第5期 吴李川,等:氧化亚铁硫杆菌及其应用研究进展 ・53・ 氧化亚铁硫杆菌及其应用研究进展 吴李川,陈 茂,邓佳禹,谢鸿观 (成都理工大学材料与化学化工学院,四川成都 610059) 摘要:氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidaus,T.f)是好氧嗜酸中性菌,广泛应用于很多领域,但由于T.f菌特殊的生物学特性,导致菌 种的分离保藏等方面还存在一些瓶颈。本文概述了T.f菌的分离纯化、复壮及保藏等方面的研究进展,并且阐述了T.f菌在冶金和环境 工程中的应用。 关键词:氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidaus);培养;冶金;环境工程 中图分类号:X172 文献标识码:A 文章编号:1008—021X(2017)05—0053—02 氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidaus)简称T.f菌,属 菌(酵母R30)菌液,再倒人分离硫杆菌的固体培养基作上层平 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 板,涂布一定稀释度的含硫杆菌的菌悬液,30℃下倒置培养。 科、硫杆菌属…,是由Temple和Colmer发现并命名的 。T.f 结果显示T.f菌菌落在双层平板上检出率提高2.1倍。Ahmad 菌靠氧化基质中的Fe 为Fe“和低价态硫为硫酸根而获取能 M_8 曾用一种名为“Gelrite”的细菌多糖来代替琼脂培养氧化亚 量 j,于广泛生存在土壤、淡水、海水、垃圾、海底污泥、硫化矿 铁硫杆菌,发现细菌克隆率高达92%;还有研究者将表面活性 水、硫磺泉和沉积硫内,尤以产硫化物的环境经常发生。目前 剂加入到培养基中来改变氧化亚铁硫杆菌的培养特征,也取得 T.f菌成为工业微生物浸出各种金属的主要菌种之一,而在环 了一定的分离效果。 境保护方面及一些科研领域的研究也越来越受到广泛的重视。 3氧化亚铁硫杆菌的复壮 l 氧化亚铁硫杆菌的生物学特征 所谓菌种复壮,即生活力已下降,要使其恢复。菌种退化 氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidaus)通常以单个、两 是不可避免的,如果生产菌种已经退化,那么我们要及时对已 个或者几个呈链状分布,在显微镜下观察,单个细菌呈短杆状, 退化的菌种进行复壮,使优良性状得以恢复。一支优良菌种, 长1.0至数微米,宽0.5lxm,两端钝圆,有鞭毛,能活泼运动 J。 如果任其变异,常导致衰退。如果从无数个变异的菌株中,不 其生长的最佳pH值为2~3.5,最佳环境温度为28~34 ̄C。由 断挑选比原来更为优良的菌落,不仅能防止菌种的退化,还能 于是好氧的化能自养型细菌,氧化亚铁硫杆菌对0:和CO:也 达到复壮和提高的效果。 有一定的要求,分别要求为1.0 g(O2)/g(黄铁矿)和0.019 g 生产上应用的菌种,在使用和保藏过程中,因外界条件和 (CO:)/g(黄铁矿)”j。在9K固体培养基上呈红棕色菌落,而 菌种内在因素的矛盾引起菌体的变异,可能发展到菌种的退 在硫代硫酸盐培养基上呈黄色,外周白色的菌落。这说明 化,发生某些形态和生理性能方面变化。如在斜面上发现黑曲 氧化亚铁硫杆菌细胞的形状及菌落颜色、大小与营养条件有 霉抱子越传代越少和菌种残缺不齐等现象;酵母则发生细胞变 关,即在不同的营养条件下具有不同的形态特征。由于该菌的 形,生长缓慢,或生产性能降低等。菌种的这种退化是由量变 特殊生理特性,使其在浸矿、有用金属的回收、矿物材料的微生 到质变的过程,当个体变异的数盘达到一定程度时,菌种才能 物加工、脱除H:s和SO:等气体及酸性废水的处理等领域具有 表现出退化现象。实践证明,传代次数越多,越易退化,因此在 潜在的应用价值。 保藏菌种时,尽量采取一些能够较长时间保藏的方法,避免经 2氧化亚铁硫杆菌的分离纯化 常转接,在退化现象出现以后,要加以复壮,以恢复正常的生产 与大多数细菌~样,氧化亚铁硫杆菌的分离纯化使用的是 性能。 一种常用的手段——固体培养分离。但T.f菌要求培养温度 4氧化亚铁硫杆菌的保藏 高,通氧性好并且生长缓慢,培养基容易干燥。所以T.f菌的固 在生产和研究工作中,为了避免菌种死亡和污染杂菌,所 体培养相当困难,形成菌落要1~3周的时间。同时常用的琼 以必须妥善地保藏好菌种。菌种保藏的基本原理是抑制菌种 脂等有机凝固剂在T.f菌适宜生长的酸性环境下会水解产生对 的代谢活动,使菌种处于休眠状态、停止繁殖,以减少菌种的变 其生长有强烈抑制作用的有机物,使得形成的菌落是万分之 异。在T.f菌的保藏过程中,不管采用什么方法,都会造成细菌 一 ,因此寻找理想的凝固剂成为氧化亚铁硫杆菌分离纯化工 数目减少,同时伴随细菌亚铁氧化活性降低,因此,添加了保护 作中急待解决的问题之一。张在海、邱冠周等人 调整培养基 剂的菌种冷冻后,其存活率一般都有较大提高。二甲亚砜 成分,当硫酸亚铁为22.2 g/L,磷酸氢二钾为0.5 g/L,pH值为 (dimethyl sulfoxide,DMSO)和甘油是冷冻保藏菌株最常用的保 3.0再加入一定浓度的硫氰酸钾,并采用间歇培养方法时,氧化 护剂。A.P.Harrison等 认为甘油含量为2%~55%时对细菌 亚铁硫杆菌有最好的菌落分离效果。控制好这些条件,菌落总 都有保藏效果,具体浓度随细菌种类不同而不同,一般选用 数可以比9K固体培养基提高数百倍,甚至更高。王世梅" 等 10%。杨宇” 等人通过正交试验,冷冻保藏A.f菌的保护剂的 采用双层平板法,即用2%的水琼脂作底层平板,上面涂布异养 最优化组合100 g/L甘油+100 g/L海藻糖+180 g/L蔗糖+5O 收稿日期:2017—01—20 基金项目:四川省重点研发项目(2017GZ0387,2017GZ0293) 作者简介:吴李川(1992一),男,I ̄t,lll宜宾人,硕士研究生,主要从事应用微生物学研究; 通讯作者:谢鸿观(1978一),男,安徽 巢湖人,副教授,博士,主要从事资源环境微生物应用研究。 ・54・ 山东化工 SHAND0NG CHEMICAL INDUSTRY 2017年第46卷 L二甲亚砜,该组合能使A.f菌冷冻的存活率达到89%。张 燕飞 等人通过对甘油、海藻糖、蔗糖和牛血清蛋白组成的冷 冻干燥保护剂的研究,对存活率影响的主次顺序依次为:甘油 >海藻糖>牛血清蛋白>蔗糖,其保护剂的最优化组合为甘油 5%、海藻糖15%、蔗糖18%、牛血清蛋白10%,该组合的保护 化石能源结构中,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黄铁矿和有机硫的形态存在。 对于细粒黄铁矿和有机硫,现有的物理选煤方法无法进行有效 脱除,用化学方法虽能除去90%以上的硫,但反应条件、处理成 本很高。用T.f菌可有效地去除黄铁矿中的硫,并且反应条件 温和、成本低。 T.f菌具有氧化能力,能氧化Fe ,又能氧化元素硫、H,、 剂可使冷冻干燥A.f菌的存活率达到94%。 5 氧化亚铁硫杆菌在硫化矿中的应用 许多微生物可以通过多种途径对矿物作用,将矿物中的有 H:s以及其他无机成分获得能量。铁离子存在的系统中,氧化 价元素转化为溶液中的离子。在欧洲,有记载的最早的生物冶 金是1670年在西班牙的Rio Tinto矿,人们从矿坑水中回收细 菌浸出的铜 ,而我国是世界上最早采用生物冶金技术的国 家,早在公元前2世纪,就有记载了用铁从硫酸铜溶液中置换 铜的化学作用,堆浸在当时就是生产铜的普遍做法 。 在金属硫化物矿山环境中,氧化亚铁硫杆菌对硫化物的氧 化分解具有重要作用。目前知道有多种黄铁矿氧化菌,它们可 在有氧的情况下,通过氧化元素硫、黄铁矿、铁离子等来获得能 量,并通过固定碳或其它有机营养物而生长,其中氧化亚铁硫 杆菌仍被认为是酸性环境中浸矿的主导菌种 。Saldi等 人 通过对黄铁矿进行接菌与未接菌对比研究发现,接菌的黄 铁矿样品的氧化速率是未接菌的9~39倍。Sasaki等人 的 研究结果同样表明氧化亚铁硫杆菌能显著地加速黄铁矿的氧 化速率。刘云国-" 等研究单一菌种以及混合菌种对尾矿样本 进行淋滤处理,结果表明,在采用适当菌种的前提下,尾矿中重 金属的溶解率都得到了不同程度的提高。 6在电子废弃物中的应用 随着电子科技的高速发展,各类电子产品(电脑、电视、手 机等)的普及率日益提高,并且它们每年以惊人的速度更新换 代。然而电子废弃物会带来极大的危害。若能对其合理的利 用可以节约大量的能源和资源,具有显著的经济和环境效益。 氧化亚铁硫杆菌浸提电子废弃物中金属有两种作用方式, 分别为间接作用和直接作用。在间接作用中,氧化亚铁硫杆菌 不断地把溶液中的Fe“氧化成Fe ,Fe”再进一步发生反应使 金属溶出,氧化亚铁硫杆菌不直接与目标金属作用。直接作用 是指氧化亚铁硫杆菌首先通过静电作用吸附到粉碎的废弃电 子物表面,然后再进一步与其中的金属作用使其溶出” 。 7 氧化亚铁硫杆菌在环境工程中的应用 7.1 在工业废气中脱硫应用 在工业废气中,H,S是一种有毒、有害气体。目前,T.f菌 在化工、石油、钢铁工业中去除H:S的研究正在被人们所关注。 传统的烟气脱硫方法存在吸收剂无法循环利用、处理成本高等 问题。近年来,随着环境保护学科的发展和相关学科的相互交 叉,在烟气脱硫技术中生物脱硫是一种比较新的烟气脱硫 (FGD)技术思路。 氧化亚铁硫杆菌脱硫的原理是首先将烟气中的含硫化合 物转移到液相中,再利用氧化亚铁硫杆菌自身氧化还原的代谢 过程,实现液相中含硫化合物价态的转化,以单质硫或硫酸盐 的形式将硫进行回收再利用 。目前,微生物脱硫的原理主要 包括以下两大类 :一是利用微生物的氧化作用和过渡金属离 子催化氧化,将烟气中的H S转化为单质S;二是利用硫酸盐还 原菌和硫氧化菌之间的协同作用,将烟气SO 转化为单质硫。 7.2在煤炭中脱硫应用 世界的主要能源在相当长时间内仍以化石燃料为主。在 亚铁硫杆菌氧化S0:的过程分为两个方面:一方面,在化学反 应器内利用Fe“的氧化还原作用,s0 被Fe 氧化生成单质 SO,,同时Fe“又被还原成Fe“,在生物反应器内氧化亚铁硫杆 菌又将Fe 氧化成Fe 从而循环利用 ;另一方面,氧化亚铁 硫杆菌也可以直接将sO 氧化成为s0 ,因此整个脱硫过程是 氧化亚铁硫杆菌直接氧化和间接氧化作用共同作用的结果 ]。 8 结语 氧化亚铁硫杆菌在工业和环境工程中的应用具有十分诱 人的前景,但目前对氧化亚铁硫杆菌的应用研究大多处于实验 室阶段或者是半工业水平。其中有两个原因:一是在驯化原始 菌时用酸量较多,容易造成钢铁和混凝管道腐蚀导致管道堵 塞,二是T.f菌的生长周期长,并且没有实现规模化的培养。另 外,随着原生质融合技术和现在基因技术的快速发展,T.f菌在 煤炭生物脱硫和污泥的重金属脱硫等领域也将得到广泛的应 用,这些技术都需要进一步研究和发展。因此,接下来我们研 究的方向是在不同的应用领域培养驯化适应不同环境的特效 菌种,并采用有效的方法改良菌种,以获得繁殖速度快和适应 性强的菌种,使T.f菌能在各个领域广泛的应用,从而更好地利 用它造福人类。 参考文献 [1]邓恩建,杨朝晖,曾光明,等.氧化亚铁硫杆菌的研究概况 [J].黄金科学技术,2005,13(5):8—12. 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