菌种的选育及用于煤炭降解转化试验研究.pdf
第3 5 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 .3 5N o .4 2 0 0 6 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g yJ u l .2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 0 5 0 4 0 6 菌种的选育及用于煤炭降解转化试验研究 王龙贵1 ,张明旭1 ,欧泽深2 ,沈国娟1 1 .安徽理工大学材料科学与工程系,安徽淮南2 3 2 0 0 1 ;2 .中国矿业大学化工学院,江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要通过选育微生物菌种,筛选出S ,,S 。,S ,3 种真菌,应用于煤炭转化降解试验,考察了主要影 响因素 如茵种、煤样粒度、煤种、有无预处理等 对煤降解作用的影响,结果表明,用3 种真茵混合 液体培养对煤炭降解效果最好,i 0d 能降解转化3 8 .1 3 %的义马煤炭;煤样粒度越小,降解转化率 越大;变质程度越低和经过预处理的煤越易被微生物降解转化.试验研究中还应用了X R D 和F T I R 对煤微生物转化产物进行了测试分析,结果表明其芳香聚合度和分子量有很大程度的降低,官 能团含量也发生了变化。 关键词木素降解茵;筛选;煤炭生物降解;产物 中图分类号T D9 2 5 1 ;Q9 3 9文献标识码A E x p e r i m e n t a lS t u d yo ft h eC u l t i v a t i o na n dA p p l i c a t i o no f F u n g ’f o rT r a n s f o r m m dB i o d e g r a d a t i o no fCoaUS f o r1r a n s t o r m a t l o na n do a l lD l O d e g r a d a t l o n W A N GL o n g q u i l ,Z H A N GM i n g - x u l ,O UZ e - s h e n 2 ,S H E NG u o - ju a n l 1 .D e p a r t m e n t a lo fM a t e r i a lS c i e n c e E n g i n e e r i n g ,A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , H u a i n a n ,A n h u i2 3 2 0 0 1 ,C h i n a ;2 .S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y , C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y ,X u z h o u ,J i a n g s u2 21 0 0 8 ,C h i n a A b s t r a c t B ym i c r o o g a n i eF u n g u sc u l t i v a t i o n ,t h r e ek i n d so fe p i p h y t e ,S 1 ,S 4a n dS 7 ,w e r es e l e c t e df o rt h ee x p e r i m e n t so fc o a lb i o d e g r a d a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n .T h ei n f l u e n c e so fk e yf a c t o r s ,s u c ha sf u n g u st y p e ,s i z ea n dr a n ko fc o a l ,a n dp r e t r e a t m e n t ,o nc o a ld e g r a d a t i o nw e r e s t u d i e d .R e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s td e g r a d a t i o nr e s u l to f3 8 .1 3 %w i t h i n1 0d a y si Sa c h i e v e