假单胞菌对新疆大南湖低阶煤降解研究与分析

木欣凯 ，刘向荣，2 ，石 晨 ，吴 昊

(1. 西安科技大学化学与化工学院，陕西省西安市，710054；2. 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西省西安市，710021)

0 引言

新疆煤炭占全国煤炭预测储量的39.3%，其中低阶煤又占新疆煤炭资源总量的80%[1-3]，新疆大南湖矿区的低阶煤主要以长焰煤为主[4-5]。低阶煤具有煤化程度低、灰分含量高、挥发分高、热值低等特点，煤炭传统的转化方式主要有煤气化、液化和煤热解等方式，均需在高温、高压下进行，不但设备复杂、条件苛刻，还会造成大气污染[6]。近几年兴起的微生物降解煤炭技术，由于在常温常压下进行，且设备简单、条件温和，被认为是煤炭清洁转化的新途径之一。

煤的微生物降解研究起源于20世纪80年代，Cohen 和 Gabriele[7-8]发现一些真菌可以将低阶煤降解为黑色液体，此后大量研究者开始微生物降解煤的研究，吴昊等[9]利用日本假单胞菌降解新疆乌冬煤，发现日本假单胞菌细胞分泌的活性物质对新疆乌冬煤有较好的降解效果；石晨等[10]研究日本假单胞菌对内蒙古煤炭的降解机理，发现日本假单胞菌的生物降解性与其分泌的酯酶和鼠李糖脂有关；Muthukumar B等[11]研究铜绿假单胞菌降解原油的特性，认为铜绿假单胞菌可以有效的降解烷烃、芳烃类物质，且细菌产生的胞外酶和生物表面活性剂在原油生物降解过程中起着关键作用；张翠坤等[12]通过研究铜绿假单胞菌降解原油的过程，发现铜绿假单胞菌能够利用多种碳源合成鼠李糖脂，对长链烷烃有极好的降解效果；杨智等[13]对1株从石油污染土壤中分离得到的铜绿假单胞菌进行特异性PCR扩增，在菌株中检测到烷烃单加氧酶、甲苯双加氧酶、联苯双加氧酶、芳香烃双加氧酶和氧化还原酶等与石油降解相关的基因，发现铜绿假单胞菌具有广泛的碳氢化合物降解范围；何春秋等[14]通过基因工程重组构建铜绿假单胞菌，增加鼠李糖脂的产量，提高了铜绿假单胞菌对原油的生物降解性，进一步证明铜绿假单胞菌分泌的鼠李糖脂对碳氢化合物有较好的降解效果；李建涛等[15]利用恶臭假单胞菌降解山西临汾褐煤，发现恶臭假单胞菌对山西临汾褐煤有较好的降解效果，并通过正交实验得到4种降解条件的影响权重为：煤样粒度>煤浆浓度>培养时间>接种量；韩娇娇等[16]从采集的煤、腐木和土壤样品中可分离、鉴定出能够高效降解新疆低阶煤的菌株，筛选结果表明，假单胞菌属和芽孢杆菌属对新疆低阶煤有较高的降解能力。

综合上述研究结果可以看出，假单胞菌属对煤炭、石油等碳氢大分子化合物的降解效果较为显著，因此研究假单胞菌属对新疆大南湖煤的降解过程及降解产物，可为新疆大南湖地区煤炭生物转化技术的应用提供理论依据。

笔者及其研究团队以新疆大南湖低阶煤为研究对象，利用能够降解芳香结构的日本假单胞菌和降解脂肪烃效果尚佳的铜绿假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤，探究菌液量、煤浆浓度、降解时间对细菌降解新疆大南湖低阶煤的影响，通过正交实验确定最优工艺条件，最后利用红外光谱仪、X射线衍射仪对固相降解产物进行分析，利用气相色谱-质谱联用仪对液相降解产物进行分析，研究降解过程和分析产物的组成，以期筛选出对新疆大南湖低阶煤降解效果优异的优势菌种。

