Дәріс№5

Тақ ырыбы: Жасуша иммобилизациясының ерекшеліктері жә не ә дістері

Жоспары:

1.Жасуша иммобилизациясы

2.Жасуша иммобилизациясының ә дістері

Дә ріс мақ саты: Жасуша иммобилизациясының ерекшеліктері жә не ә дістерін қ арстыру

1.Жасуша иммобилизациясы - бұ л осының кезінде жасушалар қ андай да бір беткейге ө здерінің гидродинамикалық сипаттамалары қ оршағ ан ортаның сипаттамаларынан ерекшеленетіндей етіп бекітілетін ү деріс.

Ә детте бұ ғ ан агрегация кезіндегі жасушалардың тиімді ө лшемін немесе тығ ыздығ ын айтарлық тай арттыру арқ ылы немесе жасушалардың қ андай да болсын ұ стап тұ ратын бетке жабысуының кө мегімен қ ол жеткізіледі.

Егер флоккулалар салыстырмалы тү рде дө рекі филтрлердің немесе жылдам тұ ндырудың кө мегімен сұ йық тық тан жылдам бө лініп алынатын болса, осыларда жасушалар бір-біріне бекітілген ү лкен агрегаттар тү ріндегі осындай флоккулярланган жасушалар иммобилизацияланғ ан ретінде қ арастырыла алады.

Иммобилизацияланғ ан жасушалардың ө зге мысалы салыстыр­малы тү рде жоғ ары салыстырмалы тышздығ ы бар қ атты бө ліктерге бекітілген (бұ л олардың сұ йық тық тан бө лінуін мү мкін етеді) жасу­шалар болып табылады.

Сұ йық ортада асылып тұ рғ ан жекелеген жасушалар тү рінде тіршілік ететін микроб популяцияларының физикалық жү ріс-тұ рысы аталғ ан сү йық тық тың ерекшеліктерімен анық талады. Яғ ни, жекелеген жасушалар ө здерін ө здері осында суспензияланғ ан сү йық тық тың элементтері ретінде ұ стайды. Сондық тан да сұ йық тық ты осында асылып тұ рғ ан микроб популяциясы бар ыдыстан алып тастағ ан кезде жасуша популяциясының бір бө лігі де алынып тасталады. Бұ л осындай жү йелерді пайдалануғ а қ атаң шектеулер қ ояды, ө йткені кө п жағ дайда жасушалардың ү здіксіз немесе қ айтара ө сіру ү шін сақ талып қ алуы қ ажет болады. Осы мақ сатта жасушаларды ортадан бө ліп алу қ ажет, бұ ғ ан жасушалар бұ лардың кезінде жасушалардың физикалық (гидродинамикалық) сипаттамалары сү йық тық тың сипаттамаларынан ерекшеленетін жағ дайларғ а орналастырылуы мү мкін болса оң айырақ қ ол жеткізіледі.

Мұ ндай жасушаларды иммобилизацияланғ ан жасушалар ретінде қ арастыруғ а болады.

Жасушалардың иммобилизациясы табиғ и ү деріс болуы немесе, егер иммобилизацияланғ ан жасушаларды пайдалану ү дерісті жү ргізген кезде қ андай да бір пайда табуғ а дә мелендіретін болса, химиялық немесе физикалық тә сілдермен туындауы мү мкін.

Иммобилизацияланғ ан жасушаларды пайдалану - жаң а ә діс емес.

Мә селен, своды биологиялық тазарту кезінде ұ зақ уақ ыт қ абық тү рінде тамшылы биофилтрдің қ атты бетінде иммобилизацияланғ ан жасушаларды пайдаланып келген. Сіркені алудың дә стү рлі тә сілі қ айың шыбық тарында иммобилизацияланғ ан жасушаларын пайдалануды қ осады.

