基金项目:国家自然科学基金(21373158); 陕西科技厅中澳合作项目(No.2013KW17)
通讯作者:刘向荣(1979-),女,陕西西安人,博士,教授,博士生导师,E-mail:liuxiangrongxk@163.com
1.西安科技大学 化学与化工学院,陕西 西安 710054; 2.商洛学院 化学工程与现代材料学院,陕西 商洛 726000
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China;2.College of Chemical Engineering and Modern Materials,Shangluo University,Shangluo 726000,China)
coal bioconversion; degradation; products of coal bioconversion
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2017.0117
国家战略安全决定了我国能源战略必须立足国内优势煤炭资源,走以煤代油、煤炭绿色转化之路。煤的微生物转化是煤炭,特别是低阶煤洁净高效利用的最有效方式之一,并因其设备要求简单,转化条件温和,能耗低,产物利用价值高等优点,成为煤炭转化和清洁利用领域的研究热点。文中综述了国内外近30年对微生物降解煤的研究状况,主要从煤种、溶煤微生物、影响微生物溶煤过程的因素、溶煤产物的分析和用途等方面进行了归纳总结,并对微生物降解煤的前景和方向进行了展望。
National strategic security requires that energy strategy must be based on the abundantdomestic coal resources.We need a green and clean way to transform the coal in order to replace oil.Biotransformation of coal is one of the most effective ways to clean utilization of coal,especially the low rank coal,which due to the simple equipment requirements,mild conversion conditions,low energy consumption,high value of biotransformation products and so on,has become a research hotspot in the field of coal conversion and clean utilization.In this paper,the research status and progress in microbial transformation of coalfor the past thirty yearswere reviewed in terms of types of coal,microorganisms,influential factors of coal bioconversion,analysis methods and uses of coal bioconversion products,etc.Finally,the further work and direction of coal biodegradation were prospected.
中国是煤炭大国,探明储量位居世界第三,是煤炭开采大国,同时也是消费大国,大约70%的能源消费依赖于煤炭,随着优质煤的抢先开采和利用,低阶煤所占的比例日益上升,其中最主要的是褐煤,已探明保有储量达1303亿吨,占全国煤炭储量接近13%[1-2]。褐煤由于其高水分、高灰分、高挥发分和低热值的特点,直接燃烧热效率低,污染极大。所以,开展把褐煤转化为高附加值化学品或者液体、气体燃料实现其清洁利用的研究势在必行[3-7]。煤的微生物转化(或称微生物溶煤,煤的微生物降解)指利用真菌、细菌和放线菌等微生物的作用来实现煤的溶解、降解、液化或气化,以获取清洁燃料和其它化学品,该过程具有设备要求简单、转化条件温和、能耗低、转化效率高、产物利用价值高等一系列优点[8-11]。利用微生物转化煤,实现煤炭的清洁利用融合了生物技术、矿物加工和化学化工等学科的前沿技术,在低阶煤(特别是褐煤和泥炭)的综合利用方面具有广阔的发展前景。
