アシジチオバチルス・チオオキシダンス

アシジチオバチルス・チオオキシダンス
アシディチオバチルス チオオキシダンス CLST 株
科学的分類
ドメイン：	細菌
門:	シュードモナドタ
クラス：	アシディチオバチルス
注文：	アシディチオバシラ目
家族：	アシディチオバシラ科
属:	アシディチオバチルス
種：	A.チオオキシダンス
二名法名
アシジチオバチルス・チオオキシダンス （ケリーとウッド 2000）
タイプ株
DSM 17318 ATCC 19377T ダム
同義語
チオバチルス・コンクリティヴォルス ケリー＆ハリソン 1989 チオバチルス・チオオキシダンス ケリー＆ウッド 2000

アシディチオバチルス・チオオキシダンスは、シュードモナドタ亜綱アシディチオバチルス属に新たに指定されたアシディチオバチルスに再分類されるまではチオバチルス・チオオキシダンスと呼ばれていました^{[1] 。}グラム陰性の桿菌で、硫黄を主なエネルギー源とします[ ^{2] 。}中温性で、最適温度は28℃です^[2]。この細菌は、土壌、下水管、スノッタイトと呼ばれる洞窟バイオフィルムによく見られます^{[2] 。A} . チオオキシダンスは、微生物の働きで鉱石から金属を抽出する バイオリーチングと呼ばれる採掘技術に使用されます

A. thiooxidansは、先端が丸い桿菌で、自然界では単一細胞（最も一般的）または時にはペアで存在するが、まれに三つ子で存在する。^[2]運動性は極性鞭毛による。^[2]最適 pH が 4.0 未満の好酸性細菌であるが、偏性好気性菌および化学合成無機栄養菌としても分類される。^[2]無色の硫黄酸化細菌であるA. thiooxidans は、平均サイズが直径約 0.5 μm、長さ 1 μm 以下の非常に小さな細胞の内外に硫黄を蓄積しない 。 ^[2]

A. thiooxidansは今のところ寒天培地やその他の固形培地では増殖せず、代わりに全体に強く均一に分散した濁りを持つ液体培地を好み、沈殿物の形成や表面増殖は起こさない。^[2]従来の有機培地では増殖しないが、ペプトンやグルコースを含む培地によって害を受けることはない。^{[2]その増殖に最も適した培地は}無機培地であり、A. thiooxidansが硫黄をエネルギー源として利用できる培地である。^[2]リン酸三カルシウムの存在下でのA. thiooxidansの成長には、次のような特徴的な反応が伴います。培地表面の硫黄によって形成された層は底に沈み、硫黄の酸化生成物である硫酸によってリン酸三カルシウムが溶解して可溶性リン酸塩と CaSO ₄ + 2 H _{2 O が生成され、}硫酸カルシウムの沈殿によって培地表面に浮遊する硫黄粒子から垂れ下がる、または底から上向きに突き出た放射状の単斜晶が形成されます。^[2]培地は pH が約 2.8 の酸性になり、リン酸カルシウムがすべて溶解するまで静止したままになります。^[2]培地をアルカリ性状態に変化させる傾向があるものはすべて、 A. thiooxidansの均一な成長に有害であると考えられますが、酸やアルカリが過剰であっても害がなければ、液体培地上で何世代も連続して生存することができます。^[2]

チオオキシダントは28～30℃の最適温度で繁殖します。^[2]低温（18℃以下）および37℃以上では硫黄の酸化と増殖は著しく遅くなりますが、55～60℃の温度であれば生物を殺すのに十分です。^[2]

完全好気性菌であるA. thiobacillusは、大気中のCO2_を^{固定して炭素必要量を満たす。 [2]}さらに、他の必須栄養素がさまざまな量必要とされる。^[2] 還元無機硫黄化合物（RISC）の酸化システムに関しては、好酸性微生物に関する知識が一般的に不足している。^[3] Fazziniら（2013）は、硫黄酸化好酸性化学栄養性原型であるA. thiooxidans （株DSM 17318）におけるRISCの酸化を定量的に評価できる、実験的に検証された最初の化学量論モデルを提示した。文献の分析とゲノム解析により、以前に提案されたRISCの酸化モデルを組み合わせて実験的に評価し、Soxシステム（SoxABXYZ）によるチオ硫酸の部分酸化を非生物的反応とともに硫黄酸化モデルの中心的なステップとした。^[3]このモデルは、バイオマス生産の詳細な化学量論と組み合わせることで、細菌の増殖を正確に予測することができます。^{[3]このモデルは、バイオハイドロ冶金や環境アプリケーションで使用できる可能性があり、} A. thiooxidansのバイオマス生産を最適化するための高度な手段となります。^[3]