du n - d e rC O c u l t i v a t i o no ft h et h r e ek i n d so fe p i p h y t ef o rY i m al i g n i t e .T h ef i n e rt h ec o a lp a r t i c l ei s , t h eh i g h e rt h ep e r c e n t a g eo fd e g r a d a t i o ni s ,t h el o w e rt h ed e g r e eo fm e t a m o r p h i s mo ft h ec o a li s , t h ee a s i e rt h ec o a li sd e g r a d e db yt h ef u n g u s ,a n dt h ep r e t r e a t e dc o a lg e n e r a l l yt e n d e dt ob em o r e e a s i l yd e g r a d e d .T h ed e g r a d a t i o np r o d u c t sw e r ea n a l y s e du s i n gX R Da n dF T I R ,a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed e g r e eo ft h ep o l y m e r i g a t i o no ft h ea r o m a t i cn u c l e u sa n dt h em o l e c u l a rw e i g h t so f p r o d u c t sa sw e l la r ed e c r e a s e do b v i o u s l y ,a n dr e m a r k a b l ec h a n g e sa l s ot a k ep l a c ei nt h ec o n t e n t o ff u n c t i o n a lg r o u p sc o m p a r i e dw i t ht h ec o a l . K e yw o r d s f u n g u so fd e g r a d a t i o nl i g n i n ;f i l t r a t i o n ;c o a l - b i o d e g r a d a t i o n ;p r o d u c t i o n 中国有丰富的煤炭资源特别是褐煤、风化煤等 低阶煤资源,已探明的褐煤保有储量达13 0 3 亿t , 占全国煤炭储量的1 3 %弱引.这些低价煤资源直 接燃烧热效率低,工业应用价值低,长期露天堆放, 不仅造成能源的浪费,而且容易造成环境污染.因 此,如何合理开发和充分利用褐煤及低阶煤资 收稿日期2 0 0 5 1 0 1 0 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 4 0 5 6 ;安徽省自然科学基金项目 0 5 0 4 5 0 1 0 2 ;高等学校博士学科点专项科研基金项目 2 0 0 5 0 3 6 1 0 0 1 作者简介王龙贵 1 9 6 3 一 ,男,安徽省枞阳县人,副教授,工学博士,从事矿物加工方面的研究. E - m a i l l g w a n 8 a u s t .e d u .c nT e l 0 5 5 4 6 6 6 8 2 0 1 ,1 3 9 6 6 4 6 5 2 4 8 万方数据 第4 期王龙贵等菌种的选育及用于煤炭降解转化试验研究5 0 5 源[ 3 ] ,如何使其转化为高附加值的化工品或液体燃 料,将是一个值得深入研究的课题. 煤炭生物加工包括煤炭微生物脱硫[ 4 巧1 与煤微 生物转化 B i o t r a n s f o r m a t i o n ,用细菌与真菌对煤 炭进行脱硫[ 6 3 很多学者已进行了多年的研究,取得 多项研究成果.而煤微生物转化技术是指煤在微生 物参与下发生大分子的解聚作用,称生物降解 B i o d e g r a d a t i o n 或生物溶解 B i o s o l u b i l i z a t i o n , 主要是利用真菌、细菌和放线菌等微生物的转化作 用来实现煤的溶解、液化和气化,使之转化成易溶 于水的物质或者烃类气体,从中提取有特殊价值的 化学品及制取清洁燃料、工业添加剂与植物生长促 进剂等.