ПРИРОДА СИЛ АДСОРБЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Первые исследователи пытались объяснить явление адсорбции микроорганизмов такими свойствами клеток, как липкость, клейкость, наличие слизистых капсул, с помощью которых происходит прикрепление клеток. Однако все это не могло объяснить сущности явления адсорбции. Довольно подробно вопрос о природе явления адсорбции микроорганизмов изучался в работе К. Кришнамурти и С. Сомана (К. Krish- namurti, S.V. Soman, 1951). Показано, что адсорбция микроорганизмов похожа на адсорбцию коллоидов. Получена 5-образная изотерма адсорбции микроорганизмов, которая согласуется с уравнением адсорбции Кришнамурти, выведенным для адсорбции молекул и ионов. Установлено увеличение количества адсорбированных микроорганизмов с понижением температуры, что также указывает на адсорбционный характер этого процесса.

Было высказано несколько гипотез по вопросу о природе сил, обусловливающих адсорбцию.

Г. Салус (G. Salus, 1917) большое значение придавал действию электростатических сил и считал, что происходит взаимодействие разноименно заряженных поверхностей. В работах К.И. Рудакова (1936) и Т. Пила (Т.С. Peele, 1936) установлена адсорбция отрицательно заряженных клеток на положительно заряженных частицах адсорбентов. Подобное же явление наблюдали при адсорбции клеток на частицах углекислого кальция, окислах алюминия и железа при кислых pH, а также при адсорбции на анионообменных смолах. Электростатическое притяжение микроорганизмов рода Hyphomicrobium к поверхности водосточных труб отмечается в работе П. Тилера и К. Маршалла (Р.С. Tyler, К.С. Marshall, 1967).

Однако в большинстве случаев при адсорбции клеток происходит взаимодействие поверхностей с одноименным отрицательным суммарным зарядом. Это взаимодействие микроорганизмов с большинством почвенных частиц, со стеклом, катионитами и т.д. В этих случаях адсорбция иногда объяснялась мозаичностью заряда поверхности клеток и поверхности адсорбента. Так, К. Маршалл (К.С. Marshall, 1968, 1969, 1970, 1971), изучавший адсорбцию мелких частиц монтмориллонита на клетках клубеньковых бактерий, приходит к выводу, что в опытах имело месте электростатическое притяжение положительно заряженных концов пластинчатых частиц глины и отрицательно заряженных карбоксильных групп поверхности клетки. В некоторых случаях для определенных штаммов клубеньковых бактерий происходило взаимодействие положительно заряженных участков клетки, несущих адоино- и другие положительно заряженные группы, с отрицательно заряженными боковыми плоскостями монтмориллонита.

При взаимодействии двух отрицательно заряженных поверхностей на установление контакта влияют силы отталкивания одноименно заряженных поверхностей, которые могут быть учтены по теории Дебая - Гюккеля. Силы отталкивания уменьшаются с расстоянием по экспоненциальному закону. Кроме сил отталкивания, между поверхностями контактирующих клеток и частиц адсорбента будут действовать и физические силы притяжения, обусловленные квантовомеханическими эффектами взаимодействия электронных осцилляторов (силы Ван-дер-Вааль- са - дисперсионные, индукционные, ориентационные). Силы Ван-дер- Ваальса уменьшаются с увеличением расстояния по степенному закону. Б.В. Дерягин и Л.Д. Ландау в конце 1930-х годов объяснили многие особенности поведения коллоидных систем (флокуляция, зависимость устойчивости от состава среды) сложением электростатических сил отталкивания и ван-дер-ваальсовых сил притяжения (О.В. Дерягин, К.К. Кротова, 1949). На основании этой идеи построена теория стабильности коллоидных систем (E.J.W. Verwey, J.T.G. Overbeek, 1948). В последнее время эти теории широко используются в биологии для объяснения явления адгезии клеток тканей, адсорбции микроорганизмов, фагов и вирусов.

Точнее определение расстояния между контактирующими клетками и поверхностью пока проводить довольно трудно. Однако есть основания полагать, что клетки могут располагаться на расстоянии первого и второго максимума, а также может устанавливаться непосредственный контакт между клеткой и поверхностью. Например, при изучении адгезии клеток тканей установлено, что на первых фазах контакта поверхности находятся на расстоянии второго минимума отталкивания (100-200 А) и удерживаются на поверхности очень слабо, благодаря действию сил Ван-дер-Ваальса. Эти силы могут определить сцепление и на более поздних этапах контакта. В этом случае расстояние между контактирующими поверхностями четко и обратимо следует за изменениями ионной силы среды согласно законам физической химии (D.I. Finean, 1953).

