白腐真菌預(yù)處理對(duì)煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

張懷文，黃 松，閆夏彤，趙樹峰，張洺潞，夏大平

白腐真菌預(yù)處理對(duì)煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

張懷文，黃 松，閆夏彤，趙樹峰，張洺潞，夏大平

(河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為研究白腐真菌預(yù)處理對(duì)煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響，以預(yù)處理長(zhǎng)焰煤為實(shí)驗(yàn)組，未經(jīng)預(yù)處理煤樣為對(duì)照組，在適宜環(huán)境下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)。利用重鉻酸鉀法、紫外分光光度法、掃描電鏡等手段對(duì)產(chǎn)氣過程中的COD(化學(xué)需氧量)質(zhì)量濃度、輔酶F420活性及煤形貌變化等進(jìn)行階段性分析。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組總產(chǎn)氣量和碳轉(zhuǎn)化率分別是2 322.0 mL與5.10%、1 330.2 mL與4.70%，且實(shí)驗(yàn)組初始產(chǎn)氣時(shí)間明顯提前；實(shí)驗(yàn)組降解更為徹底，兩者COD值分別是32~176 mg/L與576~609 mg/L；實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組輔酶F420活性最高值分別為0.011 72 μmol/L和0.007 97 μmol/L，且其活性受TOC(總有機(jī)碳)含量和產(chǎn)酸細(xì)菌的影響；預(yù)處理和產(chǎn)氣結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)組煤樣表面更加粗糙，微生物吸附位點(diǎn)和吸附量也更多，且有菌簇的形成。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，白腐真菌生物預(yù)處理在提高煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量與碳轉(zhuǎn)化率方面具有很強(qiáng)的優(yōu)越性和可適用性，有利于煤層生物氣資源的產(chǎn)業(yè)化利用。

長(zhǎng)焰煤；生物預(yù)處理；白腐真菌；厭氧發(fā)酵；甲烷；河南義馬千秋礦

煤層氣是一種潛力巨大且尚未被完全開發(fā)的清潔能源，在世界能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位[1]。煤層氣的勘探開發(fā)不僅能夠減緩溫室效應(yīng)，降低礦井通風(fēng)成本，同時(shí)也能獲得高效清潔的甲烷能源，而微生物增產(chǎn)煤層氣(MECBM)技術(shù)是增加煤層氣資源量的重要途徑之一[2]。

一般來講，煤微生物厭氧降解產(chǎn)甲烷過程(MECBM技術(shù)核心)包括水解階段(發(fā)酵細(xì)菌、水解細(xì)菌)、產(chǎn)酸階段(產(chǎn)酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌)、產(chǎn)甲烷階段(產(chǎn)甲烷菌)等多階段多菌群的協(xié)同完成[3-4]，且水解階段是整個(gè)過程的限速階段[5]。前期預(yù)處理是解決水解階段限速問題的重要方法之一，主要包括物理、化學(xué)及生物預(yù)處理等。研究表明，白腐真菌生物預(yù)處理是一種優(yōu)異的預(yù)處理方式，能夠通過木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶等關(guān)鍵酶催化自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)木質(zhì)素的礦化并將多聚糖降解為可利用的單糖[6-8]。白腐真菌具有降解復(fù)雜底物(參與生化反應(yīng)的物質(zhì)，發(fā)酵反應(yīng)的原料就是底物，也相當(dāng)于生化反應(yīng)的反應(yīng)物)的能力，且降解范圍廣、反應(yīng)條件溫和、適應(yīng)性強(qiáng)，是對(duì)煤炭進(jìn)行生物降解和加工的一種新型研究方向[9-10]。白腐真菌對(duì)煤的降解包括氧化和氫化兩個(gè)過程，不僅可以將部分煤樣降解為氣態(tài)小分子物質(zhì)，而且有利于煤質(zhì)的精選和燃燒特性的優(yōu)化[11]。徐一雯等[12]研究了超聲、微波及熱堿預(yù)處理技術(shù)對(duì)廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響；夏大平等[13]研究了酸、堿預(yù)處理后煤發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣–甲烷生成特征與煤結(jié)構(gòu)變化；張亦雯等[14]研究了3種不同H2O2濃度預(yù)處理中、高階煤的生物甲烷生成潛力，發(fā)現(xiàn)0.05%H2O2直接注入煤層或?qū)㈩A(yù)處理液注入煤層均可實(shí)現(xiàn)生物甲烷的增產(chǎn)。

