微生物降解煤提取腐植酸研究现状

张丽光

(河北萌帮水溶肥料股份有限公司，河北 石家庄 051530)

我国低阶煤产量占世界煤炭资源储量的1/3，如此丰富的低阶煤资源直接作为燃料用煤，不仅会产生大量的污染气体，而且热效率低。综合考虑低阶煤储备丰富、环境污染大、应用价值低的现状，利用现代技术手段走清洁高效加工利用的途径才是低阶煤可持续发展的必然之路。矿源腐植酸主要是指存在于泥炭、褐煤和风化煤等矿产资源中的腐植酸，经过活化提取被广泛应用于农业、医药、石油、环保等领域[1-8]，作用效果好，因此利用丰富的低阶煤资源来进行腐植酸类产品的开发和应用，不仅符合低阶煤深度开发、洁净化利用的发展方向，同时也符合生态文明建设的政策方针。而具有低能耗，反应条件温和，转化效率高，产品活性高，环保无污染等优点的微生物降解法成为降解活化低阶煤提取腐植酸的首选[9-10]。

煤的微生物降解转化研究最早始于1908年，Potter[11]在其论文中提到了微生物可以促使煤炭的氧化。但是直至20世纪80年代，Fakoussa[12]和Cohen[13]等又发现假单胞菌和白腐菌可以降解褐煤，才开始了煤炭微生物降解转化的系统工程，尤其是在利用微生物降解褐煤等低阶煤产生腐植酸/黄腐酸方面。随后几十年，大量研究者针对煤种、煤的预处理、菌种、机理、降解提取和产物等方面进行研究，丰富了微生物降解煤的菌种资源，揭示了其降解机制，同时不断开发降解产品，并拓展其应用，进而加速了低阶煤的转化和清洁高效利用。

1 煤的预处理方法

微生物直接作用于煤炭，降解率往往较低，而且由于地理环境、形成年代和条件的差异，使得各煤种理化性质差异也较大(如水分含量、氧含量和间隙率等存在差异)，因而通常在微生物降解煤之前需要针对不同煤种进行相应地预处理，以提高煤的含氧量或对煤粒的表面结构进行修饰，进而提高微生物对煤的降解率。常用的煤预处理方法有[14-21]：① 物理预处理，如机械破碎可以降低煤的粒度，增大反应的比表面积；超声波活化可以使煤结构内的孔隙增大，更有利于微生物在煤分子间的移动，进而提高煤的生物降解效果；② 化学预处理，如酸氧化(硝酸、硫酸)、过氧化氢氧化、高锰酸钾氧化、热氧化、空气氧化、光氧化、催化剂催化氧化(如活性炭、SiO2以及碳纳米管)等氧化法可以提高氧和氮元素的含量，利于煤的微生物降解；阴离子表面活性剂、碱性缓冲液、金属螯合剂等非氧化法同样可以提高微生物的溶煤效果。但在实际应用中，必须综合考虑工业化可操作性、成本等因素，选取安全、环保、性价比高的煤炭预处理方法，如硝酸氧化腐蚀性强，对设备的要求高，还会产生NO2等污染气体，不适于规模化工业生产。

2 降解煤的微生物筛选及种类

降解低阶煤的微生物主要通过以下方式筛选[22-24]：① 从煤炭、矿区土样及水样等原生环境中筛选，从煤炭环境中筛选出来的菌株相比于其他环境中的菌株与煤的适宜性和相关性更好，更能有效降解煤炭；② 从能降解低阶煤中木质素、多环芳烃等有机化合物成分的菌株中挑选；③ 通过诱变育种和基因工程等方式来获得。

通过上述方式，迄今为止发现的能降解煤的微生物主要有细菌、真菌和放线菌，其中比较典型的几种微生物见表1[6，22，25， 26]；此外，一些酵母菌也具有降解煤的能力。实际上，要完全降解煤，自然环境中任何单一的菌株都做不到，需要在不同阶段由不同微生物协同完成。因此从20世纪80年代，人们开始研究不同微生物间的协同降解作用，逐步形成了现在的混合培养技术[25]。但是目前的混合培养技术主要是利用纯培养的菌株进行组合，而自然界中许多高效降解微生物无法通过纯培养得到，因此研究者把研究的方向转向直接从自然界筛选获得菌群。如，高同国等[27]从不同地域低阶煤中分离筛选得到具有较好降解能力的3株菌群，编号分别为SL-1、SL-2、NM-1，其中降解能力最强的SL-2对风化煤和内蒙古褐煤都有较好的降解效果，显微镜镜检结果表明，这3株菌群由长杆菌、短杆菌、球菌等细菌组成；Gao等[28]从低阶煤储量丰富的地区采集样品，筛选到3组高效降解菌群，其中菌群MCSL-2含有2类细菌：Bacilluslichenoformis和unculturedStenotrophomonas。

