高雪彥 陳林旭 陳顯軻 龐昕 潘登 林建群

（1. 山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）醫(yī)學(xué)科技創(chuàng)新中心，濟(jì)南 250000；2. 山東大學(xué)微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266237； 3. 山東億安生物工程有限公司，濟(jì)南 250000）

嗜酸硫桿菌（屬）（Acidithiobacillus spp.）是一類(lèi)嗜酸性專(zhuān)性化能自養(yǎng)細(xì)菌，能從亞鐵、硫或還原性硫化物（reduced inorganic sulfur compounds，RISCs）的氧化中獲得生長(zhǎng)所必需的能量和還原力，以卡爾文循環(huán)固定空氣中的二氧化碳為碳源，實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)生長(zhǎng)［1-3］。嗜酸硫桿菌廣泛存在于陸地或海洋的酸性環(huán)境中，作為地質(zhì)微生物的重要成員，因其亞鐵和硫代謝的生理特點(diǎn)參與地球硫和鐵元素循環(huán)，促進(jìn)酸性環(huán)境的產(chǎn)生和酸性微生態(tài)系統(tǒng)的形成［4-5］。隨著微生物分離培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步和生物信息學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的嗜酸硫桿菌被發(fā)現(xiàn)、分離并鑒定。根據(jù)NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)上的信息，目前已經(jīng)鑒定的嗜酸硫桿菌有9種，包括A. ferrooxidans、A. ferrivorans、A. ferridurans、A. ferriphilus、A. ferrianus、A. thiooxidans、A. caldus、A. albertensis和A. sulfuriphilus，這9種嗜酸硫桿菌都具有硫氧化的能力，其中A. ferrooxidans、A. ferrivorans、A. ferridurans、A. ferriphilus和A. ferrianus這5種細(xì)菌，既具有亞鐵氧化的能力也具備硫氧化的能力，部分嗜酸硫桿菌還具有代謝氫的能力 （表1）［6-14］。

表1 九種嗜酸硫桿菌基本生理代謝特征Table 1 Physiological and metabolic characteristics of 9 species of Acidithiobacillus spp.

近年來(lái)，由于嗜酸硫桿菌獨(dú)特的硫和亞鐵代謝能力以及對(duì)重金屬離子和酸性環(huán)境較強(qiáng)的適應(yīng)能力，使其在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值越來(lái)越顯著［15-16］。本文綜述了嗜酸硫桿菌基本的生理代謝特點(diǎn)和環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，介紹了嗜酸硫桿菌在金屬礦產(chǎn)資源的開(kāi)采、重金屬的資源回收、重金屬環(huán)境污染治理、生物脫硫以及土壤修復(fù)等方面的應(yīng)用，結(jié)合社會(huì)需求和嗜酸硫桿菌的研究現(xiàn)狀，分析了嗜酸硫桿菌在理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)踐中亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題，助力嗜酸硫桿菌理論基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的研究。

1 嗜酸硫桿菌生理代謝特點(diǎn)

1.1 嗜酸硫桿菌硫代謝機(jī)制

元素硫是構(gòu)成生命體重要組成元素，具有-2到+6多種價(jià)態(tài)形式，從而產(chǎn)生了多種多樣的含硫化物，包括連四硫酸鹽（S4O62-）、硫代硫酸鹽（S2O32-）、亞硫酸鹽（SO32-）、硫化物（S2-）、硫酸鹽（SO42-）和元素硫（S0）［4］。嗜酸硫桿菌可以高效氧化各種還原態(tài)的無(wú)機(jī)硫化合物（RISCs）以獲得用于自養(yǎng)生長(zhǎng)的能量，因而成為地球硫元素循環(huán)的重要組成部分。嗜酸硫桿菌具有復(fù)雜的硫代謝酶系，如元素硫氧化酶、硫代硫酸鹽氧化途徑中的酶、亞硫酸鹽氧化酶等，這些酶分布在細(xì)胞膜、細(xì)胞周質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)等不同的區(qū)域協(xié)同作用，將單質(zhì)硫或還原的無(wú)機(jī)硫化合物氧化為最終產(chǎn)物硫酸鹽［11，17-19］。

