嗜酸铁氧化细菌生物矿化研究进展及其应用

重点介绍嗜酸铁氧化细菌的胞内胞外矿化研究进展,概述嗜酸铁氧化细菌胞内矿化产物性质和影响矿化产物合成的因素,整理现阶段磁性纳米颗粒的合成机制;对嗜酸铁氧化细菌胞外矿化产物的合成原理和影响因素进行汇总;最后总结嗜酸铁氧化细菌矿化产物的应用前景,并指出当下磁性纳米颗粒研究的不足。针对研究现状提出未来依赖分子生物学解析胞内矿化机制并拓展其应用范围的新思路,该研究有望为进一步研究嗜酸铁氧化细菌胞内胞外矿化及其应用提供理论指导。

Influence of different Fe sources and concentrations on formation of magnetosomes in Acidithiobacillus ferrooxidans

紧张 Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270 的整个染色体被生物信息学分析，在 magnetotactic 细菌的功能的一些相当或相同的事物基因是可得到的。为了响应不同 Fe 来源和集中，获得 Acidithiobacillus ferrooxidans 的 magnetosomes 形成机制的进一步的知识，时间的基因表示 mpsA 介绍， magA， mamB 并且你被使用实时量的反向的 transcription-PCR 检验。magnetosomes 和 magnetotaxis 的微生物引起的形成也在不同 Fe2+ 集中下面被学习。结果显示 1622 ATCC 23270， 0276， 1124 和 2572 的 ORF 数字与 mpsA 是相应的，你，在 magnetotactic 细菌的 magA 和 mamB 基因。mpsA， magA 和 mamB 的表示层次是直接在 150200 点与铁的集中，和最高的表示有关铺平 mmol/L 铁被获得。在 ATCC 23270 和房间的 magnetotaxis 的 magnetosomes 的数字是显著地这三基因与表示有关铺平，建议这些基因在在 A 的 magnetosome 形成的过程期间与铁运输是相关的。ferrooxidans。

磁杆菌HMB-1的磁小体特性及其合成条件的研究

从西安段家坡黄土剖面６１个土样中，分离纯化出一株磁杆菌ＨＭＢ１，并对其磁性特点及磁小体的合成条件进行了研究；同时用Ｘ射线能谱分析测定了磁小体的组成成分，主要为铁和钴。

趋磁细菌的磁小体

趋磁细菌是一类对磁场有趋向性反应的细菌,其菌体能吸收外界环境中铁元素并在体内合成包裹有膜的纳米磁性颗粒Fe3O4或Fe3S4晶体即磁小体。综述了趋磁细菌的磁小体生物矿化的条件,以及趋磁细菌的铁离子吸收、磁小体囊泡的形成、铁离子的转运到磁小体囊泡及囊泡中受控的Fe3O4生物矿化的分子生物学和生物化学等方面的研究进展,重点介绍了趋磁细菌磁小体合成机制的研究进展及未来研究磁小体的发展方向。

趋磁细菌磁小体研究进展

趋磁细菌能在细胞内形成由膜包裹的纳米级单畴磁性颗粒——磁小体。磁小体的形成是受生物严格控制的矿化过程,包括铁离子的吸收、转运和结晶成核等。磁小体膜在磁铁矿(Fe3O4)晶体的形成中起着重要的作用。主要介绍近年来关于磁小体形成过程和参与这一过程的蛋白质等方面的一些重要研究进展。

中国黄土剖面趋磁细菌的组成特征与生态意义

选择中国的黄土 -古土壤序列的趋磁细菌作为研究对象,以透射电镜、扫描电镜、生化实验和有机地球化学方法先后研究了从黄土地区陕西段家坡、甘肃西峰以及陕西洛川富集的趋磁细菌,结果表明,虽然趋磁细菌在黄土和古土壤层的形态有所差异,但它们均由细胞膜、细胞质和沿长轴排列的磁小体与气泡组成,在适宜的条件下它能生长出较多的磁小体。磁小体由氧化铁组成,并可从体内排出,使环境中部分Fe2 + 转变为Fe3 + ,促使地层磁化率增高,尤其在古土壤层段。中国黄土剖面中趋磁细菌的产量是地表温度、湿度、pH、铁含量的函数。与湖沼中的趋磁菌相比,它在菌体形态、磁小体的数量与排列方式上有很大差异,因而中国西北黄土地区的趋磁细菌是典型的生态物种。

