生物提取之菌种选育

1生物冶金菌种选育的重要性

生物冶金是利用以矿物为能源的微生物的作用，氧化分解矿物使金属离子进人溶液(生物浸出)，经进一步分离、提取金属的技术，具有流程短、成本低、环境友好和低污染等特点，特别适合处理低品位矿产资源。但由于缺少优良菌种和菌群，生物浸出速度慢、浸出率低。因此，筛选优良菌种和合理的种群组合对于提高生物冶金的浸矿效率极其重要。

2  物冶金微生物的多样性

随着微生物对硫化矿的不断氧化，其周围环境条件，如pH值、温度和溶液中可溶性金属离子的浓度等也不断发生变化，这些特殊的环境条件必然限制了生命形式的多样性，因此，在生物浸出槽、浸堆或生物反应器中存在的生命形式一般比较简单，往往属于单细胞生物，而且其优势菌群主要是细菌和古生菌，它们大多数生活在pH值为1～4的酸性环境中。目前，与生物冶金有关的微生物是那些能够与氧化亚铁离子或(和)还原性无机硫的氧化密切相关的种类，主要包括嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、硫化叶菌属(Sulfolobus)、硫化杆菌属(Sulfobacillus)、酸菌属(Acidia-nus)、嗜酸菌属(Acidiphiliun)、生金球菌属(metallosphaera)和铁质菌属(Ferroplasma)，共8个属。

1.适度嗜热浸矿菌

适度嗜热浸矿菌主要包括以下几种：

（1） 嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)。本属包括嗜酸性的氧化亚铁嗜酸硫杆菌、氧化硫嗜酸硫杆菌、喜温嗜酸硫杆菌和Acidithiobacillus ferrivorans四个种。其中，喜温嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus  caldus)是该属中唯一的适度嗜热浸矿菌种，最适生长温度一般在40～55℃，多数在45℃附近，少数菌株可低至35℃。该菌1994年由Hallberg和Lindstrom分离、鉴定并命名[4]。喜温嗜酸硫杆菌专性好氧，能氧化元素硫和还原态无机硫化物，具有多种生理生化类型，部分菌株在酵母提取物存在的情况下，生长速度和元索硫氧化活性会大大增加，大部分菌株能在加有葡萄糖、能源物质为S0的培养基中快速生长。该菌是40～50℃的生物浸矿反应器和微生物堆浸中的主要菌种，在金属硫化矿的适度嗜热浸出过程中起重要作用。Acidithiobacillus ferrivorans是最近被鉴定的，该种的16S rRNA与其他种相似度极高，但基因组DNA与氧化亚铁嗜酸硫杆菌仅为37%，一些与亚铁氧化的关键酶也与氧化亚铁嗜酸硫杆菌有着明显的不同。

   （2）硫化杆菌属(Sulfobacillus)。

目前该属包括有嗜热硫氧化硫化杆菌(Sulfobacillus  thermosulfidooxidans)、嗜酸硫化杆菌(Sb.acidophilus)、西伯利亚硫化杆菌(Sb.sibiricts)、耐热硫化杆菌(Sb.thermotolerans)和Sulfobacillus benefacien)。根据最适生长温度，可将该属分成两组，第一组是典型的适度嗜热菌，包括嗜热硫氧化硫化杆菌(50～55℃)、西伯利亚硫化杆菌(55～60℃)、嗜酸硫化杆菌(45～50℃)；第二组是事实上的嗜中温菌，只有耐热硫化杆菌一种，其生长温度为38～42℃，处于中温的范围[10]。此外，第一组的嗜热硫氧化硫化杆菌和嗜酸硫化杆菌在厌氧和有机碳源或连四硫酸盐存在的情况下，能还原铁氢氧化物、黄钾铁矾、针铁矿等矿物中的Fe3+，以获取生长所需能量。

