2.3. Cố định tế bào vi sinh vật
2.3.4. Giới thiệu về chất mang Cellulose vi khuẩn ( Bacterial Cellulose –
Cellulose là một lọai polymer sinh học phong phú nhất trên trái đất, không những được xem như thành phần chính của sinh khối thực vật, mà còn là đại diện polymer ngọai bào của vi sinh vật. BC phụ thuộc vào những sản phẩm đặc trưng của quá trình trao đổi chất nguyên thủy và chủ yếu là màng bảo vệ, trong khi cellulose thực vật đóng vai trò cấu trúc tế bào.
Cellulose được tổng hợp bởi vi khuẩn thuộc giống Acetobacter, Rhizobium, Agrobacterium, và Sarcina (Jonas và Farah, 1998). Các sinh vật tổng hợp Cellulose hiệu quả nhất là vi khuẩn sinh acid acetic, Gram (-) Acetobacter xylinum (phân loại như Gluconacetobacter xylinus, Yamada và cộng sự, 1997; Yamada,2000), loại vi khuẩn được sử dụng làm vi sinh vật mẫu dùng trong những nghiên cứu ứng dụng và nghiên cứu cơ bản trên cellulose.
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của BC là độ tinh sạch hóa học.
Đây là đặc điểm phân biệt cellulose vi khuẩn với cellulose thực vật, loại cellulose thường liên kết với hemicellulose và lignin.
Do những đặc tính duy nhất được tạo ra từ cấu trúc hạt cực mịn, BC có nhiều ứng dụng trong ngành giấy, dệt sợi và công nghệ thực phẩm; được xem như vật liệu
sinh học trong nghành mỹ phẩm và y khoa (Ring và cộng sự, 1986). Ứng dụng rộng hơn của loại polysaccharide này phụ thuộc vào quy mô sản xuất và chi phí của nó.Vì vậy,các nghiên cứu cơ bản được tiến hành cùng những nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực cải tiến giống và phát triển quá trình sản xuất.
Hình thái đại thể của BC phụ thuộc nghiêm ngặt vào những điều kiện nuôi cấy ( Watanabe và cộng sự,1998,a; Yamanaka và cộng sự,2000). Trong các điều kiện tĩnh, vi khuẩn tích lũy các mãng (BC-S) cellulose trên bề mặt môi trường nước luộc thịch chứa dinh dưỡng ở mặt phân giới ( phân cắt phase) khí-lỏng giàu oxy. Các sợi phụ cellulose nhô ra từ các lỗ sắp theo thứ tự đường thẳng ở bề mặt của tế bào vi khuẩn, kết tinh thành các vi sợi và ép sâu hơn vào môi trường tăng trưởng.Vì thế, màng mỏng giống như da, nâng đỡ quần thể tế bào A.xylinum bao gồm các dãi cellulose chồng lên nhau và xoắn vào nhau tạo thành các mặt phẳng song song và vô tổ chức (Jonas và Farah,1998). Các sợi BC-S liền kề nhau thường ích phân nhánh và nối liền nhau hơn các sợi của BC được tạo trong môi trường cấy lắc (BC-A), ở dạng những thể hạt không đều nhau, những dãi hình sao và hình sợi, phân tán đều trong nuôi cấy lỏng ( Vandamme và cộng sự, 1998)
Tính chất
BC là dạng polymer có độ tinh sạch cao hơn so với các dạng cellulose khác, không chứa lignin và hemicellulose. BC có thể bị phân hủy hoàn toàn.
Trọng lượng nhẹ, kích thước ổn định, sức căng và độ bền sinh học cao
Khả năng nổi bật của cellulose vi khuẩn là giữ nước tốt. Trong điều kiện ngập nước, nước có thể vận chuyển vào các sợi cellulose.
Khả năng kết sợi tạo tinh thể tốt.
Tính bền cơ học tốt, khả năng chịu nhiệt tốt.
