王若楠 邱小倩 劉 亮 袁紅莉 陳文新

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院 北京 100193)

微生物降解低階煤的研究及產(chǎn)物腐植酸的應(yīng)用

王若楠 邱小倩 劉 亮 袁紅莉*陳文新

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院 北京 100193)

腐植酸的合理施用是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)減施化肥目標(biāo)的重要措施，是對(duì)國家新時(shí)代綠色化發(fā)展號(hào)召的積極響應(yīng)。煤炭是植物殘?bào)w在一定的地質(zhì)條件下經(jīng)過微生物的分解轉(zhuǎn)化形成。低階煤由于其煤化程度低、灰分及含水量高，容易被微生物降解轉(zhuǎn)化形成水溶性腐植酸類產(chǎn)物。本文從腐植酸資源及其重要性、目前已報(bào)道的能降解褐煤的微生物資源、微生物降解褐煤的機(jī)理及降解產(chǎn)物腐植酸的應(yīng)用等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并提出今后低階煤微生物轉(zhuǎn)化的研究和發(fā)展方向，以期為利用生物技術(shù)降解轉(zhuǎn)化礦源腐植酸的研究及產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用提供參考。

腐植酸 褐煤 微生物降解 黃腐酸

腐植酸是動(dòng)植物殘?bào)w(主要是植物殘?bào)w)在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化，以及一系列的化學(xué)過程而積累起來的一類有機(jī)物質(zhì)[1]，廣泛存在于土壤、水體以及泥炭、褐煤、風(fēng)化煤中。腐植酸具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和理化性能，其作用涉及到地球化學(xué)循環(huán)的各個(gè)方面。腐植酸肥料已作為一種功能性肥料廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，它可以增強(qiáng)土壤活力、促進(jìn)植物生長、增強(qiáng)植物根系活力、提高植物抗逆性、提高肥料利用率、減少肥料使用量，與國家十九大中“綠水青山就是金山銀山、綠色發(fā)展、環(huán)境問題、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)”的發(fā)展理念相吻合，符合綠色化發(fā)展的新時(shí)代政策，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。目前主要的兩大類腐植酸是礦源腐植酸和生物腐植酸。生物腐植酸一般是以工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵而成的腐植酸；礦源腐植酸主要是指存在于泥炭、褐煤及風(fēng)化煤等礦產(chǎn)資源中的腐植酸，也是目前市場上腐植酸產(chǎn)品的主要來源[2]。

我國礦源腐植酸資源豐富，儲(chǔ)量大且分布廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有泥炭124．8億噸，居世界第4位；褐煤1303億噸，還有大量的風(fēng)化煤約1000億噸[3]。這些低階煤含大量的原生腐植酸，因其煤化程度低，稠環(huán)結(jié)構(gòu)少，脂肪鏈狀結(jié)構(gòu)多，含有更多類木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更趨近于原始植物殘?bào)w，使其易于被微生物降解。大量研究表明，相比于物理化學(xué)法，利用微生物降解煤生產(chǎn)腐植酸的技術(shù)具有能耗低、轉(zhuǎn)化條件溫和、轉(zhuǎn)化效率高、污染小、能實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)化利用、轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的整體經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)[4，5]。泥炭因結(jié)構(gòu)簡單最易降解，但可開發(fā)的資源有限。除泥炭外，褐煤是最易降解且儲(chǔ)量豐富的低階煤，目前國內(nèi)外生產(chǎn)腐植酸多以褐煤為主要原料。下面就以褐煤為例從降解菌種類、降解機(jī)制、產(chǎn)物腐植酸的特點(diǎn)和應(yīng)用方面綜述微生物降解低階煤的研究進(jìn)展，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 褐煤的生物轉(zhuǎn)化

褐煤是煤化程度較低的煤種，具有芳香環(huán)縮合度小，側(cè)鏈、橋鍵及活性官能團(tuán)含量高的特點(diǎn)，且含有類木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，使其易于被微生物分解轉(zhuǎn)化[6]。早在20世紀(jì)80年代Fakoussa和Cohen等[7，8]就發(fā)現(xiàn)假單胞菌和白腐菌可以降解褐煤，開啟了煤炭加工新領(lǐng)域，尤其在利用微生物降解褐煤等低階煤產(chǎn)生腐植酸/黃腐酸方面引起了研究者的極大關(guān)注。在之后的幾十年里，通過不懈的努力，豐富了煤炭生物轉(zhuǎn)化的菌種資源，揭示其降解機(jī)制，同時(shí)不斷開發(fā)降解產(chǎn)品且拓展其應(yīng)用，從而加速了煤炭的轉(zhuǎn)化和清潔利用。

