两种细菌降解新疆大南湖褐煤的最优工艺条件

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-09-29 08:17 热度：

　　摘要利用8mol/L的硝酸溶液对新疆大南湖褐煤原煤进行氧化预处理，采用冷湖游动微菌和格尔木马赛菌两种细菌对氧化煤进行降解实验，通过单因素和正交实验探索了培养方式、煤样粒度、接种量、煤浆质量浓度和降解时间对降解效果的影响，获得了冷湖游动微菌降解的最优工艺条件：摇床培养，煤样粒度为0.075mm～0.125mm，接种量为15mL/50mL培养基，煤浆质量浓度为0.5g/50mL培养基，降解时间为14d，降解率达51%;格尔木马赛菌降解的最优工艺条件为：摇床培养，煤样粒度为0.075mm～0.125mm，接种量为2mL/50mL培养基，煤浆质量浓度为0.4g/50mL培养基，降解时间为16d，降解率达59%，格尔木马赛菌是降解新疆大南湖褐煤的优势菌。利用红外光谱、热重和N2吸附对原煤、氧化煤和剩煤进行表征，发现经硝酸作用后，氧化煤中CO和NO振动峰增多，热稳定性降低，孔隙结构改变，平均孔径增大，有利于细菌降解;细菌作用后，未降解的剩煤中NO和CO官能团减少，热稳定性提高，孔径增大。采用气相色谱-质谱联用技术对降解液相产物进行分析，结果显示，两种细菌降解液相产物中的化合物组成相似，主要含有烷烃类、芳香烃类、酯类等小分子物质，相对分子质量在40～408之间。基于固液相产物分析，推测出优势菌格尔木马赛菌降解新疆大南湖褐煤是多种机理共同作用的结果。

　　关键词新疆大南湖褐煤，冷湖游动微菌，格尔木马赛菌，微生物降解，工艺条件

　　0引言

　　新疆煤炭储量占全国煤炭预测储量的40%，其中东疆地区褐煤资源最多，保有储量100亿t[1-2]。褐煤因水分高、挥发分高、热值低、易风化自燃等缺点而被视为劣质燃料[3]，目前主要用于发电、供热及热解转化成化工产品，转化效率低，污染大，严重制约了褐煤资源的安全高效开发和利用[4-5]。因此，寻找一条绿色环保的褐煤利用途径极为重要。而煤的微生物转化技术，主要利用细菌、真菌和放线菌等微生物作用实现煤的液化和气化，从而制取清洁燃料和高附加值化学品，转化过程设备简单、条件温和、能耗低，是新疆褐煤高效清洁利用的潜在途径[6-8]。

　　相比其他微生物，大部分细菌对煤的降解效果较好，降解产物易分离[9]。目前降解煤的细菌主要从矿井水中分离、从能降解木质素的细菌和能降解原油烃的细菌中选取[10-11]。ROMANOWSKAetal[12]曾成功从原油烃降解细菌中筛选出两株能够降解褐煤的菌株，降解效果良好。

　　因此，本实验选择两种降解原油的细菌冷湖游动微菌和格尔木马赛菌对新疆大南湖褐煤进行降解，探究了培养方式、煤样粒度、接种量、煤浆质量浓度和降解时间对细菌降解大南湖煤的影响，进一步通过正交实验确定最优工艺条件，最后利用红外光谱、热重和N2吸附对固相降解产物进行分析，利用气相色谱-质谱联用对液相降解产物进行分析，以此探讨褐煤的微生物降解过程和产物组成，并对细菌降解褐煤的机理进行推测，为利用微生物清洁转化褐煤提供基础信息。

　　1实验部分

　　1.1煤样及预处理

　　实验所用煤样为新疆大南湖褐煤，煤样经破碎、研磨，并筛分为<0.075mm，0.075mm～0.125mm，0.125mm～0.250mm，0.25mm～0.50mm和0.50mm～0.63mm5种粒径。利用8mol/L的硝酸溶液浸泡上述煤样24h后，用蒸馏水进行洗涤、过滤，直至中性，干燥，分装备用。

　　1.2菌种实验

　　所用两种细菌为冷湖游动微菌(Planomi-crobiumlenghuensis)和格尔木马赛菌(Massiliagolmudensis)，均购买于中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，其编号分别为CICC24462和CICC24458。两种细菌严格按照供货方所提供的方法进行培养，经过4代培养，用于后续实验。

　　1.3培养基

　　实验所用冷湖游动微菌和格尔木马赛菌的培养基为LB培养基(由供货商提供配方)，组成见表1。将配制的培养基用立式压力蒸汽灭菌锅(BL-50A)在105Pa的压力下灭菌15min，备用。

　　1.4菌种的培养

　　取斜面活化好的菌种，接种于300mL液体培养基中，在温度为30℃、转速为160r/min的恒温振荡培养箱中进行培养，选取对数生长期的扩大培养液用于褐煤的降解实验。

　　1.5微生物降解实验

　　1.5.1单因素实验

　　单因素实验设计见表2。将0.3g粒度为0.075mm～0.125mm的煤样和50mL液体培养基置于150mL的锥形瓶中，放入灭菌锅，高压灭菌15min，待培养基冷却到室温时，加入15mL菌液，然后将锥形瓶放入温度为30℃、转速为160r/min的恒温振荡培养箱(摇床培养)或温度为30℃的恒温生化培养箱(静置培养)中进行培养[13]，实验结束后，离心(10000r/min，20min)，分离得到未降解的固相产物(剩煤)和液相产物。用蒸馏水对剩煤进行洗涤，直至剩煤中无菌体残留，烘干，备用。相同培养条件下，分别改变培养方式、煤样粒度、接种量、煤浆质量浓度和降解时间，研究各因素对微生物降解褐煤效果的影响。

　　1.5.2正交实验

　　在单因素实验的基础上，利用Minitab软件设计L16(44)正交设计表，对两种细菌降解褐煤的工艺条件进行正交设计。选取煤样粒度(A)、接种量(B)、煤浆质量浓度(C)和降解时间(D)4个因素，各因素又分为4个水平，不考虑各个因素之间的交互作用，培养方式为摇床培养。正交实验因素及水平见表3。

　　1.7降解产物的分析与表征

　　利用红外光谱、热重和N2吸附对原煤、氧化煤和固相产物(剩煤)进行分析与表征，利用气相色谱-质谱联用对液相产物进行分析与表征。

　　固相产物：将剩煤与溴化钾以1∶200(质量比)混合研磨至细粉，制成薄片，在4000cm-1～500cm-1范围内，分辨率为4cm-1，用美国ThermoSci-entific傅立叶变换红外光谱仪进行扫描。采用SETARAMLabsysEvo型热重分析仪对剩煤进行热重分析，温度范围为30℃～800℃，保护气为氮气，升温速率为15℃/min。采用MicromeriticsASAP2020型物理吸附分析仪对剩煤进行氮气吸附分析。原煤和氧化煤的分析方法与剩煤相同。

　　液相产物：将除菌过滤器过滤后的液相产物依次用二氯甲烷、甲苯、乙酸乙酯萃取，液相产物与有机溶剂的萃取体积比为1∶2，萃取液利用岛津GC-MSQP2010Plus型气相色谱-质谱联用仪进行分析，流动相为甲醇，气氛为氦气。

　　2结果与讨论

　　2.1煤样的工业分析和元素分析

　　原煤、氧化煤及剩煤的工业分析和元素分析结果见表4。由表4可知，褐煤水分较高，碳含量偏低，属低变质程度煤。原煤经硝酸处理后，碳含量降低，氧和氮含量升高，这可能是因为硝酸氧化了褐煤，破坏了煤的分子结构，同时硝酸中的氮向煤中转移，造成氮含量升高[15]。氧化煤经细菌作用后，氧和氮含量升高，说明这两种细菌对氧化煤有一定的降解能力，能将氧化煤分子中的化学键断裂生成小分子物质，同时降解过程可能伴随着氧化作用[16]。

　　2.2单因素实验结果

　　2.2.1培养方式对氧化煤降解效果的影响

　　摇床培养和静置培养两种培养方式对两种细菌降解氧化煤效果的影响如图1所示。由图1可知，培养方式对两种细菌降解氧化煤的影响显著，两种细菌摇床培养的降解效果均明显高于相对应的静置培养的降解效果。这可能是因为：第一，两种细菌都属于好氧菌，摇床培养使培养基形成涡流，延长气体在培养基中的停留时间，增加培养基的溶氧率，有利于细菌的生长繁殖;第二，静置培养使大部分煤样沉到锥形瓶底部，不能与菌株产生的活性物质充分接触，而摇床培养能够使氧化煤与菌株产生的活性物质充分接触，更有利于降解[17]。

　　2.2.2煤样粒度对氧化煤降解效果的影响

　　煤样粒度对两种细菌降解氧化煤效果的影响如图2所示。由图2可知，随着煤样粒度的减小，λ450值逐渐增大，但当煤样小于0.075mm时，λ450值变小。这可能是因为煤样的粒度越小，比表面积越大，微生物释放的活性物质和煤样的接触概率就越高，降解效果也就越好;但当煤样粒度过小时，小粒径煤样容易团聚在一起，影响细菌与煤样的充分接触，从而影响降解效果[18]。

