（矿物加工工程专业论文）光生耦合对神府煤的转化研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 导v i l i 光生耦合对神府煤的转化研究 矿物加工工程 孟庆宇 周安宁 摘要 ( 签名) ( 签名) 煤炭是一种不可再生的碳烃资源，具有特殊的化学结构和特性，其直接能源利用不 仅造成严重的环境污染，而且造成这一重要资源的极大浪费。煤的生物转化具有转化条 件温和、无污染等优点，是煤炭科学技术研究的新领域。提高煤的生物转化率和产物选 择性是煤生物转化研究热点之一。因此，采用光生耦合的方法对煤进行转化，达到提 高煤的生物转化率和产物选择性的目的。 以神府煤为研究对象，用神府煤洗煤废水中优选出的粗壮串珠霉( m o n i l i ac r a s s a s h e td o d g e ) 、黄绿青霉( p e n i c i l l i u mc i t r e o v i r i d eb i o u r g e ) 和黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m b e r g e ye ta l ，1 9 2 3 9 7 ) ，对不同光氧化程度的神府煤进行转化。用f t i r 和g c m s 分析了 生物转化产物结构，研究了光生耦合转化的协同效应。进一步结合煤基腐殖酸、萘 ( n a p ) 和4 ，4 二羟基二苯基丙烷( b p a ) 的生物转化研究结果，提出了光生耦合转 化机理。 在光氧化装置中，对煤样进行紫外光氧化预处理研究。结果表明，光氧化6 h 和4 h 的神府煤( s f c ) 的腐殖酸的产率分别为1 0 9 1 和2 3 5 。光氧化4 h 和8 h 神府镜煤 ( v - s f c ) 的腐殖酸的产率分别为5 3 0 和1 3 3 。 用焦磷酸钠碱液对光氧化6 h 和4 h 的s f c 及4 h 和8 h 的v - s f c 抽提后的残渣在液 体无机盐培养基中进行微生物转化。结果表明，光氧化6 h 神府煤，用粗壮串珠菌经8 天生物转化后，总转化率为3 9 7 2 ，生物转化残煤的腐殖酸的总产率为3 5 5 4 ；光氧 化8 h 神府镜煤，经黄杆菌属生物转化8 天后，总转化率为3 0 8 0 ，生物转化残煤的腐 殖酸的总产率为2 3 7 1 。由此可见，神府煤经光氧化与生物耦合转化之间存在协同效 应。 f t i r 表征了s f c 和v - s f c 经光生耦合转化后水溶性产物和残煤结构。结果发现， s f c 经转化后，芳环含量减少，同时脂肪链和含氧官能团增加；v s f c 转化后，含氧官 能团的数量增加。微生物转化光氧化s f c 和v - s f c 的水溶性产物、碱沉淀产物和碱可 溶性产物中主要含有羟基、酰胺- n o 、c h ( c h 3 ) 、醚等官能团。 用丙酮和四氢呋喃( t h f ) 对光生耦合转化神府煤的残渣进行抽提，g c m s 表征 了残渣的结构。原煤经光生耦合转化后的丙酮可溶物中含量最多的为1 - 甲基4 ( 4 丙 基) 】乙炔基苯，其次为惹烯。丙酮抽提后的残煤经t h f 抽提后，含量最多的为二( 2 乙基己基) 邻苯二甲酸酯，其次为邻苯二甲酸二丁酯。原煤的溶剂可溶物中不含以上四 种物质。 对模型化合物和光氧化煤基腐殖酸进行生物转化，分析了模型化合物及光氧化煤基 腐殖酸转化后的组成、结构及机理。基于以上实验结果，提出了神府煤的光生耦合转 化机理。 关键词：神府煤；生物转化；腐殖酸；光生耦合转化 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo np h o t o - b i o l o g i c a lc o c o n v e r s i o no fs h e n f uc o a l s p e c i a l t y ：m i n e r a lp r o c e s se n g i n e e r i n g n a m e ：m e n gq i n g y u i n s t r u c t o r ：z h o ua n n i n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t c o a li san o n - r e n e w a b l eh y d r o c a r b o nr e s o u r c e ，a n di ti ss p e c i a lc h e m i c a ls t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c s t h ed i r e c ta p p l i c a t i o no fc o a ln o to n l yb r o u g h te n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n s e r i o u s l y , b u ta l s ol e dt ow a s t i n gr