中国矿业大学
《生物工程专题研究》结题报告
专题题目: 褐煤的微生物降解研究
学 院 化工学院
班 级 2008级生物工程2班
姓 名 吴金钛
学 号 06082854
分 数
评阅教师
二O一一 年 十二 月 五 日
褐煤的微生物降解研究
吴金钛
(中国矿业大学化工学院，江苏省徐州市，221116)
[1] 摘 要 我国已探明褐煤的保有储量是1300亿吨，占煤炭储量的13%。这些低阶煤直接燃烧不仅热效率低，工业应用价值低，长期堆放还会造成能源的浪费和环境的污染。因此褐煤的合理开发和充分利用成为一个指的人们深思的研究课题。而褐煤的生物转化和利用研究为人们开辟了一条实现煤炭高效和清洁利用及可持续发展道路。对维护全球的健康发展和人类生存有着重要的贡献和深远的意义。
关键词 褐煤 生物降解
1.褐煤的微生物降解研究的意义
褐煤是一种只经过岩化作用而质变作用不充分的低阶煤，有的仍保有植株的原貌，也正因为如此褐煤含水量高、挥发分高、且易于风化破碎、容易发生自燃，
[2][3]不适于长途运输和储存，只能直接燃烧发电。但褐煤直接燃烧不仅热效率低，
[4]而且易产生大量的粉尘，造成严重的环境污染。
中国属于缺油、少气、富煤的国家，为适应国家经济的快速增长必要的从国外进口大量的非煤化石燃料以填补巨大的能源空缺，但是出于能源安全角度，又不能过度依赖国外进口，因此通过将储量很大，热值和利用价值不高的褐煤、风化煤等煤炭资源通过生物转化，以补充其他化石燃料之不足，就显得尤为重要。
同时通过生物转化降解获得的产品适应国家提倡的低碳之路和提高能源利用率的要求，为煤炭高效清洁利用和可持续发展开辟了一条新道路。
2.褐煤的组成
褐煤属于最年轻的煤，其煤炭形成经历了两个过程:泥炭化与煤化过程。泥炭化过程，植物体中的纤维素先降解为单糖，木质素则逐步氧化成结构复杂多变的腐植酸及水溶性的苯环衍生物，结果植物残体逐渐就转化呈腐殖质。其中大量的-OH -COOH 等活泼官能团及活泼的á-氢作用生成的新的产物如腐植酸和沥青等。形成的泥炭当被其它沉积物覆盖时，泥炭化阶段作用结束，生化作用逐渐减弱停止，紧接着在温度和压力为主的物化作用下，进入煤化阶段，泥炭就逐步转化成了褐煤因此煤中含有丰富的孔结构及大量的-OH -COOH 等典型结构。由于低阶煤中含有大量的-OH -COOH 等典型结构与木质素的结构的芳香族化合物相似，低阶煤分子中的侧链及桥键较多活性官能团含量较高易被微生物作用，因此[5]可以采用含有木质素酶系可以对木质素进行降解的菌体对褐煤进行降解。
3.褐煤微生物降解的机理
经过国内外人员的多年研究发现，煤的微生物降解具有可行性，降解过程随
具体的煤种、菌种和环境条件变化而存在差异。根据多年研究成果，研究者们总
[6]结了3种主要的降解机理:碱作用机理、生物螯合剂作用机理和酶作用机理。
(1)碱作用机理:微生物在生长过程中产生的碱性物质。例如氨、多胺及一些肽类化合物参与煤的液化。1987年，Strandberg报道了放线菌培养过程中会产生一种胞外物质能够将煤液化，之后经提取检测发现这种物质不能被蛋白酶降解，同时他们还发现煤液化的过程随PH升高煤的液化量越高，由此他们判定之
[7][8]前所提的这种胞外物质并不是生物酶，而可能是一种碱性的代谢物质。1989年Quigley的研究成果也表明微生物产生的碱性代谢物很可能是一种影响煤降解
[7][9]的因素之一。但国内的一些学者在近几年的研究中，得到的结论是煤在降解过程中，培养基的PH值不但不会上升反而会下降，且液化煤量随PH值下降而上升，这种结论与国外研究人员得出的结论恰好相反，因此说碱性溶解机理有待
[10]于验证。
(2)生物螯合剂作用机理:1998年，Quigley等报道褐煤中存在多价金属离子，这些金属离子在褐煤中起到了桥梁作用，在脱除这些多价金属之后，煤炭能够更
[7][11]多地溶解在稀碱之中，同时生物溶解增强发生的氧化作用减少。之后Cohen等人利用云芝溶解煤的试验中发现煤的溶解程度和草酸盐相关，试验证明褐煤的
[12]金属离子经螯合剂作用，煤的溶解度得以提高。但是用昂贵的培养基培养微生物来产生碱性物质和螯合物，不但产生速度慢，而且目标产物浓度低，副产物多，从经济角度而言，这种途径并不适应于大规模化生产。
(3)酶作用机理:很早之前，人们就知道有些酶可以直接降解木质素，而褐煤属于一种转化不充分的低阶煤，还保留了很多原始植株的特性，通过成分分析也确定了褐煤中存在一定的木质素，由此人们推测这些能够降解木质素的酶是否也能够也能够降解褐煤，并且以能够降解木质素的微生物作为筛选溶解煤的微生物的最初基础。自然界中能够生成木质素降解酶可降解木质素的微生物大多数是担子菌纲目的白腐真菌。木质素降解酶系包括木质素过氧化酶、锰过氧化酶和其他过氧化酶。实际上，由于煤的生物降解是一个复杂的生化反应过程，菌种不同参与降解的活性物质也不同。同一菌种于不同培养基之中，对于不同的煤种而言，
[7]其产生的降解煤的活性物质也可能不同。
根据上述的三种降解机理可知，第三种机理最适与试验研究，虽然纯酶的降解效率很高，但是对于纯酶的提取难度以及提取成本，决定了采用纯酶降解并不划算，因此试验普遍采用能够产生这些酶的菌体进行研究。
4.降解褐煤的微生物
对于微生物是否能够降解煤其主要依据在于它们的代谢产物之中是否包含分泌的酶、螯合剂等具有攻击煤之中或者类似于煤的有机化合物中某些成分、结[13]构等的作用，而从现有的微生物中进行筛选。例如，褐煤是一种转化不彻底的煤炭保留有部分的类似于植株木质素的结构，所以在筛选降解褐煤的微生物时可以考虑选择那些能够降解木质素的微生物比如黄孢平原革菌。煤中由于有芳环结构，可以采用球红假单胞菌进行研究。不同的微生物与不同煤样的作用之间存在一定的匹配关系。因此，不同煤种的降解煤的微生物的筛选就显得尤为重要。 现今已经分离鉴定出来的降解煤炭的微生物有很多。细菌类有枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，蜡状芽孢杆菌和假单胞菌DLC-07。放线菌主要为链霉菌:Streptomyces Uiridosporus TTA， Streptomyces setonii 75vi2，Streptomyces
badius，Streptomyces flaUoUirens，除此之外，还有报道Actinosynnema Sp.
真菌类中报道最多的是担子菌中的Phanerochaete chrysosporium，其它担子菌还有Trametes Uersicolor，Polyporus Uersicolor，Poria placenta，Coriolus Uersicolor;丝状真菌如:Paecilomyces Tli，Penicillium，Mucor，Aspergillus
Aspergillus ochraceus，Cunning hamella Sp.，Pleurotus florida，terricola，
Pleurotus ostreatus，Pleurotus caju，Pleurotus eryngii，Trichoderma Uiride，Stropharia Sp.，Fusarium oxysporum;酵母中的Canadida Sp. 也具[14]有降解褐煤的能力。细菌之中木质素降解能力最强的是放线菌，而真菌之中降[15]解能力最强的是白腐真菌。
5.褐煤的预处理
Scott提出，对于作用能力强的菌种，煤溶解程度似乎与煤的种类相关更大，而与微生物种类关系则次之。风化褐煤中植物残骸明显可见，含氧高达28%-29%，易于被溶解，含氧40%的北达科他褐煤也易被真菌降解，但对于大多数未经预处[8]理的褐煤及年轻烟煤却不能被试验的真菌所降解。
从上述报道的试验结果看，低阶煤也需经过预处理才易于被真菌所降解。 微生物降解褐煤的试验中，褐煤的预处理方式比较多，例如硝酸处理、NaOH浸
H取处理、O处理及微波处理等。在王龙贵等人的试验中曾经利用上述几种方式22
对褐煤进行预处理，通过简单的试验结果比对可以看出采用硝酸预处理效果更为明显，但采用硝酸是否是一种最好的选择，还需要根据具体的试验研究才可以确认，因为是否存在比硝酸预处理效果更好的处理方式，尚待探究，再者对于其它几种预处理方式其采用处理的物质的浓度、微波波长是否都是试验最适情况，是否可能存在比对时存在硝酸使用最适浓度处理而其他物质没有采用最适条件，因此还不能完全否定其它处理方式一定不如硝酸预处理效果。此外预处理时的最适
[10]硝酸浓度也需要根据具体的试验加以确认。
6.褐煤降解的条件选择
6.1菌株的选择
6.1.1单纯的一种菌体