2 褐煤降解轉(zhuǎn)化的微生物資源

迄今為止發(fā)現(xiàn)的能降解煤的微生物主要有細(xì)菌、真菌和放線菌。放線菌報(bào)道相對(duì)少，主要有Streptomyces viridosporus T7A、Streptomyces setonii 75Vi2、Streptomyces badius、Streptomyces flavovirens、Actinosynnema sp．和Nocardia sp．等[9，10]。繼Fakoussa發(fā)現(xiàn)褐煤降解細(xì)菌惡臭假單胞菌Pseudomonas putida后，又發(fā)現(xiàn)一些芽孢桿菌，如Bacillus subtilis、Bacillus pumilus、Bacillu scereus也具有降解能力。此外，還有節(jié)細(xì)菌屬Arthrobacter sp．，多粘類芽孢桿菌Paenibacillus polymyxa，球紅假單胞菌Rhodopseudomonas spheroids[11，12]。真菌是降解煤的主要微生物，報(bào)道最多的是擔(dān)子菌中的Phanerochaete chrysosporium[13]。其他真菌有Trametes versicolor、Polyporus versicolor、Poria placenta、Coriouls versicolor、Paecilomyces Tli、Penicillium、Mucor、Aspergillus terricola、Aspergillus ochraceus、Cunning hamella sp．、Pleurotus florida、Pleurotus ostreatus、Pleurotus caju、Pleurotus eryngii、Trichoderm aviride、Stropharia sp．、Fusarium oxysporum、Ascomycota Hypocrea lixii[14]、Laetiporus sulphureus[15]、Golden Mushroom[16]、 酵母Canadida sp．也具有降解煤的能力。

除了傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)方法篩選褐煤降解微生物，也有研究者通過誘變育種和基因工程等方式來獲得高效褐煤降解菌，如Yuan等[17]通過對(duì)一株褐煤降解力強(qiáng)的Penicillium sp． P6進(jìn)行紫外及亞硝基胍誘變，明顯提高了該菌的降解能力；徐敬堯等[18]通過對(duì)黃孢原毛平革菌進(jìn)行原生質(zhì)體紫外誘變選育，獲得了高效的煤炭生物降解轉(zhuǎn)化菌株。

自然環(huán)境中物質(zhì)的降解是由多種微生物協(xié)同完成的，單一菌種不足以完全降解褐煤。因此從20世紀(jì)80年代開始，人們研究不同微生物間的協(xié)同降解作用，逐步形成了混合培養(yǎng)技術(shù)。但是目前的混合培養(yǎng)技術(shù)主要是利用純培養(yǎng)的菌株組合，而自然界中許多高效降解微生物無法通過純培養(yǎng)得到，因此直接從自然界篩選獲得菌群是近年來研究的熱點(diǎn)。Maka等[19]從褐煤中分離到2個(gè)低階煤降解菌群，經(jīng)鑒定發(fā)現(xiàn)主要組成為：細(xì)菌Bacillus subtilis、Bacillus pumilus、Bacillus scereus和真菌Aspergillus sp．，但褐煤降解率低，添加未經(jīng)化學(xué)法處理的褐煤，2個(gè)菌群在培養(yǎng)25天后，降解產(chǎn)物在425 nm處吸光值低于0．2；而Gao等[20]從低階煤儲(chǔ)量豐富的地區(qū)采集樣品，篩選到3組高效降解菌群，其中菌群MCSL-2含有2類細(xì)菌Bacillus lichenoformis和uncultured Stenotrophomonas，對(duì)未經(jīng)處理的新疆風(fēng)化煤降解25天后，產(chǎn)物在腐植酸特征吸收峰450 nm處吸光值高達(dá)30，經(jīng)過41天培養(yǎng)幾乎可以全部降解，且降解產(chǎn)物具有明顯的生物活性，推測這種高效降解可能是因?yàn)椴煌到饩置诘慕到饷赶甸g的互補(bǔ)作用。

雖然已報(bào)道的褐煤降解微生物種類繁多，但是大量的研究證明，同一降解菌對(duì)不同的低階煤降解效果差異很大，因此針對(duì)具體的褐煤資源選育相應(yīng)的高效降解菌株或菌群將是今后工作的一個(gè)重要方向。

3 微生物降解褐煤的機(jī)理

基于大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究者們提出微生物可能主要通過分泌到細(xì)胞外的堿性物質(zhì)、螯合劑和表面活性劑、生物酶等對(duì)褐煤進(jìn)行降解。

3.1 堿性物質(zhì)

