废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理.pdf

废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理郭红玉1,2，宋博1，邓泽3，夏大平4，徐强5，陈林勇6(1.河南理工大学能源科学与工程学院,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454000；3.中国石油勘探开发研究院,北京100000；4.河南理工大学资源环境学院,河南焦作454000；5.中国煤炭地质总局勘查研究总院,北京100039；6.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城048012)摘要：为提高褐煤转化生物甲烷的效率，探讨废弃油脂与褐煤混合发酵的产气效果，采用 NMR碳谱、三维荧光及宏转录组学分析转化效率变化的的内在机理，研究结果表明，废弃油脂的添加促进褐煤的累计甲烷产量增加了 3.89 倍，单位甲烷产量达到 31.2mL。褐煤中脂肪族碳相对含量降低 11.4%，类富里酸酚羟基、酮羰基、羰基等基团含量增加明显。同时微生物菌群高峰期时活性产甲烷古菌例如 Methanothrix,Methanoculleus 占比增长 50%以上。糖苷水解酶、脂肪酰辅酶 A脱氢酶等与碳水化合物及脂肪酸降解相关的酶丰度增加明显。废弃油脂添加使乙酸及 CO2转化甲烷途径分别占比 59.2%、40.4%，甲酰甲烷呋喃脱氢酶以及乙酸激酶等功能性酶也得到提升，促进了生物甲烷的转化。褐煤中脂碳率降低表明了在厌氧发酵中微生物菌群更易与褐煤中碳骨架大分子结构中脂甲基碳、芳香甲基碳、亚甲基及甲氧基等发生生物化学反应转化甲烷。高峰期厌氧发酵液相中生物可降解有机分子含量增加，其来源于微生物作用在褐煤有机质中致使微生物发生生物化学反应产生酚羟基、酮羰基等易于合成甲烷的小分子物质。废弃油脂添加可显著改变微生物群落组成，使其基因功能表达改善，促进甲烷的生成。研究结果为提高褐煤的生物气化率和废弃油脂清洁转化提供了参考。关键词：褐煤；废弃油脂；生物甲烷；碳骨架大分子结构；可溶性有机质；代谢途径中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：02539993(2023)06243110Effect and mechanism of biomethane conversion from lignite promoted by waste oilGUOHongyu1,2,SONGBo1,DENGZe3,XIADaping4,XUQiang5,CHENLinyong6(1.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;2.Collaborative Innovation Center of Coal WorkSafety and Clean High Efficiency Utilization,Jiaozuo454000,China;3.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing100000,China;4.Institute of Resources&Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;5.General Prospecting Institute of ChinaNational Administration of Coal Geology,Beijing100039,China;6.State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining,Jincheng048012,China)Abstract:Inordertoimprovetheconversionefficiencyoflignitetobiomethane,thegasproductioneffectofmixedfer-mentationofwasteoilandlignitewasdiscussedinthispaper.NMRcarbonspectroscopy,three-dimensionalfluorescenceandmacrotranscriptomicswereusedtoanalyzetheinternalmechanismoftransformationefficiencychanges.Thestudyshowedthattheadditionofwasteoilincreasedthecumulativemethaneyieldofligniteby3.89times,andtheunitmeth-aneyieldreached31.2mL.Thepercentageofaliphaticcarboninlignitedecreasedby11.4%,andthecontentoffulvicacid收稿日期：20221228修回日期：20230418责任编辑：韩晋平DOI：10.13225/ki.jccs.BE22.1838基金项目：国家自然科学基金资助项目(42172195)；河南省杰出青年科学基金资助项目(222300420008)；中石油“十四五”前瞻性基础性重大科技资助项目(2021DJ2302)作者简介：郭红玉(1978)，男，河南遂平人，教授，博士生导师。E-mail:通讯作者：邓泽(1982)，男，山西运城人，高级工程师，硕士。E-mail:引用格式：郭红玉，宋博，邓泽，等.废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理J.煤炭学报，2023，48(6)：24312440.GUOHongyu，SONGBo，DENGZe，etal.Effectandmechanismofbiomethaneconversionfromlignitepro-motedbywasteoilJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(6)：24312440.第48卷第6期煤炭学报Vol.48No.62023年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJun.2023likephenolhydroxyl,ketonecarbonyl,carbonylandothergroupsincreasedsignificantly.Atthesametime,theproportionofactivemethanogenicarchaeasuchasMetanothrixandMetanoculleusincreasedbymorethan50%atthepeakofmicro-bialflora.Glycosidehydrolase,fattyacylcoenzymeAdehydrogenaseandotherenzymesrelatedtocarbohydrateandfattyaciddegradationincreasedsignificantly.Withtheadditionofwasteoil,theconversionofaceticacidandCO2tomethaneaccountedfor59.2%and40.4%,respectively.Functionalenzymessuchasformylmethanefurandehydrogenaseandacet-icacidkinasewerealsoimproved,promotingtheconversionofbiomethane.Theadditionofwasteoilcansignificantlypromotetheproductionofbiomethanefromlignite,whichprovidesapracticalsolutiontotheproblemoflowgasproduc-tionfromsingleligniteanaerobicfermentation.Thereductionoffatcarbonrateinligniteindicatesthatmicrobialfloraismorelikelytoreactwithaliphaticmethylcarbon,aromaticmethylcarbon,methyleneandmethoxyinthecarbonskeletonmacromolecularstructureofligniteinanaerobicfermentationtoconvertmethane.Theanalysisresultsofliquidcompon-entsshowthatthecontentofbiodegradableorganicmoleculesincreases,whichcomesfromthefunctiongroupsheddingofligniteduetotheactionofmicroorganismsandthebiochemicalreactionofmicroorganisms.Theadditionofwasteoilcansignificantlychangethecompositionofmicrobialcommunity,improveitsgenefunctionexpression,andpromotethegenerationofmethane.Key words:lignite；wasteoil；biomethane；carbonskeletonmacromolecularstructure；solubleorganicmatter；metabol-icpathway煤炭是当前世界化石能源的主要构成部分，在经济发展中占据着重要地位1。目前面对日益严重的气候变暖及环境污染问题，化石能源的清洁转化迫在眉睫2。煤的生物气化是实现煤的清洁利用和节能减排的重要途径，通过微生物菌群将煤中大分子有机质经过特定菌群进行水解、酸化、及产氢产乙酸阶段，生成高效清洁能源35。一些学者利用本源或外源菌群进行煤制生物甲烷的厌氧发酵研究，以便获取更加清洁高效能源6。由于煤结构较为复杂，微生物菌群难以降解和转化，从而导致煤制生物甲烷的产量较低，成本较高7。部分学者通过添加微生物菌群所缺少的底物，诸如家禽粪便、秸秆等不同底物与煤进行协同发酵促进生物甲烷的生成89。废弃油脂作为一种常见的生活废弃资源，长期堆积的废弃油脂容易造成地下管道堵塞、在生活废弃液体处理也存在难以分离、利用等困难1012。废弃油脂的处理一般包括随着餐厨垃圾进行填埋、焚烧、以及堆肥等方式，容易对环境造成严重伤害。然而油脂中脂肪酸在厌氧发酵过程中相比蛋白质和碳水化合物更易进行生物甲烷的生成，因而可以选取废弃油脂与煤炭进行联合厌氧发酵1314。在厌氧发酵过程中合适的底物、液相物质组成以及微生物菌群的多样性均影响着厌氧发酵系统中甲烷的生成1516。煤体中含碳官能团做为参与甲烷生成的重要物质，其含量变化与液相有机质及微生物种类密不可分17。目前有学者发现通过微生物的降解发现含碳官能团中甲醇、甲氧基碳参与着甲烷的合成1819。煤体中直链、支链烷烃以及苯酚类脱落进入发酵液，进一步发生生物化学反应20。碳骨架大分子结构、可溶性有机质含量以及微生物基因功能表达影响着厌氧发酵生物甲烷的产生。笔者采用废弃油脂与褐煤进行联合厌氧发酵，查明在厌氧发酵过程中废弃油脂的添加对褐煤的生物产气量影响。同时采用NMR 碳谱分析技术，三维荧光测试技术以及宏转录组学厘清废弃油脂的添加对煤体碳元素结构、可溶性有机质的影响以及微生物菌群组成、甲烷代谢途径功能差异影响。1实验材料与方法1.1样品采集和制备煤样选自内蒙古霍林河褐煤，粉碎煤样并选取粒径为 6080 目(0.2500.178mm)作为实验样品，选取家庭油烟机收集的废弃油脂作为实验样品，工业和元素分析分别依据 GB/T2122008 和 GB/T313912015 进行，结果见表 1。微生物菌群来源以及富集驯化见文献 6。1.2实验仪器及测试方法(1)生物产气实验。实验组首先在 500mL 锥形瓶中分别加入 20g 褐煤，称取 1.2g 废弃油脂与煤样进行混合。对照组分别选用 20g 褐煤以及 1.2g 废弃油脂单独加入 500mL 锥形瓶中。将 500mL 微生物菌液添加到锥形瓶中，用 N2冲洗反应瓶，以达到厌氧环境，将锥形瓶进行密封处理并置于恒温培养箱中(351)进行恒温培养。采用集气袋收集气体并每日进行记录分析，整个实验过程在没有气体产生时结束。气体组分使用气相色谱仪(Agilent7890GC)进2432煤炭学报2023年第48卷行气体检测。用 1.0mL 微量进样器抽取集气袋中的气体，快速注入气相色谱毛细管进样器中进行测定，根据制作标线时出峰时间，记录不同气体组分的峰面积及其体积分数，用相同的方法测定 3 次，取平均值进行记录。(2)核磁共振分析。样品选用厌氧发酵前后固相物质进行分析，对混合厌氧发酵与单一褐煤厌氧发酵后褐煤残渣核磁共振碳谱差异比较，采用JNMECZ600R型核磁共振仪对固相物质的13C谱图进行扫描，进行煤样碳大分子骨架表征。采用固体双共振探头，外径为 6mm的 ZrO2转子，魔角转速为 67kHz，13C检测核的共振频率为 75.43MHz，采样时间 0.05s，脉宽4.2s，循环延迟时间 4s，扫描 20004000次。