Влияние ионов металлов на устойчивость суспензий дрожжевых клеток

Лиофильные дисперсные системы характеризуются высоким сродством частиц дисперсной фазы к дисперсионной среде. Термодинамическая устойчивость этих систем описывается неравенством:

AF = AU - TAS < 0

Это возможно, когда значения удельной межфазной свободной энергии о не превышают окр = ПУ8 Дж/см2. Клетки микроорганиз мов, для которых поверхностное натяжение на границе с водой приближается к нулю, относятся к типичным лиофильным системам с высокой устойчивостью. Значения поверхностного натяжения некоторых клеток приведены в таблице 12 [9].

Таблица 12 Поверхностное натяжение различных клеток [9]

Объекты исследования

Поверхностное натяжение, дин/см

Эритроциты Triturus

од

Amoeba

1,3

Phyrarum

0,5

Макрофаги кролика

2,0

Лейкоциты лягушки

1,3

Busycon

0,5

Arbacia

0,08-0,2

Хотя современная теория устойчивости дисперсных систем Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека рассматривает устойчивость лиофобных систем, ее математический аппарат может быть использован и для описания устойчивости суспензий клеток микроорганизмов.

С другой стороны, существует точка зрения, что лиофильными золями следует считать такие системы, которые сохраняют свою устойчивость даже в довольно концентрированных растворах солей. Коагуляция таких систем наступает при высоком содержании электролитов в растворе, а коагулирующее действие электролитов, в свою очередь, не зависит от величины и знака заряда противоионов [101]. В этой связи определенный интерес представляло выяснение вопроса о влиянии заряда коагулирующего иона на устойчивость суспензий клеток микроорганизмов.

В исследованиях использовали дрожжевые клетки Torulopsis kefir var kumis и Sacharomyces cerevisiae, поверхность которых состоит преимущественно из фосфатных групп, усиливающих лиофильность системы. О коагуляции судили по изменению оптической плотности суспензий.

При введении солей: NaCl, Pb(NO3)2, CuSO4, СоС12, А1С13 и FeCl оптическая плотность суспензий клеток Torulopsis kefir var kumis и Sacharomyces cerevisiae остается неизменной в широком интервале концентраций электролитов и лишь в области 10’МО1

моль/л начинается повышение мутности системы (рис. 20, 21). Поэтому для определения порогов коагуляции использовали зависимость dA/dr от концентрации электролита (рис. 22, 23).

7. NaCI; 2. Pb(N()f; 3. CuSO4; 4. CoCl2; 5. AlCly 6. FeCl}

Рис. 20. Зависимость оптической плотности суспензии клеток Torulopsis kefir var kumis, T - 17 от концентрации электролитов

/. NaCI; 2. Pb(N()f; 3. CuSO4; 4. CoCl2; 5. AlCl}; 6. FeCl}

Рис. 21. Зависимость оптической плотности суспензии клеток штамма - Saccharomyces cerevisiae, Р - 12 от концентрации электролитов

(dA/drX-u 105

1. NaCl; 2. Pb(NO)2; 3. CuSO4; 4. CoCl2; 5. AlCl}; 6. FeCl}

Рис. 22. Дифференциальные кривые изменения оптической плотности суспензий дрожжевых клеток Torulopsis kefir var kumis, T - 17 в присутствии электролитов

/. NaCl; 2. Pb(NOfi2; 3. CuSO4; 4. CoCl2; 5. AlCl}; 6. FeCl}

Рис. 23. Дифференциальные кривые изменения оптической плотности суспензий дрожжевых клеток Sacharomyces cerevisiae, Р - 12 в присутствии электролитов

Пороговые концентрации для ионов Na+ зафиксированы при ГНУ1 моль/л, для двухвалентных Со2+, Pb2+, Cu2+ Ck=l 10’2 моль/л, а для трехвалентных Fe3+ и А13+ минимальная коагулирующая концентрация составляет 1 103 моль/л. Попытка объяснения коагупирующего действия катионов на основе правила Шульце-Гарди обнаруживает некоторое отклонение от него: действительно, увеличение заряда коагулирующего иона вызывает снижение пороговой концентрации электролита, однако уменьшение расхода электролита с ростом валентности противоиона не соответствует закону «шестой степени».