Quigley等[9]首次發(fā)現(xiàn)微生物可通過分泌氨、生物胺、多肽及其衍生物等堿性物質(zhì)使褐煤發(fā)生脫質(zhì)子化，形成黑色液體。1988年Strandberg等[10]發(fā)現(xiàn)Streptomyces setonii 75Vi2可分泌一種對(duì)蛋白酶不敏感的小分子活性物質(zhì)來促進(jìn)煤溶解，進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)論。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)液的pH越高，煤的溶解量就會(huì)越高，而培養(yǎng)液pH的高低與其中多肽或多胺的含量有關(guān)[21]。Jiang等[22]發(fā)現(xiàn)具有較高褐煤降解能力的Bacillus sp． Y7會(huì)產(chǎn)生一種堿性物質(zhì)降解褐煤，該物質(zhì)耐高溫且對(duì)蛋白酶不敏感，具有蛋白類似結(jié)構(gòu)，其含有的νN-H、νC=O和δN-H是與褐煤降解相關(guān)的主要功能基團(tuán)。Gao等[20]也發(fā)現(xiàn)菌群MCSL-2降解風(fēng)化煤的主要因素是產(chǎn)生了堿性物質(zhì)。

3.2 螯合劑和表面活性劑

褐煤大分子結(jié)構(gòu)中含有由多價(jià)陽離子形成的鹽橋，微生物生長過程中產(chǎn)生的螯合劑與煤中的金屬離子結(jié)合，導(dǎo)致煤大分子結(jié)構(gòu)瓦解，從而實(shí)現(xiàn)煤的降解。1990年，Cohen和Feldmann[23]首次發(fā)現(xiàn)Trametes versicolor產(chǎn)生的螯合劑草酸胺參與了褐煤液化過程。Ralph[24]證實(shí)去除金屬離子后，褐煤的分子量明顯降低，進(jìn)一步從側(cè)面說明了螯合劑在微生物破壞褐煤結(jié)構(gòu)上的作用。

表面活性劑可以在不需要打斷煤共價(jià)鍵的情況下促進(jìn)許多極性物質(zhì)的溶解，幫助微生物降解褐煤。但是由于其不能打斷共價(jià)鍵，使得其單一作用時(shí)效果不佳[25]，所以表面活性劑主要通過提高相關(guān)降解酶的吸附來促進(jìn)褐煤的降解。Yin等[26]發(fā)現(xiàn)表面活性劑可以通過增加煤表面的親水性，促進(jìn)酶的吸附使其更好地發(fā)揮作用。Yuan等[17]發(fā)現(xiàn)Penicillium decumbens除產(chǎn)生堿性物質(zhì)外也可分泌表面活性劑類物質(zhì)溶解褐煤。

3.3 生物酶

褐煤含有類木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，堿及螯合劑和表面活性劑增加了煤的溶解性，增溶后的解聚作用需要生物酶，尤其是木質(zhì)素降解酶的參與[27]，其可以打斷煤分子的共價(jià)鍵，從根本上將大分子結(jié)構(gòu)降解，在腐植酸的解聚中起決定性作用。褐煤降解酶主要可以分為氧化酶和非氧化酶類[28]。氧化酶包括木素過氧化物酶(Lignin peroxidase，LiP)，錳過氧化物酶(Manganese peroxidase，MnP)和漆酶(Laccase)，非氧化酶主要為酯酶[29]，目前對(duì)氧化酶的研究較為深入。

3.3.1 木素過氧化物酶(LiP)

木素過氧化物酶是一類糖基化亞鐵血紅素蛋白酶，是唯一能直接氧化富含電子的非酚型芳香化合物的酶[30]。其對(duì)木質(zhì)素的降解需要H2O2的參與，具體步驟為LiP首先與H2O2反應(yīng)生成復(fù)合物I，然后復(fù)合物I失去一個(gè)電子形成復(fù)合物Ⅱ，最后回到含F(xiàn)e(III)的原始酶狀態(tài)，這樣酶催化循環(huán)得以維持。1989年Wondrack等[31]發(fā)現(xiàn)Phanerochaete chrysosporium產(chǎn)生的LiP經(jīng)初步純化后可以部分降解硝酸處理的褐煤和德國次煙煤中的煤炭聚合物。隨著研究的深入，還發(fā)現(xiàn)LiP可以對(duì)褐煤和被甲基化的堿溶性褐煤進(jìn)行脫色和解聚[32]。Yadav等[33，34]從Gloeophyllum sepiarium MTCC-1170和Lenzitus betulina MTCC-1183的培養(yǎng)液中純化到的LiP可以在H2O2存在的情況下降解褐煤。楊金水等[35]發(fā)現(xiàn)褐煤降解菌Penicillium decumbens P6會(huì)分泌LiP來降解褐煤。

3.3.2 錳過氧化物酶(MnP)

