（微生物学专业论文）银山铅锌矿酸性矿坑水微生物群落结构分析.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 矿物开采导致地表水和地下水的污染，其原因主要是由于矿物的 暴露，使得硫化物加速溶解导致金属离子含量丰富的酸性水的产生， 这些污染水通常被称为酸性矿坑水( a m d ) 。酸性矿坑水通常含有高 浓度的金属离子如铁，铜，锌，镁及非金属离子如硫，砷等。虽然 a m d 是一种高酸性，热的，含有高浓度的硫酸盐和有毒金属离子的 极端环境，但是许多微生物生存在这种环境中，这些微生物的活动促 进a m d 的形成并导致环境污染。同时，a m d 环境中生存的微生物 对金属的生物浸出也具有重要的意义。金属浸出现在被认为是主要是 由铁离子和质子执行浸出反应的一个化学过程。微生物的作用是产生 浸出化学物质和为浸出反应发生提供空间，当微生物附着在矿物表面 时能够产生胞外多聚物( e p s ) ，生物氧化反应在e p s 层比溶液中反 应更为迅速有效，e p s 层是生物氧化反应场所。因此，研究酸性矿坑 水中的微生物群落结构及其功能活动具有重要的意义。本文利用1 6 s r r n a 和g y r b 基因作为分子标记的r f l p 技术对江西银山铅锌矿的微 生物群落结构进行了研究，并比较了两种分子标记分析结果的差异， 同时还利用本实验室构建的寡核苷酸基因芯片对江西德兴铜矿和银 山铅锌矿的微生物群落结构及微生物功能活动以及环境变量对其产 生的影响进行了研究。 首先利用1 6 sr r n a 作为分子标记分析了银山铅锌矿中a m d 样品 的微生物群落结构。结果显示，所有的克隆都分布在7 个不同的系统 发育分支上( c y a n i d i u m c a l d a r i u m ，a l p h a - p r o t e o b a c t e r i a ， g a m m a - p r o t e o b a c t e r i a ，d e l t a - p r o t e o b a c t e r i a ， a c i d o b a c t e r i a ， a c t i n o b a c t e r i a ，n i t r o s p i r a ) ，3 个样点的微生物均存在较高的多样性， 其中cc a l d a r i u m 是一种能耐受高浓度金属离子的红藻，只存在于 y s k l 中，而d e l t a - p r o t e o b a c t e r i a 则只在y s k 2 中存在，而且在这个 矿区的样品中只检测到少量的a c i d i t h i o b a c i l l u s ) c e r r o o x i d a n s ，通常这 种细菌在a m d 微生物群落中为优势种群，并且在y s k l 中完全检测 不到，这可能是由于受该样点的低p h 值影响。化学分析结果显示 y s k 2 和y s k 3 具有相似的环境因子但他们与y s k l 具有较大的区 别，系统发育分析结果表明y s k 2 和y s k 3 相对于y s k l 具有更高 的群落相似性，这一结果表明微生物群落结构受地理化学参数，特别 硕士学位论文摘要 是铁，硫浓度和p h 值有较大影响。同时我们还发现3 个样点中微生 物群落结构的差异与其生存环境之间存在着一定的相关关系。进一步 利用g y r b 基因作为分子标记分析了银山铅锌矿a m d 样品的微生物 群落组成，并与1 6 sr r n a 的分析结果进行了比较。结果显示，两种 分子标记分析的微生物群落结构在整体上的组成虽然很相似，但是以 g y r b 基因为分子标记从微生物群落中所发现的o t u 数目( 6 8 个) 明 显高于1 6 sr r n a 为分子标记的o t u 数量( 5 2 个) ，而且g y r b 基因 的多样性指数也明显高于1 6 sr r n a 的多样性指数。建立在a m d 样品 的系统发育树分析显示，g y r b 基因代表了更高水平的遗传多样性。 结果表明g y r b 基因能够更好的区分一些1 6 sr r n a 无法辨别的近亲 菌株，具有比1 6 sr r n a 更好的辨别力，其丰度更高，可能更适合于 微生物群落的多样性分析。 基因芯片技术因其独特的优势己被广泛应用于微生物群落结构 与功能的研究中，本研究利用实验室自行构建并评估了的寡核苷酸基 因芯片对德兴铜矿6 个样点和银山铅锌矿3 个样点的酸性浸矿水样品 进行了分析。并使用除趋势对应分析( d c a ) ，典范对应分析( c c a ) ， 偏典范对应分析( p a r t i a lc c a ) ，m a n t e l 测试等统计学方法来研究样 品地球化学性质对微生物群落结构和功能活动的动力学影响，总共检 测到3 7 3 个1 6 sr r n a 和功能基因信号，对这些杂交结果的分析表明 酸性矿坑水样品中存在着高度的多样性和异质性，其微生物群落主要 由a c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s 、l e p t o s p i r i l l u ms p 、a c i d i t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s ，a c i d o t h e r m u s c e l l u l o l y t i c u m ，t h e r m o p l a s m a t a c e a e a r c h a e o n ， s u l f o l o b u ss p ，s u l f o b a c i l l u ss p ，t h i o m o n a ss p 、 h y d r o g e n o b a c t e ra c i d o p h i l u s 、a l i c y c l o b a c i l l u sh e r b a r i u s 、a c i d i a n u s s p ，a c t i n o b y c e sn a e s l u n d i i 、m i c r o t h r i xp a r v i c e l l a ，a c i d o b a c t e r i a ， d e s u l f o b i b r i ol o n g u s 、 a c i d i p h i l u ms p p 。