（应用化学专业论文）神府煤生物转化高效菌株的优选研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 导师： 神府煤生物转化高效菌株的优选研究 应用化学 王永娟 周安宁 摘要 ( 签名) 幽 ( 签名) 本论文以神府煤为研究对象，从神府洗煤废水中提取菌株，采用以神府风化煤和光 氧化煤为惟一碳源的筛选方式进行菌株优选，以获得高效溶煤菌株；研究光氧化神府煤 的生物转化特性及其生物转化产物的结构，为阐明煤的光氧化与生物转化之间的耦合关 系提供实验依据。 首先，对煤样进行紫外光催化氧化预处理，光氧化时间6 h 时，腐殖酸含量达到最大 值，约为1 0 1 9 。元素分析及f t i r 分析表明，光氧化预处理使煤中o c 原子比与h c 原子 比增加，醚键、羧基和酚羟基官能团含量增加。 用3 种鉴别培养基( 鉴别真菌、放线菌和细菌) 从神府煤洗煤废水中分离、纯化出了 4 7 株菌株。以神府风化煤为惟一碳源，经无机盐固体平板培养初筛、再以光氧化煤为惟 一碳源液体动态培养复筛后，优选出3 种菌株，分别为b 菌( 真菌) 、g 菌( 放线菌) 和h 菌( 细菌) 。考察了培养方式对微生物转化的影响，结果表明：无机盐培养的菌株溶煤 效果优于有机培养基培养的菌株；动态方法与静置培养相比，前者菌株的溶煤效果较好。 动态无机盐培养条件下，最佳溶煤周期为1 4 天，煤生物转化过程中有弱酸性物质产生。 光氧化预处理煤样有较高的生物转化率，其中g 菌对光氧化预处理煤样的转化率可达 2 2 3 。煤经b 菌、g 菌和h 菌转化后的液体均呈浅黄色，除原煤经b 菌转化产物外，所有 液体转化产物加碱处理后，均有棕黄色沉淀产生，其中光氧化煤经g 菌转化后的液体产 物的加碱沉淀生成率可达1 7 5 。f t i r 分析表明，沉淀产物含有羟基、醚键、芳香环等 官能团。生物转化残煤的o c 比、h c 比明显增加。g 菌转化残煤中醚键官能团含量减少， 说明g 菌易于转化含醚键物质。上述结果表明，光氧化处理可促进煤的生物转化。 采用梯级溶剂抽提法在索氏抽提器中以丙酮和四氢呋喃( t h f ) 为溶剂，研究了光 氧化和生物转化对残煤组成结构的影响。结果表明，光氧化使煤的丙酮抽提率下降，但 使其丙酮抽提残煤的t h f 抽提率提高2 倍以上；经生物转化后，残煤的丙酮抽提率均有 较大幅度增加，丙酮抽提残煤的t h f 抽提率增加幅度则与菌株种类有较大关系。原煤经 g 菌转化后，丙酮抽提率提高程度最大，可达1 4 9 6 ，而光氧化煤经g 菌转化后，丙酮 抽提率增加幅度较原煤小；与原煤相比，光氧化煤经b 菌和g 菌转化后其丙酮抽提残煤 的t h f 抽提率提高了近1 倍，光氧化煤经b 菌转化后丙酮抽提率增加幅度最大，而且 其丙酮和n f 的抽提率总和最高，达到2 1 4 7 ，原煤粉的总抽提率仅有2 9 2 ，此外， 煤的光氧化处理对h 菌的生物转化影响较小。因此，神府煤在b 菌和g 菌的生物过程中 与光氧化预处理具有一定的耦合作用。f t i r 分析表明，经生物转化后，残煤丙酮抽提 物中羰基和醚键官能团相对减少。 关键词：神府煤；生物转化；菌株优选：光生物氧化耦合 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d yo ns c r e e n i n go fh i g he f f e c i e n ts t r a i n sf o rs h e n f uc o a l b i o c o n v e r s i o n s p e c i a l t y ：a p p l i e dc h e m i s t r y n a m e ：w a n gy o n g j u a n i n s t r u c t o r ：z h o ua n n i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 呦蚴缕 ( s i g n a t u r e 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 ，s t r a i n sw 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 g w a s t ew a t e r i no r d e rt oo b t a i nh i g h l ye f f i c i e n ts t r a i n sf o rb i o c o n v e r s i o ns h e n f u c o a l ， w e a t h e r e dc o a la n dp h o t o - o x i d a z e dc o a lw e r er e s p e c t i v e l yu s e da ss o l ec a r b o ns o u r c et o s c l l 眙ns t r a i n s t h eb i o c o n v e r s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o o