MnP的酶促反應(yīng)循環(huán)與LiP相似，包括原始酶、復(fù)合物I、復(fù)合物II的氧化還原狀態(tài)。但是與LiP不同的是MnP的還原反應(yīng)需要Mn的參與，Mn2+將復(fù)合物I和復(fù)合物II還原，自身被氧化成Mn3+。MnP最大的優(yōu)勢在于它的催化反應(yīng)是通過氧化還原中間體Mn(II)/Mn(III)進(jìn)行，它們可以在解聚反應(yīng)中再生。同時(shí)，由于它們足夠小可以很容易地進(jìn)入煤顆粒，而其他相對(duì)較大的酶分子卻不能直接進(jìn)入煤顆粒對(duì)煤進(jìn)行降解。

Hofrichter[36]首次發(fā)現(xiàn)Nematoloma frowardii b19的MnP粗提液可以將褐煤腐植酸類物質(zhì)解聚形成低分子量的黃腐酸，進(jìn)一步利用MnP解聚14C標(biāo)記的腐植酸類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)腐植酸類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子量的黃腐酸的同時(shí)，有相當(dāng)?shù)?4CO2釋放，證明MnP能直接降解腐植酸[37]。姜峰[38]發(fā)現(xiàn)Pseudomonas sp． G6產(chǎn)生的MnP可降解褐煤釋放水溶性腐植酸，進(jìn)一步將高分子量的腐植酸轉(zhuǎn)化成低分子量的黃腐酸；Gao等[20]發(fā)現(xiàn)菌群MCSL-2對(duì)褐煤的降解也有MnP參與。

3.3.3 漆酶(Laccase)

漆酶是一種含銅的多酚氧化酶，能夠非特異性催化多種芳香族化合物的氧化，同時(shí)將O2還原成水[39]。漆酶的催化中心包含4個(gè)順磁性的Cu2+，作用于酚、醛芳烴形成苯氧自由基，然后經(jīng)過非酶催化反應(yīng)，如自由基之間的聚合、歧化、水的親核攻擊等，最終導(dǎo)致烷基-苯基鍵的斷裂、Cα氧化或酚的去甲基化等[40]。

Cohen[41]于1987年首次提出漆酶是使褐煤降解的原因之一。之后有許多關(guān)于漆酶在褐煤降解中發(fā)揮作用的研究。褐煤來源的腐植酸可以誘導(dǎo)Bjerkandera adusta R59產(chǎn)生大量的漆酶[42]；Neosartorya fischeri ECCN 84可以產(chǎn)生氧化酶尤其是漆酶來降解褐煤供自身生長[43]；Wang等[44]從低階煤中分離到許多木質(zhì)素降解菌，并從菌中擴(kuò)增出漆酶類多銅氧化酶基因，均說明漆酶在褐煤降解中的作用。

3.3.4 酯酶

除了氧化酶，酯酶在褐煤降解中也發(fā)揮一定的作用。有研究表明，Trametes versicolor產(chǎn)生的酯酶和金屬螯合劑等對(duì)褐煤降解的貢獻(xiàn)比漆酶更大[23]。H?lker等發(fā)現(xiàn)14C標(biāo)記的褐煤經(jīng)過酯酶降解后，檢測到其中的酯鍵發(fā)生斷裂，表明酯酶可以降解褐煤[45]。馮建敏[46]對(duì)具有降解液化褐煤能力的2株真菌胞外酶活力進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)均表現(xiàn)出高酯酶活性，且純化后的酯酶可以液化褐煤，證明酯酶在褐煤液化中確實(shí)起到了重要作用。但酯酶分子較大，難以進(jìn)入致密的煤分子結(jié)構(gòu)中，且其催化過程沒有小分子物質(zhì)作為介質(zhì)，直接導(dǎo)致酯酶作用的空間障礙，所以酯酶的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步研究[45]。

1981年，F(xiàn)akoussa等[7]就發(fā)現(xiàn)褐煤降解有微生物產(chǎn)生的酶、堿性物質(zhì)、表面活性劑及螯合劑的作用，隨后Yuan等[17]也發(fā)現(xiàn)斜臥青霉Penicillium decumbens P6能同時(shí)分泌堿性物質(zhì)、表面活性劑和胞外酶來高效降解褐煤。Ghani等[25]表明煤降解機(jī)制涉及到氧化及非氧化酶、螯合劑、表面活性劑及堿性物質(zhì)。由此可見，微生物對(duì)褐煤的降解是單一機(jī)理為主，還是多種機(jī)理共同作用，還需要做針對(duì)性的研究。

