Влияние полимеров на устойчивость биодисперсий

Флокуляция клеток микроорганизмов

Уникальные свойства клеток микроорганизмов и их органелл: развитая поверхность, высокая плотность заряда и полифункциональность химических групп на ней открывают широкие возможности их использования для решения экологических проблем, в частности, для очистки сточных вод.

Очистка сточных вод с использованием микроорганизмов основывается на процессе флокуляции биоколлоидных частиц. Однако, несмотря на такие столь явные преимущества использования биосорбентов, как высокая степень очистки, хорошая регенерируемость, метод очистки сточных вод с помощью флокулированных микроорганизмов не нашел еще широкого распространения. Это связано, с одной стороны, недостаточной изученностью самого процесса концентрирования клеток микроорганизмов полимерами, а с другой — отсутствием критериев подбора полимеров, обеспечивающих сохранение сорбционных свойств нативных клеток.

Особенности строения, морфологии, физиологии и метаболизма клеток, а также их поведения в культуральных жидкостях вызывают определенные трудности в изучении этих систем, а их высокая чувствительность и быстрое реагирование к изменениям условий внешней среды являются причиной малоизученности устойчивости их суспензий. Поэтому в литературе практически отсутствуют данные по флокуляции клеток микроорганизмов полимерами. В связи с этим определенный интерес представляет выяснение закономерностей флокуляции клеток микроорганизмов и их органелл с помощью катионных полимеров.

С учетом необходимости выявления вклада индивидуальных особенностей биологических объектов в устойчивость их дисперсий использованы биоколлоиды, относящиеся к различным классам, это дрожжевые клетки Sacharomyces cerevisiae, водоросли Chlorella vulgaris и сферосомы растительной клетки. Частицы их отличаются как по строению и химическому составу поверхности, так по размеру и форме. Дрожжевые клетки имеют эллипсоидальную форму, клетки водорослей - вид продолговатых частиц, а сферосомы, как следует из их названия, представляют собой частицы сферической формы.

Кривые оседания этих частиц во времени приведены на рисунке 25.

Суспензии клеток и сферосом довольно устойчивы, величины п/п , представляющие собой отношение количества частиц в суспензии в данный момент времени к исходной концентрации частиц, снижаются за 60 минут от 1,0 до 0,82-0,90. Для сравнения отметим, что концентрация суспензии глины с аналогичной оптической плотностью за этот промежуток времени претерпевает значительные изменения, величина п/п0 снижается почти вдвое.

Наблюдаемая высокая устойчивость биодисперсий может быть обусловлена, прежде всего, наличием на их поверхности диссоциированных функциональных групп. Как показывают данные ИК-спектроскопии (таблица 7,8, рис. 7-9), поверхность дрожжей, водорослей и сферосом богата фосфатными карбоксильными, аминными, гидроксидными группами, придающими поверхности довольно высокий заряд. Существование заряда на поверхности частиц и, соответственно, двойного электрического слоя, обусловливает значительный вклад сил электростатического отталкивания во взаимодействие частиц, что обеспечивает агрегативную и седиментационную устойчивость системы.

Кроме того, как отмечалось в главе 1, поверхностное натяжение на границе клетка/раствор приближается к нулю, что также способствует сохранению устойчивости системы [9]. Различие в скорости осаждения клеток Sacharomyces cerevisiae, Chlorella vulgaris и сферосом растительной клетки следует, вероятно, объяснять специфичностью морфологии и физиологии различных классов биологических систем, а также слизистыми оболочками и другими поверхностными структурами, образующимися в результате нормального роста или являющимися следствием неблагоприятного влияния окружающей среды. Здесь также уместно отметить, что суспензии клеток вирусов и ряда бактерий могут быть седиментационно устойчивы длительное время в результате броуновского движения.

Однако при всем многообразии индивидуальных характеристик биодисперсий при рассмотрении их седиментационой устойчивости определяющими следует считать массу частиц, которая, соответственно, находится в непосредственной зависимости от размера и плотности частиц. Размеры частиц исследуемых объектов составляют: 3-10 мкм у дрожжевых клеток, 3-6 мкм у водорослей и 0,1-1,0 мкм у сферосом. Скорость осаждения частиц наибольшая у дрожжей , несколько меньше у водорослей, а самое замедленное осаждение - у сферосом .

