Біогеотехнологія
Мікроорганізми, які використовують у біогеотехнології
Частина 1. Acidithiobacillus
Acidithiobacillus ferrooxidans ( A. ferrooxidans ), спочатку названий
Thiobacillus ferrooxidans ( T. ferrooxidans ), був вперше виділений
Колмером і Хінклем у 1947 році з дренажу кислотних шахт.
Acidithiobacillus ferrooxidans — це грамнегативна паличка довжиною
1–1,5 мкм і діаметром 0,5 мкм, яка зустрічається у вигляді окремих клітин, пар чи ланцюжків, але не утворює ендоспор. Це хемолітоаутрофна γ-протеобактерія, яка використовує для росту енергію окислення залізовмісних і сірковмісних мінералів. Acidithiobacillus ferrooxidans процвітає при надзвичайно низькому рН (рН 1–2) і фіксує як вуглець, так і азот з атмосфери.
Він каталізує дисиміляційне окислення заліза, сірки та водню, а також відновлення заліза та сірки, і має значний вплив на геохімічний цикл цих елементів у середовищах низького рівня.
Acidithiobacillus ferrooxidans може колонізувати безплідні мінеральні ландшафти, є рушієм екологічних сукцесій в кислих біотопах, і є важливою моделлю організму в астробіології.
Представники Acidithiobacillus thiooxidans відіграють важливу роль і
мають широке застосування в галузі очищення стічних вод і сільського господарства.
Вважається, що представники Acidithiobacillus thiooxidans та споріднені з ним роди відіграють важливу роль у рослинництві через S-окислення, P-солюбілізацію та солюбілізацію інших поживних речовин, таких як Zn, Fe тощо.
Вони використовуються для меліорації лужного ґрунту, роблячи поживні речовини доступними для культурних рослин, які досі були недоступні на лужних ґрунтах.
TAXONOMY AND CLASSIFICATION:
DOMAIN: Bacteria
PHYLUM: Proteobacteria
CLASS: Acidithiobacillia
ORDER: Acidithiobacillales
FAMILY: Acidithiobacillaceae
GENUS: Acidithiobacillus
Facultative anaerobe, non-fermentative, Gram-negative, obligate chemolithotroph, extreme acidophile, does not form endospores
На основі фізіологічних характеристик і порівняння послідовностей генів
16S рРНК рід Acidithiobacillus було класифіковано на сім різних видів
Виходячи з відмінностей в енергетичних субстратах, види Acidithiobacillus можна розділити на дві групи: види, що окислюють лише сірку, включаючи Acidithiobacillus thiooxidans , Acidithiobacillus caldus і Acidithiobacillus albertensis , і види, що окислюють сірку та залізо, включаючи Acidithiobacillus ferrooxidans , Acidithiobacillus ferrivorans , Acidithiobacillus ferriphilus і Acidithiobacillus ferridurans
Здатність вилуговувати важкі метали розширила застосування Acidithiobacillus spp. від гідрометалургії до переробки відходів, що містять важкі метали, таких як осад стічних вод, відпрацьовані побутові батареї, шахтні хвости та друковані плати. Крім того, ці бактерії були широко вивчені в мікробній десульфурації вугілля та газу. Взяті разом, Acidithiobacillus spp. показали свою велику цінність застосування не тільки у вилуговуванні металів (міді, урану, золота тощо) з мінеральних руд, але й у вирішенні проблем забруднення навколишнього середовища, спричинених важкими металами та неорганічними сполуками сірки.
A. ferrooxidans регулює адаптацію до навколишнього середовища,
а також своє виживання, колонізацію, ріст і розвиток на деяких
субстратах за допомогою хемотаксичного руху та здатності утворювати біоплівку (QS) [Nan W, Zhi D, Leng F, Yan L, Chen P, Yue X, Li H (2011) Quorum-sensing system in Acidithiobacillus ferrooxidans involved in its resistance to Cu2+. Lett Appl Microbiol 53(1):84–91]
A. ferrooxidans може переносити органічні сполуки та іони металів у певній концентрації, що є однією з головних причин його виживання в екстремальних середовищах, таких як металеві шахти, вугільні шахти та шлам очисних споруд.
