脱铁杆菌科（Deferribacteraceae）有机营养型异养生物，厌氧代谢亚铁、四价锰、单质硫、三价钴和硝酸盐等（第一卷 古菌和光合细菌, Page 465-471））

引言

脱铁杆菌门（Deferribacteres）是基于16S rDNA序列系统发育分析确定的细菌域中的一个独特谱系。

目前，该门成员仅包含一个纲、一个目和一个科。

其内部亲缘关系，未来可能需要进一步细分。

该类群为化学有机营养型异养生物，能够通过厌氧呼吸作用以亚铁（Fe(II))、四价锰（Mn(IV))、单质硫（S⁰）、三价钴（Co(III))和硝酸盐作为终端电子受体。其中 Synergistes 属的归类是暂定的。

脱铁杆菌科的归类：

第BIX门 脱铁杆菌门（Deferribacteres phy. nov.）

>第I纲 脱铁杆菌纲（Deferribacterales class. nov.）

>第I目 脱铁杆菌目（Deferribacterales ord. nov.）

>第I科 脱铁杆菌科（Deferribacteraceae fam. nov.）。

脱铁杆菌科（Deferribacteraceae fam. nov.）的细胞形态包括，直杆至弯曲杆状、可弯曲杆状及弧状。革兰氏阴性。不形成芽孢。中温至嗜热型，最适生长温度介于35至60°C。

可通过以Fe(III)、Mn(IV)或硝酸盐作为电子受体，进行不同有机底物的厌氧呼吸，或通过发酵进行异养生长。

尽管其共同生理特征有限，但脱铁杆菌属（Deferribacter）、柔发菌属（Flexistipes）和地弧菌属（Geovibrio）三个属，在16S rRNA系统发育树中形成独立谱系，相似度约为89%。目前每个属仅有一个代表物种，因此这些属在科级分类中的定位，可能随该群类更多代表菌株的分离而发生变化。

目前该科包含三个属：

脱铁杆菌属（Deferribacter）、柔发菌属（Flexistipes）和地弧菌属（Geovibrio）。Synergistes属（Allison等，1992）不属于该分类单元，其序列与该科其他三个代表属存在约19%的差异。

该科DNA的鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）摩尔百分比含量为：34~43%。

第I属 脱铁杆菌属（Deferribacter）

细胞形态为直杆至弯曲杆状。以Fe(III)、Mn(IV)或硝酸盐作为电子受体进行厌氧生长。

以复杂有机底物和有机酸作为电子供体

无发酵能力

最适生长温度60°C

盐度耐受范围0-6% NaCl

DNA的G+C摩尔百分比含量约为34

典型生境为石油储层

模式种：嗜热脱铁杆菌（Deferribacter thermophilus） Greene, Patel and Sheehy 1997, 509

1 富集与分离流程

脱铁杆菌属（Deferribacter）的富集培养物，可在MR培养基中于60°C，培养3-5天后获得。

采用琼脂振荡稀释法，可获得纯培养物。

具体流程包括：将富集培养物用MR培养基进行系列稀释（该培养基以20 mM NaN0₃替代Mn0₂作为电子受体，并添加2%的纯化琼脂），选取若干单菌落并检测其Mn(IV)和Fe(III)还原能力，最终通过显微观察验证培养物纯度。液体培养物在室温或冻干状态下可保持数月的存活能力。

2 脱铁杆菌属（Deferribacter）与其他属的鉴别特征

系统发育分析表明，脱铁杆菌属（Deferribacter）与柔发菌属（Flexistipes）及地弧菌属（Geovibrio）同属于一个门。

嗜热脱铁杆菌（D. thermophilus）的生长温度高于地弧菌（G. ferrireducens）和阿拉伯柔发菌（F. sinusarabici），但其DNA的G+C摩尔百分比含量却低于这两个菌种。

此外，该菌在细胞形态上与地弧菌不同，且其生长所需盐度低于阿拉伯柔发菌。

与嗜热脱铁杆菌不同，地弧菌和阿拉伯柔发菌无法还原Mn(IV)，且阿拉伯柔发菌也不能还原Fe(III)。嗜热脱铁杆菌和地弧菌进行厌氧呼吸，而阿拉伯柔发菌则进行发酵代谢。

嗜热脱铁杆菌为嗜热菌，阿拉伯柔发菌仅为中度嗜热菌，而地弧菌则为中温菌。

图B 9.1 嗜热脱铁杆菌（ACM 5093T）与其系统发育亲缘关系的位置如图所示，括号中显示的是从培养物中收集的菌株编号及其从GenBank/EMBL中提取的相应16S rRNA基因序列登录号。