В работах Ефремова, Усьярова и др. [102] было показано, что агрегация электролитами частиц крупных размеров - порядка сотен и тысяч нанометров - описывается законом:

С . z25'35 = const nk

Размеры дрожжевых клеток: 2-5 мкм для Torulopsis kefir var kumis и 3-10 мкм для Sacharomyces cerevisiae находятся в этих пределах. Приложение данного равенства к исследуемым объектам обнаруживает неплохое соответствие: соотношение порогов коагуляции для одно-, двух- и трехзарядных ионов составляет 1:5:33, а найденные на его основе показатели степени z для двухвалентных металлов равны 2,35, для трехвалентных - 3,10.

Что же касается влияния лиотропности ионов на их коагулирующее действие, то рассматриваемые нами коагулянты по радиусам ионов и способности к гидратации располагаются таким образом [103]:

Pb2+ > Cu2+ > Со2+ > Fe3+ > Al3+ >Na+

Т.е. полученные нами результаты по коагулирующему действию ионов указывают на определяющую роль зарядов, а влияние лиотропности, по-видимому можно рассматривать только в ряду ионов с одинаковой валентностью. К сожалению, использовать для этой цели данные по изменению оптической плотности под влиянием электролитов невозможно, поскольку на этот показатель определенное влияние оказывает окраска солей. Более достоверными являются значения ^-потенциала. По влиянию на электрокинетический потенциал дрожжевых клеток двухзарядные ионы можно расположить в ряд: Pb2+ > Си2+ > Со2+, что вполне согласуется с их лиотропностью.

Вхождение показателей степени z (в случае двухвалентных металлов - приближение) в интервал 2,5-3,5 может быть свидетельством дальней агрегации с образованием периодических коллоидных структур [104]. При достаточной глубине второго минимума на потенциальной кривой (>5-10 кТ) частицы, независимо от высоты барьера, коагулируют в дальней яме.

Для обоснования применимости данного утверждения к суспензиям дрожжей с использованием традиционных подходов теории ДЛФО, т.е. рассмотрения баланса сил межмолекулярного притяжения и электростатического отталкивания заряженных частиц, получена информация о влиянии электролитов на устойчивость системы. На основании данных о размерах частиц и результатов электрофоретического исследования клеток рассчитаны энергии их притяжения и отталкивания в среде 1-1 валентного электролита.

Энергию ионно-электростатического отталкивания U. клеток рассчитывали по формуле [105]:

U.= 2-7l,8‘80,(pd2aln[l+exp(-xh)],

где ? - диэлектрическая постоянная в объеме раствора, принятая для воды 80,1;

  • ?0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85-10“12Ф/м;
  • (pd - штерновский потенциал (при расчете заменялись ^-потенциалами) клеток;

а - средний радиус клетки (условно принятой за сферическую частицу), равный приблизительно 4 мкм;

h - расстояние между поверхностями частиц, мкм;

% - дебаевский радиус или величина, обратная толщине диффузного слоя, которая рассчитывалась по формуле [105]:

4-7i-L-e2-w.-z2-

гк-Т

где е - заряд электрона, 1,60-10-19 Кл;

п. — коагулирующая концентрация электролита;

z. - заряд (валентность) коагулирующего иона к - постоянная Больцмана, 1,38-10-23 Дж/К;

Т - абсолютная температура.

где А],-константа Гамакера, учитывающая взаимодействие клеток (1) в воде (2), значение которой равнялось 0,12 -10’20 Дж; S=H/a.

1. Cv =1-Ю3 М; 2. С =1-10 2М; 3. Сх =Т10-' М; 4. =1 М

NaCl 7 NaCl 7 NaCl 7 fitaCl

Рис. 24. Энергия взаимодействия дрожжевых клеток Torulopsis kefir var kutnis в среде 1-1- валентного электролита

Результирующую энергию взаимодействия находили как сумму энергий ионно-электростатического отталкивания и межмолекулярного притяжения (U):

и = и.+и

1 m

Расчеты энергий взаимодействия клеток проводили при различных концентрациях NaCl - 10’3-10’1 моль/л (рис. 24, таблицы 13-16). Как видно из рисунка 24, агрегация клеток осуществляется на расстояниях дальнего порядка, h»500 А.