早在1908年,M.C.Potter[12]就报道了微生物有助于煤炭的氧化。直到上世纪80年代,F.V.Fakoussa[13]和M.S.Cohen[8]相继报道了假单胞菌和白腐菌能够降解煤,这一实验事实引起了各国研究者的极大兴趣。1989年德国北威州政府出资400万马克资助斯图加特、波恩和图宾根大学、马克斯·普朗克煤炭研究所等机构进行如下课题的研究:煤和煤基产物生物化学转化的基础研究,烃类的厌氧微生物转化,与煤有关的有机模型化合物的微生物降解,原煤和预处理煤的微生物转化[14]。经过30多年的研究和发展,煤的微生物转化研究已取得了喜人的成果,但也存在很多难题亟待解决,比如:煤微生物转化机理至今不明确,高效稳定煤降解菌株有限且缺乏普适性,煤微生物降解产物成分难以确定和分离纯化,煤降解产物的利用受到限制,等。
文中从可被微生物降解的煤种、降解煤的微生物、煤的预处理方法、溶煤方式、影响溶煤效果的因素、溶煤机理、溶煤产物的分析表征方法、溶煤产物的用途、煤的微生物产气研究等方面对煤微生物转化的研究现状和进展进行综述,并对微生物降解煤的前景和方向进行展望。
煤是亿万年前埋在地下的植物遗体经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的沉积有机矿产,是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。煤化程度从低到高依次为:褐煤、烟煤、次烟煤和无烟煤。煤化程度越低稠环结构越少,脂肪链状结构越多,含有更多类木质素结构,其结构更趋近于原始植物残体,越有利于被微生物降解。Yang W J等[15]对中国风化煤和泥炭进行了铜绿假单胞菌(Psuedomonas aeruginosa)和瓦克青霉菌(Penicillium waksmanni)的降解研究,发现2种菌能很好地把经过预处理的煤样转化为液体产物。何环等[16]以白音华褐煤为原料,进行了产气研究,结果表明产气菌群能够利用白音华褐煤进行产气,驯化培养后,产气量明显增加,周期缩短。石开仪等[17]利用白腐真菌(Hyporcea lixii AH)对抚顺长焰煤进行了降解研究,该菌对硝酸氧化抚顺长焰煤的液化率达到44.86%.陈宏贵等[18]对榆林煤进行了微生物转化试验,发现硝酸预处理煤样能够提高煤的微生物降解率,该实验用 5 mol /L 硝酸预处理的店房台煤样降解效率最好。李慧等[19]用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)对光氧化预处理神府煤进行了生物转化研究,结果表明紫外氧化预处理可以促进神府煤的微生物转化。苏现波等[20]分别以不同矿区的长焰煤、焦煤、瘦煤为基底,以白腐真菌为接种菌进行了溶煤研究,发现随着煤的变质程度升高,白腐真菌对其降解率降低。综上所述,低阶煤多被作为微生物转化的煤种。
能降解煤的微生物主要有真菌、细菌和放线菌3类。能降解煤的真菌有:多孔彩绒革盖菌(Polypores versicola),桑生卧孔菌(Poria moricola)[8,21],绵腐卧孔菌(Poria vaporaria),桦剥管菌(Piptoporus betulinus),黄色镰孢菌(Fusarium culmorum),蒜头状小皮伞菌(Marasmius scorodonius),硫磺多孔菌(Laetiporus sulphureus)[22],曲霉菌属(Aspergillus sp.),木耳菌属(Auricularia sp.),达氏小杯伞菌(Clitocybula dusenii),长囊头孢菌属(Doratomyces sp.),多年异担子菌(Heterobasidion annosum),平菇(Lentinula edodes),烟色沿丝伞菌(Nematoloma frowardii),费氏新萨托菌(Neosartorya fischeri),青霉菌属(Penicillium sp.),橘青霉菌(Penicillium citrinum),糙皮侧耳菌(Pleurotus ostreatus),朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus),变色栓菌(Trametes versicola),木霉菌属(Trichoderma sp.)[23],黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)[24],杂色云芝(C.Versicolor)和金菇(Golden Mushroom)[25]等; 细菌有:节杆菌属(Arthrobacter sp.),蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus),短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus),枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)[23]等; 放线菌有:栗褐链霉菌(Streptomyces badius),西唐氏链霉菌(Streptomyces setonii),绿孢链霉菌(Streptomyces viridosporous)[22]等。Celal F.Gokcay等[26]进行了几株白腐菌对土耳其埃尔比斯坦3种褐煤的降解研究,发现其中之一的黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)对褐煤的降解率达到了60%.杨金水[27]对斜卧青霉(Penicillium decumbens P6)产生的过氧化物酶进行了分离纯化和性质研究,发现在液体培养到达4天时,过氧化物酶的活性即可达到最大。李叶珺[28]利用分离的葡萄球菌属(Staphylococcus JH-2)对霍林河褐煤进行了除氮研究,表明在缺氧状态下,吡啶作氮源进行微生物降解的作用机理既不同于好氧状态和完全厌氧状态,也不同于吡啶作碳源时的降解机理。张明旭等[29-31]筛选出了3种木质素降解真菌,研究发现3种真菌的混合菌对煤的降解作用最强。王春颖等[32-33]从环境中筛选培育鉴定了多种放线菌,并研究得出了所选育的放线菌降解风化煤的较优条件。Zaixing Huang等[34]研究了黑管菌(Clarinet bacteria)转化粉河盆地次烟煤的解聚过程,发现硝酸是最佳的煤前处理试剂。Manoj B.[35]利用黑曲霉(Aspergillus niger)去除印度次烟煤中的矿物质,认为是菌体产生的葡萄糖酸、草酸和柠檬酸能够将煤中的矿物转变成矿物盐去除。Irena Romanowska等[36]从原油碳氢降解菌中筛选出戈登氏菌(Gordonia alkanivorans S7)和蕈状芽孢杆菌(Bacillus mycoides NS1020)用于降解原褐煤及经硝酸预处理的褐煤,这是把原油碳氢降解菌用于溶煤的首次报道。总之,在微生物降解煤的研究方面,真菌是最主要的微生物,细菌次之,放线菌的研究最少。
煤大分子不溶于中性水,对于给定的煤样其生物溶解性很大程度上取决于煤大分子的含氧量[37]。硝酸、双氧水和臭氧氧化处理煤可以增大煤的溶解性,非氧化前处理煤的方法,如阴离子表面活性剂,碱性缓冲液,盐酸及金属螯合剂前处理,均能提高煤的溶解性。要把煤转化为低分子量的物质,需要具有广泛氧化和解聚作用的物理、化学和生物等多重方法的有效结合[38]。实验证明,煤的含氧量越高越易于被微生物转化,所以在微生物溶煤之前往往会对煤进行氧化预处理,比如硝酸氧化、双氧水氧化、纯氧氧化、热空气处理、微波、辐射处理等,这些预处理方式都能不同程度的提高煤的转化率。此外,还可以在微生物降解煤之前对原煤进行溶剂抽提处理,再对抽提物进行煤的微生物转化。Helena Machnikowska等[39]利用恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)降解褐煤和次烟煤,煤经硝酸处理后的降解率分别提高到90%和40%.李俊旺等[40]利用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)降解义马褐煤,考察了硝酸、双氧水和超声波预处理对降解过程的影响,发现3种预处理方式均可以提高煤的微生物转化率,硝酸预处理义马褐煤的微生物降解效果最好,测试分析显示预处理提高了煤中的含氧量。石开仪等[41]利用真菌AH降解经硝酸、微波和双氧水处理后的抚顺褐煤,发现硝酸预处理褐煤有明显的增溶作用。