一種新型凝固劑在固體平板分離極端浸礦菌中應(yīng)用潛力研究

夏金蘭，潘佳民，鞏三強(qiáng)，金雪潔，聶珍媛，閆藝贏，邱冠周

（1. 中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2. 生物冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

一種新型凝固劑在固體平板分離極端浸礦菌中應(yīng)用潛力研究

夏金蘭1,2，潘佳民1，鞏三強(qiáng)1，金雪潔1，聶珍媛1，閆藝贏1，邱冠周1,2

（1. 中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2. 生物冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

利用一種新型、耐高溫、耐酸的基質(zhì)作凝固劑，設(shè)計(jì)了一種新型的分離純化極端浸礦菌的固體平板培養(yǎng)基。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水盤培養(yǎng)法，成功的實(shí)現(xiàn)了高溫嗜熱浸礦菌、中等嗜熱浸礦菌以及嗜中溫浸礦菌的固體平板培養(yǎng)及純化。待試驗(yàn)的三種極端浸礦菌：高溫嗜熱浸礦菌萬(wàn)座酸菌（Acidianus manzaensis）、中等嗜熱浸礦菌 (Ferroplasma thermophilum L1)、嗜中溫浸礦菌(來(lái)自實(shí)際礦山酸性礦坑水)都能在此固體培養(yǎng)基表面形成圓形粘液狀米黃色菌落；菌落掃描電鏡結(jié)果表明：菌落內(nèi)部結(jié)合較為松散，單個(gè)細(xì)菌通過(guò)胞外附屬結(jié)構(gòu)或物質(zhì)與培養(yǎng)基基質(zhì)緊密結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該固體培養(yǎng)基在浸礦菌分離純化、菌種鑒定、以及遺傳改良等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

凝固劑; 固體培養(yǎng)基; 浸礦微生物; 掃描電鏡

近年來(lái)，金屬硫化礦的生物浸出技術(shù)因其環(huán)境友好型以及低成本而成為礦冶技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。目前，生物浸出技術(shù)的研究幾乎涉及整個(gè)硫化礦、鈾礦、錳礦等。但有工業(yè)化應(yīng)用的僅限于銅、金以及鈾礦。銅、金礦生物浸出產(chǎn)業(yè)以初具工業(yè)化規(guī)模。生物浸出技術(shù)作為一項(xiàng)綠色礦產(chǎn)資源綜合利用技術(shù)，具備廣闊的應(yīng)用潛力[2]。

但是，現(xiàn)階段生物浸出技術(shù)浸出速率慢，是限制其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的最主要因素。其關(guān)鍵是對(duì)浸礦微生物浸礦機(jī)理知之甚少以及現(xiàn)有的菌種資源氧化活力低下，其根本原因是沒(méi)有很好的方法或固體培養(yǎng)基獲得大量有特色的菌落以供菌株篩選、選育及遺傳特性研究[3]。

近些年來(lái)，隨著分子生物學(xué)技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)在微生物分離檢測(cè)中的應(yīng)用，越來(lái)越多的極端微生物被檢測(cè)到，并且隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，許多微生物從不可培養(yǎng)狀態(tài)達(dá)到了可培養(yǎng)狀態(tài)，對(duì)新分離純化出的極端菌的性質(zhì)的研究也取得了許多新進(jìn)展。但是這些技術(shù)由于條件要求苛刻，操作繁瑣，另外獲得的純培養(yǎng)物很難進(jìn)行遺傳操作，很難在實(shí)驗(yàn)室推廣。因此，大多數(shù)研究者依然采用固體培養(yǎng)基分離純化極端微生物。浸礦菌相對(duì)其他極端菌而言，固體純培養(yǎng)更加困難，有的學(xué)者甚至認(rèn)為浸礦菌不能實(shí)現(xiàn)固體純培養(yǎng)。其難度有三方面:首先是固體培養(yǎng)基難以制作，原因是沒(méi)有一種常用的固體凝固劑可適用于自養(yǎng)浸礦菌種；其次是培養(yǎng)基的能源問(wèn)題，可供選擇的種類太少，尤其是水溶性種類更少，非水溶性在固體培養(yǎng)基中易沉降，分布不均，而且這些種類化學(xué)性質(zhì)多不穩(wěn)定，易氧化、易分解，不能高溫滅菌，如硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉和硫酸亞鐵；三是培養(yǎng)條件要求高，培養(yǎng)溫度高，但生長(zhǎng)緩慢，而且要求通氧性好，因此培養(yǎng)基易干燥。其中最難克服、研究最多的是凝固劑[4,5]。