Анализ кривых энергии взаимодействия частиц показывает, что клетки дрожжей Torulopsis kefir var kumis довольно устойчивы к воздействию NaCl. При концентрации электролита 10*3 моль/л (таблица 13 ) размытая диффузная часть ДЭС, равная 1,90 • 10’7, препятствует сближению частиц. Силы отталкивания меж ду одноименно заряженными частицами обусловливают высокие значения U., для преодоления которых необходима большая кинетическая энергия. Увеличение концентрации NaCl до 10'2 моль/л (таблица 26) приводит к некоторому сжатию диффузной части ДЭС и, соответственно, к уменьшению энергии отталкивания частиц. Тем не менее, и при этих условиях значения энергии отталкивания остаются довольно высокими вследствие увеличения плотности энергии ионных атмосфер [104] и система сохраняет свою устойчивость.

Значительное снижение энергии отталкивания клеток наблюдается при увеличении концентрации электролита до 10’1 моль/л (таблица 15). При этом толщина диффузной части уменьшается до 7,80 • 10’8 м, а значения энергии взаимодействия частиц на довольно больших расстояниях h»500 А начинают снижаться на 1-5 порядков, т.е. приближаются к нулю.

И, наконец, концентрация NaCl в 1 моль/л (таблица 16) приводит к такому сжатию диффузной части ДЭС (X = 2,46 10’8 м, ае = 2,30 106 м1), что на расстояниях между частицами h>2500 А потенциальный барьер исчезает и все значения суммарной энергии взаимодействия частиц становятся отрицательными. Однако значение электрокинетического потенциала при этом остается высоким: = -38 мВ.

Такая агрегация - коагуляция во второй потенциальной яме -определяется как сверхдальнодействие [78, 104], при этом частицы не могут ни разойтись, ни приблизиться вплотную друг к другу и продолжают существовать в виде «пары», совершающей совместное броуновское движение, а также колебания вдоль связи [103]. К этой паре могут присоединяться и другие частицы с образованием тройников и более сложных структур. Частицы, связанные на больших расстояниях, т.е. через большие прослойки жидкости, приобретают фазовую устойчивость и so. Расчеты Ефремова и Нерпина [103,104] показали, что с увеличением числа частиц в агрегатах глубина второго минимума увеличивается, способствуя протеканию коллективных взаимодействий. При этом во многих случаях образуются периодические коллоидные структуры, квазикристаллические образования, обладающие дальним порядком [1 ;104]. Так как периодичность структур особенно характерна для биологических систем, то не исключена возможность их образования и в случае клеток дрожжей.

Таблица 13

h,A

с

Ц,Дж

U , Дж т7

U, Дж

10

1,28- 10-3

3,33- 1017

-1,66- 10-18

3,17- 10-17

15

1,92- 10-3

3,33- 1017

-1,10- 10-'8

3,22- 1017

20

2,56- 10-3

3,33- 1017

-8,27- 1019

3,25- 1017

30

3,85- IO3

3,33- 1017

-5,50- 1019

3,27- 1017

50

6,41- 10-3

3,32- 10 17

-3,28- 1019

3,29-Ю’17

100

1,28- IO2

3,31- 1017

-1,62- 1019

3,29- 10”

150

1,92 -10'2

3,29 -1017

-1,07 -1019

3,28- 10”

200

2,56-10’2

3,28 -1017

-7,92 - IO20

3,27 -1017

250

3,21 -10-2

3,26-Ю '7

-6,27 -IO20

3,25 40”

300

3,85 - IO2

3,25 10 17

-5,18 - IO20

3,24-1017

400

5,13 -IO2

3,22 -10-'7

-3,81 -IO'20

3,21 -IO'17

500

6,41 IO2

3,19 -1017

-2,99 -10-20

3,18 -10-17

700

8,98 - IO2

3,13 -1017

-2,07 - IO’20

3,12 -1017

1000

1,28 -10-'

3,04 -10'17

-1,39 - IO20

3,04 -1017

1500

1,92 -10-1

2,90 1017

-8,65 - IO21

2,90 -1017

2000

2,56-IO’1

2,76 -1017

-6,09 -IO21

2,76 -1017

3000

3,85 10-’

2,49 -1017

-3,64-IO’21

2,50-1017

4000

5,13 -10-’

2,26 1017

-2,46 - IO21

2,26 -1017

5000

6,41 -101

2,04 -1017

-1,79 - IO21

2,04 -1017

6000

7,69-10’1

1,83 -1017

-1,37-IO’21

1,83 -1017

7000

8,98 10-’