Sudong Yin等[42]研究了表面活性剂对溶煤过程的影响,指出表面活性剂的存在使得溶煤效率更高的原因可能是由于表面活性剂的双亲结构使得煤颗粒表面能更好的和生物酶接触,所以提高了溶解效果。Yao Jinghua等[43-44]将褐煤、氧化褐煤和褐煤微生物降解残渣用石油醚、二硫化碳、甲醇、丙酮和四氢呋喃抽提,抽提产物经GC-MS检测,结果表明产物中有单环或多环芳香烃及其衍生物,并且长链或含有较少支链烷烃及小分子的芳香烃化合物在石油醚和二硫化碳溶解物中有所增加。汪广恒等[45]以大豆中分离的蛋白质SPI为改性剂,用吸附和接枝的方法对神府煤及神府氧化煤进行了表面改性,由于接枝改性和吸附改性中SPI与煤的界面相互作用不同,从而导致不同的生物降解机理。周安宁等[46-49]对煤进行光-氧氧化处理,有效的提高了煤的微生物转化率。总之,煤的预处理方法较多,硝酸氧化的方式对提高煤炭转化的效率较好,但煤的预处理方法必须考虑其工业化可操作性,比如成本、环保性、安全性等等。从这方面来讲,硝酸氧化处理局限性较大,因为该方法处理后的煤需用大量水洗至接近中性,才能进行后续的微生物溶煤,单从这一点上讲,不仅需要大量水资源,且环保性和安全性都较差,故而,实用的原煤预处理方法还有待进一步研究。
溶煤方式主要有2种:固体溶煤和液体溶煤,具体为:固体培养基表面溶煤,液体溶煤以不同方式分为液体静置溶煤和液体动态溶煤,又可分为胞外液溶煤和细胞液溶煤,各有优缺点,总的来说固体溶煤方式更适用于实验室的菌种纯化筛选,而液体溶煤更有工业化前景。
1)固体培养基表面溶煤:即把营养物和琼脂组成的培养基经灭菌后倒平板或者倒斜面,然后在其表面划线接种,在适宜温度、湿度等环境条件下培养,待固体培养基表面的菌丝长到一定程度,把预先灭过菌的煤粉均匀撒在菌丝上,菌落就会以煤为碳源生长,继续培养,可以观察记录现象,并收集降解产物[5,50]。由于该方式不利于实现放大,降解产物分散于培养基中,不好收集,故而固体溶煤实际应用受到局限,但它很适用于试验初期的菌-煤筛选实验研究。王力等[51]分别采用固体培养基溶煤和液体培养基溶煤方法,比较了10株菌种对硝酸氧化褐煤的液化作用效果,发现不同菌种在不同溶煤时期优势程度不一,溶煤效果不同;
2)液体静置培养:在已灭菌的器皿中倒入少量液体培养基,将溶煤微生物接种到培养基中,在生化培养箱中静置培养一定时间,或多代培养驯化,待微生物生长旺盛后,加入预处理煤样(也可在接种微生物时直接加入煤样)振荡均匀,置于生化培养箱中静置培养一定时间,最后过滤,挑出菌丝体,烘干残渣,对煤残渣和滤液中的降解产物进行检测分析研究。这种方法易操作,在实验室中常用来和液体动态培养作比较;
3)液体动态培养:该过程与静置培养几乎一样,不相同的地方是在恒温动态的环境中进行培养,实验室常放置于全温振荡培养箱中。这种培养方法的优点是可使微生物与煤样充分接触,有利于微生物溶煤的进行,而静置培养不能达到这种效果;
4)胞外液溶煤:该方法是在液体培养中培养菌株,待菌丝生长一定时间后,通过真空抽滤等过滤方法得到无菌胞外液[52-53]。然后在其中加入灭过菌的煤,进行静置或摇瓶溶煤实验。该方法由于产物中没有菌丝体,溶煤产物容易收集,更利于探索溶煤条件和工艺;
5)细胞液溶煤:这种溶煤方式是直接把菌株、灭过菌的煤样和液体培养基一起加入容器中,在一定的条件下培养,进行溶煤实验。煤样可以在接种菌株时加入,也可以在菌株生长一段时间以后(一般是菌株进入对数生长期时)加入煤样,进行溶煤试验,反应后的产物经过滤把菌丝、未反应的残煤与液体分离,滤液可以再进一步离心,分离去除固体物质[54-56]。该方法操作简单,易于扩大,更适用于实际工业应用。
对于选定的煤种和菌种而言,影响溶煤效果的因素主要有:煤的氧化预处理、煤的粒度、煤浆浓度、菌接种量、溶煤时间、溶煤温度以及不同培养基的选用,液体动态培养还要考虑摇床的频率,固体培养还要考虑环境湿度等。尹艳[57]通过正交试验优化了多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)降解褐煤的工艺条件,得出影响权重依次为:煤样粒度>菌液用量>降解时间>煤浆浓度,各因素的最优水平为煤样粒度小于0.25 mm,菌液用量15 mL/100 mL,降解时间15 d,煤浆浓度2.0g/100 mL.王英等[58-60]研究了煤的溶胀预处理和氧化预处理对微生物溶煤的影响及菌株在不同培养基中的溶煤效果。煤的微生物转化是一个复杂的生命体代谢过程,微生物转化煤的最佳工艺条件要根据具体的煤种、菌种全面试验研究各影响因素,得出最优的转化条件,但由于煤炭的复杂性和微生物的生命体征,最优条件的得出需要开展大量的科学试验研究工作。