A. thiooxidans は、炭素要求量を満たすために必要なエネルギーのすべてを CO ₂の固定から得ています。^[2]炭酸塩と重炭酸塩の形で培養物に炭素が導入されたときの反応によって、硫黄酸化細菌と硝化細菌を区別することができます。^{[2]炭酸塩は培地を}アルカリ性に保ち、酸性条件下で最もよく成長するA. thiooxidansの成長を妨げます。一方、重炭酸塩は低濃度に保たれていれば健全な成長を可能にすることが示されています。^[2 ] しかし、大気中のCO _{2 は}A. thiooxidansの成長を支えるのに十分であると思われるため、重炭酸塩は不要であり、培地の酸性度を低下させる傾向があるため、実際には有害な影響があります。^[2]

A. thiooxidans は増殖量が少ないため少量の窒素しか必要としませんが、最適な窒素源は無機酸のアンモニウム塩、特に硫酸アンモニウムであり、次いで有機酸のアンモニウム塩、硝酸塩、アスパラギン、アミノ酸です。^[2]培地に窒素源が導入されない場合、A. thiooxidans は大気中の微量アンモニア、蒸留水、またはその他の塩の汚染から必要な窒素を摂取し、ある程度の増殖が見られます。 ^[2]

A. thiooxidansは硫黄を硫酸に酸化するために大気中の酸素を使用するため、絶対好気性である。^[2]

良質な窒素源がある場合、グルコース、グリセロール、マンニトール、アルコールなどの有機物質は、刺激物と同様に作用するか、生物の構造要件に関与し、A. thiooxidansに害を与えず、むしろ好ましい影響を与えるようです。^[2]

A. thiooxidans は元素硫黄を主なエネルギー源として利用し、硫化キノン還元酵素とsox経路によってそれを酸化する。^[2]硫黄はA. thiooxidansによって硫酸に酸化され、放出されたエネルギーは成長と維持に使用される。^[2]硫黄に加えて、A. thiooxidans はチオ硫酸塩またはテトラチオネートをエネルギー源として利用できるが、チオ硫酸塩の液体培地での成長は遅く、通常、好ましい条件下で約 10 ～ 12 日かかるのに対し、元素硫黄ではわずか 4 ～ 5 日で成長し、これは pH と濁度の変化によって実証されている。^[2] A. thiooxidans は鉄や黄鉄鉱を酸化できないが、鉄を酸化できるが硫黄を酸化できない細菌Leptospirillum ferrooxidansと共培養すると、黄鉄鉱から硫黄を生成できることが示されている。^[2]

A. thiooxidansは完全に独立栄養性であり、グルコースは害を及ぼさず、ある程度は有益であるものの、生成される酸の量と酸化される硫黄の量は、グルコースを含む培養物と含まない培養物の間で大きな違いはありません。^[2]

独立栄養細菌であるA. thiooxidansは、エネルギー要件を満たすために無機物を使用し、炭素需要を満たすために大気中の炭素を使用します。^[2] A. thiooxidansは、無機元素硫黄からエネルギーを、大気から直接炭素を、硫酸アンモニウムやその他の無機塩から窒素を得ており、またミネラル要求量が少ないことから、この独立栄養微生物は、不溶性のリン酸塩、炭酸塩、ケイ酸塩と相互作用する硫酸の形成を通じて風化に寄与した最初の好気性微生物の1つであったと考えられます。

Acidithiobacillusに関する情報のほとんどは、他の2つの関連種、Acidithiobacillus : A. ferrooxidansおよびA. caldusの実験的およびゲノムベースの解析から得られています。A . thiooxidans ATCC 19377の完全なドラフトゲノム配列は、全ゲノムショットガン戦略を使用して決定され、164のコンティグに合計3,019,868塩基対を含むことが明らかになりました。^[4] GC比は53.1%対46.9%であることがわかりました。^[4] A. thiooxidansのゲノムには3,235のタンパク質コード遺伝子が予測され、43のtRNA 、1つの完全な5S-16S-23Sオペロンと1つの部分的な5S-16S-23Sオペロン、およびアミノ酸、ヌクレオチド、無機硫黄化合物、および中心炭素代謝の遺伝子の完全なセットも含まれていました。 ^[4]ゲノムには、硫黄キノン酸化還元酵素（sqr）、テトラチオネート加水分解酵素（tetH）、チオ硫酸キノン酸化還元酵素（doxD）の遺伝子に加えて、硫黄酸化複合体SOXをコードする2つの遺伝子クラスター（soxYZB-hyp-resB-saxAX-resCおよびsoxYZA-hyp-soxB）も含まれており、これらは以前にA. caldusおよび好中球硫黄酸化菌であるThiobacillus denitrificansで発見されていました。^[4] Acidithiobacillus thiooxidans株は、 PCR増幅16S - 23S rDNA遺伝子間スペーサー（ITS）および制限酵素断片長多型（RFLP）の配列解析により、A. ferrooxidansおよびA. caldusを含む他の関連Acidithiobacilliから区別されています。^[5]これらの研究者によって調査されたA. thiooxidansの株（金属鉱山分離株）は、DAMS 株を除いてA. thiooxidans標準株（ATCC 19377T）と同一の RFLP パターンを示しました。DAMS 株は、テストされたすべての酵素に対して異なるパターンを示しました。^{[5] 3 つの}Acidithiobacillus種はすべて、ITS 配列の系統解析によって区別されました。 ^[5] ITS3 領域のサイズと配列多型は、この解析で検出された種間および種内の遺伝的変異に寄与しました。^[5] マンテル検定では、ITS配列の類似性と菌株の地理的起源との間に有意な相関は見られませんでした。^[5] Bergamo et al. . (2004)は、16S-23S rDNAスペーサー領域は、 Acidithiobacillus種の検出、迅速な識別、同定に焦点を当てた分子的方法の開発に有用なターゲットであると結論付けました。