4 微生物降解褐煤技術(shù)及降解產(chǎn)物——腐植酸的應(yīng)用

褐煤經(jīng)過微生物降解作用后，可以釋放其中的腐植酸，并在降解酶的作用下進(jìn)一步將大分子腐植酸解聚成分子量更小的物質(zhì)如黃腐酸。腐植酸含有多種活性官能團(tuán)，雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)[47]，但主要是礦源腐植酸，經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化褐煤得到的腐植酸的應(yīng)用報(bào)道很少。吳秀珍等[48]在玉米和白菜田間試驗(yàn)區(qū)施用真菌降解褐煤的產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)對(duì)玉米和白菜有明顯的增產(chǎn)作用，可部分改善作物品質(zhì)和土壤性質(zhì)；柳麗芬等[49]的試驗(yàn)結(jié)果也表明煤微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物可以使白菜增重高達(dá)對(duì)照的6倍。以上研究表明，微生物轉(zhuǎn)化褐煤的產(chǎn)物具有土壤調(diào)節(jié)劑及植物生長刺激素的應(yīng)用潛力。張明旭等[50]用煤微生物轉(zhuǎn)化的水溶性液態(tài)產(chǎn)物作添加劑制備水煤漿，與添加1%萘系添加劑的水煤漿相比，其各項(xiàng)指標(biāo)都較優(yōu)，價(jià)格也與萘系添加劑差不多，暗示其在工業(yè)生產(chǎn)中的利用價(jià)值。楊鑫[51]發(fā)現(xiàn)微生物降解褐煤得到的黃腐酸對(duì)二甲苯引起的小鼠耳廓腫脹有抑制作用，即具有抗氧化性和抗炎性，說明其可以應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)。

袁紅莉等[52]從1987年開始了微生物降解褐煤生產(chǎn)黃腐酸及高活性腐植酸的系統(tǒng)研究，經(jīng)過30年的持續(xù)努力，篩選出一批針對(duì)我國不同產(chǎn)地褐煤的高效降解菌，建立了利用組合菌進(jìn)行階段發(fā)酵降解褐煤生產(chǎn)腐植酸的工藝技術(shù)流程，該技術(shù)不使用任何化學(xué)試劑，產(chǎn)品多元化而且無廢棄物，實(shí)現(xiàn)了資源的全利用。對(duì)降解獲得的腐植酸類物質(zhì)的特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物分子量變小、含氮量增加、生物活性更高[53]。在多年的田間應(yīng)用示范工作中，發(fā)現(xiàn)該黃腐酸噴施或拌種可以顯著增加多種作物(西紅柿、黃瓜、西瓜、甜葉菊、玉米、大豆)的產(chǎn)量并改善品質(zhì)，如提高西紅柿中Vc及糖含量；通過調(diào)節(jié)甜葉菊糖合成基因及其內(nèi)生菌群落組成，明顯提高甜葉菊甜菊糖產(chǎn)量，同時(shí)顯著提高萊鮑迪苷A在總糖中的含量，改善甜菊糖口感，為甜葉菊糖苷作為食品添加劑的推廣應(yīng)用提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)[54]。在河北、河南、山東多地的大豆種植試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過噴施或根灌500 ppm的黃腐酸能顯著提高大豆結(jié)瘤率和固氮酶的活性，促進(jìn)大豆生長，并使大豆產(chǎn)量提高12．6%～26．3%。進(jìn)一步采用蛋白組學(xué)手段研究發(fā)現(xiàn)，黃腐酸可以加快大豆根瘤菌(Bradyrhizobium liaoningense CCBAU 05525)的代謝和營養(yǎng)的攝入，提高大豆根瘤菌的細(xì)胞密度以及誘導(dǎo)根瘤菌nod基因的表達(dá)，最終能夠促進(jìn)大豆的結(jié)瘤和固氮酶活[55，56]。

近30年來，我國化肥用量逐年攀升，雖然化肥的使用保證了農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)和穩(wěn)定發(fā)展，但我國單位作物播種面積平均施用量已達(dá)到國際公認(rèn)化肥施用安全上限的1．61倍[57]。尋求農(nóng)業(yè)綠色化生產(chǎn)方式已成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。在減少化肥用量的前提下，開發(fā)并利用腐植酸類多功能且環(huán)境友好的新型肥料將成為提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵[58，59]。目前，國內(nèi)外大公司紛紛開始關(guān)注腐植酸類植物生長調(diào)節(jié)劑的研發(fā)，微生物降解褐煤生產(chǎn)腐植酸技術(shù)具有極大優(yōu)勢，該技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展理念，且我國褐煤資源儲(chǔ)量巨大，不僅實(shí)現(xiàn)了褐煤資源的有效利用，增加其附加值，而且從農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展角度上助力實(shí)現(xiàn)“土肥和諧”。

