几种真菌对煤炭的固体溶煤转化研究

张明旭　徐敬尧　欧泽深

（1. 安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001；2. 中国矿业大学化工学院 ， 江苏 徐州 221008）

摘 要： 几种不同真菌S1、S4 、S7及其混合菌对硝酸预处理义马褐煤的降解转化研究表明 ：几种真菌对其都有一定的降解转化作用，混合菌对煤的转化率最高达34.8％，S7 、S1菌 次之，S4菌最弱达25.4％。同时进行了几种不同真菌对不同煤种的转化效果对比研究。实验 结果表明，煤种对煤微生物降解作用影响很大，低阶煤比高阶煤更易被微生物作用与攻击。 对煤炭微生物降解转化机理进行了探讨，实验结果符合煤炭的生成规律。

关键词：真菌；褐煤；生物降解

Study on Coals Transformation in the Way of

Solid Dissolution by Some Epiphytes

ZHANG Ming-xu1,XU Jing-yao1,OU Ze-shen2

(1. School of Materials Science and Engineering,

Anhui University of Science &

T echnology, Huainan, Anhui 232001, China;2. School of Chemical Engineering a nd Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221008,

China)

Abstract: Nitric acid pretreated Yima lignite biodegradation by several differen t epiphytes S1, S4, S7 and their mixture were studied. The results showed that t he epiphytes have certain effect of degradation and transformation of coal. Tran sformation ratio by mixed bacteria is up to 34.8 percent, by bacteria S7 or S1 f ollowed, and by bacteria S4 only to 25.4 percent. Transformation effect of diffe rent coals by different epiphytes was studied for comparison. The experiment res ults showed that coal rank has great effect on coal biodegradation, low-rank coa l is attacked more easily by microorganisms than high-rank coal. The mechanism o f coal biodegradation was discussed, and the experiment results accord with coal 's generation regularity.

Key words:epiphyte; lignite; biodegradation

我国褐煤资源储量丰富， 由于其水分和灰分含量高、 热稳定性差、 发热量低， 这使褐煤 的利用 受限， 并造成浪费和环境污染［1］。因此，寻找经济、环保的途径加工处理褐煤， 使褐煤成为清洁的燃料、化工原料和有特殊价值的化学品是亟待解决的问题［2-3］ 。

煤的生物转化技术主要是利用微生物实现煤的溶解、液化或气化，从而使煤发生降解［ 4］。因生物催化的条件温和、催化剂高度专一，微生物转化技术成为近年来研究的热点 。褐煤的微生物降解研究始于20世纪80年代。德国Fakoussa［5］和美国Cohen［ 6］发现，某些真菌能在煤块上生长，并能将煤转化为黑色液体。此后，煤的生物转化研 究在世界上引起注意并取得了一定的研究进展［7-8］。国内外研究者已分离出若干 微生物，这些微生物（包括细菌、放线菌、真菌）可降解经氧化处理后的低价煤（氧化状态 ），但其降解能力有限［9］。随着全球石油资源紧缺状况的加剧，筛选了煤炭 降解转化新菌种，对实现煤炭的微生物降解具有深远意义。

在溶煤方式上国内外研究者主要集中在固体溶煤和液体溶煤两种方式上［10］，一 般 来说，固体溶煤比液体溶煤效果要好，液体溶煤主要是为了进行大规模工业应用，而进行研 究的。液体溶煤又可分为菌体液体培养溶煤和菌体培养液（不含菌体）溶煤，它们主要是用 来对溶煤机理进行研究，考察是哪种因素使得煤发生溶解降解作用等。为进一步了解真菌对 中国褐煤和其它煤的生物降解转化的基本特性，本研究采用了几种真菌对几种不同煤种和性 质的有代表性煤进行了更加直观的固体溶煤转化实验研究。

1 材料与方法

1.1 煤样ナ匝橛妹貉有三种，第一种为河南义马褐煤，堆放时间二年以上；第二种为内蒙平煤集团西 露天矿褐煤，堆放时间二年；第三种为淮南次烟煤。原煤样经破碎磨矿，进行化验分析。