x i d a z e dc o a la n dt h es t r u c t u r eo f b i o c o n v e r s i o np r o d u c t sw e r ea n a l y z e df o rc l a r i f y i n gt h ec o u p l i n gb e t w e e np h o t o o x i d a t i o n a n db i o c o n v e r s i o n f i r s t l y , s h e n f uc 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 n t h eh u m i ca c i d c o n t e n to ft h ec o a lp h o t o o x i d a z e df o r6 hw a sm a x m u m ，r e a c h e dt o10 19 p h o t o - o x i d a z e d c o a lw a sc h a r a c t e r i z e db yf t i ra n du l t i m a t ea n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n to f o x y g e nc o n t a i n i n gg r o u p s ( e t h e r , c a r b o x y l ，p h e n o l i ch y d r o x y l ) w e r ei n c r e a s e db y u v - p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o n m e a n w h i l e ，t h er a t i oo fo ca n dh cw e r ei n c r e a s e d 4 7s t r a i n sw e r ei s o l a t e da n dp u r i f i c a t e df r o ms h e n f uc o a l - w a s h i n gw a t e rw i t hd i f f e r e n t i a l m e d i u m s ( f u n g i ，a c t i n o m y c e t e , b a c t e r i a ) w e a t h e r e dc o a lw a su s e da ss o l ec a r b o ns o u r c et o p r i m a r i l ys c r e e ns t r a i n s 、 r i t l ls o l i di n o r g a n i cs a l tp l a t ec u l t u r e a n dp h o t o - o x i d a z e dc o a lw a s u s e d 嬲s o l ec a r b o ns o u r c et of u r t h e rs c r e e ns t r a i n sw i t hl i q u i dc u l t u r em e d i u m ，f i n a l l y3 s t r a i n sw i t hh i g h e rp e r f o r m a n c et os h e n f uc o a lb i o c o n v e r s i o n ，w h i c ha r ebs t r a i n ( f u n g i ) ，g s l a i n ( a c t i n o m y c e t e ) ，a n dhs t r a i n ( b a c t e r i a ) ，w e r eo b t a i n e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n t c u l t i v a t i o ns y s t e m so nb i o c o n v e r s i o nw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h er e s u l t si n c i d e n t e dt h a t i n o r g a n i cm e d i u mw a sb e t t e rt h a no r g a n i cm e d i u m ，d y n a m i cc u l t u r ew a sb e t t e rt h a ns t a t i c c u l t u r ef o rc o a lb i o c o n v e r s i o n t h eb e s tb i o c o n v e r s i o n a lc y c l ew a s1 4d a y sf o rc o a l b i o c o n v e r s i o nw i t hi n o r g a n i cm e d i