1,65 -1017

-1,08 -IO21

1,65 -1017

8000

1,03

1,47 -IO’17

-8,70 - IO’22

1,48 -IO'17

9000

1,15

1,32 -1017

-7,15 - IO’22

1,32 -IO’17

10000

1,29

1,18 -1017

-5,97-1022

1,18 -1017

12000

1,54

9,36-1018

-4,31 -IO22

9,36 -10-'8

14000

1,79

7,40 -1018

-3,23 - IO22

7,40 -1018

15000

1,92

6,56 10 18

-2,82 - IO22

6,57 -1018

Энергии взаимодействия клеток

Torulopsis kefir var kumis в среде 1* 10’3 М NaCl. ?=-52 мВ, 1=1,901(к7м, %=1,28'106 м~'

Таблица 14

h, А

с

Ц,Дж

U , Дж пг

U, Дж

10

4,05 103

2,8340”

-1,66-Ю’8

2,67-10-’7

20

8,11103

2,8640”

-8,2740”

2,74- IO17

30

1,22-10’2

2,52-10-'7

-5,5040”

2,7640”

50

2,03-10’2

2,80-Ю17

-3,28-Ю-’9

2,77-IO17

100

4,06-10’2

2,76-10”

-1,621-10”

2,74-10 17

150

6,08-10’2

2,72-Ю-’7

-1,07-Ю-’9

2,71-Ю-'7

200

8,11-Ю2

2,68-10'17

-7,92-10’20

2,67-10'17

250

1,0110-’

2,64- 10”

-6,27-10’20

2,6340”

300

1,22-10 1

2,6040”

-5,18-1020

2,60-10 17

400

1,62-10-’

2,52-Ю-'7

-3,81-Ю-20

2,52-Ю'’7

500

2,03-Ю’1

2,45-Ю’7

-2,99-10’20

2,45-Ю’17

700

2,90-10 1

2,3040”

-2,07-10’20

2,3040”

1000

4,06-10-’

2,09-10 17

-1,39-10’20

2,09-IO17

1500

6,08-10-’

1,7840”

-8,65-IO21

1,78-Ю-’7

2000

8,11-10 1

1,5140”

-6,091021

1,5140”

5000

2,03

5,07-Ю’8

-1,79-1021

5,07-10-'8

6000

2,43

3,45-Ю-’8

-1,37-10-2

3,45-Ю-’8

7000

2,84

2,33-Ю18

-1,0810’21

2,33-Ю-’8

8000

3,24

1,57-Ю’8

-8,69-10’22

1,57-Ю-’8

9000

3,65

1,05-Ю'8

-7,15-10’22

1,05-Ю’8

10000

4,06

7,04-1019

-5,97-10’22

7,04-Ю-’9

12000

4,87

3,1440”

-4,31-Ю’22

3,14-Ю’19

13000

5,27

2,1040”

-3,71-10-22

2,09-Ю'9

14000

5,68

1,40-10'19

-3,23-10’22

1,40-10”

15000

6,08

9,34-10’20

-2,82-10’22

9,31-Ю’20

Энергии взаимодействия клеток

Torulopsis kefir var kumis в среде 1402 М

NaCU=-48 мВ, 2=2,46-10'м, х=4,05-106 м1

Таблица 15

Энергии взаимодействия клеток

Torulopsis kefir var kurnis в среде 101 М

NaCU=-43 мВ, 2=7,80-1 (к8м, %=1,28-107 м1

h, А

с

Ц, Дж

U , Дж ш’

U, Дж

10

1,28-Ю’2

2,26-Ю-'7

-1,66-10'»

2,10-Ю'7

20

2,56-Ю’2

2,24-10-'7

-8,27-10-'8

2,16-Ю’17

30

3,85-Ю'2

2,22-Ю’17

-5,50-Ю'9

2,16-Ю17

50

6,41-Ю2

2,18-Ю-'7

-3,28-Ю'9

2,14-Ю’7

100

1,28-10-'

2,08-Ю-'7

-1,62-Ю'9

2,06-IO’7

150

1,9210-'

1,98-Ю'7

-1,07-Ю'9

1,97-Ю'7

200

2,56-10-'

1,89-Ю'7

-7,92-10’20

1,88-Ю17

250

3,21-10-'

1,80-Ю'7

-6,27-10’20

1,79-Ю17

300

3,85-10-'

1,71-Ю-'7

-5,18-10’20

1,70-Ю-17

400

5,13-10-'

1,54-Ю'7

-3,81-IO’20

1,54- Ю’1

500

4,76-10-'

1,59-Ю'7

-2,30-10’20

1,59-Ю17

700

8,98-10-'