   （3）铁质菌属(Ferroplasma)。该属为古菌，该属的学名来源于其成员缺乏细胞壁的典型形态特征及能氧化亚铁的生理生化特性。目前共有三个种，分别是Ferroplasmaacidiphilum、F.acidarmanus和F.cupricumulans。Ferroplasma cuqricumulans是新近从缅甸Ivanhoe铜业有限公司的一处低品位黄铜矿生物堆浸场的浸出液中分离出来的一个新种，其生长温度22～63℃，最适生长温度53.6℃；适宜生长pH值为1.0～1.2，在pH值为0.4时也能看到它的生长，具有很强的亚铁氧化能力，不能氧化硫，它是铁质菌属中发现的第一个适度嗜热喜酸古菌。

2. 嗜热浸矿菌和极度嗜热浸矿菌

最适生长温度在60～80℃的嗜热浸矿菌和最适生长温度超过80℃的极度嗜热浸矿菌交叉分布在酸菌属(Acidianus)、金属球菌属(metallosphaera)和硫叶菌属(Sulfolobus)。这三个属都属于古菌，其成员都是革兰氏阴性、不规则的类球形古菌，多分布于70℃以上，富含硫、铁的高温酸性热泉或沸泉中。

   （1）酸菌属(Acidianus)。典型的嗜热喜酸古菌，该属的各种古菌生长温度范围为50～95℃，最适生长温度60～90℃；生长pH值为1.0～6.0，最适生长pH值为1.2～2.5。目前正式发表的共有6个种，按种名字母顺序排列，它们分别A.ambivalens、A.brierleyi、A.infernus、A.manzaensis、A.sulfidivorans和A.tengchongensis。其中A.ambivalens、A.infernus和A.tengchongensis是元素硫和还原态硫化物氧化菌，其他3个种则既能氧化硫也能氧化亚铁。除A.infernus的最适生长温度为90℃，属于极度嗜热菌外，其他5个种的最适生长温度都在65～80℃，属于嗜热菌。

(2)硫化叶菌属(Sulfolobus)。该属包括Sulfolobus metallicus、S.yangmingensis、S.tokodaii、S.solfataricus、S.shibatae和S.acidocaldarius共6个种。硫化叶菌属也属于古菌。生长pH值为1.0～5.0,

适宜pH值为1.5～3.0。该属古菌多为60～80℃的嗜热菌，少数为80℃以上的极度嗜热菌，如S.solfataricus的极度嗜热菌株JP3 。   

(3)金属球菌属(metallosphaera)。金属球菌属是Huber等人于1989年依据模式种metallospha-erasedula建立的，该属亦为古菌，到目前为止共有三种，即metallosphaerasedula、M.prunae和M.hakonensis。该菌属好氧，但在无机能源和酵母提取物共存的混合营养状况下生长最好。在硫化物矿石如黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿和元素硫上自养生长，实验证明0.01%～0.02%(w/v)的酵母提取物可促进其浸矿作用。M.prunae和M.sedula已成功地用于硫化矿的生物氧化和生物浸出，M.sedula已被证明是浸矿效率较高的菌种之一。

3 冶金微生物的分离

从表5-1可以看出，平板分离细菌的方法有不少，但实践证明，真正在实验室培养成功的方法莫过于双层平板技术的发展。其基本原理就是利用一种称作嗜酸异养菌的Acidiphilium SJH吸收凝固剂水解释放出的糖类物质和细菌生长产生的代谢废物，从而排除了影响专性化能无机自养细菌生长的外界因素，使其生长得较好。当然，即使一种公认的较理想的培养方法也不是万能的。因为，大家都知道，目前地球上真正能分离培养的微生物还不到l%。幸运的是，随着分子生物学的发展，特别是基因组学、宏基因组测序技术的快速发展，可望在分离难以培养的微生物方面取得重大的进展。最近，通过对随机测序数据(来自酸性矿坑水环境)分析结果而采用的一种选择性分离策略所分离的钩端螺旋菌属的新种—Leptospirillum Ferrodiazotrophum就是明显的例子。