（微生物学专业论文）嗜酸氧化亚铁硫杆菌适应与活化元素硫的分子机制研究.pdf

博士学位论文摘要 摘要 在生物浸出过程中，金属硫化矿在三价铁离子和质子作用下分解，可能产 生元素硫累积，进而在金属硫化矿表面形成疏水元素硫层，阻碍金属离子的进一 步浸出。浸矿环境中的嗜酸硫氧化细菌能有效消解和利用硫化矿分解过程中的元 素硫，同时不断补充在浸出过程中消耗的质子。这表明硫生物氧化在生物浸出中 扮演着十分重要的角色，研究和了解这种角色的作用机制、实现途径及其影响因 素是十分必要的；另一方面，有关硫生物氧化的分子机制一直是硫生物氧化系统 中的关键问题，至今未得到清晰的阐明。 本论文旨在更进一步拓展对硫生物氧化过程的了解，研究嗜酸氧化亚铁硫 杆菌( 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 ) 适应与活化元素硫的分子机制。研究工作 主要包括如下三个方面： ( 1 ) 嗜酸氧化亚铁硫杆菌硫氧化的环境适应性： 通过研究几种常见阴离子( 氯离子、硝酸根离子、硫酸根离子和磷酸根离子 等) 对a f e r r o o x i d a n s 生长和硫氧化活性的影响，揭示环境中阴离子对彳 f e r r o o x i d a n s 生长和硫氧化活性影响的一般性规律。结果表明：一般情况下随着 环境中阴离子浓度升高，表现出延缓或抑制细菌生长。但磷酸根离子对细菌的生 长和硫氧化活性的抑制在浓度相当高的情况下才表现出来，1 0 0m m o l l 的磷酸 根离子甚至对细菌的生长和硫氧化活性具有促进作用。正常环境下细菌体内参与 细胞生理生化反应的蛋白质表达数量相对较多；在高浓度p 0 4 3 胁迫下细菌表达 蛋白的总数量相对减少，但同时表达一些特异性蛋白来调整和适应对无机阴离子 胁迫效应。 通过比较研究a f e r r o o x i d a n s 在元素硫和硫代硫酸盐中细胞形态和生长特 性、元素硫在a f e r r o o x i d a n s 作用前后表面性质变化、细菌自身细胞表面化学性 质的变化、以及a f e r r o o x i d a n s 对元素硫的吸附行为等，了解a f e r r o o x i d a n s 在 元素硫和硫代硫酸盐基质中的细菌细胞适应性。结果表明：细菌能够优先利用可 溶性能源基质硫代硫酸盐，生长在硫代硫酸盐中的细菌呈细长形态且细胞浓度较 高，细胞亲水性较强；而生长在元素硫中的细菌呈短而粗的形态。细胞表面分泌 大量附属物或蛋白质，使元素硫表面的疏水性质改变为亲水性，便于细菌对元素 硫的吸附，或者使细菌随机胶结和堆集在硫粒上，这种吸附与解吸附呈一种动态 变化过程；同时，硫粒表面因细菌的作用而形成腐蚀小坑。 博士学位论文摘要 ( 2 ) 硫基质中嗜酸氧化亚铁硫杆菌胞外蛋白质组的初步研究： 研究a f e r r o o x i d a n s 特化细胞空间( 胞外、细胞周质) 蛋白质组学，更易于 发现在特定功能区域内行驶特定功能的蛋白质。本论文建立了选择性分离和双向 电泳展示a f e r r o o x i d a n s 特化细胞空间蛋白质的方法体系，明确了具体实验参数。 研究在亚铁和元素硫基质中的a f e r r o o x i d a n s 胞外蛋白表达差异，鉴定和分析在 元素硫基质中a f e r r o o x i d a n s 胞外高表达蛋白质。 通过对在元素硫基质中a f e r r o o x i d a n s 胞外高表达蛋白质的鉴定和分析，发 现除少数蛋白质( 或多肽) 有预测功能外，大部分都属于未知功能的蛋白( 或多 肽) 。鉴定的已有功能预测的蛋白( 或多肽) 包括：接合转移的蛋白质( a f e1 3 9 1 ： e o n j u g a lt r a n s f e rp r o t e i n ) 、吸附相关的菌毛蛋白( a f e 一2 6 21 ：p i l i n ，p u t a t i v e ) 、脂 蛋白( a f e 一1 8 4 7 ：l i p o p r o t e i n ，p u t a t i v e ；a f e 一0 9 8 2 ：v a c jl i p o p r o t e i n ) 、多聚糖 脱乙酰酶家族蛋白( a f e 一0 9 2 7 ：p o l y s a c c h a r i d ed e a c e t y l a s ef a m i l yp r o t e i n ) 和丝 氨酸苏氨酸磷酸水解酶家族蛋白( a f e1 9 3 2 ：s e r t h rp h o s p h o r i ca c i dh y d r o l a s e f a m i l yp r o t e i n s ) 。生物信息学分析还发现有6 个功能未知胞外蛋白质序列中含有 较高丰度的半胱氨酸残基，有四个多肽序列中含有c x x c 功能模体。由此推测， 在元素硫中a f e r r o o x i d a n s 表达相对较高的胞外蛋白质( 或多肽) ，推测它们的 功能与元素硫的吸附和活化相关。据此提出了多巯基胞外蛋白在元素硫吸附活化 过程中可能的作用方式，但其具体功能还需要深入而细致的验证和分析。 ( 3 ) 分析与鉴定硫活化氧化相关蛋白质和基因的特征： 还原性谷胱苷肽在硫活化与氧化过程中发挥重要作用，通过对维持彳 f e r r o o x i d a n s 细胞体内的还原性谷胱苷肽水平的谷胱苷肽还原酶( g l u t a t h i o n e r e d u c t a s e ，g r ) 基因进行克隆与原核表达，以及对表达产物进行酶学性质的研 究，发现该独特的g r 不仅能以n a d p h 为电子供体，也能以n a d h 作为电子 供体将氧化性谷胱苷肽( g s s g ) 转变为还原性谷胱苷肽( g s h ) ；序列比对发现该酶 n a d p h 结合模体中的一个保守精氨酸残基位点被天冬酰胺残基所取代。 