（矿物加工工程专业论文）陕北低阶烟煤微生物液化技术研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 陕北低阶烟煤微生物液化技术研究 矿物加工工程 陈宏贵 杜美利 摘要 ( 签名) 2 滥 ( 签名) 率堑l 以横山店房台、石马洼和神木等地煤样为原料，用不同浓度硝酸对煤样进行了预处 理。对预处理后的煤样用p c 菌进行生物液化，结果表明：p c 菌对煤样有较好的液化选 择性，用5 m o l l 浓度的硝酸预处理的煤样液化效果最佳。随着硝酸浓度的增加，预处 理煤样的挥发分、水分和灰分呈先下降再上升趋势；预处理后煤样的n 、o 元素含量有 所增加，含氧官能团增多。 通过正交试验研究了p c 菌对店房台煤样的液化情况，结果表明：液化时间、液化 温度、菌液用量对煤样的生物液化影响较大，在最佳工艺条件下，煤样最大生物降解率 达到2 3 4 3 。 制备并培养了云芝培养基和云芝菌，用云芝菌对店房台煤样进行了生物液化，结果 表明：云芝菌对煤样的降解效果明显比p c 菌差，云芝菌对店房台降解率最大、神木煤 样次之，石马洼煤样降解率最小。 对液化后的残煤分析发现，残煤灰分明显下降，n 、c 和s 元素含量降低，h 、o 元素含量有所增加，残煤的官能团较液化前峰型明显变弱甚至消失，说明了生物液化使 得煤中一些官能团遭到破坏；液化产物研究说明，残煤中一些减弱官能团的发现，反映 了生物液化作用的存在和意义。 对陕北侏罗纪低阶烟煤的生物液化技术研究，弥补了该区相关方面的研究不足，为 合理拓宽陕北丰富的煤炭资源利用途径，提供了一个新的思路与和新的途径。 关键词：陕北低阶烟煤；p c 菌：云芝；生物液化；降解率；产物 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo nm i c r o o r g a n i s ml i q u e f a c t i o no fb i t u m i n o u sc o a li n n o r t hs h a a n x ip r o v i n c e s p e c i a l t y ：m i n e r a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e：c h e nh o n g g u i i n s t r u c t o r ：d um e i l i a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) 显竺型 t h er a wc o a lw a ss h e n m u , d i a n f a n g t a la n ds h i m a w aj u r a s s i cw e a k & n o n 。s t i c kc o a l ， c o a ls a m p l e sh a v e b e e np r e t r e a t m e n tb yn i t r i ca c i do fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s c h o o s i n gt h e w h i t er o t f u n g i ( 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 ) b i o d e g r a d e dt h e c o a l s a m p l e s ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e d ：t h ew h i t er o tf u n g ic a l lb i o d e g r a d e dt h ec o a ls a m p l e s ，t h eb e s t c o n c e n t r a t i o n so fn i t r i ca c i dw a s5 m o l lt ob i o d e g r a d a t i o n w i t hn i t r i ca c i dc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d ，v o l a t i l ea s ha n dm o i s t u r ec o n t e n ti nc o a ls a m p l e sh a si n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e n d e c r e a s e d na n doc o n t e n ti n c r e a s e d ，o x y g e n - c o n t a i n i n gf u n c t i o ng r o u pw a si n c r e a s e d o r t h o g o n a lt e s ts t u d i e sd e m o n s t r a t e dt h a tt h