1,12-Ю17

-2,07-10’20

1,12-10'"

1000

1,28

8,06-10-18

-1,39-10'20

8,04-10'18

1500

1,92

4,49-10-18

-8,65-1021

4,48-10’18

2000

2,56

2,44-10'8

-6,10-1 о-21

2,43-Ю-’8

3000

3,85

6,95-Ю-'9

-3,64-1021

6,91-Ю19

4000

5,13

1,94-Ю’19

-2,46-1021

1,92-Ю-'9

5000

6,41

5,39-10’20

-1,79-Ю’2'

5,22-Ю-20

6000

7,69

1,50-10’20

-1,37-Ю’2'

1,36-Ю-20

7000

8,98

4,15-Ю-2'

-1,08-Ю’21

3,07-10-2'

8000

1,03

1,15-Ю-2'

-8,69-10'22

2,82-10'22

9000

1,15

3,19-Ю-22

-7,15-10’22

-3,95-10’22

10000

1,28

8,86-10-23

-5,97-1022

-5,08-Ю’22

12000

1,54

6,81-Ю’24

-4,3 НО22

-4,24-IO’22

13000

1,67

1,89-10’24

-3,72-10’22

-3,70-IO22

14000

1,79

5,24-10’25

-3,23-10’22

-3,22-Ю’22

15000

1,92

0

-2,82-10’22

-2,82-IO’22

Таблица 16

Энергии взаимодействия клеток

Torulopsis kefir var kumis в среде 1М

NaCl.t=-38 мВ, л=2,46<К48м, у=4,06-107

h, А

с

Ц, Дж

и , Дж

U, Дж

10

4,06-102

1,73-Ю'7

-1,660-Ю18

1,565-Ю'7

20

8,11-102

1,68-Ю17

-8,273-Ю'19

1,597-Ю'7

30

1,22-10 1

1,63-Ю'7

-5,50-Ю'9

1,57-Ю17

50

2,03-10 1

1,53-Ю'7

-3,281-Ю19

1,50-Ю17

100

4,06-10-'

1,31-Ю17

-1,62-Ю19

1,30-Ю17

150

6,08-10-'

1,12-Ю'7

-1,07-10’19

1,11-Ю-'7

200

8,11-10-'

9,45-Ю18

-7,92-10’20

9,38-Ю18

250

1,01

7,96-10'8

-6,27-10’20

7,90-Ю-'8

300

1,22

6,67-10'8

-5,18-10’20

6,62-Ю18

400

1,62

4,63-10 18

-3,81-Ю-20

4,60-10 18

500

2,03

3,18-10 18

-2,99-10’20

3,15-Ю18

700

2,84

1,46-IO18

-2,07-10'20

1,44-Ю18

800

3,24

9,83-Ю19

-1,79-10’20

9,65-Ю19

1000

4,06

4,41-Ю19

-1,39-10’20

4,28-Ю19

1500

6,08

5,85-10-20

-8,65-Ю-2'

4,99-1020

2000

8,11

7,71-IO2'

-6,1-Ю2'

1,61-Ю-21

3000

12,16

1,33-10’22

-3,64- IO2'

-3,50-Ю-21

4000

16,22

2,31-Ю24

-2,46-1021

-2,46-Ю-21

5000

20,28

0

-1,79-10’21

-1,79-Ю-21

6000

24,33

0

-1,37-10’21

-1,37-Ю-21

7000

28,39

0

-1,08-10’21

-1,08-Ю-21

8000

32,45

0

-8,69-10’22

-8,69-Ю-22

9000

36,50

0

-7,15-10’22

-7,15-10’22

10000

40,56

0

-5,97-10’22

-5,97-Ю-22

12000

48,67

0

-4,31-Ю’22

-4,31-Ю'22

14000

56,78

0

-3,23-10-22

-3,23-Ю-22

15000

60,84

0

-2,82-10'22

-2,82-10’22

Определяющую роль в стабилизации лиофильных коллоидов играют сольватные слои, хотя природа их стабилизирующего действия до конца не выяснена. В случае клеток микроорганизмов в силу их биологической специфичности в приповерхностном слое могут находиться продукты их метаболизма, что также вносит свой вклад в стабилизацию системы.

