周 靜 劉向榮，2 趙順省，2 楊再文，2 代愛萍，2 盧 璇

(1.西安科技大學化學與化工學院，710054 西安；2.自然資源部煤炭資源勘察與綜合利用重點實驗室，710021 西安)

0 引 言

新疆煤炭儲量占全國煤炭預測儲量的40%，其中東疆地區(qū)褐煤資源最多，保有儲量100億t[1-2]。褐煤因水分高、揮發(fā)分高、熱值低、易風化自燃等缺點而被視為劣質(zhì)燃料[3]，目前主要用于發(fā)電、供熱及熱解轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化效率低，污染大，嚴重制約了褐煤資源的安全高效開發(fā)和利用[4-5]。因此，尋找一條綠色環(huán)保的褐煤利用途徑極為重要。而煤的微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，主要利用細菌、真菌和放線菌等微生物作用實現(xiàn)煤的液化和氣化，從而制取清潔燃料和高附加值化學品，轉(zhuǎn)化過程設(shè)備簡單、條件溫和、能耗低，是新疆褐煤高效清潔利用的潛在途徑[6-8]。

相比其他微生物，大部分細菌對煤的降解效果較好，降解產(chǎn)物易分離[9]。目前降解煤的細菌主要從礦井水中分離、從能降解木質(zhì)素的細菌和能降解原油烴的細菌中選取[10-11]。ROMANOWSKA et al[12]曾成功從原油烴降解細菌中篩選出兩株能夠降解褐煤的菌株，降解效果良好。

因此，本實驗選擇兩種降解原油的細菌冷湖游動微菌和格爾木馬賽菌對新疆大南湖褐煤進行降解，探究了培養(yǎng)方式、煤樣粒度、接種量、煤漿質(zhì)量濃度和降解時間對細菌降解大南湖煤的影響，進一步通過正交實驗確定最優(yōu)工藝條件，最后利用紅外光譜、熱重和N2吸附對固相降解產(chǎn)物進行分析，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用對液相降解產(chǎn)物進行分析，以此探討褐煤的微生物降解過程和產(chǎn)物組成，并對細菌降解褐煤的機理進行推測，為利用微生物清潔轉(zhuǎn)化褐煤提供基礎(chǔ)信息。

1 實驗部分

1.1 煤樣及預處理

實驗所用煤樣為新疆大南湖褐煤，煤樣經(jīng)破碎、研磨，并篩分為<0.075 mm，0.075 mm～0.125 mm，0.125 mm～0.250 mm，0.25 mm～0.50 mm和0.50 mm～0.63 mm 5種粒徑。利用8 mol/L的硝酸溶液浸泡上述煤樣24 h后，用蒸餾水進行洗滌、過濾，直至中性，干燥，分裝備用。

1.2 菌種

實驗所用兩種細菌為冷湖游動微菌(Planomicrobiumlenghuensis)和格爾木馬賽菌(Massiliagolmudensis)，均購買于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心(CICC)，其編號分別為CICC 24462和CICC 24458。兩種細菌嚴格按照供貨方所提供的方法進行培養(yǎng)，經(jīng)過4代培養(yǎng)，用于后續(xù)實驗。

1.3 培養(yǎng)基

實驗所用冷湖游動微菌和格爾木馬賽菌的培養(yǎng)基為LB培養(yǎng)基(由供貨商提供配方)，組成見表1。將配制的培養(yǎng)基用立式壓力蒸汽滅菌鍋(BL-50A)在105Pa的壓力下滅菌15 min，備用。

表1 LB培養(yǎng)基的成分Table 1 Composition of LB culture media

1.4 菌種的培養(yǎng)

取斜面活化好的菌種，接種于300 mL液體培養(yǎng)基中，在溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為160 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，選取對數(shù)生長期的擴大培養(yǎng)液用于褐煤的降解實驗。