(3)三维荧光测试。三维荧光测试采用日立F7000 荧光分光光度计测定。以 150W 氙灯为光源，光电倍增管电压为 700V，激发和发射狭缝宽度均为10nm，扫描速度为 1200nm/min，激发光波长范围及步长分别为 200420nm 和 5nm，发射光波长范围及步长分别为 240600nm 和 2nm，测试样本选用产气高峰期溶液，采用 0.45m 微孔滤膜抽滤，并避光保存于 4 冰箱，保存备用。在对三维荧光进行解析前，先将瑞利散射上方的光潜数据置零，以消除瑞利散射的影响；再以超纯水(MIi-Q)作为空白组，以去除拉曼散射的影响，从而提高荧光光谱解析效率。(4)转录组测序分析。样品提取自厌氧发酵高峰期液相物质，样本提取采用 10%SDS 在 37 孵育，按照每个样 60100L 洗脱液分装至 2.0mLEP 管中并在 95 孵育，后续加入酚、氯仿、异戊醇等物质进行离心收集 RNA 溶液、建库测序。通过测序数据质控、获得 CleanData 的同时进行采用 IDBA_tran 进行宏转录组 Denovo 组装，测试及数据处理均由华大基因公司完成。2实验结果与分析2.1厌氧发酵产气实验结果废弃油脂与煤样配比比例、累计产气总量、累计甲烷产量以及甲烷体积分数见表 2。不同底物产气总量及甲烷产量结果如图 1 所示。单一油脂及褐煤在厌氧发酵过程中产气量较少，而废弃油脂添加入褐煤厌氧发酵体系中时促使累计生物总产气量和甲烷产量呈增加趋势。废弃油脂与煤单独进行厌氧发酵时累计生物甲烷之和低于废弃油脂与煤混合厌氧发酵累计生物甲烷产量，褐煤与废弃油脂混合底物(HML)比单褐煤底物(HM)与单油脂底物(L)之和增加447mL 生物甲烷。相比于未添加废弃油脂，HML 的单位甲烷产量达到了 31.2mL，是未添加废弃油脂的8.4 倍。废弃油脂的添加能够很好的促进煤制生物甲烷转化过程，混合底物的生物甲烷产量增加明显。表 2 不同底物厌氧发酵产气结果Table 2 Results of anaerobic fermentation with different substrates编号褐煤添加量/g废弃油脂添加量/g累计产气总量/mL累计甲烷产量/mL扣除空白后单位产气量/(mLg1)空白组002412312812L01.22831814013100.8HM20037221203173.70.8HML201.21123427902431.21.12.2不同底物发酵后碳骨架变化特征选取单褐煤 HM 和混合底物 HML 厌氧发酵后残煤进行13CNMR 分析碳骨架变化特征。由表 3 可以看出，在 HM 厌氧发酵后残煤的脂肪族碳、芳香族碳相对含量分别占比为 49.81%、40.71%。而 HML厌氧发酵后残煤的脂肪族碳、芳香族碳相对含量分别占比为 33.48%、51.41%，脂肪族碳相对含量降低16.33%，而芳香碳相对含量提高 10.70%。对比 HM表 1 样品工业分析与元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples%编号样品来源工业分析Ro,max元素分析MadAadVadFCadCdafHdafOdafNdafSdafHM褐煤12.0113.0134.7640.230.5670.409.2418.001.361.00L废弃脂类0.63099.37075.529.8713.620.110.49注：Ro,max为最大镜质组反射率。第6期郭红玉等：废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理2433与 HML 厌氧发酵后残煤的羧基、羰基碳相对含量从 9.40%增加到 15.08%，增加了 5.68%。由图 2 可知，厌氧发酵后芳碳峰中相对含量变化较小，脂肪碳相对含量变化较大，而羧基碳、羰基碳相对含量增加。由于芳香碳其结构稳定，微生物难以进行降解和转化，但脂肪碳在发酵产气过程中受到明显生物降解，从而导致芳香碳含量相对含量增加，其中属于端链的脂甲基碳、亚甲基、次甲基以及甲氧基等脱落，甚至转化为含氧官能团，而这些有机质是厌氧发酵转化生物甲烷所必需的重要中间产物21-22。综上所述，废弃油脂的添加能够促进褐煤结构中脂肪碳发生降解。2.3厌氧发酵的液相产物分析在煤的生物甲烷代谢过程中，液相含有的溶解性有机质是一种富含芳香性和脂质类、分子量非均匀的混合物，含有羟基、羧基、羰基等活性基团，是参与生物化学过程最终转化甲烷的关键小分子有机质23-24。