u md y n a m i cc u l t u r e 1 1 1 eb i o c o n v e r t e ds o l u t i o np r o d u c t s w a sw e a ka c i d i c t h eb i o c o n v e r i a ly i e l do fp h o t o - o x i d a z e ds h e n f uc o a l sw i t hs t r a i n sw e r eh i g h e rt h a nt h a t o fs h e n f ur a wc o a l t h eb i o c o n v e r s i o ny i e l do f p h o t o o x i d a z e ds h e n f uc o a lu s i n ggs t r a i nw a s u p t 02 2 3 t h eb i o c o n v e r s i o n a ls o l u t i o np r o d u c t sw e r ey e l l o wf o r3s t r a i n s ( b ，g ，”t h e i r w a t e r - s o l u b l ep r o d u c t sw e r ep r e c i p i t a t e db yn a o h t h eb i o c o n v e r t e dp r e c i p i t a t ey i e l do f p h o t o - o x i d a z e dc o a lf o rgw a su pt o 17 5 f t i ra n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep r e c i p i t a t e c o n t a i n e dh y d r o x y l ，e t h e r , a r o m a t i cr i n gg r o u p s a f t e rb i o c o n v e r s i o n , t h er a t i oo fo ca n d h ci nr e m a i n so fs h e n f uc o a lw e r eg r e a t l yi n c r e a s e d t h ee t h e rg r o u p si nt h eb i o c o n v e r t e d r e s i d u a lf o rgs t r a i nw e r ed e c r e a s e d i tm e a n e dt h a tgs t r a i nw a se a s yt ob r e a ke t h e rg r o u p t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tp h o t o - o x i d a t i o nc a ni m p r o v eb i o e o n v e r s i o no fs h e n f uc o a l g r a d e de x t r a c t i o nw a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h ee f f e c to fp h o t o o x i d a t i o na n d b i o c o n v e r s i o no nt h es t r u c t u r eo fb i o c o n v e r s i o n a lr e s i d u a l sb ys o x h l e te x t r a c t i o na p p a r a t u s t h es o l v e n t sw e r ea c e t o n ea n dt h f t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp h o t o - o x i d a t i o nm a d et h ey i e l d o fa c e t o n ee x t r a c t i o nd e c r e a s e d a f t e ra c e t o n ee 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 d b yn m t h ey i e l do ft h fe x t r a c t i o nf o rp h o t o - o x i d i z e dc o a lw a si n c r e a s e db ym o r et h a n2 t i m e s a f t e rb i o c o n v e r s i o no ft h ec o a l s 诵t l l3s c r e e n e ds t r a i n s ，t h ea c e t o n ee x t r a c t i o ny i e l d