不同水解菌及复合菌剂对长焰煤作用特征.pdf
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1、第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023不同水解菌及复合菌剂对长焰煤作用特征夏大平1,2,3,赵彦翔4,苏现波3,陈振宏5,尹香菊1,闫夏彤4,顾朋涛4(1河南理工大学 资源环境学院,河南 焦作454000;2煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南 焦作;3河南理工大学 非常规天然气研究院,河南 焦作454000;4河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作454000;5中国石油勘探开发研究院,北京100832)摘要:煤制生物气过程主要依靠细菌和古细菌的共同作用完成,产气是目
2、的,煤的底物利用率是关键。而水解是整个发酵过程的限速步骤,关系到煤的水解率及降解率,水解细菌作为煤制甲烷厌氧发酵过程的重要功能菌群,研究优势水解菌种的特征降解功能具有特殊重要意义。以水解过程中的细菌为研究对象,分析各单一菌种及复合菌剂对煤的降解特征,并探讨菌种间的共轭关系,结果如下:不动杆菌和假单胞菌联合降解后在进行产气的样品,其总产气量最高为1986 mL/g,假单胞菌处理后的样品其总产甲烷量最高,总产甲烷量为 1078 mL/g;不动杆菌和假单胞菌联合降解,其降解特征与不动杆菌降解功能相似;不动杆菌和多粘类芽孢杆菌联合降解,失去对羧酸中 OH 键和单邻芳香 CH 键降解能力;假单胞菌和多粘
3、类芽孢杆菌联合降解,减弱了对羧酸中 OH 键、单邻芳香 CH 键的降解能力;假单胞菌降解后的煤样其比表面积和总孔容降低程度最大,分别降低了 16478 m2/g 和 0284 cm3/g。经不同菌剂降解后介孔和大孔平均孔径普遍增大,而微孔最可几孔径普遍减小。本研究为提高煤的水解率和最终的产甲烷能力提供支撑。关键词:水解菌;长焰煤;厌氧发酵;复合菌剂中图分类号:P61811文献标志码:A文章编号:02539993(2023)S1018509移动阅读收稿日期:20211113修回日期:20220310责任编辑:韩晋平DOI:1013225/jcnkijccsX211740基金项目:国家自然科学基金
4、资助项目(42172199);河南省优秀青年培育基金资助项目(202300410168);河南省青年骨干基金资助项目(2018GGJS059)作者简介:夏大平(1983),女,安徽颍上人,副教授,博士。Email:xiadp22 hpueducn通讯作者:陈振宏(1979),男,湖南桃园人,高级工程师,博士。Email:chenzhenhong petrochinacomcn引用格式:夏大平,赵彦翔,苏现波,等 不同水解菌及复合菌剂对长焰煤作用特征 J 煤炭学报,2023,48(S1):185193XIA Daping,ZHAO Yanxiang,SU Xianbo,et al Charact
5、erization of the action of different hydrolytic bacteriaand compound bacterial agents on long-flame coal J Journal of China Coal Society,2023,48(S1):185193.Characterization of the action of different hydrolytic bacteria andcompound bacterial agents on longflame coalXIA Daping1,2,3,ZHAO Yanxiang4,SU
6、Xianbo3,CHEN Zhenhong5,YIN Xiangju1,YAN Xiatong4,GU Pengtao4(1Institute of esources Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;2Provincial Collaborative Innovation Center of Coal Produc-tion Safety and Clean and Efficient Utilization,Jiaozuo454000,China;3esearch Institute of Unconv
7、entional Natural Gas,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;4School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;5China Petroleum Explorationand Development Institute,Beijing100832,China)Abstract:The process of coal-to-biogas mainly relies on the joint
8、 action of bacteria and archaea,gas production is thepurpose,and the substrate utilization of coal is the key The hydrolysis is the rate-limiting step of the whole fermenta-tion process,which is related to the hydrolysis rate and degradation rate of coal Hydrolysis bacteria,as an importantfunctional
