Исследование адсорбционных свойств мицелия базидиомицета Abortiporus biennis

Исследованияв работе направлены на изучение адсорбционных свойствв мицелия Abortiporusbiennis. В качестве методов исследования были выбраны потенциометрическое титрование и микроэлектрофорез. Определены изоэлектрическая точка и точка нулевого заряда частиц мицелия.

Ключевые слова: Abortiporus biennis, потенциометрическое титроание, изоэлектрическая точка, точка нулевого заряда..

Адсорбцию можно определить как изменение концентраций растворенных веществ в поверхностном слое по сравнению с их концентрацией в объеме фаз. Классическая ионообменная адсорбция реализуется за счет простого электростатического взаимодействия. Любая другая адсорбция является специфической. Механизмы специфической адсорбции, виды взаимодействий адсорбата с поверхностью могут быть различны. В случаи специфической адсорбции на поверхности могут происходить различные химические взаимодействия с образованием ковалентных, донорно-акцепторных, ионных и водородных связей. В случаи адсорбции электролитов на границе раздела фаз происходит образование двойного электрического слоя (ДЭС). Исследования процессов адсорбции и изучение свойств ДЭС взаимосвязаны.

Для дисперсных систем, в том числе и мицелия, заряд поверхности определяется количеством адсорбированных Н⁺- и ОН^- -ионов, которые для мицелия являются потенциалопределяющими ионами. Величина рН растворов, при которой заряд поверхности равен нулю, называется рН точки нулевого заряда и обозначается рН_тнз. В рН_тнз адсорбция Н⁺- и ОН^--ионов одинакова (Гн+=Гон-). Значение рН_тнз определяют по результатам потенциометрического титрования.

Еще одной характеристикой частиц дисперсии является изоэлектрическая точка (рН_ИЭТ). рН_ИЭТ соответствует такому значению рН при котором электрокинетический потенциал (ζ) равен 0.

Большой интерес представляет изучение коллоидных свойств мицелия базидиомицетов, данная работа является продолжением этих исследований [1]. Мицелий грибов в основном состоит из полисахаридов и белков, коллоидные свойства которых были исследованы в более ранних работах [2–6]. В настоящие время широко исследуются физико- химические и коллоидные свойства систем содержащих сложные биологически активные соединения, а также устойчивость их дисперсий [7–10]. Исследование адсорбционных свойств мицелия позволит использовать его в качестве носителя лекарственных препаратов, включая новые лекарственные формы, разрабатываемые в настоящее время в академии [11–12].

Целью данной работы является изучение адсорбционных свойств мицелия базидиомицета Abortiporusbiennis(Ab. biennis), а также сопоставление рН_тнз и рН_ИЭТ мицелия.

Существуют два метода изучения адсорбционных процессов: электрокинетические исследования и прямые адсорбционные измерения. Прямое измерение количества адсорбированного вещества позволяет оценить адсорбционную и буферную емкость сорбентов. Для использования мицелия в качестве носителя лекарственных средств необходимо определить его адсорбционную емкость. Количество активных центров на поверхности мицелия можно оценить методом непрерывного потенциометрического титрования.

Мицелий грибов получали методом глубинного культивирования в жидкой глюкозо-пептонной питательной среде (ГПС) следующего состава: пептон — 2,5 г/л; глюкоза — 10 г/л; NaCl — 0,5 г/л; СаСl_2–0,5 г/л; MgS0_4–0,5 г/л; КН₂Р0_4–0,6 г/л; К₂НР0_4–0,4 г/л; ZnSO_4–0,001 г/л; MnSO_4–0,05 г/л; мальт-экстракт — 1,6 г/л; рН 6,0. Стерилизацию среды проводили в автоклаве в течение 30 минут при избыточном давлении 0,5 атм [13–14]. Для посевного материала использовали культуру, выращенную в статических условиях 10–14 дней, в ГПС при температуре 24°С. Перед внесением посевного материала в колбы для ферментации его встряхивали до образования мелких фрагментов мицелия. Суспензию посевного материала вносили в ферментационные колбы в количестве 7 % от объема питательной среды.

Культуру выращивали в колбах Эрленмейера вместимостью 750 мл (объем питательной среды 150 мл) на лабораторной качалке (n = 220 об/мин). Культивирование проводили 8 суток при температуре 23–24^оС.