目前聲波、酸堿、氧化劑等物理、化學(xué)等多種預(yù)處理方式對(duì)煤發(fā)酵產(chǎn)氣的影響已多有報(bào)道[15-17]，但鮮有報(bào)道生物預(yù)處理煤樣的產(chǎn)氣特征。鑒于此，分別對(duì)白腐真菌預(yù)處理和未進(jìn)行預(yù)處理的長(zhǎng)焰煤進(jìn)行生物發(fā)酵產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)，研究分析產(chǎn)甲烷過程中不同階段產(chǎn)氣量、化學(xué)需氧量(COD)、輔酶F420活性及煤表面結(jié)構(gòu)變化等規(guī)律，為進(jìn)一步證實(shí)白腐真菌生物預(yù)處理的優(yōu)越性和煤層生物氣資源的商業(yè)化利用提供支撐和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

煤樣選自河南義馬千秋礦，煤的鏡質(zhì)體最大反射率為0.56%，為長(zhǎng)焰煤。煤層埋深500 m，儲(chǔ)層溫度25°C。在采煤工作面人工采集塊狀煤樣(＞8 cm× 8 cm × 8 cm)后放在氦氣填充密封的低溫厭氧罐內(nèi)，并及時(shí)運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室密封保存。煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

產(chǎn)氣菌源來自焦作古漢山礦井水。在采煤工作面涌水口處人工采集新鮮水樣，通入氦氣后運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室冷藏保存。白腐真菌由河南理工大學(xué)煤層氣生物工程實(shí)驗(yàn)室提供。

表1 義馬千秋礦長(zhǎng)焰煤的工業(yè)分析和元素分析

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

以白腐真菌預(yù)處理煤樣為實(shí)驗(yàn)組，未經(jīng)預(yù)處理煤樣為對(duì)照組，其他條件均保持一致。實(shí)驗(yàn)前將煤樣破碎篩分至100~150目(0.1~1.5 mm)，并儲(chǔ)存在干燥樣品袋內(nèi)。產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)在3 000 mL發(fā)酵瓶中進(jìn)行，產(chǎn)生的氣體通過排飽和食鹽水法集于集氣瓶中(圖1)。主要實(shí)驗(yàn)流程如下。

a. 配置微量元素液 1.5 g氨基三乙酸，0.5 g MnSO4·2H2O，3.0 g MgSO4·7H2O，0.1 g FeSO4·7H2O，1.0 g NaCl，0.1 g CoCl2·6H2O，0.1 g CaCl2·2H2O，0.01 g CuSO4·5H2O，0.1 g ZnSO4·7H2O，0.01 g H3BO3，0.01 g KAl(SO4)2，0.02 g NiCl2·6H2O，0.01 g Na2MoO4與1 000 mL超純水。

b. 配置產(chǎn)甲烷富集培養(yǎng)基 1.0 g NH4Cl，0.1 g MgCl2·6H2O，0.4 g K2HPO4·3H2O，0.2 g KH2PO4，1.0 g酵母膏，0.001 g刃天青，0.5 g L–半胱氨酸鹽，0.2 g Na2S，2.0 g NaHCO3，2.0 g乙酸鈉，2.0 g甲酸鈉，0.1 g胰蛋白胨，10 mL微量元素液與1 000 mL礦井水。

c. 配置白腐真菌富集培養(yǎng)基 200 g馬鈴薯，20 g葡萄糖，5 g蛋白胨與1 000 mL超純水，并將白腐真菌菌種接種到PDA固體培養(yǎng)基上。