el i q u e f a c t i o nt i m e ，l i q u e f a c t i o nt e m p e r a t u r e ， s t r a i na m o u n te t c w e r et h em a i nf a c t o r sa f f e c t e dt h ec o a ld e g r a d a t i o nr a t e t h eb e s tt e c h n i c a l c o n d i t i o n so ft h ec o a lb i o l o g i c a l l i q u e f a c t i o nw e r e4 0 i n 12d a y sa n d6 0m 1 t h e b i o d e g r a d a t i o nr a t ew a s2 3 4 3 p r e p a r e dm e d i u ma n dc u l t u r e dc o r i o l u sv e r s i c o l o r ，t h ec o a ls a m p l e sw a sb i o d e g r a d e db y c o r i o l u s v e r s i c o l o r ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e d ：i tw a sp o o re f f e c t e rt h a n p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u mi nc o a lb i o d e g r a d a t i o n c o m p a r i n g 、析t ht h ec o a ls a m p l e sb e f o r ea n da f t e rt h em i c r o b i a ld e g r a d a t i o nf o u n dt h a t t h ea s ho ft h ec o a lr e s i d u ea f t e rt h eb i o d e g r a d a t i o ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，ha n doc o n t e n t i n c r e a s e d ，c ，na n dsc o n t e n td e c r e a s e d t h eb i o d e g r a d a t i o nd e s t r o y e d t h ec o a l m a c r o m o l e c u l a rs t r u c t u r e i n f r a r e ds p e c t r o s c o p i ca n a l y s i s ( f t i r ) o fs o l u b i l i z i n gp r o d u c t s i n d i c a t e dt h a ts t r u c t u r eo fs o l u b i l i z i n gp r o d u c tw a ss i m i l a r 、析t l lt h a to ft h el a wc o a l j u r a s s i cw e a k & n o n - s t i c kc o a li nh e n g s h a n , n o r t hs h a a n x ip r o v i n c eh a sn e v e rb e e n r e s e a r c h e di nb i o d e g r a d a t i o n , t h i sh a se n h a n c e dr e l a t e dr e s e a r c hi nt h i sa r e a i ti sp r o v i d ea n e wi d e aa n dw a yf o rt h ec h a n n e l sa n dm e t h o d so fu s i n gr i c hc o a li nn o r t hs h a a n x ip r o v i n c e k e yw o r d s ：j u r a s s i cw e a k & n o n s t i c kc o a li nn o r t h s h a a n x ip r o v i n c e p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u mc o r i o l u sv e r s i c o l o r c o a lb i o d e g r a d a t i o n b i o d e g r a d a t i o nr a t es o l u b i l i z i n gp r o d u c t s t h e s i s ：a p p l i e ds t u d y 要柳技大学 