рН_тнз находили методом непрерывного потенциометрического титрования [15–16]. В ячейку для потенциометрического титрования помещали 25 мл исследуемой дисперсии, 30 минут пропускали воздух, освобожденный от СО₂ и титровали раствором КOH (0,0129 моль/л) или НС1 (0,010 моль/л). Титрант вводили порциями по 0,1 мл с помощью микробюретки с интервалом в 1 минуту. Растворы КOH готовили на дистиллированной воде, предварительно освобожденной от СО₂ воздуха кипячением в течение 30 минут. После каждой добавленной порции титранта измеряли значения рН раствора. Регистрация рН осуществляется на рН-метре — милливольтметре рН-673 с точностью измерения рН ±0,05 единиц рН.

По результатам потенциометрического титрования были построены зависимости рН исследуемого раствора от объема добавленного титранта (V, мл) для растворов без адсорбента и с адсорбентом. Значение рН точки пересечения кривых титрования с адсорбентом и без него соответствует условию равенства адсорбированных Н⁺ и ОН^- -ионов — это соответствует рН_ТНЗ. Слева от рН_ТНЗ преобладает адсорбция ионов Н⁺ в результате чего поверхность заряжается положительно, а справа преобладает адсорбция ОН^- — поверхность мицелия заряжается отрицательно. Методом потенциометрического титрования определяли разницу между адсорбцией ионов Н⁺ и ОН^-. Кривые титрования с адсорбентом и без сравнивали и определяли рН_ТНЗ. Погрешность измерения значений рН составила 0,05 единиц рН. Ранее метод был отработан на порфиринах [17–18].

Электрокинетический потенциал (ζ-потенциал) частиц мицелия определяли методом микроэлектрофореза [16]. Погрешность измерений электрокинетического потенциала не превышала 10 %.

Величина ζ рассчитывалась по уравнению Гельмгольца-Смолуховского. Уравнение использовалось без поправок, так как выполнялись условия k×a>>1, где k — обратная толщина ДЭС, а — радиус частиц. Изучение электрокинетических свойств водных дисперсий мицелия проводилось в зависимости от рН водной фазы.

Прежде чем использовать методику для изучения мицелия, она была отработана как на простых оксидах [19–25], так и на сложных биологических системах [26–28].

Для определения рН_тнз для мицелия Ab.biennis был проведен ряд экспериментов потенциометрического титрования с различными неорганическими электролитами, по результатам которых были построены кривые. Рис. 1.

                                      а)                                                                           б)

                                      в)                                                                           г)

Рис. 1. График потенциометрического титрования: а) 1 — кривая титрования воды; 2 — кривая титрования дисперсии мицелия Ab. biennis в воде; б) 1 — кривая титрования раствора КСl (0,01 моль/л); 2 — кривая титрования дисперсии мицелия Ab. Biennisc КСl (0,01 моль/л); в) 1 — кривая титрования раствора СаСl₂ (0,01 моль/л); 2 — кривая титрования дисперсии мицелия Ab. Biennisc СаСl₂ (0,01 моль/л); г) 1 — кривая титрования раствора K₂SO₄ (0,01 моль/л); 2 — кривая титрования дисперсии мицелия Ab. Biennisc K₂SO₄ (0,01 моль/л).

На рис. 1. приведены кривые потенциометрического титрования мицелия водных растворах различных электролитов (вода, хлорид калия 0,01 моль/л, сульфат калия 0,01 моль/л, хлорид кальция 0,01моль/л/). Точка пересечения кривой с адсорбентом (2) и без адсорбента (1) соответствует равенству количества адсорбированных ионов водорода и гидроксила и является точкой нулевого заряда (рН_тнз)[1].

В области рН меньше рН_тнз кривая с мицелием идет выше, чем кривая без мицелия, вследствие адсорбции Н⁺ ионов. Поверхность в этой области имеет положительный заряд. В области рН больше рН_тнз кривая с мицелием идет ниже, вследствие адсорбции ОН^—ионов, что эквивалентно десорбции Н⁺.

Из рисунка видно, что с ростом ионов калия в растворе рН_тнз смещается в кислую область, что свидетельствует о незначительной специфической сорбции катионов калия. Это смещение увеличивается с ростом концентраций в соответствие с теоретическими представлениями о специфической адсорбции. Сравнение показывает, что влияние катиона кальция выше, чем катиона калия, что по-видимому связано с тем, что ион кальция двухзарядный.

Максимальные значения адсорбции в области высоких значений рН соответствуют количеству отрицательных активных центров на поверхности мицелия. Минимальные значения в области низких рН — количеству положительных активных центров.