Khalid A M等利用脫乙酞吉蘭糖膠(Gelrite)做凝固劑[6]，由于該凝固劑可減免對(duì)浸礦自養(yǎng)菌的抑制作用，有較高的克隆率，而且轉(zhuǎn)培養(yǎng)性能較好好，因此被認(rèn)為是目前較理想的凝固劑。但是，到目前為止，國(guó)內(nèi)仍然未完全解決浸礦自養(yǎng)菌固體純培養(yǎng)問(wèn)題，浸礦菌純培養(yǎng)任然是限制理論與應(yīng)用研究的“瓶頸”[7,8]。

本論文通過(guò)前期大量的探索，找到了一種新型、耐高溫、耐酸的凝固劑[9],在此基礎(chǔ)上，通過(guò)大量試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種新型的分離純化極端浸礦微生物的固體平板培養(yǎng)基及培養(yǎng)方法。利用該固體培養(yǎng)基及培養(yǎng)方法，成功的實(shí)現(xiàn)了高溫嗜熱浸礦菌萬(wàn)座酸菌（Acidianus manzaensis）、中等嗜熱浸礦菌（Ferroplasma thermophilum L1）以及嗜中溫浸礦菌(來(lái)自實(shí)際酸性礦坑水樣品)的固體平板培養(yǎng)及純化，首次獲得浸礦菌在固體培養(yǎng)基表面的菌體形貌圖。菌落以及菌落液體再培養(yǎng)物掃描電鏡結(jié)果（見(jiàn)圖2，圖3）進(jìn)一步證實(shí)了該方法的可靠性。結(jié)果表明：該培養(yǎng)基具有一定的普適性，在極端嗜熱/嗜酸，中度嗜熱嗜熱/嗜酸及嗜中溫浸礦細(xì)菌的分離純化、改良、浸礦機(jī)理等研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

菌種：高溫嗜熱浸礦菌萬(wàn)座酸菌（Acidianus manzaensis），最適生長(zhǎng)溫度65 ℃,最適pH=1.5（以亞鐵為能源）。中等嗜熱浸礦菌 (Ferroplasma thermophilum L1)，最適生長(zhǎng)溫度 45 ℃，最適pH=1.0。菌種由教育部生物冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供,嗜中溫浸礦菌(來(lái)自實(shí)際礦山酸性礦坑水)。

基礎(chǔ)培養(yǎng)基：（9K培養(yǎng)基)3 g/L (NH4)2SO4，0.1 g/L KCl，0.5 g/L K2HPO4，0.5 g/L MgSO4·7H2O，0.01 g/L Ca(NO3)2，0.1 g/L 酵母浸出液。（所有藥品均為分析級(jí)，購(gòu)自天津大茂)。

凝固劑：一種新型、耐高溫、耐酸凝固劑[9]。

儀器與設(shè)備：高溫油浴搖床（SHA-GW），隔水式恒溫培養(yǎng)箱（上海一恒-9050），酸度計(jì)（SARTORIUS PB-10），自制水盤,掃描電鏡（SEM，JEOLJSM6360 LV）。

1.2 凝固劑相關(guān)參數(shù)的測(cè)定

按照表1設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，初步確定凝固劑凝固條件。

表1 凝固劑相關(guān)參數(shù)的確定（凝固劑含量、pH、鈍化溫度對(duì)凝固劑凝固的影響）Table 1 Determine of coagulator parameters ( Effect of coagulator content, pH and deactivation temperature on the solidification of coagulator )