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：懈 日期：洳占毛g 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：馓 指导教师签名： 1 绪论 1 绪论 1 1 煤的微生物液化研究历史及现状分析 1 1 1 煤的微生物液化研究历史 煤的微生物液化研究，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，从f a k o u s s a 1 】和c o h e n l 2 j 分别报道了某些真菌能 在煤块上生长，并将煤溶解转化成黑色水溶液以来，世界上许多研究者开始探索用微生 物来降解煤。人们发现了某些真菌能生长在风化煤和长期堆放煤的环境中，这反映出它 们固有的降解煤的能力。随着强大的现代生物技术的突飞猛进，更引起人们对煤炭生物 转化的期望。目前在有的发达国家已取得了一些初步成果，筛选出有转化效果的菌类和 一些适合转化的煤种，并且对煤转化的预处理也进行了研究。 此后，有很多关于煤被各种真菌和细菌溶解的报道，煤的微生物转化技术遂成为近 年来研究活动的焦点。 1 9 8 8 年前苏联利用微生物降解劣质煤释放腐殖酸的研究获得成功。他们利用生活垃 圾净化后所得活性污泥中的细菌，在一种特制的装置中将煤粉加水后降解成悬浮状的腐 殖质。可直接施用农田，无伴生废物，这样便可改善环境。 1 9 8 9 年北京农业大学利用细菌、真菌等液相降解褐煤，使腐殖酸的成分发生显著变 化，降解后释放的腐殖酸含量比原煤提高2 5 左右，富里酸胡敏酸最高可达9 1 6 ，将此 悬浮液施用在盆栽农作物上，取得了较明显的效果。 1 9 9 0 年由阜新矿业学院和舒兰矿务局科研所共同承担了褐煤微生物综合肥料的 研究工作，经过近三年的努力，取得了一定的成果。该项目已通过原东煤公司鉴定。 微生物溶( 降) 解的研究从2 0 世纪8 0 年代开始，2 0 年已经取得了很大的进展，已经 初步掌握了微生物溶解的整个过程，阐明了部分微生物溶解煤的机理。其是一些能降解 大分子煤的生物酶的发现，为煤的降解提供了新的方法。 当前，进行煤炭转化的研究主要集中在化学、物理转化方面，而煤的微生物转化利 用的研究起步较晚，主要偏重于对低变质煤褐煤的转化利用。褐煤的微生物转化利 用的研究在工农业生产和环境保护领域均有用武之地，将会给煤炭企业带来良好的经济 效益，并可促进煤炭企业的可持续发展。 1 1 2 煤的预处理研究 目前大量研究表明：微生物易溶解低阶煤( 如低阶褐煤、褐煤、次烟煤、风化煤) 【l 刀， 西安科技大学硕士学位论文 而微生物对高阶煤较难溶解，其对高阶煤主要进行表面改性。对煤炭预处理可以提高微 生物对煤炭的溶解程度和速度【l 引。 煤炭预处理主要是对煤炭的氧化：化学氧化：主要用硝酸和过氧化氢等；热氧 化：在1 2 0 下维持7 h 。氧化的目的是提高煤炭的氧含量，这样有利于菌种产生的氧化 酶、酯酶，螯合剂对煤作用，断开煤结构中的化学键。另外还有超声波法预处理。以上 方法都促进了菌种对煤炭的溶解，化学氧化处理效果好于超声波处理，但是没有进行预 处理的煤也可以被溶解，只是溶解量少、费时i 憎j 。 国外研究者的试验研究仅局限于褐煤，对其它煤种的微生物溶解或液化效果较差。 实际上，在煤的微生物液化过程中，使用的菌种不同，对不同的煤样，其分泌的溶煤活 性物也不同。用超声波、溶剂溶胀和硝酸预处理等方法，以松弛煤大分子间的作用力， 可以提高微生物的溶煤降解率。 研究表明，煤的微生物液化程度与煤的氧化程度关系很大，煤的氧化程度越高，越 容易受到微生物作用而溶解。对于同一种煤来讲，煤的微生物液化程度由大n 4 , 的顺序 为：风化煤、暴露在空气中的煤、未暴露在空气中的煤【3 l 。因此，煤的氧化程度被作为 煤种筛选的一个重要的因素来考虑，而提高煤的氧化程度的方法很多，如硝酸氧化法、 双氧水氧化法。 有关煤的硝酸氧化机理认为：煤的硝酸氧化降解反应为一复杂的链式反应【4 j ，反应 可以用以下步骤表示： 煤分子结构氧化；桥键和脂肪侧键断裂后的结构单元氧化：结构单元的缩合 芳香环上形成醌基、酚羟基、硝基氧化；醌基、酚羟基转化成羟基氧化；芳环上继 续形成醌基、酚羟基氧化；逐步开环形成键状有机羟酸氧化；键断裂形成低分子羟 酸( 甚至挥发性酸性气体) 。图1 1 是煤的硝酸氧化降解机理示意图。 图1 1 硝酸氧化机理 f i g 1 1 o x i d a t i o nm e c h a n i s mb yn i t r i ca c i d 2 且 暴如 1 绪论 1 1 3 煤的微生物液化方式 ( 1 ) 固体表面溶煤 把配制好并热溶的固体琼脂培养基分装在表面皿或试管中，灭菌，试管摆斜面。菌 种接于固体面层上。待菌丝长满或快长满整个表面时，把试验用煤样加在菌丝面层上。 然后观察、记录现象，收集液体产物等。由于固体表面培养放大较为困难，且产物回收 因其扩散在培养基中而受到妨碍，所以这种研究方法受到应用可行性的限制。但这种方 法在最初的菌煤匹配筛选上非常实用。 ( 2 ) 胞外液溶煤 这种方法是用液体深层培养菌种。实验室里一般用摇瓶培养。