A. ferrooxidans росте та метаболізується в багатих на залізо середовищах і утворює покриті білком наночастинки, а саме магнітосому, що складається з неорганічного Fe3O4 шляхом поглинання заліза [Yan L, Yue X, Zhang S, Chen P, Xu Z, Li Y, Li H (2012a) Biocompatibility evaluation of magnetosomes formed by Acidithiobacillus ferrooxidans. Mater Sci Eng C 32(7):1802–1807]
A. ferrooxidans утворють овальні колонії коричневого або
помаранчевого кольору на поверхні середовища 9K, використовуючи
Fe2+ як джерело енергії, і круглі колонії з жовтим центром і білою
периферією на поверхні середовища з тіосульфатом, використовуючи Na2S2O3 як джерело енергії.
A. ferrooxidans зазвичай зустрічаються у вигляді поодиноких або подвійних клітин, або у вигляді ланцюжка. Його клітинна морфологія пов’язана з джерелом енергії, що призводить до форми булави або палички в середовищі з Fe2+ або S0, відповідно [Yan L, Yue X, Zhang S, Chen P, Xu Z, Li Y, Li H (2012a) Biocompatibility evaluation of magnetosomes formed by Acidithiobacillus ferrooxidans. Mater Sci Eng C 32(7):1802–1807].
Поверхня A. ferrooxidans містить різноманітні хімічні групи, включаючи CH, CH2 , CH3, NH, NH2, NH3 , COOH і CONH [Yan L, Yin H, Zhang S, Duan J, Li Y, Chen P, Li H (2010a) Organoarsenic resistance and bioremoval of Acidithiobacillus ferrooxidans. Bioresour Technol 101(16):6572–6575]
A. ferrooxidans зазвичай росте в діапазоні pH 1,0–4,5 з оптимумом 2,0,
але навряд чи виживає при pH вище 6,5 або нижче 1,0 [Hedrich S, Schlömann M,
Johnson DB (2011) The iron-oxidizing proteobacteria. Microbiology 157(6):1551–1564].
Він процвітає в широкому діапазоні температур (10–47 °C) у природі,
де відносно багато іонів заліза та/або відновленої сірки, а титр хлориду натрію нижче 10 г/л.
A. ferrooxidans фіксує CO2 через цикл Кальвіна та використовує його як єдине джерело вуглецю. Найбільш прийнятна концентрація CO2 для росту бактерій становить 7–8%
A. ferrooxidans може отримувати азот для росту шляхом асиміляції аміаку та фіксації азоту. Гіпотетичний кластер генів нітрогенази ( nifH - D - K - fer1 - fer2 - E - N - X )
Гени, пов'язані з асиміляцією аміаку, також присутні в геномі
A. ferrooxidans , включаючи гени, пов'язані з поглинанням аміаку
amt1, amt2 і amtB; гени glnK - 1 , пов'язані з регуляцією метаболізму азоту; і ген glnA, пов'язаний з інтеграцією аміаку в глутамат.
Поглинання та утилізація аміаку відбувається за допомогою білків, кодованих вищезазначеними генами [Valdés J, Pedroso I, Quatrini R, Dodson RJ, Tettelin H, Blake R, Eisen JA, Holmes DS (2008) Acidithiobacillus ferrooxidans metabolism: from genome sequence to industrial applications. BMC Genom 9(1):597–620]
Також вивчення генотипічного поліморфізму представників A. ferrooxidans показало, що зміни у структурі хромосомної ДНК, плазмідних профілей і локалізації IS елементів, виникають при адаптації штамів до нових енергетичних субстратів.
Вивчення генотипічного поліморфізму показало, що зміни у структурі
хромосомної ДНК, плазмідних профілей і локалізації IS елементів, виникають при адаптації штамів до нових енергетичних субстратів.
Модель шляху електронотранспорту окиснення Fe 2+ A. ferrooxidans
Під час процесу окиснення Fe2, приблизно 95% електронів потрапляють в низхідний шлях електронів, де вони рухаються по клітинній мембрані в цитоплазму через ряд електронтранспортних носіїв, і, нарешті, транспортуються до кисню, а потім взаємодіють з протонами для вироблення води; при цьому протони викачуються з мембрани, утворюючи таким чином протонний градієнт.
АТФ-синтаза використовує цей протонний градієнт для синтезу АТФ. Модель електронного шляху швидкісного спуску можна виразити так: Fe2 + → Cyc 2 (на зовнішній мембрані)→ Rus → Cyc 1 (цитоплазма)→ Cyt aa3 → O2
Двухвалентна залізоокислювальна система
Низхідний шлях електронів під час окиснення Fe 2+
Кодувальні гени, залучені до низхідного шляху електронів
A. ferrooxidans, присутні в однокопійному опероні rus . Оперон с
кладається з восьми генів ( cyc2, cyc1, coxB, coxA, coxC, coxD, rus ).