5 展望

低階煤微生物降解轉(zhuǎn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低階煤資源的高效利用，降解產(chǎn)物也廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，前景十分廣闊，但是仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化來提高效率。優(yōu)化低階煤的微生物降解轉(zhuǎn)化可以從以下3個(gè)方面展開工作：(1) 選育降解效果顯著、適應(yīng)性廣的菌株(菌群)：可以通過傳統(tǒng)的分離篩選方法，及新型的誘變育種和基因工程手段獲得優(yōu)質(zhì)菌種；(2) 降解機(jī)制的進(jìn)一步完善：隨著分析技術(shù)和手段的不斷發(fā)展，復(fù)雜的煤結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步被解析，加速菌-煤之間的相互作用機(jī)制的研究，促進(jìn)降解轉(zhuǎn)化過程；(3) 降解產(chǎn)物的獲得、分析及應(yīng)用拓展：目前微生物降解褐煤的產(chǎn)物純化及分析技術(shù)仍不完備，相應(yīng)技術(shù)的不斷更新，有利于產(chǎn)物的分析，進(jìn)而開發(fā)更有價(jià)值的產(chǎn)物。

[ 1 ]Zech W., Senesi N., Guggenberger G., et al.. Factors controlling humification and mineralization of soil organic matter in the tropics[J]. Geoderma, 1997, 79(1～4): 117～161

[ 2 ]羅煜，張玉華，趙立欣，等． 生物腐植酸在低碳農(nóng)業(yè)中的地位與作用[J]． 腐植酸，2013，(1)：1～4，36

[ 3 ]尹立群． 我國褐煤資源及其利用前景[J]． 煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32(8)：12～14

[ 4 ]董洪峰，云增杰，曹勇飛． 我國褐煤的綜合利用途徑及前景展望[J]． 煤炭技術(shù)，2008，27(9)：122～124

[ 5 ]袁紅莉，楊金水，王風(fēng)芹，等． 不可再生能源物質(zhì)褐煤的生物可持續(xù)發(fā)展問題展望——微生物轉(zhuǎn)化與利用研究[J]． 世界科技研究與發(fā)展，2002，(3)：13～17

[ 6 ]劉瑩，趙杰，魏丹，等． 褐煤生物轉(zhuǎn)化高效菌株的研究及其發(fā)展前景[J]． 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，(12)：157～159

[ 7 ]Fakoussa R. M.. Investigation with microbial conversion of national coals[D]. PhD thesis. Friedrich-Wilhelms University , Bonn, 1981

[ 8 ]Cohen M. S., Gabriele P. D.. Degradation of coal by the fungi Polyporus versicolor and Poria monticolor[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1982, 44: 23～27

[ 9 ]Quigley D. R., Ward H. B., Crawford D. L., et al..Evidence that microbially produced alkaline materials are involved in coal biosolubilization[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1989, 20～21(1): 753～763

[ 10 ]Strandberg G. W., Lewis S. N.. Factors affecting coal solublization by bacterial Streptomyces setonii 75Vi2 and alkaline buffers[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1988, 18(1): 355～361

[ 11 ]尹艷． 多粘類芽孢桿菌對(duì)褐煤的降解轉(zhuǎn)化試驗(yàn)研究[J]． 煤炭加工與綜合利用，2013，(2)：50～52

[ 12 ]徐敬堯，張明旭． 球紅假單胞菌降解褐煤的條件研究[J]． 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，28(3)：46～51

[ 13 ]Elbeyl F. Y., Palantken A., Pkn S., et al.. Liquefaction/Solubilization of low-rank Turkish coals by whiterot fungus (Phanerochaete chrysosporium)[J].Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Eects, 2006, 28(11): 1063～1073

[ 14 ]姚菁華． 褐煤的微生物解聚研究[D]． 中國礦業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2014

[ 15 ]Sekhohola L. M., Igbinigie E. E., Cowan A. K..Biological degradation and solubilisation of coal[J].Biodegradation, 2013, 24(3): 305～18

[ 16 ]Du Y., Tao X. X., Shi K. Y., et al.. Degradation of lignite model compounds by the action of white rot fungi[J].Mining Science and Technology, 2010, 20(1): 76～81

[ 17 ]Yuan H. L., Yang J. S., Chen W. X.. Production of alkaline materials, surfactants and enzymes by Penicillium decumbens strain P6 in association with lignite degradation/solubilization[J]. Fuel, 2006,85(10～11): 1378～1382

[ 18 ]徐敬堯，張明旭． 黃孢原毛平革菌原生質(zhì)體的紫外誘變育種及對(duì)義馬褐煤的降解轉(zhuǎn)化[J]． 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，(4)：227～230

[ 19 ]Maka A., Srivastava V., Kllbane J., et al.. Biological solubilization of untreated north dakota lignite by a mixed bacterial and a mixed bacterial/fungal culture[J].Applied Biochemistry and Biotechnology, 1989,20～21(1): 715～729

[ 20 ]Gao T. G., Jiang F., Yang J. S., et al.. Biodegradation of leonardite by an alkali-producing bacterial community and characterization of the degraded products[J].Applied Microbiology and Biotechnology, 2012, 93(6):2581～2590

