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中国矿业大学学报990 114 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第1期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 1 1999 乌达矿区高硫煤中菌藻类体的发现及意义* 代世峰 任德贻 唐跃刚 艾天杰 周 强 马凤学 李宝春 摘要 聚煤环境是高硫煤形成的主要控制因素，在成煤作用过程中，细菌和藻类的参 与是高硫煤形成的关键所在. 应用带能谱仪的扫描电镜（SEM -ED X）和透射电镜 （T EM ），在乌达矿区高硫煤9煤层和10 煤层的基质镜质体中发现了黄铁矿化的杆状菌 落，在无结构镜质体中发现了蓝藻胶鞘及其降解有机质，这些菌藻类体的发现表明低 等生源在高硫煤形成过程中起了重要作用. 关键词 杆状菌落，蓝藻胶鞘，乌达矿区，高硫煤 中图分类号 P 6 18 . 11 Fi n d i n g s a n d Si g n i f i c a n c e o f A l g a e a n d Ba c t e r i a i n H i g h -Su l f u r Co a l Se a m s i n W u d a Co a l f i e l d , I n n e r M o n g o l i a D a i Sh i f e n g Re n D e y i T a n g Yu e g a n g A i T i a n j i e Zh o u Q i a n g D e p a r t m e n t o f Re s o u r c e Ex p l o i t a t i o n En g i n e e r i n g , CU M T , Be i j i n g 10 0 0 8 3 M a Fe n g x u e Li Ba o c h u n I n n e r M o n g o l i a W u d a Co a l Bu r e a u ， W u h a i 0 16 0 40 A b s t r a c t T h e d e p o s i t i o n a l e n v i r o n m e n t i s t h e m a i n f a c t o r f o r h i g h -s u l f u r c o a l f o r m a t i o n , a n d s o i s t h e p a r t i c i p a t i o n o f b a c t e r i a a n d a l g a e . I n t h i s p a p e r , t h e a u t h o r s f o u n d t h e p y r i t i z e d r o d -l i k e b a c t e r i a i n d e s m o c o l l i n i t e a n d t h e Cy a n o p h y t e s ’s g e l a t i o n o u s s h e a t h a n d t h e d e g r a d e d o r g a n i c m a t t e r o f b l u e g r e e n a l g a e i n c o l l i n i t e o f h i g h -s u l f u r c o a l s e a m s No . 9 w So 2 . 6 7 a n d No . 10 w So 2 . 54 u s i n g SEM -ED X a n d T EM . T h e s e f i n d i n g s o f b a c t e r i a a n d a l g a e s u g g e s t t h a t t h e y p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e h i g h -s u l f u r f o r m a t i o n . K e y w o r d s r o d -l i k e b a c t e r i a , Cy a n o p h y t e s ’s g e l a t i n o u s s h e a t h , W u d a c o a l f i e l d , h i g h -s u l f u r c o a l 高硫煤的化学性质和地质成因（聚煤环境）与低硫煤迥异，而聚煤环境是高硫煤 形成的主要控制因素［1］. 