煤微生物降解轉(zhuǎn)化研究現(xiàn)狀進展

摘要：煤是我國重要的能源之一，但煤的使用會產(chǎn)生大氣、土壤、固廢等生態(tài)環(huán)境污染，因此，如何降解轉(zhuǎn)化煤炭成為當前煤炭處理主要問題之一。微生物對煤炭具有一定的降解轉(zhuǎn)化能力，真菌及細菌在生長過程中產(chǎn)生的堿性物質(zhì)、表面活性劑、螯合劑等均可降解轉(zhuǎn)化煤炭。同時，微生物生成的部分酶對煤炭中的物質(zhì)具有特異性降解功能，從而減少煤炭對環(huán)境的污染。

關鍵詞：煤;微生物;降解

中圖分類號：X172 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）10-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.126

Abstract： Coal is one of important energy in our country， but the use of coal will produce the ecological environment such as air， soil， solid waste pollution， therefore， how to degrade into coal become one of the main problems of coal processing. Microorganisms have certain ability to degrade and transform coal， and the alkaline substances， surfactants and chelates produced by fungi and bacteria in the growth process can degrade and transform coal. At the same time， some enzymes produced by microorganisms have specific degradation function to the materials in coal， so as to reduce the pollution of coal to the environment.

Key words： Coal;Microbial;Degradation

當前，放眼全球，礦業(yè)類生產(chǎn)呈收縮姿態(tài)，而在我國國內(nèi)，礦產(chǎn)品的需求也呈遞減趨勢[1]。目前，在我國煤礦業(yè)中，褐煤的使用最為頻繁。褐煤燃燒值較低，被稱為低劣煤，主要用于工業(yè)生產(chǎn)，但褐煤燃燒會釋放大量含硫及含氮廢氣，直接燃燒會造成大氣污染。同時，除褐煤外，我國整體礦山呈現(xiàn)點多面廣的問題，由此易引發(fā)多種環(huán)境問題：土地損毀、廢水產(chǎn)出、固體廢物積存等。

煤的微生物降解轉(zhuǎn)化指利用微生物（包括真菌、細菌和放線菌等）將煤由大分子有機物轉(zhuǎn)化為小分子有機物。煤的微生物降解分為三個階段，液化、解聚和脫色，其中液化包括堿性化學物質(zhì)（Quigley et al.，1988）、表面活性劑（Fakoussa，1988）及酶促（Fakoussa and Hofrichter）三種作用方式。同時，煤的微生物降解具有二次污染少、成本較低、能耗低、條件溫和等優(yōu)勢。

因此，使用有效的微生物對煤礦進行降解轉(zhuǎn)化，將有利于我國資源、經(jīng)濟、環(huán)境和諧發(fā)展，符合國家、地方產(chǎn)業(yè)政策以及能源發(fā)展。

1 煤的結(jié)構特征

煤的結(jié)構包括煤的化學結(jié)構及物理結(jié)構，其中化學結(jié)構反應物質(zhì)內(nèi)部各元素原子組成的秩序，即原子的連接方式和順序;物理結(jié)構則反應物質(zhì)分子間空隙結(jié)構及其堆積方式。

根據(jù)官能團特征研究，表明煤中主要的基團有：芳香烴（Ar-H）和脂肪烴（R-H），孤立的和氫鍵化的-OH與-NH2，羰基（C=O），酚（C-O），醚鍵（R1-O-R2），芳環(huán)，未發(fā)現(xiàn)有獨立的C=C和C≡C等不飽和鍵[2]。

2 煤微生物降解轉(zhuǎn)化研究進展

2.1 煤微生物降解轉(zhuǎn)化的方法及機理

以褐煤為例，早期的褐煤中包含木質(zhì)素等部分植物組織的特征，即褐煤中含有芳香酸、酚類等結(jié)構，這些結(jié)構物質(zhì)被稱為腐殖酸。腐殖酸的存在使得微生物降解轉(zhuǎn)化煤炭成為可能。因此，微生物是否能夠降解轉(zhuǎn)化煤炭的主要依據(jù)為微生物是否能夠降解、轉(zhuǎn)化木質(zhì)素。目前，微生物降解轉(zhuǎn)化褐煤主要通過以下三種機理：

（1）微生物生長時，利用培養(yǎng)基中的多肽或多肽產(chǎn)生的堿性物質(zhì)溶解褐煤中的酸性物質(zhì)[3]。

（2）微生物分泌的螯合物和表面活性劑對褐煤具有部分液化的作用[4]。

（3）微生物分泌的某些酶對褐煤具有降解轉(zhuǎn)化作用，主要為對木質(zhì)素具有降解轉(zhuǎn)化作用的酶，包括木素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶、水解酶等[5]。

2.2 真菌對煤的降解轉(zhuǎn)化作用

2.2.1 堿性物、表面活性劑、螯合劑對煤的降解轉(zhuǎn)化作用

真菌對煤的降解轉(zhuǎn)化作用主要通過真菌生長時所產(chǎn)生的堿性物、表面活性劑、螯合劑以及體內(nèi)酶催化四種方式。堿性物質(zhì)可以中和煤中的酸性物，表面活性劑則起到保護作用酶的性能，減少降解性酶與煤中的氧化聚合物作用導致酶活性的降低，同時，表面活性劑可改變部分酶的反應位點，以提高降解性酶活性，達到更高降解煤的作用。

2.2.2 生物酶對煤的降解轉(zhuǎn)化作用

由于絕大多數(shù)褐煤中含有大量木質(zhì)素，因此，降解煤的生物酶主要由具有降解木質(zhì)素功能的生物酶組成，而木質(zhì)素降解菌的篩選同時也成為降解煤菌種篩選的主要來源之一。

2.3 細菌對煤的降解轉(zhuǎn)化作用

2.3.1 堿性物、表面活性劑對煤的降解轉(zhuǎn)化作用

同真菌類似，細菌在生長過程中所產(chǎn)生的堿性物具有中和煤中酸性物質(zhì)的作用，從而減少煤的污染性能。

與真菌相比，細菌在生長過程中會分泌中較多的表面活性劑，表面活性劑可降低煤的表面張力，從而提高煤的可溶性，因此，細菌在生長過程中所產(chǎn)生的表面活性劑可液化部分褐煤和煙煤，從而起到降解轉(zhuǎn)化煤的作用。

2.3.2 生物酶對煤的降解轉(zhuǎn)化作用

細菌的煤降解轉(zhuǎn)化作用主要通過胞外酶進行，某些細菌所產(chǎn)生的胞外酶對煤具有液化性能，例如Streptomyces viridosporus T7A所產(chǎn)生的胞外酶可以形成大量的酸性沉淀物、多酚以及多聚木質(zhì)素等分解轉(zhuǎn)化煤時的中間產(chǎn)物。而細菌在環(huán)境脅迫下所產(chǎn)生的細菌性酪氨酸酶則可以特異性降解酚類物質(zhì)，這些酶的特征都為細菌降解轉(zhuǎn)化煤提供了理論依據(jù)。

3 結(jié)語

目前，已發(fā)現(xiàn)微生物對煤炭具有降解轉(zhuǎn)化作用，但仍存在一定問題：

（1）煤微生物降解研究主要集中于微生物生長過程中所產(chǎn)生的堿性物質(zhì)、表面活性劑、螯合劑以及部分酶，但對于微生物分子水平的研究較少，降解煤過程中的降解途徑仍不明確。

（2）研究主要集中于實驗室階段，即使已篩選出高效的降解菌，但在實際應用上，單一菌種較難存在，因此研究難以應用于現(xiàn)實。

參考文獻

[1]何楊，劉健.簡析新形勢下煤炭現(xiàn)狀和發(fā)展[J].時事文化參考，2016（3）：71-71.

[2]Goldberg E D.Black carbon in the environment：properties and distribution[M].New York：John Wiley$Sons，1985，1：198.

[3]Cohen M S， Bowers W C， Aronson H， et al. Cellfree solubilization of coal by Polyporus versicolor[J].Appl Environ Microbiol，1987，53（12）：2840-2843.

[4]Quigley DR， Breckenridge CK， et al. Effect of multivalent cations found in coal on alkai-and biosolubilities[J].Am Chem Soc Div Fuel Chem Prep，1988，33：580.

[5]王風芹，袁紅莉，陳文新.微生物降解褐煤的酶學機理[J].生物技術，2002，12（2）：45-47.

收稿日期：2019-06-23

作者簡介：劉韻（1995-），女，漢族，碩士研究生，研究方向為生物修復。