利用三维荧光技术对高峰期混合油液中的物质进行荧光检测，划分酪氨酸/色氨酸、酪氨酸/色氨酸蛋白、黄腐酸、多环芳烃、腐殖酸和多糖 5 个区域25，并将类富里酸、类胡敏酸、低激发色氨酸类、高激发色氨1 2001 000800600HMLHML 累计甲烷产量HML 累计产气量HMLHMHM 累计产气量HM 累计甲烷产量HM累计产气量、累计甲烷产量/mL4002000LL 累计甲烷产量L 累计产气量L图1不同底物样品产气总量及甲烷总产量Fig.1Plotoftotalgasproductionandmethaneproductionfromdifferentsubstratesamples表 3 发酵后残煤的13CNMR 拟合结果分析Table 3 Analysis of 13CNMR fitting results of fermented residual coal化学位移归属HM碳的归属/%HML碳的归属/%HM相对面积/%HML相对面积/%1416脂族终端甲基碳脂肪族碳49.81脂肪族碳33.487.833.461622芳香族甲基碳21.773.622236脂肪族亚甲基碳8.0315.293650次甲基和季碳4.462.685090氧接脂肪族碳7.728.43100129质子化芳香碳芳香族碳40.71芳香族碳51.4119.155.66129137桥接芳香碳12.4133.44137148脂肪族取代碳6.3210.13148165氧接芳香碳2.832.18165180羧基碳羧基、羰基碳9.40羧基、羰基碳15.084.4811.40180220羰基碳4.923.68(a)单褐煤 HM 发酵后残煤脂碳峰芳碳峰羧基、羰基碳峰050100150200化学位移(b)混合底物 HML 发酵后残煤脂碳峰芳碳峰羧基、羰基碳峰050100150200化学位移图213CNMR 图谱分析Fig.213CNMRanalysis2434煤炭学报2023年第48卷酸类、低激发酪氨酸类、高激发酪氨酸类(峰 A、C、S、T、D、B)标注如图 3 所示。荧光指数 Fluorescencein-dex(FI)可作为物质来源指标，其端源值在 1.4 和 1.9分别表示外源(陆源)和内源(生物源)产生，由表 4 可知，HM 与 HML 荧光强度均接近 1.9，高峰期液相中可溶性有机质由生物产生，微生物活动频繁。200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420激发波长EX/nm250300350400450500550600发射波长EM/nm0100200300400500600ATBCSD：酪氨酸/色氨酸：酪氨酸/色氨酸蛋白：黄腐酸：多环芳烃：腐殖酸和多糖(a)HM200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420激发波长EX/nm250300350400450500550600发射波长EM/nm荧光强度荧光强度01002003004005001 000600700800900ATBCSD：酪氨酸/色氨酸：酪氨酸/色氨酸蛋白：黄腐酸：多环芳烃：腐殖酸和多糖(b)HML图3基于三维荧光分析的荧光激发发射矩阵Fig.3Fluorescenceexcitationemissionmatrixbasedonthree-di-mensionalfluorescenceanalysis表 4 不同底物的 DOM 荧光指数Table 4 DOM fluorescence index of different substrates样品HMHMLf450139.01120.11f50051.2956.46FI(f450/f500)2.262.12注：f450、f500分别为激发波长EX为370nm时，发射波长EM在450nm与500nm处的荧光强度。由图 3 可看出，混合底物 HML 厌氧发酵后液相中荧光强度大幅增加，可溶性有机质含量增加明显。酪氨酸等类蛋白有机物(区域)、色氨酸、苯甲酸、苯乙酸(区域)、紫外区类富里酸、酚类、醌类(区域)荧光强度及含量高于单褐煤 HM。生物代谢产物的荧光产生，如蛋白、辅酶、小分子有机酸、色素等(区域)、可见光区类富里酸、胡敏酸、多环芳烃等分子量较大、芳构化程度较高的有机物(区域)在HML 中含量丰度优于 HM，结合产气情况而言，混合厌氧发酵促使液相微生物生物化学代谢活跃，从而微生物代谢产物增多。