w e r er a p i d l yi n c r e a s e d t h et h fe x t r a c t i o ny i e l do fb i o c o n v e r t e dc o a l sw a sr e l a t e d 、 r i lt h e t y p eo fs t r a i n s t h ea c e t o n ee x t r a c t i o ny i e l do fb i o c o n v e r t e ds h e n f uc o a l 、 ，i t l lgs t r a i nw a s h i g h e s t ，a n di tw a su pt o14 9 6 a sc o m p a r e d 晰ms h e n f uc o a l ，t h ea c e t o n ee x t r a c t i o ny i e l d o fb i o c o n v e r t e dp h o t o o x i d a z e dc o a l 、析廿1gs t r a i nw a si n c r e a s e di na ns m a l le x t e n t t h et 耶 e x t r a c t i o ny i e l do fr e m a i no fa c e t o n ee x t r a c t i o no fb i o c o n v e r t e dp h o t o o x i d a z e dc o a lb yb a n dgs t r a i n sw e r ei n c r e a s e db y1t i m e sa sc o m p a r e d 、i t l ls h e n f ur a wc o a l a c e t o n ee x t r a c t i o n y i e l do fb i o c o n v e r t e dp h o t o - o x i d a z e dc o a lb ybs t l 曲r lw e r ei n c r e a s e di nal a r g ee x t e n t ，t h e t o t a le x t r a c t i o ny i e l dw a sh i g h e s t t h et o t a le x t r a c t i o ny i e l do fs h e n f ur a wc o a lw a so n l y 2 9 2 t h ee f f e c to fp h o t o - o x i d a t i o no nhs t r a i nc o n v e r s i o no fs h e n f uc o a lw a sl e s st h a n o t h e r s s ot h e r ew a ss o m ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h o t o - o x i d a t i o na n dbo rgs t r a i n f o rc o a lb i o c o n v e r s i o n f t i ra n a l y s i si n d i c a t e dt h a ta f t e rc o a lb i o c o n v e r s i o n 诵t h3s t r a i n s ， t h ec a r b o n y lg r o u pa n de t h e rb o n di nt h ea c e t o n es o l u l ee x t r a c tw e r ed e c r e a s 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 n ；s c r e e n i n gs t r a i n s ；c o u p l i n go fp h o t o o x i d a t i o n a n db i o c o n v e r s i o n t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a c h 主要符号表 主要符号表 m a i ns y m b o lt a b l e 符号说明 f m b b m g b y m h b y m b b g m g b g m b b g m y m b b l y m g b l y m h b l g m b b l g m g b l g 啪l b b g m p g b g m p h b g m p y m b t y m h t g b y m b t g b y m h t g m b t g m h t g b g m b t g b g m h t y m b t y m h t g b y m b t g b y m h t 神府风化煤 神府原煤经b 菌转化后的残煤 神府原煤经g 菌转化后的残煤 神府原煤经h 菌转化后的残煤 神府光氧化6 h 煤样经b 