3 脱铁杆菌属（Deferribacter）物种

嗜热脱铁杆菌（Deferribacter thermophilus） Greene, Patel and Sheehy 1997, 509VP

ther.mo'phil.us. 希腊语形容词 thermus 温暖的、热的；希腊语形容词 philos 喜爱的；现代拉丁语阳性形容词 thermophilus 嗜热的。

革兰氏阴性杆菌，大小0.3-0.5 μm × 1-5 μm。不产芽孢。无明显运动性。严格厌氧。嗜热生长，最适温度约60°C（范围50-65°C）；

最适NaCl浓度20 g/L（范围0-50 g/L）；最适pH 6.5（范围pH 5-8）。以Fe(III)、Mn(IV)和硝酸盐作为电子受体；

以酵母提取物、蛋白胨、酪蛋白氨基酸、胰蛋白胨、氢气、乙酸、苹果酸、柠檬酸、丙酮酸、乳酸、琥珀酸及戊酸作为电子供体。

对青霉素、万古霉素、链霉素和环丝氨酸敏感；对四环素耐药。

菌株BMA分离自北海英国海域比阿特丽斯（Beatrice）油田的产出水，该油田为经海水驱动的高温石油储层。

DNA的G+C摩尔百分比含量为34（Tm）。

模式菌株：BMA，保藏编号ACM 5093。

GenBank登录号（16S rRNA）：U75602。

第II属 柔发菌属（Flexistipes）

细胞为可弯曲杆状，无运动性、不形成芽孢。革兰氏阴性。厌氧条件下异养生长。嗜盐、中性且兼性嗜热。细胞壁含胞壁酸和内消旋二氨基庚二酸。细胞质膜含酯类脂质。

基于16S rRNA分析，柔发菌属（Flexistipes）与脱铁杆菌属（Deferribacter）及地弧菌属（Geovibrio）聚为一支。通过发酵复杂有机化合物进行厌氧生长。最适生长温度45-50°C；盐度范围3-18% NaCl。基因组DNA的G+C摩尔百分比为39。典型生境为红海卤水。

模式种：阿拉伯海湾柔发菌（Flexistipes sinusarabici） Fiala, Woese, Langworthy and Stetter 2000, 1415（有效发表：Fiala, Woese, Langworthy and Stetter 1990, 125）

1富集和分离程序

柔发菌属（Flexistipes）可采用Balch和Wolfe（1976）的严格厌氧菌培养方法进行富集培养。

具体流程：将酵母提取物（1 g/L）和硫粉（25 g/L）添加至滤膜除菌的海水基质中，富集培养物于46°C静置培养（不振荡）。通过系列稀释法获得分离菌株。用于限定生长实验的合成培养基（3×MB）基于ZoBell氏海洋肉汤（ZoBell, 1941）配制，但无机盐含量增至三倍，并补充1 g/L酵母提取物。

2 菌种保藏程序

培养物在4°C条件下可保持活性至少一个月。采用5%二甲基亚砜（DMSO）悬浮细胞后，可通过液氮气相（-140°C）实现长期保藏。

3 柔发菌属（Flexistipes）与其他属的鉴别特征

系统发育分析表明，柔发菌属（Flexistipes）与脱铁杆菌属（Deferribacter）及地弧菌属（Geovibrio）同属于一个科。阿拉伯海湾柔发菌（F. sinusarabici）可通过更高盐度需求以及发酵代谢模式（而非呼吸代谢），与嗜热脱铁杆菌（D. thermophilus）及还原地弧菌（G. ferrireducens）相区分。

4 柔发菌属（Flexistipes）物种

阿拉伯海湾柔发菌（Flexistipes sinusarabici） Fiala, Woese, Langworthy and Stetter 2000, 1415VP（有效发表：Fiala, Woese, Langworthy and Stetter 1990, 125）

si.nus.a.ra'bi.ci. 拉丁语阳性名词 sinus 海湾；拉丁语阳性形容词 arabicus 阿拉伯的；拉丁语属格结构 sinusarabici 指红海（阿拉伯海湾），描述该物种的分离地点。

