紅外光譜結(jié)合元素分析法研究SRB對煤的降解

趙廣秀++劉碩++漆春++程健明

摘要：利用傅里葉紅外光譜（FTIR）技術(shù)，對淮南潘二煤層煤樣在接種硫酸鹽還原菌（SRB）前后煤樣組分的結(jié)構(gòu)變化特征及規(guī)律進行研究，同時結(jié)合元素分析技術(shù)進行進一步分析。結(jié)果表明，煤樣經(jīng)過SRB細菌降解后，S元素、N元素均有不同幅度變化，其中，S元素均有減小的趨勢，N元素有小幅度的增加趨勢。C、H元素變化不明顯，同時SRB細菌將煤中能降解利用的有機物降解后，煤樣中含氧官能團相對含量下降、羥基官能團含量有所上升。SRB細菌的降解利用改變了煤中有機物成分含量及物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：硫酸鹽還原菌；煤；降解；傅里葉紅外光譜；元素分析

中圖分類號：TQ533.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）18-4671-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.013

煤炭是重要的化石燃料，在全世界的儲量遠大于石油。但是煤炭直接利用會引起一系列環(huán)境問題，如煤直接燃燒時會釋放大量的氮化物和硫化物等有毒氣體。使用傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法對煤進行處理后再利用，雖然可以降低煤在燃燒時釋放的一些有害氣體，但處理過程本身也會帶來許多環(huán)境問題。因此，開發(fā)新的煤處理轉(zhuǎn)化工藝非常重要。已有的研究表明，相對于物理化學(xué)方法，微生物降解煤的方法具有很多優(yōu)點，如不需要高溫高壓、不產(chǎn)生環(huán)境污染等，具有很重要的意義[1]。硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria，SRB）是煤系地下水中常見的細菌類型[2-4]，是一類能夠通過異化作用將硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等硫氧化物以及元素硫還原生成硫化氫的細菌的統(tǒng)稱[5]。SRB是一種重要的媒介，可將環(huán)境中的硫加入到煤中，在轉(zhuǎn)換過程中許多金屬元素得到富集和沉淀，大量的研究也揭示了SRB在煤中元素的富集和高碳質(zhì)黑色巖系金屬礦床成礦的過程中具有十分重要的作用[4]。煤系地下水中SRB的生長碳源可來自對煤中一些大分子有機化合物的厭氧降解，也可以是煤自身的有機組分[6]。

傅里葉紅外光譜（FTIR）是一種有效的研究煤及顯微組分結(jié)構(gòu)的方法，目前已被廣泛應(yīng)用于煤顯微組分和烴源巖中干酪根化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究[7，8]，是一種微區(qū)分析技術(shù)，其測試樣品不受晶質(zhì)和非晶質(zhì)限制，在煤顯微組分的研究中，依據(jù)對紅外光譜圖上吸收帶的分析，可從中了解煤中有機質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其變化[9]。由于紅外光譜法具有分析時間短、耗樣量少、不破壞樣品、制作簡便、測試樣品不受晶質(zhì)和非晶質(zhì)限制等優(yōu)點，所以在煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)研究中，根據(jù)紅外光譜圖上吸收帶的分析，可從中了解煤中有機質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其變化[10]。Rubiera等[11]采用紅外法發(fā)現(xiàn)煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)對其燃燒特性具有極其重要的影響。在碳材料的低溫氧化過程中，Koch等[12]采用紅外光譜法研究發(fā)現(xiàn)碳材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。而在中國，研究者主要借助FTIR來研究分析煤的煤化程度、煤巖組成和煤的成因類型等[10，13-17]。

本試驗運用FTIR結(jié)合元素法對經(jīng)SRB厭氧降解與未經(jīng)SRB厭氧降解的煤樣組分的結(jié)構(gòu)變化特征及規(guī)律進行研究，為煤系地下水中SRB如何利用大分子有機物提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)處理

