У статті подано короткий огляд методів вивчення процесу адгезії бактеріальних клітин на нерозчинних носіях абиотической природи (вуглецевих матеріалах). визначення гидрофобности мікробних клітин і носія, дисперсності, шорсткості поверхні носія дозволяє виявити основні закономірності адгезії бактерій на вуглецевих адсорбентах. Показано, що адгезірованних біомаса на гідрофобному носії тим більше, чим вище гидрофобность поверхні клітин. Кореляційний аналіз показав відсутність достовірної зв'язку між шорсткістю поверхні, гидрофобностью і дисперсністю носіїв, з одного боку, і масою адгезірованних клітин, з іншого боку, при розгляді цих характеристик окремо, що говорить про необхідність комплексного підходу до оцінки носія для іммобілізації мікробних клітин. Маса (кількість) адсорбованих клітин залежить від їх концентрації в суспензії. При цьому характер адсорбції, замінної згодом адгезію, може описуватися або теорією полімолекулярної адсорбції Брунауера, Еммета, Теллера, що передбачає формування поліслоя клітин на поверхні, або в разі насичення носія клітинами графіки мають вигляд ізотерм Ленгмюра. Елементний склад носія певним чином впливає на фізіологічний стан адгезірованних клітин, тому він повинен бути врахований при виборі оптимального носія для клітин в гетерогенному Біокаталізу. Скануюча електронна мікроскопія дозволяє візуалізувати адгезірованних клітини. Адгезірованних клітини нітрілгідролізующіх бактерій можуть бути використані в якості біокаталізаторів процесу ферментативної трансформації нітрилів і амідів або в процесах очищення середовищ від цих токсичних речовин.

Анотація наукової статті з біотехнологій в медицині, автор наукової роботи - Максимова Ю.Г., Максимов А.Ю., Демаков В.А.


Adhesion of bacterial cells on carbon supports: characteristics of process and application in biotechnology

The article provides a brief review of methods for studying the process of adhesion of bacterial cells on insoluble abiotic carriers (carbon materials). Determination of the hydrophobicity of microbial cells and the carrier, dispersion, surface roughness of the carrier allows to identify the main patterns of bacterial adhesion on carbon adsorbents. It is shown that the adhered biomass on a hydrophobic carrier is the greater, the higher the hydrophobicity of the cell surface. Correlation analysis showed no reliable relationship between surface roughness, hydrophobicity and dispersion of carriers on the one hand, and the mass of adhered cells on the other hand when considering these characteristics separately, which indicates the need for a comprehensive approach to the assessment of the carrier for immobilizing microbial cells. The mass (amount) of adsorbed cells depends on their concentration in the suspension. The nature of adsorption, subsequently replaced by adhesion, can be described either by the theory of polymolecular adsorption of Brunauer, Emmett, Teller, which implies the formation of a cells polylayer on the surface, or in the case of carrier saturation with cells, the graphs look like Langmuir isotherms. The elemental composition of the carrier has a certain effect on the physiological state of the adhered cells, therefore, it must be taken into account when choosing the optimal carrier of cells in heterogeneous biocatalysis. Scanning electron microscopy allows visualization of adherent cells. Adherent cells of nitrile-hydrolyzing bacteria can be used as biocatalysts for the process of enzymatic transformation of nitriles and amides or in the process of treatment of environment from these toxic substances.


Область наук:
  • Біотехнології в медицині
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Вісник Пермського федерального дослідного центру

    Наукова стаття на тему 'АДГЕЗІЯ БАКТЕРІАЛЬНИХ клітин на вуглецевому НОСІЯХ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕСУ ТА ЗАСТОСУВАННЯ В БІОТЕХНОЛОГІЇ'

    Текст наукової роботи на тему «АДГЕЗІЯ БАКТЕРІАЛЬНИХ клітин на вуглецевому НОСІЯХ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕСУ ТА ЗАСТОСУВАННЯ В БІОТЕХНОЛОГІЇ»

