Acidithiobacillus ШоохШапза , ранее не известная как Thiobacillus ШоохШапз до ее реклассификации во вновь назначенного рода Acidithiobacillus в Acidithiobacillia подклассе протеобактерий , [1] являются грамотрицательным , палочковидными бактериямикоторая использует серы в качестве основного источника энергии. [2] Он мезофильный с температурным оптимумом 28 ° C. [2] Эта бактерия обычно встречается в почве, канализационных трубах и пещерных биопленках, называемых соплями . [2] A. thiooxidans используется в горнодобывающей технике, известной какбиовыщелачивание , при котором металлы извлекаются из руд под действием микробов.
Acidithiobacillus thiooxidans | |
---|---|
Научная классификация | |
Королевство: | |
Тип: | |
Класс: | |
Заказ: | |
Семья: | |
Род: | |
Разновидность: | A. thiooxidans |
Биномиальное имя | |
Acidithiobacillus thiooxidans (Келли и Вуд, 2000) | |
Тип штамма | |
DSM 17318 ATCC 19377T DAMS | |
Синонимы | |
Thiobacillus concretivorus Kelly & |
Морфология
A. thiooxidans - это грамотрицательная палочковидная бактерия с закругленными концами, которая встречается в природе либо в виде одноклеточных, что является наиболее распространенным случаем, либо иногда парами, но редко - тройками. [2] Его подвижность обусловлена полярным жгутиком . [2] Это облигатный ацидофил с оптимальным pH менее 4,0, но он также квалифицируется как облигатный аэроб и хемолитотроф . [2] Описанный как бесцветная бактерия , окисляющая серу , A. thiooxidans не накапливает серу ни внутри, ни за пределами своих очень маленьких клеток, средний размер которых составляет около 0,5 мкм в диаметре и 1 мкм или меньше в длину. [2]
Культурные особенности
A. thiooxidans до сих пор не рос на агаре или другой твердой среде , вместо этого он предпочитает жидкую среду с сильным, равномерно распределенным помутнением по всей поверхности и не вызывает образования осадка или роста поверхности. [2] Хотя он не растет на традиционных органических средах, он не будет поврежден средой, содержащей пептон или глюкозу . [2] Среды, наиболее подходящие для его роста, - это неорганические среды , которые позволяют A. thiooxidans использовать серу в качестве источника энергии. [2] Следующие характерные реакции сопровождают рост A. thiooxidans в присутствии трикальцийфосфата : слой на поверхности среды, образованный серой, имеет тенденцию опускаться на дно, трикальцийфосфат растворяется продуктом окисления серы, серная кислота , дающая растворимый фосфат и CaSO 4 + 2 H 2 O, и излучающие моноклинные кристаллы, которые свисают с частиц серы, плавающих на поверхности среды или выступающих вверх со дна, образуются в результате осаждения сульфата кальция . [2] Среда становится кислой с pH около 2,8 и остается неподвижной до тех пор, пока весь фосфат кальция не растворится. [2] Все, что имеет тенденцию к изменению среды в щелочное состояние, будет считаться вредным для равномерного роста A. thiooxidans , но если его не повредить избыток кислоты или щелочи, многочисленные последовательные поколения могут остаться в живых на жидкие среды. [2]
Диапазон температур
Поскольку thiooxidans процветает при оптимальной температуре 28-30 ° C. [2] При более низких температурах (18 ° C и ниже) и при 37 ° C или выше окисление и рост серы происходят значительно медленнее, в то время как температуры от 55 до 60 ° C достаточны, чтобы убить организм. [2]
Метаболизм
A. thiobacillus , строго аэробный вид, связывает CO 2 из атмосферы, чтобы удовлетворить свои потребности в углероде. [2] Кроме того, в различных количествах требуются другие важные питательные вещества. [2] Об ацидофильных микроорганизмах в целом не известно о системах окисления восстановленных неорганических соединений серы (RISC). [3] Fazzini et al . (2013) представили первую экспериментально подтвержденную стехиометрическую модель, которая смогла количественно оценить окисление RISC у A. thiooxidans (штамм DSM 17318), окисляющего серу ацидофильного хемолитотрофного архетипа. Путем анализа литературы и геномного анализа смесь ранее предложенных моделей окисления RISC были объединены и оценены экспериментально, в результате чего частичное окисление тиосульфата системой Sox (SoxABXYZ), наряду с абиотическими реакциями, было центральным этапом модели окисления серы. [3] Эта модель в сочетании с подробной стехиометрией производства биомассы обеспечивает точные прогнозы роста бактерий. [3] Эта модель, которая может быть использована в биогидрометаллургических и экологических приложениях, представляет собой передовой инструмент для оптимизации производства биомассы A. thiooxidans . [3]
