10種有機(jī)物對(duì)氧化亞鐵硫桿菌BYM磁小體生長(zhǎng)、合成、發(fā)酵、產(chǎn)量的影響（一）
摘要
【目的】明確不同種類有機(jī)物對(duì)氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)BYM磁小體形成的促進(jìn)作用，為安全有效提升細(xì)菌磁小體產(chǎn)量提供新思路。
【方法】以A.ferrooxidans BYM為目的菌株，采用單因素試驗(yàn)分析10種有機(jī)物對(duì)A.ferrooxidans BYM亞鐵氧化的影響，通過(guò)4 L發(fā)酵體系進(jìn)一步篩選促進(jìn)磁小體合成的有機(jī)物；通過(guò)分批發(fā)酵實(shí)驗(yàn)基于經(jīng)典發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型(Logistic、Luedeking-Piret、底物消耗動(dòng)力學(xué)方程)分別構(gòu)建A.ferrooxidans BYM菌體生長(zhǎng)、磁小體合成以及亞鐵消耗動(dòng)力學(xué)模型。
【結(jié)果】篩選得到10 mmol/L葡萄糖酸能使磁小體產(chǎn)量最高達(dá)到2.00×10?3 g/L，葡萄糖酸使A.ferrooxidans BYM細(xì)胞呈橢圓形，表面光滑；在葡萄糖酸作用下，A.ferrooxidans BYM的發(fā)酵符合Logistic、Luedeking-Piret、底物消耗動(dòng)力學(xué)方程。
【結(jié)論】添加10 mmol/L葡萄糖酸能夠使A.ferrooxidans BYM磁小體產(chǎn)量提升8倍，葡萄糖酸通過(guò)改變細(xì)胞形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)促進(jìn)磁小體合成，菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物生成以及底物消耗動(dòng)力學(xué)模型可以闡明A.ferrooxidans BYM在葡萄糖酸存在下的分批發(fā)酵過(guò)程。
前言
磁小體是一種理想的生物納米磁性材料，主要成分是Fe3O4或Fe3S4，具有粒徑均一、超順磁性、純度高、無(wú)細(xì)胞毒性等特點(diǎn)，在靶向載藥、生物定位、污水處理和磁熱療等方面具有廣泛應(yīng)用。研究表明，生物控制礦化作用下產(chǎn)生的磁小體具有雙層膜結(jié)構(gòu)。目前報(bào)道用于磁小體合成的微生物主要是3種模式趨磁細(xì)菌，包括格利菲斯瓦爾德鎮(zhèn)磁螺菌(Magnetospirillum gryphiswaldense)MSR-1、向磁磁螺菌(Magnetospirillum magnetotacticum)MS-1、Magnetospirillum magneticum AMB-1。然而，這些趨磁細(xì)菌生長(zhǎng)條件苛刻，對(duì)氧濃度要求極為嚴(yán)格，導(dǎo)致細(xì)菌培養(yǎng)和磁小體提取過(guò)程復(fù)雜，難以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)是一種化能自養(yǎng)革蘭氏陰性細(xì)菌，最初發(fā)現(xiàn)于1947年，廣泛分布于酸性礦水、鐵硫礦床以及土壤中，屬于產(chǎn)磁小體的非趨磁細(xì)菌，能以亞鐵、硫元素以及還原型硫化物作為能源。雖然已有研究通過(guò)單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)A.ferrooxidans產(chǎn)磁小體的發(fā)酵條件進(jìn)行了優(yōu)化，產(chǎn)率有了顯著提高，可達(dá)0.012 mg/(L·h)，但相較于趨磁細(xì)菌的磁小體產(chǎn)率0.036?0.154 mg/(L·h)，A.ferrooxidans的磁小體產(chǎn)率還有很大的差距。因此，篩選獲得易于培養(yǎng)的磁小體產(chǎn)生菌，并通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵條件提高磁小體產(chǎn)量，對(duì)于促進(jìn)磁小體商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。
A.ferrooxidans作為典型的化能自養(yǎng)菌，對(duì)多種有機(jī)物敏感。人們?cè)谠囼?yàn)中多采用有機(jī)酸、螯合劑以及表面活性劑作為促進(jìn)劑。研究表明，A.ferrooxidans在一定程度上能夠吸收特定有機(jī)物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的生長(zhǎng)物質(zhì)，但是其同化能力有限，主要體現(xiàn)在乙酸可以作為一種有機(jī)促進(jìn)劑，其結(jié)合細(xì)胞碳的能力大于氨基酸和糖類物質(zhì)，其他常用的有機(jī)酸還包括草酸、蘋(píng)果酸以及檸檬酸等。螯合劑可以與金屬離子產(chǎn)生配位作用，從而提高菌體對(duì)金屬的攝入量，主要包括葡萄糖酸、乙二胺四乙酸(ethylenediamine tetraacetic acid，EDTA)、酒石酸和羅丹明B等。表面活性劑可以降低浸出液的表面張力，改變疏水性和滲透性，主要包括吐溫-20、吐溫-80、聚乙二醇辛基苯基醚(p-iso-octyl phenoxy polyethoxyethanol，TritonX-100)和聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)等。因此，在分批發(fā)酵中，加入有機(jī)物對(duì)菌體的次生代謝及菌體產(chǎn)量具有促進(jìn)作用，從而提高磁小體產(chǎn)量。
發(fā)酵調(diào)控是實(shí)現(xiàn)磁小體規(guī)模化生產(chǎn)的前提，發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是一門(mén)能夠監(jiān)控發(fā)酵過(guò)程中各種因素隨發(fā)酵時(shí)間變化的科學(xué)。通過(guò)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究和發(fā)酵模型的建立，能夠進(jìn)一步了解發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成的機(jī)制，以及環(huán)境因素對(duì)這些機(jī)制的影響，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的有效控制，從而達(dá)到提高發(fā)酵產(chǎn)物指標(biāo)的目的。微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型包括：菌體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型、產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型和底物消耗動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)這些動(dòng)力學(xué)模型探究A.ferrooxidans BYM在整個(gè)發(fā)酵階段的菌體生長(zhǎng)、磁小體生成和亞鐵消耗情況，可為細(xì)菌磁小體的規(guī)模化發(fā)酵提供理論和實(shí)踐依據(jù)。另外，對(duì)于細(xì)菌合成磁小體發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究，有助于實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化。發(fā)酵規(guī)模的擴(kuò)大對(duì)于產(chǎn)物生成具有關(guān)鍵作用，有利于產(chǎn)磁小體細(xì)菌的工廠化發(fā)酵及補(bǔ)料發(fā)酵培養(yǎng)。目前，對(duì)于A.ferrooxidans BYM發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的探究主要集中在次生礦物的合成中，對(duì)其合成磁小體的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的探究尚未深入報(bào)道。
因此，本研究以A.ferrooxidans BYM為研究對(duì)象，旨在探究有機(jī)酸、表面活性劑和螯合劑等外源有機(jī)物添加對(duì)菌體生長(zhǎng)和磁小體合成的影響；解析A.ferrooxidans BYM在添加最佳促進(jìn)劑體系中的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特征，闡明促進(jìn)劑作用下A.ferrooxidans BYM的菌體生長(zhǎng)、磁小體合成及亞鐵氧化的動(dòng)態(tài)規(guī)律，為A.ferrooxidans BYM磁小體產(chǎn)量提升提供一種新思路。
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