黃孢原毛平革菌降解光氧化褐煤的過程特性

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，陜西 商洛 726000；2.西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710054；3.陜西省尾礦綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 商洛 726000)

煤炭是我國最主要的能源物質(zhì)，在能源結(jié)構(gòu)中長期占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)也是重要的化工原料來源。隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，節(jié)能和環(huán)保已成為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)和重要衡量指標(biāo)。因此，煤炭，特別是低階煤的清潔高效利用對(duì)于我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的健康良性發(fā)展至關(guān)重要。煤的微生物降解是低階煤清潔高效利用的前沿技術(shù)，其主要是利用某些真菌、細(xì)菌或放線菌在一定條件下使煤降解為可溶于水的物質(zhì)、烴類氣體或其它化學(xué)品[1-3]，這些降解物可以作為清潔燃料、化工原料、工業(yè)添加劑、植物生長促進(jìn)劑等。煤的微生物降解在室溫、常壓下就能進(jìn)行，具有設(shè)備簡單、條件溫和、能耗低、產(chǎn)物利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。然而，低階煤的微生物降解技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離工業(yè)化還有一定距離，亟待加大力度研究。

黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)是目前報(bào)道較多的煤降解真菌菌株之一，其在生長過程中能夠產(chǎn)生多種對(duì)木質(zhì)素類物質(zhì)有極強(qiáng)降解能力的酶，而煤中含有類木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，故能被黃孢原毛平革菌降解[7-8]。作者利用馴化的黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤，通過測(cè)定分析降解過程中某些特定參數(shù)揭示光氧化煤降解特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 煤樣及預(yù)處理

煤樣為內(nèi)蒙勝利褐煤(SLH)。

將煤樣破碎至20 mm以下，60 ℃烘3 h，研磨，篩分，選取粒度范圍為0.075～0.150 mm的煤樣。利用旋轉(zhuǎn)床光化學(xué)反應(yīng)器[9]對(duì)煤樣進(jìn)行光氧化預(yù)處理[10]，得到光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤(GSLH)。光氧化預(yù)處理?xiàng)l件如下：煤樣20 g，煤樣粒度0.075～0.150 mm，氧氣流量200 mL·min-1，通氧時(shí)間40 min，紫外光照射功率150 W，馬達(dá)轉(zhuǎn)速120 r·min-1，氧化反應(yīng)時(shí)間42 h。

1.2 菌株與培養(yǎng)基

黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)，購自中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，編號(hào)CGMCC 3.7212。

改良馬丁液體培養(yǎng)基：蛋白胨5 g，酵母浸粉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6.2～6.6。其固體培養(yǎng)基加瓊脂15 g。

1.3 降解過程的微量熱實(shí)驗(yàn)

采用法國Setaram C80型微量熱計(jì)測(cè)定黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的微量熱曲線。實(shí)驗(yàn)前先對(duì)操作間及實(shí)驗(yàn)器具進(jìn)行紫外光照射滅菌30 min，利用空調(diào)控制室溫為30 ℃。首先，在參比池下層加入26 mg煤樣，上層加入2 mL改良馬丁液體培養(yǎng)基；在樣品池下層加入26 mg煤樣，上層加入2 mL改良馬丁液體培養(yǎng)基，并接種180 μL菌液(孢子濃度為2.3×106個(gè)·mL-1)[11]。然后，裝配好連動(dòng)桿，將反應(yīng)池和參比池放入微量熱計(jì)主體內(nèi)，設(shè)定溫度為303.15 K，待溫度達(dá)到平衡后，按下連動(dòng)桿捅破塑料隔膜，并同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)連動(dòng)桿數(shù)圈使煤樣與培養(yǎng)基、煤樣與菌液混合；當(dāng)溫度達(dá)到平衡后，點(diǎn)擊開始，微量熱計(jì)記錄熱量變化，得到熱量變化與時(shí)間的微量熱曲線。由微量熱曲線可以得到黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的重要熱力學(xué)信息[12-14]。

1.4 光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的降解實(shí)驗(yàn)

取500 mL燒瓶若干，分別加入200 mL改良馬丁液體培養(yǎng)基，按9%接種量接種黃孢原毛平革菌種子液(孢子濃度為2.3×106個(gè)·mL-1)；置于恒溫培養(yǎng)箱中，30 ℃、210 r·min-1培養(yǎng)2 d；再按0.013 g·mL-1(以液體培養(yǎng)基計(jì))加入光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤，繼續(xù)降解17.8 d[12]。同法進(jìn)行不加煤的黃孢原毛平革菌純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和不接種菌的培養(yǎng)基溶煤實(shí)驗(yàn)。在培養(yǎng)0 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h取樣過濾，分別測(cè)定降解液和純培養(yǎng)液的pH值、表面張力、450 nm處吸光度A450值以及培養(yǎng)基溶煤液的A450值。

pH值的測(cè)定：將降解液/純培養(yǎng)液于10 000 r·min-1離心15 min，取上清液，經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾，采用PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定濾液pH值。

表面張力的測(cè)定：采用德國KRüSS公司的K100型表面張力儀測(cè)定[15-16]。

A450值的測(cè)定：以去離子水為參比，采用TU-1900型紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 降解過程的微量熱研究[17-18]

黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的微量熱曲線如圖1所示。

由圖1可知，黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的微量熱曲線大致可分為4個(gè)階段：遲緩期(AB段)、指數(shù)生長期(BC段)、穩(wěn)定期(CD段)和衰亡期(DE段)，降解過程中釋放的總熱量為186.73 kJ·g-1，降解時(shí)間為15.1 d。