Lớp màng cellulose được tổng hợp trực tiếp, vì vậy việc sản xuất các sản phẩm mong muốn không cần qua bước trung gian. Chẳng hạn như sản xuất giấy không cần qua bước phân hủy, còn vải thì không cần bước se chỉ. Đặc biệt là vi khuẩn có thể tổng hợp được các loại màng mỏng và sợi cực nhỏ. Trong cấu trúc BC thu được trong điều kiện là nuôi cấy tĩnh có các trục đơn giúp cho cấu trúc lớp màng tạo nên chặc chẽ hơn. [5]
Vi sinh vật tổng hợp BC
BC được tổng hợp bởi một vài giống vi khuẩn, trong đóa chủng Acetobacter phổ biến nhất Các giống vi sinh vật tổng hợp BC được giới thiệu trong bản sau:
Bảng 2.4 Các chủng vi sinh vật tạo màng cellulose [5]
Chủng vi sinh vật Cấu trúc cellulose
Acetobacter Màng mỏng, ngọai bào bao
gồm các dải hẹp tạo thành
Achromobacter Sợi nhỏ
Aerobacter Sợi nhỏ
Agrobacterium Sợi nhỏ, ngắn
Alcaligenses Sợi nhỏ
Pseudomonas Sợi nhỏ đan vào nhau
Rhizobium Sợi nhỏ, ngắn
Sarcina Cellulose vô định hình
Zoogloea Không xác định
A. xylinum ( tương tự A. aceti spp. Xylinum, A. xylinus) là chủng tổng hợp BC hiệu quả nhất. Hiện nay, chủng này được tái phân lập và được xếp thuộc giống Gluconacetobacter như G. xylinus ( Yamada và cộng sự, 1998,2000) cùng với các loài khác ( G. Hansensii, G. Europaeus, G. Oboediens và G. Intermedius).
Chức năng sinh lý học
Trong môi trường sống tự nhiên, phần lớn vi khuẩn tổng hợp polysaccharide ngoại bào. Các tế bào vi khuẩn tổng hợp cellulose được bẫy trong mạng lưới polymer, mà mạng này thường xuyên nâng đỡ khuẩn lạc ở mặt phân giới lỏng-khí.
Vì thế, các chủng tạo thành BC có thể sống trong nước thải. Chất nền polymer tham gia trong sự dính chặt của tế bào lên trên bất kỳ bề mặt nào có thể được sử dụng và tạo điều kiện cho sự cung cấp dinh dưỡng. Nồng độ của chúng trong lưới polymer được tăng cường đáng kể do các tính chất hấp phụ so với môi trường nước xung quanh. Một số tác giả cho rằng cellulose tổng hợp bởi A. xylinum cũng đóng vai trò dự trữ và có thể được sử dụng bởi các vi sinh vật khi đói. Sự phân hủy của nó sau đó sẽ được xúc tác bởi exo và endoglucanase. Sự có mặt đồng thời của hai chất này được tìm thấy trong nuôi cấy lỏng một số chủng A. xylinum sản sinh cellulose. [5]
Do độ nhớt và các đặc tính hút nước của lớp cellulose, khả năng kháng lại các thay đổi bất lợi của các tế bào sản sinh BC (sự giảm hàm lượng nước, biến đổi pH, sự xuất hiện các chất độc, các sinh vật gây bệnh...) trong môi trường sống tăng lên và
các tế bào này có thể sinh trưởng sâu hơn và phát triển bên trong màng. Người ta cũng khám phá ra rằng cellulose bảo vệ các tế bào vi khuẩn khỏi sự bức xạ tia tử ngoại. 23% tế bào vi khuẩn sản sinh acid acetic được bao bởi BC sống sót một giờ khi sử lý với sự nhiễu xạ tia tử ngoại. Việc loại bỏ polysaccharide bảo vệ làm giảm mạnh khả năng sống của các tế bào vi khuẩn.