表1 降解低阶煤的微生物汇总

3 微生物降解煤提取腐植酸的工艺及机理

3.1 微生物降解煤提取腐植酸的工艺研究

微生物降解低阶煤的方式主要有固体培养基表面溶煤和液体溶煤，液体溶煤以不同方式分为胞外液溶煤和细胞液溶煤，又可分为液体静置溶煤和液体动态溶煤，各有优劣，综合而言固体溶煤方式不易回收液化产物，难以精准计算菌株的降解率，更适用于实验室的菌种分离筛选；而液体溶煤较易于定量分析，其中胞外液溶煤没有菌丝体，易于收集溶煤产物，利于进行探索溶煤条件和工艺，细胞液溶煤操作简单，更有工业化前景[29]。

针对同一微生物菌株因不同煤样存在不同的降解特性，同一煤样也因不同微生物菌株存在转化差异，使得研究者更加注重研究微生物菌种与煤之间的匹配性降解条件，而在探究其最优工艺条件时，研究者应根据实际需要选择合适的溶煤方式。如闫敏等[30]采用固体和液体相结合的培养条件，从腐植酸类物质含量和结构上研究了菌株F75对3个风化煤的降解特性，为优化其发酵工艺提供理论依据；李建涛等[31-35]采用液体培养方式研究了在煤和菌种确定的情况下，微生物降解煤提取腐植酸的最优工艺条件—培养方式、煤样粒度、接种量、煤浆质量浓度和降解时间等，以期获得较高的降解效率。但目前大多研究仍停留在探索单株菌降解煤的最优工艺条件，故而降解率通常较低，即使有个别菌产生的降解煤的活性物质正好和该种煤的结构中大量存在的降解活性点相对应，获得了相对理想的降解率，但针对组成结构不同的其他煤种，该菌的降解率不一定高。要想获得高效、普适性的微生物降解煤的工艺条件，应该从微生物降解煤的机理出发，采用分级降解的方法，如李建涛等[36]采用绿孢链霉菌、恶臭假单胞菌和黄孢原毛平革菌依次对低阶煤进行分级降解，分别利用三种菌代谢产生的碱、酶、螯合剂和表面活性剂等多种活性物质，对低阶煤结构中不同的降解活性点协同作用，提高了低阶煤的降解率，同时也提高了各级降解液中精细化学品、液体燃料等产品的种类和数量。

微生物降解煤完成后，提取腐植酸基本采用碱提、添加助剂提取或直接水溶方式提取，如袁红莉团队[37]通过30年对微生物降解褐煤生产黄腐酸及高活性腐植酸的系统研究，建立了利用组合菌进行混合发酵降解褐煤生产腐植酸的工艺技术流程，该工艺从发酵到产物提取均不使用酸、碱、丙酮等化学试剂，剩余物还可以进一步提取腐植酸或作为有机肥，整个过程符合经济、循环及再利用的原则。

微生物降解煤提取腐植酸的工艺研究方式前期主要集中在单因素对腐植酸产率的影响上，考察的实验因素比较单一，忽略了因素间的交互作用对腐植酸产率的影响，得到的是局部最优条件；随后有学者通过单因素和正交实验相结合的方式探究微生物降解煤提取腐植酸的最佳工艺条件[31-34]，该方法能同时考察几种因素，确定最佳因素水平组合，但不能在给出的整个区域上找到因素和目标值之间的一个明确的函数表达式；目前较好的研究方式是响应曲面法，采用响应曲面法对微生物降解煤提取腐植酸的工艺条件进行优化，试验次数少、周期短，可以同时考察因素间交互作用对腐植酸产率的影响，并求得因素和响应值之间精度较高的回归方程，更好的获得不同煤腐植酸的最优降解和提取工艺条件[35，38]。

3.2 微生物降解煤的机理

大量研究表明，煤的微生物降解过程是一个非常复杂的生化反应过程，所用菌种不同，参与降解煤过程的活性物质也不同；即使同一菌种在不同的培养基中，对不同的煤样，其分泌的降解煤的活性物质也不尽相同。总结前人的研究成果，目前微生物降解煤的机理主要有[26，39- 41]：

(1)碱性物质降解，微生物在生长过程中可通过分泌氨、生物胺、多肽及其衍生物等碱性物质或以环境中的某些化合物(谷氨酸盐、硝酸盐等)为原料产生碱性物质来参与煤的降解过程；

(2)螯合剂降解，煤大分子结构中含有由多价阳离子形成的盐桥，微生物生长过程中产生的螯合剂与煤中的金属离子结合，导致煤大分子结构瓦解，当脱除这些多价金属后，能使煤更多地溶于稀碱，并使生物溶解力增强，从而实现煤的降解；

(3)表面活性剂降解，表面活性剂可以在不需要打断煤共价键的情况下促进许多极性物质的溶解，帮助微生物降解煤，但也正是因为其不能打断共价键，使得其单一作用时效果不佳，所以表面活性剂主要利用其双亲结构改变煤表面的电荷和亲水性使得煤颗粒表面能更好的和生物酶接触，来提高煤的溶解，目前被广泛接受的理论模型是表面活性剂先附着在煤的表面，再通过表面活性剂的亲水头将生物酶吸附到煤的表面来溶解煤，如图1所示[42]；

图1 表面活性剂作用示意

(4)生物酶降解，这是微生物新陈代谢过程中分泌的胞外酶，主要包括木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等氧化酶，以及酯酶等非氧化酶，尤其是木质素降解酶的参与可以打断煤分子的共价键，从根本上将大分子结构降解，在腐植酸的解聚中起决定性作用；

(5)ABCDE综合作用机理[43]，指出了煤的大分子结构中分别被碱、螯合剂、表面活性剂及酶作用的官能团结构部位，如图2所示，这是在前面4种机理的基础上提出的，它认为微生物降解煤的过程是多种机理共同作用的结果，碱性物质、螯合剂和表面活性剂增加了煤的溶解性，而增溶后的解聚作用则需要生物酶起作用；ABCDE机理发生在不同的微生物代谢物与不同特性煤种时，起主要作用的物质不同，如图3所示，煤炭分子中羧基含量高、金属离子含量高、酯键含量高、芳香烃含量高时分别易发生碱性溶解、螯合剂溶解、酯酶降解、氧化煤氧化降解。

图2 ABCDE综合作用示意图

图3 不同微生物代谢物对不同煤炭的溶解作用

4 微生物降解煤的产物分析及应用

4.1 产物分析

表2 分析煤降解产物采用的技术方法

4.2 产物应用

在微生物降解产物的应用方面，袁红莉等[37]利用微生物降解褐煤生产的黄腐酸喷施或拌种，可以显著增加西红柿、黄瓜、西瓜、玉米、大豆等多种作物的产量并改善其品质；赵宪志[51]利用云芝培养胞外液的溶煤产物进行农作物栽培试验表明，在盆栽条件下溶煤产物明显地刺激到了玉米苗和蒜苗的生长，增强了其抗干旱的能力；赵娜和赵星程等[52，53]利用微生物转化技术处理煤，产生甲烷或其它气体燃料；王龙贵等[54]研究认为，可以从溶煤产物当中分离提取出高附加值的化工产品；张敉等[55]认为煤炭腐植酸在医药应用中具有重要作用；王娜等[56]将褐煤经过微生物转化后再热压成型，发现所得煤球的防水性能有较大提高，其中真菌在改善褐煤型煤防水性方面所起的作用较明显，混合菌的效果最好；张明旭等[57]利用白腐真菌降解硝酸预处理的义马褐煤后的水溶性产物制备水煤浆，与添加1%萘系添加剂的水煤浆相比，各项指标都较优，展现了其在工业生产中的潜在利用价值。总结研究者们对微生物降解煤产物的应用，概括的说有植物生长促进剂、清洁燃料、精细化学品、保水剂、土壤调理剂/修复剂、药剂等，涉及农业、化工、环保、医药、石油等领域。其中，矿物源腐植酸已应用在多种生产实践中，且效果较好，但其基础产品种类偏少，不同地区来源和不同处理工艺对于腐植酸产品品质影响比较大，需要推进腐植酸的区域化发展和复合化利用。

5 存在问题及展望

通过研究者不懈的努力，在采用微生物降解低阶煤实现低阶煤资源高效利用方面取得了一定的成果，但仍存在一些问题[6，25，36]：① 菌—煤匹配规律缺乏系统的研究，高效、普适性的降解菌少，应系统研究不同特性煤种在不同阶段需要何种降解方式，进而制定相应的标准；② 煤的组成和结构复杂，导致煤的微生物降解产物难以分离和利用，且提取产物后剩余的残渣对环境有严重影响，必需为其寻找合适的处理方法；③ 微生物降解煤的机理有待进一步完善；④ 微生物转化的设备开发，产物纯化和检测分析方法的创新也需要加大研究力度，以为产物的进一步研究和应用提供技术支撑；⑤ 在研究煤的预处理方式，提高转化率的同时，要综合考虑预处理方式的工业化可行性、环保性、可持续发展等因素。

6 结 论

微生物降解煤技术要想产业化，首先需解决微生物对煤降解率低的问题，较少的降解产物导致研究降解产物的用途和产业化受阻；其次，探明微生物降解煤的机理，明晰的机理能够从客观规律上指导制定科学合理的措施来提高煤的微生物降解率，设计煤的降解产物构成，解决微生物降解周期长和生产效率低等问题；再次，提高煤微生物降解产物的成分及分离纯化的技术手段，这对于扩大煤微生物降解产物的实际应用，提高其商业价值具有重大意义；最后，加强降解产物的高效利用，用途广、附加值大的产物才更能适应市场的需求，利于微生物降解煤技术的产业化。