CC BY
40
УДК.541.49.183:546.562.'723:547.854.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ МИЦЕЛИЯ БАЗИДИОМИЦЕТА POLIPORUS CILIATUS В ЗАВИСИМОСТИ ОТ рН
А.С. Чухно, Е.П. Ананьева, Е.Ю. Бриллиантова, И.Б. Дмитриева, С.В. Гурина
Санкт-Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия, 197376, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова,14, alex-chuhno@yandex.ru
Работа посвящена исследованию коллоидных свойств мицелия базидиомицетов. Были изучены поверхностные свойства мицелия Poliporusciliatus. В качестве методов выбраны микроэлектрофорез и вискозиметрия. Определена изоэлектрическая точка мицелия. В диапазоне рН от 5,8 до 7,1 водная дисперсия имеет высокие значения относительной вязкости вследствие увеличения размеров частиц. В этом состоянии процесс сорбции проходит наиболее эффективно. В случае буферных растворов обнаружено преобладание специфической сорбции анионной формы ионов, что говорит об избирательности сорбции на поверхности мицелия. Ил. 3. Библиогр. 21 назв.
Ключевые слова: мицелий; вязкость; изоэлектрическая точка; Z-потенциал.
STUDYING OF ELECTROSURFACE CHARACTERISTICS OF BASIDIOMYCETE'S MYCELIUM POLIPORUS CILIATUS DEPENDING ON THE pH
A.S. Chukhno, E.P. Ananyeva, E.Yu. Brilliantova, I.B. Dmitrieva, S.V. Gurina
St. Petersburg State Chemical-Pharmaceutical Academy,
14, Professor Popov St., St. Petersburg, 197376, Russia, alex-chuhno@yandex.ru
The work is devoted to the investigation of colloidal properties of mycelium of Basidiomycetes. In this paper we have investigated the surface properties of Poliporus ciliatus mycelium. Microelectrophoresis and vis-cometry were selected as research methods. The isoelectric point of the mycelium was defined. Due to increase of particles' size the aqueous dispersion has a high value of the relative viscosity in the pH range from 5,8 to 7,1. In this state the sorption process is the most effective. The predominance of specific sorption of the anionic form of ions was found in the case of buffers, indicating the selectivity of adsorption on the surface of the mycelium. 3 figures. 21 sources.
Key words: mycelium; viscosity; isoelectric point; Z-potential.
ВВЕДЕНИЕ
Базидиальные грибы являются источником биологически активных соединений, перспективных для использования в фармации и медицине. В настоящее время изучены лишь отдельные представители данного отдела грибов.
Ранее основным направлением исследований базидиальных грибов было выращивание и изучение их плодовых тел. Исследования показали, что источником биологически активных веществ служат не только плодовые тела бази-диомицетов, но и вегетативный мицелий.
Благодаря развитию биотехнологии стало возможным искусственное выращивание бази-диомицетов в виде вегетативного мицелия методом глубинного культивирования в жидких питательных средах, обеспечивающим высокий выход биомассы и позволяющим выделять биологически активные метаболиты, применяемые для создания биопрепаратов [6].
Особый интерес представляет изучение коллоидных свойств мицелия. Мицелий грибов в основном состоит из полисахаридов и белков, коллоидные свойства которых были исследованы в более ранних работах [12-16]. Между высокомолекулярными веществами (ВМВ) и растворителем образуется двойной электрический слой (ДЭС) в результате адсорбции ионов одного знака на твердой поверхности. Непременным условием возникновения ДЭС является достаточно высокая плотность расположения зарядов в слое потенциалобразующих ионов. Электростатические силы притяжения такого слоя способствуют возникновению второго, компенсирующего слоя из ионов противоположного знака.
Наличие ДЭС приводит к проявлению определенных электрических потенциалов на границе раздела твердой и жидкой фаз. Величина одного из них - электрокинетического (^-потенциала) - непосредственно связана с числом противоионов в диффузном слое и изменяется пропорционально этому числу. В последнее время широко исследуются физико-химические и коллоидные свойства систем, содержащих сложные биологически активные соединения, а также устойчивость их дисперсий [7,11,18,21].
