Морфологические особенности фибриллярной структуры растительной и бактериальной целлюлозы

УДК

539.25 + 547.992.3

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2016.6.153

Аннотация

Проведено сравнение микроморфологической структуры и получено статистически значимое распределение по размерам микрофибрилл растительной и бактериальной целлюлозы. Морфологические особенности структуры микрофибрилл определяли с применением сканирующего электронного микроскопа Sigma VP ZEISS и атомно-силового микроскопа Multimod 8 Bruker. Информативность снимков с наименьшей степенью деформации микрофибрилл была достигнута за счет скалывания образца древесины, что позволило визуализировать отдельные фибриллы или их пучки. Для раскрытия лигногемицеллюлозной матрицы, искажающей изображение микрофибрилл древесины на снимках, применен гидролиз гемицеллюлоз путем кратковременного нагрева древесины в воде до температуры 235 °С. Снимки бактериальной целлюлозы получены без предварительной пробоподготовки образцов. Показано, что поперечные размеры микрофибрилл не зависят от слоя клеточной стенки, в котором они локализованы, и практически одинаковы для древесных и травянистых однолетних растений (при среднем значении 27 нм для можжевельника). Поперечный размер микрофибрилл бактериальной целлюлозы в среднем составил 34 нм при отсутствии строгой ориентации элементов надмолекулярной структуры, что характерно и для одной из основных структурных частей клеточной стенки растений – первичной стенки. Бимодальный характер кривой распределения размеров микрофибрилл бактериальной целлюлозы показывает способность микрофибрилл к параллельной укладке. Учитывая статистически близкое распределение размеров микрофибрилл целлюлозы растительного и бактериального происхождений, а также аналогичное кристаллическое строение образцов, можно предположить наличие идентичных этапов биосинтеза слоя S2 в растениях и бактериальной целлюлозе.

Сведения об авторах

К.С. Болотова, канд. техн. наук, доц. 

Д.Г. Чухчин, канд. техн. наук, доц. 

Л.В. Майер, канд. техн. наук, доц. 

А.А. Гурьянова, магистр

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002;

е-mail: k.bolotova@narfu.ru

Ключевые слова

микрофибрилла, бактериальная целлюлоза, Acetobacter xylinum, сканирующий электронный микроскоп, атомносиловой микроскоп

Источник финансирования

Исследование выполнено с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика» (Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова) при финансовой поддержке, полученной по конкурсу «Молодые ученые Поморья-2016» (проект № 05-2016-03а).

Для цитирования

Болотова К.С., Чухчин Д.Г., Майер Л.В., Гурьянова А.А. Морфологические особенности фибриллярной структуры растительной и бактериальной цел-люлозы // Лесн. журн. 2016. № 6. С. 153–165. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.153

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб.: СПбЛТА, 1999. 628 с.

2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Моле- кулярная биология клетки: в 3 т. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Мир, 1994. Т. 3. 504 с.

3. Алешина Л.А., Глазкова С.В., Луговская Л.А., Подойникова М.В., Фофанов А.Д., Силина Е.В. Cовременные представления о строении целлюлоз (обзор) // Химия растит. сырья. 2001. № 1. С. 5–36.

4. Боголицын К.Г., Чухчин Д.Г., Зубов И.Н., Гусакова М.А. Ультрамикрострое- ние и надмолекулярная структура древесной матрицы // Химия растит. сырья. 2012. № 3. С. 37–44.

5. Болотова К.С., Чухчин Д.Г., Манахова С.В., Майер Л.В., Виноградова В.Р. Сравнительная характеристика распределения размера микрофибрилл растительной и бактериальной целлюлозы // Физикохимия растительных полимеров: материалы VI Междунар. конф., Архангельск, 2-3 июня 2015 г. Архангельск: САФУ, 2015. С. 55–58.

6. Горшкова Т.А. Растительная клеточная стенка как динамичная система. М.: Наука, 2007. 426 c.