硫代謝過(guò)程涉及到復(fù)雜的酶促反應(yīng)，根據(jù)在細(xì)胞中的反應(yīng)區(qū)域可以劃分為細(xì)胞外膜、細(xì)胞周質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)膜和細(xì)胞質(zhì)幾個(gè)部分。首先，細(xì)胞外的元素硫被分布在細(xì)胞外膜上的蛋白（outer-membrane proteins，OMP）激活轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)入周質(zhì)空間［11，17］。單質(zhì)硫活化轉(zhuǎn)運(yùn)是硫代謝過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，據(jù)報(bào)道，嗜酸硫桿菌以單質(zhì)硫?yàn)槟茉磁囵B(yǎng)時(shí)延遲期時(shí)間比較長(zhǎng)，細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢，推測(cè)這一時(shí)期單質(zhì)硫被活化轉(zhuǎn)運(yùn)。其次，在細(xì)胞周質(zhì)空間，硫氧化酶系統(tǒng)（sulfur oxidizing enzyme system，Sox）發(fā)揮了重要作用［4］。典型的Sox系統(tǒng)由SoxYZ、SoxXA、SoxB和Sox（CD）2四種蛋白組成，二聚體蛋白SoxYZ在硫代謝過(guò)程中具有結(jié)合硫化物的作用，SoxXA能夠催化氧化還原反應(yīng)并獲得電子［4］。Sox系統(tǒng)的4個(gè)組成蛋白形成一個(gè)循環(huán)反應(yīng)，具有將單質(zhì)硫、硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽和硫化氫等還原性硫化物氧化成硫酸鹽的能力，硫代硫酸鹽氧化是該氧化途徑的核心［20］。Sox系統(tǒng)以多種形式在部分嗜酸硫桿菌中存在，研究發(fā)現(xiàn)A. caldus，A. thiooxidans和A. albertensis中含有缺失了Sox（CD）2蛋白的兩套不完整的Sox系統(tǒng)，Sox I和Sox II，分別由soxYZBhyp-resB-soxAX-resC和soxXYZA-hyp-soxB基因編碼的蛋白構(gòu)成。在Sox II系統(tǒng)基因簇的上游發(fā)現(xiàn)了依賴(lài)于sigma54轉(zhuǎn)錄因子的的雙組分系統(tǒng)tspS-tspR［21］。具有硫和亞鐵雙能量代謝途徑的A. ferrooxidans細(xì)菌缺失Sox系統(tǒng)［18-19］。然而，在A. ferrooxidans中存在硫代硫酸鹽脫氫酶（thiosulfate dehydrogenase，TSD），推測(cè)可能是周質(zhì)中存在的硫代硫酸鹽代謝途徑［4，19］。此外，由連四硫酸鹽水解酶（tetrathionate hydrolase，TetH）和硫代硫酸鹽-輔酶Q氧化還原酶（thiosulfate quinone oxidoreductase，TQO）介 導(dǎo)的連四硫酸鹽和硫代硫酸鹽的轉(zhuǎn)化反應(yīng)也是細(xì)胞周質(zhì)空間中重要的硫氧化反應(yīng)過(guò)程［4，18］。在細(xì)胞內(nèi)膜和胞質(zhì)中同樣存在具有硫氧化作用的蛋白酶，如定位于內(nèi)膜的硫化物-輔酶Q氧化還原酶（sulfide：quinone oxidoreductase，SQR）、HDR復(fù)合體（hdr-like complex），位于胞質(zhì)中的硫加氧還原酶（sulfur oxygenase reductase，SOR）以及硫氰酸酶（rhodanese，RHD）等，部分氧化酶與輔酶Q相連，傳遞硫氧化過(guò)程中產(chǎn)生的電子，獲得能量［11，17-18］。

由于元素硫的價(jià)態(tài)比較多，硫化物的種類(lèi)繁雜、多樣，因此嗜酸硫桿菌的硫代謝機(jī)制比較復(fù)雜，涉及到分布在不同細(xì)胞區(qū)域的幾十種活性蛋白的協(xié)同作用。目前文獻(xiàn)報(bào)道的嗜酸硫桿菌硫代謝模型大部分都是基于基因測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)的模擬推測(cè)，尚有很多未解之謎值得繼續(xù)深入研究。

1.2 嗜酸硫桿菌亞鐵代謝途徑

目前發(fā)現(xiàn)的9種嗜酸硫桿菌中，A. ferrooxidans、 A. ferrivorans、A. ferriphilus、A. ferridurans和A. ferrianus具有氧化亞鐵獲得能量和電子的能力。

早在20世紀(jì)80年代，Ingledew等［22］提出了亞鐵氧化電子傳遞鏈的模型，提出了電子傳遞的分叉途徑。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，越來(lái)越多的亞鐵氧化電子傳遞鏈中的傳遞體蛋白功能被證實(shí)。隨著組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生物信息學(xué)的發(fā)展，2009年Quatrini等［18］通過(guò)基因差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄譜和RT-qPCR實(shí)驗(yàn)，結(jié)合生物信息學(xué)分析提出了A. ferrooxidans 23270的亞鐵氧化電子傳遞鏈模型，該電子傳遞鏈模型中存在順電勢(shì)和逆電勢(shì)兩條電子傳遞途徑。