，h o l o p h a g as p ， t h e r m o m i c r o b i u mr o s e u m 和m e t a l l o s p h a e r as p 等19 个不同的种和属 组成。统计学方法和基因聚类分析表明微生物群落结构和功能活动受 环境变量( 主要是p h ，f e ，c a ，c u 和s ) 的高度影响，具有相似环境 变量的样品也具有相似的微生物群落结构以及微生物功能活动。 关键词：酸性矿坑水，微生物群落结构，限制性片段长度多态性分 析，系统发育分析，基因芯片 硕士学位论文 a b s t r a c t a b a t r a c t d e e pm i n i n ga n ds u r f a c em i n i n go fm e t a l o r e sr e s u l t si nt h e c o n t a m i n a t i o no fg r o u n da n d o rs u r f a c ew a t e r s t h em o s tw e l l d o c u m e n t e dt y p eo fw a t e rp o l l u t i o na s s o c i a t e dw i t hm i n i n gi st h a tw h i c h r e s u l t sf r o mt h ea c c e l e r a t e do x i d a t i v ed i s s o l u t i o no fe x p o s e dm i n e r a l s ， p r i n c i p a l l ys u l f i d e s ，g i v i n gr i s et oa c i d i c ，m e t a l e n r i c h e dw a t e r sg e n e r a l l y r e f e r r e dt oa s “a c i dm i n ed r a i n a g e ( a m d ) u s u a l l yt h ea c i dm i n e d r a i n a g eh a v eah i g hc o n c e n t r a t i o n so fm e t a li o n ss u c ha si r o n ，c o p p e r , z i n ca n ds o m en o n m e t a ls u c ha ss u l f u ra n da r s e n i c d e s p i t et h ee x t r e m e a c i d i t y , h e a t ，a n dh i g hc o n c e n t r a t i o n s o fs u l f a t ea n dt o x i cm e t a l s ，a d i v e r s er a n g eo fm i c r o o r g a n i s m sp o p u l a t ea m de n v i r o n m e n t s t h e s e m i c r o o r g a n i s m sc a na c c e l l e r a t et h eg e n e r a t i o n so fa m d ，a n dr e s u l ti nt h e p o l l u t i o n so fe n v i r o n m e n t a l s ot h em i c r o o r g a n i s m st h r i v e di na m d t h a t h a v ea i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nb i o l e a c h i n g ，t h e yc a nu s e dt op r o c e s st h e m i n e r a la n da san e ws o u r c eo fb i o m o l e c u l a ri ni n d u s t r y s o ，s t u d yt h e m i c r o b i a lc o m m u n i t ya n dt h e i rf u n c t i o n a la c t i v i t yo fa c i dm i n ed r a i n a g e h a v eag r e a ti m p o r t a n c e i np r e s e n ts t u d y , w eu s er f l pt e c h n o l o g yb a s e d o nt h e16 sr r n aa n dg y r bg e n ea st h em o l e c u l a rm a r k e rt os t u d yt h e m i c r o b i a lc o m p o s i t i o n so fy i n s h a nl e a d z i n cm i n e ，j i a n g x ip r o v i n c e a n d c o m p a r e dt h ed i f f e r e n c eo fa n a l y s i