Експресія та регуляція оперону rus пов’язані з донором електронів субстрату [Yarzábal A, Appia-Ayme C, Ratouchniak J, Bonnefoy V (2004) Regulation of the expression of the Acidithiobacillus ferrooxidans rus operon encoding two cytochromes c, a cytochrome oxidase and rusticyanin. Microbiology 150(7):2113–2123]
Cyc 2 вважається першим переносником електронів у ланцюзі
транспортування електронів на зовнішній мембрані A. ferrooxidans .
Rus належить до рустиціаніну I типу, який розташований у периплазматичному просторі та відіграє роль «обхідного» під час перенесення електронів.
Cyc l — це цитохром типу c 4 , який кодується геном cyc1. Rus і Cyc 1 можуть взаємодіяти, утворюючи комплекс рустиціанін-цитохром c 4 , що дозволяє ефективно переносити електрони від Rus до Cyc 1.
Cyt aa 3 розташований у внутрішньоклітинній мембрані A. ferrooxidans і вважається важливою кінцевою оксидазою в ланцюзі перенесення електронів. Він відповідає за перенесення електронів від Cyc 1 до O2 , таким чином каталізуючи відновлення O2 до H2O та з’єднання з протонним насосом для синтезу АТФ.
Підйомний шлях електронів під час окиснення Fe 2+
Під час окиснення Fe 2+ 5% електронів потрапляють у підйомний шлях електронів, який можна описати таким чином: Fe2+ → Cyc 2 → Rus → Cyc A1 → bc1 → QH 2 /Q → NDH-1 → NAD +.
Тут Cyc 2, Rus, Cyc A1, bc1, QH 2, Q і NDH-1 відносяться до цитохрома c, рустиціаніну, цитохрому c 4 , цитохрому bc1 , хінолу, хінону та НАДН-дегідрогенази-1 відповідно.
Сіроокислювальна система
A. ferrooxidans може отримувати енергію, необхідну для росту, окислюючи відновлену сірку, таку як S 0 , S2− , S2O32− , SO32− і S4O62−. Декілька ферментів, включаючи білок зовнішньої мембрани, що містить тіол, сірчану діоксигеназу, сульфіт-оксидоредуктазу та сульфід-хіноноксидоредуктазу, тіосульфатоксидазу, роданазу та тетратіонатгідролазу, беруть участь в окисленні відновленої неорганічної сірки
Сульфуроксигеназаредуктаза (SOR) — ще один елементарний фермент, що окислює сірку, знайдений у Acidithiobacillus spp. Цей фермент, вперше зареєстрований у кількох ацидофільних і термофільних архей, може каталізувати диспропорціонування цитоплазматичної елементарної сірки та генерувати тіосульфат, сульфіт і сульфід.
Гомологи SOR були знайдені в деяких, але не у всіх, штамах A. thiooxidans , A. ferrooxidans , A. ferrivorans , A. albertensis. Філогенетичний аналіз показав, що SOR у цих Acidithiobacillus spp. штами, ймовірно, були отримані від архей, що окиснюють сірку, шляхом горизонтального перенесення генів
Модель шляху окиснення сірки A. ferrooxidans. OMP, білки зовнішньої мембрани; TQO, тіосульфатхіноноксидоредуктаза; ТСД, тіосульфатдегідрогеназа; TetH, тетратіонатгідролаза; SQR, сульфід:хіноноксидоредуктаза; SDO, діоксигеназа сірки; HDR, Hdr-подібний комплекс; САТ, АТФ сульфурілаза; bd, bo 3 , кінцеві оксидази; QH2, пул хінолу; NADH, NADH дегідрогеназний комплекс I.
Хемотаксичний рух A. ferrooxidans
A. ferrooxidans демонструє позитивний хемотаксис щодо Na2 S2O3, халькопіриту та піриту. Різноманітність генів che , пов’язаних із хемотаксисом, широко поширена в геномі A. ferrooxidans . Повідомлялося, що гени, що кодують хемотаксичний білок CheY, були знайдені в різних штамах A. ferrooxidans .