高硫煤的形成是一个复杂的地质过程，其中硫酸盐还原菌的 参与提供了使硫酸盐还原成硫化氢所需要的能量，为高硫煤的形成提供了能量基础. 藻 类在改变介质环境，影响元素的存在状态和活性方面有积极的贡献，并且菌藻类均富 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 114. h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 43 中国矿业大学学报990 114 含蛋白质，能提供比高等植物多的有机硫. 关于煤中菌类体，虽见诸多报导, 但主要是真 菌的菌丝体和菌核，对腐植煤中藻类体的降解有机质的报导甚少. 本文应用带能谱仪的 扫描电镜和高分辨率透射电镜对内蒙古乌达矿区的煤层进行了系统观察和分析，在高 硫煤层9煤层和10 煤层中发现了一些细菌化石和藻类的降解有机质. 它们是煤的成因标 志，也是导致高硫含量的主要原因之一. 乌达矿区9煤层和10 煤层位于石炭系太原组的中上部，9煤层是在无障壁或障壁砂 坝不发育的陆棚或分流间湾的环境下形成的煤层，镜质组Ro , m a x＝1. 10 ％；10 煤层是在 潮控下三角洲平原形成的煤层，受潮汐和波浪作用的影响较强，镜质组Ro , m a x＝ 1. 18 ％；煤样的微量元素测试结果表明，B的质量分数w B 高达0 . 0 11，w Rb ∶w K ＝ 0 . 0 0 3 7 ，反映沉积时水介质条件已受到海洋介质的控制［2 ］. 这两个煤层的w St , d 平均 值分别为3. 46 ％和3. 42 ％，属于高硫煤，其w So 分别为2 . 6 7 ％和2 . 54％. 1 样品与试验 样品来自乌达矿区9煤层和10 煤层，其主要的煤岩煤质参数和聚煤环境如表1所示. 表1 9，10 煤层聚煤环境及煤岩煤质参数 T a b l e 1 A c c u m u l a t i n g e n v i r o n m e n t a n d p a r a m e t e r s o f p e t r o l o g y a n d q u a l i t y o f No . 9 a n d No . 10 c o a l s e a m s 煤层聚煤环境φ Vφ I φ Eφ M Ro , m a xw St , d 9陆棚或分流间湾1. 10 10 潮控下三角洲平原1. 18 注V. 镜质组；I . 惰质组；E. 壳质组；M . 矿物. 用粉末法制成透射电镜观察所需样品，先是用手选的方法挑出煤中的无结构镜质 体，用玛瑙碾钵把清洗的无结构镜质体磨成粉末，滴入无水乙醇，然后置于超声波仪 中槽洗，用铜网捞起浮于表面的粉末，在烘箱中烘干即可. 用于扫描电镜观察的样品是 粉煤光片，煤粒小于1m m ，为了增加样品的导电性，以获得良好的测试效果，在样品 表面喷涂一层碳膜. 样品观察分别在北京理化分析测试中心（高分辨透射电镜EM 40 0 ） 和北京石油勘探规划设计院（高分辨扫描电镜）完成. 2 黄铁矿化的杆状菌落和蓝藻降解有机质的确认及形态特征 2 . 1 黄铁矿化的杆状菌落的确认 在现代微生物学中，对细菌的鉴定需要根据其形态、大小、培养特性及化学组成 等，然而，作为以矿化残迹存在的细菌体只有形态和大小的鉴定依据. 在扫描电镜下， 其外形特殊，边缘不整齐，具有菌落的外形（图版1），个体呈针状或长柱状晶体，大 小多为1～2 μm （图版2 ），群体排列呈放射状（图版3），并有阶段生长的现象 （图版4），其细胞的大小大多小于1 μm ，而且菌落的大小亦仅百余微米. 能谱仪结 果分析表明，其成分是黄铁矿，说明在地质演化过程中，菌类体已被黄铁矿彻底交代. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 114. h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 43 中国矿业大学学报990 114 1 黄铁矿化杆状菌落，具有菌落的外形，SEM ，2 8 5 2 黄铁矿化杆状菌落，个体呈针状或长柱状晶体，SEM ，2 8 57 3 黄铁矿化杆状菌落，群体排列呈放射状，SEM ，16 2 8 4 黄铁矿化杆状菌落，具有阶段生长的现象，SEM ，2 142 2 . 2 蓝藻降解有机质的确认 在正常情况下，藻类死后会发生自溶和多种微生物酶解作用. 其降解速度可能很 快，藻体较快消失；也可能是缓慢的或有可能成为化石保存下来，这首先取决于藻体 的结构性质和组成成分，特别是细胞壁的结构. 蓝藻的细胞壁由胞壁质、肽聚糖组成， 极易收缩变形，在一定条件下极易分解，所以蓝藻细胞壁一般不易保存或保存较差， 不易分辨. 但蓝藻细胞壁的外围常具不定形的果胶质构成的胶壳，在气生、亚气生条件 下极难分解，即使在突然的高温、低温、干燥或短时浸水的条件下都不会分解，因此 有可能保存下来［4］. 在T EM 下，可以识别出以下几种藻类体的形态图版5的选区X衍 射分析表明为有机质，是9煤层无结构镜质体中可能保存下来的丝状蓝藻胶鞘，无细胞 结构；图版6 可能是丝状蓝藻降解保留下的有机质，腔状结构可能是蓝藻细胞降解收缩 留下的部分痕迹，并不是原来的细胞. 图版7 是矿化的藻类有机质，这些有机质大多和 蓝藻类有关. 在SEM 下（图版8 ），能谱测定结果表明其成分是黄铁矿，但具有方解石的 晶形，其内部是球状细胞，直径约1. 5～3μm ，可能和蓝藻色球藻科 （Ch r o o c o c c a c e a e ）群体被矿化有关，保存了某些球状细胞，但该细胞已明显收缩变 形. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 114. h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 43 中国矿业大学学报990 114 5 丝状蓝藻胶鞘，T EM ，8 57 1 6 丝状蓝藻胶鞘降解收缩留下的部分痕迹，T EM ，12 142 7 矿化蓝藻有机质，T EM ，32 8 5 8 蓝藻色球藻科群体被矿化，细胞已收缩变形，SEM ，17 14 2 . 3 菌藻类体对高硫煤形成的贡献 在9煤层和10 煤层泥炭聚积期间，由于受到海水的影响，SO 2 - 4供给充分，弱还原 和弱碱性的介质条件有利于细菌的繁殖和活动，生成了大量的H 2S，为高含量的有机硫 和黄铁矿的生成提供了物质来源. 海水中的H 2S只能通过细菌的活动而形成，因为根据 反应动力学，对硫酸盐由纯化学的还原反应转变成非硫化物来说，能量是不足的［5］. 煤中有机硫和黄铁矿的硫同位素都比较轻，经测定，δ34S值分别为-12 . 3～2 . 5和- 18 . 7 ～1. 1，说明了泥炭沼泽聚积期有大量的细菌活动. 煤中的主要显微组分组镜质组以基质镜质体为主，其体积分数可达整个有机显微 组分的6 4. 7 ，表明该煤层的凝胶化程度很高，亦是细菌强烈活动的证据之一. 凝胶化 程度与煤中有机硫呈正相关，凝胶化程度越高，煤中的有机硫的含量也越高［3］，还 原条件下，细菌对有机质的降解作用使有机分子变成较活泼的小分子，在单位结构单 元中增加了活性官能团，有利于有机质与无机硫的反应. 另外，细菌富含蛋白质，而且 世代交替很迅速，大多很快在沼泽介质中降解，得以黄铁矿化保留其形态的只占一小 部分，因此参与形成泥炭的菌类会带来高于高等植物的有机硫. 藻类在其生长和死亡后降解过程中，可在元素富集、改变环境p H 值和Eh 值、改变 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 114. h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 43 中国矿业大学学报990 114 水体中元素平衡系统和元素沉淀等方面对煤中有机硫和黄铁矿的形成发挥重要作用. 据 刘志礼（1996 ）研究表明，藻类在生长过程中，使微环境中p H 值上升到10 以上，使微 环境Eh 值下降近10 0 m V，影响金属元素在水体中的自由离子无机络合物有机络合 物沉淀平衡系统，影响元素的存在状态和活性［6 ］. 藻类有机体（包括胞外产物）经 长期的微生物和化学作用，生成一类含有多官能团的结构复杂、性质稳定的分子量范 围较广的混合有机质，这类物质称腐殖质. Ra s h i d 和K i n g （196 9）研究了海底腐殖质， 其分子量为7 0 0 ～2 0 0 0 0 0 . 