Стабилизирующую роль сольватных оболочек Ребиндер и Щукин связывают с наличием у них сопротивления сдвигу, мешающего их выдавливанию из зазора между частицами, а также, как указывалось выше, отсутствием заметного поверхностного натяжения на границе сольватированного слоя поверхности со свободной фазой. Устойчивость сольватированных слоев Дерягин объясняет формированием на границе раздела фаз полимоле-кулярных сольватных слоев, свойства которых резко отличаются от свойств объемной фазы [1; 104]. На возникновение сил отталкивания неэлектростатического происхождения при сближении сольватированных частиц неоднократно указывал Глазман. Эти силы определяются как структурная составляющая расклинивающего давления [107].

Отталкивание, которое возникает при сближении одинаково заряженных поверхностей, находящихся в растворе электролита, не явлется кулоновским, так как заряд на поверхности раздела фаз полностью нейтрализован зарядом ионов диффузного слоя. Появление сил отталкивания определяется увеличением плотности энергии ионно-электростатического поля в зоне перекрытия ионных атмосфер. Разность значений энергий, соответствующих неперекрытой и перекрытой зонам двойных электрических слоев, представляет собой электростатическую составляющую расклинивающего давления, расчет которой на основе теории ДЭС Гуи-Чепмена и теории растворов сильных электролитов Де-бая-Гюккеля был впервые выполнен Дерягиным, а затем и другими исследователями. При этом принимали, что ионы - точечные заряды, растворитель - сплошная среда с постоянной диэлектрической проницаемостью, а распределение ионов в наружном ионном слое подчиняется закону Больцмана.

По данным [104] давление тонких пленок жидкостей вблизи лиофильных поверхностей падает до нуля при достижении толщин порядка 200-250 тц. Полагают, что такие пленки образуются вокруг частиц и в лиофобных золях, однако толщина их долж на быть гораздо меньше - порядка десятков молекулярных слоев.

Согласно [108], толщина пленки бензола на поверхности ртути достигает 360 А. Однако имеются и такие данные, что пограничный слой нитробензола на стекле и кварце имеет толщину более 1000 А [109]. Ряд других исследователей также приходит к выводу о существовании толстых граничных слоев [ПО].

Некоторый вклад в устойчивость суспензии дрожжей вносит, очевидно, и наличие на поверхности этих клеток сильно гидратирующихся фосфатных групп. Помимо высокого заряда, сольватирующее, и, соответственно, стабилизирующее действие этих групп может быть обусловлено способностью к образованию водородных связей с молекулами воды. Именно этот фактор и подразумевается под силами отталкивания неэлектростатической природы в работах Дерягина и Глазмана.

Поэтому обнаружение областей коагуляции дрожжевых клеток в растворе 1 М NaCl на сверхдальних расстояниях - при h>2500 А вполне объяснимо. Если вещества органической природы образуют на поверхности минеральных частиц слои толщиной более 1000 А, то для такой высоколиофильной и сильносольвати-рованной системы, как клетки микроорганизмов, существование протяженной гидратной оболочки порядка 103 А не подлежит сомнению. В пользу этого свидетельствут и такой факт, что «посадочная» площадь адсорбируемых молекул воды, рассчитанная с учетом их дипольного момента, оказалось равной 10 А2 [104]. Однако частицы, взаимодействуя через такие прослойки жидкости, не подвергаются осаждению или слипанию, а фиксируются на дальних расстояниях.

Руцков, рассматривая физическую природу лиотропных рядов ионов, подчеркивает, что воздействие ионов различной природы на самые разнообразные свойства коллоидных и истинных растворов заключается именно в воздействии на структуру растворителя [111]. Таким образом, действие лиотропного ряда ионов следует объяснять не с точки зрения воздействия на вещества, составляющие коллоидные частицы, а на окружающую их среду.

Все это свидетельствует об огромной роли сольватированной воды в устойчивости коллоидных систем, в особенности таких высоколиофильных, как суспензии клеток микроорганизмов. Таким образом, низкие значения показателя степени z=2,35-3,1 в выражении nzx=const и фиксация на дальних расстояниях при воздействии высокой концентрации электролита вполне обоснованны.