HML 的类富里酸(峰 A)含量明显比 HM 多，累计生物甲烷产量与类富里酸呈现正相关趋势，其原因在于类富里酸含有的酚羟基、酮羰基、羰基等基团与微生物代谢密切相关。色氨酸(峰T)、络氨酸(峰 B)分别作为易被微生物降解的有机物在 HML 中荧光强度表现明显，这为生物甲烷转化途径提供了良好的小分子底物，产甲烷途径变得更加活跃。2.4菌群活性与功能基因分析2.4.1生物菌群组成对比厌氧发酵过程中高峰期液相中微生物物种较为活跃，其所表现的差异性也最为明显。选取 HML 以及对照组 HM 高峰期液相进行宏转录组分析，物种组成如图 4 所示。产甲烷菌群作为厌氧菌群，较多集中在古菌群中，HML 中古菌占比达到 64.3%，而在 HM中占比 14.7%，HML 古菌组成占比相比 HM 提高了49.6%。分别分析属水平中 HM、HML 中 TOP10 细菌、古菌组成以及占比。Proteiniphilum,Pseudomo-nas 在微生物中占比达到了 30%，是细菌组成的主要微生物。Proteiniphilum 在 HM、HML 中占比相差无几。Proteiniphilum 作为蛋白水解菌株，以酵母提取物、蛋白胨、丙酮酸、甘氨酸和 l精氨酸作为碳源转化为乙酸和 CO2，乙酸和 CO2为甲烷合成途径中重要的底物26-27。Pseudomonas 在 HM 中约为 HML 的 3 倍，Pseudomonas 具有丰富的代谢多样性，部分研究中使用 Pseudomonas 进行苯乙烯、TNT 以及多环芳烃等污染物的降解28-29，其原因可能在于高峰期中 HM 中含有大量芳香烃类物质从而导致 Pseudomonas 的增长。Acinetobacter 广泛存在于 HML 中，Acinetobac-ter 多用于降解烃类，易于降解烷烃、环烷烃，对于芳香烃降解比较困难30。HML 在前 10 中古菌中组成占比普遍高于 HM，古菌主要以 Methanothrix 为主，Methanothrix 在 HML 中占比约 60%，在 HM 中占比约 15%。Methanothrix 主要以分解乙酸和 CO2转化甲烷为主，不利用甲酸盐、甲基等进行转化。Proteini-philum 能够为 Methanothrix 提供充足的底物进行生物甲烷的转化，而一些其他古菌如 Methanoculleus 等利用甲酸盐、甲基、CO2等产生甲烷，共同促进了生物甲烷的产生。综上所述，HML 中微生物菌数远高于HM，废弃油脂的添加促进了厌氧发酵体系中古菌的占比，使得整个发酵系统能够更好的进行生物甲烷的转化。第6期郭红玉等：废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理24352.4.2有机化合物代谢对比基于碳水化合物(CAZy)数据库对 HML、HM进行碳水化合物酶及差异基因功能注释对比分析(图 5)。在碳水化合物酶中 HML 的 GlycosylTrans-ferases(GTs),GlycosideHydrolases(GHs)以及 Carbo-hydrate-Binding Modules(CBMs)相 比 于 HM 提 升100.03%、96%、136%。GTs 部分从活化的供体分子转移到特定的受体分子，形成糖苷键31。GHs 为一类广泛存在的酶，可水解 2 种或多种碳水化合物之间或碳水化合物与非碳水化合物部分之间的糖苷键。CBMs 具有碳水化合物结合活性的离散折叠的碳水化合物活性酶内的连续氨基酸序列，是纤维素及碳水化合物的结合域。这些酶类的增多持续推进着整个碳水化合物的代谢过程。HML 的糖苷水解酶 1 家族(GH1)是 HM 的 7.9 倍，占比达到了 85%。GH1 中部分 葡萄糖苷酶是纤维素分解酶系中的重要组成成分，能够水解结合于末端非还原性的 D葡萄糖键，同时释放出 D葡萄糖和相应的配基32。碳水化合物结合模块 13 