Клетки микроорганизмов и сферосом имеют плотность, незначительно отличающуюся от плотности культуральной жидкости - 1,05 - 1,10 г/см3 [10; 112]. Разницу в плотности частиц дисперсной фазы ( р =1,8 г/см3) и

С. = 8-106 кл/мл; С . = 13,2‘107 кл/мл; С = 5'Ю8 кл/мл др 7 вод 7 7 сф

Рис. 25. Кривые оседания сферосом (1), водорослей (2), дрожжевых клеток (3) и глины (4) во времени

Таблица 18

h, А

с

и.

и

и

2

3,14-103

2,59-Ю17

-1,04-Ю’7

1,55-Ю17

4

6,28-103

2,58-Ю’7

-5,2010’*

2,06-10’7

6

9,42-103

2,57-Ю17

-3,461018

2,23-Ю’7

8

1,26-10’2

2,57-10-'7

-2,60-1018

2,31-Ю-’7

10

1,57-Ю2

2,56-10-'7

-2,08-1018

2,36-Ю’7

15

2,36-10’2

2,55-IO'17

-1,38-10'*

2,41-Ю’17

20

3,14-Ю’2

2,53-1017

-1,0310’*

2,43-10-'7

30

4,71-Ю-2

2,51-Ю-’7

-6,88-Ю’9

2,44-10’17

50

7,85-Ю’2

2,45-Ю’7

-4,11-10”

2,41-Ю’7

100

1,57-Ю'1

2,31-Ю’7

-2,03-Ю’9

2,29-Ю’7

150

2,36-10-’

2,18-Ю-’7

-1,34-Ю19

2,16-Ю-’7

200

3,14-10'’

2,05-Ю’7

-9,99-10-20

2,04-10’7

250

3,33-10-’

1,93-Ю’7

-7,92-10-20

1,92-Ю'7

300

4,71-10-’

1,81-Ю-’7

-6,55-10-20

1,81-10-’7

400

6,28-10-’

1,60-Ю”

-4,84-10-20

1,59-10-’7

500

7,85-10-’

1,40-10-17

-3,81-Ю”

1,40-10’17

700

1,10

1,07-10’7

-2,65-1020

1,07-10’7

1000

1,57

7,07-Ю’8

-1,79-10-20

7,05-Ю’8

1500

2,36

3,39-10’18

-1,12-Ю’20

3,38-Ю’18

Энергия взаимодействия дрожжевых клеток Sacharomyces cerevisiae в среде 0,15 М NaCl

Рис. 26. Энергия взаимодействия дрожжевых клеток Sacharomyces cerevisiae в среде 0,15 М NaCl

Энергии взаимодействия клеток

Sacharomyces cerevisiae в среде 0,15 М

NaCU=-41 мВ, 2=6,37-1 0 s м, Х=1,57’107м1

2000

3,14

1,58-Ю18

-8,08-Ю21

1,57-Ю18

2500

3,93

7,30-Ю19

-6,10-1 о-21

7,24-10-’9

3000

4,71

3,34-Ю19

-4,85-1021

3,30-10 19

4000

6,28

6,98 1020

-3,34-1021

6,64-1020

5000

7,85

1,45-10’20

-2,46-1021

1,20-10’20

6000

9,42

3,02-10'21

-1,90-1021

1,11-Ю'21

7000

10,99

6,27-10’22

-1,52-1021

-8,90-10’22

8000

12,56

1,30-10’22

-1,24-10’21

-1,11-10-21

10000

15,71

5,63-10’24

-8,69-1022

-8,63-1022

13000

20,42

0

-5,57-IO'22

-5,57-IO'22

15000

2,36

0

-4,31-Ю-22

-4,31-Ю22

дисперсионной среды можно рассматривать в качестве одной из причин быстрого осаждения глинистых частиц, являющихся типичными представителями лиофильных коллоидных систем с развитой поверхностью.