趋磁细菌——生物地球化学作用的范例

趋磁细菌 (MB)属变形菌纲 ,为简单的原核细胞。它的最大特征是体内长有磁小体(MSs) ,沿地磁线运动。MSs由膜及其内部的无机矿物或铁素 (含铁蛋白质 )组成 ,无机矿物有铁的氧化物系列或铁的硫化物系列 ,它们是MB的代谢产物 ,也是最早发现的有机界面生物矿化作用的范例。文章在广泛调查的基础上 ,选择源于黄土剖面S0 ,S1 和S5 古土壤层中的MB为研究重点 ,对它们进行了形态与生理生化特征的观察与检测 ,生命元素和生命小分子脂肪酸的色质谱与能谱测定 ,并在没有添加营养和铁源的条件下 ,开展了MSs的生长特点及它对环境磁性影响的模拟实验。黄土中的MB以杆状为主 ,杆状的长与宽之比随温度的降低而变大。MSs中的矿物为铁的氧化物系列 ,在较低温度并有一定温度差 ( 8～ 1 8℃ )的情况下生长较好。菌体老化后菌膜发生自溶 ,MSs脱落到体外 ,可能成为沉积物中细粒磁性物质的重要组分。因此它们在古地磁与古气候记录上具有重要的意义。通过对不同级别生物分子的了解与测试 ,MSs的矿物成分与形成机理研究 ,以及MSs中磁铁矿的铁和氧同位素测定 。

磁泳分离细菌新方法的研究

从酸性矿坑水中富集培养分离到的嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,A． ferrooxidans)同趋磁细菌具有一定的相似性。通过显微镜观察发现,部分浸矿细菌在外加磁场的作用下具有微弱的趋磁性,基于菌种的这种特性,设计了磁泳分离仪,对其在磁场作用下泳动(磁泳)进行分析,经磁泳后的近磁、远磁菌的生理特性有较大的差异。从用涂布平板法获得的近磁菌纯培养A．ferrooxidans菌体中,分离得到纳米磁性颗粒,能谱分析表明,其主要成分为Fe和O元素。实验结果证明,A．ferrooxidans具有微弱趋磁性,采用磁泳分离该类菌体内含有磁性颗粒的细菌是可行的,这一分离技术的进一步完善和改进将为传统的微生物菌种分离提供一种新型分离技术,也将大大促进趋磁细菌的研究,而且它与浸矿工艺的结合将大大促进我国生物冶金的研究步伐。

趋磁细菌及磁小体对黄土-古土壤序列磁化率贡献的模拟实验研究

选择西峰和段家坡两个黄土剖面 ,对磁化率变化显著的L6-S5-L5层段 ,通过对样品中的趋磁细菌 (MB)用相同的培养基富集及生长培养 ,初步定量模拟了MB和磁小体 (MSs)对黄土 -古土壤序列磁化率的贡献。富集培养MB后 ,段家坡剖面样品磁化率表现出不同程度的增高 ,最大达 1 1 6 .4% (DS5- 1 )。以古土壤样品XS5- 1 、DS5- 1 为介质生长培养MB ,DS5- 1 磁化率的增长与接种的菌液量呈近似线性关系。此外 ,生长培养后古土壤样品频率磁化率与FeO/Fe2 O3比值呈现出相似的变化趋势 ,证实了磁小体的形成。由此表明 :1 )MB和MSs是影响黄土剖面磁化率的因素之一 ,受气候和地质环境等因素的影响 ,不同地区黄土剖面MB的生长和MSs的形成存在差异 ,因此对磁化率的贡献也不尽相同 ;2 )MSs是黄土 -古土壤序列中超细粒磁性物质的组成部分。当气候环境比较适宜MSs形成及保存时 ,MSs在黄土剖面中超细粒 (≤ 5 0nm)磁性组分中比重会相应增高 ,对磁化率和频率磁化率的影响也更为突出。

固体平板磁泳分离细菌新方法

氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）能够在胞内形成电子致密的磁性颗粒，它的这种特性使利用氧化亚铁硫杆菌合成生物纳米磁性材料有可能实现。为了筛选出合成磁性颗粒能力强的菌株，对原有的液体磁泳进行了改进，采用了新的固体平板磁泳方法来筛选纯化目的菌株。经过磁泳分离后，细菌中含磁性颗粒的细胞比例由原始菌群的30％上升到90％，胞内含有的磁颗粒数目也由1～2颗增加至2～5颗，筛选得到的细菌在人工磁场下会进行趋磁运动。实验结果表明，氧化亚铁硫杆菌具有较弱的趋磁性，在人工磁场下会进行趋磁运动，但仅在地磁场作用下不能定向运动，利用固体平板磁泳筛选纯化含有磁性颗粒的氧化亚铁硫杆菌的方法是切实可行的，磁泳分离技术的进一步完善和改进为传统的微生物菌种分离提供了新的途径，为研究纯氧化亚铁硫杆菌菌株胞内磁性颗粒的形成条件及机理提供了前提条件，也为今后从浸矿细菌中分离筛选更多的含有磁性颗粒的菌株打下基础。