e s o u r c e se x t r e m e l y b i o c o n v e r s i o no fc o a lh a ss o m e a d v a n t a g e s ，s u c ha sm i l d e rc o n d i t i o na n dn op o l l u t i o n i tw a sn e wf i e l do fs c i e n c e s o n eo f r e s e a r c hf o c u sw a si n c r e a s i n gb i o c o n v e r s i o n a ly i e l da n dc h o o s i n gp r o d u c t s i no r d e rt o i m p r o v i n gb i o c o n v e r s i o n a ly i e l da n dc h o o s i n gp r o d u c t s ，t h ec o a lw a sc o n v e r s e db yp h o t o o x i d a t i o nc o u p l i n g 、析t i lb i o c o n v e r s i o n t a k i n gs h e n f uc o a la sp a r t i c i p a r t s ，d i f f e r e n tp h o t o - o x i d a z e ds f cw a sb i o c o n v e r s e db y m o n i l i ac r a s s as h e td o d g e ，p e n i c i l l i u mc i t r e o - v i r i d eb i o u r g ea n df l a v o b a c t e r i u mb e r g e y e ta l ，19 2 3 9 7w h i c hw e r ee x t r a c t e df r o ms h e n f uc o a l w a s h i n gw a s t ew a t e r p h o t o - b i o l o g i c a l c o - c o n v e r s i o na n dt h es t r u c t u r eo fb i o c o n v e r s i o np r o d u c t sw e r es t u d i e du s i n gf t i ra n d g c m s f u r t h e rb a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t st h a tb i o c o n v e r s i o no fc o a lc a s e d h u m i c , n a pa n db p a t h em e c h a n i s mo fp h o t o b i o l o g i c a lc o c o n v e r s i o n a lc o a lw a s p r o p o s e d c o a lw a sp r e t r e a t e db yu v - p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o ni nf i x e db e d p h o t o - o x i d a t i o nr e a c t o r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh u r n i ca c i dc o n t e n to fs f cp h o t o o x i d a z e df o r6 hw a su pt o 10 91 ，a n d4 hw a su pt o2 35 t h eh u m i ca c i dc o n t e n to fv - s f cp h o t o o x i d a z e df o r4 h w a su pt o5 3 0 ，a n d8 hw a s u pt o1 3 3 t h es f cp h o t o o x i d a z e df o r6 ha n d4 h t h ev - s f cp h o t o - o x i d a z e df o r4 ha n d8 h t h e p h o t o - o x i d a z e dc o a lw a se x t r a c t e db ys o d i u mp y r o p h o s p h a t ea l k a l il i q u i d t h er e s i d u e sw e r e b i o c o n v e r s e di ni n o r g a n i cs a l t sl i q u i dm e d i u m