菌转化后的残煤 神府光氧化6 h 煤样经g 菌转化后的残煤 神府光氧化6 h 煤样经h 菌转化后的残煤 神府原煤经b 菌转化后的残液 神府原煤经g 菌转化后的残液 神府原煤经h 菌转化后的溶液 神府光氧化6 h 煤样经b 茵转化后的溶液 神府光氧化6 h 煤样经b 菌转化后的溶液 神府光氧化6 h 煤样经b 菌转化后的溶液 神府光氧化6 h 煤样经b 菌转化后的溶液加碱沉淀产物 神府光氧化6 h 煤样经g 菌转化后的溶液加碱沉淀产物 神府光氧化6 h 煤样经h 菌转化后的溶液加碱沉淀产物 神府原煤丙酮抽提残煤 神府原煤四氢呋喃抽提残煤 神府原煤经g 菌转化后再经丙酮抽提后残煤 神府原煤经g 菌转化后经四氢呋喃抽提后的残煤 神府光氧化6 h 煤样经丙酮抽提残煤 神府原煤四氢呋喃抽提残煤 神府光氧化6 h 煤样经g 菌转化后再经丙酮抽提后残煤 神府光氧化6 h 煤样经g 菌转化后经四氢呋喃抽提后的残煤 神府原煤丙酮抽提可溶物 神府原煤四氢呋喃抽提可溶物 神府原煤经g 菌转化后煤样丙酮抽提可溶物 神府原煤经g 菌转化后煤样四氢呋喃抽提可溶物 西安科技大学硕士学位论文 主要符号表 m a i n s y m b o lt a b l e 要料技丈学 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，论文中不 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：王球尚 日期：矽苦占 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 间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。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：u 确 指导教师 日 1 绪论 1 绪论 煤是由远古植物残骸埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成 的固体有机岩石。煤炭在中国能源工业中占有不可替代的位置，同时中国是世界上煤炭 资源最丰富的国家之一，目前已探明的煤炭储量已超过8 1 1 0 1 1 t ，特别是在西部地区 有着极为丰富的煤炭资源。石油和煤炭是当今世界两大主要化石能源及化工原料的来 源，随着石油储量的逐年下降和石油枯竭红灯的亮起，煤炭的转化越来越受到重视。 目前，乃至未来一段时间，煤炭仍然作为主要能源在我国能源结构中的格局不会改 变，但由于煤炭能源利用中所造成环境污染已引起世界范围内的广泛关注。因此，基于 煤特殊的物理化学结构，对煤进行洁净化转化研究成为煤炭科学研究的重要方向。煤炭 转化主要包括热化学转化和生物转化两种转化方式。热化学转化指煤经过热化学加工而 转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程，如煤的气化、液化、焦化等。煤炭经 过热转化可生产出洁净液体、气体燃料及重要化学品i h j ，但同时不可避免地造成新的 环境污染，而且存在反应条件苛刻、煤大分子结构未能充分利用、热化效率低等缺点。 煤炭的生物转化是利用真菌、细菌、放线菌等微生物的新陈代谢作用，对煤炭进行生物 处理，使之液化或转化成洁净燃料或化学品的过程。煤的生物转化具有工艺简单、无污 染、低能耗等其他技术无法比拟的优势。 煤的生物转化研究国外开展得比较早，最早可追溯到2 0 世纪初，但对煤的微生物溶 解现象的系统研究是到了2 0 世纪8 0 年代才开始的。1 9 8 1 年f a k o u s s a 首先报道了假单孢菌 属可以袭击无烟煤，此后逐渐开始了煤的生物转化研究。国外的研究主要集中在煤生物 降解理论和生物液化等方面。表1 1 总结了近年来国外煤的微生物转化的进展。 表1 1 国外煤微生物转化研究进展 t a b l e l 1d e v e l o p m e n t so f b i o c o n v e r s i o nc o a la b r o a d 西安科技大学硕士学位论文 续表1 1 国外煤微生物转化研究进展 t a b l e l 1 ( c o n t i n u e d ) d e v e l o p m e n t so f b i o c o n v e r s i o nc o a la b r o a d 国内对煤的微生物转化研究始于上世纪九十年代中期，主要研究单位有大连理工大 学、中国矿业大学、北京农业大学、安徽理工大学、西安科技大学等。它们在褐煤和风 化煤的生物转化和产物应用方面作了大量工作。因此，煤的生物转化研究是煤炭科学研 究的一个新领域，有望发展成为煤转化的先进技术，但在高效溶煤菌种驯化、优选，煤 的生物转化机理、高选择定向转化方法等研究方面仍需要作大量深入探讨。加强这些关 键科学与技术的研究，对于促进煤炭转化技术的发展和煤资源的高效、绿色化利用有着 极为重要的理论和实际意义。 1 1 生物技术在煤炭加工利用中的应用 1 1 1 煤的微生物脱硫及脱氮 生物技术在煤的洁净化方面得到了广泛的利用，尤其在煤中硫元素和氮元素的脱除 方面取得了很好的研究进展。