Следует отметить, что микроорганизмы по своим размерам (1-10 мкм) относятся к той категории частиц, которые должны быть подвержены наиболее сильной адгезии (О.В. Дерягин, К.К. Кротова, 1949; А.Д. Зимон, 1967). У частиц большего размера гравитационные силы превосходят силы прилипания, частицы меньшего размера вследствие малого веса не в состоянии выдавить слой жидкости и вступить в непосредственный контакт с поверхностью.

Работ, касающихся природы сил адсорбции клеток микроорганизмов, пока очень мало.

Т. Санторо и Г. Стотцкий (Т. Santoro, G. Stotzky, 1968) доказывают, что в адсорбции клеток микроорганизмов на глинистых минералах важную роль играют ван-дер-ваальсовы силы.

Однако в ряде случаев прочность связи клетки с адсорбентом значительно больше чем можно ожидать за счет сил Ван-дер-Ваальса.

Соединение клетки бактерий с адсорбентом может быть очень прочным. Например, было показано (J.V. Papadimitrion, 1966; Н.С. Jones et al., 1969), что участок мембраны клеток кишки, контактирующий с бактериальной капсулой, утолщается до 200 А, и капсула кажется слившейся с клеточной мембраной.

Изучив флокуляцию бактерий гидрофильными коллоидами, X. Ходж и С. Меткалф (Н.М. Hodge, S.N. Metcalfe, 1958) приходят к выводу, что коллоидные частицы образуют мостики между двумя клетками. Адсорбция осуществляется благодаря образованию водородной связи между гидроксильными группами бактерий и гидроксилом, карбоксилом или аминогруппой коллоида.

Некоторый свет на природу сил, действующих при адсорбции микроорганизмов, проливают исследования по адсорбции на глинистых минералах и некоторых других адсорбциях органических молекул, особенно сложных полимеров, из которых построена поверхность клеток.

Органические вещества могут удерживаться силами Ван-дер-Вааль- са, водородными, гидрофобными, солевыми, катионно-мостиковыми связями, амидными, эфирными, тиоловыми и рядом других типов связей. Поверхность микробных клеток очень разнородна. На ней располагаются сложные комплексы белков, липидов и полисахаридов. Отмечается большая мозаичность строения поверхности. Она содержит гидрофильные и гидрофобные участки и самые разнообразные функциональные группы. Поэтому при адсорбции клеток могут возникать самые различные типы взаимодействий.

Подробное рассмотрение сил, которые могут принимать участие в адгезии клеток высших животных, было дано в работе Б. Песика (В.A. Pethica, 1961). Автор считает, что при адгезии действует не одна, а несколько сил.

Возможно участие следующих сил.

  • 1. Химические связи между взаимодействующими поверхностями, например, водородные связи, тиоловые, амидные и эфирные связи.
  • 2. Образование ионных пар и ионных триплетов, например, -NHv.-COO- и -СОО-...Са...-ООС-. Этот тип взаимодействия включает энергию десольватации.
  • 3. Силы, вызванные флуктуацией зарядов взаимодействующих тел.
  • 4. Мозаичный заряд на поверхностях подобного или противоположного общего заряда, специфически возникающий из электростатического притяжения геометрически упорядоченных зарядов.
  • 5. Силы, обусловленные притягательным взаимодействием противоположно заряженных тел.
  • 6. Электростатическое притяжение между поверхностями, несущими одинаковый заряд.
  • 7. Электростатическое притяжение, обусловленное отраженными силами. Эти силы можно рассматривать как обусловленные десольватацией внутримембранных ионов при объединении мембран.
  • 8. Силы поверхностного натяжения и поверхностной энергии.
  • 9. Силы Ван-дер-Ваальса.

Помимо сил притяжения при адсорбции клеток могут действовать силы отталкивания.

  • 10. Силы отталкивания одноименно заряженных поверхностей.
  • 11. Препятствие притяжению, обусловленное пространственными барьерами, такими как капсулы и сольватные слои.

Взаимодействие микроорганизмов с твердыми материалами оказывает существенное влияние на физиологическую активность микробных популяций, изменяя интенсивность и направленность биохимических процессов, скорость размножения микроорганизмов, интенсивность нарастания биомассы, размеры и морфологию клеток. К настоящему времени опубликовано большое количество работ по влиянию адгезии микроорганизмов на их жизнедеятельность (сайт Dommedika).

Контактное взаимодействие бактерий с твердыми поверхностями может снижать их физиологическую активность в связи с экранированием части клеточной поверхности твердыми материалами, уменьшать интенсивность переноса субстратов в клетку и метаболитов из нее. Подтверждением такой возможности служат результаты по ингибированию низкими концентрациями глинистых минералов дыхания Histoplasma capsulatum. По мнению авторов, ингибирование дыхания этих микроорганизмов обусловлено прикреплением частиц минерала к гифам гриба и созданием помех переносу источников питания, в частности железа, через клеточную стенку. В ряде случаев снижение метаболической активности микроорганизмов при их взаимодействии с высокодисперсными материалами имеет важное биотехнологическое значение. Это прежде всего касается производства бактериальных препаратов, а также консервирования клеток животных.