    ?Б01: 10.7242 / 2658-705Х / 2019.3.9 УДК 579.66

    ддіжшш БАШГЖРШШШИНПЬЖ ЮПШЖ

    Ю Г. Максимова, Інститут екології та генетики мікроорганізмів УрО РАН

    A.Ю. Максимов, Інститут екології та генетики мікроорганізмів УрО РАН

    B. А. Демаков, Інститут екології та генетики мікроорганізмів УрО РАН

    У статті подано короткий огляд методів вивчення процесу адгезії бактеріальних клітин на нерозчинних носіях абиотической природи (вуглецевих матеріалах). Визначення гидрофобности мікробних клітин і носія, дисперсності, шорсткості поверхні носія дозволяє виявити основні закономірності адгезії бактерій на вуглецевих адсорбентах. Показано, що адгезірованних біомаса на гідрофобному носії тим більше, чим вище гідрофобність поверхні клітин. Кореляційний аналіз показав відсутність достовірної зв'язку між шорсткістю поверхні, гидрофобностью і дисперсністю носіїв, з одного боку, і масою адгезірованних клітин, з іншого боку, при розгляді цих характеристик окремо, що говорить про необхідність комплексного підходу до оцінки носія для іммобілізації мікробних клітин. Маса (кількість) адсорбованих клітин залежить від їх концентрації в суспензії. При цьому характер адсорбції, замінної згодом адгезію, може описуватися або теорією полімолекулярної адсорбції Брунауера, Еммета, Теллера, що передбачає формування поліслоя клітин на поверхні, або в разі насичення носія клітинами графіки мають вигляд ізотерм Ленгмюра. Елементний склад носія певним чином впливає на фізіологічний стан адгезірованних клітин, тому він повинен бути врахований при виборі оптимального носія для клітин в гетерогенному Біокаталізу. Скануюча електронна мікроскопія дозволяє візуалізувати адгезірованних клітини. Адгезірованних клітини нітрілгідролізующіх бактерій можуть бути використані в якості біокаталізаторів процесу ферментативної трансформації нітрилів і амідів або в процесах очищення середовищ від цих токсичних речовин.

    Ключові слова: адгезія бактерій, біоплівки, вуглецеві матеріали, іммобілізація клітин мікроорганізмів, гідрофобність, профілометрія, скануюча електронна мікроскопія, рентгенівський енергодисперсійний микроанализ.

    * Робота виконана в рамках державного завдання, номер держреєстрації теми № 01201353249 «Молекулярні механізми адаптації мікроорганізмів до факторів середовища».

    Адгезія клітин бактерій до поверхні є початковим етапом формування біоплівок. Згідно з уявленнями сучасної мікробіології, мікроорганізми існують у навколишньому середовищі у вигляді прикріплених до поверхні многовидових колоній, занурених в загальний полімерний матрикс, що виділяється клітинами [5, 6]. У біотехнології активно використовується ця здатність живих організмів мікронних розмірів формувати такі структури: так, очистка стічних вод здійснюється мікробними спільнотами, що утворюють флокули, гранули та біоплівки [7]; в процесах биокатализа, при отриманні корисних продуктів шляхом ферментативної трансформації або в процесі ферментації (наприклад, в процесі отримання спирту, ферментів, органічних кислот) також можуть функціонувати біоплівки бактерій або дріжджів [8, 9, 11]. Процес біопленкообразованія багато в чому залежить від здатності мікроорганізмів прикріплятися до поверхні, і перший етап формування біоплівки -адгезія клітин на нерозчинному субстраті - є визначальним в освіті масивної біоплівки.

    Вуглецеві матеріали можуть з успіхом застосовуватися як носії для адгезії бактеріальних клітин в біотехнологічних процесах, в основному завдяки біосумісності, інертності, біологічної та хімічної стійкості, можливості отримання у вигляді різних технологічних форм (порошку, гранул, волокон). Так, для биокаталитических процесу отримання амідів з нітрилів карбонових кислот нами були використані біокаталізатори на основі бактеріальних клітин, що володіють нітрілгід-Роліз активністю, які були адгезірованних на вуглецевих матеріалах.