在順電勢(shì)電子傳遞途徑中，亞鐵離子氧化失去的電子被鑲嵌在外膜上的細(xì)胞色素蛋白Cyc2傳遞給細(xì)胞周質(zhì)中的銅藍(lán)蛋白R(shí)us，途經(jīng)細(xì)胞色素蛋白Cyc1、細(xì)胞色素氧化酶aa3，傳遞給最終電子受體O2，并與質(zhì)子結(jié)合生成H2O，同時(shí)形成跨膜質(zhì)子動(dòng)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)ATP合成［18-19］。因此，順電勢(shì)電子傳遞途徑中電子傳遞的順序可以簡(jiǎn)要概括為Fe2+→Cyc2→Rus→Cyc1→ aa3→O2。順電勢(shì)電子傳遞途徑中電子傳遞體蛋白由rus操縱子編碼，rus操縱子包含8個(gè)編碼基因，cyc2-cyc1-cup-coxBcoxA-coxC-coxD-rus［23-24］。研究表明，rus操縱子在以亞鐵為能源時(shí)轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)，表明了rus操縱子在亞鐵代謝中的重要作用［24-25］。rus操縱子中，Cyc2位于細(xì)胞外膜上，是電子傳遞的第一個(gè)受體蛋白，在亞鐵氧化電子傳遞模型中具有至關(guān)重要的作用。銅藍(lán)蛋白R(shí)us位于細(xì)胞周質(zhì)空間，是順電勢(shì)和逆電勢(shì)電子傳遞鏈中的分支蛋白［25］。

在逆電勢(shì)電子傳遞途徑中，以Rus為分支，電子經(jīng)Cyc2、Rus 傳遞給細(xì)胞色素蛋白CycA1、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體、泛醌、NADH-Q還原酶，最后傳遞給NAD（P）+，生成NAD（P）H，提供細(xì)胞固定CO2和參與有氧代謝所需的還原力，而A. ferrooxidans產(chǎn)生還原力的這一途徑是耗能的。逆電勢(shì)電子傳遞途徑中電子傳遞體蛋白由pet I操縱子編碼，pet I操縱子包含5個(gè)編碼基因，cycA1-sdrA1-petA1B1C1［18，23］。

1.3 嗜酸硫桿菌氫代謝特點(diǎn)

部分嗜酸硫桿菌能夠在H2的環(huán)境中生長(zhǎng)，氧化H2獲得質(zhì)子和電子，O2或者Fe3+可以作為氫氧化的電子受體［7，26］。然而，目前關(guān)于嗜酸硫桿菌利用氫的報(bào)道比較少。

氫化酶（hydrogenase）作為參與氫代謝的酶廣泛存在于細(xì)菌，古細(xì)菌和一些真核生物中。氫化酶是一組金屬酶，許多純化的氫化酶的催化活性是雙向的，能夠催化H2轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子以及生成H2的逆向反應(yīng)，反應(yīng)方向取決于細(xì)胞內(nèi)的生理環(huán) 境［27-28］。20世紀(jì)90年代，研究者在A. ferrooxidans中發(fā)現(xiàn)并純化了氫化酶，序列分析表明A. ferrooxi- dans細(xì)菌的氫化酶與藍(lán)藻的氫化酶同屬于一個(gè)蛋白家族［29］。在結(jié)構(gòu)上，A. ferrooxidans細(xì)菌的氫化酶是由64 kD的大亞基（HoxG）和34 kD的小亞基（HoxK）構(gòu)成的異源二聚體，HoxG大亞基中獨(dú)特的［NiFe］簇被認(rèn)為是氫化酶的催化活性中心，［NiFe］活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)在所有［NiFe］氫化酶中非常相似。HoxK小亞基含有幾個(gè)Fe-S簇，具有傳遞電子的作用［29-30］。 雖然嗜酸硫桿菌生活在酸性環(huán)境中，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)純化的A. ferrooxidans細(xì)菌氫化酶最佳反應(yīng)pH值為9［30］。當(dāng)以氫氣為培養(yǎng)條件時(shí)，A. ferrooxidans有氧生長(zhǎng)，以O(shè)2為電子受體，生長(zhǎng)速率慢，無(wú)氧生長(zhǎng)則以Fe3+作為氫氧化的電子受體［7，26］。Gao等［31］在研究嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌群體密度感應(yīng)系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一組與氫化酶和電子傳遞相關(guān)的涉及20個(gè)基因的基因簇（AFE_0700-AFE_0719）。其中，AFE_0701和AFE_0702兩個(gè)基因在基因組上的注釋分別是氫化酶的小亞基和大亞基（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，該基因簇在以亞鐵為能源培養(yǎng)時(shí)基因表達(dá)差異顯著，推測(cè)在A. ferrooxidans中亞鐵代謝與氫代謝之間存在某種聯(lián)系，尚需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

