煤的微生物降解率與降解液吸光度的關系擬合

劉 敏，李建濤，劉向榮

(1.商洛學院數學與計算機應用學院，陜西 商洛 726000；2.商洛學院化學工程與現代材料學院，陜西 商洛 726000；3.西安科技大學化學與化工學院，陜西 西安 710054)

煤的微生物降解是繼煤的氣化、液化、干餾等技術之后，實現煤清潔高效利用的新技術。該技術經過近四十年的發展，目前面臨的最根本問題是微生物對煤的降解率低且高效降解菌株缺乏普適性[1-2]。為了解決這一根本問題，利用不同微生物對煤進行分級降解，可以實現不同階段微生物對煤的協同降解作用，從而達到高效降解的目的。在微生物分級降解的研究過程中，準確評價微生物對煤的降解效果至關重要。目前，評價煤的微生物降解效果的方法主要有4種[3-4]，分別是：

方法1：煤樣經微生物降解后，產物過濾，用去離子水洗滌濾渣，去除菌絲體，收集降解后的煤殘渣，干燥至恒重，按式(1)計算降解率(η，%)：

(1)

式中：m0為煤樣的初始質量，g；m1為煤殘渣的質量，g。

方法2：煤樣經微生物降解后，產物過濾，用去離子水洗滌濾渣，去除菌絲體，收集降解后的煤殘渣，干燥至恒重，測定降解前后煤樣的灰分含量，按式(2)計算降解率：

(2)

式中：A0為煤樣的灰分含量，g；A1為煤殘渣的灰分含量，g。

方法3：煤樣經微生物降解后，產物離心過濾，取上清液，加酸使之沉淀，沉淀物干燥至恒重，按式(3)計算降解率：

(3)

式中：m2為沉淀物的質量，g。

方法4：利用煤的微生物降解液在450 nm處的吸光度A450(Y)大小來評價微生物對煤的降解效果[5-6]。

由于重量法(方法1、2、3)操作過程中的系統誤差和隨機誤差等原因，導致重量法評價煤的微生物降解效果欠準確。而方法4操作簡單，結果準確，可方便地用于降解效果的對比，不足之處在于只能獲得降解液的吸光度，不能直觀地得到降解率。研究表明，煤樣粒度較大時，采用方法2得到的煤的微生物降解率準確性較高。為此，作者首先分別采用綠孢鏈霉菌、惡臭假單胞菌和黃孢原毛平革菌對不同粒度的光氧化內蒙勝利褐煤進行微生物降解，通過方法2測定5種粒度較大煤樣的η，并同時測定降解液的Y值，找出η與對應粒度下降解液Y值之間的關系，進行線性擬合得到擬合方程；然后采用3種不同光氧化褐煤對3個擬合方程進行普適性驗證；最后將較細粒度下的降解液的Y值帶入擬合方程，求得相應降解率[7-8]，以解決煤樣粒度較細、難以根據方法2準確計算降解率的問題。

1 實驗

1.1 煤樣及預處理

4種煤樣(內蒙勝利褐煤、云南昭通褐煤、山西渾源褐煤和內蒙元寶山褐煤)分別經前處理制得粒度為(-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的煤樣。

采用旋轉床光化學反應器[9]對煤樣進行光氧化預處理。預處理條件參照文獻[10]，得到4種光氧化褐煤：光氧化內蒙勝利褐煤(GSLH)、光氧化云南昭通褐煤(GZTH)、光氧化山西渾源褐煤(GHYH)和光氧化內蒙元寶山褐煤(GYBH)。

1.2 菌株及復壯

1.2.1 菌株及培養基

菌株：放線菌(綠孢鏈霉菌Streptomycesviridosporus，SV)、細菌(惡臭假單胞菌Pseudomonasputida，PSP)和真菌(黃孢原毛平革菌Phanerochaetechrysosporium，PC)。綠孢鏈霉菌的培養基為高氏一號培養基，惡臭假單胞菌的培養基為LB培養基，黃孢原毛平革菌的培養基為改良馬丁培養基。