    Адгезія бактеріальних клітин на нерозчинних носіях є результатом взаємодії двох факторів -Властивості клітинної поверхні і характеристик самого матеріалу, на якому закріплюються клітини. Отже, для вивчення цього процесу необхідно визна-

    розподіл таких властивостей носіїв і поверхні клітин, як гидрофобность, шорсткість і елементний склад матеріалу.

    Далі будуть розглянуті основні характеристики абіотичних носіїв і поверхні бактеріальних клітин, що впливають на процес адгезії.

    Вплив гидрофобности поверхні

    мікробних клітин на їх адгезію на вуглецевих матеріалах

    Гідрофобність углеродсодержащих носіїв оцінювали по адсорбції нафталіну з 0,1 мМ водного розчину [10], гідрофобність поверхні клітин - за відносним розподілу клітин між фазами вода / гексадекан [12]. Вивчали адгезію клітин 4 штамів бактерій, що розрізняються гідрофобно-стю поверхні: грамнегативних Pseudomonas fluorescens C2, Acinetobacter guillouiae 11h, Alcaligenes faecalis 2 і грампозитивних Rhodococcus erythropolis 11-2 і Rh. ruber gtl. Клітини адгезірованних на вуглецевих адсорбентах марок БАУ і Norit PK1-3 (подрібнені активні вугілля виробництва Росія і Голландія відповідно), СУМС, Сібуніт і «Сапропель» (вуглецеві адсорбенти, надані співробітниками інституту каталізу імені Г.К. Борескова РАН, Новосибірськ) , гранульовані активні вугілля ФТД і ФАС (виробництва Росія). Технологічні характеристики носіїв представлені в статтях [1-3].

    Клітинна стінка родококков була найбільш гідрофобною: 40-50% клітин з суміші гексадекан / вода переходило в фазу гек-садекана. Поверхня клітин псевдомонад і ацінетобактер була гидрофильной, не більше 5-6% клітин адсорбувати до гексадекану. Клітини алкалігенесов були слабо гідрофобні - цей показник становив 18,5%. Гідрофобність носіїв варіювалася в діапазоні від 20 до 90%.

    Визначали масу адгезірованних клітин бактерій, що розрізняються гидрофобностью клітинної стінки, на носіях з різною гідрофобністю поверхні (табл. 1).

    Таблиця 1.

    Маса адгезірованних клітин бактерій, що розрізняються по гідрофобності поверхні,

    на вуглецевих носіях

    Штами Ps. fluorescens C2 Ac. guillouiae 11h Al. faecalis 2 Rh. erythropolis 11-2 Rh. ruber gt1

    гидрофобность клітин,% 5,9 ± 1,8 4,8 ± 2,3 18,5 ± 4,5 41,1 ± 8,2 52,5 ± 2,0

    носії гідро-фобность носіїв,% Маса адгезірованних клітин, мг / г

    БАУ 65,9 ± 4,5 1,7 ± 0,3 2,3 ± 0,5 3,9 ± 0,9 7,9 ± 0,5 14,5 ± 0,0

    Norit PK1-3 91,9 ± 6,0 3,3 ± 0,4 0,1 ± 0,0 2,9 ± 0,6 14,5 ± 0,8 13,0 ± 0,0

    ФТД 60,4 ± 4,4 0,03 ± 0,02 3,5 ± 0,3 3,5 ± 0,1 8,1 ± 1,1 12,0 ± 0,0

    ФАС 54,6 ± 8,9 1,6 ± 0,3 0,6 ± 0,1 2,4 ± 0,8 13,0 ± 0,4 8,0 ± 0,0

    СУМС 36,5 ± 6,2 4,8 ± 0,2 1,1 ± 0,3 3,7 ± 0,3 15,2 ± 0,8 7,0 ± 0,0

    Сібуніт 46,0 ± 2,2 9,3 ± 0,8 6,0 ± 0,3 13,0 ± 0,5 36,6 ± 0,4 9,5 ± 0,0

    Сапропель 20,8 ± 1,0 11,6 ± 0,1 9,7 ± 0,0 15,2 ± 0,8 37,3 ± 0,6 13,0 ± 0,0

    Примітка: концентрація вихідної клітинної суспензії 1 мг / мл.