sr e s u l to ft w om o l e c u l a rm a r k e r w e a l s ou s et h em i c r o a r r a yt h a th a v eb e e nc o n s t r u c t e da n de v a l u a t e db yo u r l a b o r a t o r y t od e t e c tt h em i c r o b i a l c o m m u n i t yc o m p o s i t i o n s a n d f u n c t i o n a la c t i v i t i e so fd e x i n gc o p p e rm i n ea n dy i n s h a nl e a d z i n cm i n e a n ds t u d yt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sh o wt oi n f l u e n c et h em i c r o b i a l c o m m u n i t y f i r s t l y , 16 sr r n ag e n e sw e r eu s e da sm o l e c u l a r m a r k e rt oe v a l u a t e t h ed i v e r s i t yo fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e sf r o mt h r e ed i f f e r e n ta m ds i t ei n y i n s h a nl e a d z i n cm i n e t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e p r e d o m i n a n t m i c r o o r g a n i s m i ny i n s h a nm i n ew e r e c y a n i d i u m c a l d a r i u m ， a l p h a p r o t e o b a c t e r i a , g a m m a p r o t e o b a c t e r i a , d e l t a p r o t e o b a c t e r i a ， a c i d o b a c t e r i a , a c t i n o b a c t e r 泌n i t r o s p i r a a l lt h r e es i t eh a v et h eh i g h c o m m u n i t yd i v e r s i t y , cc a l d a r i u mi sar e da l g at h a tc a nt o l e r a t eh i g h e r m e t a li o n s ，i to n l yp r e s e n t e di ns i t ey s k 1 ，a n dd e l t a - p r o t e o b a c t e r i ao n l y i i i 硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s e n t e di ny s k 2 a l s ow ec a no n l yd e t e c t e df e wa c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sw h i c hu s u a l l yi st h ed o m i n a n tp o p u l a t i o n si na m d m a y b e t h i se f f e c t e db yt h el o w e rp hv a l u e y s k 2a n dy s k 3h a v et h es i m i l a r e n v i r o n m e n tf a c t o r sa n dh a v ea l a r g ed i f f e r e n tw i t hy s k 1f r o mc h e m i c a l a n a l y s i sr e s u l t f r o mt h ep h y l o g e n e t i ca n a l y s i sr e s u l t sb o t hb a s e do n16 s 删a g e n e i ts u g g e s t e dt h e r ea r eh i g h e rc o m m u n i t ys i m i l a r i t yb e t w e e n y s k 2a n dy s ：k 3t h a nw i t hy s k1 t h i ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft h e m i c r o b i a lc o m m u n i t i e sw a si n f l u e n c e d b yg e o c h e m i c a lp a r a m e t e r s e s p e c i a l l yc o n t r o l l e db yt h ei r o n ，s u l f u ri o n sa n dp hv a l u e s a n dt h e nw e u s et h eg y r bg e n ea sm o l e c u l a rm a r k e rt oc a r r yo u tt h ed i v e r s i t yr e s e a r c h a n dc o m