Summary

Recupero avanzato dell'olio utilizzando una combinazione di biotensioattivi

Published: June 03, 2022
doi:

Summary

Illustriamo i metodi coinvolti nello screening e nell’identificazione dei microbi che producono biotensioattivi. Vengono inoltre presentati metodi per la caratterizzazione cromatografica e l’identificazione chimica dei biotensioattivi, determinando l’applicabilità industriale del biotensioattivo nel migliorare il recupero residuo dell’olio.

Abstract

I biotensioattivi sono composti tensioattivi in grado di ridurre la tensione superficiale tra due fasi di polarità diverse. I biotensioattivi stanno emergendo come alternative promettenti ai tensioattivi chimici a causa della minore tossicità, dell’elevata biodegradabilità, della compatibilità ambientale e della tolleranza a condizioni ambientali estreme. Qui illustriamo i metodi utilizzati per lo screening dei microbi in grado di produrre biotensioattivi. I microbi che producono biotensioattivi sono stati identificati utilizzando il collasso delle gocce, la diffusione dell’olio e i saggi dell’indice di emulsione. La produzione di biotensioattivi è stata convalidata determinando la riduzione della tensione superficiale del mezzo dovuta alla crescita dei membri microbici. Descriviamo anche i metodi coinvolti nella caratterizzazione e identificazione dei biotensioattivi. La cromatografia su strato sottile del biotensioattivo estratto seguita da colorazione differenziale delle piastre è stata eseguita per determinare la natura del biotensioattivo. LCMS, 1H NMR e FT-IR sono stati utilizzati per identificare chimicamente il biotensioattivo. Illustriamo inoltre i metodi per valutare l’applicazione della combinazione di biotensioattivi prodotti per migliorare il recupero dell’olio residuo in una colonna di sabbia simulata.

Introduction

I biotensioattivi sono le molecole anfipatiche tensioattive prodotte da microrganismi che hanno la capacità di ridurre la superficie e la tensione interfacciale tra due fasi1. Un tipico biotensioattivo contiene una parte idrofila che di solito è composta da una porzione di zucchero o una catena peptidica o amminoacido idrofilo e una parte idrofobica costituita da una catena di acidi grassi saturi o insaturi2. A causa della loro natura anfipatica, i biotensioattivi si assemblano all’interfaccia tra le due fasi e riducono la tensione interfacciale al confine, il che facilita la dispersione di una fase nell’altra 1,3. Vari tipi di biotensioattivi che sono stati segnalati finora includono glicolipidi in cui i carboidrati sono legati agli acidi alifatici o idrossi-alifatici a catena lunga tramite legami estere (ad esempio, ramnolipidi, trealolipidi e soforolipidi), lipopeptidi in cui i lipidi sono attaccati a catene polipeptidiche (ad esempio, tensioattivi e lichenisina) e biotensioattivi polimerici che di solito sono composti da complessi polisaccaridici-proteici (ad esempio, emulsan, liposan, alasan e lipomannan)4. Altri tipi di biotensioattivi prodotti dai microrganismi includono acidi grassi, fosfolipidi, lipidi neutri e biotensioattivi particolati5. La classe di biotensioattivi più studiata è quella dei glicolipidi e tra questi la maggior parte degli studi sono stati riportati sui ramnolipidi6. I ramnolipidi contengono una o due molecole di ramnosio (che formano la parte idrofila) legate a una o due molecole di acido grasso a catena lunga (di solito acido idrossi-decanoico). I ramnolipidi sono glicolipidi primari riportati per primi da Pseudomonas aeruginosa7.