Целью данной работы является изучение коллоидных свойств мицелия базидиомицета Poliporus сШаи как в растворах электролитов, так и в буферных растворах.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве объектов исследования выступали: культура гриба базидиомицета Polyporus
сШаи (0626); сухой мицелий базидиомицета Polyporus cШatus (0626), полученный методом глубинного культивирования в жидкой питательной среде.
Штамм базидиомицета Polyporus cШatus (0626) был получен из лаборатории микологии БИН РАН.
На плотной питательной среде гриб Р. cШatus образовывал ватообразные, опушенные, с неровным краем колонии, состоящие из скопления хорошо развитого воздушного мицелия белого цвета.
Субстратный мицелий при выращивании на сусло-агаре не пигментирован. Буро-коричневый пигмент образовывался по внешней кромке при выращивании на жидкой глюко-зопептонной среде. Отмечался запах прелой земли. При старении культуры более 3-х недель образовывались зачатки плодового тела.
Электрокинетический потенциал частиц мицелия определялся методом микроэлектрофореза [2]. Погрешность измерений электрокинетического потенциала не превышала 10%.
Величина электрокинетического потенциала рассчитывалась по уравнению Гельмгольца - Смолуховского. Уравнение использовалось без поправок, так как выполнялись условия
к • а >> 1,
где к - обратная толщина ДЭС;
а - радиус частиц.
Перед использованием методики для изучения мицелия, ее отработали на как на простых оксидах [3-5,17,19], так и на сложных биологических системах [5,8-10].
Изучение электрокинетических свойств водных дисперсий мицелия проводилось в зависимости от рН водной фазы. Рабочие дисперсии содержали около 0,1 г мицелия и 100 мл раствора.
Вязкость определяли методом вискозиметрии с помощью вискозиметра Оствальда [1]. Для расчета относительной вязкости (п) измеряли времена истечения дисперсии мицелия (2 и дистиллированной воды через капилляр вискозиметра при одинаковых давлениях. Плотность находили как отношение массы к объему. Относительную вязкость растворов белков рассчитывали по формуле
'отн
v2 _ t • Pi
' t • P
г>в pH
\ 2 3 К \ 5 1 6 1 J 9
/2 1
Рис. 1. Зависимость электрокинетического потенциала мицелия в водных растворах от рН: 1 - сразу после приготовления дисперсии; 2 - через 24 часа инкубации
где п2 - вязкость водной дисперсии;
- вязкость растворителя - дистиллированной воды;
р2 и р1 - плотности водной дисперсии и дистиллированной воды соответственно.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотрим зависимость ^-потенциала мицелия РоНрогиз ciliatusот рН его водных дисперсий (рис. 1). Одной из важнейших характеристик границы раздела мицелий - раствор является величина изоэлектрической точки (ИЭТ). Значение ИЭТ для конкретной многокомпонентной системы определяется соотношением основных и кислотных групп на поверхности; это соотношение для каждой системы не одинаково. ИЭТ соответствует такому значению рН, при котором ^-потенциал равен 0. рН водной фазы создавался добавлением необходи-
мых количеств соляной кислоты и гидроксида калия, предварительно все растворы очищались от углекислого газа в течение получаса.
Из рис. 1 видно, что сразу после приготовления раствора рНИЭТ = 3,9, а через 24 часа рНИЭТ смещается в основную область до 4,3, что обусловлено процессами установления равновесия в системе. В области рН < рНиэт поверхность мицелия заряжена положительно вследствие преобладания адсорбции ионов водорода, при рН > рНиэт поверхность заряжена отрицательно из-за адсорбции гидроксид-ионов.
На рис. 2 представлена зависимость относительной вязкости мицелия от рН водной среды. рН создавался HCl и КОН. Зависимость имеет классический для полиамфолитов вид[13].