待菌丝生长一段时间 后，用真空过滤等方法收集菌体胞外液( 即无细胞滤液) ，然后加入灭过菌的煤样进行溶 煤。这种方式的优点是易于收集溶解产物；胞外液中不含菌体细胞，也易于深入考察溶 煤过程和探讨溶煤适宜条件。 ( 3 ) 细胞液溶煤 这种方法与胞外液溶煤方式有些类似。但不同的是，煤样直接加入培养液中，菌体、 煤样、培养液直接接触。煤样可以在接种时一并加入，或在培养一段时间后再加入。待 煤样溶解后再过滤或离心分离液体与固体菌丝体和未溶煤。这种溶煤方式易于放大，且 操作过程简单，有应用的可行性。 1 1 4 煤的微生物液化机理 ( 1 ) 酶作用机理 由于有些酶能解聚木质素，而低阶煤具有与木质素结构十分相似的大分子结构，因 此能降解木质素的酶也能降解煤。自然界中能够生成木质素降解酶系的微生物大多是担 子纲的白腐真菌，木质素降解酶系包括木素过氧化物酶、锰过氧化物酶等，为此，以能 降解木质素的微生物作为筛选降解煤的微生物基础。 1 9 8 7 年c o h e n 等人报道了真菌p o l y p o r u sv e r s i c o l o r 的培养液的滤液具有液化煤的活 性。这种活性与真菌培养的时间有关，且在滤液中检测到了蛋白，如用酸使蛋白变性则 液化煤的活性明显降低。这一结论为微生物降解煤是一种生物酶作用过程提供了强有力 的证据。同年p y n e 等人用离子交换树脂及凝胶过滤的方法，从c o r i o l u sv e r s i c o l o ，培养 物中分离并纯化了一种蛋白组分，这种组分对褐煤的降解既不是表面活性剂的作用，也 不是螯合剂的作用。6 0 。c j h 热3 0 m i n ，明显降低该组分降解煤的活性，据推测该组分具 有丁香醛连氮氧化酶活性，正是这种酶参与了液化煤的过程。p e n y 1 6 】等人又发现微生物 胞外酶降解煤的过程将改变煤的结构产生一些核化组分，这种胞外酶还具有一些漆酶的 特性，但添加商品漆酶并不能明显增加降解煤的能力。w o nr a c k 等人在1 9 8 9 年还发现 3 西安科技大学硕士学位论文 由真菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s p o r i u m 分泌的纤维素酶自将煤中高分子量聚合物降解成低分 子量物质。1 9 9 4 年h o n g l i 报道了p s e u d o m o n a s 具有分泌胞外酶来降解煤的能力。后来 还相继发现许多水解酶、氧化酶及还原酶都能降解部分褐煤，尤其是能氧化酚的酶具有 较强的降解煤的能力。另外，如放线菌中的s t r e p t o n v c e sv i r d o s p o r u s ，细菌中的 p s e u d o m o n a s 都能分泌的过氧化物酶具有很强的降解煤的活性。这些降解低降煤的木质 素降解酶系的优点在于：胞外酶解决了大分子物质穿过细胞壁和细胞膜进入胞内的困 难；底物专一性不太强，具有较高的氧化还原电位，可以氧化一系列的芳香族化合物； 可以利用一些具有反应活性、可扩散的小分子来扩大底物范围，这些小分子在酶和最终 还原剂之间起氧化还原介质的作用，从而解释了为什么大分子底物可以被酶的活性中心 氧化。 研究者提出的这些机理在溶煤过程中是单独作用还是联合作用，目前尚无定论。 r a l p h l l 2 - 1 4 】等在研究白腐菌对低阶煤的降解时认为，白腐真菌分泌的含锰和含锂过氧化 物酶使过程中生成了可碱溶的、又可用酸沉淀的煤转化产物。 h o f r i c h e h e r u j 等在研究木腐类担子菌对褐煤的降解过程后认为，降解过程包含有碱 溶、螯合剂作用及酶催化作用，但以螯合锰( m n 3 + ) 的过氧化酶的催化作用为主。实际上， 由于煤的生物降解过程是一个复杂的化学反应过程，菌种不同降解煤活性物不同；同一 菌种在不同的培养基中，对不同的煤样其分泌的降解煤活性物也可能不同。煤炭生物降 解产物分析及应用生物降解煤产物的分析，主要依据现代煤化学和生物学的分离技术和 分析手段进行有关产物组成、结构和性质分析的。它是煤生物降解产物的应用基础，也 是煤生物降解机理的研究基础。常用的分析手段及方法包括：工业分析、元素分析、红外 光谱、核磁共振波谱、质谱分析等，也有用紫外、气( 液) 相和凝胶色谱及凝胶电泳等方 法，其降解产物的研究内容包括产物组成、产物结构、溶解度、分子量、酸沉淀性质、 吸光度、蛋白质含量和发热量等，但结论各异。 ( 2 ) 碱作用机理 微生物在生长过程中产生碱性物质。例如氨、生物胺、多肽及其衍生物参与煤的液 化过程。1 9 8 7 年s t r a n d b e r g 1 5 j 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，成为一种黑色液体，这种物质具有热稳定性，而且能抗蛋白酶，其分子量较小。由 此推测这种活性物质不是生物酶。后来又发现液化煤的量随培养基的p h 值升高而增 大，培养基值升高程度与培养基中所含的多肽和多胺的量有关，当然不同微生物产生的 碱性物种类和数量并不相同，因而生物降解煤的能力也不同。