9、 group of coal-to-methane anaerobic fermentation process,are of special importance for studying the charac-teristic degradation function of the dominant hydrolysis strains In this study,the degradation characteristics of coalwere analyzed by each single strain and compound bacterial agent with the b
10、acteria in the hydrolysis process,and the conjugation relationship between the strains was explored The results were as follows:the sample after com-bined degradation of Bacillus immobilis and Pseudomonas aeruginosa in gas production showed the highest total gas煤炭学报2023 年第 48 卷production,with the to
11、tal gas production of 1986 mL/g The sample after Pseudomonas treatment showed the high-est total methane production,with the total methane production of 10 78 mL/g The degradation characteristicsof the combined degradation of Bacillus immobilis and Pseudomonas were similar to those of Bacillus immob
12、ilisThe combined degradation of Bacillus immobilis and Bacillus polymyxa lost the degradation ability of OH bond andsingle-neighboring aromatic CH bond in the carboxylic acid The combined degradation of Pseudomonas andBacillus polymyxa weakened the degradation ability of OH bond and single-neighbori
13、ng aromatic CH bondin the carboxylic acid The specific surface area and the total pore volume of the coal samples degraded by Pseudo-monas decreased the most,which decreased by 16478 m2/g and 0284 m3/g,respectively The average pore sizeof mesopores and macropores generally increased after being degr
14、aded by different bacterial agents,while the most poresize of micropores generally decreased This study provides some references for the improvement of the hydrolysis rateand the final methane production capacity of coalKey words:hydrolytic bacteria;long flame coal;anaerobic fermentation;compound ba
15、cterialagents煤层气生物工程(CBGB)学科的概念是将生物压裂液注入煤层,使煤在微生物的作用下部分转化为甲烷。煤层气生物工程遵从经典的厌氧发酵“四阶段”理论:水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。发酵过程中,不同细菌分别承担水解、酸化、产氢产乙酸等功能,将煤从大分子网状化合物一步一步降解成可被产甲烷菌利用的小分子化合物方能实现煤的甲烷化15。微生物菌剂是由一种或多种功能微生物参与制成的一类含有活性微生物的制剂,是应用微生物学现阶段的研究热点之一。微生物菌剂是通过生物制剂内的有益菌处于髙活性状态时将物质转化为有益的代谢产物,通过微生物的转换能够对作物起到有益作用69。目前煤
16、的生物甲烷化注重的是后期产甲烷阶段气体产率的提高,因而多利用产甲烷菌富集驯化菌液进行产气,但是忽略了前期水解阶段关系到煤的水解及产生小分子可利用有机物数量,是整个产甲烷的关键限速步骤。而水解过程主要依靠前期菌群中的细菌来完成,水解阶段涉及菌种繁多,且各菌种之间的共轭关系尚未可知。混合菌对煤的甲烷化过程是否能起到“1+12”的作用并不明晰1013。因此对不同水解菌以及复合菌剂菌种之间共轭关系的研究有利于筛选高效功能菌,从而构建产甲烷功能微生物菌剂。不动杆菌、假单胞菌以及多粘类芽孢杆菌在产甲烷初期多以优势菌出现,并且在相关文献中被发现具有较强的降解能力1415。因此,笔者以水解阶段单一菌以及复合菌
17、剂为研究对象:不动杆菌、假单胞菌、多粘类芽孢杆菌以及两两组合菌剂。先利用傅立叶红外光谱(FTI)、溶解性总固体(TDS)等测试监测水解过程变化特征,针对水解高峰期煤样进行 X 射线衍射(XD)和 BET 测试。通过上述测试以及产气结果,分析菌种间共轭关系,并对比单一菌种以及复合菌剂对长焰煤的特征降解功能,从而筛选优势水解菌,为水解阶段底物降解率的提高提供研究基础。1实验材料和方法1.1实验方案1.1.1实验样品来源实验所用煤样采自河南义马耿村矿。不动杆菌(菌种 B)、假单胞菌(菌种 J)、多粘类芽孢杆菌(菌种 Y)来自北纳创联生物科技有限公司。长焰煤的工业分析与元素分析见表1,实验所用菌种及简
