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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)硫顆粒表面起到修飾作用。這是第一次在國內(nèi)外利用實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(gè)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(duì)發(fā)現(xiàn)其中12個(gè)是屬于未知蛋白質(zhì)，以及6個(gè)分子量較小的多肽序列中含有相對(duì)豐富的半胱氨酸殘基(Cys)。對(duì)10個(gè)可能與硫氧化相關(guān)的基因進(jìn)行RT-PCR驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)它們?cè)趩钨|(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(duì)其中一個(gè)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)累積胞外硫球主要是鏈狀硫，而A.caldus在硫代硫酸中生長時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)A.ferrooxidans浸出黃銅礦和黃鐵礦促進(jìn)作用不明顯。通過

12、對(duì)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(shí)礦物表面會(huì)產(chǎn)生真綠礬的結(jié)晶體，黃銅礦表面會(huì)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(shí)礦物表面均會(huì)產(chǎn)生黃鉀鐵礬的沉積層。單獨(dú)A.ferrooxidans浸出黃鐵礦時(shí)，礦物表面會(huì)產(chǎn)生單質(zhì)硫?qū)?，A.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?duì)浸出過