球紅假單胞菌降解褐煤的條件研究

徐敬堯　張明旭

摘 要： 通過分析球紅假單胞菌降解褐煤時的煤樣粒度、菌液用量、煤漿濃度、轉(zhuǎn)化降解時 間及pH值的變化，研究以上各因素對煤炭微生物轉(zhuǎn)化率的影響。研究結(jié)果表明，各因素對煤 炭微生物轉(zhuǎn)化率影響的大小為煤樣粒度＞煤漿濃度＞降解時間＞菌液用量。試驗條件下，各 因素的最優(yōu)水平為煤樣粒度-0.2 mm、菌液用量10 mL/100 mL、煤漿質(zhì)量濃度0.9 g/50 mL、 降解時間14 d，此時經(jīng)硝酸預(yù)處理的義馬褐煤的煤炭微生物轉(zhuǎn)化率為41.72%； 在整個試驗過 程中，培養(yǎng)基pH值是在呈上升的趨勢。用XRD和FTIR測試分析了褐煤的微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，結(jié) 果表明，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的芳香聚合度和分子量有很大程度降低，官能團含量也發(fā)生了變化，褐煤 樣中的大量芳香類高聚物降解為低分子量類物質(zhì)及其他類物質(zhì)。研究為實現(xiàn)煤炭微生物降解 的產(chǎn)業(yè)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：球紅假單胞菌；褐煤；生物降解

中圖分類號：Q939.99∶TQ530.2 文獻 標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1098(2008)03-0046-06

我國褐煤資源儲量豐富，但其水分和灰分含量高、熱穩(wěn)定性差、發(fā)熱量低，這 使褐煤的 利用受限，并造成浪費和環(huán)境污染［1］。因此，尋找經(jīng)濟、環(huán)保的途徑加工處理褐 煤，使褐 煤成為清潔的燃料、化工原料和有特殊價值的化學(xué)品是亟待解決的問題［2-3］。

煤的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)主要是利用微生物實現(xiàn)煤的溶解、液化或氣化，從而使煤發(fā)生降解［ 4］。[JP1]因生物催化的條件溫和、催化劑高度專一，微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)成為近年來研究的 熱點 。褐煤的微生物降解研究始于20世紀(jì)80年代。德國Fakoussa［5］和美國Cohen［ 6］發(fā)現(xiàn)，某些真菌能在煤塊上生長，并能將煤轉(zhuǎn)化為黑色液體。此后，煤的生物轉(zhuǎn)化研 究在世界上引起注意并取得了一定的研究進展［7-9］。國內(nèi)外研究者已分離出若干 微生物，這些微生物（包括細菌、放線菌、真菌）可降解經(jīng)氧化處理后的低價煤（氧化狀態(tài) ），但其降解能力有限。隨著全球石油資源緊缺狀況的加劇，篩選新的菌 種并制定出合理的最優(yōu)工藝路線，實現(xiàn)煤炭的微生物降解具有深遠意義。

本文利用球紅假單胞菌（Rhodopseudomonas spheroides，簡稱R.s）對中國河南省義馬 褐煤樣品進行微生物降解研究。

1 材料與方法

1.1 褐煤及其預(yù)處理

[JP1]褐煤含有大量腐植酸和較多水分、灰分。一些金屬離子與褐煤中的酸性官能團結(jié)合并使 其處于非游離狀態(tài)，影響煤樣微生物轉(zhuǎn)化率。通過酸洗或浸泡可溶解與官能團結(jié)合的金屬離 子，釋放游離羧基并減少結(jié)構(gòu)單元間的交聯(lián)鍵，從而有利于褐煤的微生物降解。此外，酸洗 也是褐煤脫硫、脫灰的方法之一［10］。將新采義馬褐煤粉碎至所需粒級，使 用濃 度為5 mol/L的硝酸溶液浸泡煤樣2 d后，用2XZ-2型旋片式真空 泵過濾煤樣并用蒸餾水清洗，直至濾液pH接近7，將煤樣烘干、消毒。煤樣性質(zhì)見表1。