圖1 黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的微量熱曲線Fig.1 Microcalorimetric curve of GSLH degraded by Phanerochaete chrysosporium

黃孢原毛平革菌在指數(shù)生長期(BC段)內(nèi)，菌數(shù)量呈指數(shù)增加，可用式(1)表示：

nt=n0ek(t-t0)

(1)

式中：n0為指數(shù)生長期開始時(shí)刻(t0)的菌數(shù)量；nt為指數(shù)生長期內(nèi)t時(shí)刻的菌數(shù)量；k為指數(shù)生長期生長速率常數(shù)，min-1。

令每個(gè)菌在生長過程中單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量為P(即熱功率)，則有式(2)、(3):

Pnt=Pn0ek(t-t0)

(2)

Pt=P0ek(t-t0)

(3)

式(3)中：Pt為t時(shí)刻的總熱功率；P0為t0時(shí)刻的總熱功率。對(duì)其兩邊取對(duì)數(shù)可得式(4)：

lnPt=lnP0+k(t-t0)

(4)

以lnPt對(duì)t作圖，并進(jìn)行一次擬合(圖2)，求得指數(shù)生長期生長速率常數(shù)k=4.0408×10-4min-1。

圖2 lnPt-t關(guān)系曲線及擬合曲線Fig.2 lnPt-t curve and fitting curve

2.2 降解過程的pH值變化

黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的降解液及純培養(yǎng)液的pH值隨培養(yǎng)時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3 降解液和純培養(yǎng)液的pH值隨培養(yǎng)時(shí)間的變化曲線Fig.3 Change curves of pH values of degradation solution and pure culture solution with culture time

由圖3可知，黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的降解液與純培養(yǎng)液的pH值變化趨勢(shì)基本一致，均在指數(shù)生長期內(nèi)持續(xù)快速升高，在衰亡期內(nèi)逐漸降低；培養(yǎng)時(shí)間相同時(shí)，純培養(yǎng)液的pH值高于降解液的。這是因?yàn)?，黃孢原毛平革菌在生長過程中產(chǎn)生了促使pH值升高的堿性物質(zhì)(菌體利用氮營養(yǎng)源生長，代謝產(chǎn)生的氨、銨離子以及有機(jī)胺類等物質(zhì))；而在降解煤的過程中因?yàn)辄S孢原毛平革菌代謝產(chǎn)生的堿性物質(zhì)會(huì)與煤中的酸性基團(tuán)反應(yīng)，從而消耗了堿性物質(zhì)，導(dǎo)致降解液pH值降低，這也印證了微生物降解煤的堿作用機(jī)理。

2.3 降解過程的表面張力變化

黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的降解液及純培養(yǎng)液的表面張力隨培養(yǎng)時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

圖4 降解液和純培養(yǎng)液的表面張力隨培養(yǎng)時(shí)間的變化曲線Fig.4 Change curves of surface tension of degradation solution and pure culture solution with culture time

由圖4可知，黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的降解液與純培養(yǎng)液的表面張力變化趨勢(shì)基本一致，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長均呈減弱趨勢(shì)，表明黃孢原毛平革菌在生長代謝過程中產(chǎn)生了表面活性劑，導(dǎo)致生長環(huán)境液體表面張力減弱，這也符合微生物降解煤的表面活性劑機(jī)理。培養(yǎng)時(shí)間相同時(shí)，降解液的表面張力均強(qiáng)于純培養(yǎng)液的。這是因?yàn)椋邳S孢原毛平革菌降解煤的過程中，煤有機(jī)分子吸附黃孢原毛平革菌代謝產(chǎn)生的表面活性劑而“自溶”于液體中(表面活性劑降解煤機(jī)理)，導(dǎo)致溶液中表面活性劑濃度降低，液體表面張力增強(qiáng)。

2.4 降解過程的A450值變化

黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的降解液、純培養(yǎng)液、培養(yǎng)基溶煤液的A450值隨培養(yǎng)時(shí)間的變化如圖5所示。

圖5 降解液、純培養(yǎng)液和培養(yǎng)基溶煤液的A450值隨培養(yǎng)時(shí)間的變化曲線Fig.5 Change curves of A450 values of degradation solution,pure culture solution,and medium-coal solution with culture time

由圖5可知，黃孢原毛平革菌純培養(yǎng)液的A450值很小且隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長變化不大；培養(yǎng)基溶煤液的A450值亦很小，但隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長稍有增大；而黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的降解液的A450值在遲緩期就有增大趨勢(shì)，在指數(shù)生長期迅速增大，在穩(wěn)定期持續(xù)增大，在衰亡期略微減小。充分證實(shí)黃孢原毛平革菌的作用使得光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤發(fā)生了降解。

3 結(jié)論

黃孢原毛平革菌降解光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤的微量熱曲線可分為4個(gè)階段：遲緩期、指數(shù)生長期、穩(wěn)定期和衰亡期，與黃孢原毛平革菌的生長曲線相符；降解過程釋放的總熱量為186.73 kJ·g-1，降解時(shí)間為15.1 d，指數(shù)生長期生長速率常數(shù)k為4.040 8×10-4min-1。黃孢原毛平革菌在生長代謝過程中產(chǎn)生了堿性物質(zhì)和表面活性劑，與純培養(yǎng)液相比，降解液pH值降低、表面張力增強(qiáng)；黃孢原毛平革菌純培養(yǎng)液和培養(yǎng)基溶煤液的A450值均很小，充分證實(shí)黃孢原毛平革菌的作用使得光氧化內(nèi)蒙勝利褐煤發(fā)生了降解。