Ацидофилы в кислых шахтах - Acidophiles in acid mine drainage

'Методы гомеостаза pH и генерации энергии у ацидофилов. (со ссылкой на Baker-Austin & Dopson, 2007 г.[1] and Apel, Dugan, & Tuttle, 1980):[2] (1) Направление трансмембранного электрохимического градиента (pH) и блокирование H + клеточной мембраной; (2) Обратный мембранный потенциал за счет транспорта калия, модификация, направленная на поддержание стабильного потенциала Доннана; (3) вторичный белок-переносчик; градиент H + и Na + используется для управления переносом питательных веществ и растворенных веществ; (4) Протонный насос активно удаляет H +, уравновешивая энергию, полученную от входа H + в цитоплазму. (5) Везикулы, содержащие протоны, избегают закисления цитоплазмы, но все же генерируют АТФ из электрохимического градиента (в A.ferrooxidans); (6) Разобщители (незаряженные соединения), такие как органические кислоты, проникают через мембрану и высвобождают свой H +, что приводит к подкислению цитоплазмы; (7) Чтобы избежать этого, гетеротрофные ацидофилы могут разрушать разобщители; (8) Альтернативно, цитоплазматические ферменты или химические вещества могут связывать или изолировать протоны.

Утечка кислых жидкостей и других загрязнителей из шахт часто бывает катализированный кислотолюбивым микроорганизмы; эти ацидофилы в кислых шахтных дренажах.

Ацидофилы присутствуют не только в экзотических средах, таких как Йеллоустонский Национальный Парк[3] или глубоководные гидротермальные источники.[4] Такие роды, как Ацидитиобациллы и Лептоспириллы бактерии и Thermoplasmatales археи, присутствуют в синтрофический отношения в более приземленной среде бетонных канализационных труб[5][6] и вовлечены в содержащие тяжелые металлы, сернистые воды рек, таких как Рейдол.[7]

Такие микроорганизмы ответственны за явление кислотный дренаж шахты (AMD) и поэтому важны как с экономической точки зрения, так и с точки зрения сохранения.[8] Контроль над этими ацидофилами и их использование в промышленной биотехнологии показывает, что их эффект не обязательно должен быть полностью отрицательным.[1]

Использование ацидофильных организмов в добыча полезных ископаемых это новый метод извлечения следов металлов через биовыщелачивание, и предлагает решения для феномена кислотный дренаж шахты в добыче полезных ископаемых.

Вступление

При воздействии кислород (O2) и воды (ЧАС2O), сульфиды металлов пройти окисление для получения богатых металлами кислых стоков. Если pH достаточно низкий, чтобы преодолеть естественный буферизация емкость окружающих пород («карбонатный эквивалент кальция» или «кислотонейтрализующая способность ’), Окружающая территория может стать кислой, а также быть загрязненной высоким уровнем тяжелые металлы.[9][10] Хотя ацидофилы занимают важное место в утюг и биогеохимические циклы серы, сильнокислая среда в подавляющем большинстве антропогенный по причине, в первую очередь создается при прекращении горных работ, где сульфидные минералы, такие как пирит (дисульфид железа или FeS2), присутствуют.[8]

Кислотный дренаж шахты может происходить в самой шахте, отвале отвала (особенно добыча угольных шахт из добыча угля ) или в результате какой-либо другой деятельности, при которой сульфиды металлов подвергаются воздействию высокой концентрации, например, на крупных строительных площадках.[11] банки и другие.[7] дайте краткое описание происходящих процессов:

2FeS2 Пирит + 2H2О воды + 7O2 кислород 2Fe2+двухвалентное железо + 4SO42− сульфат + 4H+ кислота

Бактериальные воздействия на кислотный дренаж шахт

Окисление сульфида металла (кислородом) идет медленно без колонизации ацидофилами, особенно Acidithiobacillus ferrooxidans (синоним Thiobacillus ferrooxidans).[12] Эти бактерии могут ускорять окисление пирита на 106 раз.[13] В этом исследовании предлагается ставка, по которой A.ferrooxidans может окислять пирит - это способность использовать двухвалентное железо для производства трехвалентного железа катализатор  :

Fe2+ + 1 / 4O2 + H+ → Fe3+ + 1 / 2H2О

В указанных выше кислых условиях трехвалентное железо (Fe3+) является более сильным окислителем, чем кислород, что приводит к более высокой скорости окисления пирита.

