低阶煤生物转化进展

简述：褐煤处于煤化作用的初级阶段，是远古植物残体未经高温高压的成岩作用而产生的黑褐色有机矿物质，因此其机构疏松，孔隙结构复杂，含氧官能团多，水分高，发热量低，易于自燃，其次灰分也较高，这些特点严重的制约了褐煤的开发利用。然而正是由于褐煤处于煤化作用的初级阶段，使得褐煤仍然保留有植物组织的部分特征，宏观方面，结构疏松，孔隙发达等；微观方面，分子结构聚合度低、支链发达、含氧官能团多，氢含量高。褐煤分子结构不存在植物组织中木质素的结构单体（三种芳香单体），而是由结构各异的带有支链的芳香结构通过脂肪链、脂肪环、二硫键等相连，但其分子组成与木质素类似，都含有大量芳香酸、酚类结构，褐煤中的这类结构复杂多样的物质统称为腐殖酸。腐殖酸的存在为能够降解木质素的微生物（某些真菌、放线菌和细菌）转化褐煤（分解、液化和气化）提供了理论基础，科研工作者致力于利用生物的方法使煤炭转变为清洁燃料、化工原料以及一些有特殊价值的化学品，形成了煤加工利用新的研究方向，因而选育煤炭的高效降解菌种、制定最优的预处理工艺就成为其重点。一、中国煤的生物转化实验研究张明旭，徐敬尧实验目的：通过对球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌的紫外诱导，获得高效的褐煤降解菌株突变株，并对突变株的褐煤降解能力、降解后褐煤的结构进行检测，分析降解前后煤样分子结构的变化。实验步骤：1、褐煤的预处理：用浓度为5N的硝酸浸泡煤样二天，用旋片式真空泵过滤，用蒸馏水清洗，直至滤液pH值接近7为止，烘干、消毒，并检测原煤样和酸洗后煤样水分、灰分、挥发分和硫分。2、菌种及菌悬液制备：菌种：球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌；菌悬液制备：选取部分培养l天的液体培养的球红假单胞菌进行稀释至106／mL，均匀涂布于无菌固体培养基平皿的表面，以备辐射诱变处理后计算致死率对比时用，再制备若干实验用平板以供诱变实验使用。取28℃培养5d的试管斜面黄孢原毛平革菌，加10mL生理盐水，用灭菌的接种环刮下孢子，置于盛有玻璃珠的三角瓶中，28℃、200r／min充分振荡5h，以打开孢子团，使孢子充分分散和活化，诱变处理时将孢子浓度稀释至106／mL，即为单菌落悬浮液3、紫外诱导：将紫外灯(30W)打开，预热20min，取5mL菌液放在直径为9cm的无菌培养皿中，将培养皿置旋转嘲盘(33r／rain)上，并使其距离紫外灯30cm处。对球红假单胞菌处理时间梯度为：10s，20s，30s，40s，60s．对黄孢原毛平革菌处理时间梯度为：20s，40s，80s，120s，160s，200s，250s，300s。紫外照射后，暗修复2h，以免引起细菌的光修复。4、初筛复筛：对紫外诱导后的菌悬液进行涂布培养，平板上透明圈直径和菌落直径的挑取比值大的菌株进行褐煤降解实验。5、褐煤降解：在若干个250ml锥形瓶中均加入100ml液体培养基，并高压灭菌，在加入一定量的煤样置于恒温振荡培养箱中，振荡1h后置1d，调整pH值在7．0左右，然后加入培养24h的黄孢原毛平革菌和球红假单胞菌菌液10mL／100mL；于28℃、150r／min下恒温振荡培养若10d，过滤、离心。对离心的上清液加酸(碱)出现絮状沉淀，过滤，沉淀物在70C烘干，称重，计算煤的转化降解率。6、褐煤降解率：×=%100M-010MMηM0—加入的煤样质量（g）；M1—煤降解后的残煤质量（g）；η—煤降解率(%)7、分别对残液酸沉淀物、残液碱沉淀物、残煤以及氧化褐煤进行FTIR检测，分析并对照集中物质的大分子结构骨架参数，比较之间的差异。实验结果：1、紫外诱导后，黄孢原毛平革菌对义马原褐煤的降解率从31．84％提高到37．6％，硝酸处理义马褐煤的降解率从32．55％提高到51．62％；球红假单胞菌对义马原褐煤的降解率从7．82％提高到38．32％，硝酸处理义马褐煤的降解率从21．23％提高到41．31％。