典型嗜酸硫氧化菌作用下元素硫的形態(tài)及其轉(zhuǎn)化的研究.pdf

1、本論文選用代表性的嗜酸硫氧化菌包括嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)和喜溫嗜酸硫桿菌(Acidithiobacillus caldus)氧化利用代表性還原型硫化物單質(zhì)硫和硫代硫酸鈉，及Acidithiobacillusferrooxidans、嗜酸氧化硫硫桿菌(Acidithiobacillus thiooxidans)、Acidithiobacilluscaldus、嗜熱硫氧化硫化桿菌(

2、Sulfobacillus thermosulfidooxidans)和萬座嗜酸菌(Acidianus mangaensis)作用典型金屬硫化礦黃鐵礦和黃銅礦。旨在通過研究嗜酸硫氧化菌作用下單質(zhì)硫的形態(tài)轉(zhuǎn)化；嗜酸硫氧化細(xì)菌硫氧化相關(guān)胞外蛋白的分離、鑒定、功能分析及其功能基因探尋；細(xì)胞胞內(nèi)外累積硫球硫的形態(tài)；細(xì)菌在不同含硫能源底物中表面特性；金屬硫化礦浸出過程中礦物表面硫的形態(tài)及轉(zhuǎn)化；為闡明硫的生物氧化過程和金屬硫化礦的生物浸出機(jī)理提供基

3、礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體內(nèi)容主要包括以下六部分： (1)硫的K邊X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)光譜 本文通過硫的K邊XANES方法獲取了一系列含硫有機(jī)和無機(jī)化合物的吸收光譜，首次在國內(nèi)建立了含硫模式化合物的譜圖庫。結(jié)果表明硫的K邊XANES光譜是一種相當(dāng)靈敏的指紋光譜方法，不同含硫化合物中硫的化學(xué)形態(tài)與其吸收光譜之間存在相當(dāng)精確的對應(yīng)關(guān)系。利用模式化合物的吸收光譜采用最小二乘線性組合法對混合樣品中硫的吸收光譜進(jìn)行定量擬合分析。結(jié)果

4、表明，如果選取合適的模式化合物，完全可以對復(fù)雜樣品中硫的賦存形態(tài)展開原位分析，得到樣品中硫的精確結(jié)構(gòu)，并且可以對樣品進(jìn)行定量分析。 (2)Acidithiobacillus ferrooxidans作用下單質(zhì)硫的化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)變研究 綜合利用了SEM、TEM、FT-IR、EDS和硫的K邊XANES對A.ferrooxidans作用下單質(zhì)硫的形態(tài)轉(zhuǎn)化展開研究。結(jié)果表明，當(dāng)細(xì)菌在單質(zhì)硫中生長時，細(xì)菌首先吸附到單質(zhì)硫顆粒表面，并且

5、細(xì)菌分泌的一些兩性分子對硫顆粒表面起到修飾作用。這是第一次在國內(nèi)外利用實驗結(jié)果證明單質(zhì)硫在嗜酸硫氧化菌活化作用下部分環(huán)狀硫變成鏈狀硫。進(jìn)一步對單質(zhì)硫中生長的細(xì)胞硫的K邊XANES光譜解析表明，富含巰基的蛋白明顯參與了單質(zhì)硫的活化氧化過程。 (3)嗜酸氧化亞鐵硫桿菌硫活化相關(guān)胞外蛋白質(zhì)的分離鑒定和功能驗證 利用2-D電泳比較了亞鐵和單質(zhì)硫能源基質(zhì)中A.ferrooxidans差異蛋白質(zhì)電泳譜，借助MALDI-TOF/MS分

6、析了18個在單質(zhì)硫中表達(dá)上調(diào)的胞外蛋白。通過與A.ferrooxidans ATCC23270基因庫中蛋白和基因信息比對發(fā)現(xiàn)其中12個是屬于未知蛋白質(zhì)，以及6個分子量較小的多肽序列中含有相對豐富的半胱氨酸殘基(Cys)。對10個可能與硫氧化相關(guān)的基因進(jìn)行RT-PCR驗證發(fā)現(xiàn)它們在單質(zhì)硫中表達(dá)均明顯上調(diào)，首次證明了A.ferrooxidans中這些基因與單質(zhì)硫的活化氧化的關(guān)聯(lián)性。對其中一個吸附相關(guān)的菌毛蛋白(AFE2621：pilin，p