1.5 微生物降解實驗

1.5.1 單因素實驗

單因素實驗設(shè)計見表2。將0.3 g粒度為0.075 mm～0.125 mm的煤樣和50 mL液體培養(yǎng)基置于150 mL的錐形瓶中，放入滅菌鍋，高壓滅菌15 min，待培養(yǎng)基冷卻到室溫時，加入15 mL菌液，然后將錐形瓶放入溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為160 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱(搖床培養(yǎng))或溫度為30 ℃的恒溫生化培養(yǎng)箱(靜置培養(yǎng))中進行培養(yǎng)[13]，實驗結(jié)束后，離心(10 000 r/min，20 min)，分離得到未降解的固相產(chǎn)物(剩煤)和液相產(chǎn)物。用蒸餾水對剩煤進行洗滌，直至剩煤中無菌體殘留，烘干，備用。相同培養(yǎng)條件下，分別改變培養(yǎng)方式、煤樣粒度、接種量、煤漿質(zhì)量濃度和降解時間，研究各因素對微生物降解褐煤效果的影響。

表2 單因素實驗設(shè)計Table 2 Design of single factor experiment

1.5.2 正交實驗

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，利用Minitab軟件設(shè)計L16(44)正交設(shè)計表，對兩種細菌降解褐煤的工藝條件進行正交設(shè)計。選取煤樣粒度(A)、接種量(B)、煤漿質(zhì)量濃度(C)和降解時間(D)4個因素，各因素又分為4個水平，不考慮各個因素之間的交互作用，培養(yǎng)方式為搖床培養(yǎng)。正交實驗因素及水平見表3。

表3 兩種細菌降解氧化煤的正交實驗因素及水平Table 3 Orthogonal test factors and levels of oxidized coal biodegraded by two kinds of bacteria

1.6 降解率的測定和計算

褐煤降解實驗結(jié)束后，離心(10 000 r/min，20 min)，收集固相產(chǎn)物(剩煤)和液相產(chǎn)物。液相產(chǎn)物經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾，稀釋30倍，以蒸餾水為參比，測定450 nm處的吸光度(λ450)，λ450值越大，表明降解效果越好；同時用蒸餾水對剩煤進行洗滌，直至剩煤中無菌體殘留，烘干稱重，利用公式(1)計算降解率η[14]：

η=(m0-m)/m0×100%

(1)

式中：m0為起始加入煤的質(zhì)量，g；m為降解實驗結(jié)束后剩煤的質(zhì)量，g。

1.7 降解產(chǎn)物的分析與表征

利用紅外光譜、熱重和N2吸附對原煤、氧化煤和固相產(chǎn)物(剩煤)進行分析與表征，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用對液相產(chǎn)物進行分析與表征。

固相產(chǎn)物：將剩煤與溴化鉀以1∶200(質(zhì)量比)混合研磨至細粉，制成薄片，在4 000 cm-1～500 cm-1范圍內(nèi)，分辨率為4 cm-1，用美國Thermo Scientific傅立葉變換紅外光譜儀進行掃描。采用SETARAM Labsys Evo型熱重分析儀對剩煤進行熱重分析，溫度范圍為30 ℃～800 ℃，保護氣為氮氣，升溫速率為15 ℃/min。采用Micromeritics ASAP 2020型物理吸附分析儀對剩煤進行氮氣吸附分析。原煤和氧化煤的分析方法與剩煤相同。

液相產(chǎn)物：將除菌過濾器過濾后的液相產(chǎn)物依次用二氯甲烷、甲苯、乙酸乙酯萃取，液相產(chǎn)物與有機溶劑的萃取體積比為1∶2，萃取液利用島津GC-MS QP2010 Plus型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進行分析，流動相為甲醇，氣氛為氦氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析

原煤、氧化煤及剩煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表4。由表4可知，褐煤水分較高，碳含量偏低，屬低變質(zhì)程度煤。原煤經(jīng)硝酸處理后，碳含量降低，氧和氮含量升高，這可能是因為硝酸氧化了褐煤，破壞了煤的分子結(jié)構(gòu)，同時硝酸中的氮向煤中轉(zhuǎn)移，造成氮含量升高[15]。氧化煤經(jīng)細菌作用后，氧和氮含量升高，說明這兩種細菌對氧化煤有一定的降解能力，能將氧化煤分子中的化學鍵斷裂生成小分子物質(zhì)，同時降解過程可能伴隨著氧化作用[16]。