Важно отметить, что для биполярных сорбентов, коим является мицелий или белки, количество адсорбированного вещества зависит не только от концентрации адсорбата, но и от значений рН водной среды, при которых идет процесс адсорбции [29].

Рис. 2. Зависимость электрокинетического потенциала мицелия в водных растворах от рН.: 1 — через 24 часа после приготовления дисперсии.

Следующим действием была определена изоэлектрическая точка мицелия. Для этого рассматривалась зависимость ζ- потенциала мицелия Ab. Biennis от рН его водных дисперсий (рис. 2). рН водный фазы создавался добавлением необходимых количеств соляной кислоты и гидроксида калия. Из рис. 2 видно, что рН_ИЭТ= 6,1. В области рН<рНиэт, поверхность мицелия заряжена положительно вследствие преобладания адсорбции ионов водорода, при рН>рНиэт поверхность заряжена отрицательно из-за адсорбции гидроксид ионов.

В работе определены значения рН_тнз и рН_иэт для мицелия базидиомицета Ab. Biennis. Сорбция будет происходить максимально эффективно при =6,1–6,5 и 6,9–7,5. В области рН<рН_тнз мицелий заряжен положительно, а рН>рН_иэт отрицательно, что согласуется с результатами электрокинетических измерений. Отметим, что величина отрицательного заряд больше, чем положительного.

Литература:

1.         Бриллиантова Е. Ю., Чухно А. С., Ананьева Е. П., Гурина С. В., Банкина А. Н. Исследование адсорбционных свойств мицелия базидиомицета Poliporus ciliatus. // Молодой ученый. 2014. № 18. С. 116–120.

2.         Чухно А. С., Дмитриева И. Б., Мартынов Д. В.. Влияние солей одно-, двух- и трехзарядных катионов металлов на сорбцию Н+ и ОН- ионов на декстране. // Бутлеровские сообщения. 2011. Т.27. № 14. С. 47–54.

3.         Чухно А. С., Дмитриева И. Б., Мартынов Д. В.. Изоэлектрическая точка белков в водных растворах азолов. // Вестник СПбГУ. 2011. Серия 4: Физика. Химия. Вып. 2. С.124–133.

4.         Чухно А. С., Дмитриева И. Б., Колодеева С. С., Мартынов Д. В.. Адсорбция ионов Н⁺ и ОН^- на коллагене. // Вестник СПбГУ. 2011. Серия 4: Физика. Химия. Вып. 3. С. 87–95.

5.         Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Банкина А.Н., Бриллиантова Е.Ю.  Изучение взаимодействия белков с биологически активными азотсодержащими гетероциклическими соединениями при различных значениях pH. // Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. № 5. С.91–99.

6.         Чухно А. С., Банкина А. Н., Бриллиантова Е. Ю.. Кинетика процесса набухания желатины в водных растворах азолов. // Бутлеровские сообщения.- 2014. — Т.38. № 5. С.84–88.

7.         Men'shikova A.Yu., Skurkis Yu.O., Kuchuk V. I., Dmitrieva I. B., Evseeva T. G., Shabsel's B. M. Effect of the surface structure of poly(styrene-co-acrolein) microspheres and its modification by protein on electrosurface properties. // Коллоидный журнал. 2001. Т. 63. № 5. С. 629–636.

8.         Широкова И. Ю., Кучук В. И., Беляев А. П., Шевченко Н. Н., Голикова Е. В. Агрегативная устойчивость дисперсных систем. Часть 1. Исследование электроповерхностных свойств и кинетики коагуляции монодисперсных полимерных частиц с карбоксилированной поверхностью. // Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. № 2. С.29–38.

9.         Кучук В. И., Широкова И. Ю., Голикова Е. В. Физико-химические свойства водно-спиртовых смесей гомологического ряда низших алифатических спиртов. // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 5. С. 625–633.

10.     Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б., Чухно А. С. Влияние состава дисперсионной среды на устойчивость и электрокинетические свойства билирубина. // Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. № 1. С.55–61.

11.     Беляев А. П., Рубец В. П., Антипов В. В., Бордей Н. С., Зарембо В. И. Фазовый переход пар — кристалл при синтезе пленок парацетамола методом вакуумного испарения и конденсации. // ЖТФ. 2014. Т.84. Вып. 3. С.141–143.

12.     Беляев А. П., Рубец В. П., Антипов В. В., Рыбников А. О., Беляева С. А. Кристаллизация парацетамола ромбической формы. // Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. № 3. С.113–119.