Подобная зависимость свидетельствует об
Рис. 2. Зависимость относительной вязкости (п) мицелия от рН водной среды — ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ =
Рис. 3. Зависимость электрокинетического потенциала мицелия от рН буферных растворов (сразу после приготовления дисперсии)
изменении структуры мицелия. Показано, что в диапазоне рН от 5,8 до 7,1 водная дисперсия имеет высокое значение относительной вязкости вследствие увеличения размеров частиц. Именно в этом состоянии процесс сорбции проходит наиболее эффективно. При рНИЭТ частица максимально сжата, потому что притягиваются разноименно заряженные части полимера, сорбция вещества в этом случае наименее возможна, относительная вязкость (п) минимальна. Вискозиметрические данные полностью коррелируются с электроповерхностными. Зависимость п от рН подтверждает зависимость ^-потенциала от рН.
Следует отметить, что, как правило, для создания различных значений рН при определении ИЭТ используют буферные растворы, не учитывая, что компоненты буферных растворов могут сами адсорбироваться и влиять на величину электрокинетического потенциала и положение изоэлектрической точки. Для сравнения в работе провели исследование зависимости £ - рН для водных дисперсий мицелия, в которых заданное значение рН создавалось буферными растворами (рис. 3).
Использовали буферные растворы: буферный раствор, в состав которого входят щавелевокислый аммоний и щавелевая кислота -рН = 2,5-4,0;буферный раствор, в состав которого входят уксусная кислота и ацетат натрия -рН = 4,0-5,5; буферный раствор, в состав кото-
рого входят дигидрофосфат калия и гидрофосфат натрия - рН = 5,5-8,0.
Сопоставление кривых на рис. 1 и 3 показывает, что в буферных растворах ИЭТ смещается в кислую область от рНиэт = 3,9 до рНиэт = 3,1 вследствие влияния компонентов буферной смеси. Смещение ИЭТ в кислую область свидетельствует о специфической сорбции анионных форм, в данном случае оксалат и фосфат ионов. Другим важным фактом является сильное уменьшение значений электрокинетического потенциала мицелия вследствие увеличения ионной силы водной фазы в буферных растворах по сравнению с растворами НС1и КОН в исследуемой области рН, что уменьшает устойчивость дисперсий мицелия.
ВЫВОДЫ
1. Изоэлектрическая точка мицелия 3,9 и изменяется во времени до 4,3.
2. Электроповерхностные данные полностью подтверждаются вискозиметрическими.
3. В диапазоне рН от 5,8 до 7,1 водная дисперсия имеет высокое значение относительной вязкости вследствие увеличения размеров частиц. В этом состоянии процесс сорбции проходит наиболее эффективно.
4. Буферные растворы влияют на изоэлек-трическую точку за счет специфической сорбции аниона, что говорит об избирательности сорбции на поверхности мицелия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Беляев А.П. Физическая и коллоидная химия. Руководство к практическим занятиям: учебное пособие / А.П. Беляев [и др.]; под ред. проф. А.П. Беляева. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. 320 с.
2. Григоров О.Н. Электрокинетические
свойства капиллярных систем / О.Н. Григоров [и др.]. М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1956. 336 с.
3. Дмитриева И.Б., Тихомолова К.П., Чухно А.С. Особенности адсорбции 1,3-диазола на поверхности оксидов МО и Fe2Оз // Журн. прикл. химии. 2005. Т. 78. Вып. 5. С. 741-746.
4. 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.
5. 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.
6. Кожемякина Н.В., Ананьева Е.П., Гурина С.В., Галынкин В.А. Условия культивирования, состав и биологическая активность мицелия flammulinavelutipes (fr.). P. Karst // Прикладная биохимия и микробиология. 2010. Т. 46, № 5. С. 583-586.
7. 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.
8. Родионова Е.Ю., Дмитриева И.Б., Чухно А.С. Электрокинетические свойства гемоглобина в водных растворах НС1 и KCl. // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 30, № 6. С. 103-107.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Мартынов Д.В.. Влияние солей одно-, двух- и трехзаряд-ных катионов металлов на сорбцию Н+ и ОН-ионов на декстране. // Бутлеровские сообщения. 2011. Т.27, № 14. С. 47-54.
13. Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Мартынов Д.В.. Изоэлектрическая точка белков в водных растворах азолов. // Вестник СПбГУ. 2011. Се-
рия 4: Физика. Химия. Вып. 2. С. 124-133.
14. 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.
15. Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Банкина
A.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.
16. 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.
17. Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Аксинович
B.А., Силаева Д.С., Сенина А.С., Кергенцев А.А.. Электроповерхностные свойства оксида кремния(^ в водных растворах азолов // Бутлеровские сообщения. 2014. Т. 38, № 5.
C. 78 - 83.
18. 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.
19. Dmitriyeva I.B., Tikhomolova K.P., Chukh-no A.S., Prokopovich P.P., Starov V.M. Investigati-gation 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.
20. Dmitrieva I.B., Chukhno A.S., Rodionova E.Y., Novichkov R.V. Specific Adsorption of Aspar-tic Acid on Iron (III) and Nickel (II) Oxides.// Eurasian Chemico-Technological Journal. 2012. Т. 14, № 4. С. 299-304.
21. Men'shikova A.Yu., Skurkis Yu.O., Kuchuk V.I., Dmitrieva I.B., Evseeva T.G., Shabsel'sB.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.
REFERENCES
1. Belyaev A.P., Skvortsov A.M., Kuchuk V.I., Dmitrieva I.B., Bakholdina L.A., Chukhno A.S., Grishin V.V., Kupina N.A., Malakhova E.E. Fizicheskaya i kolloidnaya khimiya. Rukovodstvo k prakticheskim zanyatiyam: uchebnoe posobie [Physical and colloid chemistry. A guide to practical training: a training manual]. Under the editorship of prof. A.P. Belyaev. Moscow, GEOTAR-Media Publ., 2012, 320 p.
2. Grigorov O.N., Circles Z.P., Fredriksberg D.A., Markovich A.V. Elektrokineticheskie svoistva kapillyarnykh sistem [Electrokinetic properties of capillary systems]. Moscow, Leningrad, Publishing house of the USSR Academy of Sciences, 1956, 336 p.
3. Dmitrieva I.B., Tikhomolova K.P., Chukhno A.S. Specific features of 1,3-diazole adsorption on the surface of NiO and Fe2O3. Zhurnal prikladnoi
Khimii - Russian Journal of Applied Chemistry, 2005, vol. 78, no. 5, pp. 727-732. (In Russ.)
4. Dmitrieva I.B., Tikhomolova K.P., Chukhno A.S. Adsorption of tetrazole on Ni(II) and Fe(III) oxides. Zhurnal prikladnoi Khimii - Russian Journal of Applied Chemistry, 2006, vol. 79, no. 1, pp. 5055. (In Russ.)
5. Dmitrieva I.B., Chukhno A.S.,Novichkov R.V. Interaction of glycine with cations of Fe(III) and Ni(II) in water solutions and on surfaces of their oxide. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2013, vol. 35, no. 8, pp. 133137. (In Russ.)
6. Kozhemyakina N.V., Ananyeva E.P., Gurina S.V., Galynkin V.A. Conditions of cultivation, composition, and biological activity of mycelium of flammulinavelutipes (fr.) P. Karst. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya - Applied Biochemistry and Microbiology, 2010, vol. 46, no. 5, pp. 536-539. (in Russ.)
7. Kuchuk V.I., Shirokova I.Y., Golikova E.V. Physicochemical properties of water-alcohol mixtures of a homological series of lower aliphatic alcohols. Fizika I khimiya stekla - Glass Physics and Chemistry, 2012, vol. 38, no. 5, pp. 460-465. (In Russ.)
8. Rodionova E.Yu., Dmitrieva I.B., Chukhno A.S. Electrokinetic properties of hemoglobin in aqueous solutions of HCl and KCl. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2012, vol. 30, no. 6, pp. 103-107. (In Russ.)