Електронна мікрофотографія джгутиків ( а ) і пілій( б ) A. ferrooxidans
Розпізнавання кворуму A. ferrooxidans
Відчуття кворуму (QS) — це бактеріальна комунікаційна система, яка дозволяє бактеріям синхронізувати свою поведінку в масштабі всієї популяції. QS — це внутрішньовидова або міжвидова система хімічного зв’язку, яка використовується для регулювання експресії специфічних генів у відповідь на варіації в популяціях бактерій.
Система QS функціонального типу AI-1 A. ferrooxidans подібна до системи інших грамнегативних бактерій і складається з чотирьох молекулярних елементів:
Магнітні властивості A. ferrooxidans
Пов’язані з мембраною магнітні залізовмісні неорганічні нанокристалічні магнетити, які називаються магнітосомами, синтезуються в A. ferrooxidans шляхом поглинання заліза. Магнітосома з діаметром від 15 до 70 нм є джерелом слабкого магнітотаксису A. ferrooxidans і може служити відділенням для зберігання та детоксикації заліза.
A. ferrooxidans демонструє магнітотаксис на напівтвердих пластинах і в рідкому середовищі під мікроскопом. Тому Fe2+ є не лише джерелом енергії для A. ferrooxidans, але й джерелом заліза для синтезу магнітосом у клітинах
Електронні мікрофотографії магнітосом A. ferrooxidans
Потенційне застосування A. ferrooxidans у біогеотехнології
Біовидалення сірки з твердих речовин і газів
A. ferrooxidans може видаляти неорганічну сірку у формі FeS2 із вугілля контактним і безконтактним шляхами. У контактному шляху A. ferrooxidans безпосередньо перетворює FeS2 на Fe3+ і SO42− . У безконтактному шляху FeS2 перетворюється Fe3+ з утворенням SO42− або S, а утворений Fe2+ негайно окислюється до Fe 3+
Повідомлялося, що єдиний біореактор з використанням вільного A. ferrooxidans може видалити з газу 98,0% SO2 або 99,0% H2S відповідно.
Біовилуговування металів з металовмісних відходів
Біовилуговування визначається як солюбілізація катіонів металу з нерозчинних твердих речовин бактеріями, що окислюють сірку та/або залізо, або продуктами бактеріального метаболізму. A. ferrooxidans вважається важливим представником бактерій біовилуговування, які використовуються для відновлення металу. Можливі механізми біовилуговування металів із сульфідних руд A. ferrooxidans включають контактні, безконтактні та кооперативні механізми.
A. ferrooxidans має потенціал для застосування для вилуговування металів, зокрема міді, цинку, нікелю, урану, миш’яку та кобальту, з низькоякісних руд. A. ferrooxidans успішно застосовувався для вилучення металів із осаду стічних вод, забрудненого ґрунту та відкладень
У ході контактного механізму біовилуговування клітини A. ferrooxidans прикріплюються до поверхні сульфідних мінералів за допомогою іонів Fe3+, утворюючи комплексні іони Fe3+ і починають розкладати сульфід металу
Безконтактний механізм передбачає, що вільні іони Fe3+ , окислені планктонними клітинами A. ferrooxidans, атакують сульфіди металів і відновлюються до іонів Fe2+
Кооперативне вилуговування відноситься до розчинення сульфіду металу прикріпленими клітинами A. ferrooxidans на поверхні мінералу та планктонними бактеріями, що, по суті, є комбінацією контактного та безконтактного вилуговування
Відходи | Техніка та умови вилуговування | Швидкість вилуговування |
Джурлейте | Партія (колба): pH 2,0, T 30 °C, Fe(II) 1,5 г/л, щільність пульпи 2,0% (w/v), швидкість струшування 160 об/хв | Cu 95,0% |
Борніт | Партія (колба): pH 2,0, T 30 °C, Fe(II) 0 г/л, щільність целюлози 2,0% (w/v), швидкість струшування 160 об./хв. | Cu 85,0% |