13.     Ананьева Е. П., Гурина С. В., Алексеева Г. М. Изучение условий культивирования и антиоксидантной активности мицелия базидиомицета Phallus impudicus (веселка обыкновенная). // Проблемы медицинской микологии. 2014. Т. 16. № 3. С. 80–82.

14.     Кожемякина Н. В., Ананьева Е. П., Гурина С. В., Галынкин В. А. Условия культивирования, состав и биологическая активность мицелия flammulina velutipes (fr.). P. Karst // Прикладная биохимия и микробиология. 2010. Т. 46. № 5. С. 583–586.

15.     Беляев А. П., Скворцов А. М., Кучук В. И., Дмитриева И. Б., Бахолдина Л. А., Чухно А. С., Гришин В. В., Купина Н. А., Малахова Е. Е.. Физическая и коллоидная химия. Руководство к практическим занятиям: учебное пособие. / Под ред. проф. А. П. Беляева. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. — 320 с.

16.     Григоров О. Н. Электрокинетические свойства капиллярных систем. / Григоров О. Н., Козьмина З. П., Маркович А. В., Фридрихсберг Д. А. М. — Л.: Изд-во АН СССР. 1956. 336с.

17.     Чухно А. С., Дмитриева И. Б., Силаева Д. С., Сенина А. С., Кошевенко А. С., Назипова А. Р. Сорбция ионов Н+ и ОН^- на хлорофилле, влияние рН на устойчивость водных дисперсий хлорофилла. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. № 5. С.124–130.

18.     Крайник И. И., Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б. Исследование электроповерхностных свойств водных дисперсий гемоглобина. // Молодой ученый. 2014. № 14–1. С. 20–24.

19.     Чухно А. С., Дмитриева И. Б., Аксинович В. А., Силаева Д. С., Сенина А. С., Кергенцев А. А.. Электроповерхностные свойства оксида кремния(IV) в водных растворах азолов // Бутлеровские сообщения.- 2014. — Т.38. № 5. С.78–83.

20.     Dmitriyeva I. B., Tikhomolova K. P., Chukhno A. S., Prokopovich P. P., Starov V. M. Investigation of the electrosurface properties of NiO and Fe₂O₃ in azole solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2007. Т. 300. № 3 SPEC. ISS.. P. 315–320.

21.     Дмитриева И. Б., Тихомолова К. П., Чухно А. С.. Особенности адсорбции 1,3 — диазола на поверхности оксидов NiО и Fe₂О₃. // Журн. прикл. химии. 2005. т. 78. Вып. 5. С. 741–746.

22.     Дмитриева И. Б., Тихомолова К. П., Чухно А. С.. Адсорбция тетразола на оксидах Ni(II) и Fe(III). // Журн. прикл. химии. 2006. Т. 79. Вып. 1. С. 51–56.

23.     Гришина А. В., Беляев А. П., Гришин В. В. Исследование окислительных и адсорбционных свойств двуокиси марганца по отношению к протонам и гидроксилам к и сульфаниламидам. // Молодой ученый. 2014. № 18. С. 121–123.

24.     Dmitrieva I. B., Chukhno A. S., Rodionova E. Y.,^. Novichkov R. V. Specific Adsorption of Aspartic Acid on Iron (III) and Nickel (II) Oxides.// Eurasian Chemico-Technological Journal. 2012. Т. 14. № 4. С. 299–304.

25.     Дмитриева И.Б., Чухно А.С., Новичков Р. В.. Взаимодействие глицина с катионами железа(III) и никеля(II) в водных растворах и на поверхности их оксидов. // Бутлеровские сообщения. 2013. Т.35. № 8. С.133–137.

26.     Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б., Чухно А. С. Электрокинетические свойства гемоглобина в водных растворах НСl и KCl. // Бутлеровские сообщения. 2012. Т.30. № 6. С.103–107.

27.     Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б., Чухно А. С. Электрокинетические свойства гемоглобина в водных растворах 1-, 2- и 3-зарядных ионов. // Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. № 6. С.135–140.

28.     Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б., Чухно А. С. Электрокинетические свойства хлорофилла в водных растворах 1-, 2- и 3-зарядных катионов. // Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. № 6. С.130–134.

29.     Кергенцев А. А., Дмитриева И. Б., Чухно А. С. Определение точки нулевого заряда молекул альбумина в водных дисперсиях при различных концентрациях хлорида калия. // Молодой ученый. 2014. № 18. С. 123–126.