1.3 煤炭微生物降解率的測定

取若干150 mL的錐形瓶，分別加入50 mL的液體培養(yǎng)基，高壓滅菌 消毒。分別向錐形瓶中加入消毒滅菌后的煤樣，將錐形瓶置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱（28 ℃、150 r/min），振蕩1 h后靜置1 d。調(diào)整溶液 pH值約至7.0，加入培養(yǎng)24 h的球紅假單胞菌菌液，并在28 ℃、15 0 r/min下恒溫振蕩培養(yǎng)若干天（根據(jù)正交試驗參數(shù)要求，分別培養(yǎng)7 d、10 d、14 d）后，過濾、離心。向離心得到的上清液中加入 3 mol/L的鹽酸（出現(xiàn)絮狀沉淀），過濾。將沉淀物在70 ℃下烘干 ，稱重并計算煤的微生物降解率η（％）。

方法：以沉淀物（即降解產(chǎn)物）烘干后質(zhì)量與加入煤樣質(zhì)量之比作為煤的微生物降解率 ［11］，即

1.4 試驗方法

采用正交試驗，研究煤樣粒度A、 菌液用量B、 煤漿濃度C和轉(zhuǎn)化降解時間D各因素對煤 炭 微生物降解率的影響。菌液采用球紅假單胞菌培養(yǎng)1 d的液體培養(yǎng)物。 正交試驗表頭設(shè)計采用L9（34）。試驗中不考慮各因素間的交互作用，各影響因 素水平見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果與分析

球紅假單胞菌降解義馬褐煤的試驗結(jié)果見表3；煤樣粒度A、菌液用量B、煤漿濃度C和轉(zhuǎn) 化降解時間D與煤炭微生物降解率的關(guān)系見圖1。

圖1 煤炭降解率與其影響因素的關(guān)系 由正交試驗均值極差R得，試驗條件下各因素A、B、C、D的最優(yōu)水平分別為1、2、2、3 ；最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A（1）、B（2）、C（2）、D（3）；各因素對煤的微生物降解率影 響的大小依次為A、B、D、C 。煤樣粒度對煤的微生物降解率影響最大，降解時間對煤的 微生物降解率的影響最小。

理論上，煤樣粒度越小其比表面積越大，越容易因細菌作用而降解。由圖1 a得 ，煤的微生物降解率隨煤樣粒度的增大呈現(xiàn)近線性降低，－0.2 mm的煤炭的降 解率最大，這是因為隨著煤樣粒度變小其比表面積急劇增大，煤樣與細菌的生化作用界面增 大，從而使煤的微生物降解率快速增高。從實驗結(jié)果可見于理論完全相符。

隨著菌液用量增加，煤的微生物降解率隨菌液用量的增加先升高后降低，見圖1 b。菌液用量與營養(yǎng)物質(zhì)的消耗呈正比，菌液用量增加，營養(yǎng)物質(zhì)的消耗增多，微生物活 性降低，并因營養(yǎng)物質(zhì)不足而大量死亡，因此，在一定量的培養(yǎng)基含量中菌液用量不能太多 。本實驗中出現(xiàn)的于理論相悖的原因可能是因為：由于營養(yǎng)物質(zhì)的恒定，隨著菌液用量的不 同而造成細菌生長周期的變化所引起的。煤漿濃度與降解率的關(guān)系與菌液用量相似，見圖1 c。究其原因是因為當(dāng)煤樣粒度與菌液用量固定后，煤樣過多，作用在單位煤樣 上的細菌越少，所以降解率會降低。隨著降解時間的增加，煤的微生物降解率增大，見圖1 d。7~10 d煤的微生物降解率增長速度比10~14 d的快 ，這是因為隨著降解時間的延長，營養(yǎng)物質(zhì)減少，降解率增長也相應(yīng)變慢。

2.2 正交試驗過程中培養(yǎng)基pH變化及分析

正交試驗過程中培養(yǎng)基pH變化：在正交試驗過程中，培養(yǎng)基的pH值是變化的，其pH變 化在某種程度上，可能反映出微生物轉(zhuǎn)化煤的機理及轉(zhuǎn)化量的大小。在實驗過程中，每隔兩 天（部分一天）對培養(yǎng)基pH進行測定，其結(jié)果如表4和圖2(圖中1～9代表試驗號)所示。