(1)白腐真菌:是对一类能够降解木质素的真菌的总成，因降解木材后留下的残留物呈白色而得名。其在生物学上分类属于担子类，腐生于树木或木材上，使木材上出现袋状、片状或有环痕状等形状的淡色海绵状团块，菌丝体为有隔膜多核态(达15个)，它通常以无性生殖方式构成其生活史。在环境诱导下可形成担孢子，其有性结合方式为同宗配合，所形成担孢子是核质相同的双核体。白腐菌依靠降解木质纤维材料的能力穿入木质, 侵入木质细胞腔内, 释放降解木质素和其它[16]木质组分的酶, 导致木质腐烂成为淡色的海绵状团块——白腐。最适生长温度:28,38?，可根据白腐菌的特征反应即Bavendamm反应来进行鉴定。
(2)绿色木霉，主要降解木材中纤维素和部分的木质素，腐生于木质和纤维类物质上，使其腐朽，产生绿色霉状物，其适应性强，广泛存在于自然界的各种有机物质中，常以分生孢子的形式漂浮在空气中，最适生长温度:28,38?，营养要求不高;在营养丰富的基质上生长非常迅速，菌落很快长满整个培养皿，菌落呈绿色绒状。培养生长过程中产生纤维素酶，而分解纤维素。
(3)褐腐菌是使木材呈褐色腐朽类真菌，其降解木质素能力弱于降解纤维素
能力。其大部分属于担子菌，主要降解木材中的多糖，不能完全降解木质素，只[17]能改变木质素的性质，如脱甲基反应等，并参与腐殖质的形成。褐腐菌丝一般聚集在木材细胞腔内，从已有孔口或细胞壁上钻洞进入邻近细胞，因分解过程中，褐腐菌先从次生细胞壁物质开始降解，初生细胞壁中间层特别抗褐腐菌分解，因其木质素含量高。褐腐菌分解时，木质素中的甲氧基明显地减小，进一步分解时
,38?，大部分多糖被消耗，细胞壁塌陷，造成木材体积减少。最适生长温度:28其生长相对较慢，菌丝短。
在国内张明旭等人做的真菌降解义马褐煤的研究试验中，以上述3种菌体分别在同一条件下分别降解褐煤再同3种菌体混合降解褐煤效果进行对比，可以看到菌体混合降解效果最优，褐腐菌次之，白腐菌再次之，绿色木霉最差，但相比于空白组加有菌体的褐煤降解效率都明显提高，说明利用菌体降解褐煤确能提高褐煤的降解效率，且不同菌体降解褐煤的能力有所不同，混合条件下可能取得最[18][19]佳效果。但对于混合菌体中每种菌体的选择也非常重要，其直接结果就是影响混合后混合菌体对褐煤的降解能力。
6.1.2两种或多种菌体混合
通过单纯菌体与多种菌体混合降解的比对可以知道单纯菌体降解褐煤的效果可能不如菌体混合降解的效果更佳。其中的根本原因在于褐煤的降解是多种菌体协同降解的结果，例如白腐真菌木质素降解酶系包括锰过氧化酶、木素过氧化酶和漆酶，而白腐真菌中的黄孢原毛平革菌就不产漆酶，因此试验过程中倘若使
[20]用到该酶去降解褐煤，就需要和能够产漆酶的其他菌体混合使用。此外由于木质素酶系中不同的酶所起的作用不尽相同，因此降解能力也存在一定的区别，根据国外C.Y.Liew等人研究的结果表明，对木质素的降解主要是占优势的酶所
[21]起的作用，所以筛选菌体时可以根据菌体分泌酶的种类及占有比例，根据试验需求来确定所需的菌种。
6.2PH和温度的影响
PH和温度的选择主要是根据试验具体采用的菌体类型，对于单纯的菌种而言最适PH可以根据相应的文献资料查找得知，而对于两种或两种以上的菌体而言其对褐煤降解的效果最佳尚需通过正交试验加以确定，但大致的范围可以根据各种菌体的大致最适温度确定一个大范围，再将大范围分解为离散的点，通过对每个点的试验综合结果确定降解的最适温度和PH。但对于菌体的最适温度和PH需注意其繁殖最适条件与其降解最适条件之间可能存在差异，因此在刚借种是主要是使得菌体快速生长，此时最适条件就是菌体的最适生长繁殖条件，对于之后已经达到菌体数最大的稳定期时，需要将培养条件调整至降解最适条件。 6.3煤炭粉碎颗粒度大小
煤粒大小对于降解煤作用起到了很大的影响。理论上煤粒越小越易于菌体的降解，但是如果综合经济可行性而言，只能根据实验确定最优的煤颗粒大小，且对于不同种类的煤而言，其最优的煤颗粒大小处在一定的差距。对于煤颗粒越小越易于菌体降解，其原理在于微生物的降解转化作用主要是氧化水解，同时攻击煤中的多环芳烃大分子结构中的薄弱价键，使得薄弱价键断裂;这种作用主要发生在煤颗粒的表面，降解速度受到微生物释放的酶类降解物质扩散到煤的基体内部的速度及颗粒的表面积两个因素控制。因此，煤的粒度越细，孔隙度越大，微生物释放的酶类物质和煤接触面积就越大，煤的降解程度和降解速度就越大，降解作用效果就越好。
6.4菌液用量
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