10种有机物对氧化亚铁硫杆菌BYM磁小体生长、合成、发酵、产量的影响（一）
摘要
【目的】明确不同种类有机物对氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)BYM磁小体形成的促进作用，为安全有效提升细菌磁小体产量提供新思路。
【方法】以A.ferrooxidans BYM为目的菌株，采用单因素试验分析10种有机物对A.ferrooxidans BYM亚铁氧化的影响，通过4 L发酵体系进一步筛选促进磁小体合成的有机物；通过分批发酵实验基于经典发酵动力学模型(Logistic、Luedeking-Piret、底物消耗动力学方程)分别构建A.ferrooxidans BYM菌体生长、磁小体合成以及亚铁消耗动力学模型。
【结果】筛选得到10 mmol/L葡萄糖酸能使磁小体产量最高达到2.00×10−3 g/L，葡萄糖酸使A.ferrooxidans BYM细胞呈椭圆形，表面光滑；在葡萄糖酸作用下，A.ferrooxidans BYM的发酵符合Logistic、Luedeking-Piret、底物消耗动力学方程。
【结论】添加10 mmol/L葡萄糖酸能够使A.ferrooxidans BYM磁小体产量提升8倍，葡萄糖酸通过改变细胞形态和表面结构促进磁小体合成，菌体生长、产物生成以及底物消耗动力学模型可以阐明A.ferrooxidans BYM在葡萄糖酸存在下的分批发酵过程。
前言
磁小体是一种理想的生物纳米磁性材料，主要成分是Fe3O4或Fe3S4，具有粒径均一、超顺磁性、纯度高、无细胞毒性等特点，在靶向载药、生物定位、污水处理和磁热疗等方面具有广泛应用。研究表明，生物控制矿化作用下产生的磁小体具有双层膜结构。目前报道用于磁小体合成的微生物主要是3种模式趋磁细菌，包括格利菲斯瓦尔德镇磁螺菌(Magnetospirillum gryphiswaldense)MSR-1、向磁磁螺菌(Magnetospirillum magnetotacticum)MS-1、Magnetospirillum magneticum AMB-1。然而，这些趋磁细菌生长条件苛刻，对氧浓度要求极为严格，导致细菌培养和磁小体提取过程复杂，难以进行大规模生产。氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)是一种化能自养革兰氏阴性细菌，最初发现于1947年，广泛分布于酸性矿水、铁硫矿床以及土壤中，属于产磁小体的非趋磁细菌，能以亚铁、硫元素以及还原型硫化物作为能源。虽然已有研究通过单因素和响应面试验对A.ferrooxidans产磁小体的发酵条件进行了优化，产率有了显著提高，可达0.012 mg/(L·h)，但相较于趋磁细菌的磁小体产率0.036−0.154 mg/(L·h)，A.ferrooxidans的磁小体产率还有很大的差距。因此，筛选获得易于培养的磁小体产生菌，并通过优化发酵条件提高磁小体产量，对于促进磁小体商业化应用具有重要意义。
A.ferrooxidans作为典型的化能自养菌，对多种有机物敏感。人们在试验中多采用有机酸、螯合剂以及表面活性剂作为促进剂。研究表明，A.ferrooxidans在一定程度上能够吸收特定有机物转化为细胞的生长物质，但是其同化能力有限，主要体现在乙酸可以作为一种有机促进剂，其结合细胞碳的能力大于氨基酸和糖类物质，其他常用的有机酸还包括草酸、苹果酸以及柠檬酸等。螯合剂可以与金属离子产生配位作用，从而提高菌体对金属的摄入量，主要包括葡萄糖酸、乙二胺四乙酸(ethylenediamine tetraacetic acid，EDTA)、酒石酸和罗丹明B等。表面活性剂可以降低浸出液的表面张力，改变疏水性和渗透性，主要包括吐温-20、吐温-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，在分批发酵中，加入有机物对菌体的次生代谢及菌体产量具有促进作用，从而提高磁小体产量。
发酵调控是实现磁小体规模化生产的前提，发酵动力学是一门能够监控发酵过程中各种因素随发酵时间变化的科学。通过发酵动力学的研究和发酵模型的建立，能够进一步了解发酵过程中菌体生长与产物形成的机制，以及环境因素对这些机制的影响，实现发酵过程的有效控制，从而达到提高发酵产物指标的目的。微生物发酵动力学模型包括：菌体生长动力学模型、产物生成动力学模型和底物消耗动力学模型。通过这些动力学模型探究A.ferrooxidans BYM在整个发酵阶段的菌体生长、磁小体生成和亚铁消耗情况，可为细菌磁小体的规模化发酵提供理论和实践依据。另外，对于细菌合成磁小体发酵动力学研究，有助于实现发酵过程的优化。发酵规模的扩大对于产物生成具有关键作用，有利于产磁小体细菌的工厂化发酵及补料发酵培养。目前，对于A.ferrooxidans BYM发酵动力学的探究主要集中在次生矿物的合成中，对其合成磁小体的发酵动力学的探究尚未深入报道。
因此，本研究以A.ferrooxidans BYM为研究对象，旨在探究有机酸、表面活性剂和螯合剂等外源有机物添加对菌体生长和磁小体合成的影响；解析A.ferrooxidans BYM在添加最佳促进剂体系中的发酵动力学特征，阐明促进剂作用下A.ferrooxidans BYM的菌体生长、磁小体合成及亚铁氧化的动态规律，为A.ferrooxidans BYM磁小体产量提升提供一种新思路。
10种有机物对氧化亚铁硫杆菌BYM磁小体生长、合成、发酵、产量的影响（一）
10种有机物对氧化亚铁硫杆菌BYM磁小体生长、合成、发酵、产量的影响（二）
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