白腐真菌Hypocrea lixii AH对抚顺长焰煤及其模型化合物生物液化机理研究

论文摘要

我国的低阶煤资源十分丰富,占煤炭总资源量的45%以上。由于低阶煤热值低、水分高、易风化、易自燃等缺点,因此,如何高效洁净利用低阶煤引起了各国专家的关注。低阶煤的生物液化是一种新的转化技术,与常规的化学转化利用技术（液化、气化、炼焦、发电等）相比,具有反应条件温和、环境友好等优点。然而低阶煤生物液化技术还未能在工业上得到推广应用,其核心问题在于液化效率低、产物组成复杂和液化机理不明确等。本文首先从自然界中筛选出一株具有较高煤炭液化能力的真菌,讨论了其生理特性与产酶特性,并分析了该菌株对抚顺西露天煤炭的液化影响条件与液化产物组成;然后,在分析抚顺煤基本理化性质与生物液化的基础上构建了煤炭大分子结构模型,并利用煤炭模型化合物作为生物液化底物,探讨了生物对煤炭的液化机理。从土壤中筛选出一株具有液化抚顺煤的真菌,经18S rDNA测序并用Clustal X和Mega 4.0构建系统发育树,确定为半知菌亚门丛梗孢目Hypocrea属,命名为Hypocrea lixii AH。该菌具有产过氧化物酶、多酚氧化酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶的能力。H. lixii AH对抚顺硝酸氧化煤（ρ<1.3 g/cm3）的液化率达44.86%。该菌在摇床中比在静置培养箱中对抚顺煤的液化效果好,发酵液液化效果比胞外液效果好,加煤诱导可以促进液化,液化率分别提高了23.25%、14.09%和4.67%。添加表面活性剂之后,抚顺煤表面吸附更多的胞外蛋白质,液化率可进一步改善。液化产物极性很强,只有在甲醇中才能完全溶解;易溶于碱,不溶于酸。通过紫外-可见光光谱、红外光谱、1H核磁共振、13C核磁共振和气相色谱-质谱等分析发现产物中富含苯胺、酰胺以及芳醚等,芳环数为1-3个,芳碳率为0.328。凝胶色谱法测得分子量（单位kg/mol）在3153和427附近,放置90天后,降至1299、367和115附近。而质谱法测得的分子量（单位Da）在3580、2930、1741、883和470附近,放置90天后降至1740、900、883、680、470和288附近。通过对抚顺煤的红外光谱、13C核磁共振谱图进行分峰拟合处理,并计算出抚顺煤的8项表征煤炭结构的参数。并结合元素分析结果、萃取液分析结果等构建出抚顺煤的大分子结构模型,抚顺氧化煤结构模型的分子式为C192H161N9O39。据此,选取百里酚作为酚基、侧链低价煤模型化合物,苯甲酸为含氧芳环低价煤模型化合物,喹啉为含氮低价煤模型化合物,并用真菌H. lixii AH对模型化合物进行降解。通过紫外-可见光光谱、红外光谱、气相色谱和气相色谱-质谱等手段分析降解产物,从而推测出百里酚、苯甲酸和喹啉在木质素过氧化物酶、漆酶和多酚氧化酶等催化下发生脱甲基反应、开环反应、羟基化反应、氧化反应等,生成对应的降解产物的历程。此外,生物液化后,抚顺煤孔容由1.634 m2/g增大到175.7 m2/g,灰分也由7.06%增加到13.03%,可见煤炭中的小分子物质溶解出来。通过比较液化产物和抚顺煤的结构参数,发现芳碳率降低、侧链变长、终端甲基和与O相连的脂肪碳增加,证明抚顺煤发生开环、断键反应和氧化等反应。其中LiP和Lac共同催化开环、C-C和C-O断裂;酯酶催化酯键断裂;过氧化物酶参与氧化反应。由此可见,H. lixii AH具有液化抚顺煤为液体的能力。通过对液化产物的分析和液化机理的探讨,为煤炭微生物产物液化提供理论和应用指导。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 图清单
• 表清单
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 低阶煤的加工现状
• 1.3 低阶煤微生物液化：一种有潜力的新方法
• 1.4 低阶煤微生物液化领域存在的问题及可能的出路
• 1.5 课题来源及其研究目标
• 2 抚顺长焰煤基本理化性质研究
• 2.1 煤炭预处理
• 2.2 元素分析
• 2.3 XRD 分析
• 2.4 Zeta 电位测定
• 2.5 润湿性测定
• 2.6 腐植酸含量测定
• 2.7 孔径与比表面积测定
• 2.8 官能团测定
• 13C 固体核磁共振'>2.9¹³C 固体核磁共振
• 2.10 本章小结
• 3 真菌Hypocrea lixii AH 生理特性及其产酶特性研究
• 3.1 实验材料与仪器
• 3.2 菌种筛选与鉴定
• 3.3 真菌H. lixii AH 的生理特性分析
• 3.4 真菌H. lixii AH 的产酶特性研究
• 3.5 酶激活剂、表面活性剂对真菌H. lixii AH 产酶的影响
• 3.6 本章小结
• 4 液化条件对抚顺煤生物液化的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与仪器
• 4.3 煤炭特性对液化的影响
• 4.4 环境因素对生物液化的影响
• 4.5 激活剂对酶活性的影响
• 4.6 表面活性剂对煤炭液化的影响
• 4.7 本章小结
• 5 抚顺煤真菌液化产物的研究
• 5.1 前言
• 5.2 液化产物的收集
• 5.3 液化液滴形成过程
• 5.4 液体液化产物的分析
• 5.5 煤炭液化程度的评价
• 5.6 残煤性质的分析
• 5.7 本章小结
• 6 抚顺煤大分子模型的构建
• 6.1 引言
• 6.2 抚顺原煤有机溶剂萃取
• 6.3 抚顺煤大分子结构模型构建的依据
• 6.4 抚顺煤大分子结构模型的初步构建
• 6.5 抚顺煤大分子结构模型的评价与优化
• 7 真菌H. lixii AH 对抚顺煤模型化合物的降解研究
• 7.1 用于真菌降解的抚顺煤模型化合物的确定
• 7.2 真菌对不同浓度模型化合物的耐受情况
• 7.3 模型化合物降解过程的研究
• 7.4 模型化合物降解产物的分析
• 7.5 降解机理的探索
• 7.6 本章小结
• 8 真菌H. lixii AH 对抚顺煤的液化机理
• 8.1 硝酸氧化利于煤炭微生物液化的机理
• 8.2 抚顺氧化煤的溶解和降解现象
• 8.3 碱性溶解机理
• 8.4 表面活性剂促进吸附机理
• 8.5 酶学降解机理
• 8.6 抚顺煤液化机理总结
• 9 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 创新点
• 9.3 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集