    Так, для штаму Pseudomonas fluorescens C2, поверхня клітин якого була оцінена як гідрофільна, відзначали помірну негативну зв'язок між масою адгезірованних клітин і гідрофобних-ністю носіїв (г = -0,664; p = 0,05), що може бути пояснено тим, що всі носії в тій чи іншій мірі були гідрофобні (від 20 до 92%). У той же час для інших штамів розподіл ознак було відмінним від нормального, а кореляція -недостоверной. Це може бути пов'язано з тим, що на адгезію впливають і інші властивості носіїв, а саме дисперсність, питома поверхня і розмір мак-ропор. Однак при оцінці залежності маси адгезірованних клітин вивчених штамів, що відрізняються гідрофобністю поверхні, на кожному з вивчених углеродсодержащих носіїв, була виявлена ​​сильна позитивний зв'язок від г = 0,884 до r = 0,950 (p = 0,05). Це може свідчити про те, що при адгезії на гідрофобному носії маса прикріпилися клітин тим вище, чим більше гидрофобность їх поверхні.

    Вплив дисперсності носіїв на адгезію мікробних клітин

    На адгезію мікробних клітин впливає площа доступної поверхні материа-

    ла носія, яка складається із зовнішнього і внутрішньої поверхні макропор, що перевищують за своїм діаметром розмір мікробної клітини. Дисперсність носіїв (табл. 2) оцінювали в світловому мікроскопі Біомед-6 (Росія) при збільшенні 40 разів, результати обробляли в програмі Thixomet Lite. У разі, якщо раз-

    Таблиця 2.

    дисперсність носіїв

    Носій Розмір частки, мм Площа поверхні частинки, мм2

    ФТД 0,392 ± 0,037 0,137 ± 0,023

    ФАС дрібні частинки 0,995 ± 0,150 1,270 ± 0,368

    ФАС великі частки 2,92 ± 0,30 -

    Сирець порошкоподібний 0,021 ± 0,004 0,00026 ± 0,00007

    Сирець подрібнений 3,50 ± 0,56 -

    «Сапропель» 1,341 ± 0,125 2,023 ± 0,345

    Сібуніт 2,69 ± 0,20 -

    СУМС 0,925 ± 0,097 0,958 ± 0,220

    КВУ масивний 1,153 ± 0,202 1,334 ± 0,453

    Керамзит / КВУ шар (6%) 0,824 ± 0,116 0,781 ± 0,182

    Керамзит / графітоподібний шар 7,09 ± 0,61 -

    КВУ / піноскло 6,17 ± 0,74 -

    БАУ 3,90 ± 0,55 -

    ІогІ РК 1-3 3,59 ± 0,49 -

    Шунгіт 3,19 ± 0,54 -

    заходів частинок перевищував 1,5 мм, дисперсність оцінювали з використанням стерео-мікроскопа SKT-3BT (Meiji techno, Японія) при збільшенні 20 разів.

    Кореляційний аналіз (n = 14) виявив слабку позитивну зв'язок між масою адгезірованних мікробних клітин і дисперсністю носіїв (r = 0,220; p = 0,05), що говорить про те, що ця характеристика не є визначальною для адгезії клітин. Тільки при порівнянні носіїв однієї марки, але різної дисперсності (порошкоподібний і подрібнений вугілля сирець) можна говорити про те, що до матеріалу з більш високою дисперсністю прикріплюється більше клітин (в середньому 12,5 і 7,38 мг сухих клітин / г носія відповідно).