2、煤微生物转化产物进行了FTIR分析，结果表明微生物转化后的水溶性物质也是一种复杂的混合物，其芳香聚合度、分子量有很大程度的降低，官能团含量发生了变化，其中酚羟类、羟基类、羰基类物质有所增加。二、云芝对光氧化预处理神府煤的生物转化王永娟，李慧实验目的：以云芝为实验菌种，神府煤为煤样，考察光氧化预处理对煤生物降解的影响，并对残煤以及残液的元素、结构进行检测，分析元素以及结构变化。实验步骤：1、煤样制备与预处理：煤样破碎后在球磨机中球磨1h，得到粒度D9011um的试验煤样．将试验煤样经95％酒精灭菌后，于105℃真空干燥2h后备用。在自制的光氧化装置上，将真空干燥好的神府超细煤样(YM)于60℃，氧气流量30mL／min，紫外灯管功率160W的条件下氧化处理26h．光催化氧化结束后，将光氧化煤样(GYM)保存在样品瓶中备用．氧气及氨气混合气氛(氧气流量为30mL／min，氨气流量为15mL／min)下的光氧化实验方法与单纯氧气氛下的实验方法和氧化条件相同．反应结束后，将氧气氨气氧化煤样(GAM)密封避光保存在样品瓶中备用。2、煤样的生物转化：在250mL锥形瓶中加入50mL液体改良的Krik培养基和1．000g已处理过的煤粉后，放入温度为28℃转速为150r／min的电热恒温摇床中进行微生物转化20d后取出，在高速离心机上于3000r／min下离心分离，所得残煤在80℃下干燥至恒重，放在干燥器中备用．3、煤样降解率：%100M-M-η0210×=MM）（M0—加入的煤样质量（g）；M1—煤降解后的残煤和菌丝体质量（g）；M2—菌丝体质量(g)；η—煤降解率(%)4、结构检测：对原煤、各氧化褐煤以及各残煤分别进行元素分析、FTIR分析，对各残液进行紫外分析，对照各图谱之间的差异，分析煤样分子结构以及元素上的变化。实验结果：1、云芝对光氧化煤的转化率为23.13%，光氧化氨化煤的转化率为23.64%，原煤生物转化率为14.97%，表明催化氧气氧化和光催化氨一氧气氧化预处理，可进一步促进神府煤的生物转化，并且催化氨一氧气氧化预处理对神府煤的生物转化的促进作用优于光催化氧气氧化预处理。2、元素分析、FTIR以及紫外检测，表明生物转化，煤中氧元素含量明显提高，氢元素含量有所提高，碳含量降低，催化氧化预处理使神府煤生物转化固相产物中氧元素含量和腐植酸产率明显提高，生物氧化主要发生在煤大分子的脂肪官能团上．光催化氧化的气氛对液相产物含量和组成有明显影响，氨和氧混合气氛条件的光催化氧化有利于液相产物的生成。三、新疆低阶煤微生物转化菌种的选育及转化能力测定冯晓宵，杨红梅实验目的：从新疆不同地域采集煤样和煤水样，分离纯化获得纯种菌种，建立微生物菌库，以硝酸氧化褐煤煤样，摇床培养各菌株，以低阶煤降解率为标准，筛选出适合降解新疆低阶煤的菌种。实验步骤：1、煤样：将采自鄯善沙尔湖煤矿的褐煤，研磨至0.074mm以下，并与30%硝酸以1:50的质量比混合，浸泡48h后，用去离子水冲洗至pH值接近7，滤液接近无色为止。2、菌种分离纯化：将采集的煤样及煤水样进行梯度稀释，分别取200uL均匀涂布在培养基表面，然后放置于生化培养箱中25℃培养3~7天。挑取培养基表面菌株反复划线，直至获得纯菌株将获得的纯菌株。3、菌株筛选：对分离纯化得到的菌株进行初步筛选，接种到固体培养基上。待菌株长满整个培养基后，将硝酸处理过的煤粉，均匀且薄薄地撒在菌体表面，观察培养基是否被染成黑色或棕黄色，或者煤样颗粒是否变成无色透明或黑色的小液滴。4、褐煤降解实验：于500mL锥形瓶，分别加入150mL的培养基，高压灭菌，接种相应菌种后分别加入消毒后的煤样5g，28℃、150r/min恒温培养21d，测褐煤降解率：×=%100M-010MMηM0—加入的煤样质量（g）；M1—煤降解后的残煤质量（g）；η—煤降解率(%)实验结果：1、从煤样和煤水样中共分离的1099株菌株，其中细菌数量最多，达到934株，占84.99%;其次是真菌，达到129株，占11.74%;放线菌数量最少，只有36株，占3.27%。