表4 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Table 4 Proximate and ultimate analyses of coal samples

2.2 單因素實驗結(jié)果

2.2.1 培養(yǎng)方式對氧化煤降解效果的影響

搖床培養(yǎng)和靜置培養(yǎng)兩種培養(yǎng)方式對兩種細菌降解氧化煤效果的影響如圖1所示。由圖1可知，培養(yǎng)方式對兩種細菌降解氧化煤的影響顯著，兩種細菌搖床培養(yǎng)的降解效果均明顯高于相對應的靜置培養(yǎng)的降解效果。這可能是因為：第一，兩種細菌都屬于好氧菌，搖床培養(yǎng)使培養(yǎng)基形成渦流，延長氣體在培養(yǎng)基中的停留時間，增加培養(yǎng)基的溶氧率，有利于細菌的生長繁殖；第二，靜置培養(yǎng)使大部分煤樣沉到錐形瓶底部，不能與菌株產(chǎn)生的活性物質(zhì)充分接觸，而搖床培養(yǎng)能夠使氧化煤與菌株產(chǎn)生的活性物質(zhì)充分接觸，更有利于降解[17]。

圖1 培養(yǎng)方式對氧化煤降解效果的影響Fig.1 Effects of culture modes on oxidized coal biodegradation

2.2.2 煤樣粒度對氧化煤降解效果的影響

煤樣粒度對兩種細菌降解氧化煤效果的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著煤樣粒度的減小，λ450值逐漸增大，但當煤樣小于0.075 mm時，λ450值變小。這可能是因為煤樣的粒度越小，比表面積越大，微生物釋放的活性物質(zhì)和煤樣的接觸概率就越高，降解效果也就越好；但當煤樣粒度過小時，小粒徑煤樣容易團聚在一起，影響細菌與煤樣的充分接觸，從而影響降解效果[18]。

圖2 煤樣粒度對氧化煤降解效果的影響Fig.2 Effects of coal particle size on oxidized coal biodegradation

2.2.3 接種量對氧化煤降解效果的影響

接種量對兩種細菌降解氧化煤的影響如圖3所示。由圖3可知，冷湖游動微菌降解液相產(chǎn)物的λ450值隨著接種量的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，接種量為20 mL/50 mL培養(yǎng)基時，λ450值最大，降解效果最好。這可能是因為接種量較低時，煤漿環(huán)境對細菌生長有抑制作用；隨著接種量的增加，抑制作用減弱；當接種量超過一定數(shù)值后，有限的營養(yǎng)物質(zhì)導致了細菌之間的競爭和抑制，從而影響降解效果[19]。接種量對兩種細菌降解氧化煤的影響不同，格爾木馬賽菌降解液相產(chǎn)物的λ450值隨著菌液量的增加而不斷地減小，接種量為1 mL/50 mL培養(yǎng)基時，λ450值最大，降解效果最好，這可能是因為不同細菌的生長繁殖能力不同[20]。

圖3 接種量對氧化煤降解效果的影響Fig.3 Effects of inoculum amount on oxidized coal biodegradation

2.2.4 煤漿質(zhì)量濃度對氧化煤降解效果的影響

煤漿質(zhì)量濃度對兩種細菌降解氧化煤的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著煤漿質(zhì)量濃度增大，兩種細菌降解液相產(chǎn)物的λ450值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，兩種細菌降解氧化煤的最優(yōu)煤漿質(zhì)量濃度都是0.5 g/50 mL培養(yǎng)基。這可能是因為煤漿質(zhì)量濃度較低時氧化煤中可被利用的碳源有限，過少的碳源不能提供充足的能源物質(zhì)；煤漿質(zhì)量濃度過大時，導致細胞損傷，抑制菌株生長[21]。