家族(CBM13)属于小分子糖结合型，只结合单糖、寡糖或者多糖末端糖基，结合位点更加0012细菌占比/%细菌占比/%30306090SphaerochaetaPetrimonasAcinetobacterMesotogaWolinellaClostridiumAminobacteriumAcinetobacterPseudomonasProteiniphilum35010152069细菌总数/104细菌总数/105(a)细菌总数及比例12BacteriaTOP10HMHML0040.2古菌占比/%古菌占比/%0.4024050100MethanococcusMethanothermobacterMethanosphaerulaMethanofollisMethanoregulaMethanomethylovoransMethanobacteriumMethanosarcinaMethanoculleusMethanothrix88401216301806002403003601216古菌总数/103古菌总数/103(b)古菌总数及比例20ArchaeaTOP10HMHML图4不同底物的菌群结构对比Fig.4Comparisondiagramofbacterialgroupstructureofdifferentsubstrates2436煤炭学报2023年第48卷集中。在厌氧发酵高峰期中，推测 HML 液相中存在较多小分子糖类，微生物可能作用于煤炭结构进行降解以及转化33。HML 在碳水化合物酶优于 HM，碳水化合物酶中多结合单糖、寡糖等小分子结构，废弃油脂的添加较好的促进了碳水化合物的代谢。在脂类代谢过程中脂肪酸的降解主要是通过 氧化进行(图 5(b)，乙酰辅酶 A 氧化酶(K00232)、脂肪酰辅酶 A 脱氢酶(K00249、K06445)等是 氧化的首要步骤34-35，HML 比 HM 增加了 13 倍。烯酰辅酶A水合酶及脱氢酶(K01692、K07511、K13767 等),3羟基丁酰辅酶A异构酶(K01825、K01782 等)使得、烯脂酰 CoA 加水生成 羟脂酰 CoA、以及继续脱氢生成 酮脂酰 CoA。在水合及再脱氢的过程中HML 含量相比 HM 提高了 4 倍以上。乙酰辅酶A酰基转移酶(K00632、K07508 等)分布在过氧化物酶体中，做为 氧化途径最后一步参与着脂肪酸的延伸和降解，将 酮脂酰 CoA 催化产生乙酰 CoA。2.4.3生物甲烷代谢途径分析表 5 及图 6 总结了甲烷代谢过程中 HML 及HM 的代谢通路差异性。在甲烷代谢途径中，以乙酸以及二氧化碳转化途径为主，这与图 3 物种分析中菌群结构分析古菌功能AAsGTsGHs CBMs PLsCEsTotal17 177.4050 000100 000基因丰度/CPM150 000200 000250 00076 941.4103 867.130 923.46 185.9221 479.4245 919.1AAsGTsGHsCBMsPLsCEsHMHML3 561.66 872.179 757.999 940.242 159.512.0K00232K01692K07511K07516K13767K00022K01825K00632K07508K07509K07513K01782K07814K07515K10527K00249K00255K06445K09479HMLHM495.81 CPM104.88 CPM585.52 CPM130.08 CPM73.02 CPM115.24 CPM M00087beta-Oxidation(a)碳水化合物酶(b)脂肪酸代谢图5有机化合物代谢对比Fig.5Comparisonoforganiccompoundmetabolism表 5 甲烷代谢途径分析Table 5 Methane metabolic pathway analysisCPM代谢途径代谢通路基因丰度HMHMLM00567二氧化碳甲烷K002001.7346.02K002016.55101.89K002020.5630.56K002035.73135.71K112615.2033.58K002051.7539.18K112604.0774.05K006722.7422.63K014993.6945.98K003190.5663.51K003201.85145.24M00357乙酸甲烷K0092561.20100.32K0062517.7364.50K01895250.941872.78K001934.95432.98K0019711.51566.51K001944.16317.74M00563、M00536甲基甲烷K1408312.380第6期郭红玉等：废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理2437组成相一致。与二氧化碳转换相关的甲酰甲烷呋喃脱氢酶(EC1.2.7.12)、腺嘌呤脱氨酶(EC3.5.4.2)，与乙酸转化相关的乙酸激酶(EC2.7.2.1)、磷酸乙酰基转移酶(EC2.3.1.8)等两类转化途径中 HML 是 HM 的9.57、21.46 倍。