Расчет энергии взаимодействия клеток Sacharomyces cerevi-siae, имеющих наибольшую скорость осаждения, в 0,15 М NaCl (рис. 26, таблица 18) показывает, что определяющий вклад в суммарную энергию взаимодействия клеток дрожжей вносит энергия электростатического взаимодействия. Кривая энергии электростатического отталкивания имеет высокие значения на расстояниях между частицами 5-10 нм (50-100 А0), а с увеличением значения h величины U постепенно снижаются. Значе-э

ния энергии межмолекулярного притяжения частиц на 2 порядка меньше значений энергии электростатического отталкивания, т.е. приближаются к нулю. Отсутствие минимумов на потенциальной кривой свидетельствует о высокой устойчивости суспензии клеток, которая может быть нарушена лишь при условии снижения потенциального барьера, т.е. на расстояниях, больших 5-10 нм.

Введение в суспензии клеток Sacharomyces cerevisiae и водорослей Chlorella vulgaris катионных полиэлектролитов - по-лиэтиленимина (ПЭИ) и полидиметилдиаллиламмония хлорида (ПДМДААХ) в интервале концентраций 10‘6-10'! осново-моль/л (рис. 27-29) приводит к снижению их оптической плотности, причем с увеличением концентрации полимера растет и скорость оседания частиц. Это связано с флокуляцией клеток в результате адсорбции на них макромолекул полимера.

Обсуждая вопросы устойчивости дисперсных систем, необходимо отметить, что имеются различные определения терминов «коагуляция» и «флокуляция». Так, Штренге и Зонтаг [113] связывают флокуляцию с наличием значительного энергетического барьера и фиксацией частиц на сравнительно малых расстояниях друг от друга, а полное объединение микрообъектов называют коалесценцией. Во флокулированном, но устойчивом к коалесценции состоянии отдельные частицы объединены в крупные агрегаты и образуют так называемую коагуляционную структуру. Они сохраняют индивидуальность и разделены тонкими прослойками дисперсной среды, содержащей в ряде случаев поверхностно-активные вещества и макромолекулы полимеров. Разрушение таких слоев, сопровождающееся либо полным объединением частиц в пенах и эмульсиях, либо возникновением непосредственных контактов (конденсационные структуры) в случае твердых объектов они называют коалесценцией. При этом под термином «коагуляция» подразумевается более общее понятие, объединяющее и коалесценцию, и флокуляцию.

На возможность такой трактовки процессов коалесценции в дисперсных системах, содержащих твердые частицы, указывал еще Ребиндер, отмечая аналогию явлений собирательной рекристаллизации и слияния, приводящих в итоге к исчезновению поверхностей раздела фаз.

1-0; 2-10-6; 3-1(Г5; 4-10~4; 5-10-3; 6-1 а2; 7-1 а1

Рис. 27. Кривые флокуляции клеток Sacharamyces cerevisiae в присутствии ПДМДААХ различной концентрации (осново-моль/л)

По Ребиндеру, под флокуляцией следует понимать агрегацию частиц, вызываемую поверхностно-активными веществами и сопровождающуюся гидрофобизацией поверхности частиц или, по крайней мере, части ее, а коагуляцией необходимо считать агрегацию под действием неорганических

1-0; 2-10-6; 3-103; 4-Ю4; 5-1Q-3; 6-1 а2; 7-10-'

Рис. 28. Кривые флокуляции клеток Sacharamyces cerevisiae в присутствии ПЭИ различной концентрации (осново-моль/л)

1-0; 2-Ю6; 3-1 (Ю; 4-Ю-4; 5-Ю3; 6-Ю2; 7-Ю1

Рис. 29. Кривые флокуляции водорослей Chlorella vulgaris в присутствии ПДМДААХ различной концентрации (осново-моль/л) электролитов, вызывающих утончение «расклинивающих» гидратных слоев, не сопровождающуюся гидрофобизацией поверхности. Эйгелис, изучавший агрегацию суспензий различными собирателыми при флотации, также не делает особого различия между коагуляцией и флокуляцией [114].

В то же время Классен и Мокроусов [114] подчеркивают принципиальное различие между процессами флокуляции и коагуляции при рассмотрении флотационных явлений.