硫和氮是煤炭在直接燃烧中最常见的有害元素，对环境危 害极大。钟慧芳【i5 1 等人研究了在最佳条件下，用生物脱硫技术可脱除9 5 以上的黄铁矿 硫；太原理工大学的李文英【l6 】等从焦化废水中筛选的革兰氏阳性球菌进行了碱溶煤中有 机氮的脱除研究，有效降低了煤中氮的含量。 1 1 2 煤的生物转化 由于微生物催化作用具有特异性和高度专一性的特点，所以煤的生物转化技术逐渐 2 1 绪论 成为了几年来研究活动的焦点。 ( 1 ) 煤生物转化制备清洁燃料 低阶煤经厌氧菌处理后，产生的甲烷可以作为清洁燃料。a c k e r s o n 等发现经过好氧 茵转化煤得到的水溶性液态产物，再经厌氧菌作用产生甲烷、甲醇、乙醇等低分子量物 质，可作为燃料代替石油。李明宅等【i7 】用厌氧微生物研究了接近焦煤演化度的两种煤的 降解，研究发现煤层中同位素轻的气体是二次产的生物气，细菌对煤的转化作用首先起 始于兼性细菌，结果带动了整个厌氧降解过程，实现煤的厌氧降解产气。 ( 2 ) 煤生物转化制备精细化学品 用好氧微生物溶解煤，获得的产物制备精细化学品，得到了较为广泛的应用。在医 药应用方面，溶煤产物经过分离提纯，可以用作免疫辅药【l 引。农业应用方面，溶煤产物 中含有大量腐植酸类物质可以作为土壤改良剂【1 蝴，改善植物根系的吸收作用，甚至固 定或解除土壤中的有害化学物质。工业应用方面，f a i s o n 2 2 j 提出，木质素真菌溶解的煤 可以用于抗氧剂、表面活性剂、树脂或黏合剂；褐煤本身有离子交换和吸附能力，经过 微生物处理两种能力均有所增强，有望作为商业离子交换树脂或特种吸附剂应用。真菌 溶煤产物中含有大量低分子芳烃，可以经过分离、提纯后，获得高附加值的精细化学品。 研究发现，用生物液化法比用化学转化法得到的腐植酸产率更高。 ( 3 ) 煤生物转化制备高分子材料 k l e i n 【冽等认为，可将煤的微生物转化产物合成聚羟基烯烃类 ( p 0 1 y h y d r o x y a l k a n o a t e s ) 高分子。1 9 9 7 t 1 4 j 到1 9 9 9 年l 2 4 f o c h t e n b u s c h 和s t e i n b o c h e l 通过低阶煤的纯粹微生物培养，首先将煤液化降解成非均相腐植酸，利用该腐植酸合成 了聚羟基烷酸酯( p h a s ) 的一系列可生物降解高分子材料。煤基质是一类无序的非均质 多孔吸附剂，由于自身所具有的孔隙结构特征，本身就有一定的吸附性能。研究表吲2 1 1 ， 微生物转化后的残煤经溶剂抽提后，可以作为优良吸附剂。 1 2 影响煤生物转化的因素 1 2 1 煤的结构 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( c h 2 ，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。在该大分子网络中存 在与煤大分子结构单元相似的小分子物质，这些物质的含量一般在3 5 、8 ，其相对分 子质量在5 0 0 左右及5 0 0 以下【2 5 1 。煤的大分子之间及其与小分子之间主要通过氢键，电子 转移等相互作用相结合。 煤的大分子骨架上除烷基侧链外，还存在o h ，c o o h ，o 以及含硫原子，氮原子 3 西安科技大学硕士学位论文 等官能团。氮源是微生物生存所必需的营养元素之一，煤炭中的n c 比低，氮元素存在 形式极为复杂，煤中的氮来源于在泥炭化阶段固定了下来的成煤时期的植物，因此煤中 的氮元素几乎全部以有机芳环的形式存在，其质量分数为0 5 0 , - 2 5 。而煤中氮元素的 低含量和有机氮杂环的存在形态都为煤的微生物转化提出了严峻的考验。 煤的分子结构十分复杂，仅能用统计方法所得到的大分子结构模型表示。目前已经 提出的煤大分子结构模型有：k r e v e l e n 模型，w e n d e r 模型，g i v e n 模型，w i s e r 模型，s o l o m o n 模型，s h i r m 模型等，其中w i 1 - 2 6 1 及s h i n n l 2 7 】结构模型最为经典，如图1 1 和1 2 所示。 图1 1 煤大分子结构的w i s e r 模型 f i 9 1 1w i s e r m o d e lo fc o a lm o l e c u l a r 图1 2 煤大分子结构的s h i n 模型 f i 9 1 2s 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 煤结构的组成是煤生物转化研究的一个关键因素。将结构复杂的煤炭作为生物转化 底物时所面临的困难很多，表1 2 是德国研究者f a k o u s s a 和h o f r i c h t e r l 2 8 】总结的微生物在进 行生物转化时由于煤的结构和性质所面临的困难和难题。 4 1 绪论 表1 2 煤微生物转化的难点 t a b l e l 2d i m c u l t yo fc o a la sb i o d e g r a d a b l em a t r i x 1 2 2 煤种 微生物可以溶解的煤种很多，包括褐煤、次烟煤、烟煤等。