t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts f cw a sc o n v e r s e d b yp h o t o - o x i d a z e df o r6 hc o u p l i n go fm o n i l i ac r a s s as h e td o d g ef o r8d a y s ，t h et o t a l c o n v e r s i o ny i e l dw a s3 9 7 2 ，t h ey i e l do fh u m i ca c i dw a su pt o3 5 5 4 ，a n dv - s f cw a s c o n v e r s e db yp h o t o - o x i d a z e df o r8 hc o u p l i n go ff l a v o b a c t e r i u mb e r g e ye ta l ，19 2 3 9 7f o r8 d a y s ，t h et o t a lc o n v e r s i o ny i e l dw a s3 0 8 0 ，t h ey i e l do fh u m i ca c i dw a su pt o2 3 7 1 i th a s c o o r d i n a t i o ne f f e c tt h a tp h o t o o x i d a t i o nc o u p l i n gw i t l lb i o c o n v e r s i o n a f t e rp h o t o b i o l o g i c a lc o c o n v e r s e d ，t h ep r o d u c t ss t r u c t u r ew a sc h a r a c t e r i z e db yf t i r i tw a sf o u n dt h a tt h ec o n t e n to fa r o m a t i cw a sd e c r e a s e d ，m e a n w h i l et h ec o n t e n to ff a tc h a i n s a n do x y g e n - c o n t a i n i n gf u n c t i o n a lg r o u p sw a si n c r e a s e di ns f c a b o u tv - s f c ，t h en u m b e ro f o x y g e n - c o n t a i n i n gf u n c t i o n a lg r o u p sw a si n c r e a s e d s f ca n dv o s f cw a sp h o t o - b i o l o g i c a l c o - c o n v e r s e d ，t h ep r o d u c t so fw a t e r - s o l u b l e ，p r e c i p i t a t et r e a t e db ya l k a l ia n da l k a l is o l u b l e m a i n l yc o n t a i n e d - 0 h ，a m i d e ，- n o - , c h 一( c h s ) a n de t h e r t h er e s i d u e st h a t c o a lw a sc o n v e r s e db yp h o t o - b i o l o g i c a lc o - c o n v e r s i o n a n dt h e r e s i d u e sw e r ee x t r a c t e db yp r o p a n o n ea n dt h et h es t r u c t u r eo fr e s i d u e sw a sc h a r a c t e r i z e d b y g c m s a f t e r p h o t o - b i o l o g i c a l c o c o n v e r s i o no fs f c ，t h ec o n t e n to f b e n z e n e ， 1 - m e t h y l - 4 - 【( 4 一p r o p y l p h e n y l ) e t h y n y l - w a sm a x i m u m ，a n dp h e n a n t h r e n e ，1 - m e t h y l 一7 ( 1 - m e t h y l e t h y l ) w a ss e c o n df o rt h es o l u b l ee x t r a c t e db yp r o p a n o n e a f t e rp r o p a n o n e e x t r a c t i o n ，t h er e s i d u a l sw e r ef u r t