　　2.2.3接种量对氧化煤降解效果的影响

　　接种量对两种细菌降解氧化煤的影响如图3所示。由图3可知，冷湖游动微菌降解液相产物的λ450值随着接种量的增大呈现出先增加后减小的趋势，接种量为20mL/50mL培养基时，λ450值最大，降解效果最好。这可能是因为接种量较低时，煤浆环境对细菌生长有抑制作用;随着接种量的增加，抑制作用减弱;当接种量超过一定数值后，有限的营养物质导致了细菌之间的竞争和抑制，从而影响降解效果[19]。接种量对两种细菌降解氧化煤的影响不同，格尔木马赛菌降解液相产物的λ450值随着菌液量的增加而不断地减小，接种量为1mL/50mL培养基时，λ450值最大，降解效果最好，这可能是因为不同细菌的生长繁殖能力不同[20]。

　　2.2.4煤浆质量浓度对氧化煤降解效果的影响

　　煤浆质量浓度对两种细菌降解氧化煤的影响如图4所示。由图4可知，随着煤浆质量浓度增大，两种细菌降解液相产物的λ450值呈现先增大后减小的趋势，两种细菌降解氧化煤的最优煤浆质量浓度都是0.5g/50mL培养基。这可能是因为煤浆质量浓度较低时氧化煤中可被利用的碳源有限，过少的碳源不能提供充足的能源物质;煤浆质量浓度过大时，导致细胞损伤，抑制菌株生长[21]。

　　2.2.5降解时间对氧化煤降解效果的影响

　　降解时间对两种细菌降解氧化煤的影响如图5所示。由图5可知，两种细菌在接种后就开始快速降解氧化煤，吸光度λ450值随降解时间的增加而快速增大，第12天后A450值随降解时间变化不大。可能是因为当降解时间在12d以后，培养基中的营养成分几乎被细菌消耗殆尽，活菌数量减少[22]，说明两种细菌对氧化煤的最优降解时间是12d。同时观察到两种细菌在相同时间内的降解效果不同，这可能是因为不同细菌对环境的适应能力不同，分泌活性物质的量和时间也不相同[23]。

　　2.3正交实验结果

　　两种细菌降解氧化煤的正交实验结果如表5所示，实验的均值响应如表6所示。由表6可知，在选定的实验条件区间，各因素对两种细菌降解氧化煤影响的主次顺序依次为A，C，D，B，即煤样粒度、煤浆质量浓度、降解时间、接种量。从方差分析(见表7)中也可以看出，煤样粒度在两种细菌对氧化煤降解过程中产生了显著性影响。冷湖游动微菌降解氧化煤的主效应见图6。由图6可知，冷湖游动微菌降解氧化煤的最优工艺参数组合为A2B1C2D3，即煤样粒度0.075mm～0.125mm、接种量15mL/50mL培养基、煤浆质量浓度0.5g/50mL培养基、降解时间14d，此条件下最大降解率为51%。

　　格尔木马赛菌降解氧化煤的主效应见图7。由图7可知，格尔木马赛菌降解氧化煤的最优工艺参数组合为A2B2C1D4，即煤样粒度0.075mm～0.125mm、接种量2mL/50mL培养基、煤浆质量浓度0.4g/50mL、降解时间16d，此条件下最大降解率为59%。

　　2.4红外光谱分析

　　原煤、氧化煤及两种细菌降解后剩煤的红外光谱如图8所示。由图8可知，各煤样的峰形整体走势和特征峰出现的位置基本相似，这说明各煤样的基本骨架及结构单元基本一致，在3403cm-1附近均有强而宽的伸缩振动吸收峰，这可能是羟基伸缩振动、含氮化合物的N—H振动或芳香烃的C—H伸缩振动引起的[24]。煤样在2921cm-1，2854cm-1处分别归属—CH2的对称伸缩振动和不对称伸缩振动[25]。氧化煤在1704cm-1(CO的伸缩振动)的峰明显强于原煤在相同位置的峰，并且在1529cm-1处出现新的吸收峰(NO伸缩振动)，但是在细菌处理后的剩煤中这两个峰消失了，说明硝酸处理能使煤的氧化程度增加，含CO，NO基团的结构增加或增多，同时也说明细菌能将氧化煤中含CO，NO官能团片段从煤大分子结构中降解下来。902cm-1处的吸收峰是C—O—C伸缩振动吸收峰，氧化煤吸收峰强度明显高于原煤和剩煤同位置的峰，说明硝酸的氧化作用能使原煤的含氧量增加，细菌的降解作用则会断裂氧化煤分子中的C—O—C键而生成一些小分子化合物。——论文作者：周静1刘向荣1，2赵顺省1，2杨再文1，2代爱萍1，2卢璇1

　　相关期刊推荐：《煤炭转化》(季刊)创刊于1978年，是由太原理工大学、中国科学院煤转化国家重点实验室主办，科学出版社的向国内外公开发行的煤化工学术期刊。主要刊载内容：煤科学;煤的净化和燃烧;煤的热能和焦化;煤的气化和煤气净化;煤的液化和产品提质;煤转化过程中的催化;煤系资源综合利用等

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