有机质对纳米级磁铁矿热稳定性的影响

单畴磁铁矿颗粒是地质样品中最重要的磁性载体,其稳定性一直备受关注.为了认识有机质对纳米级磁铁矿颗粒热稳定性的影响,本文对比研究了趋磁细菌AMB-1合成的单畴磁铁矿分别在全细胞中和经去胞提纯后的纯化磁小体中的热磁性质,以及热处理后样品的磁滞参数和低温磁性的变化.发现仅有磁小体膜包裹的纯化磁小体中单畴磁铁矿热稳定性极强,而全细胞中的单畴磁铁矿加热过程中发生了显著的热变化:磁铁矿在约270℃即开始转化,400℃以前几乎完全被有机质还原为顺磁性物质;同时在400℃以前,有机质的还原作用与有机质热分解引起磁小体链的坍塌,共同导致了样品矫顽力(B_c)、剩磁矫顽力(B_(cr))和剩磁比(M_(rs)/M_s)的减小,以及矫顽力比(B_(cr)/B_c)的增加.我们的实验结果清楚地表明,当地质样品中含有较多有机质组分并受热事件影响时,其中的单畴磁铁矿难以得到保存.

细菌纳米磁小体有望作为靶向药物载体

趋磁细菌细胞内合成的纳米磁小体具有颗粒均匀,晶型稳定的特点,每个磁小体有脂膜包被。提纯的磁小体毒性低,生物相容性好,可作为多种药物和大分子化合物的载体而应用于定向治疗肿瘤。本文介绍了细菌磁小体的结构特点,提出了采用细菌磁小体连接抗癌药物的策略,讨论了建立磁小体载药体系靶向治疗癌症的可能性。

磁螺菌磁小体形成的电镜观察及其纯化

目的 了解磁螺菌 (Magnetospirillumgryphiswaldense)细胞合成磁小体的过程 ,研究磁小体的提取和纯化方法。方法 供试菌株在 5L自动发酵罐中微氧培养并定时取样电镜观察 ,用超声波破碎、蔗糖密度梯度离心、多次超声波打散和缓冲液洗涤等方法获得纯化的磁小体 ,用电镜和能谱对其纯度进行检测。结果 培养 8h的细胞已有小磁粒合成且分散于细胞膜内侧 ,培养 4 0h后的磁小体沿细胞长轴呈链状排列于细胞中央 ;获得具有完整外膜包被的高度纯化的磁小体 ,收率为 4 0mg(干重 ) /L培养液。 结论 磁小体合成的位点可能分散于细胞质膜内侧的不同部位 ;建立了磁小体纯化和纯度检测的方法 ,该方法对于磁小体的应用研究具有重要意义。

趋磁细菌的特点及其纳米磁小体的合成条件

综述了趋磁细菌及其胞内纳米磁小体的特性,评述了趋磁细菌磁小体形成的条件及影响因素。在分析趋磁细菌大量培养和影响磁小体形成因素的基础上,指出了细胞培养和磁小体产量提高所存在的问题及解决途径。提出了趋磁细菌形成磁小体的机制和生理意义的假说:大量Fe2+运入细胞是在低氧浓度的胁迫下,以Fe3+作为电子最终受体呼吸并跨膜转运的结果;避免大量进入细胞的Fe2+对自身的毒害作用是其进一步转化为Fe3O4原因;提出在细胞膜内表面形成Fe3O4并包裹等新观点。

黄土剖面中趋磁细菌及其磁小体的初步研究

从中国西安市附近段家坡黄土剖面分离到微好氧性的趋磁细菌，经透射电子显微镜Ｈ－７０００ＦＡ和Ｈ－６００ＳＥＭ／ＥＤＡＸ－ｐＶ９１００型分析，黄土层（Ｌ１）中仅发现弧形菌，数量少，每个菌体含２个磁小体；古土壤层（Ｓｏ和Ｓｉ）含有大量杆状菌，每个菌体有１５个以上的磁小体，沿细胞长轴呈两排链状排列，且具有向南磁极游动的习性。Ｘ射线能谱分析表明，磁小体中具有高丰度的Ｆｅ和Ｃｏ。趋磁细菌中磁小体的数量在古土壤层高于黄土层的特点与其剖面磁化率的表现是一致的。

