Российский конкурс детских научных работ
«СОВЁНОК - исследователь»
Секция: Биология
Тема: «ЧАЙНЫЙ ГРИБ И БЕРЕЗА:
ЧТО ОБЩЕГО?»
Автор работы: Дворников Никита Викторович
Возраст: 15 лет
Место выполнения работы: МОУ «Луховский лицей», Мордовия, г.о. Саранск
Научный руководитель: учитель биологии – Дворникова Татьяна Александровна
2014
Актуальность исследования
Целлюлоза – это полимер, прежде всего растительного происхождения, продукт фотосинтеза, самый крупнотоннажный из биополимеров. Растения образуют его в фантастическом количестве, около триллиона тонн в год. Помимо растений, способностью синтезировать целлюлозу обладают простейшие – слизевики, а также некоторые животные, например низшие хордовые – асцидии. Удивительное явление – образование бактериальной целлюлозы (БЦ). Микроорганизмы продуцируют чистую внеклеточную целлюлозу, которая не содержит лигнина, смол, восков и не требует отбелки. БЦ не загрязняет окружающую среду, так как способна к биоразложению и абсолютно нетоксична. БЦ проявляет два, казалось бы, несовместимых качества – тончайшую пористость и механическую прочность. Благодаря своим уникальным свойствам, БЦ может использоваться в пищевой промышленности, в производстве бумаги, в технике и медицине как биоматериал для тканевой инженерии и создания раневых покрытий.
Наиболее известным производителем БЦ являются уксуснокислые бактерии. Их можно обнаружить в чайном грибе. Это слоистый коврик желтого цвета, плавающий на поверхности подслащенного чая. Вопреки своему названию, чайный гриб – это вовсе не особый гриб, а целлюлозная гель-пленка с включенными в нее клетками уксуснокислых бактерий и нескольких видов дрожжей. Чайный квас известен как прохладительный и тонизирующий напиток. Считается, что он обладает лечебным действием.
Цель работы: получение бактериальной целлюлозы с помощью бактерий, выделенных из чайного гриба, и изучение их свойств.
Задачи работы:
1. Изучить состав чайного гриба и условия его роста.
2. Изучить свойства уксуснокислых бактерий, выделенных из чайного гриба и образующих целлюлозу.
3. Получить гель-пленки бактериальной целлюлозы.
Теоретическая часть
Целлюлоза — это полимер, прежде всего, растительного происхождения, продукт фотосинтеза. Растения образуют его в фантастическом количестве, около триллиона тонн в год. Макромолекула целлюлозы состоит из тысяч остатков глюкозы (рис. 1), соединенных в спирально закрученную цепь; 20–200 цепей образуют кристаллический пучок, или микрофибриллу. Микрофибриллы собираются в лентовидные волокна, погруженные в толщу цементирующих полимеров — лигнина, ксиланов, арабинанов, пектинов и белков.
Рисунок 1 – Химическое строение целлюлозы
Помимо растений, способностью синтезировать целлюлозу обладают простейшие – слизевики, а также некоторые животные, например низшие хордовые – асцидии. При редкой болезни, кератодерматите, она образуется даже в организме человека.
Микроорганизмы продуцируют внеклеточную целлюлозу, которая не содержит лигнина, смол, жиров, восков и не требует отбелки. Бактериальная целлюлоза не загрязняет окружающую среду, так как способна к биоразложению и абсолютно нетоксична. Молекулы БЦ лежат строго параллельно друг другу. Поэтому образующиеся кристаллические микрофибриллы в 100 раз тоньше микрофибрилл растительной целлюлозы, то есть это структурные элементы наноуровневого размера (рис. 2, 3).
Рисунок 2 – Бактериальная целлюлоза (×20000)
Рисунок 3— Растительная целлюлоза (×200)
Микрофибриллы БЦ по одной через особые отверстия выдавливаются из клетки, где 10 – 100 микрофибрилл самопроизвольно объединяются в ленту. Множество лент переплетаются в сеть, в которой запутываются бактерии, и все это в виде слизистой пленки всплывает на поверхность. Толщина гель-пленки за месяц может дойти до 2,5 см.
Переплетение волокон образует пористую губку, которая впитывает и долго удерживает огромное количество воды, в 200 раз больше собственной массы. Кроме того, за счет правильного расположения волокон степень кристалличности БЦ достигает 80%, и чтобы их разорвать, нужно приложить силу до нескольких килограммов на квадратный миллиметр.