试验研究表明，煤的变 质程度与氧化程度是决定煤生物转化速率和程度的主要因烈5 捌。低变质程度煤，如褐 煤，比较高变质程度的次烟煤、烟煤更适宜于生物溶解。其原因为低阶煤煤分子中的侧 链及桥键较多，活性官能团含量较高，易被微生物分解作用。随着煤变质程度增加，煤 中芳香碳含量增加，总氧含量及含氧官能团的相对数量减少、孔隙率也减少，故而不易 被微生物转化。褐煤和风化褐煤中氧含量可能超过3 0 ，次烟煤氧含量通常低于2 3 ， 烟煤中氧含量则在3 一1 4 之蝌3 0 】。由于低阶煤( 如褐煤、次烟煤) 较易被微生物转化， 故而以低阶煤为研究对象进行煤生物转化的报道最多。 煤的微生物转化程度也与煤的氧化程度关系极大，对同一煤种来说，煤的生物转化 程度由大到小的顺序为：风化煤一暴露在空气中的煤一未暴露在空气中的煤。所以为了 提高煤的转化效果，研究者往往对煤样进行预处理，以提高它的氧化程度。 1 2 3 煤的预处理 ( 1 ) 化学试剂氧化及超声波预处理 k i l a m u a r 硝酸或过氧化氢处理煤极大地加快了生物溶煤的速度。w a n g 等通过氯 5 西安科技大学硕士学位论文 化、氧化、硝化和氨化对煤的分子结构进行化学修饰，使煤较容易地被一般土壤微生物 转化。此外，张听【3 l 】等用超声波处理风化煤，增加了微生物溶煤产物中水溶性物质和游 离腐植酸的含量；用无机铵盐预处理风化煤样，发现溶煤效果比使用超声波处理更加理 想，其原因为铵离子取代氢离子，破坏了风化煤中腐植酸结构的大量氢键，同时为微生 物提供了额外的营养成分，加速了风化煤的溶解。 柳丽芬【3 2 】等研究发现褐煤直接转化效果并不是很好，不但溶煤时间长，而且酸处理 褐煤的收率也不是很高，后来利用青霉菌等4 种微生物转化鹤岗风化褐煤及其稀盐酸处 理煤样，取得一定的效果，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c 主要以芳香碳和脂肪碳形式存在。 将原煤经过化学氧化预处理，虽然可以提高煤炭微生物溶煤产率，但是该方法难以 有效控制煤的预处理程度和选择性，而且存在二次环境污染，处理工艺复杂等缺点。煤 的超声波处理对生物溶煤效果提高十分有限，而且产物组成也难以控制。 ( 2 ) 光催化氧化 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【3 3 1 。多年研究发现不同密度级的煤样其光催 化氧化降解的机理不同，一般在光氧化中，煤的甲基和亚甲基比芳香环易发生氧化分解 反应，并且在低于2 0 0 下，芳香环不参与氧化反应【3 5 1 。基于煤光氧化这些特性西安科 技大学周安宁教授【3 6 】研究采用的光催化氧化设备是将氧气氨气和氧气通过流量计与光 反应器相连，将光催化氧化与生物转化相结合来控制煤的转化，从而开辟出煤制备精细 化学品和功能材料的新途径。由于煤的光催化氧化不仅具有较高的反应选择性，可使煤 实现选择性解聚和改性，而且也具有类似于煤生物转化所具有的条件温和、无污染等优 点。 1 2 4 微生物 微生物属于原生生物界，是一切肉眼看不到的微小生物的总称，是有别于植物界和 动物界的第三界生物。主要包括：病毒、细菌、蓝细菌、放线菌和真菌等等。微生物具 有许多其它生物没有的特性，具体可以归纳为：体积小、表面积大；吸收多、转化快； 适应性强，易变异；生长繁殖快；种类多、分布广等等。也正是因为微生物具有以上特 性，许多微生物具有了降解和转化高分子物质的能力。 ( 1 ) 溶煤微生物的种类 具有溶煤能力的微生物很多。1 9 8 1 年f a k o u s s a 4 首先报道了某些细菌可以溶解无烟煤 的有机组分，随后逐渐开始了对溶煤菌株的研究。目前，用于溶煤试验的微生物已有上 百种。有细菌中的枯草芽胞杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽胞杆菌、假单孢菌等；放线菌 中的链霉菌等；但大多数是真菌，如真菌担子属的云芝、茯苓和黄孢原毛平革菌；丝状 6 1 绪论 真菌的土曲霉、栖土曲霉、毛霉、假丝酵母、粉状侧孢菌、青霉菌、拟青霉菌等。 ( 2 ) 溶煤微生物的来源 溶煤微生物的主要来源是根据它们的代谢产物，如分泌的酶、鳌合剂等具有攻击煤 中或类似于煤的有机化合物中某些成分、结构等作用而从现有的各种微生物中筛选出来 的。例如，木质素结构与煤类似【3 0 】，所以可以选用能降解木质素的微生物进行生物溶煤 研究并取得一定效果【6 3 7 】。韩威【3 8 】等因为褐煤中含有大量类木质素物质，所以用降解木 质素的微生物来转化褐煤，结果发现真菌和半知菌对褐煤有较好的转化效果，真菌有强 烈的木腐作用，它们在代谢过程中产生多酚氧化酶、过氧化酶、醌氧化还原酶以及木质 素酶，这些酶能够消化具有芳香结构的木质素聚合物而使木质素组织分解。煤中有芳环 结构，故可选用能降解芳环的细菌如假单孢菌属来进行溶煤研究【3 9 1 。 张昕等【3 l 】对土壤、植物根际、枯枝落叶和风化煤中分离出的具有转化风化煤中腐殖 酸能力的菌株进行了研究，发现有6 种菌株能够将风化煤液化，出现小液珠或是使培养 基染成黄褐色至黑色。