微生物降解煤提取腐植酸研究現(xiàn)狀

張麗光

(河北萌幫水溶肥料股份有限公司，河北 石家莊 051530)

我國低階煤產(chǎn)量占世界煤炭資源儲量的1/3，如此豐富的低階煤資源直接作為燃料用煤，不僅會產(chǎn)生大量的污染氣體，而且熱效率低。綜合考慮低階煤儲備豐富、環(huán)境污染大、應(yīng)用價值低的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)代技術(shù)手段走清潔高效加工利用的途徑才是低階煤可持續(xù)發(fā)展的必然之路。礦源腐植酸主要是指存在于泥炭、褐煤和風(fēng)化煤等礦產(chǎn)資源中的腐植酸，經(jīng)過活化提取被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、石油、環(huán)保等領(lǐng)域[1-8]，作用效果好，因此利用豐富的低階煤資源來進行腐植酸類產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用，不僅符合低階煤深度開發(fā)、潔凈化利用的發(fā)展方向，同時也符合生態(tài)文明建設(shè)的政策方針。而具有低能耗，反應(yīng)條件溫和，轉(zhuǎn)化效率高，產(chǎn)品活性高，環(huán)保無污染等優(yōu)點的微生物降解法成為降解活化低階煤提取腐植酸的首選[9-10]。

煤的微生物降解轉(zhuǎn)化研究最早始于1908年，Potter[11]在其論文中提到了微生物可以促使煤炭的氧化。但是直至20世紀(jì)80年代，F(xiàn)akoussa[12]和Cohen[13]等又發(fā)現(xiàn)假單胞菌和白腐菌可以降解褐煤，才開始了煤炭微生物降解轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)工程，尤其是在利用微生物降解褐煤等低階煤產(chǎn)生腐植酸/黃腐酸方面。隨后幾十年，大量研究者針對煤種、煤的預(yù)處理、菌種、機理、降解提取和產(chǎn)物等方面進行研究，豐富了微生物降解煤的菌種資源，揭示了其降解機制，同時不斷開發(fā)降解產(chǎn)品，并拓展其應(yīng)用，進而加速了低階煤的轉(zhuǎn)化和清潔高效利用。

1 煤的預(yù)處理方法

微生物直接作用于煤炭，降解率往往較低，而且由于地理環(huán)境、形成年代和條件的差異，使得各煤種理化性質(zhì)差異也較大(如水分含量、氧含量和間隙率等存在差異)，因而通常在微生物降解煤之前需要針對不同煤種進行相應(yīng)地預(yù)處理，以提高煤的含氧量或?qū)γ毫５谋砻娼Y(jié)構(gòu)進行修飾，進而提高微生物對煤的降解率。常用的煤預(yù)處理方法有[14-21]：① 物理預(yù)處理，如機械破碎可以降低煤的粒度，增大反應(yīng)的比表面積；超聲波活化可以使煤結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙增大，更有利于微生物在煤分子間的移動，進而提高煤的生物降解效果；② 化學(xué)預(yù)處理，如酸氧化(硝酸、硫酸)、過氧化氫氧化、高錳酸鉀氧化、熱氧化、空氣氧化、光氧化、催化劑催化氧化(如活性炭、SiO2以及碳納米管)等氧化法可以提高氧和氮元素的含量，利于煤的微生物降解；陰離子表面活性劑、堿性緩沖液、金屬螯合劑等非氧化法同樣可以提高微生物的溶煤效果。但在實際應(yīng)用中，必須綜合考慮工業(yè)化可操作性、成本等因素，選取安全、環(huán)保、性價比高的煤炭預(yù)處理方法，如硝酸氧化腐蝕性強，對設(shè)備的要求高，還會產(chǎn)生NO2等污染氣體，不適于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。

2 降解煤的微生物篩選及種類

降解低階煤的微生物主要通過以下方式篩選[22-24]：① 從煤炭、礦區(qū)土樣及水樣等原生環(huán)境中篩選，從煤炭環(huán)境中篩選出來的菌株相比于其他環(huán)境中的菌株與煤的適宜性和相關(guān)性更好，更能有效降解煤炭；② 從能降解低階煤中木質(zhì)素、多環(huán)芳烴等有機化合物成分的菌株中挑選；③ 通過誘變育種和基因工程等方式來獲得。