巯基蛋白参与细胞周质空间还原性硫化合物的氧化，二硫键形成蛋白对维 持周质空间高水平游离巯基的存在、修复和维持二硫键的正确连接起着十分重要 的作用。通过对a f e r r o o x i d a n s 中二硫键形成蛋白基因d s b g 进行克隆与原核表 达，以及对表达产物的酶学性质的研究，发现表达产物有二硫键异构酶活性；点 突变结果表明其催化模体c x x c 中的c 1 1 9 和c 1 2 2 位点是二硫建异构酶活性所 需的关键氨基酸残基。 结合已有的研究结果和a f e r r o o x i d a n s 全基因组基因信息，利用r t - p c r 方 u 博士学位论文 摘要 法从转录水平上分别对a f e r r o o x i d a n sa t c c2 3 2 7 0 基因组中可能编码硫酸盐硫 代硫酸盐结合蛋白基因s o p 、膜结合硫代硫酸盐辅酶q 氧化还原酶基因d o x d a 以及类硫氰酸酶基因p 2 1 等开放阅读框所在的基因座之间的联系进行了鉴定和 分析，结果表明它们分别从属于预测的d o x d a 1 操纵子和d o x d a 2 操纵子。在 此基础上，利用生物信息学的方法对d o x d a 操纵子的可能启动子序列也进行了 预测和分析。 关键词嗜酸氧化亚铁硫杆菌，细胞适应性，硫活化，胞外蛋白质组学， 谷胱苷肽还原酶，二硫键形成蛋白，d o x d a 操纵子 i i i 博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m e t a ls u l f i d e sa r ec h e m i c a l l ya t t a c k e db yf e ”a n d 矿，r e s u l t i n gi nt h ef o r m a t i o n o f e l e m e n t a ls u l f u r , w h i c hm a ya g g r e g a t ea n de v e nf o r mal a y e ro nt h em e t a ls u l f i d e s s u r f a c ea n di n h i b i tl e a c h i n go fm e t a l sf r o mt h es u l f i d e sm i n e r a l s n 圮i n e r te l e m e n t a l s u l f u ri nat y p i c a la c i d i ce n v i r o n m e n tc a ne x c l u s i v e l yb ee l i m i n a t e db yb i o o x i d a t i o n o fa c i d o p h i l i cs u l f u r - o x i d i z i n gb a c t e r i a ( a s o b ) ，i nw h i c ht h ea s o bo x i d i z et h e e l e m e n t a ls u l f u rt ot h ei n t e r m e d i a r yr e d u c f i v es u l f u rc o m p o u n d sa n df i n a l l yt o s u l f u r i ca c i dt h a tr e p l e n i s ht h es u p p l yo ft h ep r o t o n sr e q u i r e da tf o rt h el e a c h i n g p r o c e s s e s i ti s o b v i o u st h a tt h es u l f u rb i o o x i d a t i o no fs u l f u rb ya s o bt a k e sa n i m p o r t a n t r o l e i n b i o l e a c h i n g ，s u g g e s t i n gt h en e c e s s i t yt or e s e a r c ha n dt h e n u n d e r s t a n dt h em e c h a n i s ma n dr e a l i z a t i o no ft h a tr o l e 鹤w e l la si t si n f l u e n t i a lf a c t o r s o nt h eo t h e rh a n d , t h em o l e c u l a rm e c h a n i s mo fe l e m e n t a ls u l f u ro x i d a t i o n , t h em o s t i m p o r t a n tp a r to ft h e s u l f u rb i o o x i d a t i o ns y s t e mo fa s o b ，h a sb e e nl a c ki n r e s e a r c h i n ga n dk e p tu n r e s o l v e d ，i n d i c a t i n ga l s ot h ep a r t i c u l a r l ya c a d e m i cm e a n i n g f u l o fr e s e a r c ho ns u l f u rb i o o x i d a t i o no fa s o b i no r d e rt oe n l a r g et h ek n o w l e d g eo ns u l f u rb i o o x i d a t i o no fa s o b ，t h ep r e s e n t