成果名称

辐射合成高分子表面微生物细胞吸附机理的研究

   

科技进步奖

   

二等奖

授奖单位

教育部

授奖时间

1998

所有署名完成者和单位

(不属于本实验室者请标注#)

陆兆新 南京农业大学

 

 

成果内容(项限1000字)

 

辐射合成高分子材料,由于不加添加剂,合成的高分子在研究细胞吸附时,不会受到添加剂毒性的影响。因此,研究结果比较能反映事物本质,同时辐射能合成不同性质的系列高分子。

将疏水性高分子、较强亲水性高分子、中等亲水性高分子和弱亲水性高分子覆盖于多孔薄膜上,评价对木霉细胞吸附的影响。研究表明疏水性高分子表面和强亲水性高分子表面吸附的细胞量较少,而弱亲水性高分子上细胞细附量最大,吸附细胞的纤维素酶活性也最高;明确了弱亲水性高分子有利于木霉细胞的吸附和增殖;指出了在高分子材料上细胞的吸附存在着一个最适亲水性。将疏水性单体与亲水性单体分别以不同的比例混合,辐射共聚调节材料的亲水性,研究细胞吸附的最适亲水性,研究发现疏水—亲水性共聚高分子显著地促进了木霉细胞的吸附、增殖及其活性;揭示了疏水—亲水共聚高分子表面最有利于细胞的吸附、增殖,可以显著提高吸附固定化细胞的效果;同时认为材料表面的疏水—亲水平衡(HLB)对微生物细胞吸附、增殖起了重要作用。

用阳离子单体和阴离子单体分别与疏水性单体以不同的比例辐射共聚,研究了离子性高分子对木霉细胞吸附的影响,发现阳离型高分子,促进了细胞的吸附和增殖,并随共聚物中阳离子组分的增加而增加,而阴离子型高分子则减少了细胞的吸附和增殖。另外,首次发现阳离子型高分子会影响细胞活性的表达,说明了当细胞与高分子表面的静电相互作用过强时会影响细胞的活性。

通过测定辐射合成的七种高分子的表面自由能和赤霉菌、酵母的表面能,研究了微生物与高分子表面自由能的关系,明确了二种微生物细胞在这些高分子上的吸附界面自由能变化Δadh均为负数,是能量有利于细胞吸附的表面,并发现高分子表面自由能中极性分力越大,细胞吸附量越大。首次提出了高分子表面自由能中极性分力在细胞吸附中起重要作用的新观点。

根据细胞吸附的原理,用辐射将高分子覆盖在纸和纱布的表面,以调节表面物理化学性质,增加载体机械强度,开发了适合于丝状真菌固定化的载体。用这些载体固定化木霉细胞,固定化木霉的纤维素酶比游离细胞提高了70%,解决了以往吸附法固定化微生物效果差的难题,且载体成本低,能大规模工业生产,为连续化发酵工程中生物反应器的设计提供了重要的基础数据。

另外,开发了一种新型的固定化酵母细胞的方法——吸附增殖法。在低温(-78℃)辐射聚合成多孔高分子水凝胶,Poly(HEA-M23G)、Poly(HEA-GMA)通过酵母在高分子上的吸附增殖,将酵母细胞包埋在多孔高分子水凝胶中,这种方法兼备了吸附法细胞不参与载体合成和包埋法细胞不易泄漏的优点,固定化酵母的活性是游离细胞的4~5倍。研究发现固定化酵母的活性取决于载体的化学组成和内部结构;从高分子含水量与固定化酵母乙醇产率间的关系分析,明确了固定化酵母要获得最高乙醇生产力,高分子有一个最适含水量,该含水量是高分子内部结构的反映,酵母固定化的最适内部孔径为30μ左右,为固定化酵母高分子的选择与设计提供了重要的技术参数。

 


 
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