p a r et h ea n a l y s i sr e s u l tb y16 sr r n a d i s p i t et h em i c r o b i a l c o m p o s i t i o n sh a v eas i m i l a r i t y , w ef o u n dt h e0 u tn u m b e rr e s u l t e df r o m g y r bg e n eh i g h e rt h a n16 sr r n a t h ed i v e r s i t yi n d e xo f g y r bg e n ea l s o l a r g e rt h a n 16 s 幅汛b u tt h em i c r o b i a lc o m m u n i t ya b u n d a n c ea c q u i r e d f r o mg y r ba n a l y s i sw a se x t r e m e l yh i g h e rt h a no b t a i n e dt h r o u g h16 s r r n aa n a l y s i si nt e r m s0fs h a n n o nd i v e r s i t yi n d e x t h r o u g hg y r b g e n e ， w ew i l lb ea b l et od i f f e r e n t i a t e c l o s e l y r e l a t e d m i c r o o r g a n i s m si n p h y l o g e n e t i ca n a l y s i s ，t h er e s u l tr e v e a l e dt h a t g y r b s h o w sb e t t e r p e r f o r m a n c ei nr e s e a r c hc o n c e r n i n gt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nc o m m u n i t y s t r u c t u r ea n dg e o g r a p h i cc h e m i c a lp a r a m e t e r s m i c r o a r r a yt e c h n o l o g y h a sb e e n w i d e l y u s e di nr e s e a r c h e s c o n c e r n i n gt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fm i c r o b i a lc o m m u n i t yd u et oi t s u n i q u ea d v a n t a g e s 腑u s et h em i c r o a r r a yt h a th a v eb e e nc o n s t r u c t e da n d e v a l u a t e d b y o u r l a b o r a t o r y t od e t e c t t h em i c r o b i a l c o m m u n i t y c o m p o s i t i o n sa n df u n c t i o n a la c t i v i t i e so ft h en i n e a c i dm i n ed r a i n a g e s a m p l e so fd e x i n gc o p p e rm i n ea n dy i n s h a nl e a d z i n cm i n e a tt h es a m e t i m ew eu s et h es t a t i s t i c a lm e t h o d ss u c ha sd e t r e n d e dc o r r e s p o n d e n c e a n a l y s i s ( d c a ) ，c a n o n i c a lc o r r e s p o n d e n c ea n a l y s i s ( c c a ) a n dp a r t i a l c c a st od e t e c tt h e d y n a m i ci n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r st o m i c r o b i a lc o m m u n i t yc o m p o s i t i o n sa n df u n c t i o n a la c t i v i t y at o t a lo f37 3 g e n e s ( i n c l u d i n g 16 sa n df u n c t i o n a l g e n e s ) s h o w e ds i g n i f i c a n t h y b r i d i z a t i o nw i t ha tl e a s to n eo ft h en i n es a m p l e s t h e s er e s u l ti n d i c a t e d t h e r eh a v eh i g h e rd i v e r s i t ya n d h e t e r o g e n e i t yi na m d t h e s ec o m m u n i t y c o m p o s e db y19d i f f e r e n tg e n u so rs p e c i e s ，i n c l u d i n ga c i d i t h i o