[ 21 ]Strandberg G. W., Lewis S.N.. Solubilization of coal by an extracellular product from Streptomyces setonii 75Vi2[J]. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 1987, 1(6): 371～375

[ 22 ]Jiang F, Li Z. H., Lv Z. W., et al.. The biosolubilization of lignite by Bacillus sp. Y7 and characterization of the soluble products[J]. Fuel, 2013, 103(12): 639～645

[ 23 ]Cohen M. S., Feldman K.A., Brown C.S., et al.. Isolation and identi fi cation of the coal-solubilizing agent produced by Trametes versicolor[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1990, 56(11): 3285～3291

[ 24 ]Ralph J. P., Catcheside D. E. A.. Action of aerobic microorganisms on the macromolecular fraction of lignite[J]. Fuel, 1993, 72(12): 1679～1686

[ 25 ]Ghani M. J., Rajoka M. I., Akhtar K.. Investigations in fungal solubilization of coal: Mechanisms and significance[J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering: BBE, 2015, 20(4): 634

[ 26 ]Yin S., Tao X., Shi K.. The role of surfactants in coal bio-solubilisation[J]. Fuel Processing Technology, 2011,92(8): 1554～1559

[ 27 ]Willmann G., Fakoussa R. M.. Biological bleaching of water-soluble coal macromolecules by a basidiomycete strain[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,1997, 47(2): 95～101

[ 28 ]Crawford D. L.. Microbial transformations of low rank coals [ M ]. CRC Press, 1992

[ 29 ]Kersten P., Cullen D.. Extracellular oxidative systems of the lignin-degrading basidiomycete Phanerochaete chrysosporium[J]. Fungal Genetics and Biology, 2007,44(2): 77～87

[ 30 ]Kersten P. J., Kalyanaraman B., Hammel K. E., et al..Comparison of lignin peroxidase, horseradish peroxidase and laccase in the oxidation of methoxybenzenes[J].Biochemical Journal, 1990, 268(2): 475～480

[ 31 ]Wondrack L., Szanto M., Wood W. A.. Depolymerization of water soluble coal polymer from subbituminous coal and lignite by lignin peroxidase[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1989, 20(1): 765～780

[ 32]Ralph J. P., Catcheside D. E.. Transformation of macromolecules from a brown coal by lignin peroxidase[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,1999, 52(1): 70～77

[ 33 ]Yadav M., Singh S. K., Yadava S.. Purification,characterisation and coal depolymerisation activity of lignin peroxidase from Lenzitus betulina MTCC-1183[J].Applied Biochemistry and Microbiology, 2012, 48(6):583～589

[ 34 ]Yadav M., Yadav P., Yadav K. D. S.. Purification,characterization, and coal depolymerizing activity of lignin peroxidase from Gloeophyllum sepiarium MTCC-1170[J].Biochemistry (Moscow), 2009, 74(10): 1125～1131

[ 35 ]楊金水，袁紅莉，陳文新． 斜臥青霉P6木素過氧化物酶的褐煤降解活性及cDNA克隆[J]． 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，41(6)：833～839

[ 36 ]Hofrichter M., Fritsche W.. Depolymerization of lowrank coal by extracellular fungal enzyme systems. III. In vitro depolymerization of coal humic acids by a crude preparation of manganese peroxidase from the whiterot fungus Nematoloma frowardii b19[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 1997, 47(5): 566～571

[ 37 ]Hofrichter M., Scheibner K., Schneegass I., et al..Enzymatic combustion of aromatic and aliphatic compounds by manganese peroxidase from Nematoloma frowardii[J]. Applied and Environmental Microbiology,1998, 64(2): 399～404

[ 38 ]姜峰． 細(xì)菌Bacillus sp． Y7和Pseudomonas sp． G6降解褐煤特性及降解產(chǎn)物性質(zhì)研究[D]． 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012

[ 39 ]Ruiz-Due?as F. J., Martínez á. T.. Microbial degradation of lignin: how a bulky recalcitrant polymer is efficiently recycled in nature and how we can take advantage of this[J]. Microbial Biotechnology, 2009, 2(2): 164～177

[ 40 ]Kirk T. K., Shimada M.. Lignin biodegradation: the microorganisms involved and the physiology and biochemistry of degradation by white-rot fungi[ M ]. In:Higuchi T(ed) Biosynthesis and biodegradation of wood components. Academic Press, Orlando, 1985, 579～605

[ 41 ]Cohen M. S.. Cell-free solubilization of coal by Polyporus versicolor[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1987, 53(12): 2840～2843

[ 42 ]Belcarz A., Ginalska G., Kornillowicz-Kowalska T..Extracellular enzyme activities of Bjerkandera adusta R59 soil strain, capable of daunomycin and humic acids degradation[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2005, 68(5): 686～694