    Вплив шорсткості поверхні носіїв на адгезію мікробних клітин

    Шорсткість поверхні носіїв (рис. 1) оцінювали на безконтактному оптичному тривимірному інтерферометрі-про-

    Филометр New-View 5000. Визначали шорсткість (Ra) і середнє квадратичне відхилення (rms). Оцінювали кореляцію маси адгезірованних клітин R ruber gt1 і шорсткості поверхні углеродсо-які тримають носіїв. Був розрахований непараметрический коефіцієнт рангової кореляції Спірмена: R = -0,276, p = 0,47. Отримані дані вказують на недостовірність зв'язку з цим. Ймовірно, відсутність достовірної зв'язку цих параметрів є наслідком впливу на адгезію бактеріальних клітин безлічі чинників, серед яких зміна шорсткості поверхні адсорбенту в вивчених межах не є визначальним.

    Елементний склад носіїв і його вплив на ферментативну активність адгезірованних клітин

    Елементний склад двох відмінних за походженням носіїв - карбонизовані тканини Урал ТМ-4 (вихідна сировина - віскозне волокно) і «сапропелю» активованого (вихідна сировина -

    Мал. 1. Шорсткість поверхні носіїв: керамзиту зі шаром графітоподібний вуглецю (Яа = 1034 мкм, гт&'= 2212 мкм) (А); Шунгита (Яа = 1902 мкм, гт&'= 2437мкм) (Б), ФАС (Яа = 145 мкм, гт&'= 110мкм) (В); Сібуніта (Яа = 727мкм, гт&'= 920 мкм) (Г)

    мул прісних озер Омської області) був вивчений в скануючому електронному мікроскопі MIRA 3 ( «TESCAN», Чехія) за допомогою системи рентгенівського енергодисперсійного микроанализа. Показано, що основним елементом карбонизовані тканини Урал ТМ-4 є вуглець (рис. 2, А), тоді як «Сапропель» складніший по елементного складу, і містить Si, O, K, Na, Mg, Al, Ca, S, Fe і інші елементи, що може бути пояснено органічної природою цього носія (рис. 2, Б). Можна висунути припущення, що елементний склад носія певним чином впливає на фізіологічний стан адгезірованних-

    Мал. 2. Елементний склад носіїв: карбонизовані тканини Урал ТМ-4 (А) і «Сапропель» (Б)

    них клітин, отже, повинен бути врахований при виборі оптимального носія клітин в гетерогенному Біокаталізу.

    Так, нами було показано [4], що сте-реоселектівность гідролізу рацемічних нітрилів карбонових кислот в гетерогенному процесі залежить від характеристик носія, на якому адгезірованних клітини, що каталізують гідроліз. При годинний конверсії фенілгліціннітріла клітинами, іммобілізованими на Сібу-ните, енантіомерний надлишок (її) L-з-мера становить 54%, тоді як при тривалості реакції 20 год збільшується до 96%. У разі клітин псевдомонад, адгезірованних на «сапропелю», при годинний конверсії її L-ізомери становить 30%, але при збільшенні часу протікання реакції до 20 год зміщується в бік виходу D-ізомери, її якого до цього часу досягає 78%.

    В якості контролю реакцію каталізували суспендованих клітинами, і в цьому випадку стереоселективність реакції мало змінювалася в часі, а її L-фенілгліціна становив 50-68%. Така зміна енантіомерний надлишку одного з утворених ізомерів може бути пов'язано з природою носія, використовуваного для адгезії клітин. Була висунута гіпотеза, по якій зміна рН в мікрооточенні адсорбенту може впливати на взаємоперетворення вже утворилися ізомерів. Цим може пояснюватися вплив тривалості реакції (контакту реакційного середовища з носієм) на енантіомерний надлишок одного з стереоизомеров фенілгліціна.