I biotensioattivi stanno guadagnando sempre più attenzione rispetto alle loro controparti chimiche a causa di varie proprietà uniche e distintive che offrono8. Questi includono maggiore specificità, minore tossicità, maggiore diversità, facilità di preparazione, maggiore biodegradabilità, migliore formazione di schiuma, compatibilità ambientale e attività in condizioni estreme9. La diversità strutturale dei biotensioattivi (Figura S1) è un altro vantaggio che dà loro un vantaggio rispetto alle controparti chimiche10. Sono generalmente più efficaci ed efficienti a concentrazioni più basse poiché la loro concentrazione critica di micelle (CMC) è di solito parecchie volte inferiore ai tensioattivi chimici11. È stato segnalato che sono altamente termostabili (fino a 100 °C) e possono tollerare pH più elevati (fino a 9) e alte concentrazioni di sale (fino a 50 g/L)12 offrono quindi diversi vantaggi nei processi industriali, che richiedono l’esposizione a condizioni estreme13. La biodegradabilità e la minore tossicità li rendono adatti per applicazioni ambientali come il biorisanamento. A causa dei vantaggi che offrono, hanno ricevuto maggiore attenzione in vari settori come l’industria alimentare, agricola, dei detergenti, cosmetica e petrolifera11. I biotensioattivi hanno anche guadagnato molta attenzione nella bonifica del petrolio per la rimozione di contaminanti petroliferi e inquinanti tossici14.

Qui riportiamo la produzione, la caratterizzazione e l’applicazione di biotensioattivi prodotti da Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 e Paenibacillus sp. IITD108. I passaggi coinvolti nello screening, nella caratterizzazione e nell’applicazione di una combinazione di biotensioattivi per un migliore recupero dell’olio sono descritti nella Figura 1.

Figure 1
Figura 1: Un metodo per un migliore recupero dell’olio utilizzando una combinazione di biotensioattivi. Viene mostrato il flusso di lavoro graduale. Il lavoro è stato eseguito in quattro fasi. In primo luogo i ceppi microbici sono stati coltivati e sottoposti a screening per la produzione di biotensioattivi mediante vari saggi, che includevano il saggio di collasso delle gocce, il saggio di diffusione dell’olio, il saggio dell’indice di emulsione e la misurazione della tensione superficiale. Quindi, i biotensioattivi sono stati estratti dal brodo privo di cellule e la loro natura è stata identificata utilizzando la cromatografia a strato sottile e sono stati ulteriormente identificati utilizzando LCMS, NMR e FT-IR. Nella fase successiva, i biotensioattivi estratti sono stati miscelati insieme e il potenziale della miscela risultante per un migliore recupero dell’olio è stato determinato utilizzando la tecnica della colonna di sabbia. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Lo screening di questi ceppi microbici per produrre biotensioattivi è stato effettuato mediante collasso delle gocce, diffusione dell’olio, saggio dell’indice di emulsione e determinazione della riduzione della tensione superficiale del mezzo privo di cellule a causa della crescita dei microbi. I biotensioattivi sono stati estratti, caratterizzati e identificati chimicamente da LCMS, 1H NMR e FT-IR. Infine, è stata preparata una miscela di biotensioattivi prodotti da questi microbi ed è stata utilizzata per recuperare l’olio residuo in una colonna di sabbia simulata.

Il presente studio illustra solo i metodi coinvolti nello screening, nell’identificazione, nella caratterizzazione strutturale e nell’applicazione della combinazione di biotensioattivi per migliorare il recupero dell’olio residuo. Non fornisce una caratterizzazione funzionale dettagliata dei biotensioattivi prodotti dai ceppi microbici15,16. Vari esperimenti come la determinazione critica delle micelle, l’analisi termogravimetrica, la bagnabilità superficiale e la biodegradabilità vengono eseguiti per la caratterizzazione funzionale dettagliata di qualsiasi biotensioattivo. Ma poiché questo documento è un documento di metodi, l’attenzione si concentra sullo screening, l’identificazione, la caratterizzazione strutturale e l’applicazione della combinazione di biotensioattivi per migliorare il recupero dell’olio residuo; questi esperimenti non sono stati inclusi in questo studio.