腐殖质具有许多物理和化学性质，如离子交换性质、表面吸附 作用和螯合作用. 海水腐殖质是含有芳香结构和多种活性较高的官能团（-CO O H ，- O H ，-NH 2等）的负胶体，其与水体中金属离子蛰合作用很强，一般的金属氧化物， 即使是最难溶的氧化物在腐殖质作用下也有微弱的溶解度，腐殖质还有还原性和胶体 性质，能使变价金属元素处于低价态，易被溶解，促进了煤中黄铁矿的形成. 藻类体本 身含有比高等植物多的有机硫，藻体在降解过程中，可以提供硫源，为有机硫和黄铁 矿的生成提供物质来源，途径之一藻体在有机质参与下，硫酸盐还原产生H 2S，在细 菌参与下，硫酸盐→H 2 S；途径之二藻体含硫有机质在降解过程中产生大量H2S ［6 ］. 另外，藻体有机质的降解，可改变介质性质使之成为还原环境，并提供热能，从 而改变泥炭沼泽的聚积环境［6 ］，藻类腐殖质在泥炭沼泽中硫的供给，铁离子溶解、 迁移、富集和沉淀等方面具有重要意义. 3 结 论 聚煤环境是高硫煤形成的主要控制因素，乌达矿区高硫煤层中黄铁矿化杆状菌落 和蓝藻降解有机质的发现表明，菌藻类不仅在自身的降解过程中可以提供比高等植物 多的有机硫，而且在高硫煤形成过程中，细菌为把硫酸盐还原成H 2S提供了能量来源， 煤层的凝胶化程度、细菌的活动性和煤中硫的含量呈正相关；藻类可以改变介质环境 的p H 值和Eh 值、在硫元素的富集、迁移、改变水体中元素平衡系统方面对煤中有机硫 和黄铁矿的形成发挥重要作用. 致 谢 感谢南京大学刘志礼教授和边立曾教授帮助鉴定了菌藻类化石、感谢中国矿业大 学北京校区张鹏飞教授和中科院地质研究所李菊英研究员的热情指导 *煤矿炭科学基金资助项目（97 地10 2 0 5） 作者简介 代世峰，男，197 0 年生，工学硕士 作者单位代世峰 任德贻 唐跃刚 艾天杰 周 强中国矿业大学资源开发工程系 北京 10 0 0 8 3 马凤学 李宝春内蒙古乌达矿务局 乌海 0 16 0 40 参考文献 1 Ch o u C L. G e o l o g i c a l f a c t o r s a f f e c t i n g t h e a b u n d a n c e , d i s t r i b u t i o n , a n d s p e c i a t i o n o f s u l f u r i n c o a l s . I n Ya n g Q , e d s . Pr o c e e d i n g s o f t h e 30 t h I n t e r n a t i o n a l G e o l o g i c a l Co n g r e s s , Vo l . 18 , Pa r t B, G e o l o g y o f Fo s s i l Fu e l s -Co a l . T h e Ne t h e r l a n d s VSP, U t r e c h t , 1997 . 47 ～57 2 彭苏萍，张建华. 乌达矿区含煤地层沉积环境及其对矿山开采的影响. 北京煤炭工 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 114. h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 43 中国矿业大学学报990 114 业出版社， 1996 . 52 ～7 8 3 雷加锦，濮英英，任德贻. 贵定超高有机硫煤中的细菌体及其意义. 岩石学报， 1995，11（4）456 ～46 1 4 刘志礼. 化石藻类学导论. 北京高等教育出版社，1990 . 58 ～8 4 5 代世峰，任德贻，唐跃刚等. 乌达矿区主采煤层泥炭沼的演化及其特征. 煤炭学报， 1998 , 2 3（1） 7 ～11 6 叶连俊. 生物有机成矿作用. 北京海洋出版社，1996 . 198 ～2 0 6 收稿日期1998 -0 6 -0 9 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 114. h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 43