1 time. Etter dette, fjern teposen med en rørestang, pass på å unngå å bryte opp teposen, og kast den deretter i søpla.
- Tilsett 100 ml destillert hvit eddik til begeret, og rør deretter blandingen grundig. Overfør 80 ml av den sure teblandingen til en 250 ml forbløffet kolbe. La teblandingen avkjøles til romtemperatur, 20 - 25 °C.
MERK: På dette tidspunktet kan blandingen avkjøles over natten eller til den er forberedt på neste trinn. - Når væsketemperaturen er ved romtemperatur (20 - 25 °C), tilsett 20 ml mikrobiell startkulturvæske til den forvirrede kolben. Denne væsken kan fås fra et SCOBY-hotell. Dekk kolben med parafilm.
- Plasser den forvirrede kolben på et orbital shake bord og sett hastigheten til 125 rotasjoner per minutt (rpm). La blandingen riste i 3 dager i et rom eller inkubator med en temperatur fra 20 - 25 °C for å produsere BC-sfærer.
MERK: Hvis det dannes uregelmessige former i kolbeinnholdet, eller hvis celluloseklumper holder seg til veggene i kolben, bør de fjernes for å forhindre at ytterligere uregelmessige BC-masser dannes. Bruk pinsett til å fjerne uønskede BC-masser, inkludert tynne strenger, ringer, rørformede former og andre tydelig ikke-sfæriske former. - Når sfærene har dannet seg, hell dem forsiktig fra kolben og analyser, kast eller bruk dem på en måte som ikke er skissert i dette papiret.
3. Bruk av bakterielle cellulosekuler for å innkapsle partikler eller forurensninger
- Følg trinn 2.1-2.5 ovenfor.
- Etter risting i 3 dager, tilsett ca 0,01 g finmalt svevestøv til den forvirrede kolben. Passende faste stoffer inkluderer biokull (260 ± 140 μm), gruveavfall (350 ± 140 μm) og polystyrenmikrober (3 μm). Data for disse materialene er beskrevet i delen Representative Resultater. Se vedlagte materialfortegnelse for nærmere beskrivelser av biokull, gruveavfall og mikrober.
- Dekk kolben igjen med parafilmen og legg den tilbake på en orbital shaker, ved hjelp av samme hastighet og omgivelsestemperatur (20 - 25 °C) i 3 dager til. Fjern BC-innkapslede partikler for analyse, avhending eller annen bruk.
Figur 1. Bakteriell cellulose sfære fabrikasjon og innkapsling av faste partikler. Trinn 1 innebærer å kombinere bakteriekultur med svart te, sukker og eddikmedier i en forbløffet kolbe. Diskene i lagerkulturen representerer BC-matter. Deretter plasseres den forvirrede kolben på et orbital shake bord i 3 dager. Det midterste trinnet viser faste stoffer som legges til kolben når BC-sfærene har dannet seg. Kolben ristes i 3 dager til. I det siste trinnet har BC-sfærene fortsatt å øke i størrelse og innkapslet de faste partiklene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
BC-sfærer har den raskeste vekstraten i løpet av de første 48 h av kulturen (Figur 2). Figur 2 viser også hvordan kulene har en tendens til å nå en maksimal gjennomsnittsstørrelse og deretter forbli konstante. I dette eksperimentet nådde sfærene en gjennomsnittlig diameter på 7,5 ± 0,2 mm. Selv om BC-sfærene aldri helt forverres i løpet av den 10 dagers vekstperioden, begynte de å danne tendrils som strekker seg ut av hoveddelen av sfæren rundt den åttende dagen. Dette kan ses i Figur 2E, mest merkbart på den store sfæren øverst til venstre.
Påføring av innkapslingsmetoden som er skissert i dette dokumentet, resulterer i et gjennomsnitt på 57 ± 4 bakterielle cellulosekuler som varierer i diameter fra 3 til 12 mm (figur 3). Det kan også ses i figur 3 at tilsetning av faste stoffer til BC-sfærer ikke har en konsekvent effekt på sfærestørrelse eller frekvens. Den orbitale ristingshastigheten, omgivelsestemperaturen og dannelsen av uregelmessige partikler ser ut til å være de viktigste faktorene som påvirker form, størrelse og frekvens av sfæriske partikler. Figur 4 viser hvordan for høy romtemperatur og feil fjerning av uregelmessige masser kan endre BC fra en intakt sfære (figur 4B) til å stellate partikler (figur 4A) eller strenge klumper (figur 4C).