1 9 8 9 年q u i g l e y t 5 】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。 ( 3 ) 螯合物作用机理 1 9 8 8 年q u i g l e y l 6 , 7 】等报道了褐煤中存在的c a 2 + 、f e 3 + 和a 1 3 + 价金属阳离子，能在羧 4 1 绪论 基等基团之间起桥梁作用，当脱除这些多价金属后，能使煤更多地溶于稀碱，并使生物 溶解力增强，而此时发生的氧化作用却很少。c o h e n i s 等用云芝降解煤的实验中发现煤 的降解程度与草酸盐有关，草酸盐能螯合煤中的多价金属离子，尤其是c a 2 + 、f e ”和 m 孑+ 等金属离子。其实验表明：褐煤的金属离子经螯合物作用后，煤的降解性得到了提 高，但螯合物仅能降解一部分褐煤【9 , 1 0 ；利用碱作用和螫合物作用机制降解煤不能使c c 键断裂，所以并不能使煤分子量真正降低。 1 1 5 微生物溶煤产物研究 微生物溶煤产物的分析是基于现代煤化学和生物学的分离技术和分析手段所进行 的有关产物组成、结构和性质的分析。它是溶煤产物的应用基础，也是溶煤机理的研究 基础。常规应用的是工业分析、元素分析、红外光谱、核磁共振波谱和质谱分析等，也 有应用荧光、紫外线、气( 液) 相和凝胶色谱及凝胶电泳等方法。 溶煤产物的许多性质被研究者所研究，其中包括产物组成、产物结构、溶解度、分 子量、酸沉淀性质、吸光度、蛋白质含量和发热量等。 ( 1 ) 溶煤产物元素组成研究 尽管由于煤种、菌种、微生物培养条件及溶煤方式上存在差异，但是各研究者得出 的元素变化趋势却是基本一致的。溶煤产物的h c 、n c 、o c 均明显高于原煤，含氮、 氧基团有明显增加。这表明，在生物溶煤过程中，有水中h 和o 的介入，即包含了氧 化水解过程【2 0 。另外，溶解产物中明显地富集了n 、s 、n a 和c 1 等元素【2 l 】。 ( 2 ) 溶煤产物分子量及组成研究 溶煤产物是很复杂的混合物，目前测定溶煤产物分子量常用：质谱法、蒸汽渗透法 和凝胶渗透法。测定的平均相对分子量，随测定方法而不同。由于菌种、煤样和培养基 的不同，研究表明溶煤产物分子量不一定比原煤样低，甚至增加了分子量【1 4 】。h o f r i c h t e 2 2 】 等研究发现有些菌种溶解煤炭表面结构时，产生了低分子量溶解物，而当菌种溶解煤炭 内部大分子时，溶解物的分子量比原煤样大。 对于溶煤产物的具体组成，这方面的研究结论较少，基本处于空白水平。h o f i - i c h t e r 2 3 1 等用真菌处理德国硬煤，然后用t i - i f 萃取溶煤产物，经过g c m s 分析，发现有2 羟 基联苯、烷基化苯、多环芳香烃和枝状烷烃。溶煤产物具体成份的分析，是微生物溶煤 产生新物质、利用新物质的基础，有待加强研究。 ( 3 ) 溶煤产物结构研究 对溶煤产物进行红外光谱分析，可以得到溶煤产物中的主要官能团，进而可以推断 溶煤产物的物理、化学性质。同时，和原煤样的红外光谱图对比，有助于研究微生物溶 煤机理。许多红外光谱数据表明：微生物溶煤产物中含氧官能团增多，而剩下没有被降 解的煤样中的含氧官能团数量下降，m a c h n i k o w s k a | 2 4 l 发现硝酸氧化的波兰褐煤和烟煤经 5 西安科技大学硕士学位论文 假单胞杆菌处理后，其在17 4 0 c m 、13 0 0 l0 0 0 c m 以和15 4 0 c m 1 的羟基，酚羟基和硝基 官能团特征吸收消失了。假单胞杆菌的溶煤产物在1 4 0 0 c m 。1 和3 5 0 0 3 1 0 0 c m 。1 有强的吸 收，表明产物中含有较多的羧酸盐和胺盐。韩威【2 5 】等研究表明，云芝对硝酸氧化的扎赉 诺尔褐煤处理后的红外谱图也有上述的特点。这表明微生物溶解过程种可能发生了酶促 进的氧化和氧化水解反应，导致了某些基团的增加和减少。 沉淀性及溶解性 ( 4 ) 溶煤产物分离技术 微生物溶煤产物是酸可沉淀的，其沉淀是可碱溶解的。研究表明，煤产物水溶液的 浓度越大，越易被无机酸沉淀。一般当p h 值小于2 时，绝大部分液化产物都能被沉淀 下来。微生物溶煤产物极易溶于水，较难溶于甲醇，明显不溶于吡啶。 萃取在溶煤产物分离中应用较多、效果也较好，萃取分离时，一般选用正己烷、四 氢呋喃作为溶剂，研究表明：一般随着溶剂极性逐渐增强，溶解性随之增大。 ( 5 ) 溶煤产物的应用 微生物溶煤产物在许多领域都有广阔的应用前景，用于工业、农业或医学领域。煤 的微生物溶解过程加强了褐煤原来就有的离子交换和吸附能力，因而可以将生物溶煤产 物开发为商业离子交换树脂。微生物液化煤过程释放出的低分子量化合物，带有很多含 氧官能团，是工业上有价值的化学品。 此外，研究者提出了各种可能的用途。如f a i s o n l 2 6 1 提出，被木质素真菌所溶解的煤 产物可望像聚合木质素那样在工业上用于抗氧剂、表面活性剂、树脂或粘合剂成分，特 别是作为商业离子交换树脂或吸附剂用：在农业上用作土壤调节剂，改善植物根的吸收 作用；在医学上作为免疫辅药等。并且指出，真菌作用于溶解煤而释放出低分子芳烃， 这些芳烃带有很多含氧官能团，是非常有工业价值的工业化学品。