論文作者：彭娟 楊驥 郭銳 賈金平 王亞林

摘要：回顧了生物法脫除煤中有機硫的生物研究歷史，綜述了脫有機硫菌種的法脫篩選、分離、除煤性質測定與鑒定等的中有展常用方法，同時闡述了近幾年來在分子生物學和酶學方面取得的機硫究進重大進展，并對一些處于研究階段的生物工藝進行了簡要介紹，最后提出了生物法脫除煤中有機硫現在所面臨的法脫主要問題，并對今后的除煤發展方向進行了展望。

關鍵詞：生物脫硫 煤 有機硫 二苯并噻吩

　　煤作為一種十分重要的中有展化石能源被廣泛使用。我國是機硫究進一個產煤大國，煤是生物我國的能源支柱。然而，法脫我國煤炭中高硫煤的除煤儲量很大，我國各大煤區煤田中含硫2.0%以上的中有展高硫煤中有機硫所占的比例如表1所示。在高硫煤中，機硫究進有機硫占煤層煤樣儲量全硫的34%~40%^[1]。燃煤也帶來了嚴重的污染。我國城市降水中SO₄^2-含量高于外國，酸雨現象十分嚴重^[2]。

　　表1  我國高硫煤中有機硫的分布^[1]

　　煤中的硫可分為無機硫和有機硫兩大類，無機硫的脫除已經非常成熟，而煤中有機硫主要以硫醇硫、硫醚硫和噻吩硫的形式存在，因其復雜的結構，尚無工業化的技術，它的脫除則是目前研究的重點^[3]。

　　煤中有機硫的脫除技術有主要有物理法、化學法及生物法三種。物理法對有機硫的脫除效率幾乎為零，化學法是目前應用的主要方法，但是很難分解其中的噻吩硫，而且在較強的反應條件下，煤的結構會被破壞，造成比較大的熱值損失。煤的生物脫硫是由生物濕法冶金技術發展而來的，它是利用微生物代謝過程中的氧化還原反應，在常壓低于100 ℃的生長條件下，達到脫硫的目的，因此能耗較低。生物法因其成本低，反應條件溫和，反應專一，且環境友好，已經得到廣泛的重視與研究。二苯并噻吩（Dibenzothiophene，DBT）是化石燃料中難降解有機硫化物的典型代表，因此常將其作為模型有機硫化物，以它作為唯一的硫源來篩選富集具有脫除煤中有機硫能力的微生物。

　　1  微生物脫除煤中有機硫的歷史進展

　　1950年第一件石油生物脫硫專利^[4]在美國公布，生物法脫硫技術的研究自此以后廣泛地開展起來。生物法脫除煤中有機硫的研究可追溯到20世紀70年代末，Chandra等^[5]于1979年首次報道有一種異養細菌可在二苯并噻吩（DBT）基質上生長，并在30 ℃下培養10 d后可除去20%的有機硫。1988年美國國家氣體研究院（Institute of Gas Technology，IGT）分離出可選擇性脫除DBT中硫的紫紅紅球菌 Rhodococcus rhodochrousIGTS8（ATCC53968）并申請了專利，這一專利于1990年被美國能源生物公司（ENBC）買斷。IGTS8后來被發現能專一性地切除DBT的C—S鍵并將其最終轉化為2-羥基聯苯（2-hydroxybiphenyl，2-HBP），此后許多實驗室都以DBT為唯一硫源分離具有降解DBT能力的菌株，研究分離的菌株有假單胞菌（Pseudomonassp.）、紅球菌（Rhodococcussp.）、棒桿菌（Corynebacteriumsp.）、短桿菌（Brevibacteriumsp.）和分支桿菌（Mycobacteriumsp.）等。