早期的降解菌株大多是从环境中分离、纯化和培养得到,比如从煤、矿井水、土壤、腐败植物中分离纯化微生物,然后进行溶煤试验,考察溶煤效果,得到对煤有降解能力的菌株。为了进一步得到高效优势菌株,国内外研究者对已知的降解菌进行驯化、诱变、基因工程技术改造以获得高效降解菌株,取得了一定的成果。Duu-Jong Lee等[61]对从环境中分离纯化微生物的传统和非传统方法进行了归纳总结,阐明了各方法的优缺点。石开仪等[62]从土壤中分离筛选出一株能液化煤炭的真菌,并进行了菌种鉴定及液化煤炭的研究。赵帅伟等[63]研究了微生物在土壤、煤泥、堆肥、腐木和矿井水中的分布情况,并考察了所分离菌群的溶煤效果。冯晓霄等[64-65]从煤样及煤水样中分离纯化菌株,并研究了其对新疆低阶煤的降解作用,选育出了3株与新疆低阶煤相匹配的降解菌株。王尚等[66]指出种类多样的产甲烷微生物广泛存在于煤层水或者煤层的煤样中,利用生物方法能促进煤层气产生和利用。王爱梅等[67-69]对球红假单胞菌(Rhodopseudomonas spheroids)进行诱变育种,获得了比原菌株降解率高的优势菌株。徐敬尧[70]利用生物基因工程的方法对球红假单胞菌(Rhodopseudomonas spheroids)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)进行细胞融合、基因重组方面的尝试,获得了对煤炭生物降解转化的高效工程菌; 并同步对球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌及其原生质体进行紫外和微波的物理诱变育种,选育了优良的煤炭生物降解转化新菌种。陈慧等[71]对一株来源于腐败枯草的真菌进行多次紫外诱变、亚硝酸钠诱变、微波诱变和联合诱变后,筛选得到一株溶煤优势菌株AH菌,加煤1 d后就会出现溶煤现象。Yue-Qin Tang等[72]利用16Sr DNA基因克隆技术对鄂尔多斯盆地2个不同煤化程度煤区的微生物群落进行了分析研究,得到了有益结论。汪少洁[73]选用苯胺蓝平板脱色法筛选出优势菌种白腐5 900,并对其生物特性进行了考察。总之,传统的分离方法是获得降解菌的基本方法,诱变和基因工程技术可以最有效的获得高效降解菌,是未来的发展方向。
煤经过微生物作用能够转化为溶于水或其它溶剂的低芳环小分子物质,但转化率因煤、菌种和溶煤条件而异[17],其溶解机理也至今不明,学者们根据实验结果提出的溶煤机理主要有:①酶作用机理; ②碱作用机理; ③螯合剂作用机理; ④ABCDE作用机理[74]。但对于某一溶煤过程,是哪一种机理为主,或者哪几种机理共同作用,各有不同,不能一概而论。HongLi Yuan等[75]的研究表明,斜卧青霉菌(Penicillium decumbens P6)能够分泌碱性物质、表面活性剂和胞外酶是其能够降解褐煤的原因所在。Lerato M.Sekhohola等[76-77]提出了降解木质素微生物和高等植物共同作用降解低阶煤的植物-微生物降解机制模型。可见微生物降解煤的机理比较复杂,不同的微生物和不同煤作用,其机理为何,需做针对性研究。以下对4种主要的微生物溶煤机理进行介绍。
酶能够降解木质素、褐煤,尤其是年轻褐煤中有较多类木质素结构,所以人们推测微生物降解煤是由于木质素降解酶的作用,从而把能够产生木质素降解酶的微生物作为最早的菌种筛选对象。进一步的研究表明在微生物溶煤过程中起作用的酶有过氧化物酶、漆酶、水解酶及酯酶等,特别是木质素过氧化物酶LiP,锰过氧化物酶MnP和漆酶的研究较为深入[78-79],如图1所示为木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶降解煤的作用过程。Glenn J K[80]首先发现白腐菌属(Phanerochaete chrysosporium)能够产生木质素过氧化物酶,后来的研究发现担子菌属(Phlebia radiate[81],Trametes versicolor[82],Bjerkandera adusta[83],Nematoloma frowardii[84])和子囊菌属(Chrysonilia sitophila[85])也能够产生过氧化物酶。锰过氧化物酶最初也是发现于白腐菌属(Phanerochaete chrysosporium),后来发现白腐菌属(Pleurotus ostreatus[86],Agariccus bisporus[87],N.frowardii[88],Clitocybula dusenii[89])均可在生长过程中产锰过氧化物酶。Hofrichter M[90]报道了锰过氧化物酶是腐殖酸降解的原因所在,而且这种酶在降解过程中的稳定性和活性都相当好。Gabriele Willmann等[91]分离出两株担子菌菌株,其中一株能够分泌锰过氧化物酶,另外一株能够产生2种氧化酶,分别具有漆酶和过氧化物酶活性,利用它们进行溶解德国某褐煤的研究,发现含有这些生物酶的无菌胞外液不能促进褐煤的溶解。Hofrichter M等[4]进行了霉菌溶解德国褐煤的研究,发现溶煤过程主要受到培养基中氮含量、煤含氧量的影响,而胞外氧化酶和过氧化物酶无论存不存在,木质素降解酶都对溶煤过程影响甚微。王龙贵等[92-94]利用白腐菌降解义马褐煤,发现降解作用主要是白腐菌分泌出的酶作用的结果。崔志芳[95]等为了进一步探讨漆酶在煤炭微生物溶解过程中的作用,考察了溶煤菌种在溶解褐煤过程中漆酶的表达量,以及另外两株产漆酶菌的漆酶表达量与溶煤效果的关系。由此可见,过氧化物酶、漆酶、酯酶等,这些生物酶在微生物降解过程中起着重要的作用。
图1 木质素过氧化物酶(LiP)和锰过氧化物酶(MnP)的作用机理[83]
Fig.1 Interaction mechanisms of lignin perokidase and manganses peroxidase with coal
一些研究发现某些真菌和放线菌在生长过程能够产生含氮碱性物质,其可以催化煤溶解和降解。Strandberg G W等[96]报道了放线菌在生长过程中能产生一种胞外物质,这种物质具有热稳定性且对蛋白酶有抵抗性,能够催化液化煤成为黑色液体。后续实验研究[97]发现pH值越高溶煤产物越丰富,而这与微生物分泌的多胺和聚胺类碱性物质的多寡密切相关。Jiang Feng等[98]研究发现芽孢菌属(Bacillus sp.Y7)对褐煤降解率的高低随胞外液pH值的增高而增强,分析发现胞外液中的类蛋白碱性物质是溶煤率高低的决定性物质,但不同微生物分泌碱性物质的种类和多寡各异,故而溶煤能力也各有不同。
有研究认为微生物在生长过程中会生成螯合剂,螯合剂与煤中的金属离子结合,金属离子被去除,导致煤大分子结构的瓦解,从而实现煤大分子结构的降解,生成水溶性小分子物质。Quigley D R等[99-100]认为多价金属离子,如Ca2+,Fe3+和Al3+在褐煤大分子结构中起到架桥的作用。Cohen M S等[101]发现草酸对微生物溶煤程度具有一定的影响,因草酸可以螯合多价金属离子,特别是Ca2+,Fe3+和Mg2+.Selvi A V[102]研究了螯合剂和多价金属离子对褐煤微生物降解过程的影响,发现螯合剂,像水杨酸和三乙基胺,及其与金属离子Mg2+,Fe3+,Ca2+,Cu2+和Mn2+的匹配加入都有利于褐煤的降解。
溶煤产物的分析方法很多,比如红外光谱、紫外光谱、X衍射、扫描电镜、液相色谱、气质联用等,为了更进一步的探究微生物溶煤过程,往往还对溶煤过程中pH值变化,溶煤产物的酸/碱沉淀性,产物的分子量分布和酸/碱沉淀物的发热量等项目进行检测研究。简单的说,凡是能分析物质组成、结构和性质的方法都可以应用于煤及其降解产物某方面的测试分析。Laborda F等[52]利用扫描电镜(SEM)研究了西班牙煤的微生物溶解,发现微生物粘附并且覆盖在煤粒表面生长,微生物分泌的一种胞外丝状聚合物有助于微生物粘附在煤粒表面并进行降解。R.Canet等[103]利用气质联用分析仪(GC-MS)研究了4种白腐真菌降解被煤焦油污染的土壤中的多环芳烃(PAHs),发现由于污染太过严重,未能达到有效降解的目的。石开仪等[104]对白腐菌AH菌降解抚顺褐煤的产物进行紫外和红外光谱分析,发现芳香官能团易被降解; 通过研究pH和蛋白质含量对溶煤效果的影响发现溶煤过程中3~9 d为酸作用,15~21 d为生物酶作用。他们[105]还利用紫外分光光度计、红外光谱仪和气质联用分析仪研究了真菌AH液化抚顺褐煤的产物组成,发现液化的黑色液体主要含有酚衍生物,酮和醛。DU Ying等[25]利用气相色谱和红外光谱法分析了3种褐煤模型化合物的微生物转化产物,发现生成了新物质,表明模型化合物已被微生物降解。鲍园等[106]利用傅里叶变换红外光谱技术研究了成煤母质(木本泥炭)的生烃演化特征及发生微生物降解和热解作用前后样品的分子结构变化特征及其机理。Lianhua Dong等[107]对微生物溶煤产物进行元素分析和尺寸排阻色谱法、C13核磁共振和傅里叶红外光谱分析,得出了重要结论。