h e re x t r a c t e db yt h et h ec o n t e n to fb i s ( 2 - e t h y l h e x y l ) p h t h a l a t ew a sm a x i m u m ，a n dd i b u t y lp h t h a l a t ew a ss e c o n df o rt h es o l u b l ee x t r a c t e db yt h e t h es o l v e n ts o l u b l em a t t e ro fs f cw h i c hw i t h o u tp h o t o b i o l o g i c a lc o - c o n v e r s i o nd i d n t c o n t a i na b o v ef o u rc o m p o u n d s m o d e lc o m p o u n d sa n dc o a lb a s e dh u m i ca c i dw e r ec o n v e r s e d b ys t r a i n s t h e c o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n dm e c h a n i s mw a ss t u d i e d b a s eo na b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e p h o t o - b i o l o g i c a lc o c o n v e r s i o n a lm e c h a n i s mw a sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：s h e n f uc o a l b i o c o n v e r s i o nh u m i ca c i d p h o t o b i o l o g i c a lc o c o n v e r s i o n t h e s i s ：a p p l i dr e s e a c h 符号一览表 符号一览表 璺婴垒q ! 兰璺垒! 竺 符号 说明 s f c h a i - c y h a u a f a s p c i p c s t h f - c 1 t h f c i e t s e t v ：s f c v h a i v - c s p v i - p v s t h f v i t h f v u v 二o h a i u v 二c u v - o - y h a u v 二o - u a u v ：o - f a i u v 二e t s p u v 二c i p - u v 二c s u v 二e t 神府煤 神府煤基腐殖酸 神府煤碱不溶物 神府煤基黄腐酸 神府煤基棕腐酸 神府煤基黑腐酸 碱提后原煤的丙酮可溶物 碱提后原煤的丙酮不溶物 丙酮抽提后碱提原煤1 h f 可溶物 丙酮抽提后碱提原煤t h f 不溶物 神府煤基黄腐酸乙醇不溶物 神府煤基黄腐酸乙醇可溶物 神府镜煤 镜煤基腐殖酸 神府镜煤碱不溶物 碱提后镜煤的丙酮可溶物 碱提后镜煤的丙酮不溶物 丙酮抽提后碱捉镜煤t h f 可溶物 丙酮抽提后碱提镜煤t h f 不溶物 光氧化煤碱可溶物( 光氧化煤基腐殖酸) 光氧化煤碱不溶物 光氧化煤基黄腐酸 光氧化煤基棕腐酸 光氧化煤基黑腐酸 光氧化煤基黄腐酸乙醇不溶物 碱提后光氧化煤丙酮可溶物 碱提后光氧化煤丙酮不溶物 光氧化煤基黄腐酸乙醇可溶物 符号一览表 符号一览表 s y m b o lt a b l e 符号 说明 s t h f u v - c i t h f - u v - c u v o v u v o v - h a i u v 二v s p u v 二v i - p u v - v s t h f u v - v i t h f - u v - v b i o u v 二c s w - b i o u v - c s e t h b i o u v - c b i o - u v 二h a 1 b i 0 u v c b i 0 u v 二y h a b i o u v u a b i o u v - f a s b i o u v - e t 1 b i o - u v 二e t s p b i o u v - c i p - b i o u v - c s t h f b i o - u v - c i t h f b i o u v - c b i o u v - v s w - b i o u v - v b i 0 u v 二v 二h a i b i o u v - v 丙酮抽提碱提后光氧化煤t h f 可溶物 丙酮抽提碱提后光氧化煤t h f 不溶物 神府光氧化镜煤 光氧化镜煤碱可溶物( 光氧化镜煤基腐殖酸) 光氧化镜煤碱不溶物 碱提后光氧化镜煤丙酮可溶物 碱提后光氧化镜煤丙酮不溶 丙酮抽提后碱提光氧化镜煤t h f 可溶物 丙酮抽提后碱提光氧化镜煤t h f 不溶物 