1.2.2 菌株的活化及復壯

綠孢鏈霉菌、惡臭假單胞菌和黃孢原毛平革菌的活化及復壯參照文獻[11-13]方法進行。

1.3 降解率與降解液吸光度關系擬合

綠孢鏈霉菌降解GSLH的工藝條件為：加煤量9.5 g·L-1，接種量180 mL·L-1，降解時間13.5 d，培養溫度28 ℃，振蕩頻率160 r·min-1。

惡臭假單胞菌降解GSLH的工藝條件為：加煤量13.0 g·L-1，接種量135 mL·L-1，降解時間12.0 d，培養溫度30 ℃，振蕩頻率160 r·min-1。

黃孢原毛平革菌降解GSLH的工藝條件為：加煤量13.0 g·L-1，接種量90 mL·L-1，降解時間17.8 d，培養溫度30 ℃，振蕩頻率210 r·min-1。

按上述最佳工藝條件分別進行綠孢鏈霉菌、惡臭假單胞菌和黃孢原毛平革菌對8種粒度的GSLH的降解實驗，每種粒度煤樣的降解實驗設置3組平行實驗。降解結束后，降解液過濾，測定濾液的Y值，取3組平行實驗的平均值作為對應粒度下的Y值；并對粒度為(-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的較大煤樣對應的離心沉淀物進行多次洗滌，去除菌體，將煤殘渣于60 ℃下烘干至恒重，測定GSLH降解前后的灰分含量，根據式(2)計算η，取3組平行實驗的平均值作為對應粒度下的η。對5種粒度較大煤樣對應的η和降解液Y值進行線性擬合，得到3種菌株對GSLH的η與降解液Y值之間的擬合方程。

1.4 降解率-吸光度擬合方程的普適性研究

按1.3中的工藝條件分別進行綠孢鏈霉菌、惡臭假單胞菌和黃孢原毛平革菌對GZTH、GHYH和GYBH等3種光氧化褐煤的降解實驗，煤樣粒度分別取(-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，每種粒度煤樣的降解實驗設置3組平行實驗。降解結束后，降解液過濾，測定濾液的Y值，取3組平行實驗的平均值作為對應粒度下的Y值；再對不同粒度降解產物的離心沉淀物進行洗滌，去除菌體，將煤殘渣于60 ℃下烘干至恒重，測定光氧化褐煤降解前后的灰分含量，根據式(2)計算η，取3組平行實驗的平均值作為對應粒度下的η實測。將Y值代入對應的降解率-吸光度擬合方程求得對應的η預測，并與η實測進行對比。

2 結果與討論

2.1 綠孢鏈霉菌對應降解率-吸光度關系擬合及普適性研究結果

繪制綠孢鏈霉菌對粒度為(-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與降解液Y值之間的關系曲線，并對其進行線性擬合，如圖1所示。

圖1 綠孢鏈霉菌對GSLH的降解率與降解液吸光度的關系曲線Fig.1 Relationchip curve between degradation rate of GSLH by SV and absorbance of degradation liquid

由圖1可知，擬合方程為：η=0.02466+ 0.07453Y，其擬合優度確定系數R2=0.98392 ，擬合度較好，可靠性較高。由擬合方程計算得到不同粒度的3種光氧化褐煤的η實測，見表1。

表1 降解率-吸光度擬合方程的驗證結果

由表1可知，根據降解率-吸光度擬合方程得到的不同粒度的3種光氧化褐煤的η預測與η實測之間的相對誤差(Er)較小，表明降解率-吸光度擬合方程對不同光氧化褐煤有較好的適用性，可用于既定降解工藝條件下，綠孢鏈霉菌降解不同光氧化褐煤的降解液吸光度與降解率之間的換算。

由擬合方程及GSLH粒度為(-0.150+0.075) mm、(-0.075+0.045) mm和-0.045 mm時對應的降解液Y值(分別為2.693、2.587和2.145)，求得對應的η分別為22.54%、21.68%和18.45%。

2.2 惡臭假單胞菌對應降解率-吸光度關系擬合及普適性研究結果

繪制惡臭假單胞菌對粒度為(-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與降解液Y值之間的關系曲線，并對其進行線性擬合，如圖2所示。