圖1 氫化酶相關(guān)基因簇（AFE_0700-AFE_0719）Fig. 1 Hydrogenase related gene cluster（AFE_0700-AFE_0719）

2 嗜酸硫桿菌對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制

嗜酸硫桿菌作為極端環(huán)境微生物的重要成員，在長(zhǎng)期共同進(jìn)化和自然選擇中衍生出了對(duì)極端環(huán)境的特殊適應(yīng)能力，充分了解嗜酸硫桿菌屬的生長(zhǎng)和環(huán)境適應(yīng)機(jī)制對(duì)于理解菌株的生態(tài)行為和嗜酸硫桿菌的應(yīng)用價(jià)值具有重要意義。

2.1 嗜酸硫桿菌群體感應(yīng)系統(tǒng)與生物膜

群體密度感應(yīng)（quorum sensing，QS）是一種普遍存在的現(xiàn)象，它使細(xì)菌能夠通過(guò)產(chǎn)生、分泌和檢測(cè)信號(hào)分子（也稱(chēng)為自誘導(dǎo)分子）感知群體密度和外界環(huán)境，建立細(xì)胞間的交流［32-33］。QS系統(tǒng)合成和分泌的信號(hào)分子種類(lèi)繁多。其中N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（acyl-HSL）是革蘭氏陰性細(xì)菌中最常見(jiàn)的QS系統(tǒng)信號(hào)分子，分子結(jié)構(gòu)上由高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)和酰胺側(cè)鏈組成［32］。QS系統(tǒng)的研究已有50、60年的歷史，近年來(lái)，借助生物信息學(xué)、分子生物學(xué)和化學(xué)分析等現(xiàn)代分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)，越來(lái)越多的QS系統(tǒng)的信號(hào)分子、調(diào)控機(jī)制和功能被發(fā)現(xiàn)，然而相比于病原微生物和其他模式細(xì)菌，由于分子操作技術(shù)的限制，嗜酸硫桿菌中QS系統(tǒng)的研究比較局限。

2005年，F(xiàn)arah等［34］在A. ferrooxidans中發(fā)現(xiàn)了LuxI/R型QS系統(tǒng)（AfeI/R）。AfeI/R型QS系統(tǒng)包含3個(gè)編碼基因，afeI-orf3-afeR。AfeI屬于LuxI蛋白家族，以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）和來(lái)自于脂肪酸代謝過(guò)程的acyl-ACP為底物合成acyl-HSLs類(lèi)型的信號(hào)分子，在亞鐵、硫和硫代硫酸鹽能源底物培養(yǎng)條件下，A. ferrooxidans能夠合成9種acyl-HSLs。AfeR是LuxR家族蛋白，具有識(shí)別和結(jié)合信號(hào)分子以及調(diào)節(jié)基因表達(dá)的功能，位于AfeI和AfeR之間的Orf3的功能目前未知［34-35］。生物信息學(xué)分析表明，AfeI/R型QS系統(tǒng)在嗜酸硫桿菌中的分布具有普遍性和特殊性，除了A. ferrianus和A. ferriphilus，AfeI/R型QS系統(tǒng)存在于其他具有硫和亞鐵兩種能量代謝途徑的嗜酸硫桿菌中，而僅具有單一能源（硫）代謝途徑的嗜酸硫桿菌中，只有在A. thiooxidans中發(fā)現(xiàn)了AfeI/R型QS系統(tǒng)［31］。此外，AfeI/R系統(tǒng)在A. ferrooxidans中依賴(lài)于能源底物的調(diào)節(jié)機(jī)制被揭示，A. ferrooxidans根據(jù)所處的能源底物環(huán)境（硫和亞鐵能源底物），合成不同類(lèi)型和濃度的acyl-HSLs，有針對(duì)性的調(diào)控硫代謝和亞鐵代謝以及其他與環(huán)境底物相適應(yīng)的遺傳表型，反映了QS系統(tǒng)在嗜酸硫桿菌與能源環(huán)境之間的調(diào)控和適應(yīng)機(jī)制［36］。

2007年，Rivas等［37］在A. ferrooxidans中發(fā)現(xiàn)了另一套QS系統(tǒng)（QS-II）。該QS系統(tǒng)包括4個(gè)共轉(zhuǎn)錄基因，glyQ、glyS、gph和act，分別編碼甘氨酸t(yī)-RNA合成酶的α和β亞基、磷酸酶和?；D(zhuǎn)移酶。在大腸桿菌中異源表達(dá)Act蛋白可以檢測(cè)到C14-HSL。半定量RT-PCR實(shí)驗(yàn)表明act基因以亞鐵為能源底物培養(yǎng)時(shí)表達(dá)量高于以硫?yàn)槟茉吹孜锱囵B(yǎng)。然而，與Act對(duì)應(yīng)的信號(hào)分子受體調(diào)控蛋白尚未發(fā)現(xiàn)，Act是否能在A.ferrooxidans中合成acyl-HSLs或其他類(lèi)型的信號(hào)分子，至今未見(jiàn)報(bào)道。因此，Act介導(dǎo)的QS系統(tǒng)仍存在爭(zhēng)議［38］。