微生物转化碱捉后光氧化煤 微生物转化将提后光氧化煤的水溶性产物 水溶性产物的乙醚萃取物 微生物转化碱提后光氧化煤的腐殖酸 微生物转化碱提后神府煤的碱不溶物 微生物转化碱提后光氧化煤的黄腐酸 微生物转化碱提后光氧化煤的棕腐酸 微生物转化碱提后光氧化煤的黑腐酸 微生物转化碱提光氧化煤基黄腐酸乙醇可溶物 微生物转化碱提光氧化煤基黄腐酸乙醇不溶物 碱提后微生物转化碱提光氧化煤的丙酮可溶物 碱提后微生物转化碱提光氧化煤丙酮不溶物 丙酮抽提后碱提的微生物转化碱提光氧化煤t h f 可溶物 丙酮抽提后碱提的微生物转化碱提光氧化煤t h f 不溶物 碱提后光氧化镜煤丙酮不溶物 丙酮抽提后碱提光氧化镜煤t h f 可溶物 丙酮抽提后碱提光氧化镜煤t h f 不溶物 微生物转化碱提后光氧化镜煤的碱不溶残煤 符号一览表 符号一览表 s y m b o l t a b l e 符号说明 s - p b i o u v - v i - p b i o u v - v s t h f b i o u v - v i - t h f b i 伊u v v a _ c c - v 碱提后微生物转化碱提光氧化镜煤丙酮可溶物 碱提后微生物转化碱提光氧化镜煤丙酮不溶物 丙酮抽提后碱提的微生物转化碱提光氧化镜煤t h f 可溶物 丙酮抽提后碱提的微生物转化碱提光氧化镜煤t h f 不溶物 粗壮串珠酶对原煤转化残渣 黄杆菌属对镜煤的转化残渣 注：正文中涉及到具体菌株时上表中的b i o 用具体菌株代号表示。 i i i 要玲技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多k 乡日期：州f 哆 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 学位论文作者签名：毒岔了 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 中国的煤炭能源资源量为1 5 万亿吨，占全世界的1 0 1 ，排名第三，人均资源量 1 9 1 3 t ，约为世界人均数量的6 9 。在我国煤炭的探明储量中，可采储量( 在当前技术和 经济条件下可采出储量) 为1 1 4 5 亿t ，占全世界1 1 0 9 ，居第三位；人均可采储量为 9 8 9 4 t ，占世界人均数量的5 3 。2 0 0 8 年全国煤炭产量达到2 7 1 6 亿吨，成为世界煤炭生 产第一大国，同时也是消费第二大国，煤炭消费总量已达到世界的1 4 。相比石油来说， 煤炭资源潜力巨大，但是，从可储量和煤炭的消耗速度看，在不远的将来，煤炭的资源 潜力也是值得提出怀疑的。此外，煤炭大规模开采、直接燃烧利用等也造成了极为严重 的环境污染，更重要是使煤炭这一不可再生碳烃原料资源被极大浪费。因此，煤炭洁净高 效转化及其综合利用技术的开发和研究就显得极为重要和迫切。 神府煤田是世界著名的特大型煤田，总有效面积达一万六千多平方公里。神府煤作 为特种煤炭资源，主要归因于其煤质优良，易于开采，同时具有低灰，有毒有害元素含 量低等作为能源利用的显著优点，但其也存在内在水分高，灰熔点低、丝质组含量高( 神 府煤的丝质组含量高达3 0 7 0 ) 、易自然发火、氮元素含量相对较高等作为能源利用的 严重缺点。因此，从资源有效利用和可持续发展的长期战略目标出发，有必要开拓神府 煤新的转化利用途径。 煤炭的转化方式分为热转化和生物转化两种。热转化是用物理和化学方法，在外加 一定压力和温度的条件下进行的，煤经热转化虽然能够转化成液体、气体及其它化学品， 但此法存在耗能巨大、资源利用率低，而且排放出大量的c 0 2 ，对反应设备的要求苛刻 等缺点。煤的微生物转化可以在相对于煤炭常规热转化过程，具有条件温和、工艺简单、 低能耗、无污染的优点，并且生物催化剂具有高度的专一性。因此，煤的生物转化将有 利于煤定向转化为高附加值的化工产品和功能材料【l j 。但是，因为成煤植物、地理环 境和地质条件的不同，煤的结构和组成千差万别，微生物对碳源利用转化具有特异性。 因此迫切需要选择合适的菌种提高煤的生物转化目标产物的转化率和选择性。 神府煤是我国西部高惰质煤的典型代表，因此，以神府煤为本研究的突破口，研究 我国西部高惰质煤生物转化，必将为西部高惰质煤的生物转化提供重要的理论依据和应 用基础数据。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 提高煤生物转化率的方法 1 2 1 煤的预处理 可用于生物转化的煤种很多，包括褐煤、次烟煤、烟煤等，其中低阶煤( 如褐煤、 次烟煤) 的研究较多1 3 刊，这是由于低阶煤煤化度低，煤分子中的侧链及桥键较多，含氧 官能团含量较高，易被微生物侵嗜。研究表明，煤的微生物溶解程度与煤的氧化程度关 系很大。对于同一种煤而言，生物溶解程度由大到小的顺序为：风化煤、暴露在空气中 的煤、未暴露在空气中的煤。这说明氧化预处理有助于煤的生物溶解。煤的氧化预处理 方法主要有热空气氧化法、化学氧化( 硝酸氧化、双氧水氧化) 法和光催化氧化法。 ( 1 ) 热空气氧化法 b e a n 7 】将依利诺衣斯( i l l i n o i s # 6 ) 煤在1 5 0 c 下空气氧化7 天，然后再用青霉菌作 用，得到3 水溶性产物，同时将生物转化后的煤用0 5 m o l l n a o h 浸取可得8 0 , - - , - , 9 0 溶解产物。而未经热空气预处理的煤，用2 4 m o l l n a o h 浸取，只得6 溶解产物。 ( 2 ) 化学试剂氧化 硝酸氧化法 硝酸氧化是最常用的一种煤处理方法。c a t c h e s i d e 8 】用硝酸处理莫厄耳( m o r w e l l ) 和洛阳( l o y y a n g ) 褐煤1 8 h 然后用云芝进行溶解，煤失重达到8 0 一9 0 。d a v i s i o n 【9 】用青 霉菌( p a e c i l o m y c e st l ) 溶解硝酸氧化后的怀俄达克( w y o d a k ) 年轻烟煤，煤的生物溶 解率只有3 1 0 。 双氧水氧化法 k i l a m u a r 用双氧水处理煤极大地加快了生物溶煤的速度。王龙贵【l o 】对比了双氧水氧 化预处理义马褐煤和硝酸氧化义马褐煤对微生物转化率的影响，发现两种方法处理的义 马褐煤经白腐菌、绿色木霉与褐腐菌的混合菌降生物转化后，经双氧水氧化预处理的义 马褐煤的生物降解率略低于硝酸氧化的义马褐煤。 ( 3 ) 光催化氧化法 煤作为有机岩石，具有芳香大分子聚合物的一般特征，煤中的多环芳烃及过渡金属 元素f e t i 等均具有一定的光敏化催化活性1 1 1 1 。不同密度级的煤样其光催化氧化降解的 机理不同，在光氧化中，煤的甲基和亚甲基比芳香环易发生氧化分解反应【1 2 j ，并且在低 于2 0 0 c 下，芳香环不参与氧化反应。西安科技大学李慧【1 4 1 5 1 采用光催化氧化法研究 了氧气氨气混合气体或氧气气氛下，煤的紫外光催化氧化预处理，用黄孢原毛平革菌和 云芝来转化经氧气及氧气与氨气混合气体条件下紫外光催化氧化预处理的神府煤，对比 了两种条件下微生物对神府煤的转化率及腐殖酸产率的影响，结果表明光催化氨氧气 氧化预处理可更有效促进煤粉生物转化率，并且腐殖酸含量有大幅度提高。云芝对神府 2 1 绪论 煤生物转化效果好于黄孢原毛平革菌。王永娟【1 6 】从神府煤洗煤废水中优选出三株对神府 煤转化有效的菌株x k a 、x k b 、x k c ，并且采用光氧化与微生物转化耦合的方法转化 神府煤，发现x k b 转化的光氧化煤具有较高的生物转化率和碱沉淀生成率。光氧化与 微生物耦合可以有效提高神府煤的丙酮( p ) 和四氢呋喃( t h f ) 抽提率。 除了对煤粉进行氧化预处理外，还可以通过其它改性方法来提高煤的生物转化率。 ( 4 ) 超声波和微波处理 张昕【1 7 】等用超声波处理风化煤，显著增加了微生物溶煤产物中水溶物质和腐殖酸的 含量。王龙贵【1 0 l 用输出功率为8 0 0 w ，额定频率为2 4 5 0 m h z 的微波辐射义马褐煤2 h 后， 用混合真菌降解1 4 天后发现，经微波处理的义马褐煤的生物降解率比未处理的义马褐 煤的降解率提高了6 2 6 。 ( 5 ) 化学改性法 柳丽列1 8 】等利用青霉菌等4 种微生物转化鹤岗风化褐煤及其稀盐酸处理煤样。结果 表明，经过酸处理的风化煤的转化率远远好于未处理的风化煤。转化产物中o 、h 、n 含量有所增加，并且碳元素主要以芳香碳和脂肪碳形式存在。w a n g 等通过氯化、硝化 和氨化对煤的分子结构进行化学修饰，提高了煤的微生物转化率。 化学氧化法和化学改性法虽然能够提高煤粉的生物转化率，但存在难以控制预处理 程度和选择性、环境污染大，处理工艺复杂等缺点。热空气法氧化和超声波、微波处理 法对于提高煤粉的生物转化率很有限。光催化氧化法不仅可以控制预处理程度和选择 性，而且不污染环境，能提高煤粉的生物转化率，因此本试验选择紫外光氧化法对神府 煤进行预处理。 1 2 2 微生物菌种改良 菌株改良的方法有四种，主要包括：驯化育种、诱变育种、质粒育种和基因工程技 术育种。 ( 1 ) 驯化育种 微生物的驯化是在一段时间内逐渐加大微生物适应毒物能力，使微生物达到毒性条 件下的菌群稳定状态并获得较高的处理毒性物质负荷值，使之适应底物环境逐渐成为菌 落的主题；另一方面使得整个微生物菌群的正向自发突变长期积累，最终改变多种细胞 结构。其驯化方法可以归纳为异步培驯法、同步培驯法和接种培驯法数种 1 9 1 。其中异步 培驯法是先培养后驯化，此法为最常用的驯化方法，通过逐步提高目标化合物浓度条件 下经多代传种而获得高效菌。同步培驯法是培养和驯化同时或者交替进行；接种培驯法 则是利用其它相关化合物进行驯化。驯化育种的优点是对试验条件和设备要求简单，实 施操作简单。缺点是生物突变频率较低，变异程度较轻，培育时间较长。 ( 2 ) 诱变育种 3 西安科技大学硕士学位论文 诱变育种是指用物理、化学因素诱导生物的遗传特性发生变异，再从变异群体中选 择符合人们某种要求的单株，进而培育成新品种或种质的育种方法。诱发突变的物理因 素主要指某些射线，如0 【射线、1 3 射线、丫射线、z 射线和中子流等；化学诱变剂主要指 某些亚硝酸盐、烷基化剂，碱基类似物，抗生素等化学药物。 