A.ferrooxidans это хемолитоавтотрофный бактерии, из-за олиготрофный природа (низкая концентрация растворенного органического углерода) кислотных сред и их отсутствие освещения для фототрофия.[8] Даже когда в вадоза условия, A.ferrooxidans может выжить, если скала удерживает влагу и шахту проветривают. Фактически, в этой ситуации, с микроорганизмами-первопроходцами, ограничивающим фактором, вероятно, будет окружающая нейтральность окружающей среды. pH, который подавляет рост многих ацидофилов. Однако благоприятный геохимический быстро развиваются условия с кислой поверхностью раздела между бактериями и минеральной поверхностью, а pH снижается до уровня, близкого к ацидофильному оптимуму.[13]

Процесс продолжается через A.ferrooxidans выставляя кворум уровень для триггера кислотный дренаж шахты (AMD). При первой колонизации сульфидов металлов AMD отсутствует, а по мере роста бактерий микроколонии, AMD остается отсутствующей, затем при определенном размере колонии популяция начинает производить измеримые изменения в химическом составе воды, и AMD усиливается.[13] Это означает, что pH не является четкой мерой ответственности шахты перед AMD; культивирование A.ferrooxidans (или другие) дает четкое указание на будущую проблему AMD.[13]

К другим бактериям, также связанным с AMD, относятся: Leptospirillum ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans и Sulfobacillus thermosulfidooxidans.[7]

Архейские ацидофилы

Хотя протеобактерии демонстрируют впечатляющую устойчивость к кислотам, большинство из них сохраняет нейтральную цитоплазма избежать денатурация от их кислотоустойчивый составляющие клетки.[1] Археи, такие как Ferroplasma acidiphilum, который окисляет двухвалентное железо, иметь ряд внутриклеточный ферменты с оптимумом, аналогичным их кислой внешней среде.[14] Это может объяснить их способность выдерживать pH ниже 1,3.[15] Разные клеточные мембраны у архей по сравнению с бактериями может быть часть объяснения; эфир липиды эта ссылка изопрен, по сравнению с протеобактериями диэфир связь, являются центральным элементом различия.[16] Несмотря на отсутствие клеточной стенки, F. acidiphilum клеточные мембраны содержат кальдархетидилглицерин тетраэфир липиды, которые эффективно блокируют почти все протон доступ,[14] Термоплазма ацидофильная также использует эти громоздкие изопреноидные ядра в своих фосфолипидный бислой.[17]

Возможно, что семья Ferroplasmaceae на самом деле может быть более важным для AMD, чем существующая парадигма Acidithiobacillaceae.[14] С практической точки зрения это мало меняет, поскольку, несмотря на бесчисленные физиологические различия между археями и бактериями, методы лечения останутся прежними; если pH поддерживается на высоком уровне, а вода и кислород запрещены для пирита, реакция будет незначительной.[7]

Изоляция от сольфатарный почвы двух Пикрофил виды архей P.oshimae и P.torridus примечательны своей рекордно низкой выживаемостью при pH 0,[18] это указывает на то, что могут остаться другие микроорганизмы AMD, которые действуют при еще более низком pH. Хотя неизвестно, что род Picrophilus участвует в ВМД,[19] его крайняя ацидофильность представляет интерес, например, его протоностойкость липосомы, которые могут присутствовать в ацидофилах AMD.[20]

Взаимодействие в шахтном сообществе

Предварительно могут быть примеры синтрофии между ацидофильными видами и даже междоменного сотрудничества между археями и бактериями. Один муталистический пример - вращение железа между видами; хемолитотрофы, окисляющие железо, используют железо в качестве донор электронов, затем железо-восстановительный гетеротрофы использовать железо в качестве акцептора электронов.[8]

Еще один синергетический поведение - более быстрое окисление двухвалентного железа при A.ferrooxidans и Sulfobacillus thermosulfidooxidans сочетаются в низко-CO2 культура.[21] S.thermosulfidooxidans является более эффективным окислителем железа, но он обычно подавляется низким содержанием CO2 поглощение. A.ferrooxidans имеет более высокий близость для газа, но более низкая скорость окисления железа, и поэтому может обеспечить S.thermosulfidooxidans для взаимной выгоды.

