嗜酸氧化亚铁硫杆菌基因组学研究进展

嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidan,A.ferrooxidans)广泛存在于酸性矿物废水中,与生物冶金和环境净化紧密相关。不同来源嗜酸氧化亚铁硫杆菌全基因组的测序,为我们利用比较基因组学和功能基因组学的方法去洞察嗜酸氧化亚铁硫杆菌功能基因,提供了坚实的研究基础和丰富的科研信息。简述了嗜酸氧化亚铁硫杆菌基因组学的基本特征;从比较基因组学和功能基因组学发现了嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌株基因组水平的差异;通过生物信息学概述了该菌的铁和硫代谢机制,并从细菌的功能基因组学对其在生物冶金与环境治理等应用进行了展望。     

硫酸铁对嗜酸氧化亚铁硫杆菌铁代谢基因表达的影响

目的:探讨硫酸铁对嗜酸氧化亚铁硫杆菌生长及铁代谢基因表达的影响.方法:用血细胞计数板和重铬酸钾滴定法研究了不同浓度硫酸铁对嗜酸氧化亚铁硫杆菌生长的影响,采用实时荧光定量PCR技术研究了硫酸铁对嗜酸氧化亚铁硫杆菌铁代谢基因表达的影响.结果:硫酸铁对嗜酸氧化亚铁硫杆菌的生长有抑制作用,随着培养基中硫酸铁浓度的增加,抑制作用也越来越明显.实时定量PCR结果表明,用0.15 M硫酸铁刺激细菌后,实验中所涉及的铁代谢相关基因表现出相似的表达趋势.刺激10 min后,基因均发生明显的的表达上调,且表现为最大值.刺激时间延长,上调幅度逐渐减小.不同的操纵子基因表现出不同的上调幅度.结论:硫酸铁对嗜酸氧化亚铁硫杆菌的生长有明显的抑制作用,铁代谢相关基因对硫酸铁的刺激有积极的反应.     

紫外线和60Co辐照诱变选育高效嗜酸氧化亚铁硫杆菌

依次利用紫外线和60Co-γ射线辐照诱变的方法对嗜酸氧化亚铁硫杆菌进行诱变,选育高效嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌株.结果表明,紫外诱变可以有效提高嗜酸氧化亚铁硫杆菌的Fe2+氧化速率,最佳紫外线诱变时间为240 s.诱变后菌株的Fe2+氧化速率从0.273 g/L/h提高到了0.312 g/L/h.继续利用60Co-γ射线进行...     

铜蓝精矿的生物浸出

采用两种嗜酸硫杆菌(嗜酸氧化亚铁硫杆菌和喜温硫杆菌)对铜蓝进行生物浸出,实验在有或没有4 g/L硫酸亚铁pH 2．0、150转/分、35℃的三角瓶中进行。实验结果表明:用两种菌混合浸出的铜几乎等于嗜酸氧化亚铁硫杆菌单独浸出的铜;另外,亚铁的加入能提高铜的浸出。     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌APS还原酶的表达、纯化及其性质鉴定

嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)中APS还原酶是硫同化途径的一个关键酶,其对硫酸盐的还原及硫化物的氧化具有重要调节作用.本文以A.ferrooxidans ATCC23270基因组为模板.通过PCR扩增得到编码APS还原酶的cysH基因,与原核表达载体pLM l构建重组体,转化入大肠杆茵(Escherichia coli,E.coli)DH5a中,测序正确后,加IPTG诱导表达,用一步亲和层析法纯化出浓度和纯度都较高的APS还原酶.由蛋白颜色和紫外分析,确定其含有一个[Fe4S4]簇作为活性中心.表达产物进行SDS-PAGE分析,证实分子量为28 kD.酶活测定表明其具有将APS还原为亚硫酸盐跟AMP的功能.     

正交法优化嗜酸氧化亚铁硫杆菌冷冻干燥保护剂

利用正交实验方法,以甘油、海藻糖、蔗糖和牛血清蛋白为因素,对嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acididfiobacillus ferrooxidans,A．ferrooxidans）冷冻干燥保护剂的最优化配比进行了研究。直观分析、因素指标分析和方差分析的结果表明：由甘油、海藻糖、蔗糖和牛血清蛋白组成的冷冻干燥保护剂中,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。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％。经过验证,该组合的保护剂可使冷冻干燥嗜酸氧化亚铁硫杆菌的存活率达到94％。     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌ISC铁硫簇系统的合成

【目的】铁硫簇是最古老的一种氧化还原中心,它普遍存在于所有生命体内,在光合作用、呼吸作用和固氮作用这三个地球生命最基本的代谢途径中扮演着重要的角色。【方法】以嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans ATCC 23270)基因组为模板,克隆表达其ISC铁硫簇组装的3个核心蛋白,IscS(半胱氨酸脱硫酶蛋白)、IscU(支架蛋白)和IscA(铁供体蛋白)。【结果】研究发现IscS能催化半胱氨酸脱硫,为铁硫簇的组装提供硫,支架蛋白IscU不具备结合铁的能力,IscA具有较强的铁结合能力。【结论】铁硫簇体外组装证明Fe-IscA在体外能将结合的铁传递给IscS,并在IscU上进行铁硫簇的组装。     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌基因组分泌蛋白的初步分析

利用信号肽预测软件SignalP v3.0、跨膜螺旋结构预测软件TMHMM v2.0和非经典分泌蛋白预测软件SecretomeP对嗜酸氧化亚铁硫杆菌全基因组的3 218个氨基酸序列进行预测分析.结果表明在嗜酸氧化亚铁硫杆菌中有507个蛋白为分泌蛋白,其中分泌型信号肽120个(其中有9个为RR-motif亚组型信号肽),脂蛋白信号肽3个,Prepilin-like信号肽4个,非经典分泌蛋白380个.并对分泌型信号肽的长度分布、氨基酸使用频率和酶切位点的氨基酸使用频率作了统计.得分最高的100个非经典分泌蛋白中,有36个具有功能分类,主要是参与细胞壁、能量代谢及转运和结合的蛋白质.嗜酸氧化亚铁硫杆菌的这507个分泌蛋白所参与的生化过程可能发生在膜外的周质空间或是菌体外的场所,为该物种与矿物相互作用,以及对环境做出响应服务.     

污泥中重金属的生物淋滤

生物淋滤法(Bioleaching)是指利用自然界中一些微生物(硫细菌)的直接作用或其代谢产物的间接作用,产生氧化、还原、络合、吸附或溶解反应,将固相中某些不溶性成分(如重金属、硫及其他金属)分离浸提出来的技术.在生物淋滤中,嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,A.f)和嗜酸性氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans,A.f)被用作有效的淋滤载体[1].这种嗜酸性的化能自养型细菌以大气中的CO2为碳源,以无机物铁或硫为能源来维持生长,不需要提供外来的碳源和电子供体.另外,由于pH值很低,抑制了其他细菌的生长,所以在实际的操作过程中不需要严格的无菌条件.氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌去除重金属适宜于污水处理厂的开放系统,采用土著嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.f)和氧化硫硫杆菌(A.f)进行重金属去除.也就是说,处理什么地方的污泥,就在什么地方分离A.f和A.t,这样分离的微生物在生物淋滤过程中能发挥较好的作用.这也是微生物在自然界生长繁殖的特点之一. 本期介绍了王聪、宋存江等[2]从剩余活性污泥中分离得到两株土著硫杆菌,对两株菌进行了分类鉴定,确定二者分别为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌杆(Acidithiobacillus ferrooxidans,A.f)和嗜酸性氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans,A.t),将二者的单菌和混合菌分别接种于剩余活性污泥中,进行了为期9 d的生物淋滤,对淋滤过程中的pH变化、氧化还原电位(ORP)以及重金属含量进行了检测.结果表明,生物淋滤9 d的混合菌对于As、Cr、Cu、Ni和Zn的去除效果最好,去除率分别达到了96.09%、93.47%、98.32%、97.88%和98.60%.混合菌生物淋滤对于Cd和Pb的去除率在第6天之后迅速下降,但是A.t单菌淋滤保持较高的去除率,此结果为进一步的应用打下了良好的基础.     

一株中度嗜热嗜酸铁氧化细菌特性研究*

从我国煤矿废石堆分离到一株中度嗜热嗜酸铁氧化细菌MLY菌株,最适生长温度50℃－54℃,最适pH1.2-1.4。MLY菌株是兼性化能自养菌,能利用酵母粉异养生长。在自养和混合营养条件下,能氧化Fe^2 、黄铁矿(FeS2)和元素硫(S^0)。自养营养时,氧化元素硫较弱。对比研究MLY菌株和氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)A10菌株对Fe^2 和黄铁矿的氧化作用,结果表明,MLY比A10的氧化速度快1倍多。     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌的高效培养及浸出黄铜矿初探

采用向硫化矿培养基中补加FeSO4的方式以维持Fe2+ 浓度为4～8 g/L,可使嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌浓在培养39 h时达到6.25×108 cells/mL,并在比生长速率几乎不降低的前提下提高了转化率和生产强度.然后对低氧化还原电位下低品位黄铜矿的浸出进行初步研究,结果表明经过30 d浸出,铜的浸出率可达28.5%...     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌硫氰酸酶的表达、纯化及其性质鉴定

目的:嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)硫氰酸酶是硫代谢中极其重要的酶,其作用主要包括氰化物的解毒,铁-硫蛋白的合成,以及硫胺、硫尿苷或烟碱乙酸胆碱的生物合成,硫氰酸酶的研究对揭示生物冶金机理具有重要的推动作用.方法:以A.ferrooxidans ATCC23270基因组为模板设计引物,通过PCR扩增得到编码硫氰酸酶的基因,目的基因片段与原核表达载体PLM1构建重组体,然后转入大肠杆菌(Eschcrichia coli,E.coli)DH5a感受态中,基因测序正确后,重组质粒再转入E.coli BL21感受态中,加IPTG诱导蛋白表达,用一步亲和层析法纯化出浓度和纯度都较高的硫氰酸酶.结果:SDS-PAGE分析证实蛋白分子量为21kD,紫外可见光分析,确定硫氰酸酶中含有铁硫簇,酶活测定发现重组硫氰酸酶在体外不具有酶活性,可能与酶反应条件及信号肽的切断有关.结论:体外成功克隆.表达,纯化出重组体硫氰酸酶,其基本性质也得到阐述.     

氧化亚铁硫杆菌培养过程中沉淀的研究

为了减少氧化亚铁硫杆菌培养过程中产生的沉淀,对氧化亚铁硫杆菌培养过程中产生的沉淀物进行了研究,确定了在pH为1．5,K2HPO4用量为0．25g/l,KH2PO4为0．195g/l时菌体可以保持其最高氧化活性,同时产生最少量沉淀物的培养条件,并发现沉淀物对菌体的生长和氧化Fe^2 没有影响。利用饥饿状态的氧化亚铁硫杆菌证明了菌体在一定条件下可以利用黄铁钒沉淀中的部分离子进行生长繁殖。     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌ATP硫酸化酶的表达、纯化及性质鉴定

ATP硫酸化酶是一种催化ATP和SO42-反应生成腺嘌呤-5’-磷酸硫酸(APS)和焦磷酸盐(PPi)的酶,它是硫酸根同化反应第一步的关键酶。以嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidansATCC 23270)基因组为模板,用PCR扩增得到ATPS基因,并克隆到表达载体pLM1上。加入IPTG的诱导表达,用AKTA蛋白纯化仪的镍柱亲和层析纯化得到浓度和纯度都较高的ATPS蛋白。SDS-PAGE分析,证实其分子量大小为33 kD,并成功的测出了其活性,比活达3.0×103U/mg。     

生物淋洗修复钒污染土壤的性能与机理研究

【目的】土壤重金属污染问题日益受到关注,其中钒污染逐渐成为研究热点。淋洗是土壤修复的重要手段,但存在污染大、成本高的缺点。生物淋洗技术因其经济高效且环保的特点能够应用于土壤的修复,但其对钒污染土壤的修复,认识仍非常有限。【方法】本研究采用嗜酸性氧化亚铁硫杆菌对钒污染土壤进行了生物淋洗试验,通过影响因素试验探究了钒的最佳浸出条件,并应用扫描电子显微镜-能量色散X射线谱分析了钒在淋洗过程中的变化,最后对代谢产物进行了解析。【结果】微生物次生代谢产物能促进土壤中钒的溶出。氧化亚铁硫杆菌对土壤钒的浸出效率较高,生物淋洗20 d后土壤中钒的浸出率达到27.4%,进一步的影响因素试验表明,在固体浓度为3%、接种体积为10%、初始pH值为1.8、初始Fe²⁺的浓度为3.0 g/L的条件下,土壤中钒的浸出效果最佳。SEM-EDS分析证实生物淋洗后土壤中钒含量减少,其中以非残渣态形式存在的钒更容易被浸出。代谢组学分析显示氧化亚铁硫杆菌在浸出过程中产生了大量代谢产物来应对重金属胁迫。【结论】生物淋洗技术能够有效地实现土壤钒污染的修复,本研究为钒污染土壤提供了一种环境友好的修复方式。     

氧化亚铁硫杆菌氧化亚硫酸盐的动力学研究

实验用Ms培养基,利用去除铁离子的氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)进行了细菌亚硫酸盐的生长代谢研究。实验结果表明氧化亚铁硫杆菌对亚硫酸根具有一定的氧化能力。用Origin 7.0对实验数据进行拟合处理,表明了氧化亚铁硫杆菌催化氧化亚硫酸盐的动力学方程符合Hill方程。氧化亚铁硫杆菌催化氧化亚硫酸盐是一个底物抑制的细胞反应,其KS值随pH值和底物浓度的改变而变化。pH值对反应有很大的影响,pH值越接近中性KS就越小,反应速率就越大。     

氧化亚铁硫杆菌的诱变机理研究

目的：通过物理诱变提高氧化亚铁硫杆菌（T.f）的活性。方法：利用紫外线对高氧化亚铁硫杆菌进行诱变,对比紫外线辐照120s、240s和300s后培养的氧化亚铁硫杆菌的活性,得到最佳的辐照时间。结果：紫外线诱变氧化亚铁硫杆菌的最佳时间为240s,超过该值后T.f菌很难培养。结论：经过240s的紫外线辐照后,利用Leathen培养基培养的氧化亚铁硫杆菌与对照组相比,浓度为对照组的1.21倍,pH值低0.28,氧化还原电位的绝对值比值为1.13,在同样时间条件下,培养液中Fe2＋浓度的曲线变化斜率分别为0.683和0.236。     

包埋氧化亚铁硫杆菌的海藻酸钙凝胶扩散特性研究

采用非稳态法测定了FeSO4在未包埋氧化亚铁硫杆菌的凝胶中的有效扩散系数,分析包埋细菌的氧化情况.结果表明,FeSO4在凝胶中的有效扩散系数De随着海藻酸钠浓度的升高而降低,当海藻酸钠浓度为2%时最优;凝胶剂CaCl2的浓度对扩散系数的影响较小.包埋的氧化亚铁硫杆菌在10h达到增殖平衡,而FeSO4在包埋细菌的凝胶内扩散系数明显减少.包埋的氧化亚铁硫杆菌在初始铁浓度为5g/L时,完全氧化所需时间最短但氧化速率变化较快,当初始铁浓度为8g/L和10g/L时,完全氧化所需时间相同.     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化酶基因分子多态性研究

嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans, A.f）属于化能自养、革兰氏阴性细菌,好氧嗜酸,以氧化亚铁离子或还原态硫化物（S0&S2-）获得能量生长。在其Fe2+氧化系统中,亚铁氧化酶起重要作用。对不同硫化矿区分离得到的5株A.f进行生长动力学和对亚铁氧化活性的对比研究,结果显示不同菌株之间存在表型差异。提取A.f菌株的基因组DNA,设计引物,对亚铁氧化酶基因进行PCR扩增,同时对扩增产物直接进行测序,并同GenBank的参考序列进行比对分析,发现序列相似性在99%～97%之间,分析编码区域发现在第187～195位可能存在一个高变异区：在第187～189位,菌株YTW编码的氨基酸Thr→Pro;而在第193～195位,菌株TK是Met→Asn; 菌株BY则是Met→Ile。另外在位点第219位,所有菌株都是T→C,但编码的氨基酸未发生变化,属于同义密码子。对于编码区上游序列,比对后没有差异;而对于编码区下游序列,经比对发现存在一些差异位点。     

氧化亚铁硫杆菌的分离及其培养条件优化

目的:获得可应用于烟气脱硫的菌株,并对其培养条件进行优化.方法:从化工厂取土样分离氧化亚铁硫杆菌,分析分离菌株的形态学特征、培养特征及16S rDNA序列,确定菌株的分类地位.通过单因子实验,对培养基中主要成分硫酸亚铁和硫酸铵的浓度进行优化.利用SAS软件中的Box-Behnken法设计实验,通过响应面分析对初始pH、温度、接种量、装液量4个因素进行优化.结果:获得菌株N16,经鉴定为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans).确定FeSO_4·7H_2O和(NH_4)_2SO_4的最适添加量分别为60/L和1g/L.确定菌株最适培养条件为:初始pH 1.8,温度28℃,转速150r/min,接种量15%,装液量30mL.在最适培养墓及培养条件下,菌株N16的亚铁氧化率可达99.78%.结论:分离得到的菌株适合于微生物法烟气脱硫的应用.