С.М. ТАЖИБАЕВА, Ж.К. ЕСКЕЛЬДИНОВА, А.А. ЖУБАНОВА, К.Б. МУСАБЕКОВ

С.М. ТАЖИБАЕВА, Ж.К. ЕСКЕЛЬДИНОВА, А.А. ЖУБАНОВА, К.Б. МУСАБЕКОВ
ИММОБИЛИЗАЦИЯ КЛЕТОК НА ЦЕОЛИТАХ
(Казахский национальный университет имени аль-Фараби)
Изучены особенности иммобилизации дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae на
цеолитах Чанканайского месторождения в присутствии полимерных спейсеров. Определен
механизм иммобилизации. Показано, что определяющую роль при иммобилизации клеток
играют электростатические контакты между поверхностью носителя, клеток и
функциональными группами спейсера, стабилизированные гидрофобными взаимодействиями
между неполярными участками полимера и клеток.
Эффективность ферментативных процессов, используемых в самых различных областях
человеческой деятельности: медицине, пищевой промышленности, энергетике можно
увеличить с помощью иммобилизации клеток и ферментов /1/. Успех иммобилизации
определяется правильным подбором спейсера и носителя, а также знанием механизма
взаимодействия между биокатализатором и подложкой.
Ранее были исследованы особенности иммобилизации дрожжевых клеток Torulopsis kefir var
kumis на силикагеле и пенополиуретане в присутствии различных спейсеров:
полиэлектролитов, поверхностно активных веществ и ионов переходных металлов /2-4/.
Показано, что иммобилизация дрожжевых клеток на твердых носителях приводит к
увеличению их каталитической активности /5/. В настоящей работе предпринята попытка
использования цеолитов Чанканайского месторождения в качестве носителей для
иммобилизации дрожжевых клеток Saccharamyces cerevisiae.
Экспериментальная часть
В работе использовали двухсуточные культуры дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae,
выращенные на сусло-агаре. Суспензии клеток готовили в 0,9% растворе NaCl. Концентрацию
клеток определяли в камере Горяева. Оптическую плотность суспензий клеток измеряли на
спектрофотометре СФ-46 (ЛОМО) в кюветах с толщиной поглощающего слоя 1 см.
В качестве носителей клеток использованы цеолиты Чанканайского месторождения с
размерами частиц до 5 мм. Полиэтиленимин (ПЭИ) разветвленного строения готовили в
концентрации 1,0 осново-моль/л. с последующим разбавлением.
Растворы желатина готовили в концентрациях, по массовому содержанию одинаковых с
растворами ПЭИ.
Для иммобилизации клеток модифицированный полимером носитель оставляли на 24 ч в
суспензии клеток, после чего определяли концентрацию иммобилизованных клеток в
суспензии. *-потенциал клеток измеряли на видоизмененном приборе Рабиновича - Фодиман.
Электрокинетический потенциал частиц рассчитывали по формуле Смолуховского.
Результаты и их обсуждение
Основные требования, предъявляемые к носителям: высокая химическая и биологическая
стойкость, механическая прочность и возможность придания удобных в технологическом
отношении форм. Чанканайские цеолиты отвечают этим требованиям, кроме того, они
дешевы и доступны.
На рисунке 1 приведены результаты иммобилизации дрожжевых клеток на цеолите и
силикагеле с помощью ПЭИ. Как видно из рисунка, количество иммобилизованных на цеолите
клеток во всем интервале изменения концентрации спейсера на 5-10% больше, чем на
силикагеле. Силикагель, как известно, используют в качестве модельного носителя при
иммобилизации клеток и ферментов. Поверхность SiO2 представляет собой поры,
"выстланные" ОН- группами. Есть предположения /6/, что на поверхности кремнезема
имеется избыток атомов кислорода єS-O.. Так или иначе, поверхность силикагеля имеет
отрицательный заряд. Цеолит, будучи природным носителем, имеет в своем составе 60-70%
SiO2 и 14-15% Аl2О3.
Электрофоретические исследования (рис. 2) показали, что поверхность клеток
Saccharamyces cerevisiae также имеет отрицательный заряд. В таком случае
полиэтиленимин, имея большое количество положительно заряженных функциональных
групп в своей цепи, способен электростатически связываться как с поверхностью носителя,
так и с поверхностью клеток - в этом причина его использования в качестве спейсера данной
системе.