s t u d yf o c u s e s o n e l u c i d a t i n g t h em o l e c u l a rm e c h a n i s mo fa 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 sc e l l u l a rs u l f u ra c c l i m a t i o na n ds u l f u ra c t i v a t i o n t h ep r i m a r ys u b j e c t so f w h i c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c e l l u l a ra c c l i m a t i o no f 4 f e r r o o x i d a n st os u l f u rb i o o x i d a t i o n t h i sp a r tw a sd e d i c a t e dr e s e a r c h i n go nt h es p e c i f i ce f f e c t so ft y p i c a la n i o n s i n c l u d i n gc i ，n 0 3 ，s o 。a n dp 0 4 争，a n dt h e ne l u c i d a t i n gt h eg e n e r a le f f e c t so f e n v i r o n m e n t a la n i o n so nt h eg r o w t ha n ds u l f u r - o x i d a t i o na c t i v i t yo fa f e r r o o x i d a n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e l a t i v e l yh i g hc o n c e n t r a t i o n so ft h et y p i c a la n i o n sm a k e d e l a ya n di n h i b i tt h eg r o w t ha n d s u l f u ro x i d a t i o no ft h ec e l l s d i f f e r e n tf r o m a n yo t h e r t y p i c a la n i o n s ，p h o s p h a t ei o n ss h o wi n h i b i t i o na tm u c hh i g h e rc o n c e n t r a t i o n , a n dt h e y e v e ns t i m u l a t eg r o w t ha n ds u l f u ro x i d a t i o no f a f e r r o o x i d a n sa tc o n c e n t r a t i o no f10 0 m m o l l 2 - d e ( t w o d i m e n t i a le l e c t r o p h o r e s i s ) s h o w e dc l e a r l yt h ed i f f e r e n t i a l e x p r e s s i o no ft h et o t a lp r o t e i n so fa f e r r o o x i d a n su n d e rs t r e s sc o n d i t i o no fh i g h c o n c e n t r a t i o no fp 0 4 j f r o mt h en o r m a lc o n d i t i o n t h eh i g h e re x p r e s s e dp r o t e i n sa t e a c hc a s em a yt a k ep a r ti nt h eb i o c h e m i c a lr e a c t i o n ( i n c l u d i n gs u l f u rb i o o x i d a t i o n ) a t i v 博士学位论文a b s t r a c t n o r m a lc o n d i t i o no rr e s p o n s et oa n da d a p tt ot h ee n v i r o n m e n t a ls t r e s sc o n d i t i o n , r e s p e c t i v e l y t h ec e l l u l a ra c c l i m a t i o no fa f e r r o o x i d a n st oe l e m e n t a ls u l f u ra n dt h i o s u l f a t e w e r ee l u c i d a t e di nt e r m so fg r o w t ha n dm o r p h o l o g yo fc e l l sg r o w no ns oo r8 2 0 3 2 。