Основные питательные вещества
Углерод
A. thiooxidans получает всю энергию, необходимую для удовлетворения своих потребностей в углероде, за счет связывания CO 2 . [2] Можно провести важное различие между сероокисляющими и нитрифицирующими бактериями по их реакции на введение углерода в культуру в форме карбонатов и бикарбонатов . [2] Карбонаты поддерживают щелочную среду , предотвращая рост A. thiooxidans, который лучше всего растет в кислых условиях, в то время как было показано, что бикарбонаты обеспечивают здоровый рост при хранении в небольших концентрациях. [2] Бикарбонат, однако, не нужен, потому что CO 2 из атмосферы кажется достаточным для поддержания роста A. thiooxidans , и на самом деле будет иметь вредный эффект, поскольку он будет иметь тенденцию делать среду менее кислой. [2]
Азот
A. thiooxidans требует лишь небольшого количества азота из-за его небольшого роста, но лучшими источниками являются аммониевые соли неорганических кислот, особенно сульфатов , за которыми следуют аммониевые соли органических кислот , нитраты , аспарагин и аминокислоты . [2] Если в среду не вводится источник азота, наблюдается некоторый рост, при этом A. thiooxidans получает необходимый азот либо из следов атмосферного аммиака , дистиллированной воды, либо из-за загрязнения другими солями. [2]
Кислород
A. thiooxidans обязательно является аэробным, потому что он использует кислород воздуха для окисления серы до серной кислоты . [2]
Влияние органических веществ
В присутствии хорошего источника азота органические вещества, такие как глюкоза , глицерин , маннит и алкоголь, по-видимому, либо действуют аналогично стимуляторам, либо участвуют в структурных потребностях организма, не причиняя вреда A. thiooxidans и, по-видимому, имеют некоторую степень слабости. благоприятное влияние на это. [2]
Энергетический ресурс
A. thiooxidans использует элементарную серу в качестве основного источника энергии и окисляет ее с помощью сульфид-хинонредуктазы и путей sox . [2] Сера окисляется до серной кислоты A. thiooxidans, и высвобождаемая энергия используется для роста и поддержания. [2] Помимо серы, A. thiooxidans может использовать тиосульфат или тетратионат в качестве источников энергии, но рост в жидкой среде на тиосульфате происходит медленно, обычно при благоприятных условиях занимает от 10 до 12 дней, а не только от 4 до 5 дней. для роста элементарной серы, что подтверждается изменением pH и мутностью . [2] A. thiooxidans не способен окислять железо или пирит , но было показано, что он растет на сере из пирита при совместном культивировании с бактерией Leptospirillum ferrooxidans , которая может окислять железо, но не серу. [2]
A. thiooxidans полностью автотрофен, и, хотя глюкоза не причиняет никакого вреда и может быть в некоторой степени полезной, количество продуцируемой кислоты и окисленной серы существенно не различается между культурами, которые содержали или не содержали глюкозу. [2]
Автотрофия
Как автотрофная бактерия A. thiooxidans использует неорганические вещества для удовлетворения своих потребностей в энергии и атмосферный углерод для удовлетворения своих потребностей в углероде. [2] Поскольку A. thiooxidans получает энергию из неорганической элементарной серы, углерода непосредственно из атмосферы, а азота из сульфата аммония и других неорганических солей, а также из-за небольших потребностей в минералах, этот автотрофный микроорганизм, вероятно, был одним из первых аэробов, внесших свой вклад к выветриванию за счет образования серной кислоты, которая взаимодействует с нерастворимыми фосфатами , карбонатами и силикатами .
