中國微生物菌種查詢網(wǎng) 當(dāng)今世界的礦產(chǎn)資源日益枯竭，原礦品位不斷降低，性質(zhì)越來越復(fù)雜，有用礦物的嵌布粒度越來越細，給開采和選礦造成極大的困難，人們不得不把眼光投向低品位的礦石和大量的尾礦，研究采用微生物礦物技術(shù)開發(fā)利用貧礦資源。在此情況下，微生物在礦物分離方面的作用逐漸引起人們的重視，它既可用于礦物的就地浸出，也可用于礦物、廢水廢渣處理，回收有用礦物，并且微生物浸礦具有生產(chǎn)成本低、投資少、工藝流程短、設(shè)備簡單、環(huán)境友好、能處理復(fù)雜多金屬礦物等優(yōu)點，因此細菌浸礦的廣泛應(yīng)用，將引起傳統(tǒng)礦物加工產(chǎn)業(yè)的重大變革，為人類、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展開辟廣闊的前景。
然而礦物微生物技術(shù)的不足之處是微生物浸出速率較慢、生產(chǎn)周期長，其關(guān)鍵是所使用的菌種活性不高，多為天然的菌種或經(jīng)人工馴化的菌種。工業(yè)上微生物選育成功的例子遍布整個微生物工業(yè)史，如發(fā)酵制藥業(yè)的青霉素從20個單位提高到60000個單位，但對于自養(yǎng)型浸礦菌種，由于其特殊的生存環(huán)境要求和特別緩慢的生長，使得它們難以培養(yǎng)。因此，難以研究它們的生理生化反應(yīng)和遺傳基礎(chǔ)以及作進一步的遺傳改良?？蒲腥藛T在提高浸礦微生物菌種活性工作方面作了許多工作，本文對生物冶金菌種及其選育研究現(xiàn)狀作了簡要的回顧與分析，這些選育方法包括菌種馴化、誘變和基因工程，并提出了今后浸礦微生物菌種選育的研究方向。
一、浸礦微生物
浸礦微生物是可以直接或間接地參與金屬硫化礦或氧化物的氧化和溶解過程的微生物。細菌對礦物分離的作用主要來源于：
1)微生物代謝的分泌物對目標礦物的選擇性吸附、中和、氧化還原等作用；
2)微生物選擇性地將目標礦物成分吸收進入代謝環(huán)節(jié)，然后以另外一種形態(tài)或價態(tài)將礦物成分釋放于環(huán)境中；
3)微生物本身對目標礦物的選擇性吸附、中和等作用；
4)微生物分泌物及代謝過程對目標礦物復(fù)雜的吸附、氧化還原等物化作用。
據(jù)報道可用于浸礦的細菌有幾十種，按其生長的最佳溫度可以分為3類，即中溫菌、中等嗜熱菌和高溫菌。一些常用浸礦細菌的主要性質(zhì)見表1。
二、浸礦微生物選育的意義與方法
⒈選育的意義
菌種選育包括選種和育種。選種即根據(jù)微生物的特性，應(yīng)用各種篩選方法從自然界和生產(chǎn)中選擇需要的菌種；育種即進一步提高已有菌種的某種性能，使其更符合需要，一般通過誘變和雜交來實現(xiàn)。變異菌株中通常只有少數(shù)在某些性能方面比初始菌株有所提高，育種工作中也存在選種問題，選出的新菌種有待通過育種過程提高其性能，選種與育種有緊密聯(lián)系。目前，微生物冶金中的硬件設(shè)施和工藝流程已經(jīng)比較成熟，但浸礦微生物生長速度慢，只有大腸桿菌的萬分之一，且在實際浸礦體系中，表面活性劑、重金屬離子、鹵素離子等含量超過一定濃度時，將抑制細菌生長，甚至造成菌體死亡。因此，要想充分發(fā)揮微生物浸礦方法的優(yōu)勢，提高其礦物浸出效果，除了進一步改進工藝外，更重要的是要加強高效菌株的選育工作，改良菌種以獲得能適用多種礦石、適應(yīng)能力強、氧化活性高并能大規(guī)模應(yīng)用的高效工程菌。