通過上述方式，迄今為止發(fā)現(xiàn)的能降解煤的微生物主要有細(xì)菌、真菌和放線菌，其中比較典型的幾種微生物見表1[6，22，25， 26]；此外，一些酵母菌也具有降解煤的能力。實際上，要完全降解煤，自然環(huán)境中任何單一的菌株都做不到，需要在不同階段由不同微生物協(xié)同完成。因此從20世紀(jì)80年代，人們開始研究不同微生物間的協(xié)同降解作用，逐步形成了現(xiàn)在的混合培養(yǎng)技術(shù)[25]。但是目前的混合培養(yǎng)技術(shù)主要是利用純培養(yǎng)的菌株進行組合，而自然界中許多高效降解微生物無法通過純培養(yǎng)得到，因此研究者把研究的方向轉(zhuǎn)向直接從自然界篩選獲得菌群。如，高同國等[27]從不同地域低階煤中分離篩選得到具有較好降解能力的3株菌群，編號分別為SL-1、SL-2、NM-1，其中降解能力最強的SL-2對風(fēng)化煤和內(nèi)蒙古褐煤都有較好的降解效果，顯微鏡鏡檢結(jié)果表明，這3株菌群由長桿菌、短桿菌、球菌等細(xì)菌組成；Gao等[28]從低階煤儲量豐富的地區(qū)采集樣品，篩選到3組高效降解菌群，其中菌群MCSL-2含有2類細(xì)菌：Bacilluslichenoformis和unculturedStenotrophomonas。

表1 降解低階煤的微生物匯總

3 微生物降解煤提取腐植酸的工藝及機理

3.1 微生物降解煤提取腐植酸的工藝研究

微生物降解低階煤的方式主要有固體培養(yǎng)基表面溶煤和液體溶煤，液體溶煤以不同方式分為胞外液溶煤和細(xì)胞液溶煤，又可分為液體靜置溶煤和液體動態(tài)溶煤，各有優(yōu)劣，綜合而言固體溶煤方式不易回收液化產(chǎn)物，難以精準(zhǔn)計算菌株的降解率，更適用于實驗室的菌種分離篩選；而液體溶煤較易于定量分析，其中胞外液溶煤沒有菌絲體，易于收集溶煤產(chǎn)物，利于進行探索溶煤條件和工藝，細(xì)胞液溶煤操作簡單，更有工業(yè)化前景[29]。

針對同一微生物菌株因不同煤樣存在不同的降解特性，同一煤樣也因不同微生物菌株存在轉(zhuǎn)化差異，使得研究者更加注重研究微生物菌種與煤之間的匹配性降解條件，而在探究其最優(yōu)工藝條件時，研究者應(yīng)根據(jù)實際需要選擇合適的溶煤方式。如閆敏等[30]采用固體和液體相結(jié)合的培養(yǎng)條件，從腐植酸類物質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)上研究了菌株F75對3個風(fēng)化煤的降解特性，為優(yōu)化其發(fā)酵工藝提供理論依據(jù)；李建濤等[31-35]采用液體培養(yǎng)方式研究了在煤和菌種確定的情況下，微生物降解煤提取腐植酸的最優(yōu)工藝條件—培養(yǎng)方式、煤樣粒度、接種量、煤漿質(zhì)量濃度和降解時間等，以期獲得較高的降解效率。但目前大多研究仍停留在探索單株菌降解煤的最優(yōu)工藝條件，故而降解率通常較低，即使有個別菌產(chǎn)生的降解煤的活性物質(zhì)正好和該種煤的結(jié)構(gòu)中大量存在的降解活性點相對應(yīng)，獲得了相對理想的降解率，但針對組成結(jié)構(gòu)不同的其他煤種，該菌的降解率不一定高。要想獲得高效、普適性的微生物降解煤的工藝條件，應(yīng)該從微生物降解煤的機理出發(fā)，采用分級降解的方法，如李建濤等[36]采用綠孢鏈霉菌、惡臭假單胞菌和黃孢原毛平革菌依次對低階煤進行分級降解，分別利用三種菌代謝產(chǎn)生的堿、酶、螯合劑和表面活性劑等多種活性物質(zhì)，對低階煤結(jié)構(gòu)中不同的降解活性點協(xié)同作用，提高了低階煤的降解率，同時也提高了各級降解液中精細(xì)化學(xué)品、液體燃料等產(chǎn)品的種類和數(shù)量。

微生物降解煤完成后，提取腐植酸基本采用堿提、添加助劑提取或直接水溶方式提取，如袁紅莉團隊[37]通過30年對微生物降解褐煤生產(chǎn)黃腐酸及高活性腐植酸的系統(tǒng)研究，建立了利用組合菌進行混合發(fā)酵降解褐煤生產(chǎn)腐植酸的工藝技術(shù)流程，該工藝從發(fā)酵到產(chǎn)物提取均不使用酸、堿、丙酮等化學(xué)試劑，剩余物還可以進一步提取腐植酸或作為有機肥，整個過程符合經(jīng)濟、循環(huán)及再利用的原則。