圖4 煤漿質(zhì)量濃度對氧化煤降解效果的影響Fig.4 Effects of coal slurry mass concentration on oxidized coal biodegradation

2.2.5 降解時間對氧化煤降解效果的影響

降解時間對兩種細菌降解氧化煤的影響如圖5所示。由圖5可知，兩種細菌在接種后就開始快速降解氧化煤，吸光度λ450值隨降解時間的增加而快速增大，第12天后A450值隨降解時間變化不大。可能是因為當降解時間在12 d以后，培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分幾乎被細菌消耗殆盡，活菌數(shù)量減少[22]，說明兩種細菌對氧化煤的最優(yōu)降解時間是12 d。同時觀察到兩種細菌在相同時間內(nèi)的降解效果不同，這可能是因為不同細菌對環(huán)境的適應能力不同，分泌活性物質(zhì)的量和時間也不相同[23]。

圖5 降解時間對氧化煤降解效果的影響Fig.5 Effects of degradation time on oxidized coal biodegradation

2.3 正交實驗結(jié)果

兩種細菌降解氧化煤的正交實驗結(jié)果如表5所示，實驗的均值響應如表6所示。由表6可知，在選定的實驗條件區(qū)間，各因素對兩種細菌降解氧化煤影響的主次順序依次為A，C，D，B，即煤樣粒度、煤漿質(zhì)量濃度、降解時間、接種量。從方差分析(見表7)中也可以看出，煤樣粒度在兩種細菌對氧化煤降解過程中產(chǎn)生了顯著性影響。冷湖游動微菌降解氧化煤的主效應見圖6。由圖6可知，冷湖游動微菌降解氧化煤的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B1C2D3，即煤樣粒度0.075 mm～0.125 mm、接種量15 mL/50 mL培養(yǎng)基、煤漿質(zhì)量濃度0.5 g/50 mL培養(yǎng)基、降解時間14 d，此條件下最大降解率為51%。

圖6 冷湖游動微菌降解氧化煤的主效應Fig.6 Main effects of oxidized coal biodegraded by P.lenghuensis

表5 兩種細菌降解氧化煤的正交實驗結(jié)果Table 5 Orthogonal test results of oxidized coal biodegraded by two kinds of bacteria

表6 兩種細菌降解氧化煤的均值響應Table 6 Mean response of oxidized coal biodegraded by two kinds of baceria

表7 兩種細菌降解氧化煤的方差分析Table 7 Variance analysis of oxidized coal biodegraded by two kinds of bacteria

格爾木馬賽菌降解氧化煤的主效應見圖7。由圖7可知，格爾木馬賽菌降解氧化煤的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B2C1D4，即煤樣粒度0.075 mm～0.125 mm、接種量2 mL/50 mL培養(yǎng)基、煤漿質(zhì)量濃度0.4 g/50 mL、降解時間16 d，此條件下最大降解率為59%。

圖7 格爾木馬賽菌降解氧化煤的主效應Fig.7 Main effects of oxidized coal biodegraded by M.golmudensis

2.4 紅外光譜分析

圖8 原煤和氧化煤及剩煤的紅外光譜Fig.8 FTIR spectra of raw coal, oxidized coal and residual coals

2.5 熱重分析

原煤、氧化煤及兩種細菌降解后剩煤的TG-DTG曲線如圖9所示，熱失重特征參數(shù)如表8所示。由圖9和表8可以看出，各煤樣具有相同的熱失重趨勢，大致可分為3個熱失重階段：干燥脫氣階段、活潑分解階段和二次脫氣階段。