1 实验研究

1.1 材料与仪器

主要试剂为生物试剂，包括蛋白胨、牛肉膏和琼脂粉，其他试剂为氯化钠(分析纯)、浓硝酸(分析纯)；主要仪器有CTDG-200875密封对辊破碎机、XMB棒磨机、PS-200振筛机、SW-CJ-1FD超净工作台、BL-50A立式压力蒸汽灭器、BC-360生化培养箱、HZQ-F100全温振荡培养箱、Spectrum GX傅里叶变换红外光谱仪、Mini Flex 600 X射线衍射仪和Agilent7890A气相色谱-质谱联用仪。

1.2 煤样的预处理

煤样选用新疆大南湖地区低阶煤，经过破碎、研磨和筛分，获得粒径为0.25～0.50 mm的煤样，用8 mol/L的硝酸按照煤∶硝酸为1.0∶2.5 g/mL的比例对煤样进行浸泡氧化，使煤样与硝酸充分接触，氧化48 h后用去离子水冲洗，观察滤液颜色；待滤液澄清，检测滤液pH，当滤液pH大于5.6时，氧化预处理过程结束；收集煤样用于后续降解实验，煤样氧化后，芳香环羧基化，侧链烷基氧化和硝化，氧化作用使煤易被细菌降解[17-18]。

1.3 微生物的培养

日本假单胞菌、铜绿假单胞菌均购于中国微生物菌种保藏管理中心(CICC)，编号分别为CICC 23895和CICC 10204。

1.3.1 培养基

2种细菌的培养基相同，采用中国微生物菌种保藏管理中心(CICC)提供的营养肉汁培养基(CM0002)，具体配方为蛋白胨取5 g、牛肉膏取3 g、琼脂(固体)取15 g、氯化钠5 g、蒸馏水取1 L，培养基pH为7。

1.3.2 菌种培养

将已活化与纯化培养后的菌种接种到装有250 mL已灭菌液体培养基的锥形瓶中，置于30 ℃、160 r/min的全温振荡培养箱中进行培养，扩大培养后的菌液用于后续的降解实验。

1.4 微生物降解实验

1.4.1 单因素实验

将0.3 g煤样和50 mL液体培养基置于150 mL的锥形瓶中放入高压灭菌锅灭菌15 min，待培养基冷却到室温时，加入10 mL菌液，然后将锥形瓶放入温度为30 ℃、转速为160 r/min的恒温振荡培养箱中进行培养，实验结束后离心(1万r/min，20 min)分离得到未降解的固相产物(残煤)和液相产物。用蒸馏水对残煤进行洗涤，直至残煤中无菌体残留后烘干、备用[19-20]。在相同培养条件下，分别改变菌液量、煤浆浓度和降解时间，研究各因素对微生物降解新疆大南湖低阶煤的影响。单因素实验设计见表1。

表1 单因素实验设计

1.4.2 正交试验

在单因素实验的基础上，设计三因素三水平的正交实验表，根据单因素实验结果选择单因素实验中降解效果良好的区间作为正交实验的3个不同水平，即菌液量最优区间为20～40 mL、煤浆浓度的最优区间为6～14 g/L、降解时间的最优区间为12～16 d，利用正交实验得出最优工艺条件。正交实验的因素与水平见表2。

表2 正交实验因素及水平

1.5 降解效果评价指标

目前评价煤炭降解效果的方法主要有差减法和吸光度A450。

1.5.1 利用差减法计算降解率

微生物降解煤炭的效果可以用降解率η来评价，η的计算见式(1)[21]：

(1)

式中：η——降解率，%；

W0——加入煤样的质量，g；

W1——煤样降解后残煤的质量，g。

1.5.2 利用吸光度A450评价降解效果

在微生物降解煤炭的过程中，随着降解过程的进行，降解液的颜色逐渐加深，吸光度也逐渐增加，并且在450 nm处有明显的吸收峰，所以降解产物的黑色降解液在450 nm处对可见光的吸光度可间接反映降解率的高低[22-23]。