从武汉印染厂废水淤泥中分离出的趋磁细菌的生长与磁小体形成过程

对从武汉印染厂污泥中分离出的趋磁细菌YN-1,分别进行了5 d,10 d,20 d,25 d和30 d的纯培养与透射电镜的观察,并对30 d释放出的磁小体进行了能谱分析.结果表明:培养5 d的趋磁细菌,其体内的细胞质相对均匀,可见到铁质在细胞内输送的痕迹.随后细胞质变为不均匀,菌体内泡状物和磁小体增多;20 d后菌体膜出现自溶,可见磁小体从破裂的菌膜排出体外的现象,25 d后可见到具有鞭毛、细胞质分布均匀的“营养体”.培养30 d,菌膜基本自溶,除见有营养体外,残存大量的细胞膜碎片和磁小体,对它们的能谱分析显示,磁小体的主要无机成分为Fe.由此判断,25 d可能为该菌在培养条件下的趋磁细菌生长与磁小体形成周期.

趋磁细菌的分子生物学研究进展

趋磁细菌菌体内含有磁小体,能够沿地球磁力线方向定位、运动.趋磁细菌和磁小体的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文对趋磁细菌及其胞内产物磁小体作了介绍,论述了该领域分子生物学方面的研究进展,包括与磁小体相关的基因和蛋白的研究、趋磁细菌遗传体系及基因组方面的研究等,展望了该领域今后的发展前景.

脉冲磁场对趋磁螺细菌AMB-1磁小体形成及相关基因表达的影响

本文利用Cmag测量、透射电镜观察等技术研究了脉冲磁场对不同初始状态的趋磁螺细菌AMB-1（Magnetospirillum magneticum AMB-1）磁小体形成的影响,并对其相关蛋白MamA、Mms13、Mms6和MagA编码基因的表达情况做了荧光实时定量反转录聚合酶链式反应（qRT-PCR）。结果表明：同自然地磁场相比,50Hz、1mT脉冲磁场可促进AMB-1磁小体形成;当初始菌种为含有磁小体的AMB-1时,脉冲磁场促进指数期菌体magA基因的表达;而当初始菌种为不含磁小体的AMB-1时,则促进指数期菌体magA和mamA基因的表达。脉冲磁场虽然导致指数期细胞磁颗粒不均匀,但使磁小体链加长,含磁小体菌的平均磁颗粒数也较地磁场明显增加。实验结果为应用磁场干预磁小体形成,提高磁小体产率的研究提供了实验和理论依据,也有助于进一步了解磁场的生物学效应。

新型海洋趋磁细菌YSC-1的磁性能分析

对从黄海冷水团附近海域的底泥中分离到的一株新型海洋趋磁细菌YSC-1的磁特性进行了分析.对YSC-1菌株进行的磁铁吸附实验显示YSC-1菌株有一定的磁性、核磁共振(MRI)测定表明菌体中包含磁性材料,磁性能测量结果证明YSC-1的菌体沉淀有磁性,但磁性较弱,磁滞回线测量显示YSC-1菌株中含有铁磁材料,饱和磁矩约为40memu/g.每个细菌的磁矩为:3.06×10-14emu.

青岛汇泉湾海洋趋磁细菌多样性研究

在青岛汇泉湾沿岸沉积物中发现了大量海洋趋磁细菌,最大丰度可达10~5个/cm^3。透射电镜观察发现该菌菌体形态多样,有球形或卵球形、长短杆状、弧状和螺旋状,其中球形或卵球形趋磁细菌占绝对优势。电镜观察还发现该菌磁小体的排列方式多样化,大多数呈链状排列,有单链、双链及多链,还有的呈环状或者成簇排列。磁小体的形态也多种多样,有正方体、棱柱体、立方八面体、子弹头状、片状和齿状。用 RFLP 方法分析了70个克隆测序,得到10条不同序列。经16S rRNA 系统发育分析,发现9个属于α-变形菌亚纲,1个属于γ-变形菌亚纲,共有8个不同的属,优势种属于未培养的海洋趋磁球菌。所有菌株与最接近的海洋趋磁球菌的相似性并不高(76.4%～89.4%),表明该海区的趋磁细菌为新发现的微生物资源。