Блокируя клеточную поверхность и создавая для бактерий или клеток определенное микроокружение, высокодисперсные материалы способствуют выживанию этих биологических объектов при их длительном хранении. По многочисленным данным, при взаимодействии микроорганизмов с твердыми материалами их физиологическая активность чаще всего повышается по сравнению с клетками, функционирующими в жидкой среде. Активность бактерий, ассоциированных в водной среде с твердыми частицами, может более чем в 40 раз превышать активность свободноживущих микроорганизмов. Ранее предполагалось, что силы адсорбции сами по себе не оказывают существенного влияния на развитие микроорганизмов.

По мнению М. Флетчер (2014), при взаимодействии бактерий с твердыми материалами могут наблюдаться деформации клеточных мембран, следствием чего может быть изменение физиологической активности микроорганизмов. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что физиологическая реакция микробных культур на взаимодействие с твердыми материалами в значительной степени определяется свойствами поверхности клеток и адсорбента, физиологическим состоянием микроорганизмов, особенностями потребляемых субстратов и соотношением бактерий и субстрата.

В ряде систем стимулирующее влияние твердых материалов на жизнедеятельность микроорганизмов проявляется лишь в неоптимальных условиях их культивирования. Иногда при контакте с твердыми поверхностями физиологическая активность микроорганизмов не изменяется или снижается. Таким образом, свойства твердых поверхностей оказывают существенное влияние на метаболическую активность бактерий, что в значительной степени обусловлено различными сорбционной способностью и доступностью для микроорганизмов источников их питания. Поскольку удельная площадь поверхности возрастает с уменьшением размеров частиц, особо заметное влияние на физиологическую активность микроорганизмов наблюдается при взаимодействии с высокодисперсными материалами.

В основе влияния твердых материалов на физиологическую активность микроорганизмов могут лежать различные механизмы. Методом микроэлектрофореза показано, что клетки бактерий способны вступать в контактное взаимодействие с высокодисперсными материалами. Этот метод основан на том, что микроорганизмы и высокодисперсные частицы различаются по электрокинетическим свойствам.

При наличии сорбции частиц на поверхности клеток они будут блокировать собственный заряд бактерий. В результате этого последние приобретают электроповерхностный заряд, приближающийся к заряду частиц. Установлено, что внесение в дисперсионную среду с pH 5,0 высокодисперсного диоксида кремния сопровождается изменением элек- трокинетических свойств бактерий Methylomonas rubra.

При определенной концентрации твердых частиц потенциал клеток достигает значений, характерных для дисперсных материалов. Данный эффект объясняется сорбцией частиц кремнезема или глины на поверхности клеток, приводящей к образованию слоя из этих частиц с новой поверхностью раздела и соответствующими электрокинетическими свойствами. В то же время при pH 7,0 этот эффект методом микроэлектрофореза обнаружить сложно, поскольку в таких условиях электрокинетические свойства клеток и высокодисперсных частиц отличаются незначительно.

Наличие контактного взаимодействия в указанных средах доказано методом электронной микроскопии. Оказалось, что при внесении незначительных количеств высокодисперсного диоксида кремния в суспензию Methylomonas rubra (25-50 мг/л) при pH 6,0 потенциал микроорганизмов приобретает аномально высокие значения. При повышении содержания высокодисперсного диоксида кремния в дисперсионной среде электрофоретическая подвижность клеток снижается и стремится к ее значениям для высокодисперсных частиц. Это свидетельствует о наличии контактного взаимодействия между бактериями и твердым материалом, что также подтверждается методом электронной микроскопии. Такой эффект не сопряжен с энергетическими процессами в клетке и наблюдается также у бактерий, убитых ультрафиолетовым излучением.

Адсорбции микроорганизмов придается большое значение как фактору их патогенности. Данная способность широко используется бактериями в любой среде обитания (Езепчук Ю.В., 1977; Сомов Г.П., Литвин В.Ю., 1988; Никитин Е.Б., 2004; Кисленко В.Н., 2010).

В почвенной микробиологии известно, что адсорбция к субстрату - свойство всех микроорганизмов - является важной функцией при их существовании в почве. То же касается и водных, и воздушных бактерий; везде можно обнаружить частицы, которые послужат одноклеточным прокариотам адсорбентом (Бочевер Ф.М. и др., 1979).

Особенно это актуально при рассмотрении живого макроорганизма, куда бактерии не только проникают за счет адсорбции, но и закрепляются в нем, а также перемещаются по организму-хозяину благодаря этому их свойству.