Қ азіргі уақ ытта кез келген микроб немесе ұ лпа жасушаларын иммобилизациялау қ ол жетімділік болып отыр, бұ л олардың қ олданылуының айтарлық тай кең еюіне алып келді. Сондай-ақ тазарту жағ дайында соң ғ ы жетістіктер жү йедегі қ ондырманың ү лестік бетін арттыру есебінен иммобилизацияланғ ан жасушаларды пайдалануғ а негізделген осы дә стү рлі ү дерісті айтарлық тай жетілдіруге мү мкіндік берді.

Жасушаларды иммобилизациялау не ү шін керек? Тү птеп келгенде, прокариот жасушалардың да, эукариот жасушалардың да иммобилизациясы кез келген ө лшемдегі, кө лемдегі жә не тығ ыздық тағ ы биобө лшектер жасауғ а мү мкіндік береді. Ү дерістің аса маң ыз- ды ерекшеліктерінің бірі жасушалардың аса жоғ ары концентрациясына қ ол жеткізу мү мкіндігі болып табылады, бұ л, иммобилизацияланғ ан жасушаларды сұ йық фазадан бө ліп алудың жең ілдігімен қ атар, ү дерісті жетілдірудің бірқ атар артық шылық тарына жә не тә сілдеріне себепкер болады:

1.Жасушалардың шайылып кету қ аупінсіз, сұ йық тық тың кез келген ниет етілген ағ ыны кезіндегі ү здіксіз реакциялық ү деріс. Иммобилизацияланғ ан жасушалар сұ йық фазаның ү здіксіз жү руі кезінде реакторда қ алады, бұ л шығ ынғ а байланыссыз жасушалардың ө су жылдамдығ ын бақ ылап отыруғ а мү мкіндік береді. Тіптен ө спейтін жасушалармен де ү здіксіз ү дерісті оң ай жү ргізуге болады, бұ л еркін асылып тұ рғ ан жасушалардың жағ дайында мү мкін емес.

2.Жалпы ө німділіктіц арта тү суі. Бұ л жасушалардың реактордағ ы сақ талып отырғ ан жоғ ары концентрациясының тікелей нә тижесі болып табылады.

3.Жасушалар мен сұ йық тық тың бө лінуі. Дө рекі сү зу немесе ауырлық кү шінің ә серімен жылдам тұ нуы жасушаларды кетірмей, сұ йық тық ты реактордан алып тастауғ а мү мкіндік береді.

4.Дә л сол жасушаларды пайдалана отырып, екінші қ айтара ө сіру. Пайдаланылып болғ ан сұ йық тық ты кетіріп, ыдысты жаң а ортамен толтыруғ а болады.

5.Газ жә не сұ йық фазалар арасындағ ы салмақ алмасу кү шейе тү седі. Иммобилизация кө бінесе асылып тү рғ ан жасушалардың жоғ ары концентрацияларымен байланысты тұ тқ ырлық мә селесін шешіп береді, бұ л салмақ алмасуды жақ сартады.

6.Идеалды ығ ыстырып шығ ару режимінде жү мыс істеу. Иммобилизацияланғ ан жасушаларды, мысалы, қ озғ алмайтын қ абатта стационарлық фаза ретінде ұ стап отыруғ а, ағ ынды реактор арқ ылы идеалды ығ ыстыру режимінде бағ ыттап отыруғ а болады.

Сондай-ақ иммобилизацияланғ ан жасушалар, олардың жү йелері гидравликалық кү ш тү сірудегі ү лкен ауытқ уларғ а жасушалар концентрациясының сезілерліктей ө згеруінсіз қ арсы тү ра алады. Бұ л да ластаушы заттардың «шайылуы» арқ ылы таза жасуша култура- ларының жұ қ тыруына кедергі келтіреді, бү л тү птеп келгенде, стерилді емес жағ дайларда жұ мыс жасауды мү мкін етеді.

Иммобилизацияланғ ан жасушалар сү йық фазадан оң ай бө лінетіндіктен, олар бү лар осы қ ажет болғ ан сә тте-ақ іске жұ мсалуы мү мкін жасушалардың кө п санын сақ тау ү шім ың ғ айлы тү р болып келеді.

Алайда, жоғ арыда баяндалғ ан мү мкіндіктердің барлығ ы шектелмеген. Жасушаларды концентрациялау, мысалы, диффузиялық тежелуге орай реакциялардың ү лестік жылдамдық тарының елеулі қ ұ лдырауына алып келуі мү мкін, бұ л ү деріс жылдамдығ ының артуының жалпы дең гейін тө мендетеді. Иммобилизация сондай-ақ жасушалардың метаболизміндегі жә не физиологиясындағ ы ө згерістерді тудыруы мү мкін, осының салдары ө німділіктің азаюы немесе, табиғ и араластырылғ ан културалар жағ дайында (своды тазарту кезіндегідей), ық тимал ниет етілмеген ә серлерімен бірге микроб популяциясының қ ү рамының ө згеруі болып табылады.

Арнайы ұ стағ ыштар қ ажет болғ андық тан жә не, одан ө зге, кү рделірек конфигурациядағ ы реактор керек болғ андық тан, еркін суспензияланғ ан жасушаларғ а қ арағ анда, иммобилизацияланғ ан жасушаларды ә зірлеу кө бінесе қ ымбатырақ тү седі. Сондық тан ә рбір нақ тылы жағ дайда иммобилизацияланғ ан жасушалардың артық - шылық тарын мейлінше пайдаланып қ алу керек.

2.Жасуша иммобилизациясының ә дістері. Қ азіргі таң да иммобилизация ә дістерінің кө п саны жасап шығ арылғ ан. Белгілі бір шамада ә дістемені таң дау жасушалардың ниет етілген физиологиялық кү йімен жә не жасушалар бекітілетін мақ сатпен анық талады.

Иммобилизациялау ә дістерін пайдаланылатын физикалық ү деріске сә йкес топтарғ а бө луге болады: бекітілу, енгізу, қ осу жә не агрегация.

Бекітілу. Бұ л топқ а иммобилизацияланудың осы кезде жасушалар қ андай да бір тә сілмен беткейге немесе қ атты ұ стағ ышқ а бекітіліп қ алатын барлық тү рлері жатады. Бекітілу табиғ и адгезияның нә тижесі болуы немесе химиялық жолмен индукциялануы мү мкін.

Жасушалардың табиғ и адгезиясы - кө птеген зерттеулердің нысаны болып қ ызмет еткен, кең таралғ ан қ ұ былыс, алайда оның механизмі ә лі де болса аяғ ына дейін анық емес. Бұ л иммобилизацияланғ ан жасушаларды пайдалануғ а негізделген екі ең ескі ө неркә сіп ү дерістерінде - сірке ө ндіруде жә не своды тазартуда қ олданылатын ең қ арапайым иммобилизациялау ә дісі. Жуырда жасап шығ арылғ ан жү йелерде басымдық шағ ын дисперсиялы қ атты ұ стағ ыштарды, мысалы, осы жалғ ан сұ йылтылғ ан қ абатпен болатын ү дерістерде дә стү рлі ү дерістердегіге қ арағ анда реактор кө лемінің бірлігіне бекітілуге арналғ ан беттің анағ ү рлым кө бірек ауданын қ амтамасыз ететін қ ұ м секілді материалдарды пайдалануғ а беріліп отыр. Ұ стағ ыштың ә детте диаметрі 1 мм азырақ бө ліктері реакторғ а жай ғ ана толтырылады, ол бұ дан кейін кә дімгіше инокуляцияланады (себіледі).

Жасушалар беткейге табиғ и тү рде бекітіледі жә не ө суіне қ арай белсенді қ абық тү зеді. Қ абық тың қ алың дығ ы хайуандар ұ лпаларының жасушаларын иммобилизациялау жағ дайындағ ыдай, жасушалардың бір қ абатын немесе тазарту ү шін пайдаланылатын микроорганизмдер жағ дайындағ ыдай, бірнеше мм қ ұ рауы мү мкін. Бетке табиғ и бекітілуге қ абілетсіз жасушалар химиялық тә сілдердіц кө мегімен бекітілуі мү мкін.

Бекітілген жасушалар қ оршағ ан ортамен тікелей тү йіседі жә не сондық тан бө лшектер мен сұ йық тық бір-біріне қ атысты қ озғ алғ ан кезде пайда болатын ү йкеліс кү штерінің ә серіне ұ шырап отырады. Жасушалардың бұ л кезде бө лініп, сұ йық фазағ а кө шуі ә бден ық тимал, сондық тан аталғ ан тә сілді, егер сұ йық тық ты жасушасыз қ алдыру қ ажет болса қ олданбайды.

Бұ л ә дісте ө неркә сіпте пайдалану ү шін жарамды ұ стағ ышты дұ рыс таң дап алуғ а жә не оғ ан қ ажетті микроорганизмді немесе бә лкім ү лкен тығ ыздық тағ ы микроорганизмдер популяциясын енгізуге ерекше назар аудару керек.

Енгізу. Иммобилизациялау кезінде жасушаларды алдын ала дайындалғ ан да, жасушалардың айналасында іn зіtn қ алыптасатын да ә ртү рлі қ арапайым материалдардың ішіне енгізуге болады. Ішке дайын қ ұ рылымдарды енгізу жасушалардың ө суінің табиғ и нә тижесі болып табылады, бұ л ретте иммобилизацияның тиімділігі, табиғ и бекітілу жағ дайындағ ыдай, жасушалардың жә не ұ стағ ыштың тү ріне байланысты болып келеді. Керісінше, іn зіtn тү зілетін саң ылаулы, кеуекті қ ұ рылымдарды, кей кездері ұ стағ ыш бө лшектерінің тү зілу жағ дайлары жасушалар ү шін жоятындай болуы мү мкін болғ анымен де, жасушалардың іс жү зінде кез келген тү рін иммобилизациялау ү шін пайдалануғ а болады.

Жасушаларды дайын кеуекті қ ү рылымдарғ а енгізу ә дістемесі табиғ и бекітілу кезінде енгізуге ө те ұ қ сас. Ө суіне қ арай ө лшемдері арта отырып, жасушалар кеуекті қ ұ рылымдарғ а еркін диффузияланады, «қ ақ панғ а тү седі». Бұ л ү деріс микроскопиялық дең гейде шағ ын кеуекті ұ стағ ыштың, мысалы, осылардың саң ылаулары жасушалардың ө лшемдерімен салыстыруғ а келетін кірпіштің, кокстың, керамиканың, кеуекті шынының бө лшеқ терінде немесе осында бө лшектер ү лкен қ уыстарғ а (0, 1 мм дейін) ие макроскопиялық дең гейде жү руі мү мкін. Биомасса ұ стағ ыштың бө лшектері шумақ қ а ү йірілген берік болат темірден немесе кубиктер тү рінде кесілген торлы пенополиуретаннан жасалғ ан ірі кеуекті қ ұ рылымдар болып келеді.

Осы бө лшектерде иммобилизациялану жасушалардың флокулалар тү зуге де, ұ стағ ыштың жіптеріне бекітілуге де қ абілеттілігіне негізделген жә не саң ылауларғ а емес, дұ рысы, ұ яларғ а енгізілу ретінде қ арастырыла алады. Табиғ и тү рде енген жасушалар сыртқ ы ә сер етулердің ә серімен механикалық ү зілуден қ орғ алғ ан, бірақ қ оршағ ан ортадан қ андай да болсын шекарамен бө лінбеген, сондық тан жұ мыс ортасын жасушалардан бас деп санауғ а болмайды. Ә дістің артық шылығ ы: бө лшектерден тысқ ары ө скен жасушалар бө лшектердің бірі біріне немесе сұ йық тық ағ ынының бө лшектерге ү йкелуімен жойылады жә не осы тә сілмен жасушалардың ө суін басқ арып отырғ ан ың ғ айлы болады.