18、称见表2。表 1长焰煤的工业与元素分析Table 1Proximate and elemental analysis of long-flame coal工业分析/%MadAadVad10455323115元素分析/%FCadCdafHdafNdaf(O+S)daf530876245291081739煤阶长焰煤表 2菌种名称及对应简称Table 2Species name and corresponding abbreviation不动杆菌假单胞菌多粘类芽孢杆菌不动杆菌+假单胞菌不动杆菌+多粘类芽孢杆菌假单胞菌+多粘类芽孢杆菌原煤菌种 B菌种 J菌种 YB+JB+YY+JYM681增刊 1夏大
19、平等:不同水解菌及复合菌剂对长焰煤作用特征1.1.2实验方案将原煤粉碎筛选后获得 015 017 mm 煤粉。分别将不动杆菌、假单胞菌、多粘类芽孢杆菌在 1 L以及 500 mL 锥形瓶中扩大培养 5 d,培养温度为35。将灭菌后的煤粉加入上述单一菌液及复合菌剂中,每组加煤 100 g,复合菌剂混合比例为 1 1。后将各锥形瓶继续放入 35 恒温培养箱培养 5 d。后加入产甲烷菌液(以矿井水为源,驯化所得)并收集气体,并通过气相色谱仪监测甲烷浓度的变化。每天通过无菌注射器取液体样品并进行离心,收集上清液和固体保存备用。产气量测定方法:用注射器收集集气袋中的气体,注射器抽出气体的体积整理相加即为
20、最终产气量。气体浓度测定:用气相色谱仪检验发酵产生的气体,手动进样,进样量为 1 mL。1.2菌种活化菌种活化:所有菌种需在固体培养基上活化两代及以上方可用于后续实验。菌种形态如图 1 所示,菌落形态特征见表 3。图 1菌种镜检Fig1Strain microscopy diagram表 3菌种形态特征Table 3Morphological characteristics of strains菌种类多粘类芽孢杆菌假单孢菌属不动杆菌属大小/mm241212形状圆形圆形圆形边缘不整齐整齐整齐透明度不透明不透明不透明颜色灰白色浅黄色浅黄色隆起度扁平中间凸起中间凸起表面粗糙灰暗明亮光滑明亮光滑质地干
21、燥湿润黏稠湿润黏稠菌种活化以及扩大培养培养基:牛肉膏 30 g/L,蛋白胨 100 g/L,NaCl 50 g/L,琼脂 200g/L(液体培养基不加)。产甲 烷 菌 液 培 养 基:每 1 L 蒸 馏 水 中 加 入K2HPO404 g,MgCl201 g,KH2PO402 g,酵母膏10 g,胰蛋白胨01 g,NH4Cl 10 g,半胱氨酸盐05 g,Na2S 02 g,NaHCO32 g,乙酸钠 05 g,甲酸钠 05 g,微量元素溶液 100 mL。微量元素液(1 L):氨基三乙酸 15 g,MnSO42H2O 0 5 g,MgSO47H2O 3 0 g,FeSO47H2O01 g,N
22、aCl 1 g,CoCl26H2O 01 g,CaCl22H2O01 g,CuSO45H2O 001 g,ZnSO47H2O 01 g,H3BO3001 g,AlK(SO4)2001 g,NiCl26H2O 002 g,Na2MoO4001 g,1 000 mL 蒸馏水。1.3FTI 测试测试仪器为 AVATA360 型 FTI 傅里叶变换红外光谱仪,测试方法采用全反射法。扫描范围为4004 000 cm1,扫描次数为 32,分辨率为 4。1.4BET 测试采用北京精微高博科学技术有限公司 JB BK100 系列比表面积及孔径分析仪,电压为(22020)V,频率 50/60 Hz,最大功率 3
23、00 W,He 为载气,781煤炭学报2023 年第 48 卷N2为测试气体。2结果分析2.1产气结果分析向各菌种及复合菌剂降解液中加入产甲烷菌液并收集其产生的气体,其总产气量及总产甲烷量如图2 所示。其中,总产气量最多的是复合菌剂 B+J 处理后的样品,其总产气量为 1986 mL/g。而总产甲烷量最多的是菌种 J 处理后的样品,其总产甲烷量为1078 mL/g。图 2产气量汇总Fig2Summary of gas production results复合菌剂降解液总产气量相对偏多,但其甲烷转化率普遍偏低:菌种 B 和菌种 J 复合菌剂较单一菌种总产气量虽有明显提升,但其甲烷产率较菌种 J
24、有所降低。这或与菌种 B 和菌种 J 协同降解使菌剂具有更强的反硝化能力有关,从而促进了 N2的产出,提高了总产气量1618,但针对产甲烷过程,并无明显增益;菌种 B 和菌种 Y 复合菌剂较菌种 Y 总产气量虽有所降低,但其总产甲烷量有所提高,这说明菌种 B和菌种 Y 协同降解能促进甲烷转化率;菌种 J 和菌种Y 复合菌剂较单一菌种总产气量均有提高,但其总产甲烷量却比菌种 J 少,因而发现菌种 J 和菌种 Y 联合降解并不能提高甲烷转化率。2.2FTI 结果分析由图 3 和表 4 可知,混合菌剂的降解效果普遍弱于单一菌。因此选取的几种水解菌种之间皆具有一定的竞争作用。对比菌种 B 与菌种 J
25、及其复合菌剂对长焰煤的降解作用,发现菌种 J 的降解能力更强,且菌种 J 的水解高峰期为第 5 d。与原煤相比,经菌种 J 降解后的煤样(样品 J5)在 2 923 和 2 851 cm1处的吸收峰几乎消失。2 923 和 2 851 cm1分别对应脂肪结构亚甲基和 CH3反对称甲基,因而认为菌种 J 对煤中脂肪结构具有降解作用,且降解过程中菌种 J 主要作用脂肪结构中亚甲基的断裂。除此之外,样品 J5 在 1图 3不同水解菌及复合菌剂降解过程煤样红外光谱Fig3Infrared spectra of coal samples during degradation bydifferent hy
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