1.1.1 樣品采集 水樣取自淮南潘北煤礦530 m深井下東一采區(qū)灰?guī)r泄水巷內(nèi)E8-2水平探水孔（終孔層位：C31-3石炭系太原組含小溶洞石灰?guī)r層），實測涌水量0.014 L/s，水溫38.4 ℃，水發(fā)臭且鉆孔口密布黑色菌席。先用滅菌小塑料勺挖取孔內(nèi)菌席，置于已高溫滅菌的250 mm磨口玻璃瓶中，接取鉆孔自流水充滿后，蓋緊并以PTFE膠帶纏封瓶口，通過便攜保溫箱冰袋冷敷攜帶，當天送至實驗室，4 ℃冷藏，其水樣作為菌源。煤樣取自潘二煤礦，置于HDPE袋內(nèi)封口保存。

1.1.2 煤樣預(yù)處理 將采集的潘二煤晾干，研碎，過200目篩，置于HDPE袋內(nèi)，封口保存，待用。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 主要儀器 Nicolet 67傅里葉紅外光譜（美國Thermo Nicolet分析儀器公司），光譜范圍400～12 000 cm-1，分辨率為0.09 cm-1，樣品掃描次數(shù)為32 次，同時對比空白KBr片32次的背景掃描，以獲得扣除背景影響的高質(zhì)量光譜；元素分析儀（德國Elementar分析儀器公司）；FW-4A型壓片機（天津光學(xué)儀器廠）；JP-150A-8高速粉碎機（永康市久品工貿(mào)有限公司）；SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立分析儀器公司）。

1.2.2 主要試劑 KBr（光譜純、天津光復(fù)精細化工研究所）；KH2PO4、MgSO4·7H2O、FeSO4·7H2O（廣東汕頭市西隴化工廠）；NH4Cl（天津市博迪化工有限公司）；Na2SO4（上海中試化工總公司）；CaCl2·6H2O、L-半胱氨酸、酵母膏、乳酸鈉（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。

1.3 SRB的富集與分離

1.3.1 培養(yǎng)基 常用SRB富集培養(yǎng)基[18]：0.5 g/L KH2PO4、1 g/L NH4Cl、4.5 g/L Na2SO4、0.06 g/L CaCl2·6H2O、2.0 g/L MgSO4·7H2O、0.5 g/L FeSO4·7H2O、 0.2 g/L L-半胱氨酸、1.0 g/L酵母膏、3 mL/L乳酸鈉。

1.3.2 SRB細菌的富集與分離 采用250 mL醫(yī)用鹽水瓶，取200 mL SRB富集培養(yǎng)基，pH為7.2±0.2，置于手提式壓力蒸汽滅菌鍋內(nèi)，0.1 MPa、121 ℃滅菌30 min，冷卻至室溫，其中FeSO4·7H2O、L-半胱氨酸耐熱性差，采用紫外滅菌并經(jīng)微孔過濾除菌加入培養(yǎng)基。接種10 mL水樣，繼續(xù)加入已滅菌的富集培養(yǎng)基至充滿狀態(tài)，用聚四氟乙烯密封，置于35 ℃電熱恒溫箱培養(yǎng)。約7 d后，培養(yǎng)液呈墨黑色，瓶口處散發(fā)出H2S臭雞蛋味，表明硫酸鹽還原菌已大量繁殖，即可進行單菌落厭氧分離，取單菌落重復(fù)進行稀釋，為確保厭氧條件，頂部空間用N2置換后迅速用橡膠塞蓋緊，并用特氟龍膠帶密封，反復(fù)進行10次，獲得純菌落，作為接種源。

為觀察細菌形態(tài)，對富集菌液進行離心、戊二醛固定、乙醇脫水等顯微成像步驟[19]，采用電子顯微鏡（SEM）對SRB進行拍照，獲得的細菌掃描電鏡照片如圖1所示。

1.4 方法

1.4.1 試驗組SRB的培養(yǎng) 常用SRB富集培養(yǎng)基，采用兩個300 mL鹽水瓶，分別取250 mL培養(yǎng)液至鹽水瓶，調(diào)pH為7.2±0.2，置于手提式壓力蒸汽滅菌鍋內(nèi)，0.1 MPa、121 ℃滅菌30 min，冷卻至室溫，其中FeSO4·7H2O、L-半胱氨酸耐熱性差，采用紫外滅菌并經(jīng)微孔過濾除菌加入培養(yǎng)基。加入10 g煤粉，接種10 mL水樣，繼續(xù)加入已滅菌的SRB富集培養(yǎng)基至充滿狀態(tài)，用聚四氟乙烯密封，置于35 ℃電熱恒溫箱培養(yǎng)30 d。培養(yǎng)完畢后取出部分煤樣，在50 ℃條件下烘干，備用。

1.4.2 紅外光譜測定 進行接種SRB前后煤樣的傅里葉紅外光譜分析，取溴化鉀載體100 mg，置于瑪瑙乳體中，加入少許未經(jīng)SRB厭氧培養(yǎng)的煤樣，樣品與載體質(zhì)量比為1∶100，充分研磨，混勻，將裝好樣品粉末的模具置于壓片機上抽真空2 min，然后加壓至90 000 N/cm3，受壓10 min，將樣品壓成0.1～1.0 mm厚的透明薄片，用樣品架固定薄片，置于紅外光譜儀的樣品室進行測試，則得到未經(jīng)SRB厭氧培養(yǎng)的煤紅外光譜圖。

同理，取溴化鉀載體100 mg，置于瑪瑙乳體中，加入少許經(jīng)SRB厭氧降解的煤樣，樣品與載體質(zhì)量比為1∶100，重復(fù)上述處理步驟，則得到經(jīng)SRB厭氧培養(yǎng)的煤紅外光譜圖。

1.4.3 元素分析 分別取未接種SRB煤原樣、接種SRB后煤樣各兩份，分別編號為煤原樣1、煤原樣2、降解煤樣1、降解煤樣2，進行元素分析。使用Vario EL c元素分析儀分析煤中C、H、N、P 4種元素，結(jié)果見表1。

2 吸收峰歸屬及參數(shù)選擇

2.1 吸收峰歸屬

紅外光譜通常以1 500 cm-1處為界將譜圖分成高頻區(qū)和低頻區(qū)，高頻區(qū)是化學(xué)鍵和官能團的特征頻率區(qū)，而低頻區(qū)反映了整個分子由于振動、轉(zhuǎn)動所引起的整個分子的特征吸收峰，顯微組分紅外光譜特征的吸收峰主要分布在低頻區(qū)。根據(jù)紅外光譜學(xué)和有機化學(xué)原理，煤顯微組分紅外光譜主要存在3種類型吸收峰[20，21]：①脂族烷鏈結(jié)構(gòu)吸收峰，主要有1 380～1 460、2 860、2 920、2 950 cm-1；②芳香烴結(jié)構(gòu)吸收峰，主要有1 600 cm-1；③含氧、氮、硫等雜原子基團的吸收峰，主要有1 680、1 705、1 730～ 1 740 cm-1。煤結(jié)構(gòu)中各官能團的FTIR吸收峰歸屬見表2[9]。

2.2 參數(shù)選擇

根據(jù)煤（干酪根）熱演化過程中的成烴特征，結(jié)合各官能團的成烴演化規(guī)律，選擇以下3個紅外光譜參數(shù)[22]：①富氫程度參數(shù)AM（CH2）+AM（CH3）/AM（C=C），表征脂肪烴含量多少及生烴潛力。因為2 960、2 870、2 920、2 850 cm-1就是類脂結(jié)構(gòu)CH3和CH2的伸縮振動吸收峰。具體計算方法為（A2 960+A2 920+A2 870+ A2 850）/A1 600。②脂肪結(jié)構(gòu)參數(shù)AM（CH2）/AM（CH3），表征脂肪鏈長度，此值越大，則脂肪鏈越長。具體計算方法為（A2 920+A2 850）/（A2 960+A2 870）。③芳構(gòu)化程度參數(shù)AM（CH2+CH3）/AM（C=C），表征有機質(zhì)熱演化程度，此值越小，說明有機質(zhì)熱演化程度越高。具體計算方法為A1 460/A1 600。此處1 460 cm-1為CH2和CH3的共同貢獻，反映的是芳核上的脂族結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅外光譜圖分析

經(jīng)過傅里葉紅外光譜分析后，比較煤原樣與接種SRB降解煤樣的紅外光譜見圖2。

根據(jù)紅外定量分析的朗伯比爾定律：

A=lg（1/T）=Kbc

式中，A為吸光度，c為吸光介質(zhì)的物質(zhì)濃度，b為吸收層厚度（即吸光度A與含有吸光介質(zhì)的物質(zhì)濃度c及吸收層厚度b呈正比），從定性分析的角度來看，F(xiàn)TIR譜峰的相對強度在某種程度上反映了其所含有的物質(zhì)（官能團）的濃度[9]。從圖2可以看出，潘二礦煤樣在720～730、750～760、1 100～1 200、 1 250～1 400、1 600～2 200、3 000～3 800 cm-1等波數(shù)范圍內(nèi)均有較強的吸收峰，分別主要對應(yīng)于正烷烴側(cè)鏈上骨架（CH2）n的面內(nèi)搖擺振動、5個相鄰H原子被取代的苯環(huán)中CH的面外變形振動、C-O-C伸縮振動、Ar-O-C伸縮振動、羧基COOH的伸縮振動及脂肪族中酸酐C=O伸縮振動、酚、醇、羧酸、過氧化物、水中的OH伸縮振動。

為了對各種煤樣4 000～400 cm-1波數(shù)區(qū)進行具體的分析，把整個紅外光譜圖劃分為4個部分，分別為煤中的羥基吸收峰（3 600～3 000 cm-1）、脂肪烴吸收峰（3 000～2 700 cm-1）、含氧官能團吸收峰（1 800～1 000 cm-1）和芳香烴吸收峰（900～700 cm-1）。

經(jīng)過SRB細菌降解30 d后，在610～630、750～800、1 125～1 450、1 600～1 630、3 000～3 200 cm-1等波數(shù)范圍內(nèi)吸光度有所下降，其中1 125～1 450 cm-1波數(shù)范圍下降最為明顯。而在3 300～3 500 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)吸光度有所上升，表明SRB細菌將煤中能降解利用的有機物降解后，煤樣中含氧官能團相對含量下降、羥基官能團含量有所上升。SRB細菌的降解利用改變了煤中有機物成分含量及物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

3.2 元素分析

從表1可以看出，煤樣經(jīng)過SRB細菌降解后，S元素從均值0.904%下降到均值0.706%，平均降幅達到0.2個百分點，有減小的趨勢，N元素從均值0.98%上升到均值1.02%，有小幅度增加的趨勢，C、H元素變化不明顯，由于樣品數(shù)目偏少，需要更多的試驗進行驗證。

4 小結(jié)與討論

接種SRB細菌的煤樣，培養(yǎng)后培養(yǎng)基明顯變黑（有FeS的生成）。

應(yīng)用傅里葉紅外光譜分析煤樣經(jīng)SRB降解前后變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)SRB細菌降解的譜圖其吸光度基本呈降低趨勢，但降低程度有所不同，部分波段吸光度升高。

傅里葉紅外光譜結(jié)合元素分析法發(fā)現(xiàn)，SRB降解煤樣前后，元素含量有所變動，S元素有小幅度減小趨勢，N元素有小幅度增加趨勢，C、H等元素變動趨勢尚不明顯，有待進一步探究，SRB降解利用煤樣后其含氧官能團相對含量下降、羥基官能團含量有所上升，初步得出SRB的降解改變了煤中有機物成分含量及物質(zhì)結(jié)構(gòu)，關(guān)于SRB如何利用煤炭中大分子有機物作為代謝碳源及其利用機理需進一步探究。

參考文獻：

[1] 王 琴，傅 霖，辛明秀.微生物降解煤的研究及其應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合利用，2009（3）：38-41.

[2] WENTZEL A，LEWIN A，CERVANTES F J，et al. Deep subsurface oil reservoirs as poly-extreme habitats：A current review[J].Polyextremophiles，2013，27：439-466.

[3] HAMILTON-BREHM S D，GIBSON R A，GREEN S J，et al. Thermodesulfobacterium geofontis sp.nov.，a hyperthermophilic， sulfate-reducing bacteria isolated from Obsidian Pool，Yellow-stone National Park[J].Extremophiles，2013，17（2）：251-263.

[4] 葛曉光，楊 柳，彭申華，等.一株煤礦地下水硫酸鹽還原細菌的分離、鑒定及性質(zhì)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，34（3）：420-423.

[5] 蔡 靖，鄭 平，張 蕾.硫酸鹽還原菌及其代謝途徑[J].科技通報，2009，25（4）：427-431.

[6] 葛曉光，程健明，楊 柳，等. Desulfovibrio sp.厭氧代謝淮南煤中>C12有機組分的實驗研究[J].地學(xué)前緣，2015，22（1）：328-334.

[7] LIS G P，MASTALERZ M，SCHIMMELMANN A，et al. FTIR absorption indices for thermal maturity in comparison with vitrinite reflectance R0 in type-II kerogens from Devonian black shales[J].Organic Geochemistry，2005，36：1533-1552.

[8] 廖澤文，耿安松.瀝青質(zhì)傅里葉變換紅外光譜（FT—IR）分析及其在有機地球化學(xué)研究中的應(yīng)用[J].地球化學(xué)，2001，30（5）：433-438.

[9] 李慶釗，林柏泉，趙長遂，等.基于傅里葉紅外光譜的高溫煤焦表面化學(xué)結(jié)構(gòu)特性分析[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31（32）：46-52.

[10] 琚宜文，姜 波，侯泉林，等.構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)成分應(yīng)力效應(yīng)的傅里葉變換紅外光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2005，25（8）：1216-1220.

[11] RUBIERA F，ARENILLAS A，PEVIDA C，et al. Coal structure and reactivity changes induced by chemical demineralization[J].Fuel Processing Technology，2002，79（3）：273-279.

[12] KOCH A，KRZTON A，F(xiàn)INQUENEISEL G，et al. A study ofcarbonaceous char oxidation in air by semi-quantitative FTIR spectroscopy[J].Fuel，1998，77（6）：563-569.

[13] 張 蕤，孫旭光.新疆吐哈盆地侏羅紀煤生烴模式的紅外光譜分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008，28（1）：61-66.

[14] 余海洋，孫旭光.江西樂平晚二疊世煤成烴機理紅外光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007，27（5）：858-862.

[15] 石金明，孫路石，向 軍，等.兗州煤氣化半焦表面官能團特征試驗研究[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（5）：17-22.

[16] 張守仁.造山帶外緣煤的演化特性研究及應(yīng)用[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2001.

[17] SUN Q L，LI W Q，CHEN H H，et al. The variation of structural characteristics of macerals during pyrolysis[J].Fuel，2003，82（6）：669-676.

[18] POSTGATE J R. The Sulphate Reducing Bacteria[M].2nd Edition.UK：Cambridge University Press，1983.

[19] 謝家儀，董光軍，劉振英.掃描電鏡的微生物樣品制備方法[J].電子顯微學(xué)報，2005，24（4）：440.

[20] 查 明，趙永軍，毛超林. A study on hydrocarbon-generating potential and kinetics of source-rock pyrolysis[J].中國地球化學(xué)學(xué)報（英文版），1995，14（3）：256-263.

[21] SARKANEN K V，LUDWIG C H. Lignins：Occurrence，F(xiàn)ormation，Structure and Reactions[M].New York：John Wiley & Sons Inc，1971.

[22] LIN R，RITZ P G. Reflectance FT-IR microspectoroscopy of fossil algae contained in organic-rich shales[J].Applied Spectroscopy，1993，47（3）：265-271.