k l e i n 等【2 7 】建议，可 将煤的转化产物合成聚羟基烯烃类精细化学品。c a t c h e s i d e 等【2 s 】认为，目前微生物溶煤 技术在低变质煤分选、低变质煤的特殊低分子量有机物的转化以及制取新的液体燃料等 方面应用己成为可能。微生物溶煤产物也可再经厌氧菌作用而产生甲烷、甲醇、乙醇等 低分子量物质，可作为燃料使用。佟威【2 9 j 的研究表明，微生物溶煤产物还具有明显的刺 激蒜苗生长和降低水煤浆表观粘度的作用。武丽敏 3 0 】的研究表明，褐煤的微生物降解产 物施用于农作物时，同一菌种的降解液对不同作物的作用不同，不同菌种的降解液对同 一作物的作用也不同。并指出，褐煤的微生物降解产物能增加土壤的肥力和活性，对玉 米、小麦等农作物的生长有明显的促进作用。 人们一直希望用微生物降解煤来生成某些结构单一的、有较高经济价值的化学品。 由于煤本身结构的复杂性及煤微生物溶解产物的组成和结构的复杂性，要想直接得到结 构单一的化学品有一定的困难。但有报道把煤先气化再利用微生物间接转化成甲烷等单 一化学品。研究者就微生物溶煤产物曾提出了许多可能的用途，但目前溶煤液态产物只 6 1 绪论 在用作农作物生长促进剂方面取得了一定进展。鉴于煤的微生物转化成本及效率，开发 新的用途显得非常重要。 1 1 。6 微生物转化煤发展趋势及应用前景 ( 1 ) 高效降解菌种的选育及转化效率：目前在煤降解菌种的寻求上还未取得突破性进 展，尚未找到效果非常显著且适应广泛的廉价菌种。目前，所报道的菌种对煤的降解能 力有限，且菌种在生长过程中还需另外加入各种营养物，这使得煤生物转化成本提高， 成为制约煤的微生物转化技术工业化的瓶颈。所以高效降解菌种的选育有待于微生物工 作者和煤化工工作者共同努力。进一步提高微生物对煤的溶解速率和降解率。 ( 2 ) 降解产物的利用：转化中形成的含有羟基等含氧官能团低分子芳烃等有价值的转 化物应用的研究；开展煤溶解产物再经厌氧菌处理得到甲烷、甲醇和乙醇等洁净燃料的 研究。 我国有丰富的褐煤资源，但褐煤一般水分和灰分含量高、热值低、直接燃烧经济效 益较低，因此，寻找一条简便易行而经济效益又较好的途径来j 口- r 处理褐煤，使其转变 为清洁的燃料、原料以及一些有特殊价值的化学品是有待努力解决的问题。 褐煤中通常含有大量的木质素结构的物质，用降解木质素的微生物来溶( 降) 解褐煤， 就有可能从中得到一些有特殊价值的化学品。这些化学品是高度水溶性的，其芳香结构 上多含氧和含氮官能团，具有调节土壤性质、促进植物生长和稳定水煤浆的作用，以及 可用于作为免疫辅药和污水处理剂等。此外，褐煤的生物加工方法的明显优点是操作可 在常温、常压下进行，避免了传统煤加工方法的高温和高压过程，以及由此带来的诸多 不利。从长远来看，微生物加工可能是煤炭液化、气化乃至微生物采煤的新途径。 褐煤的微生物液化与利用研究开辟了一条实现能源良性的、可持续发展的新道路。 这在当前能源危机和环境保护问题日益紧迫的全球形式下，对维护全球的健康发展有着 重要的贡献和深远意义。褐煤的微生物液化利用研究目前虽然尚处于初期，有许多问题 期待解决，但与传统的工业转化方法相比，具有能耗低、转化条件温和、转化效率高、 转化产物的经济效益、应用价值高、设备要求简单等一系列优越性，而日益受到人们的 重视和关注，其研究正方兴未艾p 。 1 2 溶煤微生物研究现状分析一白腐真菌 1 2 1 白腐真菌生物学特征 白腐真菌属于丝状真菌，腐生在树木或木材上，是木腐真菌的一种。它可引起树木 的白腐病，使带褐色的木质素腐烂，从而使木材上留下白色海绵状的纤维素团块、白色 孔穴或斑纹。它是整个碳素循环的中心，是已知的唯一能在纯系培养中将木质素降为 7 西安科技大学硕士学位论文 c 0 2 和h 2 0 的一类微生物【3 2 j 。 白腐真菌分布很广，在分类学上，大多数属于担子菌纲，有1 0 0 0 多种。它的菌丝 体为多核，少有隔膜，无锁状联合。多核的分生孢子常为异核，担孢子却是同核体，存 在同宗配合和异宗配合两类交配系统【3 3 】。 白腐真菌的种类很多，其中典型的有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 ，中文名称为黄 孢原毛平革菌。 白腐真菌的培养特性为【3 4 j ： ( 1 ) 培养温度：除黄孢原毛平革菌培养温度为3 7 外，其它白腐真菌的培养一般在 3 0 。 ( 2 ) 培养p h 值：所有的白腐真菌适宜的培养p h 值为4 5 - 5 0 之间。 ( 3 ) 营养物质：除了葡萄糖等常规碳源外，白腐真菌还可以利用木质素、染料以及 t n t 等物质作为其独特的碳源。实际应用中，利用廉价的农业废物如玉米棒、锯屑等可 大量地培养白腐真菌。 ( 4 ) 分子氧含量：白腐真菌的脱色及降解活性依赖于高含氧环境。 ( 5 ) 抑制性物质：抑制白腐真菌脱色和降解的化学物质主要有硫脉、叠氮化钠、氰 化物等。 ( 6 ) 搅拌或者振动：一般认为白腐真菌在悬浮状态下培养时，若剧烈振动将严重抑 制木质素过氧化酶等的产生：但适当的搅拌和振动有利与物质之间的传递，从而促进其 脱色和降解效果。 ( 7 ) 培养时间：白腐真菌只有在次生代谢时( 培养3 , - - 4 d 以后) 才能产生较多的木质素 过氧化酶和锰过氧化酶等酶类，其中锰过氧化酶出现得比木质素过氧化酶要晚( 5 d 以 后) 【3 5 】。 1 2 2 白腐真菌降解机理 白腐真菌的降解活动只发生在次生代谢阶段，与降解过程有关的酶只有当一些主要 营养物，如氮、碳、硫限制时才形成。产生酶的这种营养限制称为木质素降解条件。 产生h 2 0 2 的氧化酶：细胞内葡萄糖氧化酶和细胞夕bz , - 醛氧化酶。它们在氧分子 参与下氧化相应底物而形成h 2 0 2 激活过氧化物酶，启动酶的催化循环。 需h 2 0 2 的过氧化物酶：木质素过氧化物酶( l i g n i np e r o x i d a s el i p 卜催化非酚类芳 香族底物，锰过氧化物酶( m a n g a n e s ep e r o x i d a s em n p ) 催化酚类、胺类及染料等 依赖m n 的氧化。均在细胞内合成，分泌到细胞外，以h 2 0 2 为最初氧化底物。漆酶、 还原酶、甲基化酶、蛋白酶及其他酶，共同组成白腐真菌降解系统主体。 过氧化物酶是反应启动者，先形成高度活性的自由基中间体，继而以链反应方式产 生许多不同自由基，促使底物氧化。这种自由基反应是高度非特异性和无立体选择性的， 8 1 绪论 致使菌与降解对象并非是酶与底物的一一对应关系，而是与一类乃至于多类底物的关 系。 细胞学定位表明：降解发生在细胞外。这种细胞外降解系统为巨大的，不可水解的、 异质的、结构复杂乃至有毒的污染物提供了一个更易被处置的调节环境。 所以从总体上看白腐真菌的降解机制是：依赖于一个主要由细胞产生分泌的酶系统 组成的细胞外降解体系，需氧并靠自身形成的h 2 0 2 激活，由酶触发启动一系列自由基 链反应，实现对底物无特异性的氧化降解。 ( 1 ) 依靠l i p 的直接氧化：图1 2 是包括l i p 在内的过氧化物酶催化循环。h 2 0 2 将l i p 氧化成有活性的酶中间复合物i ，将化学物r h 后( 如多环芳烃、氧化物、染料等) ，氧 化成自由基r 后，成为中间复合物i i ，它具有活性并与另一化学物分子反应，自身被还 原成原来状态的酶。直接氧化导致c c 键断裂、芳环开裂、苄基醇化、去甲基化、羟基 化、二聚化等等。 复 r r i - i 图1 2 过氧化物酶催化氧化循环 f i g 1 2c y c l eo fp e r o x i d a s ef o rc a t a l y t i c l i p 的间接氧化： 某些化学物( 如除草剂氨基三哇、一些有机酸) 不易被l i p 血红素所作用，在另一类 容易被l i p 直接氧化成自由基的化学物质的帮助下发生氧化。这一过程中，p , c h r y s o s p o r i u m 次生代谢中合成的黎芦醇( v e r a t r y la l c o h o l ，v a ) 充当电子调节者。复合物i 、i i 将v a 直接氧化成黎芦醇阳离子自由基v a 一，v a 叶和污染物间发生电子转移，致使间接 氧化【3 6 】。 ( 2 ) 依靠l i p 的还原 l i p 对一些己非常高度氧化的化学物质如c c h 也能降解，降解的第一步是先发生还 原。在还原过程中，真菌自身合成分泌的草酸为生理还原剂与电子供体，v a 作为电子 9 西安科技大学硕士学位论文 调节者，生成的梭酸根阴离子自由基如c 0 2 ，还原电势1 9 v ，作强还原剂，还原各种 化学物质如c c l 4 ( 电子受体) 。 ( 3 ) m l l p 催化的氧化反应 这一氧化机制类似于l i p 直接氧化，所不同的是m n p 表现出对m n 的绝对需要。 m n 2 + 是复合物i 和i i 的还原剂，形成的m n ”与有机酸螯合成高度氧化还原电位的螯合 物而脱离酶扩散开，使底物发生氧化。 ( 4 ) m n p 催化的还原反应 白腐真菌细胞内存在氢醌、纤维素二糖及纤维素二糖氢醌还原酶。在m n p 作 用下m n 2 + 转为m n 3 + 将氢醌氧化成对应的半醌自由基，它再作为还原剂将一些高度氧化 的物质在降解前先还原。氢醌还原酶参与为m n p 所催化的还原反应维持一定的氢醌库【3 7 】 ( 图1 3 ) 。 m 心+ h ：o ， 图1 3m n p 对细胞色素c 的还原机制 f i g 1 3r e d u c t i o nm e c h a n i s mo f m n p ( 5 ) 污染物的毒解作用 许多有机物之所以能抵御微生物降解是由于对降解它们的微生物具有毒性。如五氯 苯酚p c p 。这样的氯酚是生物的氧化磷酸化的强抑制剂，对微生物构成相当的毒害。白 腐真菌将氯酚降解为c 0 2 ，所涉及机制的第一步是解毒。 酚类化合物的甲基化 已知酚类物质甲基化是一种解毒机制，白腐真菌有使多种酚类发生甲基化的能力。 五氯苯酚、三氯苯酚被真菌矿化的第一步是甲基化，甲基化产物比原酚对应物毒性小， 且更易被l i p 氧化。 依赖质膜的还原 白腐真菌具有某种独立于l i p 和m l l p 的对d d t 、t n t 等高度氧化的有毒物的降解 1 0 1 绪论 机制。