1.3 培養(yǎng)基的制作及最佳菌落形成條件的確定

按照下述過(guò)程制作固體培養(yǎng)基，按照表2優(yōu)化菌落形成條件。

A液：600 mL蒸餾水，調(diào)pH值，加入凝固劑（培養(yǎng)基成分優(yōu)化見(jiàn)表2）。

B液：9 K營(yíng)養(yǎng)鹽液350 mL，調(diào)pH值、添加硫氰酸鉀、酵母浸出液。

C液：50 mL 9 K營(yíng)養(yǎng)鹽液中加入一定量的硫酸亞鐵，待其全部溶解后，采用0.22 μm濾膜過(guò)濾除菌。

（A、B液121 ℃滅菌20 min，冷卻至80 ℃左右，A、B、C液紗布過(guò)濾混合，倒制平板（9 cm)，每板大約25 mL。）

表2 菌落最佳形成條件的優(yōu)化Table 2 Optimizing conditions for colony formation

1.4 極端浸礦菌平板培養(yǎng)及純化方法

1.4.1 菌種活化

高溫嗜熱浸礦菌萬(wàn)座酸菌（Acidianus manzaensis）、 中 等 嗜 熱 浸 礦 菌 (Ferroplasma thermophilum L1)，在以 FeSO4·7H2O（22.2 g/L)為能源基質(zhì)的9 K培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)活化，采用血小板計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，待其進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，轉(zhuǎn)接，如此重復(fù)3次。

1.4.2 系列稀釋及涂布平板

取對(duì)數(shù)期的菌種，系列稀釋，分別吸取 1 mL 10-2、10-3稀釋液于固體培養(yǎng)基中，涂布平板。嗜中溫菌 (來(lái)自實(shí)際礦山酸性礦坑水) 直接吸取 1 mL，涂布平板（設(shè)置3個(gè)平行，1組空白對(duì)照）。

1.4.3 培養(yǎng)方法

平板倒置均勻放入自制水盤，高溫嗜熱浸礦菌萬(wàn)座酸菌（Acidianus manzaensis）于65 ℃培養(yǎng)，中等嗜熱浸礦菌 (Ferroplasma thermophilum L1) 于52℃培養(yǎng)。每隔24 h，向自制水盤中添加1次水，保持水盤濕度。嗜中溫菌于37 ℃培養(yǎng)。觀察，照片，統(tǒng)計(jì)菌落生長(zhǎng)情況。

1.4.4 細(xì)菌再培養(yǎng)獲得純培養(yǎng)

小心挑取單菌落于液體9 K培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)(以 FeSO4·7H2O為能源（22.2 g/L)），重復(fù)以上步驟，鏡撿，最終獲得純培養(yǎng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝固劑相關(guān)凝固參數(shù)

通過(guò)初步試驗(yàn)，確定凝固劑在水作為溶劑的條件下的凝固參數(shù)為：凝固劑含量>21 g/L、2.090 ℃。

2.2 培養(yǎng)基的制作及最佳菌落形成條件

綜合考慮到浸礦菌生長(zhǎng)的環(huán)境條件及實(shí)驗(yàn)室保藏的菌種的最佳生長(zhǎng)條件，并參考丁建南，張?jiān)诤５萚6,7]浸礦微生物分離純化方法,設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的配制方法、初始pH以及營(yíng)養(yǎng)鹽和硫氰酸鉀的大致范圍。

2.2.1 A、B、C液組合方式對(duì)培養(yǎng)基凝固性的影響見(jiàn)表3。

表3 A、B、C液組合方式對(duì)培養(yǎng)基凝固性的影響Table3 Effect of combination of A,B,C liquid on the solidification of coagulator

2.2.2硫氰酸鉀添加量對(duì)培養(yǎng)基凝固效果和菌落形成的影響

采用C組合方式，硫氰酸鉀添加量設(shè)置5個(gè)濃度梯度，其它成分不變，考察硫氰酸鉀對(duì)菌落形成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 硫氰酸鉀添加量對(duì)培養(yǎng)基凝固效果和菌落形成的影響Table 4 Effect of additive amount of potassium rhodanide on the solidification of coagulator and colony formation