笔者选择吸光度A450作为煤炭降解效果评价指标，是由于选择吸光度A450易于测量、结果精确、判断煤样降解率更为准确。

1.6 降解产物的表征

1.6.1 固相产物的表征方法

准确称取1 mg干燥后的残煤与200 mg的溴化钾(KBr)混合，制成薄片，用Spectrum GX傅里叶变换红外光谱仪进行扫描，设置波长为4 000～400 cm-1，扫描分辨率为4 cm-1。采用Mini Flex600 X射线衍射仪，对残煤进行XRD分析，设置扫描速度为2°/min，扫描范围为5°～70°。

1.6.2 液相产物的表征方法

将最佳工艺条件下得到的黑色降解产物，依次使用甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷萃取，液相产物与有机溶剂的萃取体积比为1∶2，萃取液利用Agilent7890A气相色谱-质谱联用仪进行分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 煤浆浓度对煤样降解效果的影响

煤浆浓度对2种假单胞菌降解煤样的影响如图1所示。

图1 煤浆浓度对2种假单胞菌降解煤样的影响

由图1可以看出，随着煤浆浓度逐渐增大，2种降解产物的A450呈现出逐渐增大的趋势，2种假单胞菌的最佳煤浆浓度均为6 g/L，2种假单胞菌的A450值均为0.675。这是因为较低的煤浆浓度提供的碳源有限，细菌的降解效率受到限制；而当煤浆浓度过大时，高浓度的碳源使细菌保持过高的活性，细菌之间互相竞争培养基中营养物质，使细菌与培养基中营养物质进行物质交换的过程受到影响，培养基中营养物质不足以支撑细菌生长，细菌生长受到抑制，微生物对煤炭的降解效果大幅度下降。日本假单胞菌对煤浆浓度的环境更加敏感，高浓度的煤浆环境对日本假单胞菌的生长影响巨大；铜绿假单胞菌对煤浆环境的适应能力更强，在高浓度煤浆环境下，仍旧有较好的降解效果。

2.1.2 菌液量对煤样降解效果的影响

菌液量对2种假单胞菌降解煤样的影响如图2所示。

图2 菌液量对2种假单胞菌降解煤样的影响

由图2可以看出，日本假单胞菌降解产物的A450随着菌液量的增加而呈现出逐渐增加的趋势，当菌液量为40 mL时，A450值达到最大，为0.773，降解效果最好。这是因为随着菌液量的增加，细菌数量和活性明显增加，对煤样的降解效果也越来越好；而随着菌液量的进一步增加，细菌对煤样的降解效果并没有显著增加甚至开始减弱。这是因为培养基中的营养物质有限，高浓度的菌液会加剧细菌之间的恶性竞争，导致培养基中营养物质快速减少，进而抑制细菌的生长[24]。但当菌液量超过一定数值后，加入的细菌菌液本身就保持极高的活性，也具有较好的降解活性，因此日本假单胞菌在菌液量为40 mL时对煤炭的降解效果最好。同样，铜绿假单胞菌降解产物的A450也随菌液量的增加而呈现出先增加后减小的趋势，但并未出现减小之后再增加的情况，这说明此时的铜绿假单胞菌已经达到生长极限，后续增加菌液量会导致细菌衰亡。因此，铜绿假单胞菌在菌液量为30 mL时，A450达到最大，为0.907，降解效果最好。

2.1.3 降解时间对煤样降解效果的影响

降解时间对2种假单胞菌降解煤样的影响如图3所示。

图3 降解时间对2种假单胞菌降解煤样的影响

由图3可以看出，随着降解时间的增加，2种假单胞菌降解产物的A450值也越来越高，最终趋于平稳。这是由于刚开始细菌生长活性高，对氧化煤的降解效果提升比较明显，而随着时间的增加，细菌逐渐开始凋亡，活菌数量减少，因此最终A450值在14 d时趋于平稳，此时日本假单胞菌和铜绿假单胞菌的A450值分别为0.779和0.660，后续再增加降解时间，降解率几乎不再变化。同时，相同时间内，日本假单胞菌降解氧化煤的降解率均高于铜绿假单胞菌，这是因为2种细菌对环境适应能力不同，导致了繁殖能力产生差异。

2.2 正交实验结果

2.2.1 日本假单胞菌降解煤样的正交实验结果

日本假单胞菌降解煤样的正交实验结果见表3。

表3 日本假单胞菌降解煤样的正交实验结果

日本假单胞菌降解煤样的极差分析见表4。

表4 日本假单胞菌降解煤样的极差分析

在选定的实验条件区间中，各因素对日本假单胞菌降解煤样影响的主次顺序依次为：煤浆浓度>菌液量>降解时间。煤浆浓度在细菌降解煤样过程中产生了显著性影响，这是因为煤浆环境对日本假单胞菌生长有一定的影响造成的。研究结果表明，日本假单胞菌降解煤样的最优降解工艺参数组合为A1B3C3，即菌液量20 mL、煤浆浓度14 g/L、降解时间16 d，在此工艺条件下，日本假单胞菌对煤样的降解率最大为45.27%。

日本假单胞菌降解煤样的正交实验数据方差分析见表5。

表5 日本假单胞菌降解煤样的正交实验数据方差分析

方差分析用于分析实验数据的波动情况，表中数据均使用正交实验分析软件计算得出，其中AdjSS为正交实验数据的离差平方和，AdjMS为均方，F值为统计量，P值为显著性，可以反应一组数据的偶然性，P值越低，数据偶然性越小，R2为判定系数，R2(adj)为调整后的判定系数，通过正交实验分析软件计算得出R2=99.80%、R2(adj)=99.19%，共同说明不同单因素数据之间的关系强度，反应数据的可信度，从方差分析表中也可以看出，煤浆浓度在细菌降解新疆大南湖低阶煤的过程中产生了显著性影响。

2.2.2 铜绿假单胞菌降解煤样的正交实验结果

铜绿假单胞菌降解煤样的正交实验结果见表6。

表6 铜绿假单胞菌降解煤样的正交实验结果

日本假单胞菌降解煤样的极差分析见表7。

表7 日本假单胞菌降解煤样的极差分析

正交实验极差R的计算结果表明，在选定的实验条件区间中，各因素对铜绿假单胞菌降解煤样的影响的主次顺序依次为：煤浆浓度>菌液量>降解时间。煤浆浓度在铜绿假单胞菌降解煤样过程中产生了显著性影响，这是因为煤浆环境对铜绿假单胞菌生长有一定影响造成的。最终得出铜绿假单胞菌降解煤样的最优降解工艺参数组合为A2B2C3，即菌液量30 mL、煤浆浓度10 g/L、降解时间16 d。在此工艺条件下，铜绿假单胞菌对新疆大南湖低阶煤的降解率最大为35.92%。

铜绿假单胞菌降解煤样的正交实验数据方差分析见表8。

表8 铜绿假单胞菌降解煤样的正交实验数据方差分析

表8中数据均使用正交实验分析软件计算，最终得出该组数据的判定系数为R2为99.06%、R2(adj)为96.26%。表8中数据与日本假单胞菌数据均不相同，但3个不同单因素下AdjSS、AdjMS和F的大小规律均为煤浆浓度>菌液量>降解时间，同样说明煤浆浓度在细菌降解新疆大南湖低阶煤的过程中产生了显著影响。

2.3 煤样的工业分析与元素分析

煤炭的工业分析和元素分析中的各项指标是判断煤质的重要参考，采用《煤的工业分析方法》(GB/T 212-2008)规定的测试方法对煤样进行了工业分析。煤样工业分析及元素分析见表9。

表9 煤样工业分析及元素分析

由表9可以看出，原煤挥发分为48.95%，碳含量偏低，属于变质程度较低的低阶煤。原煤经硝酸氧化处理后灰分明显降低，说明硝酸预处理具有脱灰作用[25]。原煤经过硝酸氧化后，C、H元素含量显著下降，N、O元素含量明显上升，这是因为硝酸破坏了煤的分子结构，发生了氧化及硝化作用[26]；降解后的残煤与氧化煤相比较，C、N元素含量下降，H、O元素含量上升，O元素含量的上升说明微生物的降解过程伴随着氧化反应的发生[27]，铜绿假单胞菌对煤炭的氧化作用更明显。

