煤的微生物降解率与降解液吸光度的关系拟合

刘 敏，李建涛，刘向荣

(1.商洛学院数学与计算机应用学院，陕西 商洛 726000；2.商洛学院化学工程与现代材料学院，陕西 商洛 726000；3.西安科技大学化学与化工学院，陕西 西安 710054)

煤的微生物降解是继煤的气化、液化、干馏等技术之后，实现煤清洁高效利用的新技术。该技术经过近四十年的发展，目前面临的最根本问题是微生物对煤的降解率低且高效降解菌株缺乏普适性[1-2]。为了解决这一根本问题，利用不同微生物对煤进行分级降解，可以实现不同阶段微生物对煤的协同降解作用，从而达到高效降解的目的。在微生物分级降解的研究过程中，准确评价微生物对煤的降解效果至关重要。目前，评价煤的微生物降解效果的方法主要有4种[3-4]，分别是：

方法1：煤样经微生物降解后，产物过滤，用去离子水洗涤滤渣，去除菌丝体，收集降解后的煤残渣，干燥至恒重，按式(1)计算降解率(η，%)：

(1)

式中：m0为煤样的初始质量，g；m1为煤残渣的质量，g。

方法2：煤样经微生物降解后，产物过滤，用去离子水洗涤滤渣，去除菌丝体，收集降解后的煤残渣，干燥至恒重，测定降解前后煤样的灰分含量，按式(2)计算降解率：

(2)

式中：A0为煤样的灰分含量，g；A1为煤残渣的灰分含量，g。

方法3：煤样经微生物降解后，产物离心过滤，取上清液，加酸使之沉淀，沉淀物干燥至恒重，按式(3)计算降解率：

(3)

式中：m2为沉淀物的质量，g。

方法4：利用煤的微生物降解液在450 nm处的吸光度A450(Y)大小来评价微生物对煤的降解效果[5-6]。

由于重量法(方法1、2、3)操作过程中的系统误差和随机误差等原因，导致重量法评价煤的微生物降解效果欠准确。而方法4操作简单，结果准确，可方便地用于降解效果的对比，不足之处在于只能获得降解液的吸光度，不能直观地得到降解率。研究表明，煤样粒度较大时，采用方法2得到的煤的微生物降解率准确性较高。为此，作者首先分别采用绿孢链霉菌、恶臭假单胞菌和黄孢原毛平革菌对不同粒度的光氧化内蒙胜利褐煤进行微生物降解，通过方法2测定5种粒度较大煤样的η，并同时测定降解液的Y值，找出η与对应粒度下降解液Y值之间的关系，进行线性拟合得到拟合方程；然后采用3种不同光氧化褐煤对3个拟合方程进行普适性验证；最后将较细粒度下的降解液的Y值带入拟合方程，求得相应降解率[7-8]，以解决煤样粒度较细、难以根据方法2准确计算降解率的问题。

1 实验

1.1 煤样及预处理

4种煤样(内蒙胜利褐煤、云南昭通褐煤、山西浑源褐煤和内蒙元宝山褐煤)分别经前处理制得粒度为(-1.7+1.0) mm、(-1.0+0.7) mm、(-0.7+0.5) mm、(-0.50+0.25)mm、(-0.25+0.15) mm、(-0.150+0.075) mm、(-0.075+0.045) mm和 -0.045 mm的煤样。

采用旋转床光化学反应器[9]对煤样进行光氧化预处理。预处理条件参照文献[10]，得到4种光氧化褐煤：光氧化内蒙胜利褐煤(GSLH)、光氧化云南昭通褐煤(GZTH)、光氧化山西浑源褐煤(GHYH)和光氧化内蒙元宝山褐煤(GYBH)。

1.2 菌株及复壮

1.2.1 菌株及培养基

菌株：放线菌(绿孢链霉菌Streptomycesviridosporus，SV)、细菌(恶臭假单胞菌Pseudomonasputida，PSP)和真菌(黄孢原毛平革菌Phanerochaetechrysosporium，PC)。绿孢链霉菌的培养基为高氏一号培养基，恶臭假单胞菌的培养基为LB培养基，黄孢原毛平革菌的培养基为改良马丁培养基。

1.2.2 菌株的活化及复壮

绿孢链霉菌、恶臭假单胞菌和黄孢原毛平革菌的活化及复壮参照文献[11-13]方法进行。

1.3 降解率与降解液吸光度关系拟合

绿孢链霉菌降解GSLH的工艺条件为：加煤量9.5 g·L-1，接种量180 mL·L-1，降解时间13.5 d，培养温度28 ℃，振荡频率160 r·min-1。