表8 煤樣熱失重特征參數(shù)Table 8 Pyrolysis characteristic parameters of coal samples

與原煤相比，其他煤樣經(jīng)硝酸氧化后，第一階段熱失重率低于原煤熱失重率，第三階段熱失重率高于原煤熱失重率，總失重率高于原煤總失重率。這可能是因為第一階段溫度較低，煤熱解主要是吸附水和吸附氣體的脫除，硝酸處理降低了煤的含水量；第三階段煤熱解溫度較高，在第二階段反應的基礎(chǔ)上發(fā)生半焦的二次熱解，揮發(fā)分大量析出，硝酸處理增大了煤的平均孔徑，有利于揮發(fā)分的釋放[26]。氧化煤三個熱失重階段的最大熱失重速率對應的溫度tP1，tP2，tP3皆降低，說明經(jīng)硝酸氧化后的煤樣反應活化能降低，受熱更容易分解，熱穩(wěn)定性降低[27]。

較氧化煤而言，煤樣經(jīng)細菌降解后，第一階段的溫度區(qū)間明顯延長，第二和第三階段向高溫方向移動，三個熱失重階段的最大失重速率所對應的溫度皆升高，冷湖游動微菌降解后的剩煤總失重率與氧化煤相近，格爾木馬賽菌降解后的剩煤總失重率高于氧化煤，兩種細菌降解后的剩煤最大失重速率所對應的溫度tP1，tP2，tP3均升高，說明氧化煤分子結(jié)構(gòu)中脂肪族側(cè)鏈或芳香族側(cè)鏈等較弱的部分被細菌降解了，煤樣的穩(wěn)定性得到提高。

2.6 N2吸附分析

原煤、氧化煤和兩種細菌降解后剩煤的N2吸附-脫附等溫線見圖10。由圖10可知，四條曲線較為相似，曲線的前半段在相對壓力小于0.9時幾乎不上升，而曲線的后半段在相對壓力大于0.9時急劇上升且相對幅度較大，吸附線和脫附線重合度很高，沒有出現(xiàn)滯后環(huán)，表明4種煤樣的吸附-脫附曲線均屬于BET分類方案中Ⅰ型曲線[28]，煤內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)多為一端封閉的尖劈形和圓筒形的小孔和微孔[29]。在相同壓力下，N2吸附體積由大到小的煤樣依次為原煤、格爾木馬賽菌降解后剩煤、氧化煤、冷湖游動微菌降解后剩煤，原煤經(jīng)硝酸氧化后N2吸附體積急劇下降，說明硝酸改性使煤樣中孔徑處于中孔范圍內(nèi)的開放性孔結(jié)構(gòu)大量坍塌，使煤樣中吸附孔數(shù)量大量減少，不同微生物對煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響不同[30]。

圖10 各煤樣的N2吸附-脫附等溫線Fig.10 Adsorption/desorption isotherms of N2 for coal samples

原煤、氧化煤和兩種細菌降解后剩煤的累積比表面積、累積孔容與孔徑分布關(guān)系如圖11所示。由圖11可知，隨著孔徑變小，4種煤樣的累積比表面積和累積孔容增大，處理煤樣的累積比表面積及累積孔容較原煤的差值也逐漸增大，其中硝酸氧化使煤樣累積比表面積和累積孔容變化最大[31]。

圖11 原煤和氧化煤及剩煤的累積比表面積、累積孔容與孔徑分布關(guān)系Fig.11 Retalionship between cumulative pore area, cumulative pore volume and pore width distribution of raw coal, oxidized coal and residual coals

原煤、氧化煤和兩種細菌降解后剩煤的孔結(jié)構(gòu)分析見表9。由表9可以看出，硝酸預處理導致煤樣的比表面積、微孔比表面積、累積孔容、微孔容顯著降低，氧化煤經(jīng)微生物作用后，煤樣的比表面積、微孔比表面積、微孔容顯著升高，硝酸氧化和微生物降解均使煤樣平均孔徑增大。這與上述孔徑分析結(jié)果一致，表明硝酸預處理和微生物作用可以破壞煤的孔隙結(jié)構(gòu)，導致煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的坍塌[32]。

表9 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 9 Pore structure parameters of coal samples