許多嗜酸硫桿菌如A. ferrooxidans、A. ferrivorans和A. thiooxidans生長(zhǎng)代謝受到acyl-HSLs添加的影響［38-39］，而這些影響嗜酸硫桿菌生長(zhǎng)代謝的acyl-HSLs并不一定是由菌株本身合成。人工合成的四唑類(lèi)似物也能夠刺激A. ferrooxidans基因的差異表達(dá)［40］?？梢酝茰y(cè)，嗜酸硫桿菌存在種間信號(hào)的交叉識(shí)別和通訊，相關(guān)的研究工作有待深入開(kāi)展。

QS系統(tǒng)是調(diào)節(jié)細(xì)胞外聚合物（extracellular polysaccharides，EPS）合成和生物膜（biofilm）形成的重要途徑［41］。生物膜是微生物在極端環(huán)境下“抱團(tuán)”的一種群體行為?；诎舛嗑畚镄纬傻纳锬?dǎo)致細(xì)胞聚集和特殊生態(tài)微環(huán)境的形成，有利于嗜酸硫桿菌在營(yíng)造的微環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖，加速礦物氧化，抵制不良環(huán)境［42］。激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡觀察到，添加acyl-HSLs可以影響黃鐵礦表面嗜酸硫桿菌生物膜的形成［39，42］。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，?；呓z氨酸四唑類(lèi)似物添加刺激了100多個(gè) A. ferrooxidans基因的差異表達(dá)，其中42.5%的差異表達(dá)基因與生物膜合成有關(guān)［40］。QS系統(tǒng)的過(guò)表達(dá)不僅可以促進(jìn)EPS的合成和生物膜的形成，還可以增加細(xì)胞的硫氧化能力，增強(qiáng)A. ferrooxidans細(xì)胞對(duì)硫的侵蝕作用，提高細(xì)菌對(duì)金屬硫化礦的氧化和金屬離子的浸出效率［39，42］。

2.2 嗜酸硫桿菌對(duì)重金屬離子的抗性及其分子 機(jī)制

生物冶金是嗜酸硫桿菌在工業(yè)上的一項(xiàng)重要應(yīng)用，嗜酸硫桿菌通過(guò)直接或間接作用將礦石中的各種金屬溶解到浸出液中，浸出體系中金屬離子的濃度越來(lái)越高，成為制約微生物生長(zhǎng)代謝和浸礦效率的重要環(huán)境壓力，因此研究嗜酸硫桿菌對(duì)重金屬離子的抗性及其分子機(jī)制是生物冶金應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需求［16］。

當(dāng)重金屬離子濃度過(guò)高而對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用時(shí)，微生物可以通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)、螯合等多種方式降低重金屬的毒害作用［43-44］。嗜酸硫桿菌在與重金屬環(huán)境的適應(yīng)進(jìn)化中衍生出了高效的抗毒和解毒機(jī)制。其一是胞外吸附，嗜酸硫桿菌合成和分泌EPS，形成生物膜，吸附和抵制胞外重金屬離子。EPS主要由蛋白質(zhì)、多糖和脂類(lèi)組成，通過(guò)與重金屬離子建立共價(jià)連接或靜電相互作用從而達(dá)到很好的吸附效果［43］。其二是離子外排，嗜酸硫桿菌可以利用金屬離子外排系統(tǒng)將金屬離子泵出到胞外，如金屬離子外排P型ATPase家族蛋白，水解ATP提供能量，將金屬離子逆濃度梯度主動(dòng)排出到胞外，達(dá)到解毒的效果［44］。其三是胞內(nèi)螯合，細(xì)胞內(nèi)的一些氨基酸、金屬結(jié)合蛋白、磷酸鹽等組分通過(guò)螯合胞內(nèi)的金屬離子降低胞內(nèi)金屬離子的濃度。研究發(fā)現(xiàn)A. ferrooxidans能夠積累多聚磷酸鹽（polyphosphate，polyP）顆粒，polyP顆粒在多種細(xì)菌中都被證實(shí)具有供能和“隔離”重金屬離子的雙重功能［45］。在重金屬離子濃度過(guò)高時(shí)，polyP水解生成的無(wú)機(jī)磷酸與重金屬離子結(jié)合形成復(fù)合物，通過(guò)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將重金屬離子排出到細(xì)胞外［45］。此外嗜酸硫桿菌還可以通過(guò)生物轉(zhuǎn)化將毒害作用大的重金屬離子轉(zhuǎn)化為毒性小或無(wú)毒的成分、建立金屬離子滲透屏障、降低細(xì)胞重金屬離子靶標(biāo)蛋白的敏感性等多種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的抗毒和解毒作用［46］。