    Вивчення залежності адгезії мікробних клітин на носії від їх концентрації в суспензії

    Клітини після початкової адсорбції на носії адгезируются до нього: спочатку процес звернемо, але потім, за участю позаклітинних полісахаридів, бактерії необоротно прикріпляються до поверхні, після чого починається поділ клітин і процес утворення мікроколоній, а потім і зрілої біоплівки.

    Маса (кількість) адсорбованих клітин залежить від їх концентрації в суспензії. При цьому характер адсорбції, замінної згодом адгезію, може бути різним. Процес описується або теорією полімолекулярної адсорбції Брунауера, Еммета, Теллера (БЕТ), що передбачає формування поліслоя клітин на поверхні з високим адсорбційним потенціалом, або графіки мають вигляд ізотерм Ленгмюра.

    В останньому випадку на кривих спостерігається характерне плато, відповідне утворення монослойного покриття з адсорбованих бактеріальних клітин. Поява плато на графіку свідчить про насичення поверхні носія клітинами. Для різних носіїв і бактеріальних штамів були побудовані графіки, що відображають залежність кількості адсорбованих клітин від їх концентрації в суспензії. Процес адсорбції клітин Rh. ruber gt1 на Карбопоне (карбонизовані вуглецевому нетканих матеріалів) описувався изотермой Ленгмюра (рис. 3, а), а Rh. erythropolis 11-2 на БАУ (дробленому активному вугіллі) -теорію полімолекулярної адсорбції БЕТ (рис. 3, б). Відмінності в характері процесу в першу чергу пов'язані з властивостями матеріалу носія і, крім того, пояснюються здатністю клітин до агрегації, яка призводить до утворення поліслоя клітин на поверхні носія.

    22 -

    is О 4 20 -

    g § 18 "

    а

    i 3 16 -

    g про

    м 14 -

    i a ч ie 12 -

    Cj про

    & g: ю -

    i 8 -

    Q 6 -

    a Cj & 4 -

    1 й 2 ~

    0 <P

    0

    Візуалізація адгезірованних бактеріальних клітин

    Поверхня носія і процес адгезії бактеріальних клітин можуть бути візуалізовані за допомогою скануючої електронної мікроскопії. Дозвіл, яке, на відміну від світлового, можна отримати в електронному мікроскопі, досить для вивчення характеру адгезії мікробних клітин, а також їх поверхні і поверхні матеріалу носія. Нами були отримані мікрофотографії адгезірованних бактерій на вуглецевих носіях (рис. 4).

    На мікрофотографіях були відзначені як поодинокі адгезірованних клітини, так і їх скупчення, викликані агрегацией клітин один з одним.

    висновок

    Таким чином, процес адгезії бактеріальних клітин на абіотичні матеріалі є результатом взаємодії поверхні бактеріальної клітини з поверхнею носія і може бути вивчений поруч фізико-хімічних і бактеріологічних методів. Використовуються методи, що дозволяють охарактеризувати такі властивості поверхні матеріалу, як шорсткість, гідрофобність, заряд. Шорсткість може бути визначена за допомогою інтерферометра-профілометра або атомно-силового мікроскопа. Гідрофілен-ність і гидрофобность характеризуються крайовим кутом змочування, і її можна оцінити по розтіканню краплі води на

    Мал. 3. Залежність маси адгезірованних клітин Rh. ruber gt1 на Карбопоне (а) і Rh. erythropolis 11-2 на БАУ (б) від концентрації клітин бактерій в суспензії

    Мал. 4. Мікрофотографії клітин R. ruber gt1,

    гладкій поверхні тіла. У матеріалів з нерівною поверхнею, як у випадку вуглецевих носіїв, ступінь гідрофобних-ності можна визначити по адсорбції на їх поверхні гідрофобних речовин. Заряд поверхні клітин може бути вивчений методом мікроелектрофорезу. Кількість (маса) клітин, адгезірованних на носії, враховується зі зміни концентрації бактеріальних клітин до і після адгезії на носії. Рентгенівський енергодисперсійний микроанализ дає інформацію про склад матеріалу носія, а скануюча електронна мікроскопія є методом візуалізації процесу адгезії клітин.