Необходимо отметить, что дифференциация процессов коагуляции и флокуляции по Ребиндеру принесла большую пользу развитию теории флотации. Использование высокомолекулярных флокулянтов при флотации улучшает и ускоряет агрегацию частиц, однако основное их действие может сопровождаться побочными явлениями , например, собирательным. Разбирая вопрос терминологии применительно к процессам агрегации, Кузькин и Небера утверждают, что флокуляция полимерными агентами не совпадает по своему механизму с флокуляцией поверхностно-активными соединениями (флотационными собирателями) [114]. Специфическая особенность полимерных флокулянтов связана с их линейным строением и высокой молекулярной массой, а специфичность действия собирателей - гидрофобизация поверхности частиц - не обязательна для успешного действия реагентов-флокулянтов в процессах обезвоживания пульп.

Главным отличием флокуляции от коагуляции является то, что в дополнение (а иногда и взамен) к непосредственному взаимодействию поверхностей двух или нескольких частиц при флокуляции проявляется взаимодействие этих поверхностей через посредство макромолекул флокулянтов [114]. При этом флокулянты могут выступать в роли коагулянтов и приводить к обычной коагуляции частиц суспензии. В любом случае, условием флокулирующего действия полиэлектролитов на дисперсные частицы является их адсорбция. Адсорбция ПЭИ и ПДМДААХ на поверхности клеток происходит за счет электростатического взаимодействия их функциональных групп с отрицательно заряженными группами поверхности клеток: фосфатными, карбоксильными и др. Не исключается также возможность прикрепления углеводородных участков макромолекул полимеров к гидрофобным участкам поверхности клеток. Эти взаимодействия, скорее всего, являются силами, стабилизирующими электростатические контакты между поверхностью клеток и полимером. Кроме того, разнообразие функциональных групп на поверхности клеток позволяет предполагать возможность образования ковалентных связей между поверхностью и флокулянтом.

Согласно [1] именно знак и величина заряда, а не химическая природа иона имеют определяющее значение для адсорбции. В случае, когда поверхность частиц и молекулы флокулянта заряжены противоположно, полимер под влиянием электростатических сил адсорбируется на поверхности частиц, вытесняя оттуда минеральные ионы. Как показывают данные адсорбции (рисунок 30 и таблица 19), величина адсорбции ПЭИ на поверхности клеток довольно значительна, причем в области концентраций ПУ3 осново-моль/л (Сравн= 0,008 моль/мл) кривые выходят на плато, что свидетельствует о насыщении поверхности.

Таблица 19

Адсорбция ПЭИ на поверхности клеток Sacharamyces cerevisiae и Chlorella vulgaris

С мг/мл

полимера

0,004

0,005

0,007

0,008

0,009

А мг/см2 дрож. кл.

6-1 о-4

ю-io-4

16-Ю-4

18-Ю-4

18-Ю-4

А мг/пов. дрож. кл.

3-Ю'2

5-Ю12

8-Ю’12

9-Ю12

9-Ю12

А мг/см2 вод.

5-Ю4

7-104

13-Ю-4

13-Ю-4

13-Ю-4

А мг/пов. вод.

4,5-Ю'13

6,3-1013

1,2-10'13

1,2-10'13

1,2-1013

Эти результаты находятся в хорошем согласии с данными электрофореза. Как видно из рисунка 31, введение ПДМДААХ в суспензию клеток водорослей и сферосом снижает величину электрокинетического потенциала клеток вплоть до перезарядки в области 10 3 осново-моль/л.

Что же касается влияния этих полимеров на скорость осаждения клеток, то, как видно из рисунков 27-29, флокуляция дрожжей более эффективна в случае ПДМДААХ. Однако кривые осаждения частиц сферосом в присутствии ПДМДААХ имеют совершенно иной вид (рисунок 32). При малых концентрациях полимера (10’6-10‘4 осново-моль/л) мутность системы повышается, а при высоких - понижается. Столь высокая степень агрегации в начальный момент времени, наблюдаемая на рисунок 32

(кривые 2-4), может быть связана с высокой эффективностью соударения частиц в присутствии катионного флокулянта, когда каждое столкновение приводит к образованию агрегата по механизму быстрой коагуляции по теории Смолуховского. С ростом концентрации полимера увеличивается степень агрегирования частиц, что ведет к их осаждению. Это сопровождается уменьшением оптической плотности (кривые 5-7). Таким образом, флокуляция частиц сферосом катионным полимером, как и агрегация клеток дрожжей Sacharomyces cerevisiae и водорослей Chlorella vulgaris, идет за счет снижения заряда поверхности (рис. 31), т.е. по нейтрализационному механизму дестабилизации.