7. Малков А.В., Чухчин Д.Г., Болотова К.С., Тышкунова И.В., Новожилов Е.В. Новый подход к дифрактометрическому определению степени кристалличности цел- люлозы // Физикохимия растит. полимеров: материалы VI Междунар. конф., Архан- гельск, 2-3 июня 2015 г. Архангельск: САФУ, 2015. C. 201–205.

8. Роговин З.А. Химия целлюлозы. М.: Химия, 1972. 520 с.

9. Чухчин Д.Г., Майер Л.В., Манахова С.В., Иванченко Н.Л. Оценка поперечных размеров микрофибрилл целлюлозы в слое S2 клеточной стенки древесины // Биотех- нологии в химико-лесном комплексе: тез. докл. Междунар. науч. конф., Архангельск, 11-12 сент. 2014 г. Архангельск: САФУ, 2014. С. 321–324.

10. Cavka A., Guo X., Tang S.-J., Winestrand S., Jonsson L.J., Hong F. Production of Bacterial Cellulose and Enzyme from Waste Fiber Sludge. Biotechnol. Biofuels, 2013, vol. 6, no. 25, pp. 1–10.

11. Colvin J.R. The Mechanism of Formation of Cellulose-Like Microfibrils in a

Cell-Free System from Acetobacter xylinum. Planta, 1980, vol. 149, no. 2, pp. 97–107.

12. Evert R.F. Esau’s Plant Anatomy: Meristems, Cells, and Tissues of the Plant

Body: Their Structure, Function, and Development. USA, NJ, Hoboken, 2006. 601 p.

13. Hafren J., Fujino T., Itoh T. Changes in Cell Wall Architecture of Differentiating Tracheids of Pinus thunbergii during Lignification. Plant Cell Physiol., 1999, vol. 40, no. 5, pp. 532–541.

14. Huang Y., Zhu C., Yang J., Nie Y., Chen C., Sun D. Recent Advances in Bacteri- al Cellulose. Cellulose, 2014, no. 21, pp. 1–30.

15. Lee K.Y., Buldum G., Mantalaris A., Bismarck A. More than Meets the Eye in Bacterial Cellulose: Biosynthesis, Bioprocessing, and Applications in Advanced Fiber Composites. Macromol. Biosci., 2014, no. 14, pp.10–32.

16. Malcolm R., Brown Jr., Saxena I.M. Cellulose: Molecular and Structural Biolo-

gy. Selected Articles on the Synthesis, Structure, and Applications of Cellulose. Netherlands,

2007. 379 р.

17. Pear J.R., Kawagoe Y., Schreckengost W.E., Delmer D.P., Stalker D.M. Higher Plants Contain Homologs of the Bacterial CelA Genes Encoding the Catalytic Subunit of Cellulose Synthase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996, no. 93, pp. 12637–12642.

18. Pokalwar S.U., Mishra M.K., Manwar A.V. Production of Cellulose by Glu- conacetobacter Sp. Recent Research in Science and Technology, 2010, no. 2(7), pp. 14–19.

19. Saxena I.M., Brown R.M. Cellulose Biosynthesis: Current Views and Evolving

Concepts. Ann. Bot., 2005, no. 96, pp. 9–21.

20. Römling U. Molecular Biology of Cellulose Production in Bacteria. Research in

Microbiology, 2002, no. 153, pp. 205–212.