將配置好的白腐真菌和產(chǎn)甲烷培養(yǎng)基在(35± 0.5)°C恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)富集培養(yǎng)4~5 d。富集培養(yǎng)完成后向富含白腐真菌的發(fā)酵瓶?jī)?nèi)加入100 g新鮮煤樣，好氧預(yù)處理6~7 d。預(yù)處理結(jié)束后，保留煤顆粒沉淀物并用KOH溶液中和預(yù)處理發(fā)酵液，同時(shí)向預(yù)處理發(fā)酵瓶?jī)?nèi)加入同質(zhì)量、同粒度的煤樣及1 000 mL產(chǎn)甲烷富集液，輕輕搖晃至混合均勻，在預(yù)處理裝置基礎(chǔ)上形成產(chǎn)甲烷裝置。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

在液體取樣口4每隔3 d抽取一次菌液，置于50 mL離心管內(nèi)，并向離心管內(nèi)充入氦氣以保證其厭氧條件，用封口膜密封后放置在4°C冰箱內(nèi)冷藏保存。

1—發(fā)酵瓶；2—橡膠塞；3、6—穿刺鋼針；4—液體取樣口；5—?dú)怏w取樣口；7—橡膠軟管；8—洗氣瓶；9—集氣裝置

1.3 分析方法

1.3.1 產(chǎn)氣量

利用排水集氣法測(cè)量產(chǎn)氣量大小，即用量筒對(duì)排水集氣裝置中的排水體積進(jìn)行測(cè)量，水體積即為產(chǎn)氣量大小。

1.3.2 化學(xué)需氧量(COD)

采用6B-200型COD速測(cè)儀測(cè)試產(chǎn)甲烷過程中發(fā)酵液的COD質(zhì)量濃度。測(cè)試前對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行稀釋(發(fā)酵液∶蒸餾水=1∶20)。取7支帶有標(biāo)號(hào)的潔凈消解管，分別對(duì)應(yīng)不同取液階段的測(cè)試樣品(0.15 mL)，并依次向消解管內(nèi)加入1 mL C1試劑(一種氧化劑)，5 mL C2試劑(濃硫酸)。將消解管依次放入6B-12型智能消解儀內(nèi)消解10 min，消解完成后先在空氣中自然冷卻2 min，再向各消解管內(nèi)分別加入3 mL蒸餾水，并再次在自來水中冷卻2 min。水冷結(jié)束后將消解管內(nèi)各試液倒入特定比色皿中測(cè)試樣品的COD值。

1.3.3 輔酶F420活性

取不同階段發(fā)酵液各10 mL加入50 mL離心管中，并加入10 mL生理鹽水?dāng)嚢柘♂?，? 000 r/min條件下離心15 min。收集沉淀物，并再次加入15 mL生理鹽水，同時(shí)在95°C恒溫水浴鍋內(nèi)水浴加熱30 min。冷卻至室溫后，向離心管內(nèi)加入25 mL乙醇溶液，并再次在6 000 r/min條件下離心15 min。離心后取上部清液，并用4 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)上部清液pH值至13.5，之后再在8 000 r/min條件下離心15 min，并將離心后的上部清液等體積分成2份。其中一份用6 mol/L的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值略低于3.0，并記錄鹽酸使用量，另一份加入與鹽酸相同體積的蒸餾水作為參照對(duì)比樣。使用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試上述2份試液在波長(zhǎng)420 nm處的吸光度值，并按照式(1)計(jì)算輔酶F420的活性。

式中：為輔酶F420濃度，μmol/L；為pH＜3的樣品溶液做參照，pH=13.5的試液在420 nm的吸光度值；為稀釋倍數(shù)(25倍)；為比色皿厚度(1.3 cm)；為F420在pH=13.5時(shí)的毫摩爾消光系數(shù)(54.3)。

1.3.4 其他指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組發(fā)酵液離心后取上部清液，并用蒸餾水稀釋10倍。使用UV-5200紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試上部清液(稀釋后)在254 nm處吸光度值UV254，用來代替TOC(總有機(jī)碳)含量。采用FEI Quanta FEG 250場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察產(chǎn)氣前后煤表面變化特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣量