圖2 惡臭假單胞菌對GSLH的降解率與降解液吸光度的關系曲線Fig.2 Relationship curve between degradation rate of GSLH by PSP and absorbance of degradation liquid

由圖2可知，擬合方程為：η=0.02919+0.06412Y，其擬合優度確定系數R2=0.99075，擬合度較好,可靠性較高。由擬合方程計算得到不同粒度的3種光氧化褐煤的η預測，見表2。

表2 降解率-吸光度擬合方程的驗證結果

由表2可知，根據降解率-吸光度擬合方程得到的不同粒度的3種光氧化褐煤的η預測與η實測之間的相對誤差較小，表明降解率-吸光度擬合方程對不同光氧化褐煤有較好的適用性，可用于既定降解工藝下，惡臭假單胞菌降解不同光氧化褐煤的降解液吸光度與降解率之間的換算。

由擬合方程及GSLH粒度為(-0.150+0.075) mm、(-0.075+0.045) mm和 -0.045 mm時對應的降解液Y值(分別為5.875、5.321和4.827)，求得對應的η分別為40.59%、37.04%和33.87%。

2.3 黃孢原毛平革菌對應降解率-吸光度關系擬合及普適性研究結果

繪制黃孢原毛平革菌對粒度為(-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與降解液Y值之間的關系曲線，并對其進行線性擬合，如圖3所示。

圖3 黃孢原毛平革菌對GSLH的降解率與降解液吸光度的關系曲線Fig.3 Relationship curve between degradation rate of GSLH by PC and absorbance of degradation liquid

由圖3可知，擬合方程為：η=0.02336+0.08945Y，擬合優度確定系數R2=0.97836，擬合度較好，可靠性較高。由擬合方程計算得到不同粒度的3種光氧化褐煤的η預測，見表3。

表3 降解率-吸光度擬合方程的驗證結果

由表3可知，根據降解率-吸光度擬合方程得到的不同粒度的3種光氧化褐煤的η預測與η預測之間的相對誤差較小，表明降解率-吸光度擬合方程對不同光氧化褐煤有較好的適用性，可用于既定降解工藝下，黃孢原毛平革菌降解不同光氧化褐煤的降解液吸光度與降解率之間的換算。

由擬合方程及GSLH粒度為(-0.150+0.075) mm、(-0.075+0.045) mm和-0.045 mm時對應的降解液Y值(分別為5.228、4.409和3.511)，求得對應的η分別為48.09%、40.95%和33.12%。

2.4 擬合方程對不同褐煤具有普適性的原因分析

由3個擬合方程分別對3種不同光氧化褐煤的驗證結果可以發現，3個擬合方程對不同光氧化褐煤的降解率預測值與實測值的相對誤差較小，具有一定的普適性。究其原因可能是：在褐煤的光氧化預處理條件相同、菌株對光氧化褐煤的降解條件相同的前提下，由于不同光氧化褐煤在結構上具有一定的相似性(可用相同的褐煤結構模型表示)[14-15]，因此褐煤結構中的微生物可降解活性點相近。此外，在加煤量相同的條件下，計算時剔除了灰分的影響(見式2)，從而使得同種菌株分泌的降解煤活性物質(生物氧化酶、堿性物質、螯合劑、表面活性劑或酯酶)對煤的降解作用程度相近，最終表現為擬合方程對不同褐煤具有一定的普適性。

3 結論

(1)綠孢鏈霉菌降解光氧化內蒙勝利褐煤降解率-降解液吸光度關系擬合方程為：η=0.02466+0.07453Y，R2=0.98392。

(2)惡臭假單胞菌降解光氧化內蒙勝利褐煤降解率-降解液吸光度關系擬合方程為：η=0.02919+0.06412Y，R2=0.99075。

(3)黃孢原毛平革菌降解光氧化內蒙勝利褐煤降解率-降解液吸光度關系擬合方程為：η=0.02336+0.08945Y，R2=0.97836。

(4)3種菌株降解光氧化褐煤降解率-降解液吸光度關系擬合方程適用性結果表明，降解率預測值與實測值之間的相對誤差均較小，可以通過測定降解液吸光度帶入相應的擬合方程求得降解率，擬合方程具有一定的普適性。