9. Rodionova E.Yu., Dmitrieva I.B., Chukhno A.S. Electro-kinetic properties of hemoglobin in aqueous solution of 1-, 2-and 3-charged ions. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2013, vol. 34, no. 6, pp.135-140. (In Russ.)
10. Rodionova E.Yu., Dmitrieva I.B., Chukhno A.S. Electro-kinetic properties of chlorophyll in aqueous solutions of 1-, 2- and 3-charged cations. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2013, vol. 34, no. 6, pp.130-134. (In Russ.)
11. Rodionova E.Yu., Dmitrieva I.B., Chukhno A.S. Influence of the dispersion medium composition on the stability and electrokinetic properties of bilirubin. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2014, vol. 37, no. 1, pp. 55-61. (In Russ.)
12. Chukhno A.S., Dmitrieva I.B., Martynov D.V. Influence of salts of singly-, double- and triple-charged cations of metals on sorption of H+ and OH-ions on dextran. Butlerovskie soobshcheniya -Butlerov Communications, 2011, vol. 27, no. 14, pp. 47-54. (In Russ.)
13. Chukhno A.S., Dmitrieva I.B., Martynov
D.V. Isoelectric point of proteins in aqueous solutions of azoles. Vestnik SPbGU - Bulletin of the Saint Petersburg State University, Series 4: Physics. Chemistry, 2011, vol. 2, pp. 124-133. (In Russ.).
14. Chukhno A.S., Dmitrieva I.B., Kolodeeva S.S., Martynov D.V. Adsorption of ions H+ and OH-on the collagen. Vestnik SPbGU - Bulletin of the Saint Petersburg State University, Series 4: Physics. Chemistry, 2011, vol. 3, pp. 87-95. (In Russ.)
15. Chukhno A.S., Dmitrieva I.B., Bankina A.N., Brilliantova E.Yu. Investigation of interaction of proteins with bioactive nitrogenated heterocyclic compounds at various pH. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2013, vol. 34, no. 5, pp. 91--99. (In Russ.)
16. Chukhno A.S., Bankina A.N., Brilliantova
E.Yu. Kinetics of gelatin'sswelling in aqueous solutions of azoles. Butlerovskie soobshcheniya -Butlerov Communications, 2014, vol. 38, no. 5, pp. 84-88. (In Russ.)
17. Chukhno A.S., Dmitrieva I.B., Aksinovich V.A., Silaeva D.S., Senina A.S., Kergentsev A.A. Electrosurface properties of silicon oxide (IV) in aqueous solutions of azoles. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2014, vol. 38, no. 5, pp. 78-83. (In Russ.)
18. Shirokova I.Yu., Kuchuk V.I., Belyaev A.P., Shevchenko N.N., Golikova E.V. Investigation of surface electrical properties and coagulation kinetic of monodisperse polystyrene latex particles with surface carboxyl groups. Influence of salts of singly-, double- and triple-charged cations of metals on sorption of Н+ and ОН- ions on dextran. Butlerovskie soobshcheniya - Butlerov Communications, 2014, vol. 37, no. 2, pp. 29-38. (In Russ.)
19. Dmitrieva 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, vol. 300, no, 3 SPEC. ISS., pp. 315-320.
20. Dmitrieva I.B., Chukhno A.S., Rodionova E.Yu., Novichkov R.V. Specific Adsorption of As-partic Acid on Iron (III) and Nickel (II) Oxides. Eurasian Chemico-Technological Journal, 2012, vol. 14, no. 4, pp. 299-304.
21. Men'shikova A.Yu., Skurkis Yu.O., Evseeva T.G., Shabsels B.M., Kuchuk V.I., Dmitrieva I.B. Effect of the surface structure of poly(styrene-co-acrolein) microspheres and its modification by protein on electrosurface properties. Colloid Journal , 2001, vol. 63, no. 5, pp. 573 - 579.
Поступила в редакцию 22 января 2015 г.