Қ азіргі таң да иммобилизациялаудың зертхана практикасында ең кең інен қ олданылатын ә дісі жасушаларды олардың айналасында іn зіtn тү зілетін кеуекті қ ұ рылымдарғ а енгізу болып табылады. Қ ою суспензиялар немесе паста тү ріндегі жасушаларды одан кейін гел тә різдес кеуек материал (матрикс) тү зетін қ ұ рамдас бө лікпен араластырады. Матрикстің тү зілу жағ дайлары мейлінше жұ мсақ, жасушалардың тіршілік ә рекетіне ә серін тигізбейтін болуғ а тиіс. Гелге осындай енгізудің алғ ашқ ы мысалы болып мономерлі кө лденең тігістерді пайдалана отырып, акриламидті полимерлендіру табылады. Мономердің уландырушылығ ы мұ ндай ө ң деуді айарлық тай қ атаң етеді. Осындай тү рдегі иммобилизациялау ү шін басқ ада синтетикалық полимерлер қ олданылғ ан, бірақ іn зіtn иммобилизациялаудың қ азіргі ә дістерінің кө пшілік бө лігі полисахаридтерді пайдалануғ а негізделген. Каррагинанның, агардың жә не алгинаттың негізіндегі гелдердің арасынан калций алгинатының гелі ең танымал.

Жасушаларды калций алгинатына енгізуден қ арапайымырақ жә не жұ мсағ ырақ ү дерісті кө з алдың а елестетуге болмас. Жасу­шаларды натрий алгинатының ерітіндісінде суспензиялайды жә не кальций тү здарының ерітіндісінде араластырады. Гел беткейде сол сә тте тү зіледі, бірақ алгинаттың толық тай минералдануы ү шін гелді 20 минут ұ стау керек. Алгинатқ а жә не калций тұ зының ерітіндісіне қ оректік жә не осмосты ұ стап тұ ратын заттар секілді қ орғ аныс материалдарын енгізуге болады.

Ә діс термиялық ө ң деуді қ ажет етпейді, ал иммобилизацияланғ ан жасушалар жоғ ары белсенділігін сақ тайды. Ә дістің кемшілігі калцийді байланыстыратын хелаттаушы агенттермен тү йіскен кезде гелдердің оң ай бұ зылатындығ ы болып табылады. Онымен қ оса, калций алгинатының 5 мм аз диаметрі бар бө лшектерін дайындау қ иынғ а соғ ады.

Аталғ ан ә діс табиғ атта кейбір организмдер ү шін, мысалы, шырыш тү зетін бактериялар ү шін ә деттегі болып табылатын нә тиже алуғ а мү мкіндік береді.

Гелдердің физикалық қ асиеттері шырыштардағ ы физикалық қ асиеттерден ерекшеленбейді, бірақ шырыштарды тек шамалы тү рлер ғ ана тү зеді, ал гелге иммобилизациялау іс жү зінде кез келген организмдер ү шін жү зеге асырылуы мү мкін. Гелдерді тамшы (диаметрі шамамен 5 мм) немесе ө зге пішін (диаметрі 5 мм шағ ын цилиндрлер) тү рінде, сондай-ақ осыларды кейін қ ажетті пішіндегі жә не ө лшемдегі бө ліктерге кесетін табақ тар тү рінде шығ арады. Осындай гел бө лшектері ең ә р алуан конструкциядағ ы реакторларда: қ ондырманың қ озғ алмайтын қ абаты бар реактордан бастап толық тай араластыратын реакторғ а дейін пайдаланылуы мү мкін. Олардың бө лшек кө лемінен

30%-дан асатын концентрациясы кезінде гелдің қ ұ рылымы бұ зылса да, бө лшектердің ішінде жасушалардың ө суі жү ріп жатуы мү мкін. Сонымен қ атар гелдің айналасында газдың жинақ талуы да осығ ан алып келеді.

Қ осу. Осы топтың ә дістерінің мә нісі жасушаларды алдын ала дайындалғ ан немесе тү зілген қ абық қ а қ оса арқ ылы иммобилизациялаудан тұ рады. Осындай қ абық болып жай ғ ана екі араласпайтын сұ йық тық арасындағ ы фазалардың бө ліну шекарасы қ ызмет ете алады. бұ л жағ дайда жасуша суспензиясы органикалық еріткіште эмулгацияланады жә не одан соң су фазасында тамшылар тү рінде ресуспензияланады. Алдын ала дайындалғ ан қ абық тың мысалы микро- жә не ултрафилтрациялау ү шін пайдаланылатын, жартылай ө ткізетін мембрана болып табылады. Бұ л кезде қ оректік заттар мембрананың артында тұ рғ ан жасушаларғ а жең іл диффузияланады.

