第一作者

木欣凯，博士生，西安科技大学化学与化工学院。研究领域：煤炭微生物转化。

通信作者

刘向荣，西安科技大学化学与化工学院二级教授，博士生导师。陕西省高层次人才特别支持计划领军人才，陕西省教学名师，陕西省化生教指委委员，化学一级学科带头人。主要从事煤炭生物洁净转化和利用研究，主持国家及省部级科研项目20多项，在国内外学术期刊发表高水平学术论文100余篇，SCI收录60余篇，授权发明专利17项，获陕西省科学技术一等奖1项、陕西高校科学技术一等奖2项和陕西省教学成果二等奖1项。

题目

铜绿假单胞菌对富集镜质组新疆大南湖低阶煤的降解特性

作者

木欣凯¹ 刘向荣^1,2

刘丹¹ 许慧¹ 赵文硕¹

作者单位

1.西安科技大学化学与化工学院,710054 西安;

2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,710021 西安

研究背景

煤的微生物降解作为煤炭洁净加工的新技术，已取得了显著的研究成果，但是，煤的组成和结构复杂，造成微生物降解煤的机理尚无定论。本文根据煤岩学的原理，将低阶煤分离为不同的煤岩显微组分，简化煤的组成，以富集的煤岩显微组分进行微生物降解，分析显微组分降解过程及降解机理，为探索微生物降解低阶煤的机理提供新的思路，为实现微生物降解低阶煤技术的工业化提供实验和理论依据。

具体工作为：选择新疆大南湖低阶煤为研究对象，采用重液离心法分离得到富集镜质组的低阶煤，选用能够降解石油烃的铜绿假单胞菌，通过单因素实验和正交实验探讨煤浆质量浓度、菌浓度和降解时间三种因素对铜绿假单胞菌降解镜质组的影响，获得最佳工艺条件，揭示铜绿假单胞菌对富集镜质组的新疆大南湖低阶煤降解的特性。

摘要

目前,微生物降解低阶煤技术已经取得显著的研究成果,但低阶煤的组成复杂,微生物降解低阶煤的机理仍然不明晰。因此,根据煤岩学的原理,分离得到富集镜质组的低阶煤(镜质组煤样),从而简化煤的组成,再利用微生物降解镜质组煤样,进而推知微生物对镜质组煤样的降解特性。采用重力分选法分离得到富集镜质组的新疆大南湖低阶煤,利用铜绿假单胞菌对硝酸预处理镜质组煤样进行降解,通过单因素实验和正交实验研究煤浆质量浓度、菌浓度、降解时间对铜绿假单胞菌降解镜质组煤样的影响。结果表明:三种因素按对降解效果的影响由大到小为降解时间、煤浆质量浓度、菌浓度,分析正交实验结果可知,铜绿假单胞菌降解预处理镜质组煤样的最优工艺条件为煤浆质量浓度6 g/L、菌浓度6.37×10⁶ CFU/mL、降解时间11 d,最大降解率为57.1%;对镜质组煤样、预处理镜质组煤样及降解后剩余镜质组煤样进行工业分析和元素分析,发现预处理镜质组煤样经过铜绿假单胞菌降解后,C元素和N元素的质量分数减小,H元素和O元素的质量分数增大;由红外分析结果可知,预处理镜质组煤样经过铜绿假单胞菌降解后,镜质组煤样中芳香结构发生变化,烷基侧链被降解;通过XRD分析发现,预处理镜质组煤样经过铜绿假单胞菌降解后,芳香层片的间距d₀₀₂、堆砌高度L_c、微晶宽度L_a均减小,芳香层数N增大,表明铜绿假单胞菌能够降解预处理镜质组煤样中的芳香结构;采用气相色谱-质谱联用仪对铜绿假单胞菌降解预处理镜质组煤样后的液相产物进行分析,发现在二氯甲烷与甲苯萃取物中,质量分数最高的物质为烷烃类物质(均超过50%),其次为酯类物质(质量分数均在30%以上),相对分子质量均集中在142～394,说明铜绿假单胞菌可以将镜质组煤样降解为小分子;液相产物两种萃取物中还检测到部分胺类和硫取代基类化合物,综合元素分析结果得出铜绿假单胞菌能降解预处理镜质组煤样中的含氮结构和硫元素。

创新点

通过分离先降低煤组成的复杂性,分离出低阶煤的主要显微组分,再对各显微组分进行微生物降解,分析降解过程。从提高降解效率以及降低低阶煤结构的复杂性入手,借助先进的表征手段分析低阶煤各显微组分和生物降解所得产物的结构组成以及分布规律,为探索微生物降解低阶煤的途径提供新思路,为实现低阶煤的定向转化和建立降解低阶煤微生物转化新模式提供理论参考和数据支撑。

结论

1) 铜绿假单胞菌降解预处理镜质组煤样的最佳工艺条件为:煤浆质量浓度6 g/L、菌浓度6.37×10⁶ CFU/mL、降解时间11 d,最大降解率为57.1%。三种因素按对降解效果的影响由大到小为:降解时间、煤浆质量浓度、菌浓度,这是因为细菌需要时间适应煤浆环境。

2) 预处理镜质组煤样经过铜绿假单胞菌降解后,剩余镜质组煤样与预处理镜质组煤样相比较,C元素和N元素的质量分数减少,H元素和O元素的质量分数增加,O元素的质量分数增加说明微生物的降解过程伴随着氧化作用。由红外光谱分析可知,铜绿假单胞菌可降解预处理镜质组煤样中的芳香结构和烷基侧链;通过XRD峰值拟合分析可知,预处理镜质组煤样经过铜绿假单胞菌降解后,芳核缩合度升高,煤中的侧链和官能团减少,进一步说明铜绿假单胞菌主要降解预处理镜质组煤样中的烷基侧链。

3) GC-MS分析表明,铜绿假单胞菌降解后液相产物的甲苯与二氯甲烷萃取物中,质量分数最高的物质为烷烃类物质,质量分数均超过50%;其次为酯类物质,质量分数均在30%以上,相对分子质量均集中在142～394之间,说明铜绿假单胞菌可以将预处理镜质组煤样降解为小分子物质;在液相产物的甲苯与二氯甲烷萃取物中还检测到部分胺类和硫取代基类化合物,说明铜绿假单胞菌可以降解预处理镜质组煤样中的含氮结构和硫元素;二氯甲烷萃取物与甲苯萃取物相比,还含有酮类、羟基和羧酸类物质,证明铜绿假单胞菌可以降解预处理镜质组煤样中的含氧结构。

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