Поступила 07.07.16

Ссылка на английскую версию:

Morphological Features of the Fibrillar Structure of Plant and Bacterial Cellulose

UDC 539.25 + 547.992.3

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.153

Morphological Features of the Fibrillar Structure of Plant and Bacterial Cellulose

K.S. Bolotova, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor D.G. Chukhchin, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor L.V. Mayer, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

A.A. Gur'yanova, Master

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya

Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation,

е-mail: k.bolotova@narfu.ru

The authors made a comparison of the micromorphological structure and obtained a statisti- cally significant size distribution of plant and bacterial cellulose microfibrils. Morphological features of the microfibrils structure were studied using a SEM Sigma VP ZEISS scanning electron microscope and an ACM Multimod 8 Bruker atomic-force microscope. The image informativity of the least degree of the microfibrils deformation was achieved by cleaving of the timber sample, which detected the individual fibrils or their bundles. We applied the hemicellulose hydrolysis by briefly heating the wood in the water up to temperature

For citation: Bolotova K.S., Chukhchin D.G., Mayer L.V., Gur’yanova A.A. Morphological

Features of the Fibrillar Structure of Plant and Bacterial Cellulose, Lesnoy zhurnal, 2016, no. 6, pp. 153–165. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.153

of 235 °C to disclose the ligno-hemicellulosic matrix, distorting the image of wood microfi- brils in the pictures. Bacterial cellulose images were obtained without a prior sample prepa- ration. The cross-sectional dimensions of microfibrils did not depend on the cell wall layer, where they were localized, and were virtually the same for woody and herbaceous annual plants (with a mean of 27 nm for juniper). The cross-sectional size of microfibrils of bacte- rial cellulose was 34 nm at an average without a strict orientation of elements of the supra- molecular structure. It was also typical for one of the main structural parts of the plant cell wall – a primary wall. The bimodal nature of the size distribution curve of bacterial cellu- lose microfibrils demonstrated the microfibrils ability to the parallel placing. Taking into consideration the statistically close size distribution of cellulose microfibrils of plant and bacterial origin, and a similar crystal structure of the samples, we can assume the presence of identical stages of biosynthesis of the S2 layer in plants and bacterial cellulose.

Keywords: microfibril, bacterial cellulose, Acetobacter xylinum, scanning electron micro- scope, atomic-force microscope.

REFERENCES

1. Azarov V.I., Burov A.V., Obolenskaya A.V. Khimiya drevesiny i sinteticheskikh polimerov [Chemistry of Wood and Synthetic Polymers]. St. Petersburg, 1999. 628 p.

2. Aleshina L.A., Glazkova S.V., Lugovskaya L.A., Podoynikova M.V., Fofanov A.D., Silina E.V. Sovremennye predstavleniya o stroenii tsellyuloz (obzor) [Current Ideas about the Cellulose Structure]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Plant Raw Mate- rial], 2001, no. 1, pp. 5–36.

3. Bogolitsyn  K.G., Chukhchin  D.G., Zubov I.N., Gusakova M.A. Ul'tramikrostroenie i nadmolekulyarnaya struktura drevesnoy matritsy [Ultra-Microstructure

and Submolecular Structure of the Wood Matrix]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry

of Plant Raw Material], 2012, no. 3, pp. 37–44.

4. Bolotova K.S., Chukhchin D.G., Manakhova S.V., Mayer L.V., Vinogradova V.R. Sravnitel'naya kharakteristika raspredeleniya razmera mikrofibrill rastitel'noy i bakterial'noy tsellyulozy [Comparative Characteristics of the Microfibrils Size Distribution of Plant and Bacterial Cellulose]. Fizikokhimiya rastitel'nykh polimerov: materialy VI Mezhdunar. konf., Arkhangel'sk, 2-3 iyunya 2015 g. [Physical Chemistry of Plant Polymers: Proc. 6th Intern. Conf. Arkhangelsk, 2-3 June, 2015]. Arkhangelsk, 2015, pp. 55–58.

5. Gorshkova T.A. Rastitel'naya kletochnaya stenka kak dinamichnaya sistema [The

Plant Cell Wall as a Dynamic System]. Moscow, 2007. 426 p.