2.4 红外光谱分析

新疆大南湖原煤、氧化煤及日本假单胞菌降解后残煤和铜绿假单胞菌降解后残煤的红外光谱如图4所示。

a-氧化煤；b-原煤；c-日本假单胞菌降解后残煤；d-铜绿假单胞菌降解后残煤。图4 煤样的红外光谱

由图4可以看出，原煤、氧化煤和残煤的峰型基本一致，都在3 410～3 425 cm-1范围处有强而宽的吸收峰，此处吸收峰主要是因为酚和羧酸上的羟基发生伸缩振动导致的，氧化煤和降解后的残煤都在1 000～1 300 cm-1的范围内有较多的吸收峰，这是因为C-O键的伸缩振动导致的，主要是芳香酯和醚的C-O-C以及芳香族的C-OH，而氧化煤较原煤吸收峰更多，说明氧化反应可以改变煤的结构，氧化煤在1 706 cm-1和1 421 cm-1处出现的吸收峰是因为芳烃中的C=O键和硝基中的N=O键的伸缩振动，这与康红丽[28]的实验结果一致，而原煤中并没有出现这2个峰，说明硝酸氧化使煤的结构发生变化，出现了C=O和N=O这类基团，而氧化煤经过细菌降解后，2处透过率减弱证明细菌可以降解C=O和N=O结构，日本假单胞菌降解后残煤与铜绿假单胞菌降解后残煤相比，2 921 cm-1和2 856 cm-1处出现明显的吸收峰，这是由于-CH2不对称伸缩振动和-CH3对称伸缩振动导致的；在1 710 cm-1处多出1个吸收峰，此处吸收峰主要是因为-COOH发生伸缩振动导致的，说明日本假单胞菌降解后的氧化煤中存在更多的-COOH官能团；铜绿假单胞菌降解后残煤在2 921 cm-1和2 856 cm-1处吸收峰明显减弱，867 cm-1处多出1个吸收峰，此处是苯环五取代吸收峰，表明铜绿假单胞菌降解后的氧化煤中存在苯环五取代结构[29]。

2.5 XRD分析

利用Mini Flex600 X射线衍射仪对原煤、氧化煤及各残煤进行分析，分析结果如图5所示。

图5 煤样的XRD分峰拟合

由图5可以看出，衍射角2θ在23°～25°和35°～40°区间内各煤样存在002峰和100峰，002峰和100峰分别代表芳香层片堆砌的高度和芳香环缩合的程度。002峰具有对称性，而图5中002峰并未出现明显的对称性，这是由于002峰和γ这2种微晶峰相互叠加导致的。因此对其进行基线校正和平滑处理，然后对平滑后的曲线进行峰值拟合，使用布拉格公式和谢乐公式计算各晶格参数[30]，各煤样XRD拟合结构参数见表10，氧化煤和原煤相比芳香层片的间距d002减小，说明煤样氧化后的芳构化程度变高，有序程度升高。氧化煤经2种假单胞菌降解后，芳香层片堆砌高度Lc减小，芳香层数N减小，这说明煤中含氧官能团、芳香环等结构被降解[31-32]；而对比日本假单胞菌降解后残煤和铜绿假单胞菌降解后残煤的各结构参数，日本假单胞菌降解后残煤的002峰和100峰未出现明显偏离，芳香层片的间距d002和d100变化并不显著；但日本假单胞菌降解后残煤的芳香层片间距d002增大，层片堆砌高度Lc减少，芳香层片宽度La减小，芳香层数N减少，表明日本假单胞菌降解后残煤芳香层之间的作用力减少，芳香层更加松散[33]；此现象说明日本假单胞菌对煤中部分侧链和官能团的降解效果优于铜绿假单胞菌，改变了煤中密集的芳香结构[34]。

表10 各煤样XRD拟合结构参数

2.6 气相色谱-质谱联用分析

采用气相色谱-质谱联用仪对2种假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤后的液相产物进行分析，2种假单胞菌降解煤样液相产物总离子流色谱如图6和图7所示。

图6 日本假单胞菌降解煤样液相产物总离子流色谱

图7 铜绿假单胞菌降解煤样液相产物总离子流色谱

通过总离子流色谱可观察到不同保留时间下检测出的物质，相对丰度反应检测出物质的峰强度，将检测出的物质用软件计算可以得到相应物质的分子量，液相产物的分子量主要集中在142.17～546.39。

日本假单胞菌降解煤样的液相产物主要包含烷烃类、酯类、醇类等化合物，分子量在142.17～546.39；铜绿假单胞菌降解煤样后的液相产物主要包含芳香类、苯酚类、烷烃类以及羧酸类、酯类化合物等，分子量集中在180.11～436.50，证明2种假单胞菌都可将煤样的大分子结构解聚为小分子物质[35]。

2种假单胞菌降解煤样的液相产物中化合物的组成见表11。

表11 2种假单胞菌降解煤样的液相产物中化合物的组成 %

由表11可以看出，日本假单胞菌和铜绿假单胞菌降解煤样后的液相产物甲苯萃取物中，含有丰富的烷烃类化合物，含量分别为73%、56%；乙酸乙酯萃取物中，铜绿假单胞菌降解煤样的液相产物含氧官能团化合物种类更加丰富，含有丰富的羧酸、醛、含羟基官能团的化合物。二氯甲烷萃取物中，日本假单胞菌和铜绿假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤后，液相产物中含有丰富的酯类化合物，含量分别为61%、54%。铜绿假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤后液相产物的3种萃取物中均含有7，9-二叔丁基-1-氧杂吡啶(4，5)癸-6，9-二烯-2，8-二酮的物质，这说明铜绿假单胞菌降解煤炭的方式更加复杂，可能存在多种机理同时进行降解。日本假单胞菌降解的液相产物中含有丰富的烷烃类和酯类化合物，表明日本假单胞菌对煤炭中侧链有良好的降解效果，与铜绿假单胞菌相比对煤炭结构影响较大，这可能是日本假单胞菌降解率高于铜绿假单胞菌的原因[36]。

3 结论

(1)日本假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤的最佳工艺条件为：菌液量20 mL、煤浆浓度14 g/L、降解时间16 d，最大降解率为45.27%；铜绿假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤的最佳工艺条件为：菌液量30 mL、煤浆浓度10 g/L、降解时间16 d，最大降解率为35.92%。在降解过程中，日本假单胞菌和铜绿假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤降解条件的影响权重一致，均为煤浆浓度>菌液量>降解时间。

(2)新疆大南湖低阶煤经过日本假单胞菌和铜绿假单胞菌降解后，C、H元素含量下降，N元素含量上升。根据原煤、氧化煤以及残煤的红外光谱，结果表明2种假单胞菌可以降解氧化煤中的C=O和N=O等结构；通过XRD峰值拟合分析可知，2种假单胞菌均对氧化煤中的含氧官能团、芳香族化合物有较好的降解效果，而日本假单胞菌对芳香环结构的作用更加显著。

(3)日本假单胞菌和铜绿假单胞菌降解液相产物的分子量均集中在142.17～546.39，液相产物中主要包含芳香类、烷烃类、醇类等小分子化合物。日本假单胞菌和铜绿假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤后液相产物甲苯萃取物中，烷烃类化合物含量最多，分别为73%、56%；二氯甲烷萃取物中，酯类化合物含量最多，分别为61%、54%；而乙酸乙酯萃取物中，铜绿假单胞菌降解新疆大南湖低阶煤后的液相产物中含氧官能团化合物种类更加丰富；日本假单胞菌对煤炭中芳香环结构有良好的降解效果，与铜绿假单胞菌相比对煤炭结构影响较大，这可能是日本假单胞菌降解率高于铜绿假单胞菌的原因。

综合上述结论，日本假单胞菌对新疆大南湖低阶煤的降解效果优于铜绿假单胞菌，日本假单胞菌可以有效降解煤中的芳香环结构，进而筛选出日本假单胞菌是降解新疆大南湖低阶煤的优势菌种。而继续进行细菌与煤炭的匹配实验研究，对寻找降解煤炭的优势菌种和建立菌煤匹配数据库具有重要意义。