在真菌细胞的质膜上存在一种氧化还原系统，通过它形成跨膜质子梯度，继而产 生能还原物质的电动势【3 引。 1 3 研究意义及内容 1 3 1 研究意义 目前，国内外对于微生物液化的研究以腐酸酸、泥炭、褐煤、风化煤为原料，不同 液化对象存在不同的液化产物，自然利用途径会有一定差异。合理开发和利用陕北丰富 的低阶优质煤炭资源，是建设陕北能源重化工基地的重要组成部分，也是实现陕北区域 经济健康、快速可持续发展、保证国家能源战略安全和加强环境保护的必然要求。利用 微生物液化新技术对陕北低阶煤进行液化研究，是探索实现该区煤资源效益最大化、加 工多元化、利用精细化战略的新思路。 陕西省低阶烟煤，尤其是陕北侏罗纪不粘弱粘煤该方面研究至今未见报道。本论文 以其为对象进行了生物液化方面的尝试。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 通过不同浓度的硝酸预处理煤样，确定最佳的硝酸浓度来预处理煤样，通过工业 分析、元素分析和红外分析研究了预处理前后煤样的性能结构变化。 ( 2 ) 分别研究白腐真菌的p c 菌在固体和液体培养基上以及云芝菌对不同预处理方式煤 样的液化效果。 ( 3 ) 生物液化煤样，根据不同影响因素来进行正交试验，确定了p c 茵在液体培养基中 液化煤样的最佳工艺路线参数。 ( 4 ) 通过有机波谱分析和其它辅助手段，研究微生物液化后的残煤和产物性能与结构。 1 3 3 技术路线 用白腐真菌中p c 菌和云芝对陕北地区的低阶烟煤做了生物液化试验，其技术路线 如图1 4 所示。将陕北榆林地区的神木、店房台和石马洼原煤破碎、球磨至粒度为 o 0 7 4 m m 以下，并用工业分析、元素分析和红外分析对其进行结构表征。用不同硝酸浓 度预处理煤样，在对其进行结构性能表征。在液体和固体培养基中培养p c 菌和云芝， 并用菌种液化煤样，研究工艺参数，并对液化后的残煤和产物分离，并进行性能结构表 征。 西安科技大学硕士学位论文 图1 4 技术路线图 f i g 1 4r o u t eo ft e c h n o l o g y 1 2 2 实验 2 实验 2 1 主要原料和仪器设备 2 1 1 实验原料 菌种：白腐真菌的黄孢原毛平革菌( 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 ) 、云芝菌( c o r i o l u s v e r s i c o l o r ) 购自中科院微生物研究所，菌种于4 下冷藏保存。 煤样：选用陕北侏罗纪低阶烟煤，采自陕北榆林地区，在自然条件下风化5 年的横 山石马洼、店房台等地煤和神木地区煤。 2 1 2 实验试剂及所需器皿 表2 1 实验原料及生产厂家 t a b l e2 1r a wm a t e r i a l sa n dm a n u f a c t u r e r sf o re x p e r i m e n t s 实验器皿：漏斗、酒精灯、管、胶头滴管、试管、烧杯、培养皿、锥形瓶、容量瓶、 量筒、移液管、广泛p h 试纸、比色皿、电炉、吸耳球、接种环、棉塞、纱布、软管、 血球记数板等。 2 1 3 实验仪器设备 1 3 西安科技大学硕士学位论文 表2 2 实验仪器设备及生产厂家 t a b l e2 2t h ee q u i p m e n tf o re x p e r i m e n t s 仪器名称生产厂家 f 11 - ( j 1 0 0 型密封式化验制样粉碎机 s h b i 循环水式多用真空泵 d z f - 6 0 5 0 型真空干燥箱 s h z - a 水浴恒温振荡器 s w c j 1 f d 型单人单面净化工作台 s p x 15 0 b s i i 型生化培养箱 d l i 1 5 型高级台式封闭电炉 f t - i rs p e c t r u mg x 红外光谱 e l e m e n t a r yv a r i oe l 2 1 1 1 型元素分析仪 s a r l o r j u s 型电子天平 手提式压力蒸汽消毒器g m s x 2 8 0 l gg r a 2 0 7 3 f t j 冰箱 江西省南昌华南化验制样机厂 郑州长城科工贸有限责任公司 上海精宏实验室设备有限公司 上海浦东物理光学仪器厂 苏州净化设备有限公司 上海新苗医疗器械制造有限公司 天津市泰斯特仪器有限公司 p e r l d ne l m e r 公司 德国元素分析系统公司 上海精密科学仪器有限公司 北京市光明医疗仪器厂 韩国l g 公司 2 2 煤样的预处理 ( 1 ) 原煤的破碎及筛选：分别称取三种煤样各l k g ，将其分批投放入粉碎机中进行粉碎， 将粉碎后的煤用球磨机进行球磨，球磨时间为1 0 m i n 左右，然后筛选出粒度小于0 0 7 4 m m 的煤样，储存备用。对煤样进行工业分析、元素分析以及红外光谱分析。 ( 2 ) 煤样的硝酸预处理：采用三种不同浓度的硝酸对三种煤样进行预处理，处理时间 为2 h ，其处理方法为： 配制三种不同浓度的硝酸溶液，浓度分别为7 m o l l 、5 m o l l 和3 m o l l ； 分别称取煤样1 0 0 9 于烧杯中，用4 5 0