b a c i l l u s i v f e r r o o x i d a n s ，l e p t o s p i r i l l u ms p ， a c i d i t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s ， a c i d o t h e r m u sc e l l u l o l y t i c u m ，t h e r m o p l a s m a t a c e a ea r c h a e o n ，s u l f o l o b u s ， s u l f o b a c i l l u s s p ，t h i o m o n a ss p ，h y d r o g e n o b a c t e r a c i d o p h i l u s ， a l i c y c l o b a c i l l u sh e r b a r i u s ，a c i d i a n u s s p ，a c t i n o b y c e s n a e s l u n d i i m i c r o t h r i xp a r v i c e l l a ，ac i d o b a c t e r i a ，d e s u l f o b i b r i ol o n g u s ，a c i d i p h i l u m s p p ，h o l o p h a g as p ，t h e r m o m i c r o b i u mr o s e u ma n dm e t a l l o s p h a e r as p t h er e s u l t b ys t a t i s t i c a l a n dc l u s t e r a n a l y s i sr e v e a l e dt h em i c r o b i a l c o m m u n i t ya n df u n t i o nh i g hi n f l u e n c e db yt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ( m a i n l y a r ep h ，f e ，c a ，c ua n ds ) k e yw o r d s ：a c i dm i n ed r a i n a g e ，m i c r o b i a lc o m m u n i t yc o m p o s i t i o n ， r e s t r i c t i o n f r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ，p h y l o g e n e t i c a n a l y s i s ， m i c r o a r r a y v 一 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：避 日期： 关于学位论文使用授权说明 年坠月班e t 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者躲她翩签锄蜂吼4 年业月墨日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 金属矿物、煤的深度挖掘和表面开采都将导致地表水和地下水的污染，这种 污染的性质和程度随着矿物性质，地层地理化学性质，气候和采矿等多种因子的 变化而具有很大的差异u 2 】。最常见的污染是由于矿物暴露在空气和水中，使得 硫化物加速溶解导致含高浓度金属离子的酸性水大量产生，高放热的金属硫化物 氧化反应造成这些酸性水溶液温度相对较高。这些污染水通常被称为酸性矿坑水 ( a c i dm i n ed r a i n a g e ，a m d ) 或酸性溶岩水( a c i dr o c kd r a i n a g e ，a r d ) 【3 】。 当稳定的硫化矿物如黄铁矿( f e s 2 ，最常见的硫化矿物) 暴露于空气或水中 时，它们将在氧化剂分子氧或铁离子的作用下自发的氧化： f e s 2 + 6 f e + + 3 h 2 0 + 7 f e z + + s 2 0 3 z 一+ 6 i - i +( 反应1 1 ) 这一过程为非生物反应，对于酸稳定的硫化矿物如黄铁矿，某些微生物能够通过 铁离子的再生来促进矿物的氧化溶解： 4 f e 什+ 0 2 + 4 h 十一4 f e ”+ 2 h 2 0 ( 反应1 - 2 ) 反应卜l 为非生物反应，而反应卜2 则是一个在酸性条件( p h 4 ) 下的需氧生物反 应。某些细菌和古菌还能够氧化反应卜l 中所产生的硫代硫酸盐、其他还原性无 机硫化物和单质硫产生硫酸： s 2 0 3 2 - + 2 0 2 + h 2 0 _ 2 矿+ 2 s 0 4 z -( 反应卜3 ) 而铁离子的水解将进一步导致酸度的增加： f e + + 3 h e o - - ) f e ( o h ) 3 + a n + ( 反应1 4 ) 酸性矿坑水通常含有高浓度的金属离子如铁、铜、锌、镁及非金属离子如硫、 砷等。很多微生物能够生存于a m d 这种含有高浓度的硫酸盐和有毒金属离子的 热的高酸性极端环境中，它们的活动同时也促进a m d 的形成，并加重环境的污 染【4 】。a m d 环境中生存的微生物对金属矿物的生物浸出具有重要意义，这些嗜 酸性的微生物能够用于矿物加工或者在工业生产过程中作为新的生物分子( 特别 是酶) 的来源。利用微生物从矿物中回收铜，金，钴和铀等金属的研究已经被大 量报道【5 6 。7 1 。利用微生物的作用对矿物进行处理主要出于两种目的，一是将不可 溶的金属硫化物或氧化物转变成可溶于水的金属硫酸盐，或者作为一个前处理过 程打开矿物结构，使得其它的化合物能够更好的渗透矿物以溶解所需的金属。 