Аталғ ан жү йенің негізгі қ олданылуы оның кө мегімен жү мыс ортасын жасушалардан тазарту мү мкіндігімен анық талады, бұ л негізінен алғ анда сү тқ оректілердің ұ лпаларының жасуша култураларымен жұ мыс істеген кезде пайдаланылады.

Агрегациялау. Жасушаларды ү лкен агрегаттардың тү зілуімен флокуляциялау арқ ылы иммобилизациялауғ а болады, бұ л оларды ү здіксіз жұ мыс істеп тұ рғ ан реакторда, мысалы, қ озғ алмайтын немесе жалғ ан сұ йылтылғ ан қ абаты бар реакторларда сақ тауғ а мү мкіндік береді. Ашытқ ы жасушаларының табиғ и флокуляциясы ферменттеу аяқ талғ аннан кейін жү реді, осылайша иммобилизацияанғ ан жасушалар сыра ө ң дірген кезде мұ наралы ферментерлерде пайдаланылады. Саң ырауқ ұ лақ тардың мицелийлері де сфералы пеллеталар тү ріндегі агрегаттар тү зеді. Флокуляция белсенді сумен тазартуғ а асатә н ү деріс болып табылады. Флокулатү зілу механизмі ә лі нашар зерттелген болса да, агрегацияны кү шейте тү су ү шін жасанды флокулянттар пайдаланылуы мү мкін.

Микроорганизмдерді ұ стағ ыштарда иммобилизациялаудың ә р алуан тә сілдері жасушалардың интактылығ ын жә не тіршілікке қ абілеттілігін сақ тау тұ рғ ысынан алғ анда оптималды ә дістер болып кеуекті интертті материалдардың бетінде физикалық адсорбциялау жә не гелдің қ ұ рылымына ковалентті емес ұ стап алу табылатындығ ын шамалайды. Қ атты ұ стағ ыштардың ең алдымен бактерия жасушаларынақ атысты айтарлық тай адсорбциялау сыйымдылығ ына ие болуы жә не микроорганизмдерді беткейде берік ұ стап тұ руы тиіс екендігі айдан анық.

Сондық тан да, биомассаның ә ртү рлі ұ стағ ыштарда адсорбциялану қ ұ былысы кө птеген практикалық ү дерістерде ү лкен рө л ойнайтындық тан, биотехнология ү шін жаң а тиімді адсорбенттерді іздестіру мә селесі ә лі кү нге дейін ө зінің ө зектілігін жоғ алтпай отырғ андығ ы айдан анық.

Бақ ылау сұ рақ тары:

1.Жасушалардың иммобилизациясы не ү шін керек?

2.Иммобилизацияланғ ан жасушаларды пайдалану облысы қ андай?

3.«Қ осу» иммобилизация ә дісінің мә нісі неден тү рады?

4.«Енгізу» иммобилизация ә дісі кезінде қ андай таратқ ыштар пайдаланылады?

5.Адгезия ә дісінің артық шылық тары неден тұ рады жә не иммобилизацияның аталғ ан ә дісі қ айда қ олданылады?

6.Иммобилизацияның қ андай ә дісі жасушалардың интактылығ ы мен тіршілікке қ абілеттілігінің сақ талуы тү рғ ысынан оң тайлы болып табылады?

Пайдаланылғ ан ә дебиеттер:

1.Джусупова Д.Б Экологиялық биотехнология. – Алматы 2013

2. Джусупова Д. Б. Технологии очистки природных и производственных сточных вод.- Алматы, КазНПУ им.Абая, 2006.

3.Ақ басова А.Ж., Саинова Н.Ә. Экология. – Алматы, 2003

4.Жатқ анбаев Ж.Ж. Экология негіздері. – Алматы, 2004