2、通过固体培养基筛选实验，结果得到6株可将煤样颗粒转化成黑色小液滴的菌种，疑似具有褐煤降解能力。其编号分别为4、8、70、98、123和201，其中真菌3株，放线菌2株，细菌1株。3、对6株菌株分别进行液体培养基溶煤实验，其中70号、98号和123号菌株溶煤能力较弱，发酵液加酸后产生极少絮状沉淀。4号、8号和201号菌株表现出较强的溶煤能力，加酸后产生大量絮状沉淀。4、4、其中4号、8号和201号的pH值有所提高，证明碱溶机理。四、硝酸预处理榆林煤的微生物液化技术研究陈宏贵,杜美利实验目的：首先以不同浓度的硝酸预处理风化石马洼、店房台和神木褐煤，对氧化前后的煤样均进行工业分析、元素分析和红外分析，探讨煤样预处理前后的变化；对各氧化煤样分别进行生物液化降解实验，比较各煤样的降解率；寻找预处理对褐煤生物降解的影响原理。实验步骤：1、煤样制备：将采自自然条件下风化4～5年的石马洼、店房台和神木地区的煤样破碎至0.074mm以下，并以浓度分别为3mol/L、5mol/L、7mol/L的硝酸预处理2h，真空过滤，用去离子水清洗至中性，70℃干燥24h后，冷却消毒备用。2、对三种褐煤原煤以及不同浓度预处理后的三种褐煤，共12个煤样，分别进行工业分析、元素分析和红外分析，探讨煤样预处理前后的变化。3、菌种培养：在250mL锥形瓶中加入40mL液体培养基,于温度121℃,压力0.15MPa条件下,湿热灭菌30min,将白腐真菌接种于液体培养液中,放入恒温水浴振荡器中以32℃进行摇瓶培养。4、白腐真菌在液体培养基中培养3天后,将预处理好的煤样加入,32℃振荡器中培养7天。对锥形瓶内物质进行过滤、离心,在煤渣中挑出菌丝,干燥,称重，计算煤样转化率。实验结果：1、煤样经过不同浓度的硝酸预处理后,煤样的挥发分、水分和灰分都有明显降低。随硝酸浓度降低,煤的挥发分、水分和灰分随之降低。2、经过硝酸预处理过的煤样中的N含量均有增加,而S含量明显降低,其硝酸浓度越高,作用时间越长,S含量降低越多。H含量和C含量经过硝酸预处理后都有相应的减少,O含量明显增加,说明发生了氧化作用,这有助于煤的微生物液化降解。3、店房台煤样比同条件下其他煤种的降解效率要高,店房台煤样中7号降解率最高,硝酸浓度低,煤样氧化程度不够,降解效率降低,而过高的硝酸浓度也使降解效率降低。4、从原煤和预处理褐煤分子结构的差异，分析7号降解率高的原因，大部分的芳香结构被破坏。五、球红假单胞菌原生质体的微波诱变及其煤炭降解转化徐敬尧，张明旭实验目的：由于细胞壁的保护，菌种诱变会受到阻碍，本文通过处理去掉球红假单胞菌的细胞壁，并以微波诱导，以期筛选出高效的褐煤降解菌株；通过L9（34）正交试验，优化原生质制备工艺；对照分析氧化褐煤煤、残煤以及残液酸沉淀物的FTIR图谱，分析各煤样分子结构的变化。实验步骤：1、煤样制备及工业分析：义马褐煤破碎磨矿后采用5mol/L硝酸浸泡二天，先用蒸馏水煮洗，然后用旋片式真空泵抽滤，直至抽滤后的滤液pH值接近7为止,烘干、消毒备用。2、原生质制备工艺优化：将球红假单胞菌接种于基础培养基，再以15%的接种量转接至新鲜液体培养基，转移1mL菌液于离心管，10000r/min离心5min，用T缓冲溶液洗涤3次，按正交实验设计，以蔗糖浓度、溶菌酶浓度、EDTA浓度和酶反应时间为四因素，各因素设三水平，正交试验，优化原生质制备工艺。3、原生质诱变：取酶解后获得的原生质体悬浮液，稀释后于小烧杯中微波诱变处理，处理时间梯度：10,30,60,90,120s，将处理过的原生质体适当稀释，涂布平板，计算致死率将再生后的球红假单胞菌在斜面上传代3次，然后进行煤炭降解转化试验研究。4、于250mL锥形瓶，分别加入100mL的培养基，高压灭菌，接种菌种后分别加入消毒后的煤样5g，28℃、150r/min恒温培养10d，离心的上清液加HCl溶液取得煤炭生物降解转化水溶性酸沉淀物，过滤，干燥，以备分析检测使用，测褐煤降解率：%100Mη01×=MM0—加入的煤样质量（g）；M1—煤降解后的残煤质量（g