废弃油脂的添加使两类的物质转化甲烷过程中所需要的功能酶增加，从而在甲烷生成过程中表现出明显的差异性。四氢甲烷蝶呤甲基转移酶(EC2.1.1.86)作为二氧化碳与乙酸转化途径共通部分，HML 是 HM 的 7.6 倍。甲基辅酶 M 还原酶(EC2.8.4.1)做为 3 者转化途径中共同通路，HML 是 HM 的33.1 倍，methyl-CoM 与 CoB 结合生成 CoMSSCoB和甲烷。乙酸激酶、甲酰甲烷呋喃脱氢酶等酶对于乙酸及甲烷的生成具有促进作用36-37，在以二氧化碳和乙酸进行甲烷生成的途径中，废弃油脂的添加能促进乙酰辅酶 A 的合成、甲酰甲烷呋喃脱氢酶以及乙酸激酶等功能性酶增加，促进了生物甲烷的生成。3结论(1)废弃油脂对褐煤转化生物甲烷有明显的促进效果。在对比分析中发现废弃油脂添加促使脂肪碳(脂甲基碳、亚甲基、次甲基等)相对含量从 49.81%降低至 33.48%，脂肪族碳降低 16.33%。(2)液相荧光类物质中易被微生物降解有机质含量增加，类富里酸、酚类、醌类与甲烷的生成密不可分。废弃油脂添加促使 Proteiniphilum、Methanothrix 等丰度增加明显，明显改善了厌氧发酵系统微生物菌群结构，产甲烷古菌占比提升显著。(3)碳水化合物及脂肪酸代谢增强明显，乙酸途径及 CO2途径中的 K00399、K00401、K00402 等甲烷合成的代谢过程中甲基辅酶、以及乙酰辅酶 A 等酶类含量增加。乙酸激酶(EC2.7.2.1)、磷酸乙酰基转移酶(EC2.3.1.8)等以乙酸为主的甲烷转化相关的酶提高了 21.46 倍。研究结果为废弃油脂的利用及褐煤的清洁转化提供了新思路。参考文献(References)：刘峰，曹文君，张建明，等.我国煤炭工业科技创新进展及“十四五”发展方向J.煤炭学报，2021，46(1)：115.LIUFeng,CAOWenjun,ZHANGJianming,etal.Currenttechnolo-gical innovation and development direction of the 14th Five-YearPlanperiodinChinacoalindustryJ.JournalofChinaCoalSociety，2021，46(1)：115.1卫小芳，王建国，丁云杰.煤炭清洁高效转化技术进展及发展趋2K00200K00201K00202K00203K11261K00205K11260K00672K01499K00319K00320K00925K00625K01895K00193K00197K00194K00577K00578K00580K00579K00581K00582K00583K00584K00399K00401K00402K03388K03389K03390K08264K08265K14127K22516K00125K14083CO2AcetateMethylMethane738.4HML34.4HM4 823.9HML144.7HM20 898.9HML注:色柱上数字为该类酶 的基因丰度(CPM)633.4HM12.4HML0HM3 354.8HML350.5HM图6生物甲烷的代谢途径对比Fig.6Comparisonofmetabolicpathwaysofbiomethane2438煤炭学报2023年第48卷势J.中国科学院院刊，2019，34(4)：409416.WEIXiaofang,WANGJianguo,DINGYunjie.Progressanddevel-opment trend of clean and efficient coal utilization technologyJ.BulletinofChineseacademyofsciences，2019，34(4)：409416.苏现波，夏大平，赵伟仲，等.煤层气生物工程研究进展J.煤炭科学技术，2020，48(6)：130.SUXianbo,XIA Daping,ZHAO Weizhong,et al.Research ad-vancesofcoalbedgasbioengineeringJ.CoalScienceandTechno-logy，2020，48(6)：130.3PRIYANKAGupta,ASHAGupta.BiogasproductionfromcoalviaanaerobicfermentationJ.Fuel，2014，118：238242.4简阔，傅雪海，韩作颖，等.煤制生物气产出规律及其同位素分馏效应J