吳李川，陳 茂，鄧佳禹，謝鴻觀

(成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059)

氧化亞鐵硫桿菌及其應(yīng)用研究進(jìn)展

吳李川，陳 茂，鄧佳禹，謝鴻觀*

(成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059)

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus,T.f)是好氧嗜酸中性菌，廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但由于T.f菌特殊的生物學(xué)特性，導(dǎo)致菌種的分離保藏等方面還存在一些瓶頸。本文概述了T.f菌的分離純化、復(fù)壯及保藏等方面的研究進(jìn)展，并且闡述了T.f菌在冶金和環(huán)境工程中的應(yīng)用。

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus)；培養(yǎng)；冶金；環(huán)境工程

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus)簡(jiǎn)稱T.f菌，屬微生物中原核生物界、化能營(yíng)養(yǎng)原核生物門、細(xì)菌綱、硫化細(xì)菌科、硫桿菌屬[1]，是由Temple和Colmer發(fā)現(xiàn)并命名的[2]。T.f菌靠氧化基質(zhì)中的Fe2+為Fe3+和低價(jià)態(tài)硫?yàn)榱蛩岣@取能量[3]，于廣泛生存在土壤、淡水、海水、垃圾、海底污泥、硫化礦水、硫磺泉和沉積硫內(nèi),尤以產(chǎn)硫化物的環(huán)境經(jīng)常發(fā)生。目前T.f菌成為工業(yè)微生物浸出各種金屬的主要菌種之一，而在環(huán)境保護(hù)方面及一些科研領(lǐng)域的研究也越來越受到廣泛的重視。

1 氧化亞鐵硫桿菌的生物學(xué)特征

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus)通常以單個(gè)、兩個(gè)或者幾個(gè)呈鏈狀分布，在顯微鏡下觀察，單個(gè)細(xì)菌呈短桿狀，長(zhǎng)1.0至數(shù)微米，寬0.5μm，兩端鈍圓，有鞭毛，能活潑運(yùn)動(dòng)[4]。其生長(zhǎng)的最佳pH值為2～3.5，最佳環(huán)境溫度為28～34℃。由于是好氧的化能自養(yǎng)型細(xì)菌，氧化亞鐵硫桿菌對(duì)O2和CO2也有一定的要求，分別要求為1.0 g(O2)/g(黃鐵礦)和0.019 g(CO2)/g(黃鐵礦)[1]。在9K固體培養(yǎng)基上呈紅棕色菌落，而在硫代硫酸鹽培養(yǎng)基上呈中央黃色,外周白色的菌落。這說明氧化亞鐵硫桿菌細(xì)胞的形狀及菌落顏色、大小與營(yíng)養(yǎng)條件有關(guān)，即在不同的營(yíng)養(yǎng)條件下具有不同的形態(tài)特征。由于該菌的特殊生理特性，使其在浸礦、有用金屬的回收、礦物材料的微生物加工、脫除H2S和SO2等氣體及酸性廢水的處理等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2 氧化亞鐵硫桿菌的分離純化

與大多數(shù)細(xì)菌一樣，氧化亞鐵硫桿菌的分離純化使用的是一種常用的手段——固體培養(yǎng)分離。但T.f菌要求培養(yǎng)溫度高，通氧性好并且生長(zhǎng)緩慢，培養(yǎng)基容易干燥。所以T.f菌的固體培養(yǎng)相當(dāng)困難，形成菌落要1～3周的時(shí)間。同時(shí)常用的瓊脂等有機(jī)凝固劑在T.f菌適宜生長(zhǎng)的酸性環(huán)境下會(huì)水解產(chǎn)生對(duì)其生長(zhǎng)有強(qiáng)烈抑制作用的有機(jī)物，使得形成的菌落是萬(wàn)分之一[5]，因此尋找理想的凝固劑成為氧化亞鐵硫桿菌分離純化工作中急待解決的問題之一。張?jiān)诤?、邱冠周等人[6]調(diào)整培養(yǎng)基成分，當(dāng)硫酸亞鐵為22.2 g/L，磷酸氫二鉀為0.5 g/L，pH值為3.0再加入一定濃度的硫氰酸鉀，并采用間歇培養(yǎng)方法時(shí)，氧化亞鐵硫桿菌有最好的菌落分離效果?？刂坪眠@些條件，菌落總數(shù)可以比9K固體培養(yǎng)基提高數(shù)百倍，甚至更高。王世梅[7]等采用雙層平板法，即用2%的水瓊脂作底層平板，上面涂布異養(yǎng)菌(酵母R30)菌液，再倒人分離硫桿菌的固體培養(yǎng)基作上層平板，涂布一定稀釋度的含硫桿菌的菌懸液，30℃下倒置培養(yǎng)。結(jié)果顯示T.f菌菌落在雙層平板上檢出率提高2.1倍。Ahmad M[8]曾用一種名為“Gelrite”的細(xì)菌多糖來代替瓊脂培養(yǎng)氧化亞鐵硫桿菌，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌克隆率高達(dá)92%；還有研究者將表面活性劑加入到培養(yǎng)基中來改變氧化亞鐵硫桿菌的培養(yǎng)特征，也取得了一定的分離效果。

3 氧化亞鐵硫桿菌的復(fù)壯

所謂菌種復(fù)壯，即生活力已下降，要使其恢復(fù)。菌種退化是不可避免的，如果生產(chǎn)菌種已經(jīng)退化，那么我們要及時(shí)對(duì)已退化的菌種進(jìn)行復(fù)壯，使優(yōu)良性狀得以恢復(fù)。一支優(yōu)良菌種，如果任其變異，常導(dǎo)致衰退。如果從無數(shù)個(gè)變異的菌株中，不斷挑選比原來更為優(yōu)良的菌落，不僅能防止菌種的退化，還能達(dá)到復(fù)壯和提高的效果。

生產(chǎn)上應(yīng)用的菌種，在使用和保藏過程中，因外界條件和菌種內(nèi)在因素的矛盾引起菌體的變異，可能發(fā)展到菌種的退化，發(fā)生某些形態(tài)和生理性能方面變化。如在斜面上發(fā)現(xiàn)黑曲霉抱子越傳代越少和菌種殘缺不齊等現(xiàn)象；酵母則發(fā)生 細(xì)胞變形，生長(zhǎng)緩慢，或生產(chǎn)性能降低等。菌種的這種退化是由量變到質(zhì)變的過程，當(dāng)個(gè)體變異的數(shù)盤達(dá)到一定程度時(shí)，菌種才能表現(xiàn)出退化現(xiàn)象。實(shí)踐證明，傳代次數(shù)越多，越易退化，因此在保藏菌種時(shí)，盡量采取一些能夠較長(zhǎng)時(shí)間保藏的方法，避免經(jīng)常轉(zhuǎn)接，在退化現(xiàn)象出現(xiàn)以后，要加以復(fù)壯，以恢復(fù)正常的生產(chǎn)性能。

4 氧化亞鐵硫桿菌的保藏

在生產(chǎn)和研究工作中，為了避免菌種死亡和污染雜菌，所以必須妥善地保藏好菌種。菌種保藏的基本原理是抑制菌種的代謝活動(dòng)，使菌種處于休眠狀態(tài)、停止繁殖，以減少菌種的變異。在T.f菌的保藏過程中，不管采用什么方法，都會(huì)造成細(xì)菌數(shù)目減少，同時(shí)伴隨細(xì)菌亞鐵氧化活性降低，因此，添加了保護(hù)劑的菌種冷凍后，其存活率一般都有較大提高。二甲亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)和甘油是冷凍保藏菌株最常用的保護(hù)劑。A.P.Harrison等[9]認(rèn)為甘油含量為2%～55%時(shí)對(duì)細(xì)菌都有保藏效果，具體濃度隨細(xì)菌種類不同而不同，一般選用10%。楊宇[10]等人通過正交試驗(yàn)，冷凍保藏A.f菌的保護(hù)劑的最優(yōu)化組合100 g/L甘油+100 g/L海藻糖+180 g/L蔗糖+50 g/L二甲亞砜，該組合能使A.f菌冷凍的存活率達(dá)到89%。張燕飛[11]等人通過對(duì)甘油、海藻糖、蔗糖和牛血清蛋白組成的冷凍干燥保護(hù)劑的研究，對(duì)存活率影響的主次順序依次為：甘油>海藻糖>牛血清蛋白>蔗糖，其保護(hù)劑的最優(yōu)化組合為甘油5%、海藻糖15%、蔗糖18%、牛血清蛋白10%，該組合的保護(hù)劑可使冷凍干燥A.f菌的存活率達(dá)到94%。

5 氧化亞鐵硫桿菌在硫化礦中的應(yīng)用

許多微生物可以通過多種途徑對(duì)礦物作用，將礦物中的有價(jià)元素轉(zhuǎn)化為溶液中的離子。在歐洲，有記載的最早的生物冶金是1670年在西班牙的Rio Tinto礦，人們從礦坑水中回收細(xì)菌浸出的銅[12]，而我國(guó)是世界上最早采用生物冶金技術(shù)的國(guó)家，早在公元前2世紀(jì)，就有記載了用鐵從硫酸銅溶液中置換銅的化學(xué)作用，堆浸在當(dāng)時(shí)就是生產(chǎn)銅的普遍做法[13]。

在金屬硫化物礦山環(huán)境中，氧化亞鐵硫桿菌對(duì)硫化物的氧化分解具有重要作用。目前知道有多種黃鐵礦氧化菌，它們可在有氧的情況下，通過氧化元素硫、黃鐵礦、鐵離子等來獲得能量，并通過固定碳或其它有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物而生長(zhǎng)，其中氧化亞鐵硫桿菌仍被認(rèn)為是酸性環(huán)境中浸礦的主導(dǎo)菌種[14]。Saldi等人[15]通過對(duì)黃鐵礦進(jìn)行接菌與未接菌對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，接菌的黃鐵礦樣品的氧化速率是未接菌的9～39倍。Sasaki等人[16]的研究結(jié)果同樣表明氧化亞鐵硫桿菌能顯著地加速黃鐵礦的氧化速率。劉云國(guó)[17]等研究單一菌種以及混合菌種對(duì)尾礦樣本進(jìn)行淋濾處理，結(jié)果表明，在采用適當(dāng)菌種的前提下，尾礦中重金屬的溶解率都得到了不同程度的提高。

6 在電子廢棄物中的應(yīng)用

隨著電子科技的高速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品(電腦、電視、手機(jī)等)的普及率日益提高，并且它們每年以驚人的速度更新?lián)Q代。然而電子廢棄物會(huì)帶來極大的危害。若能對(duì)其合理的利用可以節(jié)約大量的能源和資源，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

氧化亞鐵硫桿菌浸提電子廢棄物中金屬有兩種作用方式，分別為間接作用和直接作用。在間接作用中，氧化亞鐵硫桿菌不斷地把溶液中的Fe2+氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+再進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)使金屬溶出，氧化亞鐵硫桿菌不直接與目標(biāo)金屬作用。直接作用是指氧化亞鐵硫桿菌首先通過靜電作用吸附到粉碎的廢棄電子物表面，然后再進(jìn)一步與其中的金屬作用使其溶出[18]。

7 氧化亞鐵硫桿菌在環(huán)境工程中的應(yīng)用

7.1 在工業(yè)廢氣中脫硫應(yīng)用

在工業(yè)廢氣中，H2S是一種有毒、有害氣體。目前，T.f菌在化工、石油、鋼鐵工業(yè)中去除H2S的研究正在被人們所關(guān)注。傳統(tǒng)的煙氣脫硫方法存在吸收劑無法循環(huán)利用、處理成本高等問題。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)學(xué)科的發(fā)展和相關(guān)學(xué)科的相互交叉，在煙氣脫硫技術(shù)中生物脫硫是一種比較新的煙氣脫硫(FGD)技術(shù)思路。

氧化亞鐵硫桿菌脫硫的原理是首先將煙氣中的含硫化合物轉(zhuǎn)移到液相中，再利用氧化亞鐵硫桿菌自身氧化還原的代謝過程，實(shí)現(xiàn)液相中含硫化合物價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)化，以單質(zhì)硫或硫酸鹽的形式將硫進(jìn)行回收再利用[19]。目前，微生物脫硫的原理主要包括以下兩大類[20]：一是利用微生物的氧化作用和過渡金屬離子催化氧化，將煙氣中的H2S轉(zhuǎn)化為單質(zhì)S；二是利用硫酸鹽還原菌和硫氧化菌之間的協(xié)同作用，將煙氣SO2轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫。

7.2 在煤炭中脫硫應(yīng)用

世界的主要能源在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍以化石燃料為主。在化石能源結(jié)構(gòu)中，目前煤炭仍占重要地位，是世界上最重要的能源之一。煤炭中的硫主要是以黃鐵礦和有機(jī)硫的形態(tài)存在。對(duì)于細(xì)粒黃鐵礦和有機(jī)硫，現(xiàn)有的物理選煤方法無法進(jìn)行有效脫除，用化學(xué)方法雖能除去90%以上的硫，但反應(yīng)條件、處理成本很高。用T.f菌可有效地去除黃鐵礦中的硫，并且反應(yīng)條件溫和、成本低。

T.f菌具有氧化能力，能氧化Fe2+，又能氧化元素硫、H2、H2S以及其他無機(jī)成分獲得能量。鐵離子存在的系統(tǒng)中，氧化亞鐵硫桿菌氧化SO2的過程分為兩個(gè)方面：一方面，在化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)利用Fe3+的氧化還原作用，SO2被Fe3+氧化生成單質(zhì)SO3，同時(shí)Fe3+又被還原成Fe2+，在生物反應(yīng)器內(nèi)氧化亞鐵硫桿菌又將Fe2+氧化成Fe3+從而循環(huán)利用[21]；另一方面，氧化亞鐵硫桿菌也可以直接將SO2氧化成為SO3，因此整個(gè)脫硫過程是氧化亞鐵硫桿菌直接氧化和間接氧化作用共同作用的結(jié)果[22]。

8 結(jié)語(yǔ)

氧化亞鐵硫桿菌在工業(yè)和環(huán)境工程中的應(yīng)用具有十分誘人的前景，但目前對(duì)氧化亞鐵硫桿菌的應(yīng)用研究大多處于實(shí)驗(yàn)室階段或者是半工業(yè)水平。其中有兩個(gè)原因：一是在馴化原始菌時(shí)用酸量較多，容易造成鋼鐵和混凝管道腐蝕導(dǎo)致管道堵塞，二是T.f菌的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，并且沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的培養(yǎng)。另外，隨著原生質(zhì)融合技術(shù)和現(xiàn)在基因技術(shù)的快速發(fā)展，T.f菌在煤炭生物脫硫和污泥的重金屬脫硫等領(lǐng)域也將得到廣泛的應(yīng)用，這些技術(shù)都需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。因此，接下來我們研究的方向是在不同的應(yīng)用領(lǐng)域培養(yǎng)馴化適應(yīng)不同環(huán)境的特效菌種，并采用有效的方法改良菌種，以獲得繁殖速度快和適應(yīng)性強(qiáng)的菌種，使T.f菌能在各個(gè)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，從而更好地利用它造福人類。

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(本文文獻(xiàn)格式：吳李川，陳 茂，鄧佳禹，等.氧化亞鐵硫桿菌及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].山東化工,2017,46(5):53-54,58.)

2017-01-20

四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2017GZ0387，2017GZ0293)

吳李川(1992—)，男，四川宜賓人，碩士研究生，主要從事應(yīng)用微生物學(xué)研究；*通訊作者：謝鴻觀(1978—)，男，安徽巢湖人，副教授，博士，主要從事資源環(huán)境微生物應(yīng)用研究。

X172

A

1008-021X(2017)05-0053-02