氧化亚铁硫杆菌

氧化亚铁硫杆菌

自从1947年Temple和Colmer发现并命名氧化亚铁硫杆菌以来，它已经成为生物浸出的主要菌种之一。作为浸矿的主要菌种，它最初应用于低品味铜矿、铀矿的生产，后来发展应用于金、锌、钴、等多种金属的浸出。随着氧化亚铁硫杆菌在冶金生产中应用的日益广泛，人们注意到它在环境保护方面及一些科研领域同样有着良好的应用前景，其研究越来越受到广泛重视。

氧化亚铁硫杆菌（ Thiobacillusferrooxidans,T.f ）属微生物中原核生物界、化能营养原核生物门、细菌纲、硫化细菌科、硫杆菌属。广泛存在于土壤、海水、淡水、垃圾、硫磺泉和沉积硫内，尤以金属硫化矿和煤矿等酸性矿坑水（pH<4）中最为常见。

化能自养，专性好氧，嗜酸，革兰氏阴性，，主要利用利用CO2为碳源，并吸收氮、磷等无机营养来合成自身细胞。菌长1.0到数微米，宽约0.5微米，杆状，端生鞭毛，能游动，腺嘌呤（C）+鸟嘌呤（G）的摩尔百分含量为57%~62%，细菌生长周期为6~10天，菌落为黑色，直径0.05mm，菌落周围为分散的铁锈色斑渍区域。

分离的主要步骤是：将采集到的样品先用9K液体培养基富集培养，待培养基的pH值下降到1.0左右后，用梯度稀释法在改进的9K固体培养基涂布，再用平板划线法分离。 第一部分：（NH4）2SO4 3.0g KCl 0.1g K2HPO4 0.5g MgSO4﹒7H2O 0.5g

Ca（NO3）2 0.01g

蒸馏水 700mL 第二部分：5mol/LH2SO4 1.0mL FeSO4﹒7H2O 14.7% 蒸馏水 300mL

分离培养基为改进的9K固体培养基，即在每升9K液体培养基加入1.2%的琼脂及0.03%酵母浸粉。

T .ferrooxidans 在有氧条件下依靠氧化亚铁、各种还原性硫化物以及氢来获得能量供生命活动需要。在无氧条件下，能以三价铁或硫为电子受体、氢为电子供体，或以三价铁为电子受体、还原性硫化物为电子供体获得能量生长。这些现象说明A .ferrooxidans 能量代谢途径的多样性和复杂性。目前认为亚铁氧化的大部分电子都顺电势梯度传递给氧； 同时少量电子逆电势传递，产生还原力NAD（P）H 参与细胞内的物质能量代谢。 Fe的氧化主要是分两点：

2Fe2+ 2Fe2++2e （1） 2e+1/2O2+2H H2O （2）

由反应式可知, Fe2+ 被细菌氧化为Fe3+ , 分子氧O2 作为电子受体. 在将电子由Fe2+ 递送至氧的过程中, 菌体中各种细胞色素起着重要的作用. 每种细胞色素都具有特定的氧化还原电位.当电子由细胞色素c 向分子氧递送过程中发生了氧化性磷酸化作用, 形成三磷酸腺苷(ATP) , 电子转移所释放的能量便贮存在ATP 中. 为了自动同化CO 2, 还需要形成还

+

2+

原性的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH2 ). 这样, Fe2+ 氧化所放出的电子主要是还原分子氧, 但也有很少一部分还原NAD. Fe2+ 氧化过程电子传递示意如图1 所示.