⒉選育方法
⑴馴化育種
與其它生物相比，微生物對環(huán)境有很強的適應(yīng)能力。微生物的生長是其與外界環(huán)境相互作用的結(jié)果，在逐漸適應(yīng)環(huán)境的變化過程中基因會發(fā)生突變，在適合生長發(fā)育的新環(huán)境下成為優(yōu)勢種。馴化按目的不同可分為活性和抗性馴化，方法是使用目的礦物不斷轉(zhuǎn)代培養(yǎng)或增加有毒離子的轉(zhuǎn)代培養(yǎng)。劉亞潔等報道鐵一硫氧化細菌經(jīng)過較高濃度含氟離子培養(yǎng)基長時間培養(yǎng)馴化后，篩選到的菌株可在含氟1．48g/L的溶浸液中一晝夜即可將5g/L Fe2+完全氧化。當(dāng)前大多數(shù)細菌堆浸場所用菌種為馴化菌種，如張衛(wèi)民等報道了永平銅礦浸礦細菌經(jīng)過4次馴化后，溶液中Fe2+的轉(zhuǎn)化速率明顯提高，F(xiàn)e的沉淀率明顯減少，而pH逐漸下降。
浸礦細菌對金屬離子的抗性主要由質(zhì)粒基因編碼。目前質(zhì)粒抗性機理研究還不夠深入。而張東晨等對質(zhì)粒在硫桿菌中普遍存在的觀點提出了質(zhì)疑，研究結(jié)果表明，氧化亞鐵硫桿菌對Fe2+、S等的氧化能力可能只是與擬核染色體DNA有關(guān)，而其遺傳物質(zhì)就是擬核染色體DNA。
⑵誘變育種
誘變育種是利用物理或化學(xué)的因素(如紫外線、亞硝基胍、微波等誘變劑)處理微生物群體，促使少數(shù)個體細胞的遺傳物質(zhì)(主要是DNA)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使基因內(nèi)部的堿基配對發(fā)生差錯，從而引起微生物的遺傳性狀發(fā)生突變。根據(jù)應(yīng)用的要求，可以從突變株中篩選出某些具有優(yōu)良性狀的菌株供科研和生產(chǎn)使用。目前這方面的報道較多，采用的誘變手段各異，均取得較好效果。如徐曉軍等報道了經(jīng)紫外線誘變的浸礦細菌對黃銅礦的浸出率比原始菌提高了46％以上，到達浸出終點的時間也縮短了5～10天。蔣金龍等用亞硝基胍(NTG)對氧化亞鐵硫桿菌進行誘變育種，發(fā)現(xiàn)誘變后菌株的氧化活性在原先的基礎(chǔ)上提高了4倍。熊英等報道了經(jīng)馴化后的氧化亞鐵硫桿菌用紫外線、微波作為誘變劑進行復(fù)合處理誘變選育 T．f菌的氧化活性由未被馴化、誘變前的0．07g/(L·h)提高到3．18g/(L·h)。
以特定礦物為培養(yǎng)基選育細菌，利用礦物自身的特性，可以最大限度地減少有效菌種的損失，選育出適合礦物浸出的優(yōu)勢菌種。劉新星等用磁選機將磁黃鐵礦按照不同磁感應(yīng)強度進行分離后，作為選育菌種的磁性培養(yǎng)基，篩選在不同磁性培養(yǎng)基中生長的最適菌群。試驗結(jié)果表明，強磁性培養(yǎng)基可以選育出以短桿狀、無磁性顆粒菌為主的菌群，而弱磁性培養(yǎng)基可以選育出長桿狀、有磁性顆粒菌為主的菌群。選育出的菌種與原始菌種相比，完全氧化培養(yǎng)基中亞鐵的時間由88小時縮短到30～46小時，其中尤以中磁性礦物選育的菌種氧化活性高。