В то же время удивляет тот факт, что иммобилизующая способность силикагеля оказалось
ниже, чем у цеолита. По структуре цеолит относится к кристаллическим адсорбентам, а
силикагель - к пористым /7/. Структурными элементами цеолитов является тетраэдры
(SiO4/2) и (AlO4/2), образующие правильные структуры второго порядка с трубчатыми
полостями с диаметром 0,4-1,6 нм, куда проникают молекулы адсорбирующихся веществ. На
этом основано использование цеолитов в качестве молекулярных сит для разделения газов.
Можно было бы предположить, что преимущество цеолитов как носителей клеток связано с
наличием этих полостей. Однако размер дрожжевых клеток составляет 4-6 мкм, что на три
порядка превосходит диаметр полости цеолитов, поэтому проникновение клеток в полости
минерала маловероятно. Очевидно, в таком случае высокую иммобилизующую способность
цеолитов следует связывать с неоднородностью и шероховатостью их поверхности. С другой
стороны Аl2O3, входящий в состав цеолитов, уступает по гидратируемости силикагелю.
Следовательно, связанная вода в силикагеле будет препятствовать адсорбции на нём других
веществ и цеолиты будут более активными носителями, нежели SiO2.
Хотя большинство клеток микроорганизмов имеет отрицательный заряд, в зависимости от
среды культивирования, возраста культуры встречаются клетки и с положительно заряженной
поверхностью /8/. В этой связи определенный интерес представляют полимеры, имеющие
сродство как к отрицательно, так и к положительно заряженным поверхностям. В качестве
такого амфотерного полиэлектролита использован желатин. Как видно из рисунка 3, желатин
по модифицирующей способности близок к ПЭИ.
Для более детального выяснения механизма взаимодействия в системе клетки - желатин цеолит изучено влияние рН среды на иммобилизацию клеток (рис.4). На кривых связывания
клеток не обнаружено каких-либо экстремумов в области изоэлектрической точки, хотя и
клетки, и спейсер имеют ИЭТ в интервале рН 5-6. Зато в области рН 8 иммобилизация
максимальна как в присутствии желатина, так и в его отсутствие. Вероятно, эта область рН
является благоприятной для функционирования самих клеток вследствие ионизации
карбоксильных групп. Кроме того, сходство в природе клеток и спейсера предполагает
возможность попарных электростатических контактов, стабилизированных гидрофобными
взаимодействиями.
Согласно современным представлениям, силанольные группы на поверхности силикагеля в
кислой среде протонируются до -SiOH2+, и, следовательно, в этой области рН они должны
иметь максимальную иммобилизующую способность. Отсутствие такого роста в связывании
клеток в кислой среде также подтверждает предположение о доминирующей роли Al2O3 в
иммобилизации клеток на цеолите.
Таким образом, Чанканайские цеолиты являются эффективными носителями дрожжевых
клеток Saccharomyces cerevisiae в широком интервале рН среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Синицын А.П., Райнина Е.И., Лозинский В.И., Спасов С.Д. Иммобилизованные клетки
микроорганизмов. - М.: Изд. МГУ, -1994.-288 с.
2. Тажибаева С.М., Жубанова А.А., Мусабеков К.Б / Иммобилизация клеток с помощью
полимеров// Вестник КазГУ, Cер.хим.- 1998, -№4 (12).-С.81-85.
3. Каирманова Г.К., Жубанова А.А., Тажибаева С.М., Дигель И.Э., Абдиева Г.А/ Модификация
сорбционных свойств носителей и клеток анионными и катионными ПАВ// Вестник КазГУ.
Сер.биол.- 1998, -№8.-С 95-102.
4. Дигель И.Э., Жубанова А.А/ Прикрепительная иммобилизация клеток микроорганизмов//
Биотехнология: теория и практика. - 1997- №4-С. 3-9.
5. Тажибаева С.М., Мусабеков К.Б., Жубанова А.А., Оразымбетова А. А., Дигель И.Э/ Способ
получения этанола с помощью иммобилизованных клеток.- Предпатент РК №8081.
6. Круглицкий Н.Н., Круглицкая В.Я. Дисперсные структуры в органических и
кремнийорганических системах.- Киев.: Наукова Думка. -1981.- 316 с.
7. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сила. - М.: Мир.- 1976-78 с.
8. Звягинцев Д.Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями.-М.: Изд.
МГУ.-1973.
SUMMARY
The peculiarities of immobilization of yeast cells Saccharomyces cerevisiae on zeolite of Chankanai
deposit in the presence of polymer spacer were studied. The mechanism of immobilization was
determined. It is shown that the determining role in immobilization of cells is played the
electrostatical contacts between the surface of the carrier, cells and functional, groups of the spacer
stabilized by hydrophobic interactions between nonpolar parts of the polymer and cells.