For å bestemme brøkdelen av innkapslede faste stoffer i BC-sfærene, ble det gjort en termisk gravimetrisk analyse på fire forskjellige prøver av BC. De fire prøvene som ble testet var BC, BC med biokull, BC med polystyrenmikrober og BC med gruveavfall. Figur 5 viser hvordan de enkelte prøvene oppførte seg når de ble utsatt for høy temperatur i nitrogengass. Det kan sees fra den stiplede linjen som representerer sfærer BC med gruveavfall at 18,7% av den prøven var gruveavfall etter vekt, og avslørte vellykket innkapsling. Den stiplede linjen viser at 14,5% av prøven inneholdt biokull. Disse prosentene ble beregnet ved å trekke den vanlige BC-masseprosenten fra masseprosenten av prøver med tilsatte faste stoffer. Fordi BC og polystyren brytes ned ved lignende temperaturer, ble derivatmassekurver dekonvolutert for å skille nedbrytningen av polymer fra cellulose (figur 6). Denne analysen viser at 13% av massetapet i denne prøven tilsvarer termisk nedbrytning av polystyren. Fordi termisk nedbrytning av pent polystyren fører til et massetap på ca. 100%27, er det anslått at alle 13% av massen av prøven tilsvarer innkapslede polystyrenperler. Figur 7 viser at den blå polystyrenmikrobeadløsningen resulterte i blått f.Kr. (figur 7D). Disse tørkede BC-massene er prøvene som ble brukt til TGA.
Figur 2. Bakteriell cellulosevekst. (A) Diameter av bakterielle cellulosekapsler over tid; fotografier av bakterielle cellulosekapsler ved (B) 1 dag, (C) 3 dager, (D), 7 dager og (E) 10 dager. Bakteriell cellulose ble dyrket ved 20 - 25 °C i en forbløffet Erlenmeyer-kolbe på en orbital shaker ved 125 o/min. Bilder av bakterielle cellulosekuler ble tatt med en Gel Doc XR og størrelsesanalyse ble utført ved hjelp av ImageJ. Data i panel A representeres som gjennomsnitt med feilfelt som betegner standardavviket (n ≥ 8). Skalastenger representerer 10 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3. Størrelsesfordeling av kapsler på 7 dager. Med (A) ingen ekstra faste stoffer; (B) biokull; (C) plast mikrober; og (D) fast gruveavfall. Bakteriell cellulose ble dyrket ved temperaturer fra 20 - 25 °C i en forbløffet Erlenmeyer-kolbe på en orbital shaker ved 145 o/min. Vekstmediene inneholdt 0,0101-0,0114% tilsetningsstoffer. Bilder av bakterielle cellulosekuler ble tatt med en Gel Doc XR og størrelsesanalyse ble utført ved hjelp av ImageJ. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4. Mulige resultater fra suboptimale eksperimenter. (A) Bakterielle cellulose stellate partikler dannet ved 30 °C og 140 o/min; (B) BC sfærisk kule dannet ved 20 - 25 °C og 125 o/min; og (C) BC globules dannet ved 20 - 25 °C og 140 o/min når uregelmessige former ikke fjernes fra kolben slik de dannes. Svart-hvitt-bilder ble tatt med en Gel Doc XR, og fargebildet ble tatt med en Surface Pro. Alle bilder ble analysert ved hjelp av ImageJ og alle skalalinjer representerer 10 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5. Brøkdel av innkapslede heldekkende stoffer. (A)Termiske gravimetriske spor av kapsler; med (B) ingen tilsatte heldekkende stoffer; (C) biokull; (D) plast mikrober; og (E) gruveavfall. Før TGA ble prøver tørket på et papirhåndkle i 3 dager for å fjerne overflødig vann. Termiske gravimetriske analyser ble utført med en varmerampe på 4 °C/min til 800 °C i nitrogengass. Bilder av bakterielle cellulosekuler ble tatt med en Gel Doc XR. De røde pilene peker på innkapslede faste partikler. Skalastenger representerer 10 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6. Masseprosent av innkapsling som bestemt ved sammenligning av differensial TGA profiler av (A) BC med polystyren mikrober og (B) vanlig BC. Differensial TGA-profilen til vanlig BC kan utstyres med fire gaussiske kurver som vises i nesten identiske størrelser i BC med polystyrenperler. Imidlertid vises en femte topp (vist i rødt) sentrert rundt nedbrytningstemperaturen til polystyren også i sistnevnte. Denne toppen har blitt tilskrevet termisk nedbrytning forbundet med polystyrenperlene. Området under, 13%, tilsvarer prosent massetap forbundet med polystyren. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7. BC prøver tørking på et papirhåndkle i en dekket petriskål. (A) og (B) Vanlig bakteriell cellulose; (C) BC med biokull; (D) BC med plastmikrobeader; og (E) BC med gruveavfall. Bildet ble tatt med en Surface Pro og analysert ved hjelp av ImageJ. Skalalinjen representerer 1 cm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne protokollen skisserer BC-sfæreproduksjon og innkapslingsmetoder som er enkle å gjennomføre og kostnadseffektive. Gjennom ulike justeringer av den opprinnelige protokollen er det identifisert en tilstrekkelig prosess. Kritiske trinn må følges for å sikre levedyktige sfærer. Alle ingrediensene som er involvert i BC-dannelsen spiller en nøkkelrolle i helsen og holdbarheten til sfærene. Sukrose feeds organismer, teen gir nitrogen, og eddik senker pH til optimale forhold for å forhindre uønskede forurensninger28. En annen viktig variabel i denne metoden er temperaturen. Teen må avkjøles til romtemperatur (ca. 25 °C) før den tilsettes mikrobiell startkultur. Hvis organismene utsettes for høye temperaturer, kan BC-sfæreveksten hemmes. Temperaturen i rommet der kolben rister, påvirker også sfæreveksten3,28,29. Risting ved romtemperaturer over 30 °C fører til at det dannes uregelmessige BC-former (Figur 4A). I innkapslingsprosessen er et viktig skritt å la BC-sfærer dannes før du legger til faste partikler. Dette skyldes observasjonen at tilstedeværelsen av fremmedlegemer i kolben hemmet BC-veksten.