分析正交試驗過程中培養(yǎng)基pH變化，可以大致發(fā)現(xiàn)，在整個試驗過程中，培養(yǎng)基pH是 在呈上升的趨勢。部分樣品，在實驗初期pH略為下降，這可能是因為煤粒度越大，預(yù)處理 時硝酸浸入到其內(nèi)部，難以用去離子水沖洗掉，故酸性越強，使得培養(yǎng)基pH下降較多。在 整個培養(yǎng)過程中，并不象一些研究者研究的結(jié)論：pH升高越大，煤的微生物降解率越高 ［12-13］，而恰恰相反，實驗中反映出總的趨勢：培養(yǎng)基pH升高越大，其中煤轉(zhuǎn) 化降解越少；培養(yǎng)pH升高較小的，其煤的微生物降解率相對較高。其中的原因有待于后面 的實驗進行驗證。

3 降解產(chǎn)物的XRD和FTIR研究

3.1 試樣及儀器

試驗樣品1#為義馬褐煤微生物轉(zhuǎn)化的水溶物酸沉淀物；2#為義馬褐煤微生物轉(zhuǎn)化后的殘 渣；3#為硝酸處理后的義馬原褐煤。

試驗儀器有D/Max-3B型X射線衍射儀（XRD，日本理學(xué)Rigaku公司）、VECTOR33型紅外 光譜儀（FTIR，德國BRUKER公司）。

3.2 XRD和FTIR測試結(jié)果與分析

1#、2#、3#樣品的XRD測試結(jié)果見圖3。由圖3可得各樣品層片直徑L璦、微晶層片平均堆砌高度L璫及層片間距d00 2的關(guān)系。衍射角/(°)

義馬褐煤降解后，水溶物微晶的L璦、L璫都有相當(dāng)程度的降低，d002 增大，褐煤水溶物微 晶的層片數(shù)減少。這表明煤炭微生物轉(zhuǎn)化的水溶性產(chǎn)物——芳香環(huán)單層的芳環(huán)縮聚程度降低 ，即芳香環(huán)單層層片的堆砌高度降低、芳香環(huán)數(shù)減少、芳香環(huán)層片的芳香結(jié)合程度降低，大 分子結(jié)構(gòu)降解。

義馬褐煤樣經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化前后的FTIR譜圖見圖4， 其變化趨勢基本一致， 在波數(shù)3 30 0 cm-1、 1 600 cm-1和1 500 cm-1 附近差 異較大，這為芳烴的—CH與芳環(huán) 的骨架振動。圖4 c中峰形最強，圖4 b中次之， 圖4 a中峰形最弱。 圖4 c在1 607 cm-1有一中等強度峰， 表明硝酸處理后褐煤的結(jié)構(gòu)單元中含有C＝C或C＝O…HO- 及羧酸的鹽類。 褐煤微生物轉(zhuǎn)化的水溶 物酸沉淀物的紅外吸收峰中， 1 607 cm-1的峰消失，在1 625 cm-1和1 706 cm-1出現(xiàn)了2個中等強度的峰，1 706 cm-1處為二聚羧酸和羰基，1 625 cm-1處可能是與含氧基共軛 的C＝C和芳香胺；1 353~1 110 cm-1的小峰則表明有酚、醇、醚 、酯存 在（圖4a）。這表明義馬褐煤樣中的大量芳香類高聚物降解為低分子量類物質(zhì)及其他類物質(zhì) 。

4 結(jié)論

(1) 試驗最優(yōu)工藝參數(shù)組合為煤樣粒度-0.2 mm、菌液用 量10 mL/1 00 mL、煤漿質(zhì)量濃度0.9 g/50 mL、降解時間14 d，此時經(jīng)硝酸預(yù)處理的義馬褐煤的微生物降解率為41.72%。

(2） 對煤炭微生物降解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的XRD、FTIR測試表明，煤經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化后的水溶性物質(zhì) 是一種復(fù)雜混合物，其芳香聚合度、分子量有很大程度降低，官能團含量也發(fā)生了變化，大 量芳香類高聚物降解成低分子量類物質(zhì)及其他類物質(zhì)。

(3） 通過對培養(yǎng)過程中培養(yǎng)基pH變化的測試，也可看出，培養(yǎng)基本身pH是增加的，增 加的越大，煤的微生物降解率一般來說，較低一些；而煤的微生物降解率較高的則是在溶煤 過程中pH增加較慢，這也從側(cè)面說明了菌在培養(yǎng)過程中并沒有釋放出堿性物質(zhì)來進行溶煤的 。

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(責(zé)任編輯：李 麗)