恶臭假单胞菌降解GSLH的工艺条件为：加煤量13.0 g·L-1，接种量135 mL·L-1，降解时间12.0 d，培养温度30 ℃，振荡频率160 r·min-1。

黄孢原毛平革菌降解GSLH的工艺条件为：加煤量13.0 g·L-1，接种量90 mL·L-1，降解时间17.8 d，培养温度30 ℃，振荡频率210 r·min-1。

按上述最佳工艺条件分别进行绿孢链霉菌、恶臭假单胞菌和黄孢原毛平革菌对8种粒度的GSLH的降解实验，每种粒度煤样的降解实验设置3组平行实验。降解结束后，降解液过滤，测定滤液的Y值，取3组平行实验的平均值作为对应粒度下的Y值；并对粒度为(-1.7+1.0) mm、(-1.0+0.7) mm、(-0.7+0.5) mm、(-0.50+0.25) mm和(-0.25+0.15) mm的较大煤样对应的离心沉淀物进行多次洗涤，去除菌体，将煤残渣于60 ℃下烘干至恒重，测定GSLH降解前后的灰分含量，根据式(2)计算η，取3组平行实验的平均值作为对应粒度下的η。对5种粒度较大煤样对应的η和降解液Y值进行线性拟合，得到3种菌株对GSLH的η与降解液Y值之间的拟合方程。

1.4 降解率-吸光度拟合方程的普适性研究

按1.3中的工艺条件分别进行绿孢链霉菌、恶臭假单胞菌和黄孢原毛平革菌对GZTH、GHYH和GYBH等3种光氧化褐煤的降解实验，煤样粒度分别取(-1.7+1.0) mm、(-1.0+0.7) mm、(-0.7+0.5) mm、(-0.50+0.25) mm和(-0.25+0.15) mm，每种粒度煤样的降解实验设置3组平行实验。降解结束后，降解液过滤，测定滤液的Y值，取3组平行实验的平均值作为对应粒度下的Y值；再对不同粒度降解产物的离心沉淀物进行洗涤，去除菌体，将煤残渣于60 ℃下烘干至恒重，测定光氧化褐煤降解前后的灰分含量，根据式(2)计算η，取3组平行实验的平均值作为对应粒度下的η实测。将Y值代入对应的降解率-吸光度拟合方程求得对应的η预测，并与η实测进行对比。

2 结果与讨论

2.1 绿孢链霉菌对应降解率-吸光度关系拟合及普适性研究结果

绘制绿孢链霉菌对粒度为(-1.7+1.0) mm、(-1.0+0.7) mm、(-0.7+0.5) mm、(-0.50+0.25) mm和(-0.25+0.15) mm的GSLH的η与降解液Y值之间的关系曲线，并对其进行线性拟合，如图1所示。

图1 绿孢链霉菌对GSLH的降解率与降解液吸光度的关系曲线Fig.1 Relationchip curve between degradation rate of GSLH by SV and absorbance of degradation liquid

由图1可知，拟合方程为：η=0.02466+ 0.07453Y，其拟合优度确定系数R2=0.98392 ，拟合度较好，可靠性较高。由拟合方程计算得到不同粒度的3种光氧化褐煤的η实测，见表1。

表1 降解率-吸光度拟合方程的验证结果

由表1可知，根据降解率-吸光度拟合方程得到的不同粒度的3种光氧化褐煤的η预测与η实测之间的相对误差(Er)较小，表明降解率-吸光度拟合方程对不同光氧化褐煤有较好的适用性，可用于既定降解工艺条件下，绿孢链霉菌降解不同光氧化褐煤的降解液吸光度与降解率之间的换算。

由拟合方程及GSLH粒度为(-0.150+0.075) mm、(-0.075+0.045) mm和-0.045 mm时对应的降解液Y值(分别为2.693、2.587和2.145)，求得对应的η分别为22.54%、21.68%和18.45%。

2.2 恶臭假单胞菌对应降解率-吸光度关系拟合及普适性研究结果

绘制恶臭假单胞菌对粒度为(-1.7+1.0) mm、(-1.0+0.7) mm、(-0.7+0.5) mm、(-0.50+0.25) mm和(-0.25+0.15) mm GSLH的η与降解液Y值之间的关系曲线，并对其进行线性拟合，如图2所示。

图2 恶臭假单胞菌对GSLH的降解率与降解液吸光度的关系曲线Fig.2 Relationship curve between degradation rate of GSLH by PSP and absorbance of degradation liquid

由图2可知，拟合方程为：η=0.02919+0.06412Y，其拟合优度确定系数R2=0.99075，拟合度较好,可靠性较高。由拟合方程计算得到不同粒度的3种光氧化褐煤的η预测，见表2。

表2 降解率-吸光度拟合方程的验证结果

由表2可知，根据降解率-吸光度拟合方程得到的不同粒度的3种光氧化褐煤的η预测与η实测之间的相对误差较小，表明降解率-吸光度拟合方程对不同光氧化褐煤有较好的适用性，可用于既定降解工艺下，恶臭假单胞菌降解不同光氧化褐煤的降解液吸光度与降解率之间的换算。

由拟合方程及GSLH粒度为(-0.150+0.075) mm、(-0.075+0.045) mm和 -0.045 mm时对应的降解液Y值(分别为5.875、5.321和4.827)，求得对应的η分别为40.59%、37.04%和33.87%。

2.3 黄孢原毛平革菌对应降解率-吸光度关系拟合及普适性研究结果

绘制黄孢原毛平革菌对粒度为(-1.7+1.0) mm、(-1.0+0.7) mm、(-0.7+0.5) mm、(-0.50+0.25) mm和(-0.25+0.15) mm的GSLH的η与降解液Y值之间的关系曲线，并对其进行线性拟合，如图3所示。

图3 黄孢原毛平革菌对GSLH的降解率与降解液吸光度的关系曲线Fig.3 Relationship curve between degradation rate of GSLH by PC and absorbance of degradation liquid

由图3可知，拟合方程为：η=0.02336+0.08945Y，拟合优度确定系数R2=0.97836，拟合度较好，可靠性较高。由拟合方程计算得到不同粒度的3种光氧化褐煤的η预测，见表3。

表3 降解率-吸光度拟合方程的验证结果

由表3可知，根据降解率-吸光度拟合方程得到的不同粒度的3种光氧化褐煤的η预测与η预测之间的相对误差较小，表明降解率-吸光度拟合方程对不同光氧化褐煤有较好的适用性，可用于既定降解工艺下，黄孢原毛平革菌降解不同光氧化褐煤的降解液吸光度与降解率之间的换算。

由拟合方程及GSLH粒度为(-0.150+0.075) mm、(-0.075+0.045) mm和-0.045 mm时对应的降解液Y值(分别为5.228、4.409和3.511)，求得对应的η分别为48.09%、40.95%和33.12%。

2.4 拟合方程对不同褐煤具有普适性的原因分析

由3个拟合方程分别对3种不同光氧化褐煤的验证结果可以发现，3个拟合方程对不同光氧化褐煤的降解率预测值与实测值的相对误差较小，具有一定的普适性。究其原因可能是：在褐煤的光氧化预处理条件相同、菌株对光氧化褐煤的降解条件相同的前提下，由于不同光氧化褐煤在结构上具有一定的相似性(可用相同的褐煤结构模型表示)[14-15]，因此褐煤结构中的微生物可降解活性点相近。此外，在加煤量相同的条件下，计算时剔除了灰分的影响(见式2)，从而使得同种菌株分泌的降解煤活性物质(生物氧化酶、碱性物质、螯合剂、表面活性剂或酯酶)对煤的降解作用程度相近，最终表现为拟合方程对不同褐煤具有一定的普适性。

3 结论

(1)绿孢链霉菌降解光氧化内蒙胜利褐煤降解率-降解液吸光度关系拟合方程为：η=0.02466+0.07453Y，R2=0.98392。

(2)恶臭假单胞菌降解光氧化内蒙胜利褐煤降解率-降解液吸光度关系拟合方程为：η=0.02919+0.06412Y，R2=0.99075。

(3)黄孢原毛平革菌降解光氧化内蒙胜利褐煤降解率-降解液吸光度关系拟合方程为：η=0.02336+0.08945Y，R2=0.97836。

(4)3种菌株降解光氧化褐煤降解率-降解液吸光度关系拟合方程适用性结果表明，降解率预测值与实测值之间的相对误差均较小，可以通过测定降解液吸光度带入相应的拟合方程求得降解率，拟合方程具有一定的普适性。