， c h a n g e si ns u r f a c ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fs op a r t i c l e sa n dc e l l st h e m s e l v e s a f t e ri n t e r a c t i o no fb a c t e r i a lc e l l sa n dt h es up a r t i c l e s ，a n dt h ea d s o r p t i o nb e h a v i o ro f t h ec e l l st os up a r t i c l e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f e r r o o x i d a n sc e l l sw e r eg r o w n f a s t e ra n dd e m o n s t r a t e dh i g h e rc o n c e n t r a t i o no ns o l u b l et h i o s u l f a t es u b s t r a t et h a no n n o n - s o l u b l eh y d r o p h o b i cs u l f u rs u b s t r a t e a f e r r o o x i d a n sc e l l sa c c l i m a t e dt ot h e s u l p h u rb i o o x i d a t i o nb ya c t i v e l ye x p r e s s i n gs o m ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e r ss u b s t a n c e ， m a y b es o m ep r o t e i n s ，w h i c hm o d i f i e dt h es u r f a c ep r o p e g i e so fb o t hs u l f u rp a r t i c l e s a n dt h ec e l l st h e m s e l v e s t h ec e l l sa g g r e g a t i n go n t ot h es u l f u rs u r f a c ee n h a n c e dt h e u s eo fs u l f u rs u b s t r a t e t h ea f e r r o o x i d a n sc e l l sw e r ep r e s e n tt h ec h a r a c t e r i s t i c st o d y n a m i c a l l ya d s o r bt oo rd e s o r bf r o mt h es u r f a c eo fs u l f u rp a r t i c l e sw h e r et h e r ew e r e a p p a r e n t l ys o m ep i t s ( 2 ) t h ee x t r a c e l l u l a rp r o t e o m i c so f a f e r r o o x i d a n s i no r d e rt om o r ef a c i l yu n c o v e rt h es u l f u r - o x i d i z i n gr e l a t e d f u n c t i o n a lp r o t e i n s ， t h ep r o t e o m i c so ft h es p e c i f i cc e l l u l a rc o m p a r t m e n t s ，i n c l u d i n ge x t r a c e l l u l a ra n d p e r i p l a s m i cs p a c e ，r a t h e rt h a nt h ep r o t e o m i c so ft h et o t a lc e l l so fa f e r r o o x i d a n sw a s p a r t i c u l a r l ya d o p t e d e x p e r i m e n t sw e r ed e d i c a t e dt od e v e l o p m e n to ff i t t e rm e t h o d s f o rs e l e c t i v e l yi s o l a t i n gt h ee x t r a c e l l u l a rp r o t e i n sa n dp e r i p l a s m i cs p a c ep r o t e i n sf o r t h e i rr o l et om o d i f ys u l f u rp a r t i c l e sa n dt oo x i d i z es u l f u rr e s p e c t i v e l y ，a n do p t i m i z e d t h et w o d i m e n s i o n a le l e c t r o p h o r e s i sp a r a m e t e r s t h e2 - de l e c t r o p h o r e g r a m sc l e a r l ye x h i b i t e daf e wo fe x t r a c e l l u l a rp r o t e i n so fa f e r r o o x i d a n si ns u l f u ra n df e r r o u ss u l f a t ee n e r g ys u b s t r a t e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h e r ew e r ea b o u te i g h t e e np r o t e i ns p o t sw i t hr e l a t i v e l yh i g ha b u n d a n c