诱变育种的特点是能够提高突变率，扩大“变异谱”、创造新类型，适用于改良品种 的个别形状，育种程序简单，年限短，但变异的方向和性质不定。 ( 3 ) 质粒育种 质粒育种是将两种或多种微生物通过细胞结合技术或融合技术，使供体菌质粒转移 到受体菌体内，使受体菌保留自身功能，同时获得供体菌的功能特性。目前所发现的质 粒基因有：f 因子( 大肠肝菌性因子) ；对某些药物表现抗性的r 因子；控制大肠杆菌 素产生的c o l 因子；假单胞菌属中存在的降解某些特殊有机物的降解因子，如恶臭假单 胞菌( p s e u d o m o n a sp u t i d a ) 有分解樟脑的质粒( c a m ) 、食油假单胞菌( e o l e o v o r a n s ) 有分解正辛烷的质粒、恶臭假单胞菌有分解水杨酸( s a l ) 的质粒、铜绿假单胞菌 ( e a e m g i n o s a ) 有分解萘( n a p ) 的质粒等1 2 0 j 。 ( 4 ) 基因工程技术育种 将重组对象的目的基因插入载体，拼接后转入新的宿主细胞，构建成工程菌( 或细 胞) ，实现遗传物质的重新组合，并使目的基因在工程菌内进行复制和表达的技术。 采用基因工程育种的成功例子较多，如除草剂2 ，4 二氯苯乙酸是致癌物质，美国 的研究者将降解2 ，4 二氯苯乙酸的基因片段组建到质粒上，将质粒转移到快速生长的 受体菌体内，构建成有高效降解性能的功能菌【2 0 2 1 1 ，应用于降解土壤中2 ，4 二氯苯乙 酸，减少了土壤中2 ，4 二氯苯乙酸的累积量，有益于环境保护。 煤的生物转化试验最常用的是通过驯化育种和诱变育种来提高煤的生物转化率。王 龙贵【l o 】运用驯化和诱变两种方式对球红假单胞菌进行改良，将改良后的菌种用于降解硝 酸处理后的义马褐煤试验。发现经过紫外诱变改良的菌株的溶煤效果好于驯化改良的菌 株。 由于驯化育种固有的优点，结合实验室的具体情况，本试验选取驯化育种的方法对 微生物进行改良。驯化育种的缺点可通过延长驯化周期来解决。 1 3 煤的生物转化机理 煤经微生物作用后可转化为小分子量的有机溶剂或可溶于水的物质。同一种微生物 转化同一种煤，其作用机理是多样化的。不同种类的微生物转化同一种煤或不同煤的机 理也是多样化的。由于煤炭特殊的大分子结构，所以它很难进入到微生物细胞内，因此 煤炭的微生物降解是由微生物分泌到细胞外的一些碱性物质、生物酶、螯合物、表面活 性剂等作用的结果f 2 2 】。概括起来主要有以下几种溶煤机理：碱溶机理、生物螯合剂作用 4 1 绪论 机理、生物酶作用机理和生物表面活性剂等。 1 3 1 碱溶机理 q u i g l e y 2 3 1 于1 9 8 7 年提出了碱性产物溶煤机理。微生物通过分泌碱性物质( 铵离子、 生物源胺) 或者利用环境中的化合物后产生了碱性物质，导致环境的p h 值上升。这些 碱性物质能够使低阶煤的酸性基团离子化，从而提高煤的亲水性。王英【2 4 l 等人用3 种真 菌研究了硝酸氧化煤的微生物溶解作用，测量了细胞液及无细胞液溶煤过程的p h 变化， 发现培养基呈碱性( 表1 ) ，经分析发现培养基中含有多肽和多胺，并且多肽和多胺对煤 的溶解起到了一定的作用，同时也证明了碱溶解机理的j 下确性。但是碱性机理不能解释 煤大分子结构c c 键断裂及煤大分子降解现象。王永娟【l6 j 在微生物溶煤试验中发现微生 物转化神府光氧化煤的水溶液呈弱酸性，原因可能是微生物分泌的活性物质将煤粉氧化 生成含有酸性基团的弱酸性煤溶物质。 表1 溶煤过程中培养基的p h 值 t a b l e lc u l t u r ep ho fp r o c e s so fs o l u b i l i z i n gc o a l 1 3 2 生物螯合剂作用机理 1 9 8 8 年q u i g l e y 又提出了生物螯合剂机理【2 5 1 。在煤结构中，多价金属离子在有机物 分子间通过络合起“桥”的作用，当有外来的更强有力的微生物所分泌的螯合剂时，多价 金属离子被夺走，使煤分子的紧密结构松开，与水的接触面增大，水溶性就会增强。然 而生物螯合剂机理的表达也不是完美的，1 9 9 1 年f a k o u s s a 2 6 1 等证明螯合物不能完全解 释降解煤机理，螯合物仅仅能溶解一部分褐煤，同时它也不能够使煤的分子量降低。 1 3 3 生物酶作用机理 1 9 8 9 年w o n d r a c k 【2 7 1 等发现由真菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 分泌的纤维素酶能将 煤中高分子量聚合物液化降解成低分子量物质。之后，许多学者对生物酶溶煤进行了大 量的研究。 ( 1 ) 氧化酶 目前报道最多的氧化酶是木质素过氧化物酶( l i p ) 、锰过氧化物酶( m n a ) 、漆酶 5 西安科技大学硕士学位论文 ( l a c c a s e ) 和酪氨酸酶【2 引。木质素过氧化物酶( l i p ) 和锰过氧化物酶( m n p ) 的作用机制是 基本相似的，两者都是细胞外的糖蛋白，不同点是在作用过程中l i p 需要h 2 0 2 来获得 催化活性，反应先后生成中间产物木质素过氧化物酶1 ( l i p l ) 和木质素过氧化物酶2 ( l i p 2 ) ，最后再还原成l i p t 2 8 1 。