Обращает на себя внимание факт коагуляции дрожжевых клеток Torulopsis kefir var kumis при высоких значениях ^-потенциала. Это становится тем более значительно, если учесть, что критическими значениями при коагуляции считаются величины ^=20-25 мВ. Здесь необходимо отметить, что электрокинетичес-кий потенциал является постольку характеристикой границы раздела фаз, поскольку он отражает влияние толщины диффузной части ДЭС на свойства поверхности. А толщина диффузной части ДЭС определяется концентрацией противоиона, т.е. опять речь идет о количестве ионов, которые, отнимая или деструктурируя молекулы воды вблизи поверхности, способствуют их фиксации или коагуляции. Иными словами, причиной коагуляции является не столько снижение сколько понижение расклинивающего давления в результате сжатия ДЭС или водоотнимающего действия ионов. Насколько это действие отличается у ионов различной природы и валентности, можно судить по величине константы скорости коагуляции, рассчитанной по формуле:

эксп

полученной из уравнения [213]:

В • Кт ? С2

где

- изменение оптической плотности раствора во времени;

плотность дисперсной фазы;

В - постоянная, зависящая от свойств дисперсионной среды и дисперсной фазы; т.к. рассматривается одна и та же система, то В принята за 1;

С2- минимальная пороговая концентрация коагуляции, кг/м3.

Как видно из таблицы 17, константа скорости коагуляции при переходе от NaCl к FeCl3 увеличивается от 1,8 до 1,56 104, т.е. возрастает на 4 порядка. Невысокое значение Кэксп в случае ионов свинца, который проявляет наибольшую коагулирующую способность, можно объяснить, вероятно, тем, что он образует нерастворимое соединение с фосфатными группами поверхности и это отражается на мутности системы. В целом, полученные значения Кэксп вполне согласуются с предположением о дальней агрегации клеток через прослойки жидкости среды.

Таблица 17

Константы скорости коагуляции клеток в присутствии электролитов

Электролит

(dA/dt),^n-10-5

Cs кг/м3

NaCl

5,2

2,3

1,8

Pb(NO,),

7,5

2,07

17,8

CuSO4

6,1

0,59

180,02

CoCi,

8,09

0,64

276,6

A1C1,

6,15

0,027

10,Г104

FeCL,

4,05

0,056

l,56104

При сравнении коагулирующего действия металлов различной природы может возникать вопрос о механизме коагуляции ионами Fe3+ и А13+. Поскольку в результате гидролиза этих ионов возможно образование частиц Ме(ОН)3, стабилизированных МеО+-ионами, можно было бы предположить агрегацию клеток в их присутствии по механизму гетерокоагуляции. Однако найденные в экспериментах пороговые концентрации FeCl3 и А1С13 составляют 0,269 г/л и 0,240 г/л соответственно, в то время как для получения их золей используют концентрацию в 2 %, т.е. 20 г/л. Поэтому высокие значения Кэксп в случае коагуляции клеток дрожжей ионами Fe3+ и А13+, скорее всего, связаны с влиянием их зарядов.

С другой стороны, если образование таких частиц и имело бы место, они адсорбировались бы на поверхности клеток, т.к. размеры частиц золей и клеток отличаются на 2 порядка.

Таким образом, причиной высокой устойчивости суспензий дрожжевых клеток является наличие на их поверхности многоза рядных фосфатных групп, гидратирующихся с образованием водородных связей с молекулами воды, что обеспечивает снижение поверхностного натяжения на границе клетка/вода. Значительная сольватация поверхности клеток приводит к появлению структурной составляющей расклинивающего давления, которая так же, как и электростатические силы, препятствует сближению частиц. В результате при введении в систему электролитов агрегация частиц начинается при концентрациях солей, намного больших, чем по закону «шестой степени».

Расчеты энергий взаимодействия частиц в среде 1 -1 -валентного электролита NaCl показали, что агрегация частиц идет во второй потенциальной яме, на дальних расстояниях. При этом частицы взаимодействуют через прослойки жидкости с образованием периодических коллоидных структур. Действие электролитов на суспензии дрожжевых клеток заключается как в сжатии диффузной части ДЭС и соответствующем снижении ^-потенциала, так и в дегидратации поверхности клеток.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Почему суспензии клеток микроорганизмов относят к лиофильным дисперсным системам?
  • 2. Как изменяется закон «шестой степени» при описании устойчивости биодисперсий?
  • 3. Какие особенности биодисперсий необходимо учитывать при описании их устойчивости с помощью теории ДЛФО?
  • 4. Какова роль сольватных оболочек в устойчивости клеток микроорганизмов к воздействию электролитов?
  • 5. Каковы особенности ДЭС на поверхности клеток микроорганизмов?
  • 6. Имеются ли минимумы на потенциальных кривых взаимодействия клеток микроорганизмов в среде NaCl?

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРОВ

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >