真菌降解光-氧氧化內(nèi)蒙古勝利褐煤產(chǎn)物分析*

李建濤 劉向榮 楊 杰 莊肅凱

(1.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，726000 陜西商洛；2.陜西省尾礦綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，726000 陜西商洛；3.西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，710054 西安；4.自然資源部煤炭勘察與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710021 西安)

0 引 言

煤炭不僅是重要的能源，也是化工原料的重要來(lái)源，一直以來(lái)人們都在尋求煤炭特別是低階煤清潔高效利用的新方法。煤的微生物降解是繼煤的液化、氣化加工技術(shù)之后的新技術(shù)，它主要是利用某些真菌、細(xì)菌及放線菌，在一定條件下使煤發(fā)生解聚反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苡谒奈镔|(zhì)、烴類氣體或其他化學(xué)品[1-3]。這些降解物可作為清潔燃料、化工原料、工業(yè)添加劑和植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑等一系列具有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品。

然而，微生物直接作用于煤炭降解率較低，通常在微生物降解煤之前需要對(duì)煤進(jìn)行預(yù)處理，以提高煤的含氧量或?qū)γ毫５谋砻娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，從而提高微生物對(duì)煤的降解率[4-5]。常用的煤氧化預(yù)處理方法有：硝酸氧化、雙氧水氧化、臭氧氧化、熱空氣氧化和光氧化等，這些預(yù)處理可以增大煤的可降解性[6-7]。另外，非氧化預(yù)處理煤的方法(如陰離子表面活性劑、堿性緩沖液、鹽酸及金屬螯合劑預(yù)處理)也能提高煤的降解率[8-11]。目前，最常用的方法是硝酸氧化法，該方法能較大程度地提升微生物對(duì)煤的降解率，但存在需水量大、污染嚴(yán)重、對(duì)煤的結(jié)構(gòu)改變較大、大規(guī)模作業(yè)的可操作性差等不足，以及環(huán)保和安全隱患[12]。而光-氧氧化法和硝酸氧化法相比，在這些方面有一定優(yōu)越性，在提高煤的降解率方面與硝酸預(yù)處理的效果相當(dāng)。

本實(shí)驗(yàn)利用自行研制的旋轉(zhuǎn)床光化學(xué)反應(yīng)器[13]，對(duì)煤樣進(jìn)行光-氧氧化預(yù)處理，并利用篩選出的黃孢原毛平革菌對(duì)光-氧氧化煤樣進(jìn)行降解，最后對(duì)降解所得煤殘?jiān)徒到庖哼M(jìn)行了檢測(cè)分析，以期為煤的微生物降解產(chǎn)物的進(jìn)一步處理和有效利用提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣及預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)用煤樣為內(nèi)蒙古勝利褐煤(SLH)，將煤樣破碎至20 mm以下，在60 ℃下烘干3 h，粉磨、篩分，選取粒度范圍為0.075 mm～0.150 mm的煤樣。利用旋轉(zhuǎn)床光化學(xué)反應(yīng)器對(duì)煤樣進(jìn)行光-氧氧化預(yù)處理。工藝條件[14]為：煤樣20 g，氧氣流量200 mL/min，通氧時(shí)間40 min，煤樣粒度0.075 mm～0.150 mm，紫光燈功率150 W，馬達(dá)轉(zhuǎn)速120 r/min，氧化反應(yīng)時(shí)間42 h，得到光-氧氧化內(nèi)蒙古勝利褐煤(GSLH)。

1.2 菌株及培養(yǎng)基

所用菌種為黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)，購(gòu)自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，編號(hào)為3.7212。采用的培養(yǎng)基為改良馬丁培養(yǎng)基：蛋白胨5 g，酵母浸出粉2 g，葡萄糖20 g，磷酸氫二鉀1 g，硫酸鎂0.5 g，蒸餾水1 000 mL，pH值為6.2～6.6，固體培養(yǎng)基加瓊脂15 g。

1.3 光-氧氧化煤的降解

取500 mL燒瓶若干，分別加入200 mL液體改良馬丁培養(yǎng)基，按照黃孢原毛平革菌接種量1.8 mL/20 mL(培養(yǎng)基)接種，種子液孢子濃度為2.3×106個(gè)/mL，培養(yǎng)箱振蕩頻率為210 r/min，恒溫培養(yǎng)箱溫度為30 ℃，培養(yǎng)2 d，再按照加煤量0.26 g/20 mL(培養(yǎng)基)加入GSLH煤樣，繼續(xù)降解17.8 d[15]。降解結(jié)束后抽濾，收集降解液，濾渣加去離子水洗滌，挑出菌體，再離心分離去除殘留菌體，得到降解煤殘?jiān)瑢⒚簹堅(jiān)?0 ℃烘干至恒重，待檢測(cè)。并同時(shí)做不接菌的空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

1.4 降解產(chǎn)物的檢測(cè)方法

1.4.1 工業(yè)分析和元素分析

根據(jù)GB/T 30732-2014和GB/T 31391-2015對(duì)煤樣分別進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析。工業(yè)分析中固定碳和氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用差減法計(jì)算得到。

1.4.2 FTIR測(cè)試

采用德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的Tensor27型傅立葉變換紅外光譜儀，測(cè)定樣品的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)特征。采用KBr壓片法制樣，將測(cè)試樣品及溴化鉀真空干燥，以mcoal∶mKBr=1∶150混合并研磨壓片。光譜儀分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次，測(cè)定范圍為4 000 cm-1～400 cm-1[16]。

1.4.3 TG-DTG測(cè)試

利用瑞士梅特勒國(guó)際股份有限公司生產(chǎn)的TG-DSCI HT型熱分析儀，在流動(dòng)N2氣氛下，以15.00 ℃/min的升溫速率，對(duì)光-氧氧化內(nèi)蒙古勝利褐煤和黃孢原毛平革菌降解光-氧氧化內(nèi)蒙古勝利褐煤所得的煤殘?jiān)M(jìn)行熱重分析，得到煤樣的TG-DTG曲線。

1.4.4 UV-Vis測(cè)試

將微生物降解或培養(yǎng)基溶煤的液體產(chǎn)物分別離心(10 000 r/min，15 min)，取上清液再經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，降解液濾液用去離子水稀釋50倍，培養(yǎng)基溶煤液的濾液未稀釋，二者均以去離子水為參比，利用TU-1900型紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析通儀器有限責(zé)任公司)進(jìn)行掃描，掃描范圍為200 nm～600 nm。

1.4.5 GC-MS測(cè)試

煤的微生物降解液經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，然后選取極性不同的溶劑：正己烷(極性0.06)、甲苯(極性2.40)和乙酸乙酯(極性4.30)分別對(duì)濾液進(jìn)行萃取，所得萃取液用Agilent 7890A/5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)，安捷倫科技有限公司)測(cè)試。檢測(cè)條件為：氦氣氣氛，最高溫度300 ℃，離子源EI，流速1 mL/min，離子化電壓70 eV。氣相色譜柱型為HP-5MS(crosslink 5% PH ME Siloxane，30 m×0.25 mm i.d.，0.25 um film thickness)，質(zhì)譜質(zhì)量掃描范圍為30 amu～500 amu[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 光-氧氧化煤與煤殘?jiān)脑胤治龊凸I(yè)分析

表1所示為光-氧氧化褐煤和對(duì)應(yīng)煤殘?jiān)墓I(yè)分析和元素分析。由表1可知，光-氧氧化褐煤經(jīng)黃孢原毛平革菌降解作用后，煤殘?jiān)cGSLH相比較水分、灰分和揮發(fā)分均增加，固定碳降低，氧、氮和氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，碳和硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。由此可以推斷，光-氧氧化煤在黃孢原毛平革菌產(chǎn)生的降解煤活性物質(zhì)作用下，煤大分子有了一定程度的解聚，變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)進(jìn)入到了降解液中，從而使得煤殘?jiān)械奶假|(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低使得灰分相對(duì)增加，灰分增加和煤大分子極性增大引起吸濕性增強(qiáng)。揮發(fā)分增大可能是因?yàn)?，煤大分子降解使煤殘?jiān)兴讚]發(fā)的有機(jī)小分子物質(zhì)增多。硫的減少可能是部分硫發(fā)生氧化反應(yīng)，隨降解小分子進(jìn)入到了降解液中，而氧、氮和氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加可能是經(jīng)黃孢原毛平革菌作用后，煤殘?jiān)袡C(jī)分子中含氧、氮和氫官能團(tuán)更豐富的結(jié)果，其中氮元素可能來(lái)自菌生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的氮源，而氧和氫元素可能來(lái)自水或其他含氧和氫的化合物。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析

2.2 光-氧氧化煤及其煤殘?jiān)腇TIR分析

圖1所示為光-氧氧化褐煤及對(duì)應(yīng)煤殘?jiān)募t外光譜。應(yīng)用文獻(xiàn)[12,18-20]的方法，對(duì)兩幅圖譜進(jìn)行紅外分峰擬合求面積，并由面積計(jì)算煤結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，結(jié)果見表2。其中，X1表示次甲基度、X2表示脂芳比、X3表示總脂肪度，這三個(gè)參數(shù)體現(xiàn)煤的富氫程度；Y1表示富氧度；Z1表示Ⅰ類氫原子，Z2表示Ⅱ類氫原子，Z3表示縮合程度，這三個(gè)參數(shù)均可體現(xiàn)煤的縮合程度。

圖1 氧化褐煤及其煤殘?jiān)募t外光譜 Fig.1 FTIR of GSLH and its residue

表2 根據(jù)FTIR數(shù)據(jù)計(jì)算的煤結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表2可知，煤殘?jiān)母粴涑潭染^光-氧氧化煤的富氫程度高(X1，X2，X3均增大)，脂芳比增大(X2，X3均增大)，富氧程度增大(Y1增大)；Ⅰ類氫原子減少，Ⅱ類氫原子增加，縮合程度很小(Z3趨于0，表明褐煤的縮合度極低)。脂芳比增大，表明芳香結(jié)構(gòu)含量相對(duì)降低，可能是芳香結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大程度的解聚，進(jìn)入了液體產(chǎn)物。這與降解液體產(chǎn)物的紫外-可見光譜分析相一致，即芳香結(jié)構(gòu)解聚成小分子進(jìn)入液體產(chǎn)物，導(dǎo)致了煤殘?jiān)械姆枷憬Y(jié)構(gòu)基團(tuán)減少，脂芳比增高。

2.3 光-氧氧化煤及其煤殘?jiān)腡G-DTG分析

光-氧氧化褐煤和對(duì)應(yīng)煤殘?jiān)腡G-DTG曲線見圖2，熱解特性參數(shù)見表3。其中：t1，t2，t3分別表示失重溫度區(qū)間；t1p，t2p，t3p分別表示最快失重速率對(duì)應(yīng)的溫度峰值；w1，w2，w3表示失重率。

圖2 光-氧氧化煤及其煤殘?jiān)腡G-DTG曲線

由圖2和表3可知，GLSH的熱失重主要分為兩個(gè)階段，而煤殘?jiān)臒崾е乜煞譃槿齻€(gè)階段。第一階段(40 ℃～185 ℃)的失重主要是煤樣所含水分的揮發(fā)及吸附氣體的脫附，該階段GLSH的失重為5.20%，煤殘?jiān)氖е貫?.69%，煤殘?jiān)氖е丶s為GLSH失重的兩倍，可見煤殘?jiān)奈鼭裥院蜌怏w吸附性增強(qiáng)；第二階段為熱解的初始階段，這一階段煤的分子結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)解聚和分解反應(yīng)，并出現(xiàn)一定程度的縮聚反應(yīng)，主要是鍵橋的斷裂和官能團(tuán)的分解，釋放出大量揮發(fā)性氣體同時(shí)生成半焦，該階段煤殘?jiān)?185 ℃～380 ℃)比GLSH(185 ℃～900 ℃)的失重速率峰溫提前，煤殘?jiān)氖е貫?6.43%，GLSH的熱失重39.79%；第三階段為存在半焦內(nèi)的不穩(wěn)定有機(jī)結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)生熱分解與熱縮聚反應(yīng)，并析出大量氣體(如H2和CO)，煤殘?jiān)氖е貫?8.56%；煤殘?jiān)目偸е?54.68%)大于氧化煤的總失重(44.99%)。由此可見，氧化煤經(jīng)黃孢原毛平革菌的降解作用后，煤分子發(fā)生了解聚，生成了穩(wěn)定性低的物質(zhì)。

表3 氧化煤及其煤殘?jiān)臒峤馓卣鲄?shù)

2.4 降解液的UV-Vis分析

黃孢原毛平革菌降解氧化褐煤的液體產(chǎn)物及相同條件下不接菌的培養(yǎng)基溶解氧化煤所得的液體產(chǎn)物紫外-可見光譜見圖3。由圖3可知，黃孢原毛平革菌降解氧化褐煤所得液體產(chǎn)物和培養(yǎng)基溶煤液體產(chǎn)物的光譜在200 nm～600 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都只有一個(gè)強(qiáng)的吸收峰，這是由于液體產(chǎn)物中所含化合物種類較多吸收峰多重疊加的緣故。在波長(zhǎng)為200 nm～300 nm處的吸收峰，為苯環(huán)上三個(gè)共軛雙鍵的π—π*躍遷E2帶特征吸收，以及π—π*與苯環(huán)振動(dòng)引起的B帶特征吸收。波長(zhǎng)為230 nm～270 nm的B帶強(qiáng)吸收峰，是芳環(huán)的特征吸收峰。由此可見，黃孢原毛平革菌降解煤的降解液中多為芳香族化合物或具有芳環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物，培養(yǎng)基溶煤液中所包含的芳香化合物含量和種類相對(duì)較少。這充分說(shuō)明，由于黃孢原毛平革菌生長(zhǎng)過(guò)程中分泌的降解煤活性物質(zhì)(堿、螯合劑、酶和表面活性劑中的一種或幾種)與煤中的可降解活性點(diǎn)(酸性基團(tuán)、橋鍵金屬離子和酯鍵等)作用，使得煤發(fā)生了降解，從而生成了大量小分子芳香化合物或具有芳環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物，這些化合物在表面活性劑的作用下，形成了水包油的液滴懸浮于降解液中。

圖3 黃孢菌降解氧化煤降解液和培養(yǎng)基溶煤液的紫外-可見光譜

2.5 降解液溶劑萃取物的GC-MS分析

將黃孢原毛平革菌降解氧化內(nèi)蒙古勝利褐煤的降解產(chǎn)物過(guò)濾，所得黑色油狀液體(見圖4a)經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，所得液體(見圖4b)用不同極性的溶劑(正己烷、甲苯和乙酸乙酯)分別進(jìn)行萃取，所得萃取液用Agilent 7890A/5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果見圖5。根據(jù)儀器本身所配數(shù)據(jù)庫(kù)Database/NISTO8.L匹配，得出圖5中各峰的鑒定結(jié)果(圖中只標(biāo)出了相對(duì)含量較高的物質(zhì)峰)。

圖4 降解液及其微孔濾膜濾液的照片

由圖5a及產(chǎn)物鑒定結(jié)果可知，降解液中含有豐富的化合物(24種)，主要為酯、烷烴和雜環(huán)化合物等。其相對(duì)豐度較高的化合物有，酯：20號(hào)(鄰苯二甲酸-雙(2-甲基丙基)-酯)、21號(hào)(十六烷酸甲酯)、22號(hào)(3，5-雙(1，1-二甲基乙基)-4-羥基-苯丙酸甲酯)、23號(hào)(鄰苯二甲酸二丁酯)和24號(hào)(十八烷酸甲酯)，烷烴：3號(hào)(2-甲基-十一烷)、10號(hào)(1-碘-十三烷)、13號(hào)(7，9-二甲基-十六烷)和17號(hào)(2-甲基-癸烷)，雜環(huán)化合物：4號(hào)(2-氯-4-(4-甲氧基苯基)-6-(4-硝基苯基)嘧啶)、19號(hào)(2-乙酰氨基-5-碘-4-對(duì)甲苯基-噻吩-3-羧酸乙酯)、15號(hào)(2-(4-氰基苯基)-6-壬基-萘)號(hào)萘和16號(hào)(2-(十八烷氧基)-乙醇)醇等。

圖5 萃取降解產(chǎn)物的總離子色譜

由圖5b及產(chǎn)物鑒定結(jié)果可知，降解液中含有豐富的化合物(59種)，主要為酯和烷烴等。其相對(duì)豐度較高的化合物有，酯：49號(hào)(十六烷酸甲酯)、50號(hào)(3，5-雙(1，1-二甲基乙基)-4-羥基-苯丙酸甲酯)、52號(hào)(鄰苯二甲酸-2-乙基己基丁酯)、56號(hào)(十八烷酸甲酯)和59號(hào)(鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯)，烷烴：1號(hào)(十一烷)、5號(hào)(十六烷)、10號(hào)(7-甲基-十五烷)、23號(hào)(二十八烷)、30號(hào)(2，6，11-三甲基-十二烷)、32號(hào)(三十五烷)、34號(hào)(2-溴-十四烷)、41號(hào)(2-溴-十二烷)和44號(hào)(4-甲基-十七烷)，醇：17號(hào)(2-(十八烷氧基)乙醇)，酚：26號(hào)(2，4-雙(1，1-二甲基乙基)-苯酚)。結(jié)合其他豐度相對(duì)較低的化合物，可見該萃取物中化合物種類較少(主要為酯和烷)，烷烴種類豐富，且含量較高。

由圖5c及產(chǎn)物鑒定結(jié)果可知，降解液中含有豐富的化合物(19種)，主要為酯和雜環(huán)化合物等。其相對(duì)豐度較高的化合物有，酯：9號(hào)(2-乙酰氨基-5-碘-4-對(duì)甲苯基-噻吩-3-羧酸乙酯)、10號(hào)(1，2-苯二甲酸雙(2-甲基丙基)酯)、11號(hào)(14-甲基-十五烷酸甲酯)、13號(hào)(鄰苯二甲酸二丁酯)、15號(hào)(十八烷酸甲酯)和16號(hào)(2，5-雙(三甲基甲硅烷氧基)-苯甲酸-三甲基甲硅烷基酯)，雜環(huán)化合物：1號(hào)(2-氯-4-(4-甲氧基苯基)-6-(4-硝基苯基)嘧啶)、7號(hào)(3-氨基-2-羥基吩嗪)和19號(hào)(5，5-二苯基-1，3-雙(三甲基甲硅烷基)2，4-咪唑烷二酮)，酰胺：3號(hào)(N-甲代烯丙基-己酰胺)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的烷：14號(hào)(3-硫氰酸根-(3α，5α)-膽甾烷)，萘醌：17號(hào)(2-[4-乙酰氨基苯基磺酰基]-1，4-萘醌)，胺：18號(hào)(N-甲基-β，3，4-三(三甲基甲硅烷氧基)-苯乙胺)。分析這些物質(zhì)及其他相對(duì)豐度較小的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可見其結(jié)構(gòu)較正己烷和甲苯萃取物復(fù)雜，且極性較強(qiáng)。

綜合分析三種溶劑萃取物，可以發(fā)現(xiàn)正己烷和甲苯萃取物所包含的化合物分子結(jié)構(gòu)比乙酸乙酯萃取物簡(jiǎn)單，且極性較弱。萃取物中酯含量最大，烷烴種類豐富，且含量較多?；衔锏倪@種組成特點(diǎn)，有利用對(duì)其進(jìn)行粗分離，并研究應(yīng)用價(jià)值。比如，豐富的烴類物質(zhì)可以根據(jù)其物理性質(zhì)利用萃取的方法獲得烴類燃料。

3 結(jié) 論

1)GLSH和煤殘?jiān)墓I(yè)分析和元素分析表明經(jīng)黃孢原毛平革菌降解作用后，水分、灰分和揮發(fā)分都增加，固定碳降低，氧、氮和氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，碳和硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

2)煤殘?jiān)母粴涑潭仍龃蟆⒖傊急仍龃?、富氧度增加，說(shuō)明煤結(jié)構(gòu)中的含氫氧基團(tuán)增加，芳環(huán)結(jié)構(gòu)被降解而減少。

3)煤殘?jiān)裙?氧氧化煤的穩(wěn)定性變差，總失重率增大，進(jìn)而說(shuō)明光-氧氧化煤在黃孢原毛平革菌的作用下發(fā)生了一定程度的降解。

4)光-氧氧化煤在黃孢原毛平革菌的作用下，發(fā)生了明顯的降解，且降解液中含有豐富的芳香化合物，而培養(yǎng)基溶煤產(chǎn)物中芳香化合物的含量較少。

5)GC-MS檢測(cè)結(jié)果表明，降解液中含有豐富的化合物，主要為酯、烷烴和雜環(huán)化合物等?；衔锏倪@種組成特點(diǎn)，有利于對(duì)其進(jìn)行粗分離，并研究其應(yīng)用價(jià)值。