    Адгезія клітин на носії - один з методів іммобілізації микроорганиз-

    бібліографічний список

    1. Максимов А.Ю., Максимова Ю.Г., Кузнєцова М.В., Олонца В.Ф., Демаков В.А. Іммобілізація на вуглецевих сорбентах клітин штаму Rhodococcus ruber gtl, що володіє нітрілгідратазной активністю // Прикладна біохімія та мікробіологія. - Т. 43. - № 2. - 2007. - С. 193-198.

    2. Максимова Ю.Г., Коваленко Г.А., Максимов А.Ю., Демаков В.А., Чуєнко Т.В., Рудіна Н.А. Іммобілізовані нерастущіе клітини Rhodococcus ruber як гетерогенні біокаталізатори для процесу гідратації акрилонітрилу в акриламід // Каталозі в промисловості. - 2008. -№ 1. - С. 44-50.

    3. Максимова Ю.Г., Максимов А.Ю., Демаков В.А., Козлов С.В., Овечкіна Г.В., Олонца В.Ф. Гідроліз акрилонітрилу клітинами нітрілконвертірующіх бактерій, іммобілізованими на волокнистих вуглецевих адсорбентах // Біотехнологія. - 2010. - № 4. - С. 51-58.

    4. Максимова Ю.Г., Горбунова О.М., Демаков В.А. Стереоселективного биотрансформация фенілгліціннітріла гетерогенним біокаталізатором на основі іммобілізованих бактеріальних клітин і ферментного препарату // Доповіді академії наук. - 2017. - Т. 474. - № 2. - С. 248-250.

    5. Миколаїв Ю.А., Плакунов В.К. Біоплівка - «місто мікробів» або аналог багатоклітинного організму? // Мікробіологія. - 2007. - Т. 76. - № 2. - С. 149-163.

    6. Ножевнікова А.Н., Бочкова Е.А., Плакунов В.К. Мультівідовие біоплівки в екології, медицині і біотехнології // Мікробіологія. - 2015. - Т. 84. - № 6. - С. 623-644.

    7. Сироткін А.С., Шагінурова Г.І., Ипполитов К.Г. Агрегація мікроорганізмів: флокули, біоплівки, мікробні гранули. - Казань: вид-во «Фен» АН РТ, 2007. - 160 с.

    адгезірованних на БАУ (А) і вугле-сирець (Б)

    мов для биокаталитических процесів. Якщо в біотехнології використовують зростаючі культури, то в цьому випадку адгезія є першим етапом утворення біоплівки і відбувається на стадії інокуляції твердого субстрату. Адгезіруют-ванні клітини можуть бути використані в якості біокаталізаторів процесу ферментативної трансформації, в складі біофільтрів для очищення стічних вод або адсорбенту, внесеного в забруднені середовища.

    Автори висловлюють подяку завідувачу лабораторії фізичних основ міцності «ІМСС УрО РАН» - філії ПФІЦ УрО РАН, доктору фізико-математичних наук, професору О.Б. Наймарку і провідному інженеру В.А. Оборін за надану можливість аналізу матеріалів на інтерферометрі-про-Филометр New-View 5000.

    8. Halan B., Buehler K., Schmid A. Biofilms as living catalysts in continuous chemical syntheses // Trends Biotechnol. - 2012. - Vol. 30 (9). - P. 453-465.

    9. Gross R., Hauer B., Otto K., Schmid A. Microbial biofilms: new catalysts for maximizing productivity of long-term biotransformations // Biotechnol Bioeng. - 2007. - Vol. 98. - № 6. - P. 1123-1134.

    10. Kovalenko G.A., Kuznetsova E.V., Mogilnykh Yu.I., Andreeva I.S., Kuvshinov D.G., Rudina N.A. Catalytic filamentous carbons for immobilization of biologically active substances and non-growing bacterial cells // Carbon. - 2001. - Vol. 39. - P. 1033-1043.

