CN114634897A - 降解褐煤的方法及其菌剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了降解褐煤的方法及其菌剂。该降解褐煤的方法包括在含有褐煤的培养基中培养菌剂的活性成分，该菌剂的活性成分发酵产酸菌属细菌、硫酸盐还原菌属细菌和产甲烷菌属细菌。该降解褐煤的方法解决了在高温高压情况下褐煤微生物降解试验操作不便的问题。

Description

降解褐煤的方法及其菌剂
技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其是涉及降解褐煤的方法及其菌剂。
背景技术
内蒙古自治区是煤炭大省，已探明的煤炭储量居全国第二位。该区煤炭种类以煤化程度最低的褐煤为主，其高水分、高灰分、低发热量的特点导致在综合利用中大大受阻。但褐煤具备的上述特点适合微生物对其进行降解利用以产煤层气，此过程没有污染物，绿色环保。但目前这一课题研究国内外大部分停留在试验阶段，且所用微生物菌群大多为高温菌，多为取自煤层的内源产甲烷菌群，试验过程需要高温高压的厌氧环境，降解褐煤时所需环境条件苛刻，操作过程具有一定的危险性；同时期刊中的论文大多显示，微生物菌群降解褐煤后的生物气由CH4、H2和CO2组成，前两者的比例在生物降解中难以调控，未来应用实际实现产业化较为困难。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种降解褐煤的方法。
本发明提供了降解褐煤的方法，包括在含有褐煤的培养基中培养菌剂的活性成分。所述菌剂的活性成分包括发酵产酸菌属细菌、硫酸盐还原菌属细菌和产甲烷菌属细菌。所述的发酵产酸菌属、所述硫酸盐还原菌属和所述产甲烷菌属的菌属数量比可为9∶3∶2。
可选地，根据上述的方法，所述含有褐煤的培养基中，酵母提取粉的含量为2.00g/L，磷酸氢二钾的含量为0.40-0.42g/L，磷酸二氢钾的含量为0.40-0.42g/L，氯化镁的含量为2.0-2.50g/L，氯化钠的含量为1.98-2.00g/L，氯化钾的含量为0.20g/L，L-半胱氨酸的含量为0.50g/L，NH4Cl的含量为1.00g，碳酸氢钠的含量为0.20-0.26g/L，硫化钠的含量为0.20g/L和褐煤的含量为2.00g/L。所述含有褐煤的培养基还可包括维生素溶液和微量元素溶液，维生素溶液含量为10mL/L，微量元素溶液含量为10mL/L。所述培养基的pH可为6.5-7.5。
可选地，根据上述的方法，在厌氧条件下培养上述菌剂的活性成分，培养温度为37℃。
上述含有褐煤的培养基属于本发明的保护范围之内。
上述降解褐煤的菌剂也属于本发明的保护范围之内。
本发明还提供了上述的菌剂在降解褐煤中的应用。
所述应用中，降解褐煤的温度可为37℃。
所述应用中，可在厌氧条件下降解褐煤。
本发明从活性污泥中富集、驯化得到的微生物菌群能够在培养基中进行褐煤降解。在菌株量达到5mL/50mL培养基，采用褐煤作为碳源，固液比(即褐煤与培养基的质量体积比g∶mL)为1∶25，在温度37℃，pH值7.0，厌氧条件下培养，对褐煤降解15d后，降解产气量可达44.87mL CH4/2g褐煤。与已知的菌种相比，本发明提供的微生物菌群能大大的提高褐煤降解的生物产气量，且微生物菌群产气组成仅含CH4和CO2，便于后期实际应用中分离，本发明为褐煤微生物降解提供优质高效菌群。
本发明所提供的降解褐煤的方法解决了在高温高压情况下褐煤微生物降解试验操作不便的问题。不仅能够应用于褐煤的微生物降解，还能够提供一条开发非常规天然气资源的新途径。
本发明通过单因素试验筛选，确定出微生物降解褐煤过程中的最佳工艺条件以及制备方法。
本发明优化了操作条件、培养基成分，并对微生物菌群本身进行了富集驯化培养，其褐煤降解效果显著优于未驯化的菌种，能大大的提高褐煤降解的生物产气量，解决低阶煤-褐煤难以有效的开发利用这一难题。
附图说明
图1为排水集气法收集的装置结构示意图。