1 1 酸性矿坑水的微生物多样性 了解酸性矿坑水中微生物的多样性对于分析其生态系统是必须的，最常用的 方法是通过测定环境样品中的1 6 sr r n a 基因的序列来确定其微生物群落组成， 硕士学位论文第一章绪论 通过这一技术可以了解微生物的种群丰度、系统发育关系以及地理化学因素是如 何塑造微生物群落结构的。许多a m d 系统都存在多个微生物小生境，我们现在 已经知道在a m d 生境中存在着大量的微生物，至少有1 1 个原核生物门存在 a m d 环境中【研( 图1 1 ) 。 图卜1 酸性矿坑水和生物浸出系统中原核生物1 6 sr r n a 基因系统发育结构8 i f i g u r e1 - 1t h e1 6 sr r n ap h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i po fp r o k a r y o t ei na m d e n v i r o n m e n ta n d b i o l e a c h i n gs y s t e m s 1 1 。1自养和异养生命形式 多数的酸性矿坑水环境由于仅含有低浓度的可溶解有机碳( 6 0 ) ( 表1 1 ) 。极端嗜热微生物通常由古菌组成，而中度喜温原核生物则由古 菌和真细菌组成( 主要为革兰氏阳性菌) 组成，与此相反的是，嗜温微生物主要 是杆状的革兰氏阴性菌。其中的例外是属于a c t i n o b a c t e r i a 的f e r r o m i c r o b i u m a 一3 一 表1 1 嗜酸性原核微生物 t a b l e1 - 1a c i d o p h i l i cp r o l a r y o t i cm i c r o o r g a n i s m s l a i r o n o x i d i z e r s l e p t o s p i r i l l u m f e r r o o x i d a n s l e p t o s p i r i l l u m 扣r r i p h i l u m l e p t o s p i r i l l u mt h e r m o f e r r o o x i d a n s c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ”m l f e r r i m i c r o b i u ma c i d i p h i l u m f e r r o p l a s m aa c i d i p h i l u m f e r r o p l a s m aa c i d a r m a n u s l b s u l f u r - o x i d i z e r s a c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s a c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d u s t h i o m o n a sc u p r i n a h y d r o g e n o b a c t e ra c i d o p h i l u s m e t a l l o s p h a e r as p p s u l f o l o b u ss p p 1 c i r o n a n ds u l f u r - o x i d i z e r s a c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s a c i d i a n u ss p p s u l f o l o b u sm e t a l i i c “s l d i r o n - r e d u c e r s a c i d i p h i l i u ms p p 1 e i r o n o x i d i z e r s r e d u c e r s a c i d i m i c r o b i u mf e r r o o x i d a n s i f i r o n o x i d i z e r s r e d u c e r sa n d s u i f u r - o x i d i z e r s s u l f o b a c i l l u ss p p 2 h e t e r o t r o p h i ca c i d o p h i l e s a c i d o c e l l as p p a c i d i s p h a e r ar u b r i f a c i e n s a c i d o b a c t e r i u mc a p s u l a t u m a c i d o m o n a sm e t h a n o l i c a a l i c y c l o b a c i l l u ss p p p i c r o p h i l u ss p p t h e r m o p l a s m as p p m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m o d e r a t et h e r m o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m o d e r a t et h e r m o p h 【t i e s m e s o p h i l e s m o d e r a t et h e r m o p h i l e s e x t r e m et h e r m o p h i l e s e x t r e m et h e r m o p h i l e s m e s o p h i l e s e x t r e m et h e r m