褐煤含有大量腐植酸和较多水分、灰分。一些金属离子与褐煤中的酸性官能团结合并使其处 于非游离状态，影响煤样微生物转化率。通过酸洗或浸泡可溶解与官能团结合的金属离子， 释放游离羧基并减少结构单元间的交联键，从而有利于褐煤的微生物降解。此外，酸洗也是 褐煤脱硫、脱灰的方法之一。将新采义马褐煤粉碎至所需粒级，使用浓度为5 m ol/L的硝酸溶液浸泡煤样2 d后，用2XZ-2型旋片式真空泵过滤煤样并用蒸馏水 清洗，直至滤液pH值接近7，将煤样烘干、消毒。几种煤样的工业分析及硫含量数值见表1。

0.111.2 菌种与培养基

1.2.1 S1菌株—白腐真菌 白腐菌（white rot Fungus）, 是对具有降解木素能力的一类真菌的总称，因分解木材后留 下的残留物为白色而得名。其在生物学上分类属于担子类（Dsidiornvcetes），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（myceli um）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(Basidum)，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 腐菌可在木质素细胞腔内产生大量细胞外过氧化物酶（extracelluler peroxidose enzyme ）,有很强的降解木质素大分子的能力。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。

试验中所用菌种为实验室从腐烂树木和长期堆积的腐烂杂物下面进行分离纯化培养而得。

1.2.2 S4菌株—绿色木霉 绿色木霉(Trichoderma Viride pers.exFr.)，主要分解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。

试验中所用S4菌为实验室从腐烂树木和堆积的腐烂杂物下面进行分离纯化培养而得。

1.2.3 S7菌株—褐腐菌 褐腐菌（brown rot Fungus）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，且留下褐色 残留物。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：28～38 ℃ ，其生长相对较慢，菌丝短。

试验中所用S7菌为实验室从腐烂树木和堆积的腐烂杂物下面进行分离纯化培养而得。

1.2.4 混合菌 混合菌为以上三种菌的混合菌。

制备方法是：分别提取真菌S1，S4，S7的孢子，分别稀释至106个/mL，混合后培养所得。

1.2.5 培养基 基本培养基：200 g马铃薯浸出液， 20 g葡萄糖， 3

7H2O，0.2 mg CuSO 4•5H2O，8 mg维生素B1。

1.2.6 培养条件 培养条件：pH=7.2；温度28 ℃；静止恒温培养箱培养。

1.3 煤炭微生物降解率的计算ヅ嘌7 d后，用去离子水冲洗培养皿，把剩余煤残渣冲下，小心挑出菌丝体，过 滤干燥，称重。计算转化率

η＝（M0－M）/M0×100%

式中：η为降解转化率(失重率)，%；玀0、M分别为转化试验前后所加煤样和 煤残渣重量，g。

1.4 试验方法ピ谌舾筛龉烫迮嘌基上分别划线接种纯化的各菌种，28 ℃恒温培养4 d，待菌 丝长满培养皿，均匀薄薄地加入一层硝酸预处理义马褐煤样0.1 g（＜0.2 mm，已消毒）。同时在空白未接种菌种的培养皿上也均匀洒上一薄层煤样，作为空 白对照试验，28 ℃恒温培养若干天，测其煤炭降解转化率。

2 结果与分析

2.1 几种真菌对硝酸预处理义马褐煤的降解转化ヅ嘌过程中转化现象观察： 加过煤样后， 在28 ℃恒温条件下培养4 d， 仔细观察培养皿上煤样， 发现培养皿上煤样有软化、 脱色、 颜色变浅、 被菌丝 覆盖、 淹没的现象， 尤其接种S4、 S7和混合菌的培养皿中菌落长势良好， 培养皿中培养基本身 也有软化现象， 且处于似流动状态， 溶解转化煤炭效果明显。

28 ℃培养6 d后，仔细观察菌体及煤粒，可以发现，菌体沿着煤粒 周围生长，且使煤粒出现明显的黑色液珠或培养基被染成棕黄色至黑色。有些平板在第6 d(部分第8 d或更长时间)出现被液化的黑色液滴，并且煤粉分布稀疏 的地方液珠较多，而煤粉堆积的地方没有观察到液珠，生成的液珠由于渗入培养基中而消失 掉，培养基进而被染成黑色。几种真菌对硝酸预处理义马褐煤的降解转化率如表2所示（培 养时间为7 d）。

表2 固体培养转化率计算

接种菌种空白S1S4S7混合菌转化率/%10.328.425.430.534.82.2 不同菌种对不同煤种的转化效果对比ピ诙啻问笛橹校发现不同的菌种在煤降解过程中出现油状液珠的情况不一样，时间有长有短 ，S4菌甚至就不能出现液状物，混合菌与S7出现油状液珠的时间较短，但S7菌的降解率较低 ，故试验考察对比了不同菌种对不同煤种的固体降解转化能力和效果，其方式是直观的通过 降解转化试验中煤样有无出现油状液珠和出现油状液珠时间的长短来反映不同菌种对不同煤 种的固体降解转化能力和效果，详细结果如表3所示。在表3中，中间数据表示出现油状液珠 的天数，“无”表示不能出现油状液珠。从表3实验数据中我们发现，褐煤易在降解中出现 油状液珠，而次烟煤几乎不能出现油状液珠。在褐煤中，义马褐煤相对内蒙褐煤来说更易产 生油状液珠。混合菌种和S1 较好，而S4菌则对几种煤都不能产生油状液珠。培养过程中， 混合菌在整个培养基上生长，甚至把煤样覆盖，而S7菌则是围绕煤粒周围生长，吸收煤中碳 源，使煤块软化、脱色、进而转化为液珠。

微生物对 煤的转化表现在溶解和降解两个方面，溶解是降解的前提。溶解只是一种物理作用，但组成 成分并没有改变；降解则是生物化学作用及酶等其它类因素作用，物质的浓度和组成成分都 会发生变化。液珠的产生和培养基变色是煤被微生物溶解的明显现象，前者可能是由于溶解 产物中含有生物表面活性物质，它们包裹在液体产物的外面，形成具有疏水层的液珠，而后 者则不含表面活性物质，因此渗入培养基使培养基染色。煤降解的直观表象为质量损失，其 次是分子量及基团发生变化。

真菌对煤炭的降解转化过程实质上是一个既包括氧化又包括氢化的降解过程，包含对有机物 和高分子有机聚合体的降解两部分。

真菌对褐煤及其硝酸处理褐煤中有机物的降解机理是以自由基为基础的链反应过程，是一个 深度氧化降解及结构破坏和重新组合过程，相比硝酸处理后的样品，在煤微生物转化产物中 N含量有相当程度的下降，H含量有很大程度的提高，说明煤的生物降解过程中，微生物吸收 其中的氮作为氮源，发生氢化水解过程，煤中高聚物的价键被打断，氢原子替补上去，使得 煤转化的产物中H含量增加。在煤降解后的残渣中S含量有一定程度的下降，说明真菌对硫有 一定的脱除作用。

其对高分子有机聚合物的降解是木质素酶作用的结果：真菌分泌到胞外的木质素降解酶包括 木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等，这些菌胞外酶对含有类木质素结构的低价煤具有 很强的降解转化作用，能对类木质素结构的大分子芳香结构基团进行攻击，使低价煤芳香结 构中大分子物质的支链、侧链断裂，变成较小的小分子物质而溶解。

4 结论

(1） 几种真菌对义马褐煤都有一定的降解转化作用，固体培养基上培养7 d后 ，混合菌种作用的效果较好，转化率最高达到34.8%，其次是S7菌株，S4菌株降解率较低。

(2） 添加煤样后真菌的生长情况显示混合菌与S1菌虽生长旺盛，但降解转化率不同；说明 混合菌在生长过程中，释放出不同的酶，它们共同作用煤中大分子物质，体现出微生物的协 同共生、互生的生物作用，提高降解率。

(3） 煤种对煤微生物降解作用影响很大，实验表明低阶煤比高阶煤更易被微生物作用与攻 击；义马褐煤比内蒙褐煤更易发生降解作用，这可能是义马褐煤的氧化风化程度比内蒙褐煤 高，义马褐煤具有更高的O/C比，有更多的孔隙结构，使溶煤活性物更容易透入和攻击从而 发生降解。

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(责任编辑：李 丽)