Ulike kulturforhold påvirker suksessen til BC sfæreproduksjon, som også vist av Hu og Catchmark4. BC dannet best i forvirrede kolber på et orbital shake bord. Tilstedeværelsen av hvelv akselerert sfæreutvikling sammenlignet med glattveggede kolber6. Konvensjonell omrøring med en magnetisk stang forhindret sfæredannelse. I tillegg påvirket forskjellige forhold mellom mikrobiell startkultur og teblanding sfæregenerering og overflod. I utgangspunktet ble 3 ml startkultur (2,10 masse prosent av løsningen) lagt til 140 ml temedier. Etter fortsatte forsøk ble den mikrobielle startkulturmengden økt samtidig som volumet av temediene ble redusert. Endelige mengder som ble brukt var 20 ml mikrobiell startkultur (20 masse %) og 80 ml teblanding. For rotasjonshastighet var BC-sfæreformasjonen ikke vellykket når den ble ristet med hastigheter under 100 rpm. Hastigheter på 125, 140 og 150 rpm produserer sfærer, men har varians i sfærestørrelse, tall og form, som rapportert tidligere6,29.
Som en BC-formasjonsprosess er agitated kultur å foretrekke fremfor statisk kultur, som tidligere nevnt2. Sammenlignet med metodene forklart i andre studier, er denne mindre komplisert og krever færre materialer. Annen litteratur nevner å forberede en bestandskultur i BC ved først å gjære et statisk eller opphisset medium og deretter høste BC-cellene for inokulasjon i hovedkulturen3,4,6,28,29,30. Noen cellehøstingsmetoder inkluderer kraftig risting og deretter filtrering30, blanding og deretter filtrering4, og sentrifugering3,29. BC-cellene som er innlemmet i denne produksjonsprosessen er alltid tilgjengelige i de mikrobielle startkulturbeholderne, så cellehøsting er ikke nødvendig. Videre, ved å bidra med en annen metode for BC-sfæredannelse til den eksisterende litteraturen, er kommersiell BC-bruk mer oppnåelig. Dette er gunstig på grunn av BC's miljøvennlige materialegenskaper29,31.
Selv om BC er en interessant og potensielt verdifull biomateriale, er det fortsatt utfordringer for den utbredte bruken som tidligere studier indikerer18,32. I denne metoden er det inkonsekvenser med BC-sfærestørrelse og -form. Rørformede og strandlignende strukturer dannes noen ganger i media2,18,32. BC holder seg også til veggene i kolber, danner ringer som noen ganger blir suspendert i væsken, og bør fjernes for å forhindre ytterligere uregelmessigheter i å danne seg. Selv om ensartede sfærer muliggjør konsistent vitenskapelig analyse, er det ikke sikkert at de er nødvendige for enkelte industrielle bruksområder. En annen utfordring er kulturtiden, med minimum varighet på minst 2 dager. For å overvinne ventetiden kunne produsentene produsere sfærer i forskjøvede partier eller en kontinuerlig strømningsreaktor for en jevn tilførsel av BC-sfærer. Selv gitt disse utfordringene presenterer BC-sfærer en interessant metode for bærekraftig produksjon av bakteriell cellulose og evnen til å innkapsle ulike materialer i BC-matrisen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet er en videreføring av et Montana Tech Research Assistant Mentorship Program-prosjekt av Adolfo Martinez, Catherine Mulholland, Tyler Somerville og Laurel Bitterman. Forskningen ble sponset av National Science Foundation under Grant No. OIA-1757351 og Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory (Samarbeidsavtalenummer W911NF-15-2-0020). Eventuelle meninger, funn og konklusjoner, eller anbefalinger uttrykt i dette materialet, er forfatternes og gjenspeiler ikke nødvendigvis synspunktene til National Science Foundation eller Army Research Lab. Vi vil også 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).