Protocol

1. Crescita di ceppi microbici Pesare 2 g di Luria Brodo in polvere e aggiungere a 50 ml di acqua distillata in un matraccio conico da 250 ml. Mescolare il contenuto fino a quando la polvere si dissolve completamente e portare il volume a 100 ml utilizzando acqua distillata. Allo stesso modo, preparare altri due palloni da 100 ml di brodo di Luria e posizionare tappi di cotone sul collo dei palloni. Coprire i tappi di cotone con un foglio di alluminio e autoclave i palloni p…

Representative Results

Tre ceppi batterici (Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 e Paenibacillus sp. IITD108) sono stati sottoposti a screening per la produzione di biotensioattivi mediante vari saggi, tra cui il test di collasso delle gocce, il saggio di spostamento dell’olio, il saggio dell’indice di emulsione e la riduzione della tensione superficiale. I supernatanti privi di cellule di tutti e tre i ceppi batterici e una soluzione di tensioattivo chimico hanno provocato un collasso delle gocce e, p…

Discussion

I biotensioattivi sono uno dei gruppi più versatili di componenti biologicamente attivi che stanno diventando alternative interessanti ai tensioattivi chimici. Hanno una vasta gamma di applicazioni in numerosi settori come detergenti, vernici, cosmetici, alimenti, prodotti farmaceutici, agricoltura, petrolio e trattamento delle acque grazie alla loro migliore bagnabilità, CMC inferiore, struttura diversificata e compatibilità ambientale18. Ciò ha portato a un maggiore interesse per la scoperta…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori desiderano ringraziare il Dipartimento di Biotecnologie, Governo dell’India, per il sostegno finanziario.

Materials

1 ml pipette Eppendorf, Germany G54412G
1H NMR Bruker Avance AV-III type spectrometer,USA
20 ul pipette Thermo scientific, USA H69820
Autoclave JAISBO, India Ser no 5923 Jain Scientific
Blue flame burner Rocker scientific, Taiwan dragon 200
Butanol GLR inovations, India GLR09.022930
C18 column Agilent Technologies, USA 770995-902
Centrifuge Eppendorf, Germany 5810R
Chloroform Merck, India 1.94506.2521
Chloroform-d SRL, India 57034
Falcon tubes Tarsons, India 546041 Radiation sterilized polypropylene
FT-IR Thermo Fisher Scientific, USA  Nicolet iS50
Fume hood Khera, India 47408 Customied
glacial acetic acid Merck, India 1.93002
Glass beads Merck, India 104014
Glass slides Polar industrial Corporation, USA Blue Star 75 mm * 25 mm
Glass wool Merk, India 104086
Hydrochloric acid Merck, India 1003170510
Incubator Thermo Scientific, USA MaxQ600 Shaking incubator
Incubator Khera, India Sunbim
Iodine resublimed Merck, India 231-442-4  resublimed Granules
K12 –Kruss tensiometer Kruss Scientific, Germany K100
Laminar air flow cabnet Thermo Scientific, China 1300 Series A2
LCMS Agilent Technologies, USA 1260 Infinity II
Luria Broth HIMEDIA, India M575-500G Powder
Methanol Merck, India 107018
Ninhydrin Titan Biotech Limited, India 1608
p- anisaldehyde Sigma, USA 204-602-6
Petri plate Tarsons, India 460090-90 MM Radiation sterilized polypropylene
Saponin Merck, India 232-462-6
Sodium chloride Merck, India 231-598-3
Test tubes Borosil, India 9800U06 Glass tubes
TLC plates Merck, India 1055540007
Vortex GeNei, India 2006114318
Water Bath Julabo, India SW21C

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Nissar Zargar, A., Patil, N., Kumar, M., Srivastava, P. Enhanced Oil Recovery using a Combination of Biosurfactants. J. Vis. Exp. (184), e63207, doi:10.3791/63207 (2022).

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