图1 氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+ 时电子输送途径

目前对A.ferrooxidans 电子传递系统的研究主要集中于亚铁氧化电子传递系统，已发现多种与亚铁氧化电子传递相关电子载体和操纵子，如电子载体铜蓝蛋白（Rustocyanin，Rus）、细胞色素C（Cytochrome C，Cyc）、细胞色素C 氧化酶（Cytochrome Coxidase，Cox）、亚铁氧化酶（Iro）、细胞色素bc1 复合物（cytochrome bc1 complex，bc1）等，以及rus 操纵子和pet 操纵子。

3.2 硫的氧化

S2-的氧化分两步，第一步是在S2-氧化酶的作用下，S失去两个电子，结果发生硫原子的聚合；第二步包括短链多聚硫化物到多聚硫复合物的氧化，多聚硫复合物的氧化是与细胞膜相连的，而且必须有细胞质的参与。反应过程如下：

SH- 硫化酶 [S]+H++2e 2[S] [S-S]

[S-S]+SH- S--S-SH

S--S-SH+X X-S-S-SH

2[X-S-S-SH] 多聚硫化酶 X-S6-X+2H+ 3.3 CO2的固定

TF菌是通过二磷酸核酮糖（还原的磷酸戊糖环）途径来固CO2的，这个途径又叫做卡尔文循环

4、氧化亚铁硫杆菌的应用研究

随着对氧化亚铁硫杆菌的生活环境和生理生化等生物学特征的认识的不断深入，发现该微生物在工业和环保上都具有重要的应用价值，目前已成为工业与环境生物技术发展领域的研究热点，其应用主要有以下几个方面： 生物冶金

生物处理污泥中的重金属 脱硫方面的应用

含砷硫化矿的预处理 其它应用

生物冶金技术是利用微生物或其代谢产物溶浸矿石中有用金属的一种新技术，具有装备简单、流程短、建设和操作成本低、对环境友好及可利用低品位复杂难处理矿石等特点，现已成为世界各国矿冶工程研究和应用的热点，是本世纪最具竞争力的矿冶技术之一。

氧化亚铁硫杆菌是冶金工业中最具商业价值的菌种，也是研究最多的菌种之一。早在1670 年，西班牙的Rio Tinto矿山中人们就已知道从矿山浸出水中沉淀回收铜，其中起重要作用的就是酸性矿水和污泥中普遍存在的嗜酸性无机化能自氧菌氧化亚铁硫杆菌。自1966 年加拿大采用细菌浸铀成功，以后有30 多个国家相继开展了生物冶金技术的研究，矿种扩大到10 余种。经过多年的努力，在铜、铀、锰矿进行了工业性或半工业性试验，并获得了成功。

与传统资源加工技术——选矿和冶金提取与分离两大工艺流程不同，生物冶金技术是利用微生物、空气和水等天然物质从矿石中直接提取有价金属，无需选矿、火法冶炼的清洁短流程技术，反应过程自然温和，是矿冶工程和现代生物科学交叉结合形成的一门新型学科。 生物堆浸技术的特点：反应温和。的温和反应。设备少、工艺流程简单、建设周期短、基建投资大大减少。而且处理量大、易操作、生产成本低、产品价值高。无SO2 等有害气体排放、、溶液循环利用，环境友好，节约了处理废弃物的成本；工艺过程矿石无需细磨，可大幅度降低能耗，符合节能减排的发展要求。 能较经济地处理常规法难以处理的某些低品位矿石，提高资源利用率，拓宽找矿领域；适合于开发偏远交通不便地区资源，规模可大可小。

4.1.3 生物冶金技术的未来

1. 随着高品位、易选冶的铜、镍、锌、钴、金等有色金属矿物资源的日益少，低品位、难处理资源的开发日益增大，生物冶金技术将是本世纪最具有竞争力的矿冶技术之一。 2. 高温浸矿菌浸出黄铜矿和异养菌浸出镍红土矿等技术将取得突破，生物冶金新技术不断涌现，生物冶金技术将得到更大的发展。