2.7 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析

兩種細菌降解氧化煤液相產(chǎn)物總離子流色譜如圖12和圖13所示，液相產(chǎn)物中化合物的組成如表10所示。由圖12和表10可知，用三種有機溶劑分別萃取冷湖游動微菌降解液相產(chǎn)物，在二氯甲烷萃取產(chǎn)物中檢測到24種化合物，主要為烷烴類物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在70～302之間；甲苯萃取產(chǎn)物檢測到22種化合物，主要為烷烴類和芳香烴類物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在106～282之間；乙酸乙酯萃取產(chǎn)物檢測到37種化合物，主要為酯類和烷烴類物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在40～399之間。由圖13和表10可知，用三種有機溶劑分別萃取格爾木馬賽菌降解液相產(chǎn)物，二氯甲烷萃取產(chǎn)物中檢測到29種化合物，主要為烷烴類物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在40～408之間；甲苯萃取產(chǎn)物中檢測到18種化合物，主要為烷烴類和芳香烴類物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在106～320之間；乙酸乙酯萃取產(chǎn)物中檢測到32種化合物，主要為酯類、烷烴類和芳香烴類物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在40～306之間。因此，兩種細菌降解液相產(chǎn)物中的化合物組成相似，含量上有所差異，降解液相產(chǎn)物中主要含有烷烴類、芳香烴類、酯類等小分子物質(zhì)，同時含有少量醛酮類、醇類、醚類、酚類、羧酸類和胺類等小分子物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在40～408之間。

圖12 冷湖游動微菌降解氧化煤液相產(chǎn)物的總離子流色譜Fig.12 Total ion chromatograms of liquid products of oxidized coal biodegradation by P.lenghuensis

表10 兩種細菌降解氧化煤的液相產(chǎn)物中化合物的組成Table 10 Compositions of compounds in the liquid products of oxidized coal biodegraded by two kinds of bacteria

圖13 格爾木馬賽菌降解氧化煤液相產(chǎn)物的總離子流色譜Fig.13 Total ion chromatograms of liquid products of oxidized coal biodegradation by M.golmudensis

2.8 微生物降解褐煤的機理分析

圖14 格爾木馬賽菌降解新疆大南湖褐煤的機理Fig.14 Schematic mechanism of Xinjiang Dananhu lignite biodegraded by M.golmudensis

3 結(jié) 論

1) 通過單因素和正交實驗，獲得了兩種細菌降解新疆大南湖褐煤的最優(yōu)工藝條件。冷湖游動微菌降解的最優(yōu)工藝條件：搖床培養(yǎng)，煤樣粒度為0.075 mm～0.125 mm，接種量為15 mL/50 mL培養(yǎng)基，煤漿質(zhì)量濃度為0.5 g/50 mL培養(yǎng)基，降解時間為14 d，此條件下降解率最高為51%。格爾木馬賽菌降解的最優(yōu)工藝條件：搖床培養(yǎng)，煤樣粒度為0.075 mm～0.125 mm，接種量為2 mL/50 mL培養(yǎng)基，煤漿質(zhì)量濃度為0.4 g/50 mL培養(yǎng)基，降解時間為16 d，此條件下降解率最高為59%。

2) 在達到相似降解率的條件下，格爾木馬賽菌接種量較小，煤漿質(zhì)量濃度較低，是降解新疆大南湖褐煤的優(yōu)勢菌。

3) 各因素對兩種細菌降解效果的影響由大到小順序均為：煤樣粒度、煤漿質(zhì)量濃度、降解時間、接種量，煤樣粒度影響最為顯著。

5) 兩種細菌降解新疆大南湖褐煤的液相產(chǎn)物中的化合物組成相似，主要含有烷烴類、芳香烴類、酯類等小分子物質(zhì)，相對分子質(zhì)量在40～408之間。

6) 本研究基于優(yōu)勢菌格爾木馬賽菌降解褐煤的固液相產(chǎn)物分析，推測出格爾木馬賽菌降解新疆大南湖褐煤是多種機理共同作用的結(jié)果。