Филогения
Большая часть информации об Acidithiobacillus поступает из экспериментального и основанного на геноме анализа двух других родственных видов, Acidithiobacillus : A. ferrooxidans и A. caldus . Полная черновая последовательность генома A. thiooxidans ATCC 19377 была определена с использованием стратегии дробовика всего генома, и было обнаружено, что она содержит в общей сложности 3 019 868 пар оснований в 164 контигах . [4] Было обнаружено, что коэффициент GC составляет от 53,1% до 46,9%; [4] 3235 генов, кодирующих белок, были предсказаны в геноме A. thiooxidans , который также содержал 43 тРНК , один полный и один частичный оперон 5S-16S-23S , а также полные наборы генов аминокислот, нуклеотидов , неорганических соединений серы. , и центральный углеродный метаболизм. [4] Геном также содержит гены хиноноксидоредуктазы серы ( sqr ), тетратионатгидролазы ( tetH ) и тиосульфатхинон оксидоредуктазы ( doxD ), а также два кластера генов, которые кодируют комплекс окисления серы SOX (soxYZB-hyp-resB- saxAX-RESC и soxYZA-Hyp-soxB), которые ранее были найдены в А. caldus и Thiobacillus denitrificans , с нейтрофильным окислителем серы. [4] Штаммы Acidithiobacillus thiooxidans были дифференцированы от других родственных Acidithiobacilli , включая A. ferrooxidans и A. caldus , с помощью анализа последовательности ПЦР- амплифицированного межгенного спейсера 16S - 23S рДНК (ITS) и полиморфизма длины рестрикционных фрагментов (RFLP). [5] Штаммы A. thiooxidans, которые были исследованы этими исследователями (изоляты металлических шахт), дали образцы RFLP, которые были идентичны штамму типа A. thiooxidans (ATCC 19377T), за исключением штамма DAMS, который имел отчетливый образец для всех ферменты протестированы. [5] Все три вида Acidithiobacillus были дифференцированы филогенетическим анализом ITS-последовательностей. [5] Размер и полиморфизм последовательности области ITS3 внесли вклад в меж- и внутривидовые генетические вариации, которые были обнаружены в этом анализе. [5] Тесты Мантеля не показали значительной корреляции между сходством последовательностей ITS и географическим происхождением штаммов. [5] Бергамо и др . (2004) пришли к выводу, что спейсерная область 16S-23S рДНК является полезной мишенью для разработки молекулярных методов, направленных на обнаружение, быструю дифференциацию и идентификацию видов Acidithiobacillus .
Снотиты
Снотиты представляют собой высококислотные биопленки (pH 0-1), которые образуются на стенах и потолках богатых сероводородом пещер, где богатые сульфидом источники выделяют газ H 2 S в воздух пещеры. [6] Микробные сообщества сопляков имеют очень низкое видовое разнообразие и в основном состоят из микроорганизмов, окисляющих серу. [7] Окисление сульфидов дает серную кислоту, которая растворяет известняковые стены пещеры. [6] Микрокристаллический гипс выпадает в осадок в виде остатков коррозии, что в конечном итоге ограничивает буферное действие pH нижележащим известняком и способствует образованию чрезвычайно кислых поверхностей стен. [6] A. thiooxidans, как известно, обитает в этих биопленках. Морфология и распределение сноттита в пещерах зависит от наличия углерода, азота и энергетических субстратов в атмосфере. [6] Образования сноттита обычно имеют молочный цвет, подвешены вертикально к потолкам и стенам пещер и имеют консистенцию, похожую на мокроту (отсюда и название). [8]
Пещерная система Фразасси, Италия
Le Grotte di Frasassi (пещеры Фразасси) расположены в Апеннинских горах в регионе Марке в центральной Италии. [7] Эта пещерная система была сформирована в процессе сернокислотного спелеогенеза из-за сернокислых микроорганизмов. [7] Соплицы в пещерах Фразасси очень вязкие с диапазоном pH 0-2,5. [6] Наиболее многочисленные бактериальные последовательности 16S рРНК (> 98% сходства 16S рРНК) у соплей, собранных по всей пещерной системе Фразасси, являются родственниками A. thiooxidans и родов Acidimicrobium и Ferrimicrobium (семейство Acidimicrobiaceae, Actinobacteria). [6] FISH-анализ образцов соплей показал, что Acidithiobacillus и Acidimicrobiaceae являются наиболее многочисленными популяциями бактерий в пещерах. [6] В популяциях биопленок в системе пещер Фразасси преобладают A. thiooxidans (> 70% популяции клеток) с меньшими популяциями, включая архея в некультивируемой кладе G-плазмы Thermoplasmatales (> 15%) и бактерии в семейство Acidimicrobiaceae (> 5%). [6] Acidithiobacillus считается основным продуцентом и архитектором соплей. [6]
Биовыщелачивание
Биовыщелачивание - это метод добычи, при котором металлы извлекаются из нерастворимых руд с помощью живых организмов путем биологического окисления. Этот метод неуклонно совершенствовался за последние 20 лет за счет использования таких бактерий, как A. thiooxidans. Биодобыча позволила солюбилизировать руды с низким содержанием полезных ископаемых. По сравнению с традиционными процедурами плавления и извлечения, биовыщелачивание намного дешевле и не выделяет столько токсичных веществ в окружающей среде, но требует больше времени. Биовыщелачивание включает по крайней мере три важных подпроцесса, а именно: атаку сульфидного минерала, микробное окисление двухвалентного железа и некоторое количество серы. [9] Общий процесс происходит по одному из двух путей в зависимости от природы сульфидного минерала: путь через тиосульфат, приводящий к образованию сульфата, или путь политионата, приводящий к образованию элементарной серы. [9]
Рекомендации
- ^ Келли, Донован П .; Вуд, Энн П. (2000). «Реклассификация некоторых видов Thiobacillus в недавно обозначенные роды Acidithiobacillus gen. Nov., Halothiobacillus gen. Nov. И Thermithiobacillus gen. Nov» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 50 (2): 511–516. DOI : 10.1099 / 00207713-50-2-511 . PMID 10758854 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae Waksman, Selman A .; Иоффе, JS (1922). «Микроорганизмы, участвующие в окислении серы в почве: II. Thiobacillus thiooxidans , новый организм, окисляющий серу, изолированный из почвы» . Журнал бактериологии . 7 (2): 239–256. DOI : 10.1128 / JB.7.2.239-256.1922 . PMC 378965 . PMID 16558952 .