Различие в ходе изменения кинетических кривых при введении ПДМДААХ различной концентрации в суспензиях сферосом, водорослей и дрожжей обусловлено, вероятно, тем, что сферосомы представляют собой органеллу клеток и размер их на порядок меньше размера клеток Chlorella vulgaris и Sacharomyces cerevisiae. Поэтому сфлокулированные клетки дрожжей и водорослей приобретают большую массу и осаждаются быстрее, нежели

Дрожжевые клетки Sacharamyces cerevisiae (С=5,6-107 частиц/мл) (1); водоросли Chlorella vulgaris (С=13,2’107 частиц/мл) (2)

Рис. 30. Изотерма адсорбции ПЭИ на поверхности клеток дрожжей и водорослей

Зависимость ? - потенциала сферосом

Рис. 31. Зависимость ? - потенциала сферосом

(1) и водорослей Chlorella vulgaris (2) от концентрации ПДМДААХ

1-0; 2-1 (Г6; 3-10-5; 4-10*; 5-10*; 6-Ю2; 7-1Q-'

Рис. 32. Кривые флокуляции сферосом при различных концентрациях (осново-моль/л) ПДМДААХ

С = 8'106 кл/мл; Т = 298К кл 7

Рис. 33. Зависимость приведенной вязкости дрожжевых клеток от концентрации ПЭИ

агрегаты сферосом. С ростом концентрации полимера скорость оседания частиц сначала увеличивается, а затем снижается, что обусловлено стабилизацией системы за счет образования на поверхности частиц заряженных адсорбционных слоев.

Комплексный анализ данных по агрегации клеток дрожжей, водорослей и сферосом в присутствии ПЭИ и ПДМДААХ, изменению их электрокинетического потенциала, адсорбции ПЭИ на поверхности дрожжей позволяет предположить, что наряду с флокуляцией по нейтрализационному механизму в этих системах может иметь место агрегация за счет мостикообразования. Так, в области концентрации 10'6-10’5 осново-моль/л ?- потенциал частиц еще не претерпевает сколь-нибудь значительных изменений, а на кривых оседания эта область соответствует эффективной седиментации частиц. Согласно данным адсорбции в этих условиях еще не достигается насыщение поверхности адсорбентом (0<1 по Ленгмюру). Из этого следует, что флокуляция клеток и сферосом осуществляется по смешанному механизму: и за счет нейтрализации отрицательного заряда поверхности полимером, и вследствие образования мостиков между частицами с адсорбированными макромолекулами полимеров.

Это подтверждено в опытах по изменению приведенной вязкости системы клетка - ПЭИ. Необходимо отметить, что в этих исследованиях нами впервые предпринята попытка привлечения метода вискозиметрии к исследованию суспензий клеток микроорганизмов. Как видно из рисунка 33, кривую изменения приведенной вязкости системы клетка - раствор полимера можно разделить на 2 участка: область монотонного роста приведенной вязкости - 10’6-10‘3 осново-моль/л и область ее резкого увеличения- 10’3-1 О'* осново-моль/л.

Первая область соответствует флокуляции по механизму нейтрализации заряда, а второй - по механизму мостикообразования. Это объясняется тем, что для начала агрегации необходимо некоторое снижение заряда поверхности для ослабления сил электростатического отталкивания. С увеличением концентрации полимера растет и количество простирающихся в среду макромолекул полимера, что создает условия для агрегации частиц за счет образования полимерных мостиков между ними.