ei nc e l l sg r o w n o ns u l f u rs u b s t r a t eb u ta b s e n ti nc e l l sg r o w no nf e r r o u ss u l f a t es u b s t r a t e t h e s e p r o t e i ns p o t sw e r ea n a l y z e db ym a l d i t o f t o f t h ei d e n t i f i c a t i o na n dp r e d i c a t i o n o ft h ee x t r a c e l l u l a rp r o t e i n ss h o w e dt h e ma f f i l i a t e dt od i f f e r e n tc a t e g o r i e sa c c o r d i n g t ot h e i rp o t e n t i a lb i o l o g i c a l f u n c t i o n s ，i e a f e 一13 9 1 ：c o n j u g a lt r a n s f e rp r o t e i n ； a f e 一2 6 21 ：p i l i n , p u t a t i v e ；a f e 一18 4 7 ：l i p o p r o t e i n , p u t a t i v e ；a f e 9 8 2 ：v a c j l i p o p r o t e i n ；岖琶9 2 7 ：p o l y s a c c h a r i d ed e a c e t y l a s ef a m i l y p r o t e i n ；a f e 一1 9 3 2 ： s e r t h r p r o t e i np h o s p h a t a s ef a m i l yp r o t e i n ，a n d t h e h y p o t h e t i c a lp r o t e i n s v 博士学位论文 a b s t r a c t a d d i t i o n a l l y ，s i xh y p o t h e t i c a lp r o t e i n s ( o rp e p t i d e s ) w h i c hc o n t a i na b u n d a n to ft h e c y s t e i n er e s i d u e s ，i n d i c a t e st h a tf o u ro ft h e me v e nh a v eo n e o rt w oc x x cf u n c t i o n a l m o t i f s b a s eo nt h i sf a e t , ap u t a t i v ef u n c t i o nm o d ei ns u l f u ra c t i v a t i o no ft h e s e p r o t e i n sw a sp r o p o s e d t h e s er e l a t i v e l yh i g he x p r e s s i o np r o t e i n s ( o rp e p t i d e ) o fc e l l so ns u l f u re n e r g y s u b s t r a t es h o u l dh a v ear e l a t i o n s h i p 谢mt h ea t t a c h m e n t a c t i v a t i o np r o c e s s ，b u tt h e i r s p e c i f i cf u n c t i o n sn e e da f u r t h e rr e s e a r c h ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i z a t i o no fs u l f u ra e t i v a t i o n o x i d i a t i o nr e l a t e dp r o t e i n so r g e n e s t h er e d u c e df o r mo fg l u t a t h i o n e ( g s h ) w a si d e n t i f i e dt op l a yac a t a l y t i cr o l ei n a c e e l e r a t i n gt h ea c t i v a t i o n o x i d i a t i o no ft h ee l e m e n t a ls u l f u ri na c i d i t h i o b a c i l l u s t h e g e n eo f g rf r o ma f e r r o o x i d a n sw a sc l o n e da n de x p r e s s e d i nec o l i i tw a sf o u n dt h a t t h ep u r i f i e dg re x p r e s s e dp r o d u c tw a sa b l et ou s eb o mn a d p ha n dn a d h 嬲t h e e l e c t r o nd o n o 稻，w h i c hw a sd i f f e r e n tf r o mm o s to fp r e v i o u s l ys t u d i e dh o m o l o g o u s g l u t a t h i o n er e d u c t a s e ( g r ) o n ea r g i n i n er e s i d u eo ft h eh i g h l yc o n s e r v e dn a d p h b i n d i n gm o t i f , w h i c hw a sc r i t i c a lf o rn a d p hb i n d i n g ，w a sf o u n dt ob er e p l a c e db ya n a s p a r a g i n er e s i d u e i tw a sp r o p o s e dt h a ts o m et h i o lg r o u p - c o n t a i n i n gp r o t e i n s ( r - s h ) i np e r i p l a s m i c s p a c ea r ce m p l o y e df o rs u l f u rc o m p o u n d so x i d i a t i o ni np e r i p l a s m i cs p a c e ，a n dt h e t h i o l - d i s u l f i d ei n t e r c h a n g ep r o t e i n sa r er e s p o n s i b l ef o rm a i n t a i n i n gh i 曲l e v e lo ff r e e t h i o lg r o u p sa n dt h ef o r m a t i o na n dr e a r r a n g e m e mo fd i s u l f i d eb o n d si np e r i p l a s m i c s p a c e t h eg e n ed s b g ，ad i s u l f i d eb o n d i n gg e n ef r o ma f e r r o o x i d a n sw a sc l o n e da n d e x p r e s s e di nec o l i t h ee n z y m a t i c a ls t u d ys h o w e dt h a tt h ep u r i f i e dd s b go fa f e r r o o x i d a n sh a v et h ed i s u l f i d ei s o m e r i z a t i o na c t i v i t y s i t e - d i r e c t e dm u t a g e n e s i so f t h ed s b gp r o t e i nr e v e a l e dt h a tc y sl 19a n dc y s12 2w e r ec r u c i a lf o rd s b gd i s u l f i d e i s o m e r i z a t i o na c t i v i t y o nt h ei n t e g r a t i o no fb i o i n f o r m a t i v ea n a l y s i so ft h ea f e r r o o x i d a n sg e n o m e a n n o t a t i o n sa n dt h ep u b l i s h e dr e s e a r c hr e s u l t s ，t w oc l u s t e r so fg e n e st h a ta r e p o t e n t i a l l yi n v o l v e di nt h eo x i d a t i o no fr e d u c e ds u l f u rc o m p o u n d s ，i n c l u d i n gt h e s u l f a t e ：t h i o s u l f a t e b i n d i n gp r o t e i nc o d i n gg e n es b m e m b r a n eb o u n d t h i o s u l f a t e ：q u i n o n eo x i d o r e d u c t a s ec o d i n gg e n ed o x d a ，a n dr h o d a n e s e l i k ep r o t e i n c o d i n gg e n ep 2 1 ，w e r ec h o s e na n df u r t h e rv a l i d a t e db yr e v e r s et r a n s c r i p t a s e p c r v i 博士学位论文 a b s t r a c t ( r t - p e g ) i tw a sf o u n dt h a tt h e s et w oc l u s t e r so fg e n e sa r eo r g a n i z e da so p e r o n s d o x d a 1a n dd o x d a - 2i na f e r r o o x i d a n s t h ep o s s i b l ep r o m o t e rs e q u e n c e so ft h e s e d o x d ao p e r o n sw e r ef i n a l l yp r e d i c t e db a s e do nb i o i n f o r m a t i ca n a l y s e s k e y w o r d sa 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 ，c e l l u l a rs u l f u ra c c l i m a t i o n , s u l f u ra c t i v a t i o n ，e x t r a c e l l u l a rp r o t e o m i c s ，d s b g , g d o x d ao p e r o n s v i i 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名：立龇 日期：盟年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 年旦月上日 博士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 金属硫化矿的生物浸出 我国硫化矿资源相当丰富，但其中大部分为低品位和伴生矿物。