它的用途很广泛,如F a i s o n [ 7 ] 提出被木质 素真菌如黄胞原毛平革菌所溶解的煤物质可望像 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. 1 木素降解菌的选育 自然界中,能降解木质素并产生相应酶类的生 物只占少数.木质素的完全降解是真菌、细菌和微 生物群落共同作用的结果,其中真菌起着主要作 用.真菌借助孢子和菌丝的作用,扩散到木质材料 中,甚至进入细胞内进而分泌特殊的酶攻击木质纤 维的细胞壁,从而降解木质素。本研究拟从腐烂木 材上分离筛选对木质素降解能力较好的真菌来降 解煤炭.试验中所用的P D A 培养基配方见表1 . 表1P D A 培养基组成 T a b l e1 C o n s t i t u t e so fP D Ac u l t u r em e d i u m 1 .1降解木素菌一真菌的分离纯化 本试验所用原始菌种是用P D A 培养基从腐 烂的树木中由实验室分离纯化所得.原混合菌种来 自气候潮湿、温暖,适宜环境,在腐败木材上一般长 育该菌.试验时将从山上采集到的含菌腐败木屑用 无菌水浸泡2 4h ,玻璃棒将其搅拌均匀,以此为原 菌液,接种于培养皿中,用P D A 培养基培养。培养 接种前于1 2 1 ℃下灭菌2 0r a i n ,置于3 2 ℃恒温培 养箱中培养. 培养2d 后,培养基上有微小菌落生成.3d 后,菌落迅速扩大,通过观察挑选出能够在平板上 生长并产生变色的菌株,在P D A 培养平板上反复 划线,直至获得纯菌株.试验中获得7 个菌株,编号 为S 。,S ,S 。,S 。,S 。,S 。,S ,,将纯菌株转接至P D A 斜面上,3 2 ℃培养3d 后备用筛选. 使用前,需要先进行扩增,方法是将斜面中的 菌种接种于P D A 培养基的培养皿上,在3 2 ℃恒温 箱中培养,待整个培养皿内铺满真菌后即可使用. 1 .2 试验用真菌的筛选 年轻煤中保留了很多类木质素结构物质,筛选 降解煤的微生物应在能降解木质紊类物质的微生 物中进行,选择出的菌种对木素降解能力较强,则 其对煤的降解能力相对来说,也较强. 判断一个菌种是否具有降解木素能力可以根 据变色反应 B a v e n d a m m 变色反应 来进行.微生 物若能分泌木素降解酶,就能与培养基中有效的指 示剂发生变色反应,产生特异颜色~变色圈[ 8 曲] ,这 是筛选木素降解菌的有效方法. 木腐类真菌,变色圈的形成有2 种方式.一种 是变色圈在菌丝的外圈形成 d ,/d 。 1 .试验表明[ 1 ⋯,d 。/d 。 的比值可作为判定该菌是否选择性降解木素依据. 如果比值小于1 ,则选择性降解木质素.若比值大 于1 ,则选择性降解纤维素.一 试验中将前面得到的菌株接种在P D A 一单宁 酸培养基平板的中央.3 2 ℃培养5d ,观察、记录其 颜色变化. 本实验测定了7 个菌株在P D A - 单宁酸培养 基上的变色反应,结果见表2 . 表2不同菌株在P D A - 单宁酸培养基上的变色反应结果 T a b l e2R e s u l to fb a v e n d a m mo n v a r i a b l eP D Ac u l t u r em e d i u m 菌株 S l S 2 S 3 S 4 S s S 6 S 7 菌丝圈直径d 1 /c m变色圈直径d 2 /c md l /d 2 上述试验中,7 个菌株,有一个菌株的d 。/d 。 1 ,有一个菌株的d 1 /d 2 接近1 ,S l ,S 4 ,S 5 ,S 6 ,S 7 的比值d ,/d 。都小于1 ,它们都应该能选择性降解 木质素,但是d 。/d 。的大小与木质素的降解率之间 并没有很强的相关性,为了选择高效降解木质素的 菌株,接着又进行了铁氰化钾变色反应 固体培养 基中的木质素被降解后,加入铁氰化钾试剂会在菌 落附近形成微黄绿色,而在培养基的其它部位产生 深蓝绿色、不透明的变色反应 ,结果S 。,S ;和S ,菌 株3 菌株都产生变色反应,因此把S 。,S 。和S ,菌株 确定为煤生物降解试验用菌株. 万方数据 中国矿业大学学报第3 5 卷 I 2 S o 8 百0 .4 O S lS 2S 3S 4S 5S 6S 7 菌株 图1不同菌株的变色反应d 。/d z 比值比较 F i g .1d l /d 2r a t i oc o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tf u n g u s 2真菌液体培养转化煤试验研究 2 .1 液体培养不同菌种对煤的转化降解 1 试验用液体培养基.培养基组成见表3 . 裹3试验用液体培养基 淀的水可溶性组分,保留以备化验用. 4 试验结果与分析.试验重复进行2 次,取其 平均值,数据见表4 ,结果分析见图2 . 表4 不同菌种液体转化煤能力 T a b l e4 C a p a c i t yo fd i f f e r e n tf u n g u sl i q u i d 转化率/% 4 .1 1 3 0 .4 5 1 7 .2 6 2 8 .3 2 3 8 .1 3 T a b l e 3 L i q u o rc u l t u r em e d i u mu s e di ne x p e r i m e n t s 4 0 成分马铃薯汁蔗糖K H z P 0 4N a H z P 0 4 3 0 B / g L 一1 1 0 0 2 0 1 .00 .2 N 、- 2 0 M g S 0 4 ‘7 H z O F e S 0 4 ’7 H 2 0C u S 0 4 ‘5 H 2 0 辩1 0 0 .50 .1 1 0 30 .2 1 0 3 0 空白S Is 7S 4混合菌 2 试验用煤样.义马褐煤经硝酸氧化预处理. 图2不同菌瓣嚣熊化降解 用浓度为5m o l /L 的硝酸浸泡煤样2d ,真空过滤,F i g .2 C o a ld e g r a d a t i o no fd i f f e r e n tf u n g u s 用去离子水清洗,直至滤液p H 值接近7 为止,烘从表4 和图2 可看出,混合菌种降解转化煤的 干、消毒备用.作用最强,最可能与混合菌种释放的降解酶种类齐 3 试验方法.取4 支已消毒的试管,分别加入全及降解酶数量较多的缘故,微生物释放的酶降解 液体培养基2 0m L ,分别接种混合菌 S 。,s 4 ,S , ,转化煤这一点与以前研究者结论基本一致[ 1 1 | . S 。,S 。,S 7 ,3 2 ℃恒温培养2d .2 .2液体培养混合菌对不同粒度煤的转化降解 取培养2d 的各菌定量菌液4m L 和定量硝酸2 .2 .1试验方法 处理义马褐煤,分别加入2 0m L 液体培养基于试采用同前面试验相同的液体培养基,煤样为硝 管内;另取一支试管,加液体培养基2 0m L 和定量酸处理后的义马褐煤.煤样粒度采用4 个级别6 ~ 一o .2m m 的煤样,不加菌液,作为空白对照试验.3 ,3 ~0 .5 ,0 .5 ~0 .2 ,d 0 .2m m ,采用的菌种为混 振荡培养1 0d ,温度3 2 ℃,培养中间测p H 变化.合菌,每试管2 0m L 液体培养基,菌液用量为培养 1 0d 后,过滤、离心,在煤渣中小心挑出菌丝体 不2d 混合菌培养液4m L ,3 2 ℃恒温摇床培养1 5d , 要挑出煤粒 ,干燥,称重,计算降解转化率.离心的进行固液分离,煤渣烘干、称重,计算转化率. 上清液加N a O H 3m o l /L 到p H 一1 3 左右,出现2 .2 .2试验结果及分析 絮状沉淀.过滤,干燥,得煤微生物转化产物碱可沉试验结果见表5 ,图3 ,4 所示. 表5煤样粒度对微生物降解的影响 T a b l e5I n f l u e n c eo fc o a lg r a n u l a r i t y ∞c o a l - b i o d e g r a d a f i o n 培养作用时间/d 项目 粒度/r a m 空白 O .2m m O O 5 1 0 1 5 1 5 1 5 0 .5 0 34 5 .5 5 .5 5 .4 5 .4 0 .4 8 33 3 .9 8 0 .5 0 08 5 .5 5 .5 5 .4 5 .4 0 .4 8 11 3 .9 3 从表5 ,图3 ,4 可以看出,煤样粒度对微生物 转化降解影响非常大,大于0 .5m m 的煤样,就难 以降解,菌作用于煤使之降解需要较长时间,而大 于3m m 煤样,就极难降解,在试验的时间里,同空 白试验效果差不多;小于0 .2m m 煤样,在试验的 1 5d 时间内降解转化率达到4 1 .3 2 %,因此进行煤 微生物转化试验时,煤样粒度是一个至关重要的因 素. g g % 糊州阻州Ⅲ冽㈣ 万方数据 第4 期 王龙贵等;菌种的选育及用于煤炭降解转化试验研究 5 0 7 一一 6 0 垂薰 馨2 0 1 0 0 粒度/m m 图3煤样粒度对微生物降解转化的影响 F i g .3 I n f l u e n c eo fc o a lg r a n u l a r i t yo n c o a l b o d e g r a d a t i o n 6 遥4 土 厶 2 O 粒厦/r