Количественную оценку вклада нейтрализационного и мос-тичного механизмов флокуляции в агрегацию частиц можно провести по результатам исследования осаждения частиц в присутствии полимера и смеси полимер - низкомолекулярный электролит. Суть данного метода заключается в том, что ионы низкомолекулярного электролита оказывают экранирующий эффект на заряженные участки клеточной поверхности и функциональные группы полиэлектролита. Создание таких ионных атмосфер вокруг заряженных групп полимера и поверхности исключает возможность их электростатического взаимодействия, препятствуя протеканию агрегации по нейтрализационному механизму. Как видно из рисунка 34, введение индивидуального полимера -

ПУ3 осново-моль/л ПДМДААХ (кривая 3) приводит к значительной агрегации системы, а проведение этого же опыта с добавлением NaCl (кривая 2) такой же концентрации замедляет скорость осаждения частиц. Если в присутствии ПДМДААХ изменение оптической плотности системы АА к концу опыта составляло 0,22, то при совместном действии на систему ПДМДААХ и NaCl значение ДА равняется 0,07.

Из этого можно заключить, что на долю флокуляции по мос-тичному механизму приходится одна треть, а остальная часть агрегирует по нейтрализационному механизму. Все это относится к концентрации ПЭИ ПУ3 осново-моль/л, при других концентрациях вполне возможно изменение соотношения вклада нейтрализационного и мостичного механизмов, что особенно наглядно демонстрируют данные вискозиметрии.

Суспензия клеток в отсутствие флокулянта (1); 1(/3 осново-моль/л ПДМДААХ в присутствии 1 О'3 осново-моль/л NaCl (2); 1 О'3 осново-моль/л ПДМДААХ(З).

Рис. 34. Кривые флокуляции дрожжевых клеток Sacharamyces cerevisiae

Вместе с тем протекание агрегации по нейтрализационному механизму подразумевает действие полимера на параметры ДЭС. Согласно же определению флокуляции, данному выше, условием протекания флокуляции является возможность адсорбции макромолекул полимера или их сегментов одновременно на нескольких частицах. В этой связи возникает вопрос о влиянии полимеров на сольватную оболочку взаимодействующих частиц, которые играют большую роль в устойчивости суспензий клеток.

По-видимому, в присутствии ПЭИ можно предполагать агрегацию частиц через прослойки растворителя. К сожалению, расчет энергии взаимодействия клеток в присутствии полимеров затруднен ввиду необходимости учета размера макромолекул и количества зарядов, поэтому нами проведена оценка энергий взаимодействия дрожжевых клеток Sacharomyces cerevisiae лишь в присутствии NaCl (рис. 26, таблица 18). Как видно из рисунка 26 и таблицы 18, значения суммарной энергии взаимодействия частиц во всем довольно широком интервале расстояний между частицами остаются положительными, что свидетельствует о высокой устойчивости частиц, взаимодействующих через протяженные сольватные оболочки. Значения U < 0 лишь при h>6500 А.

По теории ДЛФО область обнаружения минимума на потенциальной кривой по шкале h 10-15 нм (100-150 А) относится к расстоянию дальнего порядка. Следовательно, агрегация исследуемых систем осуществляется по механизму дальнодействия. В работах Мартынова и Муллера [114] показано, что для дисперсий с относительно крупными частицами характерно наличие глубокого вторичного минимума, и, следовательно, дальняя агрегация наиболее вероятна. В таком случае при флокуляции дрожжей с радиусом 2,5-5 мкм можно предполагать образование «аморфных» структур, а увеличение эффективности флокуляции с ростом концентрации ПЭИ, по-видимому, связано с уплотнением этих структур.

Во многих случаях агрегативная устойчивость коллоидных систем объясняется не только существованием электростатических сил, но и другими факторами, наиболее важным из которых является гидратация. Для клеток микроорганизмов, характеризующихся высокой гидрофильностью (таблица 2), и низкими значениями поверхностного натяжения (таблица 2), этот фактор наиболее существенен. За счет строгой ориентации диполей воды и прочного их сцепления между собой гидратные слои обладают повышенной вязкостью и слабой растворяющей способностью [115]. По мнению Ребиндера, способность сольватных оболочек противодействовать слипанию частиц заключается, главным образом, в наличии у оболочек определенных механических свойств. Дерягин объясняет эту способность возникновением положительного расклинивающего давления.