Однако сообщество обладает разнообразием помимо бактерий и архей; приблизительно постоянный pH, присутствующий во время кислотного дренажа шахты, обеспечивает достаточно стабильную среду с сообществом, которое охватывает ряд трофические уровни, и включает обязательно ацидофильный эукариоты Такие как грибы, дрожжи, водоросли и простейшие.[8]

Физиология и биохимия

Ацидофилы демонстрируют широкий спектр адаптаций не только к переносимости, но и к процветанию в среде с экстремальным pH (определение ацидофила - это организм, который имеет оптимум pH ниже pH 3). Принципиальным в них является необходимость поддержания большого градиента pH для обеспечения циркумнейтральной цитоплазмы (обычно, но не у видов Picrophilus). Археи уже обсуждались выше, и дополнительная информация об их и бактериальных адаптациях в основной форме представлена ​​в Фигура. Чтобы уточнить фигуру, бактерии также используют мембранную блокировку протонов для поддержания высокого цитоплазматического pH, что является пассивной системой, даже если не дышать. A.ferrooxidans выставьте это.[2] Ацидофилы также способны вытеснять протоны против градиента pH с помощью уникальных транспортных белков, что более сложно для умеренных и гипертермофилов; более высокая температура приводит к тому, что клеточные мембраны становятся более проницаемыми для протонов, что обязательно приводит к увеличению H+ приток при отсутствии других мембранных изменений.[20]

Движущая сила протона

Для роста при низком pH ацидофилы должны поддерживать градиент pH в несколько единиц pH через клеточную мембрану.[1] Ацидофилы используют сильных движущая сила протона (PMF), вызванный градиентом pH через их клеточную мембрану, для АТФ производство. Большое количество энергии доступно ацидофилу через движение протонов через мембрану, но вместе с этим возникает и кислотность цитоплазмы.[1] Вместо этого ионы, такие как натрий, можно использовать в качестве альтернативного преобразователя энергии, чтобы избежать этого повышения pH (АТФазы часто Na+ связаны, а не H+ связаны).[20]

Исключение H+ содержащие везикулы

В качестве альтернативы бактерии могут использовать H+ содержащие везикулы, чтобы избежать цитоплазматической кислотности (см. Фигура), но большинство требует, чтобы любой H+ взятые должны быть экструдированы после использования в электронная транспортная цепь (ТАК ДАЛЕЕ).[1]Что касается ETC, адаптация к жизни в шахтной среде заключается в использовании различных ETC акцепторы электронов нейтралофилам; сера, мышьяк, селен, уран, утюг, и марганец в твердой форме[22] а не O2 (чаще всего Fe при диссимиляционном восстановлении железа, часто при AMD).

Геномные адаптации

Геномные адаптации также присутствуют, но не без осложнений у таких организмов, как Thermoplasmatales archaea, которые одновременно ацидофильный и теплолюбивый. Например, это Заказ выражает повышенную концентрацию пурин -содержащий кодоны для термостойкости, при увеличении пирамидин кодоны в длинном открытом рамки чтения для защиты от кислотного стресса.[1] В более общем плане и, предположительно, чтобы снизить вероятность кислотногогидролиз мутации, все облигатные гиперацидофилы имеют укороченные геномы по сравнению с нейтралофильными микроорганизмами. Picrophilus torridus, например, имеет самую высокую плотность кодирования среди всех непаразитических аэробных микроорганизмов, живущих на органических субстратах.[23]

Улучшенный ремонт

Ацидофилы также получают выгоду от улучшенных систем репарации ДНК и белков, таких как шапероны, участвующие в рефолдинг белка.[1] В P.torridus Только что упомянутый геном содержит большое количество генов, связанных с репарационными белками.