2.3 嗜酸硫桿菌的酸耐機(jī)制

嗜酸硫桿菌能夠在酸性環(huán)境下生長(zhǎng)繁殖（pH 0.5-6.0），9種嗜酸硫桿菌生長(zhǎng)的pH范圍在表1中列出。嗜酸硫桿菌能夠在外部酸性條件下維持相對(duì)中性的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，避免酸性環(huán)境對(duì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、DNA等生物大分子的損傷。嗜酸硫桿菌在與酸環(huán)境漫長(zhǎng)的適應(yīng)過(guò)程中演化出多種多樣的耐酸響應(yīng)機(jī)制和調(diào)控策略包括，細(xì)胞膜組分和蛋白通道的調(diào)節(jié)、質(zhì)子外排和消耗、反向跨膜電位的產(chǎn)生、DNA和蛋白質(zhì)修復(fù)等［47-48］。

細(xì)胞膜是嗜酸硫桿菌應(yīng)對(duì)酸環(huán)境的屏障，嗜酸硫桿菌能夠合成高度不透性的細(xì)胞膜以應(yīng)對(duì)胞外高濃度的質(zhì)子。這些膜由大量的支鏈脂肪酸、飽和和單不飽和脂肪酸、β-羥基、ω-環(huán)己基和環(huán)丙烷脂肪酸組成［49］。位于細(xì)胞膜上的蛋白通道在酸環(huán)境下其通道大小和離子選擇性受到調(diào)節(jié)，以應(yīng)對(duì)外界質(zhì)子脅迫。其次，嗜酸硫桿菌進(jìn)化出高效的質(zhì)子外排能力，質(zhì)子外排是涉及細(xì)胞能量的復(fù)雜系統(tǒng)。目前在嗜酸硫桿菌如A. ferrooxidans、A. thiooxidans和A. caldus等細(xì)菌基因組中鑒定出了幾種質(zhì)子外排蛋白［50］。在酸脅迫下，嗜酸硫桿菌中的H+-ATPase活性和NAD+/NADH比率上調(diào)［20，48］。呼吸鏈復(fù)合體蛋白的表達(dá)增加，這些復(fù)合物可以將質(zhì)子泵出細(xì)胞［20］。當(dāng)胞質(zhì)中質(zhì)子濃度過(guò)高時(shí)，細(xì)菌可以利用氨基酸脫羧酶催化脫羧反應(yīng)消耗胞內(nèi)質(zhì)子，在一定程度上維持細(xì)胞內(nèi)pH值穩(wěn)態(tài)。此外，嗜酸硫桿菌能夠利用陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如Na+/K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）產(chǎn)生反向跨膜電位（Δψ）以抑制質(zhì)子向胞內(nèi)流動(dòng)［20，48］。研究數(shù)據(jù)表明，A. thiooxidans的基因組中含有大量的陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能參與反向跨膜電位的形成以抑制質(zhì)子流入［20，50］。當(dāng)細(xì)胞暴露于高濃度的質(zhì)子環(huán)境或質(zhì)子流入細(xì)胞時(shí)，大量的DNA修復(fù)蛋白和分子伴侶會(huì)修復(fù)受損的DNA和蛋白。

酸環(huán)境是嗜酸硫桿菌在生物冶金工業(yè)應(yīng)用中的重要條件，是礦石中金屬溶解浸出的關(guān)鍵因素。在過(guò)去幾十年中，嗜酸硫桿菌的分子和生化分析與基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多組學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，為嗜酸硫桿菌的耐酸機(jī)制提供了見(jiàn)解。然而，目前一些pH穩(wěn)態(tài)機(jī)制和耐酸模型仍缺乏嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，需要深入的研究和挖掘。

3 嗜酸硫桿菌在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

我國(guó)“十四五”規(guī)劃明確指出的“綠色發(fā)展”理念，“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)論斷也體現(xiàn)出人與環(huán)境和諧共存的內(nèi)在需求。微生物是聯(lián)系人類(lèi)與環(huán)境的重要紐帶，嗜酸硫桿菌在重金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采、有色金屬回收、重金屬污染物治理、生物脫硫、土壤環(huán)境改善等領(lǐng)域具有重要作用（圖2），是實(shí)現(xiàn)資源高效轉(zhuǎn)化和環(huán)境污染治理不可或缺的微生物資源。

圖2 嗜酸硫桿菌在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用Fig. 2 Application of Acdithiobacillus spp. in industry and agriculture