    11. Rosche B., Li X.Z., Hauer B., Schmid A., Buehler K. Microbial biofilms: a concept for industrial catalysis? // Trends Biotechnol. - 2009. - Vol. 27. - № 11. - P. 636-643.

    12. Rosenberg M., Gutnik D., Rosenberg E. Adherence of bacteria to hydrocarbons: A simple method for measuring cell surface hydrophobicity // FEMS Microbiol. Lett. - 1980. - Vol. 9. - P. 29-33.

    ADHESION OF BACTERIAL CELLS ON CARBON SUPPORTS: CHARACTERISTICS OF PROCESS AND APPLICATION IN BIOTECHNOLOGY

    Yu.G. Maksimova, A.Yu. Maksimov, V.A. Demakov

    Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms UB RAS

    The article provides a brief review of methods for studying the process of adhesion of bacterial cells on insoluble abiotic carriers (carbon materials). Determination of the hydrophobicity of microbial cells and the carrier, dispersion, surface roughness of the carrier allows to identify the main patterns of bacterial adhesion on carbon adsorbents. It is shown that the adhered biomass on a hydrophobic carrier is the greater, the higher the hydrophobicity of the cell surface. Correlation analysis showed no reliable relationship between surface roughness, hydrophobicity and dispersion of carriers on the one hand, and the mass of adhered cells on the other hand when considering these characteristics separately, which indicates the need for a comprehensive approach to the assessment of the carrier for immobilizing microbial cells. The mass (amount) of adsorbed cells depends on their concentration in the suspension. The nature of adsorption, subsequently replaced by adhesion, can be described either by the theory of polymolecular adsorption of Brunauer, Emmett, Teller, which implies the formation of a cells polylayer on the surface, or in the case of carrier saturation with cells, the graphs look like Langmuir isotherms. The elemental composition of the carrier has a certain effect on the physiological state of the adhered cells, therefore, it must be taken into account when choosing the optimal carrier of cells in heterogeneous biocatalysis. Scanning electron microscopy allows visualization of adherent cells. Adherent cells of nitrile-hydrolyzing bacteria can be used as biocatalysts for the process of enzymatic transformation of nitriles and amides or in the process of treatment of environment from these toxic substances.

    Keywords: bacterial adhesion, biofilms, carbon materials, immobilization of microbial cells, hydrophobicity, profilometry, scanning electron microscopy, X-ray energy dispersive microanalysis.

    Відомості про авторів

    Максимова Юлія Геннадіївна, доктор біологічних наук, провідний науковий співробітник лабораторії молекулярної мікробіології і біотехнології, Інститут екології та генетики мікроорганізмів УрО РАН - філія Пермського федерального дослідного центру УрО РАН (ІЕГМ УрО РАН), 614081, г. Пермь, ул. Голєва, 13; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Максимов Олександр Юрійович, кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник лабораторії молекулярної мікробіології і біотехнології, ІЕГМ УрО РАН; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Демаков Віталій Олексійович, доктор медичних наук, професор, член-кореспондент РАН, завідувач лабораторією молекулярної мікробіології і біотехнології, директор ІЕГМ УрО РАН; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Матеріал надійшов до редакції 02.07.2019 р.


    Ключові слова: АДГЕЗІЯ бактерій / біоплівки / ВУГЛЕЦЕВІ МАТЕРІАЛИ / Іммобілізація клітин МИКРООРГАНИЗМОВ / гідрофобні / профілометри / Скануючої електронної МІКРОСКОПІЯ / РЕНТГЕНІВСЬКИЙ енергодисперсійного мікроаналізі / BACTERIAL ADHESION / BIOFILMS / CARBON MATERIALS / IMMOBILIZATION OF MICROBIAL CELLS / HYDROPHOBICITY / PROFILOMETRY / SCANNING ELECTRON MICROSCOPY / X-RAY ENERGY DISPERSIVE MICROANALYSIS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити