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)

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)

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。

氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidaus)；培养；冶金；环境工程

氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidaus)简称T.f菌，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[1]，是由Temple和Colmer发现并命名的[2]。T.f菌靠氧化基质中的Fe2+为Fe3+和低价态硫为硫酸根而获取能量[3]，于广泛生存在土壤、淡水、海水、垃圾、海底污泥、硫化矿水、硫磺泉和沉积硫内,尤以产硫化物的环境经常发生。目前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。

1 氧化亚铁硫杆菌的生物学特征

氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidaus)通常以单个、两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，长1.0至数微米，宽0.5μm，两端钝圆，有鞭毛，能活泼运动[4]。其生长的最佳pH值为2～3.5，最佳环境温度为28～34℃。由于是好氧的化能自养型细菌，氧化亚铁硫杆菌对O2和CO2也有一定的要求，分别要求为1.0 g(O2)/g(黄铁矿)和0.019 g(CO2)/g(黄铁矿)[1]。在9K固体培养基上呈红棕色菌落，而在硫代硫酸盐培养基上呈中央黄色,外周白色的菌落。这说明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、矿物材料的微生物加工、脱除H2S和SO2等气体及酸性废水的处理等领域具有潜在的应用价值。

2 氧化亚铁硫杆菌的分离纯化

与大多数细菌一样，氧化亚铁硫杆菌的分离纯化使用的是一种常用的手段——固体培养分离。但T.f菌要求培养温度高，通氧性好并且生长缓慢，培养基容易干燥。所以T.f菌的固体培养相当困难，形成菌落要1～3周的时间。同时常用的琼脂等有机凝固剂在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一[5]，因此寻找理想的凝固剂成为氧化亚铁硫杆菌分离纯化工作中急待解决的问题之一。张在海、邱冠周等人[6]调整培养基成分，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，菌落总数可以比9K固体培养基提高数百倍，甚至更高。王世梅[7]等采用双层平板法，即用2%的水琼脂作底层平板，上面涂布异养菌(酵母R30)菌液，再倒人分离硫杆菌的固体培养基作上层平板，涂布一定稀释度的含硫杆菌的菌悬液，30℃下倒置培养。结果显示T.f菌菌落在双层平板上检出率提高2.1倍。Ahmad M[8]曾用一种名为“Gelrite”的细菌多糖来代替琼脂培养氧化亚铁硫杆菌，发现细菌克隆率高达92%；还有研究者将表面活性剂加入到培养基中来改变氧化亚铁硫杆菌的培养特征，也取得了一定的分离效果。

3 氧化亚铁硫杆菌的复壮

所谓菌种复壮，即生活力已下降，要使其恢复。菌种退化是不可避免的，如果生产菌种已经退化，那么我们要及时对已退化的菌种进行复壮，使优良性状得以恢复。一支优良菌种，如果任其变异，常导致衰退。如果从无数个变异的菌株中，不断挑选比原来更为优良的菌落，不仅能防止菌种的退化，还能达到复壮和提高的效果。

生产上应用的菌种，在使用和保藏过程中，因外界条件和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 细胞变形，生长缓慢，或生产性能降低等。菌种的这种退化是由量变到质变的过程，当个体变异的数盘达到一定程度时，菌种才能表现出退化现象。实践证明，传代次数越多，越易退化，因此在保藏菌种时，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，以恢复正常的生产性能。

4 氧化亚铁硫杆菌的保藏

在生产和研究工作中，为了避免菌种死亡和污染杂菌，所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，添加了保护剂的菌种冷冻后，其存活率一般都有较大提高。二甲亚砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)和甘油是冷冻保藏菌株最常用的保护剂。A.P.Harrison等[9]认为甘油含量为2%～55%时对细菌都有保藏效果，具体浓度随细菌种类不同而不同，一般选用10%。杨宇[10]等人通过正交试验，冷冻保藏A.f菌的保护剂的最优化组合100 g/L甘油+100 g/L海藻糖+180 g/L蔗糖+50 g/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[11]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[12]，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[13]。

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[14]。Saldi等人[15]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[16]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[17]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Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+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[18]。

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，H2S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H2S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[19]。目前，微生物脱硫的原理主要包括以下两大类[20]：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H2S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SO2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Fe2+，又能氧化元素硫、H2、H2S以及其他无机成分获得能量。铁离子存在的系统中，氧化亚铁硫杆菌氧化SO2的过程分为两个方面：一方面，在化学反应器内利用Fe3+的氧化还原作用，SO2被Fe3+氧化生成单质SO3，同时Fe3+又被还原成Fe2+，在生物反应器内氧化亚铁硫杆菌又将Fe2+氧化成Fe3+从而循环利用[21]；另一方面，氧化亚铁硫杆菌也可以直接将SO2氧化成为SO3，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[22]。

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。

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(本文文献格式：吴李川，陈 茂，邓佳禹，等.氧化亚铁硫杆菌及其应用研究进展[J].山东化工,2017,46(5):53-54,58.)

2017-01-20

四川省重点研发项目(2017GZ0387，2017GZ0293)

吴李川(1992—)，男，四川宜宾人，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—)，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。

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