Наиболее известным производителем БЦ является уксуснокислая бактерия Gluconacetobacter xylinus. «Ксилинус» по-гречески значит «древесная, хлопковая» (в данном случае это указывает на то, что бактерия может образовывать целлюлозу).
БЦ также могут синтезировать бактерии, образующие клубеньки на корнях растений и опухоли на стеблях. У клубеньковых и опухолеродных бактерий БЦ может способствовать прикреплению клеток к телу хозяина-растения. Возможно еще, что целлюлозная одежда спасает клетки от ультрафиолетового излучения и, как кольчуга, защищает их от нападения других микроорганизмов, а также от ядовитого воздействия металлов, например меди. В мокром виде БЦ предохраняет бактерии от высыхания. В сухом виде она, как парашют одуванчика, помогает им разлететься на далекие расстояния.
Благодаря своим особым свойствам БЦ находит применение в технике, промышленности и медицине.
Бактериальную целлюлозу издавна используют в пищевой промышленности. В Юго-Восточной Азии и на островах Тихого океана широко распространены вегетарианские пищевые продукты, которые готовят из растительного сырья (в первую очередь сои и риса) с помощью бактерий и низших грибов. В частности, в условиях теплого, влажного климата в растительном соке развивается сообщество уксуснокислых бактерий и дрожжей. Оно образует на поверхности гель – пленку целлюлозы сантиметровой толщины. В Индонезии и на Филиппинах этот студень режут на кубики, замачивают в сахарном сиропе и едят как деликатес (ната-де-коко на кокосовом молоке и ната-де-пино на ананасном соке) (рис. 4).
Рисунок 4 – Пищевой продукт ната-де-коко
Во время Русско-японской войны 1905 г. в наши края был завезен чайный гриб – слоистый коврик желтого цвета, плавающий на поверхности подслащенного чая. Сам он в пищу не идет, но образует чайный квас. Вопреки своему названию, чайный гриб – это вовсе не особый гриб, а целлюлозная гель-пленка с включенными в нее клетками уксуснокислых бактерий и нескольких видов дрожжей (рис. 5). Чайный квас известен как прохладительный и тонизирующий напиток. Считается, что он обладает лечебным действием.
Рисунок 5 – Чайный гриб
Бактериальная целлюлоза используется в производстве пищевых продуктов для придания им волокнистой структуры или как наполнитель. Известно, что полезно употреблять в пищу растительные волокна, так как они стимулируют пищеварение и действуют в качестве адсорбента. Диетические свойства БЦ в этом отношении выше, чем чистой растительной целлюлозы.
Микробная целлюлоза способна служить заменой растительной целлюлозы, а внедрение бактериального способа получения целлюлозы в будущем может уменьшить расход древесины на производство бумаги и волокон (рис. 6).
Рисунок 6 – Бумага из бактериальной целлюлозы
БЦ используется как медицинский материал для лечения поверхностных ран. В отличие от синтетических полимеров, БЦ является биологически совместимой, то есть она не наносит вреда человеческому организму, не токсична, не вызывает аллергии и физического отторжения. Плоская гель-пленка БЦ – это идеальная повязка при пересадке кожи, лечении ран, послеоперационных швов и язв, а также гнойных воспалений, потертостей и пролежней. Мы знаем, насколько трудно и мучительно излечиваются такие повреждения, а ожоги третьей степени, затрагивающие большую часть поверхности тела, чаще всего заканчиваются смертельным исходом. В клинических испытаниях установлено, что гель-пленка БЦ творит чудеса. Это прочная, но одновременно эластичная и комфортная повязка, хорошо прилегающая к пораженному участку тела.
Благодаря гель – пленкам БЦ восстанавливается кожный покров, из них можно делать протезы кровеносных сосудов (рис. 7).
Рисунок 7 – Кровеносные сосуды из бактериальной целлюлозы
Британские дизайнеры уже предлагают одежду из бактериальной целлюлозы (рис. 8).
Рисунок 8 – Одежда из бактериальной целлюлозы
Методика исследования
Чайный гриб выращивали в подслащенном чае при комнатной температуре с различной концентрацией сахара (10, 20, 30 и 40%). Чистую культуру уксуснокислых бактерий выращивали на питательной среде с мелом в термостате при температуре 30 °С. Гель-пленки бактериальной целлюлозы получали на 7% растворе мелассы в открытых контейнерах различной формы. Для изучения микроморфологии бактерий готовили фиксированные микроскопические препараты. При окраске бактерий метиленовой синью на предварительно обезжиренных и высушенных предметных стеклах делали мазки. Препараты высушивали на воздухе, фиксировали над пламенем горелки и окрашивали в течение 1-2 мин метиленовой синью, затем краситель смывали водой и препараты высушивали на воздухе. Микроскопирование и фотографирование препаратов осуществляли с помощью видеомикроскопа MC 100 (XP) (Micros, Австрия) (рис. 9).