6. Malkov A.V., Chukhchin D.G., Bolotova K.S., Tyshkunova I.V., Novozhilov E.V. Novyy podkhod k difraktometricheskomu opredeleniyu stepeni kristallichnosti tsellyulozy [New Approach to the Diffractometric Cellulose Crystallinity Determination]. Fizikokhimi- ya rastitel'nykh polimerov: materialy VI Mezhdunar. konf., Arkhangel'sk, 2-3 iyunya 2015 g. [Physical Chemistry of Plant Polymers: Proc. 6th Intern. Conf. Arkhangelsk, 2-3 June,

2015]. Arkhangelsk, 2015, pp. 201–205.

7. Rogovin Z.A. Khimiya tsellyulozy [Cellulose Chemistry]. Moscow, 1972. 520 p.

8. Chukhchin D.G., Mayer L.V., Manakhova S.V., Ivanchenko N.L. Otsenka poperechnykh razmerov mikrofibrill tsellyulozy v sloe S2 kletochnoy stenki drevesiny [Es- timation of the Cross-Sectional Dimensions of Cellulose Microfibrils in the S2 Cell Wall Layer of Wood]. Biotekhnologii v khimiko-lesnom komplekse: tez. dokl. Mezhdunar. nauch. konf., Arkhangel'sk, 11-12 sent. 2014 g. [Biotecnologies in Chemical and Timber Complex:

Proc. Int. Sci. Conf. Arkhangelsk, 11-12 September, 2014]. Arkhangelsk, 2014, pp. 321–

324.

9. Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J.D. Molecular Biolo- gy of the Cell. New York, 1986, vol. 3. 311 p.

10. Cavka A., Guo X., Tang S.-J., Winestrand S., Jonsson L.J., Hong F. Production of Bacterial Cellulose and Enzyme from Waste Fiber Sludge. Biotechnol. Biofuels, 2013, vol. 6, no. 25, pp. 1–10.

11. Colvin J.R. The Mechanism of Formation of Cellulose-Like Microfibrils in a

Cell-Free System from Acetobacter xylinum. Planta, 1980, vol. 149, no. 2, pp. 97–107.

12. Evert R.F. Esau’s Plant Anatomy: Meristems, Cells, and Tissues of the Plant

Body: Their Structure, Function, and Development. USA, NJ, Hoboken, 2006. 601 p.

13. Hafren J., Fujino T., Itoh T. Changes in Cell Wall Architecture of Differentiating Tracheids of Pinus thunbergii during Lignification. Plant Cell Physiol., 1999, vol. 40, no. 5, pp. 532–541.

14. Huang Y., Zhu C., Yang J., Nie Y., Chen C., Sun D. Recent Advances in Bacteri- al Cellulose. Cellulose, 2014, no. 21, pp. 1–30.

15. Lee K.Y., Buldum G., Mantalaris A., Bismarck A. More than Meets the Eye in Bacterial Cellulose: Biosynthesis, Bioprocessing, and Applications in Advanced Fiber Composites. Macromol. Biosci., 2014, no. 14, pp.10–32.

16. Malcolm R., Brown Jr., Saxena I.M. Cellulose: Molecular and Structural Biolo- gy. Selected Articles on the Synthesis, Structure, and Applications of Cellulose. Netherlands,

2007. 379 р.

17. Pear J.R., Kawagoe Y., Schreckengost W.E., Delmer D.P., Stalker D.M. Higher Plants Contain Homologs of the Bacterial CelA Genes Encoding the Catalytic Subunit of Cellulose Synthase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996, no. 93, pp. 12637–12642.

18. Pokalwar S.U., Mishra M.K., Manwar A.V. Production of Cellulose by Glu- conacetobacter Sp. Recent Research in Science and Technology, 2010, no. 2(7), pp. 14–19.

19. Saxena I.M., Brown R.M. Cellulose Biosynthesis: Current Views and Evolving

Concepts. Ann. Bot., 2005, no. 96, pp. 9–21.

20. Römling U. Molecular Biology of Cellulose Production in Bacteria. Research in

Microbiology, 2002, no. 153, pp. 205–212.

Received on July 07, 2016