m n p 通过m n 2 + m n 3 + 发挥作用，反应生成酶的中间体锰 过氧化物酶l ( m n p l ) 和锰过氧化物酶2 ( m n p 2 ) ，最后也还原成m n p 。漆酶和酪氨酸 酶也对褐煤有氧化溶解作用，它们大多是由降解木质素和煤的真菌产生【2 引。r a i p h 和 c a t c h e s i d e | 2 9 3 1 】研究发现木质素降解菌p e h r y s o s p o r i u m 能部分解聚褐煤中溶于水的部 分，培养1 6 天后转化率高达8 5 ，煤大分子残余物的分子量从6 5 k d a 降解为3 2 k d a ， 伴随着胞外l i p 的出现煤明显退色。w i l l m a n n 和f a k o u s s a 证明一株担子菌在对煤大分 子脱色过程中可诱导m n p 产生，降解过程中，m n 2 + 可诱导担子菌n e m a t o l o m af r o w a r d i i 和c l i t o c y b u l ad u s e n i i 将煤腐殖质迅速降解为低分子量的黄腐酸。 ( 2 ) 其它的酶 还有一种酶是水解酶( 酯酶) ，水解酶能够能裂解煤分子内的酯键和其他可水解的 键。1 9 8 8 年c a m p b e l l 研究提纯的t v e r s i c o l o r 漆酶发现该漆酶由两种蛋白质组成，该蛋 白质具有酯酶活性，然而酯酶对褐煤的作用与螯合剂相比却很低。 此外，还原酶也具有溶解褐煤的能力【3 2 】。张明旭p 3 j 研究发现几种木质素降解菌的混 合菌降解义马褐煤时，培养基的p h 值发生降低。煤降解产物的质谱( m s ) 研究表明， 经微生物作用后，煤大分子结构发生了降解，分子量整体下降，以低分子量类物质为主， 这说明菌种在生长过程中释放的各种降解酶攻击煤大分子结构，使之转变成酸性基类小 分子物质，引起培养基p h 值下降，同时也验证了生物酶的作用机理。 1 3 4 生物表面活性剂 生物表面活性剂类似于化学表面活性剂，但煤生物转化过程中生成的生物表面活性 剂的浓度较低，溶解能力比化学表面活性剂也要低。其作用原理是通过降低表面张力， 增强煤颗粒之间的相互作用，从而促进疏水烃类的微生物降解p 4 。 除了以上几种溶煤机理外，细胞壁在煤的生物降解中也起到一定的作用【3 4 】。l a b o r d a e ta l 对比真菌无细胞过滤液和含有菌丝体的细胞溶液的溶煤效果，结果表明含有木霉和 青霉菌菌丝体的培养基的溶煤效果好于无细胞过滤液的溶煤效果，原因是木霉和青霉菌 细胞壁上的一些组分参与了溶煤作用。图1 1 是不同的溶煤机理作用于煤大分子结构的 不同部位的示意刚巧j 。 6 1 绪论 a 一碱性机理；b 一生物氧化酶；c 一螯合剂；d 一表面活性剂；e 一酯酶 图1 1 褐煤微生物溶解的5 种机理 f i g u r e l 1f i v eb i o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s m so fl i g n i t e 1 4 多环芳烃的微生物降解 煤大分子是由周边连结有多种原子基团的缩聚芳香稠环、氢化芳香稠环等一些结构 单元通过各种桥键，如次甲基键( 一c h 2 一，c h 2 - c h 2 ，c h 2 c h 2 c h 2 等) 、氧键( o ，c h 2 o 等) ，硫键( s ，s - s ，c h 2 s 等) 等相连结形成的三维网络结构。煤的结构可用w i s e r 【3 6 l 及s h i n n l 2 7 】模型表示，如图1 2 和1 3 所示。 图1 2 煤大分子结构的w i s e r 模型 f i g1 2w i s e rm o d e lo fc o a lm o l e c u l a r 图1 3 煤大分子结构的s h i n 模型 f i g 1 3s h i nm o d e lo fc o a lm o l e c u l a rs t r u c t u r e 由图1 2 和1 3 可以看出煤中的主要结构含有萘环、菲环和酚类芳香物质，因此可 以用萘、菲或其他的一些类似于煤结构的多环芳烃纯物质进行生物降解来研究煤的生物 降解过程。 7 西安科技大学硕士学位论文 1 4 1 生物降解萘 ( 1 ) 假单胞菌对萘的降解 恶臭假单胞菌( e p s e u d o m o n a s ) g 7 菌株中的萘代谢质粒n a h 7 研究较多。n a h 7 质粒编码的萘代谢途径受2 个操纵子和一个调节基因的控制，上游操纵子 n a h a a a b a c a d b f e d 编码的酶把萘降解成水杨酸，下游操纵子n a h g h i n l j k 编码的酶再 将水杨酸通过邻苯二酚( 间位途径) 氧化成三羧酸循环的中间代谢产物丙酮酸和乙醛。 假单胞菌对萘的降解途径如图1 4 所示。 ( 2 ) 红球菌( r h o d o c o