[ 43 ]Sekhohola L. M., Isaacs M. L., Cowan A. K.. Fungal colonization and enzyme-mediated metabolism of waste coal by Neosartorya fischeri strain ECCN 84[J].Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2014,78(10): 1797～1802

[ 44 ]Wang L., Nie Y., Tang Y. Q., et al.. Diverse bacteria with lignin degrading potentials isolated from two ranks of coal[J]. Frontiers in Microbiology, 2016, (7): 1428

[ 45 ]H?lker U., Schmiers H., Grosse S., et al.. Solubilization of low-rank coal by Trichoderma atroviride: Evidence for the involvement of hydrolytic and oxidative enzymes by using14C-labelled lignite[J].Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology,2002, 28(4): 207～212

[ 46 ]馮建敏． 褐煤降解真菌酯酶的酶學(xué)特性研究[D]．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009

[ 47 ]閆淑霞，劉春花，梁巖． 腐殖酸的結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]． 天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2017，(3)：511～516

[ 48 ]吳秀珍，黃偉． 褐煤微生物降解產(chǎn)物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J]． 煤炭分析及利用，1994，(2)：43～45

[ 49 ]柳麗芬，陶俊紅． 煤微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物對(duì)色素微生物和蔬菜的刺激作用[J]． 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，(4)：435～438

[ 50 ]張明旭，歐澤深，王龍貴． 煤的生物溶解產(chǎn)物在制備水煤漿中的應(yīng)用[J]． 選煤技術(shù)，2007， (4)：30～32

[ 51 ]楊鑫． 褐煤的微生物降解及其黃腐酸特性的研究[D]．昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014

[ 52 ]袁紅莉，姜峰，高同國． 微生物降解褐煤產(chǎn)生黃腐酸的研究[J]． 腐植酸，2009，(5)：1～5

[ 53 ]高同國，姜峰，楊金水，等． 低階煤降解微生物菌群的分離及降解產(chǎn)生的黃腐酸特性研究[J]． 腐植酸，2011，(2)：6～10

[ 54 ]Yu X. J., Yang J. S., Wang E. T., et al.. Effects of growth stage and fulvic acid on the diversity and dynamics of endophytic bacterial community inS tevia rebaudiana Bertoni leaves[J]. Frontiers in Microbiology, 2015, 6:867～879

[ 55 ]高同國，姜峰，李召虎，等． 微生物降解褐煤產(chǎn)生的黃腐酸對(duì)玉米幼苗生長的影響[J]． 腐植酸，2009，(1)：14～18

[ 56 ]欒白，高同國，姜峰，等． 微生物降解褐煤產(chǎn)生的黃腐酸對(duì)大豆種子萌發(fā)及主要抗氧化酶活性的影響[J]． 腐植酸，2012，(2)：46

[ 57 ]尚杰，尹曉宇． 中國化肥面源污染現(xiàn)狀及其減量化研究[J]． 生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2016，32(5)：196～199

[ 58 ]楊福金． 腐植酸的分類、環(huán)境影響及在畜牧等行業(yè)上的應(yīng)用[J]． 養(yǎng)殖技術(shù)顧問，2013，(2)：206

[ 59 ]高亮，譚德星，翟奎林． 含腐植酸水溶肥料葉面噴施技術(shù)綜述[J]． 腐植酸，2017，(1)：15～21，27

Research on Microbial Degradation of Low-rank Coal and Application of Biodegradation Product Humic Acid

Wang Ruonan, Qiu Xiaoqian, Liu Liang, Yuan Hongli*, Chen Wenxin
(College of Biological Sciences, China Agricultural University, Beijing, 100193)

The reasonable application of humic acid is an important way to achieve the goal of decreasing chemical fertilizer in agriculture. It is a positive response for the new era of national green development called. Coals are formed by plant residues which undergo the decomposition and transformation by microorganisms under the certain geological conditions. The low-rank coals, characterized with low degree of coalif i cation and high content of ash and water, were easy to be transformed into soluble humic acid by microorganisms. This paper discussed the resources and signif i cances of humic acid, microbial resources and mechanisms of lignite degradation, and the application of humic acid in detail.Furthermore, the research and development trends of the microbial conversion of low-rank coals were prospected to provide references for the application of microbial degradation of lignite and the exploitation of mineral humic acid.

humic acid; lignite; microbial degradation; fulvic acid

TQ314.1，Q939.99

1671-9212(2017)06-0003-07

A

10.19451/j.cnki.issn1671-9212.2017.06.001

2017-06-05

王若楠，女，1992生，在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境微生物。*通訊作者：袁紅莉，女，教授/博士生導(dǎo)師，E-mail：hongliyuan@gmail.com。