细胞为可弯曲杆状，大小0.3 × 5-50 μm，无运动性。最适生长温度45-50°C（范围30-53°C）；pH 6-8；NaCl需求3-10%。最适条件下代时为8.5小时。可利用酵母提取物、肉膏、蛋白胨和胰蛋白胨进行异养生长；在乙酸和酪蛋白氨基酸上生长微弱。严格厌氧。脂质以C16-C18脂肪酸为主要成分。对青霉素、氨苄青霉素、万古霉素和链霉素敏感；对四环素和利福平耐药。分离自红海大西洋II号深渊卤水区（深度2000米）。

DNA的G+C摩尔百分比含量为39（Tm）

模式菌株：MAS 10，保藏编号DSMZ 4947

GenBank登录号（16S rRNA）：M59231

第III属 地弧菌属（Geovibrio）

细胞呈弧状，革兰氏阴性，大小0.5 × 2-3 μm，借单根极生鞭毛运动。未观察到芽孢形成。细胞单生或呈链状排列。

严格厌氧，专性呼吸型化学有机营养菌，能以Fe(III)、S⁰或Co(III)作为电子受体氧化乙酸。氢气、脯氨酸、乳酸、丙酸、酪蛋白氨基酸、琥珀酸、富马酸、丙酮酸和酵母提取物也可作为Fe(III)还原的电子供体，但其他羧酸、糖类、醇类、氨基酸和芳香烃则不能被利用。

最适生长温度35°C。细胞含c型细胞色素。在淡水培养基中生长最佳，但可耐受最高2% NaCl，典型生境为表层沉积物。16S rRNA序列分析表明，地弧菌属（Geovibrio）目前在细菌域内形成独立进化分支。

DNA的G+C摩尔百分比含量为43

模式种：还原地弧菌（Geovibrio ferrireducens）

地弧菌属（Geovibrio）的16S rRNA序列比较分析表明：

该属在系统发育上具有独特性，与柔发菌属（Flexistipes）仅存在中等亲缘关系。这两个属在已知细菌主要进化谱系中共同形成一个独立的门级分类单元。

图B 9.2.系统发生树显示了还原亚铁地弧菌与主要细菌谱系的代表之间的关系

地弧菌属（Geovibrio）为专性厌氧呼吸型化学有机营养菌，可利用乙酸作为电子供体，用于异化还原焦磷酸铁、羟基氧化铁、柠檬酸铁、Co(III)-EDTA或单质硫（S⁰）。脯氨酸、氢气、乳酸、丙酸、琥珀酸、富马酸、丙酮酸、酪蛋白氨基酸或酵母提取物的氧化也可与Fe(III)还原耦合。地弧菌是已知首个能将氨基酸氧化与Fe(III)还原耦合的生物。其他羧酸、糖类、醇类、氨基酸和芳香烃不能用作电子供体。地弧菌不能利用氧气、Mn(IV)、U(VI)、Cr(VI)、硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐或硫代硫酸盐作为电子受体。

地弧菌属（Geovibrio）可在含不同电子供体与受体的限定性厌氧基础培养基中培养。最适生长温度为35°C。虽然在高达2% NaCl条件下也能生长，但其最适生长环境为淡水培养基。

全细胞差异光谱显示存在c型细胞色素，还原态细胞色素在553 nm、523 nm和422 nm处具有特征吸收峰。

地弧菌属的模式菌株分离自碳氢化合物污染沟渠。

1 富集与分离流程

地弧菌属（Geovibrio）的选择性富集采用限定性厌氧基础培养基，以脯氨酸作为电子供体，无定形羟基氧化铁作为唯一电子受体。

可使用100 ml、50 ml或20 ml容量的瓶子或试管作为培养容器。培养基接种厌氧沉积物样品，接种量应为培养总体积的0.5-1%。富集培养物于25-35°C黑暗条件下培养。待羟基氧化铁被还原为黑色部分磁性矿物（12-21天）后，取10%接种量转接至新鲜培养基。

转接前需充分混匀富集培养物，需连续转接六次。第六次转接培养物采用厌氧焦磷酸铁琼脂斜面进行划线分离，该培养基是在厌氧基础培养基中添加终浓度1.5%（w/v）纯化琼脂，以脯氨酸为电子供体，可溶性焦磷酸铁为电子受体制备而成。当培养基中的Fe(III)被还原时，针尖状菌落及周围培养基变为白色。将菌落重新划线接种至琼脂斜面，直至获得弧状细胞的纯培养物。

2 菌种保藏程序

储备菌种可在液体厌氧基础培养基或厌氧琼脂斜面上保藏，使用乙酸作为电子供体，可溶性焦磷酸铁作为电子受体。培养瓶或试管需厌氧密封并于30°C黑暗条件下储存。储备菌种需每月转接一次。