3.1 嗜酸硫桿菌在工業(yè)中的應(yīng)用

生物冶金是嗜酸硫桿菌在工業(yè)中的重要應(yīng)用，該技術(shù)是利用微生物的直接或間接作用將礦石中的各種金屬溶出，并加以回收利用［16，51］。嗜酸硫桿菌是生物冶金中的優(yōu)勢(shì)菌株，通過(guò)其獨(dú)特的硫和亞鐵代謝能力，利用礦石中的亞鐵和硫化物生長(zhǎng)，產(chǎn)生Fe3+和硫酸，F(xiàn)e3+是參與生物冶金的關(guān)鍵因素，可以作為氧化劑攻擊金屬，自身被還原為Fe2+，產(chǎn)生的酸性環(huán)境有利于礦石的溶解和金屬離子的浸 出［15，51］。嗜酸硫桿菌能夠從低品位礦石中浸出銅、鋅、鎳、鈷等金屬［16，51］。據(jù)報(bào)道，在伊朗51.0%的鋅被A. ferrooxidans細(xì)菌從復(fù)雜的低品位鋅鉛礦石中浸出［52］，此外，A. ferrooxidans也被用于從低品位的硫化礦中提取鈷，浸出效率達(dá)62%［53］。由A. ferrooxidans、A. thiooxidans以及其他幾種浸礦微生物組成的菌種能夠從低品位礦中回收70%的銅［54］。此外嗜酸硫桿菌可以利用生物氧化作用將金礦石中的硫化物等組分氧化分解從而使金裸露而易于提取。越來(lái)越多的研究證實(shí)與傳統(tǒng)的冶煉技術(shù)相比，嗜酸硫桿菌參與的生物冶金過(guò)程在處理低品位礦、尾礦中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，嗜酸硫桿菌的應(yīng)用已從重金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采拓展到含金屬?gòu)U棄物的資源回收［55］。隨著科技的進(jìn)步，電氣和電子設(shè)備（electrical and electronic equipment，EEE）已成為生活中必不可少的一部分。電子產(chǎn)品更新?lián)Q代導(dǎo)致廢舊手機(jī)、電腦、電視、電池等電子廢棄物的大幅增加，2020年全球電子垃圾監(jiān)測(cè)報(bào)告指出上一年度全球產(chǎn)生了53.6 Mt電子垃圾［56］。這些電路板、電池等廢棄物中含有金、銀、鋰、鈷、銅、鉛等多種稀有金屬和貴重金屬［15］，是放錯(cuò)了地方的資源。嗜酸硫桿菌能夠有效回收利用這些電子廢棄物中的各種金屬，避免電子垃圾帶來(lái)的環(huán)境污染，提高資源利用效率。在最佳條件下A. thiooxidans在72 h浸出時(shí)間內(nèi)能從廢舊手機(jī)印刷電路板中回收98%的銅和82%的鎳［57］。通過(guò)逐步間接生物浸出法，在A. ferrooxidans的作用下，廢舊發(fā)光二極管中鎵、銅和鎳浸出率分別提高到83%、97%和84%［58］。

隨著社會(huì)的進(jìn)步，皮革廠(chǎng)、電鍍廠(chǎng)、畜禽糞便等污水、污泥廢棄物排放量與電子垃圾同樣急劇增加，第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)顯示，2017年我國(guó)工業(yè)固體危險(xiǎn)廢棄物產(chǎn)生量達(dá)6 581.45萬(wàn)t［59］，這些廢棄物中通常含有鉻、鉛等重金屬，直接排放到環(huán)境中會(huì)造成重金屬在食物鏈中積累，破壞生態(tài)環(huán)境，危害人類(lèi)健康。嗜酸硫桿菌由于自身的生理代謝特點(diǎn)和較高的重金屬離子耐受能力而被廣泛應(yīng)用于含重金屬的廢棄物治理中。利用A. ferrooxidans處理焚燒后的垃圾殘?jiān)?，在同時(shí)含有亞鐵和元素硫的介質(zhì)中培養(yǎng)時(shí)，錳、鈷、銅和鋅的浸出效率高達(dá)100%［60］。來(lái)自天津當(dāng)?shù)厥姓勰嗵幚韽S(chǎng)的污泥，在經(jīng)過(guò)10 d的亞鐵氧化細(xì)菌生物浸出反應(yīng)后其鋅、銅、鎘、鉻、錳、鎳和鉛得到一定程度的浸出和去除［36］。A. ferrooxidans和A. thiooxidans被報(bào)道能夠從煉油廠(chǎng)廢棄物回收鋁、鈷、鉬和鎳［61］。