图2为实施例2培养基优化前后的菌群对降解褐煤后的生物气量效果对照。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例所获得的高效厌氧菌群与会议论文Effect of MicrobialDegradation of Lignite on Its Morphology中提到的降解褐煤的微生物一致，该会议论文由第一届先进生物制造国际会议(The 1st International Conference on AdvancedBiomanufacturing，ICAB 2019)收录。
采用origin8.5统计软件对数据进行处理。
下述实施例使用的培养基具体如下。
富集培养基：以去离子水配置，1L去离子水中加入K2HPO4 0.4g、NH4Cl 1.0g、MgCl22.0g、半胱氨酸0.5g、KH2PO4 0.4g、Na2S 0.2g、酵母提取粉2.0g、NaHCO3 0.2g、乙酸钠2.0g、NaCl 2.0g、KCl 0.2g、维生素溶液10mL、微量元素溶液10.0mL。培养基配方中Na2S和NaHCO3以及半胱氨酸作为还原剂除去培养基中的溶解氧，同时，煮沸5分钟，以彻底除去培养基中的氧。
微量元素溶液配方为：氨乙酸1.5g/L、CaCl2 0.1g/L、MgSO4·7H2O 3.0g/L、H3BO30.05g/L、FeSO4 0.1g/L、NaCl 1.0g/L、CoCl20.1g/L、MnSO4 0.5g/L、ZnSO4 0.1g/L、NaMoO40.05g/L、A1K(SO4)2 0.01g/L、NiCl2 0.1g/L、CuSO4 0.01g/L。
维生素溶液配方为：生物素2mg/L、尼古酸5mg/L、叶酸2mg/L、硫胺素5mg/L、盐酸吡哆醇10mg/L、钴胺素0.1mg/L、核黄素5mg/L、对氨基苯甲酸5mg/L、泛酸5mg/L、硫辛酸5mg/L。
驯化培养基：将上述富集培养基的碳源乙酸钠利用褐煤来代替，其余培养基组分不变。
实施例1、获得降解褐煤的微生物菌群
取污水处理厂厌氧消化池内的厌氧污泥，采用悬浮接种法对菌种进行多次筛选富集，直到生物产气量稳定，使菌种得到纯化，获得菌种富集液。再用菌种富集液对褐煤进行微生物降解，并检测产气量和组分，检测结果如表1中“驯化前”所示。用菌种富集液对褐煤进行微生物降解具体方法为将菌种富集液5mL，接种至50mL驯化培养基中，以2g褐煤为底物，在37℃，180rpm/min条件下培养。
将菌种富集液5mL，接种至50mL驯化培养基中，进行培养驯化，在37℃，180rpm/min条件下培养15天，直至产气量稳定，得到具有较高降解褐煤能力的高效厌氧菌群(即降解褐煤的微生物菌群)。进而对褐煤进行微生物降解，检测气体量及组分，检测结果如表1中的“驯化后”所示。
该高效厌氧菌群由发酵产酸菌属、硫酸盐还原菌属和产甲烷菌属组成，发酵产酸菌属、硫酸盐还原菌属和产甲烷菌属的菌属数量比为9∶3∶2，所包括的菌属具体如下：
发酵产酸菌属：Anaerovorax，Bacteroides，Clostridium，Sedimentibacter，Sphaerochaeta，Tissierella_Soehngenia，W22，RFN20，Syntrophomonas；
硫酸盐还原菌：Sulfurospirillum，Trabulsiella，Pseudomonas；
产甲烷菌属：Methanocorpusculum，Methanosarcina。
微生物降解褐煤产出的混合气体通过排水集气法收集，排水集气法收集的装置结构示意图如图1，包括容器A、容器B(集气排水瓶)和容器C，容器之间通过导管依次相连。使用时，微生物在容器A中降解褐煤，容器B装满水，容器A中微生物降解褐煤产出的混合气体通过导管进入容器B，使得容器B中的水通过导管进入容器C。容器C中水的体积即为菌群产气的体积量。每次收集混合气体后，用针管抽取容器B内混合气体，检测混合气体组成及含量。
采用气相色谱法检测菌群产出气体中二氧化碳及甲烷的含量。气相色谱仪为北京普析G5型号，配件为TCD检测器、PMF-1型进气阀，色谱柱型号为TDX-01，通入高纯氦气(99.99％)为载气，流速为50mL/min，进样口、柱温、检测器温度分别为120℃、120℃、130℃。用针管抽取集气排水瓶中的混合气体，在气阀开启后迅速注入到气阀中，匀速注入，待气阀关闭后取走针管，进行气体含量测定。采用外标法测定气体各组分百分含量。