地弧菌属（Geovibrio）菌株可通过将细胞悬浮于含5% DMSO的厌氧基础培养基中，并于液氮中长期保存，从而实现永久性保藏。

3 地弧菌属（Geovibrio）与其他属的鉴别特征

地弧菌属（Geovibrio）凭借其弧状细胞形态区别于其他厌氧铁还原细菌。该属的特征性生理特性是以脯氨酸作为电子供体进行Fe(III)还原生长。地弧菌的16S rRNA序列在系统发育上区别于所有已知的铁还原细菌。

4分类学评注

地弧菌属（Geovibrio）模式种的16S rRNA序列（1545个核苷酸）与阿拉伯海湾柔发菌（Flexistipes sinusarabici）的序列一致性为83.1%。这两个属在细菌域内形成一个独立的进化谱系。

5地弧菌属（Geovibrio）物种列表

还原地弧菌（Geovibrio ferrireducens）

fer.ri.re.du'cens. 拉丁语名词 ferrum 铁；拉丁语分词形容词 reducens 转化为不同状态的；现代拉丁语形容词 ferrireducens 还原铁的。

菌株特性与属级描述一致。

分离源：美国俄克拉荷马州诺曼市碳氢化合物污染沟渠的表层沉积物。

DNA的G+C摩尔百分比含量为：42.84 ± 1.51（HPLC）。

模式菌株：PAL-1，保藏编号ATCC 51996。

GenBank登录号（16S rRNA）：X95744。

地位未定属I 互养菌属（Synergistes）

兰氏阴性，无运动性杆状菌。不产芽孢，严格厌氧的化学有机营养菌。可在含酵母提取物及多种蛋白胨的培养基中生长。

发酵特定氨基酸和/或吡啶二醇，蛋白胨代谢产物包括甲酸、乙酸、丙酸、氢气和氨。不发酵碳水化合物。16S rRNA属于细菌域。在RDP 7.1版本（Maidak等，1999）或GenBank（截至2000年3月）的近全长16S rRNA序列中，未发现序列相似性高于约84%的同类。

16S rDNA与最近描述的两个氨基酸发酵菌：少食氨基菌（Aminomonas paucivorans）和嗜酸热厌氧弧菌（Thermoanaerovibrio acidaminovorans）亲缘最近（序列相似性80-83%），并通过最大似然法和邻接法分析显示与食肽脱硫弧菌（Dethiosulfovibrio peptidovorans）存在远缘关系。

目前已知生境仅为瘤胃，但可能存在于其他胃肠道生境。

图B9.3. Synergistes jonesii的16SrRNA系统发生。最大似然系统发生树是用快速DNAml（Olsen et al.，1994 a）构建的，在ARB sequence analysis软件包中进行了简化。Bar =每个位置0.1个碱基变化。

DNA的G+C摩尔百分比含量为：57-59

模式种：琼斯氏互养菌（Synergistes jonesii） Allison, Mayberry, McSweeney and Stahl 1993, 398（有效发表：Allison, Mayberry, McSweeney and Stahl 1992, 528）

1 补充描述信息

所有菌株均为严格厌氧菌，可利用精氨酸、组氨酸、2,3-DHP（二氢吡啶）或3,4-DHP作为生长底物。

虽未检测到菌株间的形态或生理差异，但通过细胞蛋白电泳（PAGE）和细胞脂肪酸谱分析发现菌株间存在差异（Allison等，1992）。

2 富集与分离流程

能够降解3-羟基-4(1H)-吡啶酮（3,4-DHP）及其异构体2,3-DHP的分离株，源自夏威夷山羊瘤胃混合菌群的富集培养物。

富集培养基含有3,4-DHP或2,3-DHP。通过选择在含3,4-DHP和FeCl₃的培养基中滚管培养形成的黑色菌落，利用厌氧滚管法显著提高了分离成功率。

3 菌种保藏程序

培养物可从保存于5℃的冻干制剂中复苏，或从添加10%甘油后保存于-70℃的菌液中复苏。

4 互养菌属（Synergistes）与其他属的鉴别特征

该属独特性的最有力证据基于16S rDNA序列分析。在RDP 7.1版或GenBank（截至2000年3月）的近全长16S rDNA序列中，未发现序列相似性高于约84%的同类。其16S rDNA与最近描述的两个氨基酸发酵菌——少食氨基菌（Aminomonas paucivorans）和嗜酸热厌氧弧菌（Thermoanaerovibrio acidaminovorans）亲缘最近。目前未知其他能降解2,3-或3,4-吡啶二醇的厌氧革兰氏阴性细菌。