韩威【3 8 】等研究发现，不同的菌种对不同煤种转化能力不同，硝酸 氧化或是热空气氧化处理对于微生物的转化有促进作用；经预处理的煤微生物转化产物 的含氧官能团增加，甲基基团减少，经分析是一种极性很强的、有类似腐植酸结构和酸 性、高度水溶性的高分子有机化合物混合物；中国农业大学的袁红莉【4 0 】发现青霉在对褐 煤的转化过程中产生大量的腐殖酸。西安科技大学的周安宁【3 64 l 】等发现，黄孢原毛平革 菌和云芝在转化过程中可以提高神府煤中腐殖酸的含量。王龙贵【3 9 】等首次采用了几种真 菌的联合作用即它们的混合菌种来转化煤炭，发现转化效果无论是固体培养溶煤还是液 体培养的溶煤效果都要比单个菌种作用好得多。 到目前为止还没找到效果特别显著、适应性广而且廉价的菌种，成为制约煤生物转 化技术工业化的瓶颈。从生长在暴露于自然界中的煤上，矿区土壤里、矿井水和洗煤厂 废水里提取、分离溶煤微生物也是一种十分可行的方法。如武丽敏【4 2 】使用从矿区的煤泥 中分离纯化的若干株对褐煤有显著作用的微生物，进行褐煤微生物综合肥料的研究，取 得了不错的效果。大量研究表明，不同微生物与不同煤样的作用有一定的匹配关系，因 此，研究者常常需要针对不同煤种的特点，进行溶煤微生物的筛选。我国煤种繁多，所 以针对特定的煤种，筛选出特定的菌株来进行转化对于从煤的生物转化深入研究来说显 得意义十分重大。 1 3 煤的微生物转化机理 煤的生物转化由于煤种和菌种的不同，从而造成煤的生物转化程度也各不相同。为 了了解微生物对煤进行转化的过程，掌握微生物的作用机理，许多学者都致力于煤的微 生物转化机理的研究。目前对微生物转化煤的机理还不是很清楚，但可以肯定微生物转 化煤是由于微生物分泌的活性物质起的作用。因此根据微生物分泌的活性物质的性质， 7 西安科技大学硕士学位论文 微生物溶煤机理大致可分为以下三类。 1 3 1 微生物生长过程中产生的碱性中间物的作用 1 9 8 7 年c o h e n 曾指出p h 升高有利于煤炭的溶解。s r a n d b e r g t 4 3 】在同年还报道了放线菌 在培养过程中产生一种胞外物质能够将煤液化，后来他们又发现被液化的煤量随培养基 的p h 的升高而增大，而培养基p h 升高程度与培养基中所含的多肽和多胺的量有关。 q u i g l e y 9 】在1 9 8 9 年第一次指出了氨、生物胺、多肽及其衍生物在褐煤液化过程中起重要 的作用，这是由于微生物利用复杂的培养基产生并用来溶解煤中的羧基；在同年还报道 了真菌在合成培养基上产生碱性代谢物，能够使低阶煤的酸性基团离子化，从而提高煤 的亲水性。 1 3 2 微生物分泌的生物酶的作用 由于煤中，尤其是褐煤中含有较多木质素结构，因此人们推测微生物是通过木质素 酶的作用使煤大分子发生了转化，在进行微生物木质素酶的研究中发现了很多种能转化 木质素的生物酶。 ( 1 ) 木质素过氧化物酶( l i p ) l i p 是研究的比较清楚的木质素降解酶。1 9 8 3 年，g l e n n 首先在黄孢原毛平革菌中发 现该酶【4 4 4 5 1 ，后来在其他一些担子菌和一株子囊菌( c h r y s o n i l i as i t o p h i l a ) d e 也发现了l i p 。 研究发现，l i p 是既能氧化酚类结构也能氧化非酚类结构，还能直接氧化高氧化还原电 位的甲氧基化、非酚类芳香化合物的一种糖蛋白。纯化的l i p 【4 8 】可以转化煤中的大分 子。但是，l i p 对自身协同基体h 2 0 2 或者酚类基体敏感，容易钝化【4 9 1 。 ( 2 ) 锰过氧化物酶( m n p ) m n p 也是在p c h a y s o s p o r i 啪中首先发现的“5 1 ，随后在其它的白腐担子菌中也发现 了该酶。m n p 和l i p 都是胞外酶。m n p 与l i p 之间的主要区别是m n p 在氧化还原反应中需 要m n 2 + 供电子，m n p ；波m n 2 + 供体还原，而m n 2 + 被氧化为m n 3 + ，m n 3 + 离子被有机酸如草 酸、丙二酸、苹果酸、酒石酸、乳酸等螯合剂螯合后可提高其氧化还原电位。螯合的 m n 3 + 作为可扩散的氧化还原介质氧化酚类和某些甲基化、硝基化和氯代的芳香族化合物 1 5 0 l 。有科学家还发现 m n p j g l l i p 杂合体，其既可氧化m n 2 + 又可氧化非酚类的芳香族化 合物【5 1 1 。 ( 3 ) 漆酶( l a c c a s e ) 漆酶是一种含有c u 2 + 的多聚酚氧化酶，几乎所有的木质素降解真菌，霉菌和高等植 物都产生漆酶【5 2 】。漆酶是也是一种糖蛋白，在对不同的化合物进行氧化时，将0 2 还原成 h 2 0 ，总共有4 个电子发生还原反应。它对给电子基体依赖性不大，而且优先与单、双、 多酚类化合物作用。t v e r s i c o l o r 漆酶在适当介质存在时能氧化非酚类芳香物质，所以具 8 1 绪论 有与l i p 相似的活性。而且漆酶在适当的酚类介质亡p m n 2 + 存在下，也能生成m n 3 + 螯合物， 因此与m n p 活性相似。 ( 4 ) 水解酶 除了木质素酶之外，水解酶也对褐煤有着一定的转化作用。但是，其活性与螯合剂 相比相差甚远【5 3 1 。