表4結(jié)果表明：在一定濃度范圍之類，硫氰酸鉀對(duì)菌落的形成具有促進(jìn)作用。硫氰酸鉀添加量為6 g/L時(shí)，浸礦菌在培養(yǎng)基表面能形成黃色較大的菌落。硫氰酸鉀含量過(guò)高時(shí)，菌落小且成分散狀，難以形成固著的較大菌落?？赡苡捎诠腆w培養(yǎng)基限制了傳質(zhì)速率，導(dǎo)致亞鐵的快速氧化和鐵帆的迅速產(chǎn)生，近一步引起培養(yǎng)基局部pH急劇變化，而不利于細(xì)菌菌落的形成，加入一定量的硫氰酸鉀，硫氰酸鉀可能與 Fe3+形成絡(luò)合物，充當(dāng)緩沖劑的角色，另一方面，也可以減輕 Fe3+對(duì)亞鐵氧化酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制，從而有利于菌落的形成。而加入過(guò)量的硫氰酸鉀，可能K+對(duì)細(xì)菌具有一定的抑制作用，反而不利于菌落的形成。

2.2.3 硫酸亞鐵添加量對(duì)培養(yǎng)基形態(tài)和菌落形成的影響

采用 C組合方式，硫酸亞鐵添加量設(shè)置五個(gè)梯度，其它成分不變，硫氰酸鉀添加量為6 g/L，考察能源底物硫酸亞鐵對(duì)菌落形成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 硫酸亞鐵添加量對(duì)培養(yǎng)基形態(tài)和菌落形成的影響Table 5 Effect of additive amount of ferrisulphas on culture medium form and colony formation

表5結(jié)果表明：硫酸亞鐵含量為10 g/L時(shí)菌落較大，且數(shù)目較多，硫酸亞鐵含量較高或低都不利于菌落的產(chǎn)生?？赡苡捎?，亞鐵濃度過(guò)低時(shí)，細(xì)菌氧化性降低，繁殖速度下降，亞鐵濃度過(guò)高時(shí)，細(xì)菌氧化速率增強(qiáng)，引起細(xì)菌接種的局部區(qū)域pH 急劇上升，同時(shí)Fe3+大幅度增加，所后導(dǎo)致鐵帆大量產(chǎn)酸，使pH急劇下降，而不利于細(xì)菌菌落的形成。2.2.4 培養(yǎng)方式對(duì)培養(yǎng)基形態(tài)和菌落形成的影響

采用C組合方式，其它成分不變，硫氰酸鉀添加量為6 g/L，硫酸亞鐵添加量為10 g/L。探索培養(yǎng)方式對(duì)菌落形成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 培養(yǎng)方法對(duì)培養(yǎng)基形態(tài)和菌落形成的影響Table 6 Effect of culture methods on culture medium form and colony formation

表6結(jié)果表明：自制水盤能很好的保持培養(yǎng)基內(nèi)水分，進(jìn)而促使菌落的形成。

2.3 細(xì)菌再培養(yǎng)獲得純培養(yǎng)

挑取單菌落，進(jìn)行液體再培養(yǎng)，重復(fù)以上步驟，反復(fù)鏡檢，直至獲得純培養(yǎng)。細(xì)菌再培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)及掃描電鏡結(jié)果表明：?jiǎn)尉浣?jīng)過(guò)多代再培養(yǎng)后能在合成培養(yǎng)基上形成黃色純菌落（見(jiàn)圖1(a)），菌落直徑>2 mm。浸礦菌與培養(yǎng)基基質(zhì)通過(guò)細(xì)胞外附屬結(jié)構(gòu)或物質(zhì)緊密吸附、整個(gè)菌落呈現(xiàn)圓形米黃色粘液狀(見(jiàn)圖2(e))。