Коллоиды с гидрофильной поверхностью сохраняют устойчивость и после устранения заряда. Следовательно, наличие гидратных оболочек является для них более важным фактором стабилизации, чем двойной электрический слой [116].

Другим не менее важным фактором устойчивости является структурно-механический. Его действие проявляется в том, что поверхность частиц покрыта слоем молекул стабилизатора, обладающим структурной вязкостью и механической прочностью. Структурно-механический фактор стабилизации обусловливается адсорбционными слоями ориентированных высоко- и низкомолекулярных ПАВ [113]. По мнению других исследователей, причиной стабилизирующего действия являются не столько слои ПАВ и полимеров, сколько наступающая вследствие их адсорбции гидрофилизация поверхности. Таким образом, действие второго дополнительного фактора стабилизации сводится к действию первого.

Отличительным свойством клеток микроорганизмов является то, что действие этого фактора заложено уже в структуре их поверхности, т.е. в наличии на ней белковых молекул, придающих системе высокую гидрофильность и устойчивость.

В таком случае попытаемся на основе специфичности поверхности обосновать различную устойчивость к действию флокулянтов клеток дрожжей, водорослей и частиц сферосом.

Сферосомы - органеллы клеток пшеницы - состоят в основном из одного белка и одного фосфолипида - глютаматдегидроге-назы и фосфатидилинозитола (рис. 35, [21]). Гидрофобная фосфатидилинозитольная везикула полностью покрыта гидрофильным белком - глютамадегидрогеназой, что придает сферосоме, в отличие от других субклеточных органелл, высокую устойчивость в широком интервале pH, ионной силы и температуры среды.

Основным скелетным веществом оболочек клеток водорослей является целлюлоза, представляющая собой -1,4-D- глюкан [117]. Молекулы целлюлозы собраны в оболочках в структурные единицы - микрофибриллы, составляющих каркас оболочки. Они синтезируются на наружной поверхности плазмалеммы с помощью белковых комплексов - линейных и в виде розеток. Белковые комплексы встроены в плазмалемму и движутся в ее плоскости, оставляя готовые микрофибриллы (рис. 36). Поэтому поверхность водорослей, как и поверхность других микроорганизмов, состоит, главным образом, из белковых молекул.

Поверхность клеток микроорганизмов состоит из мембраны, называемой цитоплазматической или поверхностной, которая, в свою очередь, построена из белков и фосфолипидов [118]. Поверхность клеток дрожжей представлена

Влияние полимеров на устойчивость биодисперсий ЮЗ

Схемы строения сферосом [21]

Рис. 35. Схемы строения сферосом [21]

нп-наружная поверхность плазмалеммы, мф-микрофибрилла, s-глобула, эп-экзоплазматическая поверхность скола, ом-отпечаток микрофибриллы, пп-протоплазматическая поверхность скола, р-розетка

Рис. 36. Схемы линейного терминального комплекса в виде розеток (2); схема соединения глобула-розетка (3) [117] в основном аминными, карбоксильными, фосфатными группами, что определяет их отрицательный заряд и неизменность его знака в широком интервале pH среды.

Все это определяет различие в гидрофобности, электрокине-тическом потенциале исследуемых клеток микроорганизмов и их органелл, что, в свою очередь, влияет на их сольватацию и устойчивость.

Таким образом, специфичность строения поверхности биоколлоидов, наличие на них значительного отрицательного заряда, обусловливающие сильную гидратацию их поверхности, а также невысокие значения плотности клеток и клеточных органелл являются факторами, способствующими стабилизации суспензий клеток микроорганизмов и сферосом.

Флокулирующее действие на них катионных полимеров: ПЭИ и ПДМДААХ осуществляется при совокупном действии нейтрализационного и мостичного механизмов агрегации, причем агрегация осуществляется за счет дальнодействующих сил с образованием «аморфных» структур. Наиболее подверженными флокуляции катионными полимерами оказались дрожжевые клетки Sacharomyces cerevisiae, затем клетки водорослей Chlorella vulgaris и сферосомы, что обусловлено различием в их поверхностных свойствах и размерах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >