煤的微生物轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展

摘要：國家戰(zhàn)略安全決定了我國能源戰(zhàn)略必須立足國內(nèi)優(yōu)勢煤炭資源，走以煤代油、煤炭綠色轉(zhuǎn)化之路。煤的微生物轉(zhuǎn)化是煤炭，特別是低階煤潔凈高效利用的最有效方式之一，并因其設(shè)備要求簡單，轉(zhuǎn)化條件溫和，能耗低，產(chǎn)物利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，成為煤炭轉(zhuǎn)化和清潔利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文中綜述了國內(nèi)外近30年對微生物降解煤的研究狀況，主要從煤種、溶煤微生物、影響微生物溶煤過程的因素、溶煤產(chǎn)物的分析和用途等方面進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對微生物降解煤的前景和方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：煤的微生物轉(zhuǎn)化；降解；溶煤產(chǎn)物

中圖分類號(hào)：TD 984 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0.引言

中國是煤炭大國，探明儲(chǔ)量位居世界第三，是煤炭開采大國，同時(shí)也是消費(fèi)大國，大約70%的能源消費(fèi)依賴于煤炭，隨著優(yōu)質(zhì)煤的搶先開采和利用，低階煤所占的比例日益上升，其中最主要的是褐煤，已探明保有儲(chǔ)量達(dá)1303億噸，占全國煤炭儲(chǔ)量接近13%。褐煤由于其高水分、高灰分、高揮發(fā)分和低熱值的特點(diǎn)，直接燃燒熱效率低，污染極大。所以，開展把褐煤轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品或者液體、氣體燃料實(shí)現(xiàn)其清潔利用的研究勢在必行。煤的微生物轉(zhuǎn)化（或稱微生物溶煤，煤的微生物降解）指利用真菌、細(xì)菌和放線菌等微生物的作用來實(shí)現(xiàn)煤的溶解、降解、液化或氣化，以獲取清潔燃料和其它化學(xué)品，該過程具有設(shè)備要求簡單、轉(zhuǎn)化條件溫和、能耗低、轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)物利用價(jià)值高等一系列優(yōu)點(diǎn)。利用微生物轉(zhuǎn)化煤，實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔利用融合了生物技術(shù)、礦物加工和化學(xué)化工等學(xué)科的前沿技術(shù)，在低階煤（特別是褐煤和泥炭）的綜合利用方面具有廣闊的發(fā)展前景。

早在1908年，M.c.Potter就報(bào)道了微生物有助于煤炭的氧化。直到上世紀(jì)80年代，F(xiàn).V.Fakoussa和M.s.Cohen相繼報(bào)道了假單胞菌和白腐菌能夠降解煤，這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)引起了各國研究者的極大興趣。1989年德國北威州政府出資400萬馬克資助斯圖加特、波恩和圖賓根大學(xué)、馬克斯·普朗克煤炭研究所等機(jī)構(gòu)進(jìn)行如下課題的研究：煤和煤基產(chǎn)物生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究，烴類的厭氧微生物轉(zhuǎn)化，與煤有關(guān)的有機(jī)模型化合物的微生物降解，原煤和預(yù)處理煤的微生物轉(zhuǎn)化。經(jīng)過30多年的研究和發(fā)展，煤的微生物轉(zhuǎn)化研究已取得了喜人的成果，但也存在很多難題亟待解決，比如：煤微生物轉(zhuǎn)化機(jī)理至今不明確，高效穩(wěn)定煤降解菌株有限且缺乏普適性，煤微生物降解產(chǎn)物成分難以確定和分離純化，煤降解產(chǎn)物的利用受到限制，等。

文中從可被微生物降解的煤種、降解煤的微生物、煤的預(yù)處理方法、溶煤方式、影響溶煤效果的因素、溶煤機(jī)理、溶煤產(chǎn)物的分析表征方法、溶煤產(chǎn)物的用途、煤的微生物產(chǎn)氣研究等方面對煤微生物轉(zhuǎn)化的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對微生物降解煤的前景和方向進(jìn)行展望。

1.煤種

煤是億萬年前埋在地下的植物遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的沉積有機(jī)礦產(chǎn)，是多種高分子化合物和礦物質(zhì)組成的混合物。煤化程度從低到高依次為：褐煤、煙煤、次煙煤和無煙煤。煤化程度越低稠環(huán)結(jié)構(gòu)越少，脂肪鏈狀結(jié)構(gòu)越多，含有更多類木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)更趨近于原始植物殘?bào)w，越有利于被微生物降解。Yang w J等對中國風(fēng)化煤和泥炭進(jìn)行了銅綠假單胞菌（Psuedomonas aeruginosa）和瓦克青霉菌（Penicillium waksmanni）的降解研究，發(fā)現(xiàn)2種菌能很好地把經(jīng)過預(yù)處理的煤樣轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)物。何環(huán)等以白音華褐煤為原料，進(jìn)行了產(chǎn)氣研究，結(jié)果表明產(chǎn)氣菌群能夠利用白音華褐煤進(jìn)行產(chǎn)氣，馴化培養(yǎng)后，產(chǎn)氣量明顯增加，周期縮短。石開儀等利用白腐真菌（Hyporcea lixii AH）對撫順長焰煤進(jìn)行了降解研究，該菌對硝酸氧化撫順長焰煤的液化率達(dá)到44.86%.陳宏貴等對榆林煤進(jìn)行了微生物轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硝酸預(yù)處理煤樣能夠提高煤的微生物降解率，該實(shí)驗(yàn)用5 mol/L硝酸預(yù)處理的店房臺(tái)煤樣降解效率最好。李慧等用黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）對光氧化預(yù)處理神府煤進(jìn)行了生物轉(zhuǎn)化研究，結(jié)果表明紫外氧化預(yù)處理可以促進(jìn)神府煤的微生物轉(zhuǎn)化。蘇現(xiàn)波等分別以不同礦區(qū)的長焰煤、焦煤、瘦煤為基底，以白腐真菌為接種菌進(jìn)行了溶煤研究，發(fā)現(xiàn)隨著煤的變質(zhì)程度升高，白腐真菌對其降解率降低。綜上所述，低階煤多被作為微生物轉(zhuǎn)化的煤種。

2.微生物

能降解煤的微生物主要有真菌、細(xì)菌和放線菌3類。能降解煤的真菌有：多孔彩絨革蓋菌（Polypores versicola），桑生臥孑L菌（Pofia morico-la），綿腐臥孔菌（Poria vaporaria），樺剝管菌（Piptoporus betulinus），黃色鐮孢菌（Fusarium cul.morum），蒜頭狀小皮傘菌（Marasmius scorodonius），硫磺多孔菌（Laetiporus sulphureus），曲霉菌屬（Aspergillus sp.），木耳菌屬（Auriculariasp.），達(dá)氏小杯傘菌（Clitocybula dusenii），長囊頭孢菌屬（Doratomyces sp.），多年異擔(dān)子菌（Heterobasidion annosum），平菇（Lentinula edodes），煙色沿絲傘菌（Nematoloma frowardii），費(fèi)氏新薩托菌（Neosartorya fischefi），青霉菌屬（Penicillium sp.），橘青霉菌（Penicillium citrinum），糙皮側(cè)耳菌（Pleurotus ostreatus），朱紅密孔菌（Pycnoporus cinnabafinus），變色栓菌（Trametes versicola），木霉菌屬（Tfichoderma sp.），黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium），雜色云芝（C.Versicolor）和金菇（Golden Mushroom）等；細(xì)菌有：節(jié)桿菌屬（Arthrobacter sp.），蠟樣芽胞桿菌（Bacillus cereus），短小芽孢桿菌（Bacillus pumilus），枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）等；放線菌有：栗褐鏈霉菌（Streptomyces badius），西唐氏鏈霉菌（Streptomyces setonii），綠孢鏈霉菌（Streptomyces viridosporous）等。Celal F.Gokcay等進(jìn)行了幾株白腐菌對土耳其埃爾比斯坦3種褐煤的降解研究，發(fā)現(xiàn)其中之一的黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）對褐煤的降解率達(dá)到了60%，楊金水對斜臥青霉（Penicillium decumbens P6）產(chǎn)生的過氧化物酶進(jìn)行了分離純化和性質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)在液體培養(yǎng)到達(dá)4天時(shí)，過氧化物酶的活性即可達(dá)到最大。李葉珺利用分離的葡萄球菌屬（Staphylococcus JH2）對霍林河褐煤進(jìn)行了除氮研究，表明在缺氧狀態(tài)下，吡啶作氮源進(jìn)行微生物降解的作用機(jī)理既不同于好氧狀態(tài)和完全厭氧狀態(tài)，也不同于吡啶作碳源時(shí)的降解機(jī)理。張明旭等篩選出了3種木質(zhì)素降解真菌，研究發(fā)現(xiàn)3種真菌的混合菌對煤的降解作用最強(qiáng)。王春穎等從環(huán)境中篩選培育鑒定了多種放線菌，并研究得出了所選育的放線菌降解風(fēng)化煤的較優(yōu)條件。Zaixing Huang等研究了黑管菌（Clarinet bacteria）轉(zhuǎn)化粉河盆地次煙煤的解聚過程，發(fā)現(xiàn)硝酸是最佳的煤前處理試劑。Manoj B利用黑曲霉（Aspergillus niger）去除印度次煙煤中的礦物質(zhì)，認(rèn)為是菌體產(chǎn)生的葡萄糖酸、草酸和檸檬酸能夠?qū)⒚褐械牡V物轉(zhuǎn)變成礦物鹽去除。Irena Romanowska等從原油碳?xì)浣到饩泻Y選出戈登氏菌（Gordonia alkanivorans s7）和蕈狀芽孢桿菌（Bacillus mycoidesNSl020）用于降解原褐煤及經(jīng)硝酸預(yù)處理的褐煤，這是把原油碳?xì)浣到饩糜谌苊旱氖状螆?bào)道。總之，在微生物降解煤的研究方面，真菌是最主要的微生物，細(xì)菌次之，放線菌的研究最少。

3.煤的預(yù)處理方法

煤大分子不溶于中性水，對于給定的煤樣其生物溶解性很大程度上取決于煤大分子的含氧量。硝酸、雙氧水和臭氧氧化處理煤可以增大煤的溶解性，非氧化前處理煤的方法，如陰離子表面活性劑，堿性緩沖液，鹽酸及金屬螯合劑前處理，均能提高煤的溶解性。要把煤轉(zhuǎn)化為低分子量的物質(zhì)，需要具有廣泛氧化和解聚作用的物理、化學(xué)和生物等多重方法的有效結(jié)合。實(shí)驗(yàn)證明，煤的含氧量越高越易于被微生物轉(zhuǎn)化，所以在微生物溶煤之前往往會(huì)對煤進(jìn)行氧化預(yù)處理，比如硝酸氧化、雙氧水氧化、純氧氧化、熱空氣處理、微波、輻射處理等，這些預(yù)處理方式都能不同程度的提高煤的轉(zhuǎn)化率。此外，還可以在微生物降解煤之前對原煤進(jìn)行溶劑抽提處理，再對抽提物進(jìn)行煤的微生物轉(zhuǎn)化。Helena Machnikowska等利用惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）降解褐煤和次煙煤，煤經(jīng)硝酸處理后的降解率分別提高到90%和40%，李俊旺等利用黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）降解義馬褐煤，考察了硝酸、雙氧水和超聲波預(yù)處理對降解過程的影響，發(fā)現(xiàn)3種預(yù)處理方式均可以提高煤的微生物轉(zhuǎn)化率，硝酸預(yù)處理義馬褐煤的微生物降解效果最好，測試分析顯示預(yù)處理提高了煤中的含氧量。石開儀等利用真菌AH降解經(jīng)硝酸、微波和雙氧水處理后的撫順褐煤，發(fā)現(xiàn)硝酸預(yù)處理褐煤有明顯的增溶作用。Sudong Yin等研究了表面活性劑對溶煤過程的影響，指出表面活性劑的存在使得溶煤效率更高的原因可能是由于表面活性劑的雙親結(jié)構(gòu)使得煤顆粒表面能更好的和生物酶接觸，所以提高了溶解效果。Yao Jingllua等將褐煤、氧化褐煤和褐煤微生物降解殘?jiān)檬兔选⒍蚧肌⒓状肌⒈退臍溥秽樘幔樘岙a(chǎn)物經(jīng)GC-MS檢測，結(jié)果表明產(chǎn)物中有單環(huán)或多環(huán)芳香烴及其衍生物，并且長鏈或含有較少支鏈烷烴及小分子的芳香烴化合物在石油醚和二硫化碳溶解物中有所增加。汪廣恒等以大豆中分離的蛋白質(zhì)SPI為改性劑，用吸附和接枝的方法對神府煤及神府氧化煤進(jìn)行了表面改性，由于接枝改性和吸附改性中SPI與煤的界面相互作用不同，從而導(dǎo)致不同的生物降解機(jī)理。周安寧等對煤進(jìn)行光-氧氧化處理，有效的提高了煤的微生物轉(zhuǎn)化率。總之，煤的預(yù)處理方法較多，硝酸氧化的方式對提高煤炭轉(zhuǎn)化的效率較好，但煤的預(yù)處理方法必須考慮其工業(yè)化可操作性，比如成本、環(huán)保性、安全性等等。從這方面來講，硝酸氧化處理局限性較大，因?yàn)樵摲椒ㄌ幚砗蟮拿盒栌么罅克粗两咏行裕拍苓M(jìn)行后續(xù)的微生物溶煤，單從這一點(diǎn)上講，不僅需要大量水資源，且環(huán)保性和安全性都較差，故而，實(shí)用的原煤預(yù)處理方法還有待進(jìn)一步研究。

4.溶煤方式

溶煤方式主要有2種：固體溶煤和液體溶煤，具體為：固體培養(yǎng)基表面溶煤，液體溶煤以不同方式分為液體靜置溶煤和液體動(dòng)態(tài)溶煤，又可分為胞外液溶煤和細(xì)胞液溶煤，各有優(yōu)缺點(diǎn)，總的來說固體溶煤方式更適用于實(shí)驗(yàn)室的菌種純化篩選，而液體溶煤更有工業(yè)化前景。

1）固體培養(yǎng)基表面溶煤：即把營養(yǎng)物和瓊脂組成的培養(yǎng)基經(jīng)滅菌后倒平板或者倒斜面，然后在其表面劃線接種，在適宜溫度、濕度等環(huán)境條件下培養(yǎng)，待固體培養(yǎng)基表面的菌絲長到一定程度，把預(yù)先滅過菌的煤粉均勻撒在菌絲上，菌落就會(huì)以煤為碳源生長，繼續(xù)培養(yǎng)，可以觀察記錄現(xiàn)象，并收集降解產(chǎn)物。由于該方式不利于實(shí)現(xiàn)放大，降解產(chǎn)物分散于培養(yǎng)基中，不好收集，故而固體溶煤實(shí)際應(yīng)用受到局限，但它很適用于試驗(yàn)初期的菌-煤篩選實(shí)驗(yàn)研究。王力等分別采用固體培養(yǎng)基溶煤和液體培養(yǎng)基溶煤方法，比較了10株菌種對硝酸氧化褐煤的液化作用效果，發(fā)現(xiàn)不同菌種在不同溶煤時(shí)期優(yōu)勢程度不一，溶煤效果不同；

2）液體靜置培養(yǎng)：在已滅菌的器皿中倒入少量液體培養(yǎng)基，將溶煤微生物接種到培養(yǎng)基中，在生化培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)一定時(shí)間，或多代培養(yǎng)馴化，待微生物生長旺盛后，加入預(yù)處理煤樣（也可在接種微生物時(shí)直接加入煤樣）振蕩均勻，置于生化培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)一定時(shí)間，最后過濾，挑出菌絲體，烘干殘?jiān)瑢γ簹堅(jiān)蜑V液中的降解產(chǎn)物進(jìn)行檢測分析研究。這種方法易操作，在實(shí)驗(yàn)室中常用來和液體動(dòng)態(tài)培養(yǎng)作比較；

3）液體動(dòng)態(tài)培養(yǎng)：該過程與靜置培養(yǎng)幾乎一樣，不相同的地方是在恒溫動(dòng)態(tài)的環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)室常放置于全溫振蕩培養(yǎng)箱中。這種培養(yǎng)方法的優(yōu)點(diǎn)是可使微生物與煤樣充分接觸，有利于微生物溶煤的進(jìn)行，而靜置培養(yǎng)不能達(dá)到這種效果；

4）胞外液溶煤：該方法是在液體培養(yǎng)中培養(yǎng)菌株，待菌絲生長一定時(shí)間后，通過真空抽濾等過濾方法得到無菌胞外液。然后在其中加入滅過菌的煤，進(jìn)行靜置或搖瓶溶煤實(shí)驗(yàn)。該方法由于產(chǎn)物中沒有菌絲體，溶煤產(chǎn)物容易收集，更利于探索溶煤條件和工藝；

5）細(xì)胞液溶煤：這種溶煤方式是直接把菌株、滅過菌的煤樣和液體培養(yǎng)基一起加入容器中，在一定的條件下培養(yǎng)，進(jìn)行溶煤實(shí)驗(yàn)。煤樣可以在接種菌株時(shí)加入，也可以在菌株生長一段時(shí)間以后（一般是菌株進(jìn)入對數(shù)生長期時(shí)）加入煤樣，進(jìn)行溶煤試驗(yàn)，反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)過濾把菌絲、未反應(yīng)的殘煤與液體分離，濾液可以再進(jìn)一步離心，分離去除固體物質(zhì)。該方法操作簡單，易于擴(kuò)大，更適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。

5.影響溶煤效果的因素

對于選定的煤種和菌種而言，影響溶煤效果的因素主要有：煤的氧化預(yù)處理、煤的粒度、煤漿濃度、菌接種量、溶煤時(shí)間、溶煤溫度以及不同培養(yǎng)基的選用，液體動(dòng)態(tài)培養(yǎng)還要考慮搖床的頻率，固體培養(yǎng)還要考慮環(huán)境濕度等。尹艷通過正交試驗(yàn)優(yōu)化了多粘類芽孢桿菌（Paenibacillus polymyxa）降解褐煤的工藝條件，得出影響權(quán)重依次為：煤樣粒度>菌液用量>降解時(shí)間>煤漿濃度，各因素的最優(yōu)水平為煤樣粒度小于0.25 mm，菌液用量15 mL/100 mL，降解時(shí)間15 d，煤漿濃度2.0g/100 mL，王英等研究了煤的溶脹預(yù)處理和氧化預(yù)處理對微生物溶煤的影響及菌株在不同培養(yǎng)基中的溶煤效果。煤的微生物轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)雜的生命體代謝過程，微生物轉(zhuǎn)化煤的最佳工藝條件要根據(jù)具體的煤種、菌種全面試驗(yàn)研究各影響因素，得出最優(yōu)的轉(zhuǎn)化條件，但由于煤炭的復(fù)雜性和微生物的生命體征，最優(yōu)條件的得出需要開展大量的科學(xué)試驗(yàn)研究工作。

6.降解菌株的獲得方式

早期的降解菌株大多是從環(huán)境中分離、純化和培養(yǎng)得到，比如從煤、礦井水、土壤、腐敗植物中分離純化微生物，然后進(jìn)行溶煤試驗(yàn)，考察溶煤效果，得到對煤有降解能力的菌株。為了進(jìn)一步得到高效優(yōu)勢菌株，國內(nèi)外研究者對已知的降解菌進(jìn)行馴化、誘變、基因工程技術(shù)改造以獲得高效降解菌株，取得了一定的成果。Duu-Jong Lee等對從環(huán)境中分離純化微生物的傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，闡明了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。石開儀等從土壤中分離篩選出一株能液化煤炭的真菌，并進(jìn)行了菌種鑒定及液化煤炭的研究。趙帥偉等研究了微生物在土壤、煤泥、堆肥、腐木和礦井水中的分布情況，并考察了所分離菌群的溶煤效果。馮曉霄等從煤樣及煤水樣中分離純化菌株，并研究了其對新疆低階煤的降解作用，選育出了3株與新疆低階煤相匹配的降解菌株。王尚等指出種類多樣的產(chǎn)甲烷微生物廣泛存在于煤層水或者煤層的煤樣中，利用生物方法能促進(jìn)煤層氣產(chǎn)生和利用。王愛梅等對球紅假單胞菌（Rhodopseudomonas spheroids）進(jìn)行誘變育種，獲得了比原菌株降解率高的優(yōu)勢菌株。徐敬堯利用生物基因工程的方法對球紅假單胞菌（Rhodopseudomonas spheroids）和黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）進(jìn)行細(xì)胞融合、基因重組方面的嘗試，獲得了對煤炭生物降解轉(zhuǎn)化的高效工程菌；并同步對球紅假單胞菌和黃孢原毛平革菌及其原生質(zhì)體進(jìn)行紫外和微波的物理誘變育種，選育了優(yōu)良的煤炭生物降解轉(zhuǎn)化新菌種。陳慧等對一株來源于腐敗枯草的真菌進(jìn)行多次紫外誘變、亞硝酸鈉誘變、微波誘變和聯(lián)合誘變后，篩選得到一株溶煤優(yōu)勢菌株AH菌，加煤1 d后就會(huì)出現(xiàn)溶煤現(xiàn)象。Yue-Qin Tang等利用16Sr DNA基因克隆技術(shù)對鄂爾多斯盆地2個(gè)不同煤化程度煤區(qū)的微生物群落進(jìn)行了分析研究，得到了有益結(jié)論。汪少潔選用苯胺藍(lán)平板脫色法篩選出優(yōu)勢菌種白腐5 900，并對其生物特性進(jìn)行了考察。總之，傳統(tǒng)的分離方法是獲得降解菌的基本方法，誘變和基因工程技術(shù)可以最有效的獲得高效降解菌，是未來的發(fā)展方向。

7.溶煤機(jī)理

煤經(jīng)過微生物作用能夠轉(zhuǎn)化為溶于水或其它溶劑的低芳環(huán)小分子物質(zhì)，但轉(zhuǎn)化率因煤、菌種和溶煤條件而異，其溶解機(jī)理也至今不明，學(xué)者們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的溶煤機(jī)理主要有：①酶作用機(jī)理；②堿作用機(jī)理；③螯合劑作用機(jī)理；④ABC-DE作用機(jī)理。但對于某一溶煤過程，是哪一種機(jī)理為主，或者哪幾種機(jī)理共同作用，各有不同，不能一概而論。HongLi Yuan等的研究表明，斜臥青霉菌（Penicillium decumbens P6）能夠分泌堿性物質(zhì)、表面活性劑和胞外酶是其能夠降解褐煤的原因所在。Lerato M.Sekhohda等提出了降解木質(zhì)素微生物和高等植物共同作用降解低階煤的植物-微生物降解機(jī)制模型。可見微生物降解煤的機(jī)理比較復(fù)雜，不同的微生物和不同煤作用，其機(jī)理為何，需做針對性研究。以下對4種主要的微生物溶煤機(jī)理進(jìn)行介紹。

7.1酶作用機(jī)理

酶能夠降解木質(zhì)素、褐煤，尤其是年輕褐煤中有較多類木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，所以人們推測微生物降解煤是由于木質(zhì)素降解酶的作用，從而把能夠產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶的微生物作為最早的菌種篩選對象。進(jìn)一步的研究表明在微生物溶煤過程中起作用的酶有過氧化物酶、漆酶、水解酶及酯酶等，特別是木質(zhì)素過氧化物酶LiP，錳過氧化物酶MnP和漆酶的研究較為深入，如圖1所示為木質(zhì)素過氧化物酶和錳過氧化物酶降解煤的作用過程。Glenn J K首先發(fā)現(xiàn)白腐菌屬（Phanerochaete chrysosporium）能夠產(chǎn)生木質(zhì)素過氧化物酶，后來的研究發(fā)現(xiàn)擔(dān)子菌屬（Phlebia radiate、Trametes versicolor，Bjerkandera adusta，Nematoloma frowardii）和子囊菌屬（Chrysonilia sitophila）也能夠產(chǎn)生過氧化物酶。錳過氧化物酶最初也是發(fā)現(xiàn)于白腐菌屬（Phanerochaete chrysosporium），后來發(fā)現(xiàn)白腐菌屬（Pleurotus ostreatus，Agariccus bispoms，N.frowardii，Clitocybula dusenii）均可在生長過程中產(chǎn)錳過氧化物酶。HofrichterM報(bào)道了錳過氧化物酶是腐殖酸降解的原因所在，而且這種酶在降解過程中的穩(wěn)定性和活性都相當(dāng)好。Gabriele Willmann等分離出兩株擔(dān)子菌菌株，其中一株能夠分泌錳過氧化物酶，另外一株能夠產(chǎn)生2種氧化酶，分別具有漆酶和過氧化物酶活性，利用它們進(jìn)行溶解德國某褐煤的研究，發(fā)現(xiàn)含有這些生物酶的無菌胞外液不能促進(jìn)褐煤的溶解。Hofrichter M等進(jìn)行了霉菌溶解德國褐煤的研究，發(fā)現(xiàn)溶煤過程主要受到培養(yǎng)基中氮含量、煤含氧量的影響，而胞外氧化酶和過氧化物酶無論存不存在，木質(zhì)素降解酶都對溶煤過程影響甚微。王龍貴等利用白腐菌降解義馬褐煤，發(fā)現(xiàn)降解作用主要是白腐菌分泌出的酶作用的結(jié)果。崔志芳等為了進(jìn)一步探討漆酶在煤炭微生物溶解過程中的作用，考察了溶煤菌種在溶解褐煤過程中漆酶的表達(dá)量，以及另外兩株產(chǎn)漆酶菌的漆酶表達(dá)量與溶煤效果的關(guān)系。由此可見，過氧化物酶、漆酶、酯酶等，這些生物酶在微生物降解過程中起著重要的作用。

7.2堿作用機(jī)理

一些研究發(fā)現(xiàn)某些真菌和放線菌在生長過程能夠產(chǎn)生含氮堿性物質(zhì)，其可以催化煤溶解和降解。Strandberg G W等報(bào)道了放線菌在生長過程中能產(chǎn)生一種胞外物質(zhì)，這種物質(zhì)具有熱穩(wěn)定性且對蛋白酶有抵抗性，能夠催化液化煤成為黑色液體。后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)pH值越高溶煤產(chǎn)物越豐富，而這與微生物分泌的多胺和聚胺類堿性物質(zhì)的多寡密切相關(guān)。Jiang Feng等研究發(fā)現(xiàn)芽孢菌屬（Bacillus sp.Y7）對褐煤降解率的高低隨胞外液pH值的增高而增強(qiáng)，分析發(fā)現(xiàn)胞外液中的類蛋白堿性物質(zhì)是溶煤率高低的決定性物質(zhì)，但不同微生物分泌堿性物質(zhì)的種類和多寡各異，故而溶煤能力也各有不同。

7.3螯合劑作用機(jī)理

有研究認(rèn)為微生物在生長過程中會(huì)生成螯合劑，螯合劑與煤中的金屬離子結(jié)合，金屬離子被去除，導(dǎo)致煤大分子結(jié)構(gòu)的瓦解，從而實(shí)現(xiàn)煤大分子結(jié)構(gòu)的降解，生成水溶性小分子物質(zhì)。Quidey D R等認(rèn)為多價(jià)金屬離子，如Ca2+，F(xiàn)e3+和A13+在褐煤大分子結(jié)構(gòu)中起到架橋的作用。Cohen M s等發(fā)現(xiàn)草酸對微生物溶煤程度具有一定的影響，因草酸可以螯合多價(jià)金屬離子，特別是Ca2+，F(xiàn)e3+和Mg2+，Selvi A V研究了螯合劑和多價(jià)金屬離子對褐煤微生物降解過程的影響，發(fā)現(xiàn)螯合劑，像水楊酸和三乙基胺，及其與金屬離子Mg2+，F(xiàn)e3+，Ca2+，cu2+和Mn2+的匹配加入都有利于褐煤的降解。

7.4 ABCDE機(jī)理

如圖2中，指出了煤大分子結(jié)構(gòu)中分別被酶、堿、螯合劑及表面活性劑作用的結(jié)構(gòu)部位，ABCDE機(jī)理是在前面幾種機(jī)理的基礎(chǔ)上提出的，它認(rèn)為微生物降解煤的過程是多種機(jī)理共同作用的結(jié)果。這就為研究者們探討微生物溶煤機(jī)理構(gòu)建了新的框架，但是對于某一溶煤過程到底是哪幾種機(jī)理作用的結(jié)果，還應(yīng)對煤的結(jié)構(gòu)、微生物的特性，降解工藝條件等多方面研究考證。

8.溶煤產(chǎn)物分析表征方法

溶煤產(chǎn)物的分析方法很多，比如紅外光譜、紫外光譜、x衍射、掃描電鏡、液相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用等，為了更進(jìn)一步的探究微生物溶煤過程，往往還對溶煤過程中pH值變化，溶煤產(chǎn)物的酸/堿沉淀性，產(chǎn)物的分子量分布和酸/堿沉淀物的發(fā)熱量等項(xiàng)目進(jìn)行檢測研究。簡單的說，凡是能分析物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的方法都可以應(yīng)用于煤及其降解產(chǎn)物某方面的測試分析。Laborda F等利用掃描電鏡（SEM）研究了西班牙煤的微生物溶解，發(fā)現(xiàn)微生物粘附并且覆蓋在煤粒表面生長，微生物分泌的一種胞外絲狀聚合物有助于微生物粘附在煤粒表面并進(jìn)行降解。R.Canet等利用氣質(zhì)聯(lián)用分析儀（GC-MS）研究了4種白腐真菌降解被煤焦油污染的土壤中的多環(huán)芳烴（PAHs），發(fā)現(xiàn)由于污染太過嚴(yán)重，未能達(dá)到有效降解的目的。石開儀等對白腐菌AH菌降解撫順褐煤的產(chǎn)物進(jìn)行紫外和紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)芳香官能團(tuán)易被降解；通過研究pH和蛋白質(zhì)含量對溶煤效果的影響發(fā)現(xiàn)溶煤過程中3～9 d為酸作用，15～21 d為生物酶作用。他們還利用紫外分光光度計(jì)、紅外光譜儀和氣質(zhì)聯(lián)用分析儀研究了真菌AH液化撫順褐煤的產(chǎn)物組成，發(fā)現(xiàn)液化的黑色液體主要含有酚衍生物，酮和醛。DU Ying等利用氣相色譜和紅外光譜法分析了3種褐煤模型化合物的微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)生成了新物質(zhì)，表明模型化合物已被微生物降解。鮑園等利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)研究了成煤母質(zhì)（木本泥炭）的生烴演化特征及發(fā)生微生物降解和熱解作用前后樣品的分子結(jié)構(gòu)變化特征及其機(jī)理。Lianhua Dong等對微生物溶煤產(chǎn)物進(jìn)行元素分析和尺寸排阻色譜法、C13核磁共振和傅里葉紅外光譜分析，得出了重要結(jié)論。

9.煤微生物降解產(chǎn)物的用途

溶煤產(chǎn)物的應(yīng)用概括的說有液態(tài)、氣態(tài)清潔燃料，精細(xì)化學(xué)品，植物生長促進(jìn)劑，藥劑等。柳麗芬等將煤生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物用作蔬菜生長激素的實(shí)驗(yàn)，取得了顯著的效果，揭示了煤生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物可以用作植物生長激素。張明旭等將白腐菌降解硝酸處理義馬褐煤的產(chǎn)物用作水煤漿添加劑，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均較優(yōu)，價(jià)格也與萘系添加劑相當(dāng)。王娜等將褐煤微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物添加于型煤，發(fā)現(xiàn)煤球的防水性有較大的提高，其中真菌在改善褐煤型煤防水性方面所起的作用較明顯，混合菌的效果更佳。高同國等從不同低階煤中分離篩選得到3個(gè)降解菌群，在MCSL-2菌落中發(fā)現(xiàn)了地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）相關(guān)細(xì)菌，轉(zhuǎn)化所得產(chǎn)物中的腐殖酸被發(fā)現(xiàn)具有類似激素的生物活性，可以探索用該菌落處理風(fēng)化褐煤以獲得生物肥料。王立艷發(fā)現(xiàn)膠紅酵母在不同條件下，分別通過靜電吸附和疏水作用等改變了細(xì)粒煤的表面特性，從而實(shí)現(xiàn)了對煤粒的選擇性浮選或絮凝。總之，煤微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的用途因其組成的復(fù)雜性，還沒有得到廣泛的應(yīng)用，僅低階煤經(jīng)產(chǎn)氣菌作用所得氣體可較方便的用作燃料氣。所以，在轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的組成，以及進(jìn)一步的分離、純化，擴(kuò)大其應(yīng)用性方面需加大研究力度。

10.微生物轉(zhuǎn)化煤產(chǎn)氣研究

產(chǎn)氣微生物將低階煤、煤泥、煤礦廢棄物，或者礦井殘煤直接轉(zhuǎn)化為燃?xì)猓梢灾苯幼鳛槿剂鲜褂茫鉀Q了煤微生物降解產(chǎn)物復(fù)雜、難以有效利用的難題，具有重要的研究價(jià)值，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

蘇現(xiàn)波等較深入的進(jìn)行了微生物轉(zhuǎn)化煤產(chǎn)氣的研究，取得了有益成果。唐敏等發(fā)現(xiàn)高碳煤矸石填充到廢棄礦井，與采殘煤在微生物的作用下可產(chǎn)生富含甲烷的生物氣。郭紅玉等采集不同煤樣進(jìn)行了生物甲烷模擬實(shí)驗(yàn)。耿志光等研究發(fā)現(xiàn)以吸水海綿為菌液載體降解空氣中的瓦斯進(jìn)行煤礦瓦斯治理是可行的。蘇佳純等提出了一種利用微生物促進(jìn)煤層所埋藏的CO2生成甲烷的新技術(shù)。

美國專利WO 2011/071533 Al報(bào)道了一種用芳香醇/脂環(huán)醇溶解煤，進(jìn)行預(yù)處理，然后生物轉(zhuǎn)化煤制備碳?xì)浠衔铮ū热缂淄椋┑姆椒ā.Opara等利用微生物降解煙煤、褐煤及其煤廢物，研究了反應(yīng)過程中產(chǎn)甲烷及二氧化碳的情況，結(jié)果表明用微生物轉(zhuǎn)化煤及其廢棄物生產(chǎn)氣體燃料具有商業(yè)前景。Zaixing Huang等報(bào)道了一種生物監(jiān)測方法，可用于監(jiān)測惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida F1）轉(zhuǎn)化次煙煤反應(yīng)過程中產(chǎn)生的二氧化碳，從而評價(jià)轉(zhuǎn)化效果。Yiping Hu等在煤微生物轉(zhuǎn)化過程中加入乙醇制備甲烷，發(fā)現(xiàn)乙醇的加入有助于提高該過程中產(chǎn)甲烷的效率和產(chǎn)量。Paul H.Fallgren等對澳大利亞、印尼和中國的3種褐煤進(jìn)行了微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)天然氣的可行性研究，結(jié)果表明在褐煤中加入營養(yǎng)物，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)產(chǎn)氣。巴基斯坦和美國的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)真菌降解褐煤制備甲烷具有很大的潛力，并且提出通過該方法從褐煤中提取腐殖酸等有用化學(xué)品很有發(fā)展前景。Zaixing Huang等研究了微生物轉(zhuǎn)化煤制甲烷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為更好的理解溶煤過程中潛在的限速步驟提供了依據(jù)。

印度貝拿勒斯印度教大學(xué)Durgesh NarainSingh等從印度煤層水中分離培養(yǎng)了古生菌和細(xì)菌群落，并將其應(yīng)用于微生物轉(zhuǎn)化煤制甲烷的研究，發(fā)現(xiàn)分離培養(yǎng)的菌落有較強(qiáng)的產(chǎn)甲烷能力，這是首次研究表明在印度煤層中存在產(chǎn)甲烷生物菌落。而從加利亞煤礦煤層水中分離出的施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzer），可在煤層中原位轉(zhuǎn)化煤產(chǎn)甲烷，或用于降解油污，比如用于降解泄漏于海洋中的芳香烴。Pfiyanka Gupta等研究確定了煤厭氧發(fā)酵制備沼氣的最優(yōu)工藝條件為：固液比1：10，pH值7.0～7.5，煤粒度60～25um，溫度35 ℃，此條件下甲烷的最大生成量479.3 cc/100 g。

德國奧登堡大學(xué)Sabfina Beckmann等利用細(xì)菌、古生菌和真菌降解廢棄煤礦中的殘煤產(chǎn)甲烷，結(jié)果表明：產(chǎn)氣過程開始于低氧環(huán)境中木質(zhì)素降解菌和細(xì)菌對風(fēng)化煤和木材的降解，更深處的無氧層真菌和細(xì)菌進(jìn)行不完全氧化，釋放出結(jié)構(gòu)相對簡單的基質(zhì)，這些物質(zhì)能夠進(jìn)一步被作用生成甲烷，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)醋酸纖維素是微生物降解煤產(chǎn)甲烷的先驅(qū)體。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)Maria-Luisa Gutierrez-Zamora等研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和真菌解聚和溶解煤是需氧過程，降解產(chǎn)品能夠被進(jìn)一步發(fā)酵制備甲烷。

韓國光州大學(xué)研究所Muhammad Yasin等研究認(rèn)為微生物轉(zhuǎn)化煤，獲得高能生物燃料和有價(jià)化學(xué)品是化石燃料和可再生資源有效利用方面極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，也是一種環(huán)境友好的轉(zhuǎn)化方式。他們通過對多種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)過程和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析，提出了一種先進(jìn)的生物反應(yīng)器改進(jìn)方法。

總之，國外現(xiàn)階段的研究集中在煤及其廢棄物的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氣方面，研究模擬了煤礦礦山環(huán)境，著眼煤基廢棄物綜合清潔利用的同時(shí)，考慮到了全球環(huán)境生態(tài)的生物治理等諸多方面。

11.結(jié)論

1）利用微生物轉(zhuǎn)化煤制甲烷氣，作為燃?xì)饫煤鼙憷苊饬嗣何⑸镛D(zhuǎn)化液態(tài)產(chǎn)物復(fù)雜及利用受到限制的瓶頸。故而，國內(nèi)外現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)集中在低階煤及其廢棄物的微生物轉(zhuǎn)化制取甲烷氣，同時(shí)也兼顧了環(huán)境治理和生態(tài)保護(hù)。對低階煤煤礦、廢棄礦山及堆積的煤基廢棄物而言，直接利用煤中固有菌落，給其提供營養(yǎng)物，創(chuàng)造轉(zhuǎn)化條件，進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氣的研究，意義深遠(yuǎn)，前景廣闊；

2）煤微生物轉(zhuǎn)化的作用主體是降解菌，所以具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性、高轉(zhuǎn)化率菌種的篩選及運(yùn)用誘變改性，基因工程等生物技術(shù)培育優(yōu)勢菌種，對煤微生物轉(zhuǎn)化的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要；

3）煤大多數(shù)不能被中性水較好的浸潤，這極不利于煤微生物轉(zhuǎn)化的進(jìn)行，所以轉(zhuǎn)化之前必須對煤進(jìn)行預(yù)處理，增加煤的可潤濕性，可極大的提高煤的微生物轉(zhuǎn)化率。另外，在研究煤的預(yù)處理方式，提高轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，要考慮預(yù)處理方式的工業(yè)化可行性，比如經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、可持續(xù)發(fā)展等方面；

4）對于煤微生物轉(zhuǎn)化的機(jī)理，目前比較公認(rèn)的有堿作用機(jī)理、酶作用機(jī)理、螯合劑作用機(jī)理、ABCDE機(jī)理。但是到底是一種作用的結(jié)果，還是多機(jī)理種協(xié)同作用的結(jié)果，尚不明晰，需要根據(jù)特定菌種和煤種進(jìn)行深入研究。所以，煤生物轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究應(yīng)該自始至終受到重視，只有機(jī)理搞清楚了，相關(guān)工藝技術(shù)研究才有明確的方向，才會(huì)事半功倍；

5）對于煤微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的成分及分離純化方法的研究至關(guān)重要，該方面的研究對于擴(kuò)大煤微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的實(shí)際應(yīng)用，提高商業(yè)價(jià)值意義重大；反過來，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的可利用性和可觀經(jīng)濟(jì)價(jià)值又會(huì)有力的促進(jìn)該研究課題的迅速發(fā)展；

6）有關(guān)煤生物轉(zhuǎn)化的設(shè)備開發(fā)，檢測分析方法的引進(jìn)和創(chuàng)新也需要加大研究力度。

總之，能源、材料、信息是21世紀(jì)的主題。能源關(guān)乎國計(jì)民生，當(dāng)今能源危機(jī)日益凸顯，化石燃料在能源構(gòu)成中占有極大比例，而石油、天然氣已面臨枯竭，煤炭資源還將在未來較長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)。然而，目前的現(xiàn)狀是高階煤的開發(fā)和利用迅速，低階煤占煤炭資源總量的比重越來越大，所以低階煤的綜合利用，清潔高效利用必將成為研究的熱點(diǎn)。其中，煤的微生物轉(zhuǎn)化利用和其它利用方式相比具有巨大的優(yōu)勢，發(fā)展前景光明。