Приложения биотехнологии

Биоремедиация это основная биотехнологическая проблема, созданная ацидофилами AMD. Существует ряд методов борьбы с ВМД, некоторые из них неочищенные (например, повышение pH за счет известкования, удаление воды, связывание железа с органическими отходами), а некоторые менее эффективны (применение бактерицидов, биологический контроль с другими бактериями / архей, создание заболоченных территорий за пределами площадки, использование металлоиммобилизующих бактерий, гальваническое подавление). Доступен ряд других нейтрализующих агентов (пылевидная зола -содержащие растворы, навоз КРС, сыворотка, пивные дрожжи ) многие из них решают проблему удаления отходов из другой отрасли.[7]

По мере того, как запасы некоторых металлов сокращаются, изучаются другие методы добычи, включая использование ацидофилов, в процессе, известном как биовыщелачивание. Хотя эти микроорганизмы (которые также могут включать грибки) медленнее, чем обычные методы, они позволяют с минимальными затратами эксплуатировать руды с очень низким содержанием.[24] Проекты включают добычу никеля с A.ferrooxidans и Aspergillus sp. грибы[24] и удаление серы из угля с Acidithiobacillus sp..[25] Добыча может происходить на руднике, из потоков сточных вод (или из основного водотока, если загрязнение достигло этого уровня), в биореакторах или на электростанции (например, для удаления серы из угля перед сжиганием, чтобы избежать сернокислотного дождя. ).

Будущее техники

AMD продолжает играть важную роль в Река Рейдол, и в ближайшем будущем потребуется дальнейшее лечение в районе Аберистуит, в котором находится 38 из 50 металлических рудников Уэльса с наиболее серьезным загрязнением.[26][27]

В 2007 году правительство Великобритании одобрило возврат к углю в качестве источника энергии.[28] и добыча в Великобритании увеличивается (например, угольный разрез на Ffos-y-fran, Мертир Тидвил ). Потребуется большая профилактическая работа, чтобы избежать ВМД, связанной с последним поколением угольных шахт.

Быстрый и эффективный протеин и Ремонт ДНК системы показывают многообещающие возможности для использования в медицине, особенно в отношении рака и старения. Однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, действительно ли эти системы качественно различаются, и как это можно применить от микроорганизмов к человеку.

Как обсуждалось выше, ацидофилы могут иметь возможность использовать акцепторы электронов, отличные от кислорода. Джонсон (1998)[8] указывает, что факультативный анаэробизм ацидофилов, ранее отклоненные, могут иметь серьезные последствия для борьбы с AMD. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, насколько эффективны существующие методы блокирования кислорода, в свете того факта, что реакция может продолжаться в анаэробных условиях.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час Бейкер-Остин, Крейг; Допсон, Марк (2007). «Жизнь в кислоте: гомеостаз PH у ацидофилов». Тенденции в микробиологии. 15 (4): 165–71. Дои:10.1016 / j.tim.2007.02.005. PMID  17331729.
  2. ^ а б Апель, Вашингтон; Дуган, PR; Таттл, Дж. Х. (1980). «Образование аденозин-5'-трифосфата в везикулах Thiobacillus ferrooxidans с помощью градиентов ионов H +, сравнимых с таковыми в условиях окружающей среды». Журнал бактериологии. 142 (1): 295–301. Дои:10.1128 / JB.142.1.295-301.1980. ЧВК  293951. PMID  7372573.
  3. ^ Джонсон, Д. Барри; Окибе, Наоко; Роберто, Франсиско Ф. (2003). «Новые термоацидофильные бактерии, выделенные из геотермальных источников в Йеллоустонском национальном парке: физиологические и филогенетические характеристики». Архив микробиологии. 180 (1): 60–8. Дои:10.1007 / s00203-003-0562-3. PMID  12802481.
  4. ^ Page, A .; Можжевельник, С.К .; Olagnon, M .; Алена, К .; Desrosiers, G .; Querellou, J .; Камбон-Бонавита, М.-А. (2004). «Разнообразие микробов, связанное с трубкой Paralvinella sulfincola и прилегающим субстратом на активной глубоководной вентиляционной трубе». Геобиология. 2 (4): 225–38. Дои:10.1111 / j.1472-4677.2004.00034.x.
  5. ^ Vincke, E .; Boon, N .; Verstraete, W. (2001). «Анализ микробных сообществ на ржавых бетонных канализационных трубах? Тематическое исследование». Прикладная микробиология и биотехнология. 57 (5–6): 776–85. Дои:10.1007 / s002530100826. PMID  11778893.
  6. ^ Brazelton, W. J .; Schrenk, M. O .; Kelley, D. S .; Баросс, Дж. А. (2006). «Сообщества микроорганизмов, метаболизирующих метан и серу, доминируют в экосистеме гидротермальных полей затерянного города». Прикладная и экологическая микробиология. 72 (9): 6257–70. Дои:10.1128 / AEM.00574-06. ЧВК  1563643. PMID  16957253.
  7. ^ а б c d е Бэнкс, Дэвид; Младший, Пол Л .; Арнесен, Рольф-Тор; Iversen, Egil R .; Бэнкс, С. Б. (1997). «Химия шахтной воды: хорошее, плохое и уродливое». Экологическая геология. 32 (3): 157–74. Дои:10.1007 / s002540050204.
  8. ^ а б c d е ж Джонсон, Д. Барри (1998). «Биоразнообразие и экология ацидофильных микроорганизмов». FEMS Microbiology Ecology. 27 (4): 307–17. Дои:10.1111 / j.1574-6941.1998.tb00547.x.
  9. ^ Миллс, Крис. «Роль микроорганизмов в кислотном дренировании шахт». ТехноМайн. Получено 11 марта 2013.
  10. ^ Costigan, P.A .; Bradshaw, A.D .; Геммелл, Р. П. (1981). «Рекультивация кислотных отвалов угольных шахт. I. Потенциал производства кислоты». Журнал прикладной экологии. 18 (3): 865–78. Дои:10.2307/2402377. JSTOR  2402377.
  11. ^ Акчил, Ата; Колдас, Сонер (2006). «Кислотный дренаж шахт (AMD): причины, лечение и тематические исследования». Журнал чистого производства. 14 (12–13): 1139–45. Дои:10.1016 / j.jclepro.2004.09.006.
  12. ^ Kelly, D.P .; Вуд, А. П. (2000). "Реклассификация некоторых видов Тиобациллы к вновь обозначенным родам Ацидитиобациллы ген. ноя., Halothiobacillus ген. ноя и Термитиобациллы ген. ноя ". Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии. 50 (2): 511–6. Дои:10.1099/00207713-50-2-511. PMID  10758854.
  13. ^ а б c d Mielke, Randall E .; Pace, Danielle L .; Портер, Тим; Саутэм, Гордон (2003). «Критический этап в формировании кислого дренажа шахты: колонизация пирита Acidithiobacillus ferrooxidans в условиях нейтрального pH». Геобиология. 1: 81–90. Дои:10.1046 / j.1472-4669.2003.00005.x.
  14. ^ а б c Голышина, Ольга В .; Тиммис, Кеннет Н. (2005). «Ферроплазма и ее родственники, недавно обнаруженные археи без клеточной стенки, живущие в чрезвычайно кислой среде, богатой тяжелыми металлами». Экологическая микробиология. 7 (9): 1277–88. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2005.00861.x. PMID  16104851.
  15. ^ Голышина, О.В .; Пивоварова, Т. А .; Каравайко, Г. И .; Кондратьева, Т. Ф .; Moore, E .; Abraham, W. R .; Lunsdorf, H .; Тиммис, К. Н .; Якимов, М. М .; Голышин П. Н. (2000). "Ferroplasma acidiphilum ген. nov., sp. nov., ацидофильный, автотрофный, окисляющий двухвалентное железо мезофильный член семейства Ferroplasmaceae, лишенный клеточной стенки. Ноябрь, составляющий отдельную линию архей ". Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии. 50 (3): 997–1006. Дои:10.1099/00207713-50-3-997. PMID  10843038.
  16. ^ Альберс, Соня-Верена; van de Vossenberg, Jack L.C.M .; Driessen, Arnold J.M .; Конингс, Вил Н. (2000). «Адаптация мембраны архей к тепловому стрессу». Границы биологических наук. 5: D813–20. Дои:10.2741 / albers. PMID  10966867.
  17. ^ Немото, Наоки; Шида, Ясуо; Шимада, Харуо; Осима, Тайро; Ямагиши, Акихико (2003). «Характеристика предшественника биосинтеза тетраэфирных липидов у термоацидофильных архей. Термоплазма ацидофильная". Экстремофилов. 7 (3): 235–43. Дои:10.1007 / s00792-003-0315-х. PMID  12768455.
  18. ^ Шлепер, К; Puehler, G; Хольц, я; Гамбакорта, А; Janekovic, D; Сантариус, U; Кленк, HP; Зиллиг, В. (1995). "Picrophilus gen. Nov., fam. Nov.: Новый аэробный, гетеротрофный, термоацидофильный род и семейство, включающие археи, способные расти при pH около 0". Журнал бактериологии. 177 (24): 7050–9. Дои:10.1128 / jb.177.24.7050-7059.1995. ЧВК  177581. PMID  8522509.
  19. ^ Эдвардс, К. Дж .; Bond, PL; Gihring, TM; Банфилд, Дж. Ф. (2000). «Архейский железоокисляющий крайний ацидофил, важный в кислотном дренаже». Наука. 287 (5459): 1796–9. Bibcode:2000Sci ... 287.1796E. Дои:10.1126 / science.287.5459.1796. PMID  10710303. S2CID  42049238.
  20. ^ а б c Дриссен, А (1996). «Состав мембраны и ионная проницаемость у экстремофилов». Обзор микробиологии FEMS. 18 (2–3): 139–48. Дои:10.1016/0168-6445(96)00007-1.
  21. ^ Кларк, Д. А .; Норрис, П. Р. (1996). "Acidimicrobium ferrooxidans ген. nov., sp. ноя: Смешанное окисление двухвалентного железа с использованием видов Sulfobacillus ». Микробиология. 142 (4): 785–790. Дои:10.1099/00221287-142-4-785.
  22. ^ Ruebush, Shane S .; Icopini, Gary A .; Brantley, Susan L .; Тянь, Мин (2006). «Кинетика ферментативного восстановления in vitro минеральных оксидов мембранными фракциями из Shewanella oneidensis МР-1 ". Geochimica et Cosmochimica Acta. 70 (1): 56–70. Bibcode:2006GeCoA..70 ... 56R. Дои:10.1016 / j.gca.2005.08.020.
  23. ^ Fütterer, O; Ангелов А; Лизеганг, Н; Gottschalk, G; Шлепер, К; Schepers, B; Док, C; Антраникян, Г; Либл, W (2004). «Последовательность генома Picrophilus torridus и ее значение для жизни при pH около 0». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (24): 9091–6. Bibcode:2004PNAS..101.9091F. Дои:10.1073 / pnas.0401356101. JSTOR  3372395. ЧВК  428478. PMID  15184674.
  24. ^ а б Mohapatra, S .; Bohidar, S .; Pradhan, N .; Kar, R.N .; Сукла, Л. (2007). «Микробное извлечение никеля из покрывающих хромитов Сукинда методом Acidithiobacillus ferrooxidans и Аспергиллы штаммы ". Гидрометаллургия. 85: 1–8. Дои:10.1016 / j.hydromet.2006.07.001.
  25. ^ Рай, Чаранджит; Рейнерс, Джон П. (1988). «Микробное обессеривание углей организмами рода Pseudomonas». Прогресс биотехнологии. 4 (4): 225–30. Дои:10.1002 / btpr.5420040406.
  26. ^ Агентство окружающей среды, 2002, в Pearce, NJG, Hartley, S., Perkins, WT, Dinelli, E., Edyvean, RGJ, Priestman, G., Bachmann, R. & Sandlands, L. (2007) Обезвреженные водоросли для биоремедиации шахтных вод в середине Уэльс: Результаты полевых испытаний проекта ЕС по жизненной среде "BIOMAN". Симпозиум IMWA 2007: Вода в горнодобывающей среде, Кальяри, Италия, 27-31 мая.
  27. ^ Фуге, Рональд; Laidlaw, Ian M. S .; Перкинс, Уильям Т .; Роджерс, Керри П. (1991). «Влияние кислого дренажа рудников и отвалов на качество воды в районе среднего Уэльса». Геохимия окружающей среды и здоровье. 13 (2): 70–5. Дои:10.1007 / BF01734297. PMID  24202839.
  28. ^ Министерство торговли и промышленности (2007) Решение энергетической задачи: Белая книга по энергетике. С. 111-112. Доступ 27.02.08. В архиве 11 марта 2009 г. Wayback Machine