a m 图4不同粒度煤样被微生物转化 试验培养基p H 值变化 F i g .4 C h a n g eo fc u l t u r em e d i u mp Ho f c o a lg r a n u l a r i t yt r a n s f o r m e db ym i c r o o r g a n i s m 从培养过程中培养基p H 值变化图即图4 所 示,不同粒级煤,在降解过程中,p H 值变化不一 样,降解率高的其p H 值同时下降也较多, O .2m m 粒级在1 5d 的培养作用过程中,p H 值 从5 .5 下降到4 .1 ,而大粒级煤样同空白试验比 较,基本差不多,p H 值在此过程中,基本变化不 大. 以上说明了混合菌 S 。,S 。,S ,混合 在降解煤 的过程中p H 值发生了变化,培养基p H 值下降得 较多,煤的降解转化率就较高. 2 .3 液体培养混合菌对不同煤种的转化降解 2 .3 .1试验方法 采用同前面试验相同的液体培养基,煤样为硝 酸处理和未处理的义马褐煤,内蒙褐煤、淮南次烟 煤. 取1 2 支已消毒的锥形瓶,分别加入液体培养 基1 0 0m L ,备用.取培养2d 的混合菌定量菌液 2 0m L 和定量的各种煤样,分别加入先前准备好的 锥形瓶中,分为2 组.振荡培养,温度3 2 ℃,7d 后, 取出一组,1 4d 后取出另一组。过滤、离心,在煤渣 中小心挑出菌丝体,干燥,称重. 2 .3 .2试验结果与分析 试验重复进行2 次,取其平均值,数据见表6 所示. 从表6 中数据看出,不同的煤样被微生物的降 解程度不同,未经硝酸预处理的煤样,降解转化率 很低,或几乎就难以降解;煤变质程度对微生物的 作用影响很大,次烟煤比褐煤要难降解的多;义马 褐煤比内蒙褐煤相对来说易被微生物作用而发生 降解转化;随培养作用的时间加长,降解率加大. 表6不同煤种的降解转化效果 T a b l e6 E f f e c to fd e g r a d a t i o no fd i f f e r e n tc o a lt y p e s 培养时间/dy I T I s n m Sh n s y m n n lh n 1 i 了i i 丽辐j i 甬酸浸泡预处理;y m 为义马原褐煤i n m s 为 内蒙褐煤硝酸浸泡预处理;n m 为内蒙原褐煤I h n s 为淮南次 烟煤硝酸浸泡预处理;h n 为淮南次烟煤 3降解转化产物的X R D 和F r I R 研究 3 .1试样及仪器 试验样品为1 8 为义马褐煤微生物转化的水 溶物碱沉淀物;2 8 为义马褐煤微生物转化作用后 的残渣;3 * 为义马原褐煤经硝酸处理产物. 试验仪器有日本理学 R i g a k u 公司生产的 D /M a x - 3 B 型x 射线衍射仪和德国B R U K E R 公 司制造V E C T O R 3 3 型红外光谱仪 F T I R . 3 .2X R D 和F T I R 测试结果及分析 X R D 测试结果见图5 所示,F T I R 测试结果见 图6 所示. i 蠢 囊 2 器 O 衍射角, 。 图5义马褐煤及微生物转化物的X 射线衍射分析图谱 F i g .5 X - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i ss p e c t r u mo fl i g n i t e a n dm i c r o o r g a n i s mb i o - t r a n s f o r m a t i o n 根据图6 a 义马褐煤及微生物转化物的X 射 线衍射分析图谱,可作出几种样品层片直径L 。,微 晶层片平均堆砌高度L 。及层片间距do o z 之间的关 系曲线,见图7 所示.可以看出义马煤降解后水溶 物微晶的L 。,L 。,都有相当程度的减小与降低, d 呲增大了,其间的层片数减少.说明煤微生物转 化的水溶性产物的芳香环单层的芳环缩聚程度有 所降低,也即煤微生物转化降解后的水溶性产物芳 香单层层片的芳环数减少,芳香层片的堆砌高度降 低,芳香结合程度降低,大分子结构被降解了. 黜黜量。枷伽抛。啪枷枷瑚 万方数据 中国矿业大学学报第3 5 卷 述 静 韶 蝴 | | 要陋骥 ,乳b 意丽赢赢函蒜 喜 螽 苷 蛔 1 ◆ 波劐t /e m o f b 2 4 样品 波数k m .