3. 生物冶金技术产业化应用越来越成熟，应用领域越来越广泛，生物冶金具有广阔的应用前景。

4.2 生物处理污泥中的重金属

污水污泥中不仅含有大量有机质和氮磷等植物养分，同时也富集了污水中50%~80%的重金属，这成为污泥安全农用的阻制因子。氧化亚铁硫杆菌对重金属离子有氧化吸附作用，由于这一特性，可以利用它来处理污水污泥中的重金属离子。采用生物淋滤法处理污水污泥中的重金属离子，不仅耗酸少，运行成本低，而且重金属去除率高。最近研究表明，通过加富污泥中内源的氧化亚铁硫杆菌，并导入外源无机铁，对重金属污染的污泥进行生物淋滤，能有效去除重金属，且污泥脱水后可制成含铁量高达6%~8%的生物有机态铁肥，可作为石灰性土壤缺铁的矫治剂。因此，深入对氧化亚铁硫杆菌在污泥中重金属处理中的研究，对于污泥安全农用具有重要的实际意义。 4.3 脱硫方面的应用

大气SO2污染的局势十分严峻。消除SO2对大气的污染，降低燃煤SOX 排放已成了全世界的当务之急。为此，许多科学家都致力于煤炭脱硫以及工业酸性废气脱硫技术的研发工作。微生物脱硫是目前脱硫工艺中研究开发的热点，主要菌种为氧化亚铁硫杆菌。如日本钢管公司京滨制作所利用氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌来处理炼油排出的含H2S 的废

气，其硫化氢的脱除率达到99.99%。美国爱达荷国家工程实验室用这类菌的混合培养物处理煤，可脱97% 的无机硫。徐毅等利用氧化亚铁硫杆菌脱除四川松藻煤矿样品中黄铁矿硫，煤总含硫量从2.45%降至1.20%。这种方法与常规方法相比，具有投资少、运行成本低、能耗少和可有效减少环境污染等优点。

日本千代田公司发展的稀硫酸吸收法(简称千代田法) , 是目前在日本应用较广的烟道气脱硫方法。该法原理为：用2～ 4% 的稀硫酸吸收烟气中的二氧化硫, 由于在稀硫酸中加入了三价铁离子作为氧化催化剂, 因此提高了吸收效率。被吸收的二氧化硫氧化成了硫酸, 这部分硫酸可以回收利用。

该法的缺点是吸收塔较大, 由于吸收液用量大, 要用较大的泵, 耗费的电能较多, 稀硫酸腐蚀性较强, 必须采用合适的防腐蚀材料。

利用TF在工业上脱硫, 可以不使用氧化塔。此方法在比千代田法低得多的液气比下有较好的脱硫率, 则可以减小吸收塔的大小, 降低吸收液的用量; 而且在使用TF 菌后, 不用鼓入空气, 可以节省空气泵的开支和节约电能。吸引液成本低廉、培养方便、快捷, 所以研究微生物法具有很强的工业价值。

4.4 含砷硫化矿的预处理

含砷硫化矿是极难处理的矿物，目前技术上比较成熟的处理方法是焙烧法。但焙烧冷凝下来的二氧化砷微粒对人和动物体的毒害很大。因此国内外投入大量人力物力研究和发展微生物预处理含砷硫化矿。有研究指出，可以利用氧化亚铁硫杆菌预处理矿物，被氧化的砷以三价或五价的形式进入浸出液，便于随后用化学方法将砷固定。经过多年的细菌脱砷实验研究，含砷硫化矿的处理技术也取得了重大进展：脱硫率高于80%，金银回收率也高达90%。

4.5 其它应用

此外，氧化亚铁硫杆菌还被用于处理酸性废水。在材料工业中，将烧结成的Fe-Ti合金板材浸在含氧化亚铁硫杆菌的酸性介质里，使富铁相选择性腐蚀溶解，然后在生成的多孔结构中注入锂制成热电极的阳极。又由于氧化亚铁硫杆菌对纯铁、纯铜和铜镍合金具有很强的生物加工能力，因此可用来刻蚀以铜及铜合金为材料的基片表面从而得到精细图形或三维结构(生物蚀刻加工技术)。还有人提出利用氧化亚铁硫杆菌生物浸出深海多金属结核中的有价金属。研究结果表明，在常温、酸性环境下，氧化亚铁硫杆菌可以直接浸出金属铜、钴、镍、锰、铁等有价金属。