溶煤产物的应用概括的说有液态、气态清洁燃料,精细化学品,植物生长促进剂,药剂等。柳丽芬等[24]将煤生物转化产物用作蔬菜生长激素的实验,取得了显著的效果,揭示了煤生物转化产物可以用作植物生长激素。张明旭等[108]将白腐菌降解硝酸处理义马褐煤的产物用作水煤浆添加剂,结果表明各项指标均较优,价格也与萘系添加剂相当。王娜等[109]将褐煤微生物转化产物添加于型煤,发现煤球的防水性有较大的提高,其中真菌在改善褐煤型煤防水性方面所起的作用较明显,混合菌的效果更佳。高同国等[110]从不同低阶煤中分离筛选得到3个降解菌群,在MCSL-2菌落中发现了地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)相关细菌,转化所得产物中的腐殖酸被发现具有类似激素的生物活性,可以探索用该菌落处理风化褐煤以获得生物肥料。王立艳[111]发现胶红酵母在不同条件下,分别通过静电吸附和疏水作用等改变了细粒煤的表面特性,从而实现了对煤粒的选择性浮选或絮凝。总之,煤微生物转化产物的用途因其组成的复杂性,还没有得到广泛的应用,仅低阶煤经产气菌作用所得气体可较方便的用作燃料气。所以,在转化产物的组成,以及进一步的分离、纯化,扩大其应用性方面需加大研究力度。
产气微生物将低阶煤、煤泥、煤矿废弃物,或者矿井残煤直接转化为燃气,可以直接作为燃料使用,解决了煤微生物降解产物复杂、难以有效利用的难题,具有重要的研究价值,成为国内外学者研究的热点。
苏现波等[112-115]较深入的进行了微生物转化煤产气的研究,取得了有益成果。唐敏等[116-117]发现高碳煤矸石填充到废弃矿井,与采残煤在微生物的作用下可产生富含甲烷的生物气。郭红玉等[118]采集不同煤样进行了生物甲烷模拟实验。耿志光等[119]研究发现以吸水海绵为菌液载体降解空气中的瓦斯进行煤矿瓦斯治理是可行的。苏佳纯等[120]提出了一种利用微生物促进煤层所埋藏的CO2生成甲烷的新技术。
美国专利WO 2011/071533 A1[121]报道了一种用芳香醇/脂环醇溶解煤,进行预处理,然后生物转化煤制备碳氢化合物(比如甲烷)的方法。A.Opara等[122]利用微生物降解烟煤、褐煤及其煤废物,研究了反应过程中产甲烷及二氧化碳的情况,结果表明用微生物转化煤及其废弃物生产气体燃料具有商业前景。Zaixing Huang等[123]报道了一种生物监测方法,可用于监测恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida F1)转化次烟煤反应过程中产生的二氧化碳,从而评价转化效果。Yiping Liu等[124]在煤微生物转化过程中加入乙醇制备甲烷,发现乙醇的加入有助于提高该过程中产甲烷的效率和产量。Paul H.Fallgren等[125]对澳大利亚、印尼和中国的3种褐煤进行了微生物转化产天然气的可行性研究,结果表明在褐煤中加入营养物,可以实现实时产气。巴基斯坦和美国的学者[126]研究发现真菌降解褐煤制备甲烷具有很大的潜力,并且提出通过该方法从褐煤中提取腐殖酸等有用化学品很有发展前景。Zaixing Huang等[127]研究了微生物转化煤制甲烷,实验结果为更好的理解溶煤过程中潜在的限速步骤提供了依据。
印度贝拿勒斯印度教大学Durgesh Narain Singh等[128]从印度煤层水中分离培养了古生菌和细菌群落,并将其应用于微生物转化煤制甲烷的研究,发现分离培养的菌落有较强的产甲烷能力,这是首次研究表明在印度煤层中存在产甲烷生物菌落。而从加利亚煤矿煤层水中分离出的施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzer),可在煤层中原位转化煤产甲烷,或用于降解油污,比如用于降解泄漏于海洋中的芳香烃[129]。Priyanka Gupta等[130]研究确定了煤厌氧发酵制备沼气的最优工艺条件为:固液比1:10,pH值7.0~7.5,煤粒度60~25 μm,温度35 ℃,此条件下甲烷的最大生成量479.3 cc/100 g.
德国奥登堡大学Sabrina Beckmann等[131]利用细菌、古生菌和真菌降解废弃煤矿中的残煤产甲烷,结果表明:产气过程开始于低氧环境中木质素降解菌和细菌对风化煤和木材的降解,更深处的无氧层真菌和细菌进行不完全氧化,释放出结构相对简单的基质,这些物质能够进一步被作用生成甲烷,同时还发现醋酸纤维素是微生物降解煤产甲烷的先驱体。
澳大利亚新南威尔士大学Maria-Luisa Gutierrez-Zamora[132]等研究发现细菌和真菌解聚和溶解煤是需氧过程,降解产品能够被进一步发酵制备甲烷。
韩国光州大学研究所Muhammad Yasin等[133]研究认为微生物转化煤,获得高能生物燃料和有价化学品是化石燃料和可再生资源有效利用方面极具发展潜力的技术,也是一种环境友好的转化方式。他们通过对多种反应器结构的传质过程和经济性进行对比分析,提出了一种先进的生物反应器改进方法。
总之,国外现阶段的研究集中在煤及其废弃物的生物转化产气方面,研究模拟了煤矿矿山环境,着眼煤基废弃物综合清洁利用的同时,考虑到了全球环境生态的生物治理等诸多方面。
1)利用微生物转化煤制甲烷气,作为燃气利用很便利,避免了煤微生物转化液态产物复杂及利用受到限制的瓶颈。故而,国内外现阶段的研究热点集中在低阶煤及其废弃物的微生物转化制取甲烷气,同时也兼顾了环境治理和生态保护。对低阶煤煤矿、废弃矿山及堆积的煤基废弃物而言,直接利用煤中固有菌落,给其提供营养物,创造转化条件,进行微生物转化产气的研究,意义深远,前景广阔;
2)煤微生物转化的作用主体是降解菌,所以具有较强环境适应性、高转化率菌种的筛选及运用诱变改性,基因工程等生物技术培育优势菌种,对煤微生物转化的实际应用至关重要;
3)煤大多数不能被中性水较好的浸润,这极不利于煤微生物转化的进行,所以转化之前必须对煤进行预处理,增加煤的可润湿性,可极大的提高煤的微生物转化率。另外,在研究煤的预处理方式,提高转化率的同时,要考虑预处理方式的工业化可行性,比如经济性、环保性、可持续发展等方面;
4)对于煤微生物转化的机理,目前比较公认的有碱作用机理、酶作用机理、螯合剂作用机理、ABCDE机理。但是到底是一种作用的结果,还是多机理种协同作用的结果,尚不明晰,需要根据特定菌种和煤种进行深入研究。所以,煤生物转化的机理研究应该自始至终受到重视,只有机理搞清楚了,相关工艺技术研究才有明确的方向,才会事半功倍;
5)对于煤微生物转化产物的成分及分离纯化方法的研究至关重要,该方面的研究对于扩大煤微生物转化产物的实际应用,提高商业价值意义重大; 反过来,转化产物的可利用性和可观经济价值又会有力的促进该研究课题的迅速发展;
6)有关煤生物转化的设备开发,检测分析方法的引进和创新也需要加大研究力度。
总之,能源、材料、信息是21世纪的主题。能源关乎国计民生,当今能源危机日益凸显,化石燃料在能源构成中占有极大比例,而石油、天然气已面临枯竭,煤炭资源还将在未来较长一段时间内占据主导。然而,目前的现状是高阶煤的开发和利用迅速,低阶煤占煤炭资源总量的比重越来越大,所以低阶煤的综合利用,清洁高效利用必将成为研究的热点。其中,煤的微生物转化利用和其它利用方式相比具有巨大的优势,发展前景光明。