Комплексна цинко-свинцева руда | Партія (колба): pH 1,5, T 33 °C, Fe(II) 7,0 г/л, щільність пульпи 2,0% (мас./об.), швидкість струшування 180 об./хв. | Zn 51,0% |
Сфалерит | Партія (колба): pH 1,94, T 33,7 °C, Fe(II) 7,4 г/л, щільність целюлози 4,0% (w/v), швидкість струшування 210 об/хв | Zn 85,0% |
Хвости шахти | Партія (колба): pH 2,5, T 30 °C, Fe(II) 9,0 г/л, щільність целюлози 5,0% (w/v), швидкість струшування 200 об./хв. | Mn 99,5%, Zn 78,4%, As > 60%, Cu 31,5% |
Поліметалічний насипний концентрат | Партія (колба): pH 1,8, T 32 °C, Fe(II) 7,3 г/л, щільність целюлози 15,0% (w/v), швидкість струшування 150 об./хв. | Zn 96,7%, Cu 72,2% |
Мідний флотаційний концентрат | Партія (колба): pH 2,3, T 30 °C, Fe(II) 7,3 г/л, щільність целюлози 10,0% (мас./об.), швидкість струшування 140 об./хв. | Ni 55,0%, Co 64,0% |
Бідна уранова руда | Партія (колба): pH 2,0, T 30 °C, Fe(II) 9,0 г/л, щільність целюлози 10,0% (w/v), швидкість струшування 150 об./хв. | U 49,0% |
Реалгар (мінерал класу сульфідів) | Партія (колба): pH 1,74, T 30 °C, Fe(II) 3,68 г/л, щільність целюлози 0,95% (w/v), швидкість струшування 150 об./хв. | As 74,3% |
Тугоплавка золота руда | Партія (колба): pH 1,5, T 30 °C, Fe(II) 9,0 г/л, щільність целюлози 2,0% (w/v), швидкість струшування 150 об./хв. | As 39,3% |
PCB | Партія (колба): pH 2,25, T 30 °C, Fe(II) 9,0 г/л, щільність целюлози 0,4% (w/v), швидкість струшування 160 об./хв. | Cu 92,6%, Al 85,2%, Zn 95,2% |
PCB | Порція (ферментор): pH 1,5, T 30 °C, Fe(II) 2,0 г/л, щільність пульпи 1,8% (w/v), контроль DO на рівні 10% протягом перших 64 годин і перехід на 20% згодом | Cu 94,1% |
Кнопкова батарейка | Партія (колба): pH 2,5, T 30 °C, Fe(II) 7,3 г/л, щільність целюлози 0,1% (w/v), швидкість струшування 150 об./хв. | Ag 98,0% |
Відпрацьовані побутові батарейки | Партія (колба): pH 1,0, T 30 °C, Fe(II) 9,0 г/л, щільність пульпи 1,0% (w/v), швидкість струшування 160 об./хв. | Ni 87,0%, Cd 67,0%, Co 93,7% |
Відходи електричних кабелів | Порція (ферментор): pH 1,9, T 35 °C, Fe(II) 1,0 г/л, щільність пульпи 9,0% (w/v), швидкість перемішування 700 об./хв. | Cu > 90,0% |
Осад стічних вод | Партія (колба): pH 4,0, T 28 °C, Fe(II) 4,0 г/л, щільність целюлози 1,8% (w/v), швидкість струшування 150 об./хв. | Cd 71,9%, Mn 92,5%, Zn 89,1% |
Зневоднений шлам металізації | Партія (колба): pH 1,0, T 30 °C, Fe(II) 9,0 г/л, Fe(III) 1 г/л, щільність пульпи 0,9% (w/v), швидкість струшування 160 об/хв | Cr 55,6%, Ni 58,2% |
Забруднений ртуттю грунт | Партія (колба): pH 2,5, T 30 °C, Fe(II) 6,0 г/л, щільність целюлози 1,0% (w/v), швидкість струшування 100 об./хв. | Hg 92,0% |
Біообробка металевих деталей
Використання мікробів для видалення металу з заготовки називається біологічною обробкою або біообробкою. Утворення мікроструктур на заготовці здійснюється шляхом видалення або розчинення металу за допомогою мікроорганізмів. Ефективна та стійка альтернатива вимогам до мікрокомпонентів, біомеханічна обробка дозволяє уникнути деформації або пошкодження заготовки та може забезпечити точність, високу якість, менше тепла та мінімальний стрес. A. ferrooxidans широко застосовується в біообробці металевих деталей
A. ferrooxidans може діяти як каталізатор, окислюючи Fe2+ до Fe3+, Fe3+ здатний окислювати чистий метал (M0 ) до іонів металу (M 2+ або M 2+ ) і відновлювати назад до Fe2+, а Fe 2+ може повторно окислюватися бактеріями