5 互养菌属（Synergistes）物种列表

琼斯氏互养菌（Synergistes jonesii）

jonesii. 现代拉丁语属格名词 jonesii，旨在致敬澳大利亚科学家雷蒙德·J·琼斯（Raymond J. Jones）。他鉴定了该菌在降解3,4-二氢吡啶（3,4-DHP）中的解毒活性，并通过向牛瘤胃接种该菌株，成功解决了动物采食银合欢（Leucaena leucocephala）后的中毒问题。

细胞呈卵圆杆状（0.6-0.8 μm × 1.2-1.8 μm），革兰氏阴性，无运动性。不形成芽孢。

严格厌氧的化学有机营养菌。可在含酵母提取物及多种蛋白胨的培养基中生长。在含蛋白胨的复杂培养基中，生长过程中可利用组氨酸、精氨酸、甘氨酸及少量酪氨酸和苯丙氨酸。精氨酸通过精氨酸脱氨酶途径代谢，产物包括鸟氨酸、瓜氨酸、CO₂、乙酸、丁酸和氨。不产生瓜氨酸，但组氨酸代谢时会产生甲酸和丙酸作为额外产物（McSweeney等，1993a）。利用吡啶二醇（2,3-和3,4-DHP）的能力受调控：精氨酸抑制其表达，特定吡啶二醇诱导其表达。生长过程中产生氢气，但不产生吲哚或硫化氢，不还原硝酸盐。

未检测到脲酶、过氧化氢酶、淀粉水解和明胶液化活性。不发酵碳水化合物。细胞脂肪酸谱以直链和支链、饱和及不饱和奇数碳脂肪酸为主，包括较高丰度的C17:1和C19:1脂肪酸、C20环丙烷酸及C15 3-OH。对四环素、青霉素、克林霉素、头孢噻吩、氨苄青霉素和多西环素敏感，但对许多其他抗生素耐药（Allison等，1992）。

分离这些细菌的动机源于以下观察：夏威夷反刍动物采食银合欢（Leucaena leucocephala）后不会因3,4-二氢吡啶（3,4-DHP）中毒，该化合物是由含羞草氨酸（β-[N(3-羟基-4-吡啶酮)]-α-氨基丙酸）在瘤胃中产生的毒性代谢物。含羞草氨酸是银合欢中的一种有毒氨基酸。

在世界其他地区，当动物采食银合欢后易发生中毒，其瘤胃样本中未检测到具有DHP降解能力的细菌。接种琼斯氏互养菌（S. jonesii）可为牛群提供银合欢毒性保护（Jones and Megarrity, 1986; Hammond et al., 1989）。研究证实可通过靶向特异性rRNA序列的寡核苷酸探针，在混合瘤胃菌群中对该菌进行检测与定量（McSweeney et al., 1993b）。这是首例已知的重要功能瘤胃细菌存在地理分布限制的案例。

厌氧细菌，可降解毒性吡啶二醇。

分布于世界特定地区（非全部）动物的瘤胃中。

DNA的G+C摩尔百分比含量为：57-59（Tm）。

模式菌株：78-1，保藏编号ATCC 49833。

GenBank登录号（16S rRNA）：L08066。

参考文献

1. Greene, A.C., B.KC. Patel and AJ. Sheehy. 1997. Deferribacterthermophiius gen. nov., sp. nov., a novel thermophilic manganese- and iron-reducing baterium isolated from a petroleum reservoir. Int. J. Syst. Bacteriol. 47: 505-509.

2. Fiala, G., C.R. Woese, T.A. Langworthy and KO. Stetter. 1990. Flexistipes sinusarabici,a novel genus and species of eubacteria occurring in the Atlantis II Deep brines of the Red Sea. Arch. Microbiol. 154: 120-126.

3. Caccavo, F.,Jr.,J.D. Coates, R.A. Rossello-Mora, W. Ludwig, K.H. Schleifer, D.R. Lovley and MJ. McInerney. 1996. Geooibrioferrireducens, a phylogenetically distinct dissimilatory Fe(III)-reducing bacterium. Arch. Microbiol.165: 370-376.

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更新日期：2025-09-15

编制人：磊子

审稿人：小藻