标准气体成分及含量：N2、CH4和CO2的体积百分数为72.00％、24.00％和4.00％。
表1菌种驯化前后总产气量及组分
Figure BDA0003584390070000041
实施例2、优化培养基
选用单因素实验优化培养基中各成分。
将实施例1获得的高效厌氧菌群5mL，分别接种至50mL优化前的培养基和优化后的培养基，温度37℃，pH值7.0，厌氧条件下培养15天，并检测甲烷的日积累气量。
每天利用实施例1所述的排水集气法测定并且记录产气量，然后利用气相色谱测定气体组分，将每天的产气量和组分组成累计即为日积累产气量。
优化前的培养基与驯化培养基组成一致。
优化后的培养基组成：
酵母提取粉2.00g/L，磷酸氢二钾0.42g/L，磷酸二氢钾0.42g/L，氯化镁2.50g/L，氯化钠1.98g/L，氯化钾0.20g/L，L-半胱氨酸0.50g/L，NH4Cl 1.00g，碳酸氢钠0.26g/L，硫化钠0.20g/L，褐煤2.00g/L，用去离子水定容至1L，加入维生素溶液10.00mL、微量元素溶液10.00mL，充分搅拌后用NaOH颗粒调节pH＝7.00±0.10。
培养基优化前后的菌群对降解褐煤后的生物气量效果对照参见图2。优化后的培养基更适合发明菌群降解褐煤，对生物甲烷气有显著的提高效果。实施例1获得的高效厌氧菌群在优化后的条件下降解褐煤生产生物气的效果明显提高，且生物气组成仅有CH4和CO2，文献中的生物气多含有H2，不利于后期扩大生产应用到实际中的气体分离，该高效厌氧菌群相对其它褐煤降解菌群具有明显优势。
上述实施例证明经过培养驯化后的微生物菌群，降解褐煤的能力更强，微生物产气量更高；并且培养基经过优化后，更适合微生物菌群的生长代谢，对褐煤的降解效果更好。
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本申请欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本申请中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围，可以进行一些基本特征的应用。

Claims (10)

1.降解褐煤的方法，其特征在于，包括在含有褐煤的培养基中培养权利要求6或7所述的菌剂的活性成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含有褐煤的培养基为权利要求4或5所述培养基。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在厌氧条件下培养权利要求6或7所述的菌剂的活性成分，培养温度为37℃。
4.用于培养权利要求6或7所述菌剂的活性成分的培养基，其特征在于：酵母提取粉的含量为2.00g/L，磷酸氢二钾的含量为0.40-0.42g/L，磷酸二氢钾的含量为0.40-0.42g/L，氯化镁的含量为2.0-2.50g/L，氯化钠的含量为1.98-2.00g/L，氯化钾的含量为0.20g/L，L-半胱氨酸的含量为0.50g/L，NH4Cl的含量为1.00g，碳酸氢钠的含量为0.20-0.26g/L，硫化钠的含量为0.20g/L和褐煤的含量为2.00g/L。
5.根据权利要求4所述的培养基，其特征在于：所述培养基的pH为6.5-7.5。
6.降解褐煤的菌剂，其特征在于：所述菌剂的活性成分包括发酵产酸菌属细菌、硫酸盐还原菌属细菌和产甲烷菌属细菌。
7.根据权利要求6所述的菌剂，其特征在于：所述的发酵产酸菌属、所述硫酸盐还原菌属和所述产甲烷菌属的菌属数量比为9∶3∶2。
8.权利要求6或7所述的菌剂在降解褐煤中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述应用中，降解褐煤的温度为37℃。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于：所述应用中，在厌氧条件下降解褐煤。
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