微生物降解煤提取腐植酸的工藝研究方式前期主要集中在單因素對腐植酸產(chǎn)率的影響上，考察的實驗因素比較單一，忽略了因素間的交互作用對腐植酸產(chǎn)率的影響，得到的是局部最優(yōu)條件；隨后有學(xué)者通過單因素和正交實驗相結(jié)合的方式探究微生物降解煤提取腐植酸的最佳工藝條件[31-34]，該方法能同時考察幾種因素，確定最佳因素水平組合，但不能在給出的整個區(qū)域上找到因素和目標(biāo)值之間的一個明確的函數(shù)表達(dá)式；目前較好的研究方式是響應(yīng)曲面法，采用響應(yīng)曲面法對微生物降解煤提取腐植酸的工藝條件進行優(yōu)化，試驗次數(shù)少、周期短，可以同時考察因素間交互作用對腐植酸產(chǎn)率的影響，并求得因素和響應(yīng)值之間精度較高的回歸方程，更好的獲得不同煤腐植酸的最優(yōu)降解和提取工藝條件[35，38]。

3.2 微生物降解煤的機理

大量研究表明，煤的微生物降解過程是一個非常復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，所用菌種不同，參與降解煤過程的活性物質(zhì)也不同；即使同一菌種在不同的培養(yǎng)基中，對不同的煤樣，其分泌的降解煤的活性物質(zhì)也不盡相同?？偨Y(jié)前人的研究成果，目前微生物降解煤的機理主要有[26，39- 41]：

(1)堿性物質(zhì)降解，微生物在生長過程中可通過分泌氨、生物胺、多肽及其衍生物等堿性物質(zhì)或以環(huán)境中的某些化合物(谷氨酸鹽、硝酸鹽等)為原料產(chǎn)生堿性物質(zhì)來參與煤的降解過程；

(2)螯合劑降解，煤大分子結(jié)構(gòu)中含有由多價陽離子形成的鹽橋，微生物生長過程中產(chǎn)生的螯合劑與煤中的金屬離子結(jié)合，導(dǎo)致煤大分子結(jié)構(gòu)瓦解，當(dāng)脫除這些多價金屬后，能使煤更多地溶于稀堿，并使生物溶解力增強，從而實現(xiàn)煤的降解；

(3)表面活性劑降解，表面活性劑可以在不需要打斷煤共價鍵的情況下促進許多極性物質(zhì)的溶解，幫助微生物降解煤，但也正是因為其不能打斷共價鍵，使得其單一作用時效果不佳，所以表面活性劑主要利用其雙親結(jié)構(gòu)改變煤表面的電荷和親水性使得煤顆粒表面能更好的和生物酶接觸，來提高煤的溶解，目前被廣泛接受的理論模型是表面活性劑先附著在煤的表面，再通過表面活性劑的親水頭將生物酶吸附到煤的表面來溶解煤，如圖1所示[42]；

圖1 表面活性劑作用示意

(4)生物酶降解，這是微生物新陳代謝過程中分泌的胞外酶，主要包括木素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等氧化酶，以及酯酶等非氧化酶，尤其是木質(zhì)素降解酶的參與可以打斷煤分子的共價鍵，從根本上將大分子結(jié)構(gòu)降解，在腐植酸的解聚中起決定性作用；

(5)ABCDE綜合作用機理[43]，指出了煤的大分子結(jié)構(gòu)中分別被堿、螯合劑、表面活性劑及酶作用的官能團結(jié)構(gòu)部位，如圖2所示，這是在前面4種機理的基礎(chǔ)上提出的，它認(rèn)為微生物降解煤的過程是多種機理共同作用的結(jié)果，堿性物質(zhì)、螯合劑和表面活性劑增加了煤的溶解性，而增溶后的解聚作用則需要生物酶起作用；ABCDE機理發(fā)生在不同的微生物代謝物與不同特性煤種時，起主要作用的物質(zhì)不同，如圖3所示，煤炭分子中羧基含量高、金屬離子含量高、酯鍵含量高、芳香烴含量高時分別易發(fā)生堿性溶解、螯合劑溶解、酯酶降解、氧化煤氧化降解。