‘ 渡散/c m “ ‘ c 3 9 样品 d l 匕3 8 样品 图6不同样品红外光谱 F i g .6 I n f r a r e ds p e c t r u mo fd i f f e r e n ts a m p l e s 根据义马褐煤样被微生物转化作用前后的之,而在图6 a 中峰形最弱,从对照谱图 图6 d 中 F T I R 谱图及对照谱图 图6 可见,其峰形整体走也可清楚的看出.这说明,义马褐煤样中的芳香类 势差不多,相差较大的地方在波数33 0 0 和16 0 0 , 高聚物被大量的降解成低分子量类物质及其它类 15 0 0c m “附近,它们分别为芳烃的一C H 与芳环 物质,从图6 b 中显示出酚羟类、羟基类、羰基类物 的骨架振动.在图6 c 中峰形最强,图6 b 中峰形次质有所增加. 1 .2 2 口I2 0 毒I .1 8 0I .1 6 搿I .1 4 ⅫI .1 2 盏瑚.1 0 1 .0 6 g 喜 型 盍 样品样品 a 层片直径La 变化 b 馓晶层片平均堆砌高度变化 图7L 。,L 。及d 。. 之m l 】的荚系 F i g .7R e l a t i o n s h i pa m o n g ,。,,。a n d 以Ⅲ2 4 结论 1 通过选育筛选出较高降解木质素的真菌 S 1 ,S S 7 . 2 3 种真菌的混合液体培养对煤的转化降解 作用比单个菌种要强得多,降解转化1 0d 要高出 8 %以上. 3 煤样粒度对微生物降解煤的作用影响很 大,煤样粒度越小,越易被微生物攻击.小于 0 .2m m 煤样被菌作用1 5d 比0 .5 ~o .2m m 煤样 降解转化率要高出1 5 %左右. 4 煤变质程度对微生物的降解作用影响习E 常 大,变质程度越低,越易被微生物攻击降解;有无预 处理氧化煤样,对微生物降解煤也有很大的影响, 经硝酸预处理后的煤样,较易被微生物作用而发生 降解转化.酸处理义马褐煤被菌作用1 4d 比其它 种类煤降解转化率要高1 0 %以上. 5 通过对煤微生物降解转化产物的X R D , F T I R 测试研究,煤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. 参考文献 [ 1 ] 戴和武,谢可玉.褐煤利用技术[ M ] .北京煤炭工业 出版社,1 9 9 9 . 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P UY u e w u ,Z H E NH a o - m i n g ,F E N GS h u - t i n g 。e t a 1 .S t u d yo nt h ec o n d i t i o no fp r o d u c t i o nM n - P r e o x i - d a s e M n P b yp h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u mm i g [ J ] .F u n g u sS y s t e m ,1 9 9 8 ,1 7 3 2 5 1 2 5 5 . [ 9 ]中野隼三.木质素化学一基础与应用[ M ] .高洁,译. 北京轻工业出版社,1 9 8 8 4 2 0 . [ 1 0 ] M E R C I E RRR ,M O U G I NJC ,S I G O I L L O TJc , e ta 1 .W e ts a n dc u l t u r e st os c r e e nf i l a m e n t o u sf u n g i f o rt h eb i o t r a n s f o r m a t i o no fp o l y c c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s [ J ] .B i o t e e h n o l o g yT e c h n o l o g y 。1 9 9 8 ,1 2 1 0 7 2 5 7 2 8 [ 11 ] F A K O U S S ARM .T h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc h e l a t o r so nt h es o l u b i l i z a t i o n /l i q u e f a c t i o no fd i f f e r e n t p r e t r e a t e da n dm a t u r a tl i g n i t e s [ J ] .F u e lP r o c e s s T e c h n o l ,1 9 9 4 ,4 0 2 1 8 2 1 9 2 . 责任编辑骆振福 万方数据