Бактериальные клетки - это многокомпонентные, полифункциональ- ные живые системы. В настоящее время достаточно хорошо изучены их состав, структура и функциональные особенности (Бондаренко В.М., Грачева Н.М., 2003). При этом до конца неясным остаются механизмы поддержания и регуляции заряда на поверхности клеточной стенки. Ряд авторов утверждают, что поверхностный заряд клетки обусловлен химическим составом ее клеточной стенки.

Наличие и величина зарядов играют главенствующую роль во взаимодействии клетка - сорбент, а природа адсорбционных сил таких взаимодействий определяется в первую очередь химическим составом клеточных стенок бактерий и функциональными группами самих сорбентов. Известно, что и грамположительные бактерии несут на своей поверхности отрицательный заряд. Отрицательный заряд клеточной поверхности обуславливается анионными полимерами клеточных стенок. Это в первую очередь относится к пептидогликану (ПГ) - макрополимеру. Отрицательный заряд ПГ формируют карбоксильные группы у-глю- таминовой и мезо-диаминопимелиновой кислот, а также терминальные остатки D-Ala пептидных субъединиц. Значительный вклад в формирование структуры полиэлектролитного геля клеточной стенки вносят тей- хоевые кислоты (ТК) и липотейхоевые кислоты (ЛТК), а также другие анионные соединения, такие как тейхуроновые кислоты и сахар-1-фосфатные полимеры (Потехина Н.В., 2006; Рыбальченко О.В. и др., 2008).

А.С. Ложкомоев (2013) при исследовании адсорбции бактерий волокнистым сорбентом установил, что клетки действительно находятся в физиологически активном состоянии, на что указывает наличие делящихся клеток, гомогенная структура цитоплазмы и сохранность всех слоев клеточной стенки. Таким образом, в системе культура клеток- сорбент в значительной мере имеют место взаимодействия такие же, как для классических систем сорбат - сорбент (табл. 1.1).

Основной вклад в высокую эффективность удерживания бактерий, считает автор, вносит электростатическое взаимодействие между клеткой и электроположительным адсорбентом, обусловленное присутствием на взаимодействующих поверхностях разноименно заряженных и неполярных функциональных групп.

Таблица 1.1

Адсорбции микроорганизмов волокнистым сорбентом (по А.С. Ложкомоеву, 2013)

Наименование

культуры

Морфология

микроорганизмов

Эффективность адсорбции, %

1

Е. coli

палочки, 1,5-3 мкм

98,90 ± 0,05

2

S. aureus

кокковидные, 1,0-1,5 мкм

97,17 ±0,18

3

Р. aeruginosa

палочки, 1,0-3,0 мкм

98,25 ±0,11

Также нельзя не учитывать тот факт, что бактериальные клетки могут формировать скопления микроорганизмов за счет сил взаимного притяжения и отталкивания, агрегироваться и удерживаться друг относительно друга с помощью дополнительных механизмов фиксации (тей- хоевые кислоты, фимбрии, белки наружной мембраны и др.). Возможно, в удерживании микроорганизмов на частицах псевдобемита принимает участие гликокаликс, представляющий собой полисахаридные волокна клеточной стенки бактерии, основная функция которого - адгезия к различным субстратам. Комплекс адсорбирующих приспособлений позволяет микроорганизмам достаточно прочно фиксироваться на частицах.

Еще одним подтверждением существенного вклада электростатических взаимодействий в адсорбцию микроорганизмов является различие эффективности адсорбции в дистиллированной воде и растворах электролитов. Так, максимальная сорбционная емкость волокнистого сорбционного материала по бактериям Е. coli из дистиллированной воды составила 10й КОЕ/см2, вто время как из водопроводной воды только Ю9КОЕ/см2. Участок нулевых концентраций при адсорбции в динамических условиях бактерий Е. coli из водопроводной воды также значительно меньше, чем из дистиллированной, для которой проскок в условиях эксперимента достигнут не был. Ацетатцеллюлозная основа той же плотности и толщины, что и испытанные образцы, практически не сорбирует Е. coli, следовательно, удерживание бактерий за счет механической фильтрации микроволокнистым слоем пренебрежимо мало (Потехина Н.В., 2006).

Исследованиями Ларионова И.В. с соавторами (2014) изучен процесс иммобилизации микроорганизмов на сорбентах из регенерированной целлюлозы. Полученные данные свидетельствуют о том, что природа адсорбционных сил в основном обусловлена кулоновским взаимодействием между компонентами системы.

Именно это взаимодействие обуславливает иммобилизацию культур на гранулах сорбента и связывание (адсорбцию) метаболитов в объеме зерен сорбента. В отношении метаболитов сорбент выступает в качестве буферной емкости, это обстоятельство способствует как существенному увеличению выхода метаболитов, так и собственно биомассы клеток (Самсонов Г.В., 1986).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >