氧化亞鐵硫桿菌及其應用研究進展

吳李川，陳 茂，鄧佳禹，謝鴻觀

(成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059)

氧化亞鐵硫桿菌及其應用研究進展

吳李川，陳 茂，鄧佳禹，謝鴻觀*

(成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059)

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus,T.f)是好氧嗜酸中性菌，廣泛應用于很多領域，但由于T.f菌特殊的生物學特性，導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、復壯及保藏等方面的研究進展，并且闡述了T.f菌在冶金和環境工程中的應用。

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus)；培養；冶金；環境工程

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus)簡稱T.f菌，屬微生物中原核生物界、化能營養原核生物門、細菌綱、硫化細菌科、硫桿菌屬[1]，是由Temple和Colmer發現并命名的[2]。T.f菌靠氧化基質中的Fe2+為Fe3+和低價態硫為硫酸根而獲取能量[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,尤以產硫化物的環境經常發生。目前T.f菌成為工業微生物浸出各種金屬的主要菌種之一，而在環境保護方面及一些科研領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特征

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidaus)通常以單個、兩個或者幾個呈鏈狀分布，在顯微鏡下觀察，單個細菌呈短桿狀，長1.0至數微米，寬0.5μm，兩端鈍圓，有鞭毛，能活潑運動[4]。其生長的最佳pH值為2～3.5，最佳環境溫度為28～34℃。由于是好氧的化能自養型細菌，氧化亞鐵硫桿菌對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固體培養基上呈紅棕色菌落，而在硫代硫酸鹽培養基上呈中央黃色,外周白色的菌落。這說明氧化亞鐵硫桿菌細胞的形狀及菌落顏色、大小與營養條件有關，即在不同的營養條件下具有不同的形態特征。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域具有潛在的應用價值。

2 氧化亞鐵硫桿菌的分離純化

與大多數細菌一樣，氧化亞鐵硫桿菌的分離純化使用的是一種常用的手段——固體培養分離。但T.f菌要求培養溫度高，通氧性好并且生長緩慢，培養基容易干燥。所以T.f菌的固體培養相當困難，形成菌落要1～3周的時間。同時常用的瓊脂等有機凝固劑在T.f菌適宜生長的酸性環境下會水解產生對其生長有強烈抑制作用的有機物，使得形成的菌落是萬分之一[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。張在海、邱冠周等人[6]調整培養基成分，當硫酸亞鐵為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，并采用間歇培養方法時，氧化亞鐵硫桿菌有最好的菌落分離效果。控制好這些條件，菌落總數可以比9K固體培養基提高數百倍，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，上面涂布異養菌(酵母R30)菌液，再倒人分離硫桿菌的固體培養基作上層平板，涂布一定稀釋度的含硫桿菌的菌懸液，30℃下倒置培養。結果顯示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”的細菌多糖來代替瓊脂培養氧化亞鐵硫桿菌，發現細菌克隆率高達92%；還有研究者將表面活性劑加入到培養基中來改變氧化亞鐵硫桿菌的培養特征，也取得了一定的分離效果。

3 氧化亞鐵硫桿菌的復壯

所謂菌種復壯，即生活力已下降，要使其恢復。菌種退化是不可避免的，如果生產菌種已經退化，那么我們要及時對已退化的菌種進行復壯，使優良性狀得以恢復。一支優良菌種，如果任其變異，常導致衰退。如果從無數個變異的菌株中，不斷挑選比原來更為優良的菌落，不僅能防止菌種的退化，還能達到復壯和提高的效果。

生產上應用的菌種，在使用和保藏過程中，因外界條件和菌種內在因素的矛盾引起菌體的變異，可能發展到菌種的退化，發生某些形態和生理性能方面變化。如在斜面上發現黑曲霉抱子越傳代越少和菌種殘缺不齊等現象；酵母則發生 細胞變形，生長緩慢，或生產性能降低等。菌種的這種退化是由量變到質變的過程，當個體變異的數盤達到一定程度時，菌種才能表現出退化現象。實踐證明，傳代次數越多，越易退化，因此在保藏菌種時，盡量采取一些能夠較長時間保藏的方法，避免經常轉接，在退化現象出現以后，要加以復壯，以恢復正常的生產性能。

4 氧化亞鐵硫桿菌的保藏

在生產和研究工作中，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，使菌種處于休眠狀態、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，都會造成細菌數目減少，同時伴隨細菌亞鐵氧化活性降低，因此，添加了保護劑的菌種冷凍后，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劑。A.P.Harrison等[9]認為甘油含量為2%～55%時對細菌都有保藏效果，具體濃度隨細菌種類不同而不同，一般選用10%。楊宇[10]等人通過正交試驗，冷凍保藏A.f菌的保護劑的最優化組合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菌冷凍的存活率達到89%。張燕飛[11]等人通過對甘油、海藻糖、蔗糖和牛血清蛋白組成的冷凍干燥保護劑的研究，對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，其保護劑的最優化組合為甘油5%、海藻糖15%、蔗糖18%、牛血清蛋白10%，該組合的保護劑可使冷凍干燥A.f菌的存活率達到94%。

5 氧化亞鐵硫桿菌在硫化礦中的應用

許多微生物可以通過多種途徑對礦物作用，將礦物中的有價元素轉化為溶液中的離子。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菌浸出的銅[12]，而我國是世界上最早采用生物冶金技術的國家，早在公元前2世紀，就有記載了用鐵從硫酸銅溶液中置換銅的化學作用，堆浸在當時就是生產銅的普遍做法[13]。

在金屬硫化物礦山環境中，氧化亞鐵硫桿菌對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營養物而生長，其中氧化亞鐵硫桿菌仍被認為是酸性環境中浸礦的主導菌種[14]。Saldi等人[15]通過對黃鐵礦進行接菌與未接菌對比研究發現，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[17]等研究單一菌種以及混合菌種對尾礦樣本進行淋濾處理，結果表明，在采用適當菌種的前提下，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用

隨著電子科技的高速發展，各類電子產品(電腦、電視、手機等)的普及率日益提高，并且它們每年以驚人的速度更新換代。然而電子廢棄物會帶來極大的危害。若能對其合理的利用可以節約大量的能源和資源，具有顯著的經濟和環境效益。

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+，Fe3+再進一步發生反應使金屬溶出，氧化亞鐵硫桿菌不直接與目標金屬作用。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境工程中的應用

7.1 在工業廢氣中脫硫應用

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

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，實現液相中含硫化合物價態的轉化，以單質硫或硫酸鹽的形式將硫進行回收再利用[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轉化為單質S；二是利用硫酸鹽還原菌和硫氧化菌之間的協同作用，將煙氣SO2轉化為單質硫。

7.2 在煤炭中脫硫應用

世界的主要能源在相當長時間內仍以化石燃料為主。在化石能源結構中，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硫的形態存在。對于細粒黃鐵礦和有機硫，現有的物理選煤方法無法進行有效脫除，用化學方法雖能除去90%以上的硫，但反應條件、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以及其他無機成分獲得能量。鐵離子存在的系統中，氧化亞鐵硫桿菌氧化SO2的過程分為兩個方面：一方面，在化學反應器內利用Fe3+的氧化還原作用，SO2被Fe3+氧化生成單質SO3，同時Fe3+又被還原成Fe2+，在生物反應器內氧化亞鐵硫桿菌又將Fe2+氧化成Fe3+從而循環利用[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果[22]。

8 結語

氧化亞鐵硫桿菌在工業和環境工程中的應用具有十分誘人的前景，但目前對氧化亞鐵硫桿菌的應用研究大多處于實驗室階段或者是半工業水平。其中有兩個原因：一是在馴化原始菌時用酸量較多，容易造成鋼鐵和混凝管道腐蝕導致管道堵塞，二是T.f菌的生長周期長，并且沒有實現規模化的培養。另外，隨著原生質融合技術和現在基因技術的快速發展，T.f菌在煤炭生物脫硫和污泥的重金屬脫硫等領域也將得到廣泛的應用，這些技術都需要進一步研究和發展。因此，接下來我們研究的方向是在不同的應用領域培養馴化適應不同環境的特效菌種，并采用有效的方法改良菌種，以獲得繁殖速度快和適應性強的菌種，使T.f菌能在各個領域廣泛的應用，從而更好地利用它造福人類。

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

2017-01-20

四川省重點研發項目(2017GZ0387，2017GZ0293)

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

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