7、utative)基因AFE2621進(jìn)行原核表達(dá)。利用硫的K邊XANES光譜對胞外蛋白樣品及純化表達(dá)的菌毛蛋白樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明樣品中富含巰基的氨基酸主要是半胱氨酸，從蛋白質(zhì)、基因和硫的化學(xué)形態(tài)層面證明了富含巰基蛋白在單質(zhì)硫的活化氧化過程中扮演重要角色。 (4)Acidithiobacillus ferrooxidans和Acidithiobacillus caldus胞內(nèi)外硫球硫的形態(tài)分析 綜合利用SEM、AEM、E

8、DS和硫的K邊XANES光譜比較分析了單質(zhì)硫和硫代硫酸鈉中A.ferrooxidans和A.caldus細(xì)胞累積胞內(nèi)外硫球的差異及累積硫球中硫的形態(tài)差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)A.ferrooxidans在單質(zhì)硫和硫代硫酸鈉中生長時能在細(xì)胞胞內(nèi)分別累積鏈狀和環(huán)狀硫，然而A.caldus在兩種能源底物中生長時均不能累積胞內(nèi)硫球。相比之下，A.ferrooxidans在硫代硫酸鈉中生長時累積胞外硫球主要是鏈狀硫，而A.caldus在硫代硫酸中生長時累積胞

9、外硫球主要是環(huán)狀硫。 (5)極度嗜熱菌Acidianus manzaensis在不同的能源底物中生長時細(xì)胞胞外特性研究 比較研究了極度嗜熱古菌Acidianus manzaensisYN-25在硫酸亞鐵，單質(zhì)硫，黃鐵礦和黃銅礦中生長時細(xì)胞表面電位、親疏水性以及表面官能團(tuán)等細(xì)胞胞外特性。結(jié)果表明硫酸亞鐵中生長時，細(xì)胞的親疏水性和表面電位與固體底物中(單質(zhì)硫，黃鐵礦和黃銅礦)生長的細(xì)菌存在很大差別。FT-IR光譜結(jié)果表明固體

10、底物中生長的細(xì)胞比亞鐵中生長的細(xì)胞含有更多的蛋白質(zhì)成份。 (6)典型嗜酸硫氧化菌浸出黃鐵礦和黃銅礦過程礦物表面硫的形態(tài)分析 針對代表性的浸礦功能菌：中溫菌A.ferrooxidans、A.thiooxidans，中度嗜熱菌S.thermosulfidooxidans，極度嗜熱菌Acidianus manzaensis，綜合利用SEM、XRD和硫的K邊XANES研究這些細(xì)菌浸出黃鐵礦和黃銅礦過程中，礦物表面形貌、礦物組成成

11、分和礦物表面硫的形態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌對金屬硫化礦浸出具有選擇性，且不同的單一細(xì)菌和不同的細(xì)菌組合在浸出過程中引起礦物表面硫的形態(tài)存在很大差異。Acidianus manzaensis浸出黃鐵礦和黃銅礦效果都相當(dāng)明顯；S.thermosulfidooxidans對黃鐵礦浸出能力較強(qiáng)；A.ferrooxidans浸出黃銅礦能力較黃鐵礦強(qiáng)，并且A.thiooxidans對A.ferrooxidans浸出黃銅礦和黃鐵礦促進(jìn)作用不明顯。通過

12、對浸出前后礦物中組成成分和硫的化學(xué)形態(tài)分析表明，Acidianus manzaensis浸出黃鐵礦時礦物表面會產(chǎn)生真綠礬的結(jié)晶體，黃銅礦表面會產(chǎn)生黃鉀鐵礬的沉積層，還可能產(chǎn)生銅藍(lán)中間產(chǎn)物。S.thermosulfidooxidans浸出黃鐵礦和黃銅礦時礦物表面均會產(chǎn)生黃鉀鐵礬的沉積層。單獨A.ferrooxidans浸出黃鐵礦時，礦物表面會產(chǎn)生單質(zhì)硫?qū)樱珹.thiooxidans加入可以有效防止硫?qū)拥漠a(chǎn)生，但是從浸出行為來看硫?qū)訉鲞^