スノッタイトは、硫化水素を多く含む洞窟の壁や天井に形成される酸性度の高いバイオフィルム（pH 0～1）で、硫化水素を多く含む洞窟では、洞窟内の空気中に硫化物からH ₂ Sガスが湧き出ます。 ^[6]スノッタイトの微生物群集は種の多様性が非常に低く、主に硫黄酸化微生物で構成されています。^[7]硫化物の酸化により硫酸が生成され、洞窟の石灰岩の壁が溶解します。 ^[6]微結晶石膏が腐食残留物として沈殿し、最終的には下層の石灰岩による pH 緩衝作用が制限され、壁面が極めて酸性になります。^[6] A. thiooxidans はこれらのバイオフィルムに生息することが知られています。洞窟内でのスノッタイトの形態と分布は、大気中の炭素、窒素、エネルギー基質の利用可能性に依存します。^[6]スノッタイトの形成は一般に乳白色で、洞窟の天井や壁から垂直に浮遊し、粘液のような粘稠度をしています（これが名前の由来です）。^[8]

フラサッシ洞窟は、イタリア中部のマルケ州アペニン山脈にあります。^[7]この洞窟群は、硫化物酸化微生物による硫酸洞窟形成プロセスによって形成されました。^[7]フラサッシ洞窟内のスノッタイトは粘性が高く、pH範囲は0〜2.5です。^{[6]フラサッシ}洞窟群全体で収集されたスノッタイトで最も豊富な細菌の16S rRNA配列（16S rRNA類似性> 98％）は、A. thiooxidansおよびAcidimicrobium属とFerrimicrobium属（Acidimicrobiaceae科、放線菌）の近縁種です。^{[6]スノッタイトサンプルの} FISH分析により、 AcidithiobacillusとAcidimicrobiaceaeが洞窟内で最も豊富な細菌集団であることが示されました。 ^[6]フラサッシ洞窟群のバイオフィルムの集団は、A. thiooxidans（細胞集団の70%以上）が優勢であり、より小さな集団には、培養されていないThermoplasmatalesのGプラズマクレードの古細菌（> 15%）とAcidimicrobiaceae科の細菌（> 5%）が含まれています。^[6] Acidithiobacillusが主な生産者であり、スノッタイトの設計者であると考えられています。^[6]

バイオリーチングは、生物を用いて生物学的酸化により不溶性鉱石から金属を抽出する採鉱技術である。この技術は、A. thiooxidans などのバクテリアを利用することで、過去 20 年間で着実に進歩してきた。バイオマイニング作業により、低品位鉱石の可溶化が可能になった。従来の製錬および抽出手順と比較すると、バイオリーチングははるかに安価で、環境毒性物質の放出もそれほど多くないが、より多くの時間を必要とする。バイオリーチングには、少なくとも 3 つの重要なサブプロセス、すなわち硫化鉱物の攻撃、微生物による鉄の酸化、および一部の硫黄部分が含まれる。^[9]全体的なプロセスは、硫化鉱物の性質に応じて、硫酸塩が形成されるチオ硫酸塩経由の経路または元素硫黄が形成されるポリチオネート経路のいずれかを介して発生する。^[9]

• Williams, KP; Kelly, DP (2013)。「プロテオバクテリア門内の新クラス、Acidithiobacillia classis nov. の提案、タイプ目 Acidithiobacillales、およびクラス Gammaproteobacteria の修正された説明」。International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology。63 ( 8): 2901–2906。doi :10.1099/ijs.0.049270-0。PMID 23334881  。

• BacDive の Acidithiobacillus thiooxidans の標準株 - 細菌多様性メタデータベース