Рисунок 9- Микроскоп Micros MC 100
Количество бактериальной целлюлозы определяли весовым методом после ее высушивания при 105 °С до постоянной массы.
Результаты исследования
Первым этапом работы было изучение состава чайного гриба и оптимизация условий его роста.
В исследуемом продукте обнаружены палочковидные бактерии с круглыми концами: одиночные и в коротких цепочках, прямые и слегка изогнутые (рис. 10). Также обнаружены дрожжи овальной формы.
Рисунок 11 – Бактерии и дрожжи в чайном грибе
Дрожжи сбраживают сахар в спирт, а уксуснокислые бактерии превращают его в уксусную кислоту. Максимальное количество биомассы чайного гриба образовывалось в среде с 30% сахарозы.
На втором этапе работы изучались культурально-морфологические свойства уксуснокислых бактерий, выделенных из чайного гриба. На агаризованной среде с мелом бактерии образуют мелкие колонии диаметром 0,5-1 мм, белого цвета (рис. 12). Вокруг колоний наблюдаются зоны просветления вследствие растворения мела уксусной кислотой.
Рисунок 12 – Колонии уксуснокислых бактерий на среде с мелом
Культура представлена палочками с закругленными концами, прямыми и слегка изогнутыми (рис. 13).
Рисунок 13 – Уксуснокислые бактерии
На третьем этапе работы изучалось образование гель-пленок БЦ чистой культурой уксуснокислых бактерий. Получены гель-пленки БЦ на разведенной мелассе в количестве 1,53±0,01 г/л. Показано, что их форма зависит от формы используемых контейнеров (рис. 14,15).
Рисунок 14- Гель-пленка БЦ в контейнере прямоугольной формы
Рисунок 15- Гель-пленка БЦ круглой формы в колбе
Выводы
-В ходе проведенных исследований изучен состав чайного гриба и условия его роста.
-Изучены свойства уксуснокислых бактерий, выделенных из чайного гриба и образующих целлюлозу.
-Получены гель-пленки бактериальной целлюлозы. Показано, что их форма зависит от формы используемых контейнеров.
Список использованных источников
1. Пиневич А. В. Чудо - пленки, или Слово о бактериальной целлюлозе. Весник Санкт-Петербургского университета. 2007. № 3. С. 33-39.
2. Лияськина Е.В., Ревин В.В., Грошев М.В., Лияськин Ю.К. Биотехнология бактериальных экзополисахаридов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. 120 с.
3. Баклагина Ю.Г., Хрипунов А.К., Ткаченко А.А. и др. Сорбционные свойства бактериальной целлюлозы. Ж. прикл. химии. 2005. T. 78. Вып.7. C. 1197-1202.
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
Целлюлоза – это полимер, прежде всего растительного происхождения, продукт фотосинтеза, самый крупнотоннажный из биополимеров. Растения образуют его в фантастическом количестве, около триллиона тонн в год. Помимо растений, способностью синтезировать целлюлозу обладают простейшие – слизевики, а также некоторые животные, например низшие хордовые – асцидии. Удивительное явление – образование бактериальной целлюлозы (БЦ). Микроорганизмы продуцируют чистую внеклеточную целлюлозу, которая не содержит лигнина, смол, восков и не требует отбелки. БЦ не загрязняет окружающую среду, так как способна к биоразложению и абсолютно нетоксична. БЦ проявляет два, казалось бы, несовместимых качества – тончайшую пористость и механическую прочность. Благодаря своим уникальным свойствам, БЦ может использоваться в пищевой промышленности, в производстве бумаги, в технике и медицине как биоматериал для тканевой инженерии и создания раневых покрытий.
6 664 863 материала в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Дворникова Татьяна Александровна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс профессиональной переподготовки
500/1000 ч.
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Курс профессиональной переподготовки
500/1000 ч.
Курс профессиональной переподготовки
500/1000 ч.
Мини-курс
6 ч.
Мини-курс
4 ч.
Мини-курс
2 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.