圖2 ABCDE綜合作用示意圖

圖3 不同微生物代謝物對不同煤炭的溶解作用

4 微生物降解煤的產(chǎn)物分析及應(yīng)用

4.1 產(chǎn)物分析

表2 分析煤降解產(chǎn)物采用的技術(shù)方法

4.2 產(chǎn)物應(yīng)用

在微生物降解產(chǎn)物的應(yīng)用方面，袁紅莉等[37]利用微生物降解褐煤生產(chǎn)的黃腐酸噴施或拌種，可以顯著增加西紅柿、黃瓜、西瓜、玉米、大豆等多種作物的產(chǎn)量并改善其品質(zhì)；趙憲志[51]利用云芝培養(yǎng)胞外液的溶煤產(chǎn)物進行農(nóng)作物栽培試驗表明，在盆栽條件下溶煤產(chǎn)物明顯地刺激到了玉米苗和蒜苗的生長，增強了其抗干旱的能力；趙娜和趙星程等[52，53]利用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)處理煤，產(chǎn)生甲烷或其它氣體燃料；王龍貴等[54]研究認(rèn)為，可以從溶煤產(chǎn)物當(dāng)中分離提取出高附加值的化工產(chǎn)品；張敉等[55]認(rèn)為煤炭腐植酸在醫(yī)藥應(yīng)用中具有重要作用；王娜等[56]將褐煤經(jīng)過微生物轉(zhuǎn)化后再熱壓成型，發(fā)現(xiàn)所得煤球的防水性能有較大提高，其中真菌在改善褐煤型煤防水性方面所起的作用較明顯，混合菌的效果最好；張明旭等[57]利用白腐真菌降解硝酸預(yù)處理的義馬褐煤后的水溶性產(chǎn)物制備水煤漿，與添加1%萘系添加劑的水煤漿相比，各項指標(biāo)都較優(yōu)，展現(xiàn)了其在工業(yè)生產(chǎn)中的潛在利用價值。總結(jié)研究者們對微生物降解煤產(chǎn)物的應(yīng)用，概括的說有植物生長促進劑、清潔燃料、精細(xì)化學(xué)品、保水劑、土壤調(diào)理劑/修復(fù)劑、藥劑等，涉及農(nóng)業(yè)、化工、環(huán)保、醫(yī)藥、石油等領(lǐng)域。其中，礦物源腐植酸已應(yīng)用在多種生產(chǎn)實踐中，且效果較好，但其基礎(chǔ)產(chǎn)品種類偏少，不同地區(qū)來源和不同處理工藝對于腐植酸產(chǎn)品品質(zhì)影響比較大，需要推進腐植酸的區(qū)域化發(fā)展和復(fù)合化利用。

5 存在問題及展望

通過研究者不懈的努力，在采用微生物降解低階煤實現(xiàn)低階煤資源高效利用方面取得了一定的成果，但仍存在一些問題[6，25，36]：① 菌—煤匹配規(guī)律缺乏系統(tǒng)的研究，高效、普適性的降解菌少，應(yīng)系統(tǒng)研究不同特性煤種在不同階段需要何種降解方式，進而制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；② 煤的組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致煤的微生物降解產(chǎn)物難以分離和利用，且提取產(chǎn)物后剩余的殘渣對環(huán)境有嚴(yán)重影響，必需為其尋找合適的處理方法；③ 微生物降解煤的機理有待進一步完善；④ 微生物轉(zhuǎn)化的設(shè)備開發(fā)，產(chǎn)物純化和檢測分析方法的創(chuàng)新也需要加大研究力度，以為產(chǎn)物的進一步研究和應(yīng)用提供技術(shù)支撐；⑤ 在研究煤的預(yù)處理方式，提高轉(zhuǎn)化率的同時，要綜合考慮預(yù)處理方式的工業(yè)化可行性、環(huán)保性、可持續(xù)發(fā)展等因素。

6 結(jié) 論

微生物降解煤技術(shù)要想產(chǎn)業(yè)化，首先需解決微生物對煤降解率低的問題，較少的降解產(chǎn)物導(dǎo)致研究降解產(chǎn)物的用途和產(chǎn)業(yè)化受阻；其次，探明微生物降解煤的機理，明晰的機理能夠從客觀規(guī)律上指導(dǎo)制定科學(xué)合理的措施來提高煤的微生物降解率，設(shè)計煤的降解產(chǎn)物構(gòu)成，解決微生物降解周期長和生產(chǎn)效率低等問題；再次，提高煤微生物降解產(chǎn)物的成分及分離純化的技術(shù)手段，這對于擴大煤微生物降解產(chǎn)物的實際應(yīng)用，提高其商業(yè)價值具有重大意義；最后，加強降解產(chǎn)物的高效利用，用途廣、附加值大的產(chǎn)物才更能適應(yīng)市場的需求，利于微生物降解煤技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。