生物脫硫（biodesulfurization）是嗜酸硫桿菌在污染物治理中的另一項(xiàng)重要應(yīng)用，生物脫硫是利用微生物自身的生理代謝實(shí)現(xiàn)硫化物脫除的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在石油脫硫、煤炭脫硫、沼氣脫硫等領(lǐng)域，以減少SO2的排放和對(duì)環(huán)境的影響［62-64］。據(jù)報(bào)道A. ferrooxidans和A.thiooxidans細(xì)菌能夠有效去除煤炭中黃鐵礦硫和總硫的含量［63，65］。Cheng等［62］將A. ferrooxidans細(xì)菌固定化，對(duì)高濃度的H2S氣體［（15 000±100）ppmv］的脫除率達(dá)到80%。

3.2 嗜酸硫桿菌在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

嗜酸硫桿菌在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用與其在工業(yè)中的應(yīng)用相比研究的較少，但是嗜酸硫桿菌與農(nóng)業(yè)應(yīng)用的聯(lián)系由來(lái)已久。嗜酸硫桿菌中的A. thiooxidans細(xì)菌是20世紀(jì)20年代從堆肥中分離得到的［66］。20世紀(jì)60、70年代，針對(duì)我國(guó)北方土壤缺磷的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)A. thiooxidans的深入研究，利用A. thiooxidans和硫磺、磷礦粉、硫酸銨、麥糠或碎秸稈制成的堆肥可以提高磷礦粉的速效性，促進(jìn)小麥和玉米的生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量?；谑人崃驐U菌能夠產(chǎn)酸的特點(diǎn)，降低土壤pH值，改善鹽堿地的土壤環(huán)境［10］。隨著土壤pH值降低，土壤酸化，有利于土壤中一些不溶性礦質(zhì)鹽的溶解，土壤中的硫酸鹽和可溶性的鉀、鈣、磷等元素含量增加，從而改善了作物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)［9］。此外，嗜酸硫桿菌能夠有效浸出重金屬污染土壤的鉻、鎘、鉛、銅等重金屬實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)的目的［67］。

4 總結(jié)與展望

嗜酸硫桿菌是資源環(huán)境微生物研究與微生物工業(yè)應(yīng)用有機(jī)結(jié)合的典范，其獨(dú)特的能量代謝和極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制不僅是微生物學(xué)研究中的重要科學(xué)問(wèn)題，也是它們具有重要工農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值的核心?；谇捌诘难芯砍晒?，為更好的解決我國(guó)資源與環(huán)境問(wèn)題，服務(wù)國(guó)家需求，嗜酸硫桿菌的研究在以下四個(gè)方面需要重點(diǎn)布局。

第一、能量代謝機(jī)制研究。嗜酸硫桿菌具有硫、亞鐵、氫多種能量代謝途徑，能量代謝是細(xì)菌改造和應(yīng)用研究的基石。目前嗜酸硫桿菌的代謝途徑大多是基于序列信息和生物信息學(xué)分析的模型，缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過(guò)完善微生物細(xì)胞的分子代謝網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵酶及代謝途徑中代謝物的調(diào)控作用，加深理論研究解答嗜酸硫桿菌生存之謎。

第二、極端環(huán)境抗逆和適應(yīng)機(jī)制研究。嗜酸硫桿菌能夠在酸、重金屬離子、鹽等各種極端環(huán)境下生長(zhǎng)，研究酸、重金屬離子等極端環(huán)境因素對(duì)微生物分子、遺傳和群落演化的作用特征，揭示嗜酸硫桿菌適應(yīng)極端環(huán)境的分子機(jī)制有利于針對(duì)特殊環(huán)境設(shè)計(jì)極端環(huán)境抗逆菌株，提高菌株應(yīng)用價(jià)值。

第三、嗜酸硫桿菌種群信號(hào)交流和調(diào)控機(jī)制研究。嗜酸硫桿菌應(yīng)用價(jià)值的發(fā)揮是微生物整體作用的結(jié)果。研究嗜酸硫桿菌種間和種內(nèi)的信號(hào)交流傳遞和外界環(huán)境感應(yīng)機(jī)制，分析不同信號(hào)分子的調(diào)控功能及其引起的基因表達(dá)和細(xì)胞行為，開(kāi)展微生物種群之間調(diào)控作用研究，有利于從群體角度指導(dǎo)嗜酸硫桿菌的應(yīng)用，為種群調(diào)控策略提供理論基礎(chǔ)。

第四、嗜酸硫桿菌研究技術(shù)的開(kāi)發(fā)。相比于大腸桿菌等模式微生物，嗜酸硫桿菌分子操作困難、效率低，制約了嗜酸硫桿菌的理論研究和分子遺傳改造，深入探索嗜酸硫桿菌分子遺傳操作手段以及蛋白酶學(xué)、細(xì)胞表型檢測(cè)技術(shù)等，為高效菌株設(shè)計(jì)改造和開(kāi)發(fā)極端環(huán)境微生物底盤(pán)細(xì)胞奠定基礎(chǔ)。