- ^ а б в г Фаццини, Роберто AB; Кортес, Мария П .; Падилья, Леандро; Матурана, Даниэль; Будинич, Марко; Маасс, Алехандро; Парада, Пилар (2013). «Стехиометрическое моделирование окисления восстановленных неорганических соединений серы (RISC) в Acidithiobacillus thiooxidans ». Биотехнология и биоинженерия . 110 (8): 2242–2251. DOI : 10.1002 / bit.24875 . PMID 23436458 . S2CID 828670 .
- ^ а б в г Вальдес, Хорхе; Франсиско Оссандон; Ракель Кватрини; Марк Допсон; Дэвид С. Холмс (2011). «Проект последовательности генома чрезвычайно ацидофильной биомассы Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 19377 дает представление об эволюции рода Acidithiobacillus» . Журнал бактериологии . 193 (24): 7003–7004. DOI : 10.1128 / JB.06281-11 . PMC 3232857 . PMID 22123759 .
- ^ а б в г д Бергамо, Rogério F .; Ново, Мария Тереза М .; Verissimo, Ricardo V .; Paulino, Luciana C .; Стоппе, Нэнси К.; Сато, Мария Инес З .; Manfio, Gilson P .; Инасио Прадо, Пауло; Гарсия-младший, Освальдо; Оттобони, Лаура ММ (2004). «Дифференциация штаммов Acidithiobacillus ferrooxidans и A. thiooxidans на основе анализа полиморфизма спейсера 16S-23S рДНК». Исследования в области микробиологии . 155 (7): 559–567. DOI : 10.1016 / j.resmic.2004.03.009 . PMID 15313256 .
- ^ Б с д е е г ч I Джонс, Дэниел С; Хайди Л. Альбрехт; Кэтрин С. Доусон; Ирен Шапердот; Кэтрин Х. Фриман; Юндан Пи; Энн Пирсон; Дженнифер L Macalady (январь 2012). «Общинный геномный анализ чрезвычайно ацидофильной биопленки, окисляющей серу» . Журнал ISME . 6 (1): 158–170. DOI : 10.1038 / ismej.2011.75 . PMC 3246232 . PMID 21716305 .
- ^ а б в Джонс, Дэниел С. «Геомикробиология сильно кислых, свисающих биопленок (« снотитов ») из пещер Фразасси, Италия» (PDF) . www.carleton.edu . Карлтонский колледж . Проверено 9 ноября 2013 года .
- ^ Хосе, Луиза Д; Джеймс А. Писарович (апрель 1999 г.). "Куэва-де-Вилья-Луз, Табаско, Мексика: разведывательное исследование пещеры и экосистемы активного серного источника" (PDF) . Журнал исследований пещер и карста . 61 (1): 13–21 . Проверено 9 ноября 2013 года .
- ^ а б Hansford, GS; Т. Варгас (февраль 2001 г.). «Химические и электрохимические основы процессов биовыщелачивания». Гидрометаллургия . 59 (2–3): 135–145. DOI : 10.1016 / S0304-386X (00) 00166-3 .
- Уильямс, КП; Келли, Д.П. (2013). «Предложение по новому классу внутри филума Proteobacteria, Acidithiobacillia classis nov., С указанием типа Acidithiobacillales и исправленным описанием класса Gammaproteobacteria». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 63 (8): 2901–2906. DOI : 10.1099 / ijs.0.049270-0 . PMID 23334881 .
Внешние ссылки
- Типовой штамм Acidithiobacillus thiooxidans в BacDive - База метаданных по разнообразию бактерий