这些矿物用 传统选冶工艺很难进行经济、绿色、有效地提取。国内外的研究和生产实践表明， 生物浸出技术特别适用于处理这类矿物资源；相对于传统选冶工艺，它具有流程 短、能耗小、成本低、污染少等优点，具有广阔的工业应用前景。因此，开展硫 化矿生物浸出相关的基础和应用研究具有重要的经济和社会意义。 浸矿酸性环境下，金属硫化矿在旷和r e 3 + 作用下，经过硫代硫酸盐途径或多 聚硫化氢途径而分解；浸矿环境中的微生物利用对亚铁或和无机还原性硫化合 物的氧化来提供其生长所需的能量，同时维持浸矿环境中金属离子不断浸出所需 要的高铁离子和质子i l 一。 硫代硫酸盐溶解途径适用于f e s 2 、m o s 2 和w s 2 等金属硫化物的溶解，它完 全基于f e ”对硫元素的氧化作用直至元素硫中的六个电子全部被转移形成 s 2 0 3 厶，将金属元素分离到溶液中去。这个化学反应中还伴随元素硫的产生，金 属硫化物中大约有2 0 的硫变成元素硫。 多聚硫化物溶解途径则适用于z n s 、p b s 、f e a s s 、c i l f e s 2 、m n s 2 、c u s 、 c u 2 s 、n i s 、c o s 和c d s 等众多金属硫化物的溶解，它基于f e ”在矿的协助下 的对金属硫化物的氧化作用，将金属硫化物溶解，其中金属硫化物中大约9 0 硫元素转变为多聚硫( 如图1 1 所示) ，其余则生成少量的$ 2 0 3 厶和元素硫【2 ，3 1 。 2 ms f e 3 + f e 2 + m s 2 峪死崦剐 h s h 2 sf e 3 + f e 2 + 图l 1 多聚硫化物溶解途径示意图 f i g 1 - 1d i a g r a mo f p o l y s u l f i d ed i s s o l u t i o np a t h w a y 图1 1 中强酸h 2 s q 电离产生自由基h s ，后者容易形成h 2 s 2 及后续的多 聚硫化氢；多聚硫化氢不稳定，大多数分解产生元素硫，少量被0 2 或f e 3 + 氧 化成h 2 s 2 0 3 和元素硫1 2 】。这个氧化反应在没有f e 3 + 存在的情况下也能进行，电 子经过导电的硫化物m s 传递到0 2 ，0 2 通过形成超氧自由基和过氧化氢而被还 原成h 2 0 4 1 。然而，浸矿环境中的f e 3 + 更易从m s 晶格中夺取电子。 博士学位论文第一章文献综述 眇j 刊蕊 2 0 3 2 - 舻+ 心s 2 1妒 消解篚唯一途径 一廿眇 嗜酸硫氧化细菌 m i c r o b e s ,0 2 ，眇( m i c r o b e s ) 0 l ，f 矿 ：s n 2 l + ， t h i o s u l f a t e 途径机制p o l y s u l f i d e 途径机制 图1 - 2 金属硫化矿微生物浸出过程的硫代硫酸盐途径机制和多聚硫化物途径机制模式图 f i g 1 - 2t h ed i a g r a mo f t h i o s u l f a t ea n dp o l y s u l f i d ep a t h w a y si n v o l v e di nb i o l e a c h i n go f m e t a l s u l f i d em i n e r a l s 上述两种反应机制都是属于化学反应的范畴；但是，在有微生物参与的情况 下，亚铁氧化细菌( 如a f e r r o o x i d a n s ，l f e r r o o x i d a n s 等) 能够氧化f e 2 + ，保持 f e 3 + 的氧化状态，f e 3 + 主要附合在细菌胞外多聚物的葡萄醛酸残基上。硫氧化细 菌( 如a f e r r o o x i d a n s ，a t h i o o x i d a n s 等) 参与元素硫和其他还原性硫化合物的氧 化，产生旷，保持溶液的酸性环境。如图1 2 所示，在微生物作用下，金属硫 化矿溶解和硫元素氧化的硫代硫酸盐途径和多聚硫化氢途径的模式图【4 5 】：在硫 代硫酸盐途径中，由于f e 3 + 对金属硫化矿中元素硫的有氧氧化，使得金属硫化矿 溶解，同时生成了$ 2 0 3 玉，s 2 0 3 2 进一步被氧化，经由s n 0 6 2 和s 8 最后氧化成s 0 4 2 ； 在多聚硫化物途径中，由于矿的作用和f e 3 + 对金属硫化矿中硫的有氧氧化，使 得金属硫化矿溶解，同时生成了h 2 8 2 或s 8 ，h 2 s 2 或s 8 进一步被氧化，经由s 0 3 2 。 和s 2 0 3 2 。最后生成s 0 4 2 。 1 2 元素硫的化学特性与生物浸出的关联性 金属硫化矿微生物浸出过程中，嗜酸亚铁氧化细菌是浸矿溶液氧化还原电 位的主导者，嗜酸硫氧化微生物负责着转化各种含硫化合物为硫酸，保持酸性浸 矿环境。但在酸性环境下，元素硫的化学性质十分稳定，其消解的唯一途径是通 过嗜酸硫氧化细菌对它的氧化1 6 1 。在这里，嗜酸硫氧化细菌能够通过对各种形态 的含硫化合物的氧化产生多聚硫途径所消耗的质子，以这种