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組產(chǎn)氣量結(jié)果如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，兩者產(chǎn)氣量均大致呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，且總產(chǎn)氣量分別是2 322.0 mL與1 330.2 mL。①實(shí)驗(yàn)組在反應(yīng)第1 天開始產(chǎn)氣(122.0 mL)，最大值出現(xiàn)在第3天(294.0 mL)，占總產(chǎn)氣量的12.66%。4 d之后產(chǎn)氣量開始逐漸下降，最終維持在67.67 mL。②對(duì)照組初始產(chǎn)氣時(shí)間晚于實(shí)驗(yàn)組(第5天)，且出現(xiàn)兩個(gè)明顯的產(chǎn)氣峰值。這是因?yàn)榘赘婢軌蛴行Ы到饷褐械哪举|(zhì)素[18-19]，繼而縮短了產(chǎn)甲烷過程的水解持續(xù)時(shí)間。11~16 d，產(chǎn)氣量由44 mL增加到294 mL。16 d之后產(chǎn)氣量開始下降，最終定格在32 mL，遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)組。

圖2 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組產(chǎn)氣量變化特征

2.2 化學(xué)需氧量COD與碳轉(zhuǎn)化率

煤是一種微溶于水的大分子有機(jī)混合物，外源菌的添加降解可使煤中脂肪烴、小分子芳香烴等可溶性有機(jī)質(zhì)增加。發(fā)酵液中有機(jī)質(zhì)含量越多，化學(xué)需氧量COD值越大。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組發(fā)酵液內(nèi)COD值如圖3所示。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組COD分別為32.34~176.00 mg/L與576~609 mg/L，碳轉(zhuǎn)化率分別是5.10%與4.70%(表2)。這說明實(shí)驗(yàn)組的降解轉(zhuǎn)化過程更為徹底，更多的有機(jī)質(zhì)被轉(zhuǎn)化生成CH4、CO2等目標(biāo)產(chǎn)物，而不是殘留在發(fā)酵液內(nèi)。

產(chǎn)氣前由于未對(duì)白腐真菌做進(jìn)一步分離處理，使得實(shí)驗(yàn)組前3 d發(fā)酵液內(nèi)有機(jī)質(zhì)降解量大于生成量，COD值由65.02 mg/L降至32.34 mg/L (圖3)。隨后實(shí)驗(yàn)組水解和產(chǎn)酸階段(3~9 d)生成的氨基酸類、酯類、酸醇類等小分子有機(jī)質(zhì)使得COD值由32.34 mg/L增加到137.13 mg/L。12~21 d，產(chǎn)甲烷菌利用乙酸、甲基類等有機(jī)質(zhì)生成CH4與CO2，同時(shí)酸毒性有機(jī)質(zhì)開始逐步積累，使得COD值(71.412—176.00—66.32—97.47 mg/L)呈先增加后降低再增加的浮動(dòng)特征。對(duì)照組COD值變化與實(shí)驗(yàn)組基本相似，但拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間略有差異，這與兩者反應(yīng)體系內(nèi)微生物多樣性和菌群間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度密切相關(guān)。

圖3 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組化學(xué)需氧量COD

表2 產(chǎn)氣前后碳含量變化

2.3 輔酶F420活性

研究證實(shí)，單位比色皿在254 nm波長(zhǎng)光程下紫外線吸收度UV254與TOC相關(guān)度高，可以作為總有機(jī)碳含量TOC的一種很好的替代參數(shù)[20]。煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷是一系列生物化學(xué)的偶聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)甲烷菌位于整條厭氧生物鏈最頂端，而輔酶F420作為一種產(chǎn)甲烷菌所特有的酶類，與產(chǎn)甲烷菌的活性有著不可分割的聯(lián)系，是產(chǎn)甲烷菌活性狀態(tài)的反應(yīng)指標(biāo)之一[21-22]。因此，采用紫外分光光度法測(cè)試，反映試液內(nèi)底物變化情況及產(chǎn)甲烷活性狀態(tài)的UV254大小和輔酶F420活性，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 輔酶F420與UV254變化

一般來說，產(chǎn)酸細(xì)菌生長(zhǎng)速率較快，世代時(shí)間(微生物每繁殖一代所需要的時(shí)間)為10~30 min，而產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)非常緩慢，其世代時(shí)間一般在4~6 d[23]。實(shí)驗(yàn)組煤樣經(jīng)預(yù)處理后，其孔隙連通性增強(qiáng)，孔徑增大，為微生物提供了更多的吸附位和降解點(diǎn)[24-25]。從開始接種到培養(yǎng)第3天，產(chǎn)甲烷菌的世代時(shí)間還未完成，數(shù)量較少，但產(chǎn)酸細(xì)菌的世代時(shí)間早已完成，數(shù)量較多，并對(duì)煤進(jìn)行了部分降解，使發(fā)酵液內(nèi)生成了乙酸、丙酸、丁酸等酸性有機(jī)物。但丙酸、丁酸等酸性有機(jī)物無(wú)法被產(chǎn)甲烷菌直接利用，導(dǎo)致發(fā)酵液內(nèi)總有機(jī)碳的生成速率高于降解速率。因此，實(shí)驗(yàn)組UV254值升至0.026 43 cm，輔酶F420活性降至0.005 03 μmol/L(圖4a)。隨著產(chǎn)甲烷菌世代時(shí)間的完成，輔酶F420活性增長(zhǎng)迅速，在第6天時(shí)達(dá)到最大活性值0.011 72 μmol/L，同時(shí)有機(jī)碳開始被大量消耗，在第6天時(shí)含量出現(xiàn)最低值，UV254為0.021 81 cm。之后產(chǎn)甲烷菌的活性由于酸性有機(jī)物的過度積累而受到抑制，由最大值降至最小值(0.003 65 μmol/L)，有機(jī)碳含量開始逐步增加，UV254最終維持在0.03 cm附近。

在反應(yīng)前6 d，對(duì)照組發(fā)酵液內(nèi)用于滿足菌體繁殖代謝及細(xì)胞活動(dòng)所需能量的有機(jī)碳源酵母膏優(yōu)先被消耗，致使發(fā)酵液內(nèi)有機(jī)碳不斷減少，UV254降低至0.008 09 cm(圖4b)，而產(chǎn)酸細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌在生長(zhǎng)速率的差異性，使發(fā)酵細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)生的酸抑制了輔酶F420活性[26-27]，導(dǎo)致其在第3~6天增長(zhǎng)較為緩慢。之后水解和產(chǎn)酸階段生成的酸性物質(zhì)與煤中碳源被其有效利用，輔酶F420活性增長(zhǎng)迅速，在第9天時(shí)達(dá)到最大活性值0.007 97 μmol/L，而細(xì)菌代謝所生成的大量含碳有機(jī)物也直接導(dǎo)致了接種液內(nèi)有機(jī)碳的快速增加。9~18 d，有效碳源的減少影響并降低了輔酶F420的活性，使其降低至最小值0.003 47 μmol/L。18 d之后，對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組中，輔酶F420活性的增加可能與產(chǎn)甲烷菌群的遷移和本身生理狀態(tài)的調(diào)整、煤孔隙結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)，仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。

2.4 SEM分析

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組產(chǎn)氣前后掃描電鏡圖片如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組產(chǎn)氣前后煤顯微結(jié)構(gòu)變化特征

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組在產(chǎn)氣前(預(yù)處理結(jié)束后)煤表面更加粗糙，且表面微生物吸附量也更多，這為其后續(xù)產(chǎn)甲烷過程中水解期的縮短與總產(chǎn)氣量的增加提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。產(chǎn)氣結(jié)束后煤表面更加粗糙，且有菌簇的形成。與實(shí)驗(yàn)組相比，產(chǎn)氣前對(duì)照組煤表面相對(duì)光滑，且微生物吸附量也較少。產(chǎn)氣結(jié)束后，對(duì)照組煤表面同樣變得較為粗糙，但粗糙度小于實(shí)驗(yàn)組。圖5表明煤樣在產(chǎn)氣前后均發(fā)生了不同程度的降解，并伴有菌群的遷移和吸附，且白腐真菌預(yù)處理能夠明顯改善和提高煤中有機(jī)質(zhì)的有效降解。這與實(shí)驗(yàn)組具有高產(chǎn)氣量、高碳轉(zhuǎn)化率、高輔酶活性的“三高”特征具有很好的吻合性。

3 結(jié)論

a.煤樣經(jīng)白腐真菌預(yù)處理后初始產(chǎn)氣時(shí)間明顯提前，較對(duì)照組提前4 d，總產(chǎn)氣量和碳轉(zhuǎn)化率也明顯增加。

b. 實(shí)驗(yàn)組降解更為徹底，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組化學(xué)需氧量COD分別是32~176 mg/L與576~609 mg/L。

c.輔酶F420活性受TOC含量和產(chǎn)酸細(xì)菌的影響，且實(shí)驗(yàn)組輔酶活性更高，降解過程也更為徹底。

d.白腐真菌預(yù)處理為微生物在煤表面提高了更多的吸附位點(diǎn)，煤表面更加粗糙，且產(chǎn)氣結(jié)束后有菌簇的形成。

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[1] 占迪，何環(huán)，廖遠(yuǎn)松，等. 褐煤強(qiáng)化產(chǎn)甲烷菌群的群落分析及條件優(yōu)化[J]. 微生物學(xué)報(bào)，2018，58(4)：684–698. ZHAN Di，HE Huan，LIAO Yuansong，et al. Community structure analysis of methanogenic flora and optimization for bioaugmentation methane generation from lignite[J]. Acta Microbiologica Sinica，2018，58(4)：684–698.

[2] 郭紅光，王飛，李治剛. 微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 微生物學(xué)通報(bào)，2015，42(3)：584–590. GUO Hongguang，WANG Fei，LI Zhigang. Research progress of microbially enhanced coalbed methane[J]. Microbiology China，2015，42(3)：584–590.

[3] VINSON D S，BLAIR N E，MARTINI A M，et al. Microbial methane from in situ biodegradation of coal and shale：A review and reevaluation of hydrogen and carbon isotope signatures[J]. Chemical Geology，2017，453：128–145.

[4] FLORES R M，RICE C A，STRICKER G D，et al. Methanogenic pathways of coal-bed gas in the Powder River basin，United States：The geologic factor[J]. International Journal of Coal Geology，2008，76(1/2)：52–75.

[5] 賈舒婷，張棟，趙建夫，等. 不同預(yù)處理方法促進(jìn)初沉/剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2013，32(1)：193–198. JIA Shuting，ZHANG Dong，ZHAO Jianfu，et al. Research on different pre-treatment methods for improving anaerobic digestion of primary/excess sludge of biogas production[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2013，32(1)：193–198.

[6] 汪少潔. 白腐菌降解轉(zhuǎn)化低階煤的試驗(yàn)及機(jī)理研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2008. WANG Shaojie. Experimental and mechanism study on white rot fungi degradation of low-rank coal[D]. Wuhan：Huazhong University of Science & Technology，2008.

[7] PINTO P A，DIAS A A，F(xiàn)RAGA I，et al. Influence of ligninolytic enzymes on straw saccharification during fungal pretreatment[J]. Bioresource Technology，2012，111：261–267.

[8] KELLER F A，HAMILTON J E，NGUYEN Q A. Microbial pretreatment of biomass[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology，2003，105(1/2/3)：27–41.

[9] 柳珊，吳樹彪，張萬(wàn)欽，等. 白腐真菌預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷影響實(shí)驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(增刊2)：124–129. LIU Shan，WU Shubiao，ZHANG Wanqin，et al. Effect of white-rot fungi pretreatment on methane production from anaerobic digestion of corn stover[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，2013，44(S2)：124–129.

[10] 李俊旺. 白腐真菌降解褐煤的研究[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2009. LI Junwang. Studies on lignite degradation by white rot fungi[D]. Huainan：Anhui University of Science & Technology，2009.

[11] 王龍貴，張明旭，歐澤深，等. 白腐真菌對(duì)煤炭的降解轉(zhuǎn)化試驗(yàn)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(2)：241–244. WANG Longgui，ZHANG Mingxu，OU Zeshen，et al. Experimental of coal biodegradation by white rot fungus[J]. Journal of China Coal Society，2006，31(2)：241–244.

[12] 徐一雯，蔣建國(guó)，劉諾，等. 預(yù)處理對(duì)廚余垃圾等有機(jī)廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2019，59(7)：558–566. XU Yiwen，JIANG Jianguo，LIU Nuo，et al. Effects of pretreatment on anaerobic co-digestion of kitchen waste and other organic wastes[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology)，2019，59(7)：558–566.

[13] 夏大平，陳曦，王闖，等. 褐煤酸堿預(yù)處理–微生物氣化聯(lián)產(chǎn)H2–CH4的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2017，42(12)：3221– 3228. XIA Daping，CHEN Xi，WANG Chuang，et al. Experimental study on the production of H2-CH4from lignite jointly with acid-alkali pretreatment-microbial gasification[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(12)：3221–3228.

[14] 張亦雯，郭紅光，李亞平，等. 過氧化氫預(yù)處理中/高煤階煤增產(chǎn)生物甲烷研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47(9)：262– 267. ZHANG Yiwen，GUO Hongguang，LI Yaping，et al. Study on medium/high rank coal-producing methane with hydrogen peroxide pretreatment[J]. Coal Science and Technology，2019，47(9)：262–267.

[15] 陳曦. 預(yù)處理褐煤的微生物降解聯(lián)產(chǎn)H2-CH4實(shí)驗(yàn)研究[D]. 焦作：河南理工大學(xué)，2018. CHEN Xi. The coproduction of H2-CH4by microbial degradation of pretreated lignite[D]. Jiaozuo：Henan Polytechnic University，2018.

[16] HUANG Z X，LIERS C，ULLRICH R，et al. Depolymerization and solubilization of chemically pretreated Powder River basin subbituminous coal by manganese peroxidase(MnP) from Bjerkandera adusta[J]. Fuel，2013，112：295–301.

[17] JONES E J P，HARRIS S H，BARNHART E P，et al. The effect of coalbed dewatering and partial oxidation on biogenic methane potential[J]. International Journal of Coal Geology，2013，115：54–63.

[18] COLLINS P J，F(xiàn)IELD J A，TEUNISSEN P，et al. Stabilization of lignin peroxidases in white rot fungi by tryptophan[J]. Applied and Environmental Microbiology，1997，63(7)：2543–2548.

[19] FERRAZ A，RODRIGUEZ J，F(xiàn)REER J，et al. Biodegradation of Pinus radiata softwood by white-and brown-rot fungi[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology，2001，17(1)：31–34.

[20] 蔣紹階，劉宗源. UV254作為水處理中有機(jī)物控制指標(biāo)的意義[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(2)：61–65. JIANG Shaojie，LIU Zongyuan. The meaning of UV254as an organic matter monitoring parameter in water supply & wastewater treatment[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University，2002，24(2)：61–65.

[21] CHENG Yunhuan，SANG Shuxun，HUANG Huazhou，et al. Variation of coenzyme F420activity and methane yield in landfill simulation of organic waste[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2007，17(3)：403–408.

[22] YADVIK A，SREEKRISHNAN T R，KOHLI S，et al. Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques：A review[J]. Bioresource Technology，2004，95(1)：1–10.

[23] 任南琪，王愛杰. 厭氧生物技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：73–74. REN Nanqi，WANG Aijie. Technical principle and application of anaerobic biotechnology[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2004：73–74.

[24] 董志偉，郭紅玉，夏大平，等. 基于顯微CT的煤生物降解過程中孔隙演化精細(xì)表征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(5)：63–69.DONG Zhiwei，GUO Hongyu，XIA Daping，et al. Micro CT-based meticulous characterization of porosity evolution of coal in the process of biodegradation[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(5)：63–69.

[25] 夏大平，蘇現(xiàn)波，吳昱，等. 不同預(yù)處理方式和模擬產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)對(duì)煤結(jié)構(gòu)的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(1)：129–133. XIA Daping，SU Xianbo，WU Yu，et al. Effect of experiment of different pretreatment methods and simulating biogenic methane production on coal structure[J]. Journal of China Coal Society，2013，38(1)：129–133.

[26] 王愛寬，秦勇. 褐煤本源菌在煤層生物氣生成中的微生物學(xué)特征[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40(6)：888–893. WANG Aikuan，QIN Yong. Performance of indigenous bacteria during the biogenic gas generation from brown coal[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2011，40(6)：888–893.

[27] 孫斌，李金珊，承磊，等. 低階煤生物采氣可行性：以二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷為例[J]. 石油學(xué)報(bào)，2018，39(11)：1272–1278. SUN Bin，LI Jinshan，CHENG Lei. The feasibility of biological gas recovery in low-rank coal：A case study of Jiergalangtu depression in Erlian basin[J]. Acta Petrolei Sinica，2018，39(11)：1272–1278.

Effect of white rot fungi pretreatment on methane production from anaerobic fermentation of coal

ZHANG Huaiwen, HUANG Song, YAN Xiatong, ZHAO Shufeng, ZHANG Minglu, XIA Daping

(School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

To investigate the effect of white rot fungi pretreatment on methane production from anaerobic fermentation of coal, fermentation experiments of biogas production were conducted using long flame coal. The coal samples pretreated with white rot fungi were the experimental group(EG), and original untreated coal samples were the control group(CG). The COD(chemical oxygen demand) mass concentration, activity of coenzyme F420, and changes of coal morphology were measured using potassium dichromate method, ultraviolet spectrophotometry, and SEM, respectively. The results showed the following: The total gas production and conversion rate in the EG and CG were 2 322.00 mL and 5.10%, 1 330.20 mL and 4.70%, respectively. Moreover, the hydrolysis stage in the EG was significantly shorter than that in the CG. The COD value in the EG and CG was 32-176 mg/L and 576- 609 mg/aL, respectively, and the degradation of EG was more thorough. The maximum value of coenzyme F420in the EG and CG was 0.011 72 μmol/L and 0.007 97 μmol/L, respectively, and its activity was effected by TOC(total organic carbon) content and acid-producing bacteria. At the end of pretreatment and gas produciton, the roughness of the coal surface in the EG was stronger, the adsorption sites and adsorption capacity of microorganisms were also more high, and accompanied by the generation of bacterioflora. This test research demonstrates the advantages and adaptability of biological pretreatment with white rot fungi, which is beneficial to the industrialization utilization of biogas resources in coal.

long flame coal; biological pretreatment; white rot fungi; anaerobic fermentation; methane; Qianqiu coal mine of Yima in Henan

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.019

1001-1986(2020)02-0120-06

2019-10-11；

2019-12-11

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(182102310845)

Science and Technology Key Project of Henan Province(182102310845)

張懷文，1992年生，男，山西晉中人，碩士研究生，研究方向?yàn)槊簩由餁饽茉撮_發(fā). E-mail：1136636126@qq.com

夏大平，1983年生，女，安徽潁上人，博士，副教授，從事煤層氣地質(zhì)與勘探開發(fā)研究工作. E-mail：xiadp22@hpu.edu.cn

張懷文，黃松，閆夏彤，等. 白腐真菌預(yù)處理對(duì)煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：120–125.

ZHANG Huaiwen，HUANG Song，YAN Xiatong，et al. Effect of white rot fungi pretreatment on methane production from anaerobic fermentation of coal[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：120–125.

(責(zé)任編輯 范章群)