生物刻蚀加工是生物制造加工技术的一种加工形式，其原理是利用自然界中某些微生物在其新陈代谢过程中需要消耗一些金属元素以完成自身生长繁殖的特性，通过控制其生物化学反应过程实现对不同金属工件的去除加工。由于微生物的尺寸微小，所以，可以利用微生物的生长特性将微生物作为“微细刀具”实现用常规方法很难加工的微小零件的加工。与传统的机械加工方法相比，生物刻蚀加工过程对环境的污染小、投资小、不产生机械损耗和摩擦热、不存在加工应力、对加工设备的要求不高，因此，在加工微小型结构件方面具有广阔的发展前景。生物刻蚀加工目前主要采用氧化亚铁硫杆菌作为加工细菌。

5 、应用前景及研究趋势

氧化亚铁硫杆菌的研究在很多领域都是非常有意义的。尽管与氧化亚铁硫杆菌有关的许多微生物过程未转化为成型的工业生物技术，但利用氧化亚铁硫杆菌对在一些领域的成功已显示了它的应用前景。另外，随着原生质融合技术和基因工程技术的发展，氧化亚铁硫杆菌的生物降解能力在污泥的重金属脱除和煤炭生物脱硫技术等领域也将得到广泛的应用。 目前，我国对于氧化亚铁硫杆菌的应用研究，大部分处于实验室和半工业试验水平，未能实现规模化应用，其中很重要的原因是原始驯化菌嗜酸，易对钢铁和混凝管道造成腐蚀；属嗜中温菌，超过45℃就不能生长；且生长周期长，这都大大限制了它在

工业和环保领域的应用。因此，必须在不同的应用领域培养驯化适应不同环境的特效菌种，并采用快速、高效、新的育种方法对现有菌株进行改良，以期获得多株具有繁殖速率快，氧化能力强，适应性强，特别是对多种重金属离子、表面活性剂、氯离子的耐受性强的优良工业用菌。迄今为止，大部分育种工程仍处于实验室阶段，主要应用传统诱变技术和现代基因工程手段进行改良。虽然传统诱变技术由于其非定向突变因素使得育种工作周期长，困难大，但经诱变育种的菌株适应性及氧化能力发生了质的飞跃，表现出显著的应用效果。而用基因工程构建氧化亚铁硫杆菌的研究，目前由于人们对于它的分子遗传学了解有限，加上生存环境条件恶劣，使得构建的质粒容易丢失，失去优良性能，存在性能不稳定的现象。除此之外，对于利用基因重组技术培养高效工程菌、固定化细胞技术、固定酶技术等方向，也有待于科学工作者的进一步研究。

6、氧化亚铁硫杆菌基因转移系统研究进展

氧化亚铁硫杆菌存在的一些限制其应用的缺点. 首先, 它生长缓慢, 代时长, 细胞得率低, 这会使生产周期延长,增加生产成本; 其次, 它对某些重金属离子缺乏抗性, 限制了其应用范围. 这就需要用遗传学的方法进行改良, 以使其能更有效地应用于工业生产. 而要达到这一目的, 就必须建立能将外源基因引入氧化亚铁硫杆菌的基因转移系统. 氧化亚铁硫杆菌遗传背景的研究

由于氧化亚铁硫杆菌具有独特的生理特性, 使得对其进行遗传学研究难度较大, 主要是: ( 1) 缺乏可供选择的遗传标记. 由于氧化亚铁硫杆菌生活在含铁的酸性条件下, 使多数抗生素失效; ( 2) 氧化亚铁硫杆菌生长缓慢, 细胞得率低, 在固体培养基上难以形成菌落。 建立氧化亚铁硫杆菌基因转移系统

1 氧化亚铁硫杆菌质粒的分离、分析和基因工程载体的构建 2 氧化亚铁硫杆菌基因的克隆与分析

3 基因的转移及适用于氧化亚铁硫杆菌遗传操作固体培养基的研究

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