　　目前通常認為，微生物脫除DBT中有機硫有兩種途徑：

　　（1）以碳代謝為目的的Kodama途徑，切除DBT中的C—C鍵，導致一個苯環發生斷裂或羥基化形成水溶性化合物，或是硫原子被氧化，但噻吩核不變，有機硫并沒有被脫除。被認為走這條途徑的微生物有門多隆假單胞菌（Pseudomonas  mendocas）^[6]，爭論產堿生物變型（Alcaligenes paradoxus biovarI）^[6]，產堿假單胞菌（Pseudomonas alkaligenes），司徒茨氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeris）和惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）^[7]等。

　　或是微生物能以DBT為碳源和硫源生長，通過消耗環烷烴使DBT降解，硫原子最終被轉化為SO₄^2-，但這樣也導致了煤的熱值下降較大。通常認為走這條途徑的微生物有短桿菌（Brevibacteriumsp. DO）、嗜酸熱硫化葉菌（Sulfobus acidocaldarius）和類諾卡氏菌（Nocardioidesp.）等^[8]。

　　（2）特異性斷裂C—S鍵，走4S途徑（圖1），DBT的降解產物為2-HBP，煤的熱值下降小。代表性的菌株就是紫紅紅球菌 Rhodococcus rhodochrousIGTS8。報道的其他菌株還有紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）^[9~11]、棒桿菌（Corynebacteriumsp.）^[12~15]和分支桿菌（Mycobacterium sp.）^[16~18]、類芽孢桿菌（Paenibacillussp.）^[19,20]等。

　　微生物要成功有效地脫除煤中的有機硫，首要的是它必須在高硫的條件下能正常生長，其次它需要有專一性切除C—S鍵的能力，這樣煤的熱值損失才會最小，不過所有這些的前提是煤中的有機硫必須具有可生化性。降解DBT走4S途徑的細菌為煤中有機硫的脫除提供了很好的研究價值。

　　圖1  微生物降解DBT的“4S”途徑 (Gray, 1996)

　　2  脫有機硫菌種的分離與性質測定

　　現已研究報道的通過4S途徑特異性地脫除DBT中有機硫的菌株已有不少，其分離純化的方法已經比較完善，自成體系。總結下來，大致有分為以下幾步：

　　（1）取樣點的選擇。一般挑選煤場附近土壤、礦井水或一些焦化廠的生化池作為取樣點，這些地方聚集有脫硫能力細菌的可能性最大，篩選出的細菌在有機硫基質上生存的能力也比較強。

　　（2）菌種的篩選與分離純化。可以采用模型有機硫化合物，如DBT，為主要硫源來配備培養基，在一定條件下培養樣品，目前主要是采用這種方法；也可以直接將樣品與煤樣、基質混合，培養一段時間后分離菌種。

　　（3）菌種脫有機硫途徑的研究。一般采用DBT作為主要硫源，采用乙醚^[6]、二氯甲烷^[21]、正己烷或乙酸乙酯^[22,23]等萃取代謝產物，通過紫外分光光度計^[6,13]、GC-MS、HPLC^[13]和NMR^[20]等方法分析代謝產物的組成成分，推測菌種可能的脫硫途徑。

　　（4）脫硫活力的測定。可以通過監測DBT單位時間的降解量和降解最終產物2-HBP和SO₄^2-（文獻[24]報道，有些菌會同化SO₄^2-，這將導致硫仍留在煤中）單位時間的生成量來測定該菌株的脫硫活力。同時也可以結合菌的生長量來分析菌種的穩定性和生長動力學。

　　（5）煤樣脫硫實驗。將菌種接種到煤中，同時添加適量的營養鹽，培養一段時間后，觀察煤中總硫和有機硫的去除^[6]。

　　（6）菌種的鑒定。主要是研究菌種的生理生化特性和16S rDNA的同源性等^[23,25]，這里不再贅述。

　　盡管有很多實驗室篩選出了能夠走4S途徑降解DBT的細菌，他們接下來的工作則有很大差別。有的致力于研究4S途徑關鍵酶系表達的基因調控等方面的分子生物學及酶學研究，有的研究細菌脫硫的傳質過程，有的專注于有高效脫硫能力的基因工程菌的開發，也有的將脫硫菌運用于實際脫硫工藝的研究。