o p h i l e s e x t r e m et h e r m o p h i l e s n i t r o s p i r a n i t r o s p i r a n i t r o s p i r a f l - p r o t e o b a c t e r i a a c t i n o b a c t e r i a t h e r m o p l a s m a l e s t h e r m o p l a s m a l e s f l y - p r o t e o b a c t e r i a f l ? - p r o t e o b a c t e r i a f l - p r o t e o b a c t e r i a a q u i f a c a l e s s u t f o t o b a t e s s u l f o l o b a l e a p y p r o t e o b a c t e r i a s u l f o l o b a l e s s u l f o l o b a l e s m e s o p h i l e s a - p r o t e o b a c t e r i a m e s o p h i l e s a c t i n o b a c t e r i a m e s o p h i l e sa n d m o d e r a t et h e r m o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m e s o p h i l e s m o d e r a t et h e r m o p h i l e s m o d e r a t et h e r m o p h i l e s a - p r o t e o b a c t e r i a a - p r o t e o b a c t e r i a a c i d o b a c t e r i 删 * p r o t e o b a c t e r i a f i r m i c u t e s t h e r m o p l a s m a l e s t h e r m o p l a s m a l e s 一4 一 硕士学位论文第一章绪论 a c i d o p h i l u s l l 8 j 和能够利用铁和单质硫作为能量来源或者利用不同的有机物进行 异养生活的革兰氏阳性细菌s u l f o b a c i l l u sd i s u l f i d o o x i d a n s 1 9 】，然而s u l f o b a c i l l u s d i s u l f i d o o x i d a n s 是否具有化能自养能力并未完全确定，实际上这一分离物更接近 于专性异养的a l i c y c l o b a c i l l u ss p p 而不是铁硫氧化的s u t f o b a c i l l u ss p p 。少数的研 究关注嗜冷的和耐寒的微生物，尽管已知的极端酸性低温的地点如地下矿水都处 于中高纬度。b e r t h e l o t 等从一个铀矿的矿坑水中分离嗜酸性微生物并研究它们在 4 和3 7 之间的生长能力，尽管9 6 的铁氧化细菌和5 4 的专性分离物能够划 分为耐寒微生物，但是却没有检测到真正的嗜冷微生物【2 0 1 。 1 1 3 嗜酸性微生物对分子氧的反应 酸性矿坑水与其它环境一样具有不同浓度的分子氧，专性和兼性的厌氧微生 物能够开发利用缺氧的地点，然而，大部分已分离的嗜酸性微生物为专性好氧微 生物。给予铁离子和硫还原的厌氧呼吸可能是嗜酸性微生物的一个重要代谢途 径，这两种物质在酸性矿坑水中含量都很丰富。与此相反，在这些环境中只存在 少量的硝酸盐，尽管采矿将n 0 3 离子浓度升高。一些原核微生物的生长偶联的厌 氧呼吸已经被详细研究，但是还没有嗜酸性微生物发酵这方面的记载。f e ：+ f e ” 氧化还原具有一个高标准氧化还原电势( p h2 时为+ 7 7 0 m v ) ，表明亚铁离子是唯 一已知的能源( l e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s 和 a c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ”m 1 ) ， 而分子氧是唯一的可能的电子受体，然而一些化学无机自养和混合营养微生物能 够利用单质硫和还原性无机硫化物作为电子受体，它们的氧化与铁离子的还原偶 合【2 ，这个反应在p h 为2 的情况下自由能为3 1 4 k j m o l ： s + 6 f e 3 + + 4 h 2 0 _ h s 0 4 + 6 f e 2 + + 7 旷( 反应卜5 ) b r o c k 和g u s t a f s o n 描述了a t h i o o x i d a n s 乖l a f e r r o o x i d a n s 的细胞悬浮液能够偶联 单质硫的氧化和铁离子的还原，但没有说明这是不是一个支持细胞生长的能量传 递反应【2 ，随后的研究表明这实际上是一个非平衡的兼性厌氧反应。中度嗜温 的s u l f o b a c i l l u ss p p 在缺氧的条件能够偶联连四硫酸盐的氧化和铁离子的还原， s u l f o b a c i l l u ss p p 和a c i d i m i c r o b i u mf e r r o o x i d a n s 利用铁离子作为单一电子受体能 够在甘油中进行厌氧生活。硫酸盐到硫化物的还原反应也能够在a m d 环境中发 生，尽管分离真正的嗜酸性硫酸盐还原细菌尚未成功【2 2 】。 在嗜酸性古菌中，包括几个属的专性好氧菌( p i c r o p h i l u s 、s u l f o l o b u s 、 m e t