微生物生态学-3.3在强酸环境中的微生物1

氧化亚铁硫杆菌
第四节 在强碱环境中的微生物
• 在地球上高碱性环境不多； • 最有名的强碱环境是石灰湖
（Soda lakes）和沙漠，pH在10 左右； • 某些稀碱性的泉水、沙漠土壤和 含有正在腐烂蛋白质的土壤也是 碱性环境； • 人工造成的碱性环境：食品和其 他工厂排出的废水。
这些环境中的碳酸盐是造成高pH的原因，分离嗜碱微生物的培养 基中必须含有碳酸盐
• 专性嗜碱微生物：一般情况下在pH≤7 时不能生长，最适生长的pH值9左右， pH10以上还能生长的微生物。
嗜碱菌的分布
•天然碱湖中存在广谱微生物； •含盐量低的碱湖以耐盐碱藻类为主； •高盐碱湖以厌氧光合细菌、嗜盐、嗜盐 碱古细菌为主；
Bacillus
巴氏芽孢杆菌
pH 9.0~10.0
坚强芽孢杆菌
嗜酸硫杆菌的煎鸡蛋形菌落
• 极端酸性环境都含有硫酸根离子，而且有机物 浓度很低;
• 在废煤矿中，含有高浓度的硫酸（pH1.5-4）、 铁，是由于自养的硫杆菌氧化硫化矿中含硫化 合物的结果
• 酸性环境中还存在氧化亚铁钩端螺旋菌，氧化 二价铁为三价铁，分解黄铁矿，不能直接氧化 硫
❖ 嗜酸真核微生物：椭圆酵母、点滴酵母、酿酒 酵母可分别在pH2.5，2和pH1.9中生长
❖ 在pH2的废铜矿中可以分离到红酵母 ❖Acontium velatium和头孢霉可在1.25 mol/L的
硫酸中生长，培养基中含有4％的硫酸铜，是 目前发现的抗酸能力最大的微生物
• 藻类
• 从酸性温泉中可以分离到Cyanidium caldarium，最适生长pH2－3，在pH5以 上不能生长
CuSO4 + Fe — FeSO4 + Cu
用这类微生物来开矿冶金称为细菌冶金，是开采贫矿和尾矿的有效 办法，用细菌浸出Cu的速度比完全氧化快56－60倍。
煤和石油脱硫
利用嗜酸热硫化叶菌氧化无机硫和有机硫化物， 减少二氧化硫污染。
生产肥料
利用硫杆菌氧化元素硫或硫化物产生硫酸，来分解 磷矿粉，提高高氟硫酸钙的溶解度，提高肥效。
• 嗜酸细菌通过长期进化适应了SO42-环境，并且细 胞中存在有某种活力很大的去除SO42-的体系；另 外SO42-极性大，透过脂类双层膜的非特异性穿透 能力较小。
三、嗜酸菌的应用
• 细菌冶金
氧化Fe 2+和S0的细菌能产生酸性的含有Fe3+的溶液， Fe3+可氧化矿石的大量成分，能使Cu2+，U4+，Sn2+，
• 嗜酸细菌的细胞壁和细胞膜中含有一些特殊的化 学成分，能抗酸。 硫杆菌的外膜LPS含有较少的磷、使细胞膜稳定; 硫化叶菌细胞膜中含C40的烷基甘油二醚，这种长 碳氢 链使生物膜在高温下保持流动性; 硫脂、环丙烷脂肪酸；
• 含有抗酸水解的蛋白质，如氧化硫硫杆菌的鞭毛能 抗强酸和高温，是该菌能合成抗酸水解的蛋白质;
• 专性嗜酸微生物
必须在pH≤3的环境中才能生长的微生物
化能自养菌
Fe(Ⅱ)氧化菌
嗜 T. ferooxidans
嗜中温菌
酸 氧化亚铁硫杆菌
微 Fe(Ⅱ)和S0氧化菌
生 T. ferooxidans S. acidocaldarius
物 嗜酸热硫化叶菌
嗜热菌
类 S0氧化菌
型 Thiobacillus sp
某些环境中的嗜碱菌还是嗜盐菌，如石灰湖中的嗜碱菌，培养 基中需添加氯化钠
一、在强碱环境中的微生物
嗜碱微生物（Alkalophilic microorganisms）是指 碱性环境中最适生长的微生物，可区分为耐碱菌和 专性嗜碱菌。
• 耐碱微生物：在pH8.5～9.0之间最适生 长，中性条件下亦能生长的微生物。
生成的Fe2（SO4 ）3是强氧化剂和溶剂，可溶解矿石。如溶解铜矿 （CuS），从中浸出铜元素。
CuS+ Fe2（SO4 ）3 → Cu SO4 + 2FeSO4 + S
溶出的Cu SO4 液再加入铁屑、废铁等便可将铜置换出来。生成的FeSO4和 可在这类细菌作用下再次氧化成H2SO4和Fe2（SO4 ）3，而循环使用。
嗜碱芽孢杆菌
球形芽孢杆菌
pH 11
泛酸芽孢杆菌
pH 11
B.rotans
pH 11
黄杆菌（碱性泉水中） pH 11.4
放线菌
pH 7.0～11.0
蓝细菌
Baidu Nhomakorabea
螺旋藻（石灰湖富营 pH 8.0～11.0，耐盐2～7％ 养化的蓝细菌）
念珠织线藻
pH 13 抗最高pH值的微生物
嗜碱光合细 外硫红螺菌属
菌
Zn2+，Ni2+，呈可溶状态
利用氧化亚铁硫杆菌通过微生物沥取法可以从低 含量的矿物中大量提取Cu，能耗小。
如FeO硫杆菌可把可将S或硫代硫酸盐氧化成硫酸和将氧化亚铁氧化成高铁 的能力，氧化率达95－100％并放出能量
2FeS2+7O2 +2HO2 → 2FeSO4 + 2H2SO4 2FeSO4 + 2H2SO4 + 1/2O2 →Fe2（SO4 ）3 +HO2
嗜中温菌
Thiomicrospora
异养菌
A. coyptum
嗜中温菌
Th. acidophilum
嗜中温菌
B. acidocaldrius
酸热芽孢杆菌
嗜热菌
黄铁矿环境
地热地区
与T.ferooxidans培养物有关 煤排出物 含S0的温泉
专性嗜酸微生物
❖嗜酸细菌：氧化硫硫杆菌、 氧化亚铁硫杆菌、酸热芽胞 杆菌
第三节 在强酸环境中的微生物
酸性环境： 废煤堆及其排出水， 酸性温泉， 废铜矿及其排出水
美国黄石国家公园的温泉
一、酸性环境中的微生物
嗜酸菌是一种能在低pH条件下生长和繁 殖的极端环境微生物，通常在pH2～5生 长很好，pH5.5以上生长不好。
一、酸性环境中的微生物
• 抗酸微生物
能在强酸环境中生长或生存，但是最适 生长pH在4～9之间的微生物
二、微生物抗酸的分子机理
环境中的H＋影响细胞表面的电荷平衡，影响细胞的稳定性， 与营养物反应使细胞无法利用营养物质，还会使无毒化合 物有毒，水解细胞中的高分子多聚物，使细胞死亡。
嗜酸菌细胞质pH值为7，细胞内的大多酶最适 pH值也接近7，要求细胞壁或细胞膜能通过某些 方式阻止环境中H＋进入细胞
• 嗜酸菌细胞表面上存在有大量的重金属离子，如 Cu2+，可以与周围H+进行交换，从而阻止H+对 细胞的损伤；许多嗜酸菌能抗高浓度的重金属离 子