2.4 固體培養(yǎng)基及培養(yǎng)方法普適性研究

中等嗜熱浸礦菌 (Ferroplasma thermophilum L1)培養(yǎng)溫度為52 ℃，嗜中溫浸礦菌培養(yǎng)溫度為37 ℃，其它培養(yǎng)基制作與培養(yǎng)條件與嗜高溫浸礦菌一致。通過(guò)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)中等嗜熱浸礦菌 (Ferroplasma thermophilum L1)、嗜中溫浸礦菌都能在固體平板表面形成與嗜高溫浸礦菌性質(zhì)相似的菌落（見(jiàn)圖1(b)、(c)）。

圖2 浸礦菌在固體培養(yǎng)基表面單個(gè)菌體掃描電鏡圖Fig.2 Single colony scanning electron micrographs of bioleaching bacteria on the solid media surface

圖3 浸礦菌液體培養(yǎng)物電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Liquid medium electron micrographs of bioleaching bacteria

3 結(jié) 論

（1）采用一種新型耐高溫、低酸凝固劑，設(shè)計(jì)了一種新型的分離純化極端浸礦微生物的固體平板培養(yǎng)基。優(yōu)化后培養(yǎng)基配方及制作方法如下：

A液：600 mL蒸餾水，調(diào)pH=2.5，加入凝固劑21 g/L。

B液：9K營(yíng)養(yǎng)鹽液350 mL，調(diào)pH=1.8，添加硫氰酸鉀6 g/L。

C液：硫酸亞鐵10 g，加入 50 mL 9K（pH=1.8）營(yíng)養(yǎng)鹽液，0.22 μm濾膜過(guò)濾除菌。

A、B液121 ℃滅菌20 min，冷卻至80 ℃左右，A、B、C液紗布過(guò)濾混合均化，倒制平板（9 cm)，每板大約25 mL。

（2）利用該培養(yǎng)基，結(jié)合水盤培養(yǎng)法及微生物分離純化技術(shù)，通過(guò)培養(yǎng)獲得高溫嗜熱浸礦菌、中等嗜熱浸礦菌以及嗜中溫浸礦菌的固體平板單一菌落，通過(guò)反復(fù)分離最終獲得浸礦菌純培養(yǎng)。掃描電鏡及實(shí)際菌落形態(tài)照片表明：浸礦菌在固體平板表面形成圓形粘液狀米黃色菌落，菌落內(nèi)部結(jié)合較為松散，菌落直徑可達(dá)2 mm左右，單個(gè)細(xì)菌通過(guò)胞外附屬結(jié)構(gòu)或物質(zhì)與培養(yǎng)基基質(zhì)緊密相連。

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Application Potential of a New-type Coagulator for Purifying Bioleaching Microorganisms by the Solid Plate Method

XIA Jin-Lan1,2，PAN Jia-Min1， GONG San-Qiang1，JIN Xue-Jie1，NIE Zhen-Yuan1，YAN Yi-Ying1，QIU Guan-Zhou1,2
（1. Central South University, Hu’nan Changsha 410083, China；2. Key Laboratory of Biometallurgy of Ministry of Education, Hu’nan Changsha 410083, China）

A kind of solid plate culture medium for purifying bioleaching microorganisms was designed by using a new high temperature resistance and acid resistance coagulator. Combined with the water-dish culture method,solid plate culture and purifying of thermophilic bioleaching bacteria(Acidianus manzaensis), midthermophilic bioleaching bacteria(Ferroplasma thermophilum L1) ,mesophilic bioleaching bacteria (from the natural acid mine drainage) were realized. The scanning electron microscope revealed that the colony inner was incompact, bacteria in the colony tightly adhered to stroma of the solid plate by extracellular appendages. These results indicate that the new solid plate will have great potential for screening, identification, genetic engineering of leaching bacteria.

Coagulator； Solid culture medium； Bioleaching bacteria； Scanning electron microscope

TQ 314

A

1671-0460（2012）06-0624-06

2012-03-10

夏金蘭（1964-），男，湖南株洲人，教授，博士學(xué)位，1988年畢業(yè)于武漢大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，研究方向是極端環(huán)境微生物及其應(yīng)用基礎(chǔ)。E-mail：jlxia@mail.csu.edu.cn。

潘佳民（1983-），男，碩士，研究方向:微生物學(xué)。E-mail：panjia_9@163.com。