誘變育種所獲得的優(yōu)良菌株要應(yīng)用到工業(yè)實際中去，必須是遺傳穩(wěn)定的突變菌株，亦即在菌種保存和應(yīng)用過程中其突變或抵制基因突變的頻率要很小，這就要求在育種過程中作一段長期的培養(yǎng)和觀測，反復(fù)傳代觀測其性狀穩(wěn)定性；當(dāng)培養(yǎng)穩(wěn)定時，還要對保存的菌種作一定時期的復(fù)活培養(yǎng)，分離其未回復(fù)突變株、淘汰其回復(fù)突變株，并確定適當(dāng)?shù)谋４娣椒ê蜁r期。
⑶基因工程育種
基因工程育種是指利用基因工程方法對生產(chǎn)菌株進行改造而獲得高產(chǎn)工程菌，或是通過微生物間的轉(zhuǎn)基因而獲得新菌種的育種方法。來源不同的氧化亞鐵硫桿菌菌株對金屬硫化礦物的浸出效果是不一樣的，說明氧化亞鐵硫桿菌具有復(fù)雜的遺傳特性。賀治國等通過4個引物RAPD分析獲得的平均相似性系數(shù)表明不同來源的氧化亞鐵硫桿菌菌株之間的相關(guān)系數(shù)在44％～83％之間。貝雷A D、漢斯福德G S對兩株氧化亞鐵硫桿菌的染色體基因組大小進行了研究，發(fā)現(xiàn)其大小為2．9Mb左右。據(jù)報道，在氧化亞鐵硫桿菌的glmS基因的 C-端發(fā)現(xiàn)了一個代號為Tn5468的轉(zhuǎn)座子，其序列與Tn7相似。在來源于不同地點的菌株染色體上存在兩種20～30個拷貝的重復(fù)序列，ISTl和 IST2能在染色體DNA中移動，使菌落發(fā)生表型轉(zhuǎn)移。1994年P(guān)eng等利用大腸桿菌IncP族質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到氧化亞鐵硫桿菌中并表達其功能的特性，使該質(zhì)粒上的兩個抗性基因(卡那霉素和鏈霉素基因)和抗砷基因(Asr)被成功地轉(zhuǎn)移到氧化亞鐵硫桿菌中。徐海巖等利用氧化亞鐵硫桿菌抗砷工程菌Tf 59(pSDX3)處理含砷金精礦，獲得了較好的抗砷效果。趙清等通過利用DNA體外重組技術(shù)，構(gòu)建了含有強啟動子、可在tra基因誘動下轉(zhuǎn)移的組成型表達的抗砷質(zhì)粒pSDRA4。通過接合轉(zhuǎn)移的方式將其導(dǎo)入專性自養(yǎng)極端嗜酸性喜溫硫桿菌AcidithiobaciIIus C 11 Idw中，構(gòu)建了冶金工程菌Acidithiobac．1lus caldus(pSDRA4)，重組質(zhì)粒在喜溫硫桿菌中具有較好的穩(wěn)定性(重組質(zhì)粒保留76％以上)，與野生菌相比，構(gòu)建的喜溫硫桿菌工程菌抗砷能力明顯提高，從10mmol/L提高到45mmol/L。
三、結(jié)語
為了提高氧化亞鐵硫桿菌的適應(yīng)范圍和應(yīng)用價值，研究工作者對其育種工作進行了大量研究，所采用的育種方式主要有馴化、誘變以及基因工程育種等。
結(jié)合菌種選育在生物冶金中的應(yīng)用現(xiàn)狀，今后可深入開展以下研究工作：
——復(fù)合誘變劑處理浸礦微生物的誘變育種；
——微生物選育中誘變育種的作用機理，以便更好地指導(dǎo)誘變操作和生產(chǎn)實踐，更好地控制誘變條件；——綜合考慮菌種的篩選和培育及其它影響因素，取不同的菌株進行正交實驗，實現(xiàn)最優(yōu)控制；——浸礦微生物的分子生物學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)性研究；——基因工程育種技術(shù)構(gòu)建出能大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)的高效工程菌。