孔祥蘭等-OG:在藍(lán)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)新型脂肪類生物聚合物
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,在世界范圍內(nèi)均出現(xiàn)化石燃料被大量開采利用,化石能源耗竭的現(xiàn)象,同時大量排放溫室氣體和有害氣體,由此產(chǎn)生一系列相關(guān)的能源、生態(tài)環(huán)境和人類健康問題。全球變化和人類活動也導(dǎo)致水體中藍(lán)藻等藻類的爆發(fā)引起水華和赤潮現(xiàn)象。因此,尋找出化石燃料的替代資源也變得非常迫切。
微藻作為地球上最古老的生物之一,可以為甲烷、生物氫、生物柴油等多種不同類型的可再生生物燃料提供原材料。而近幾年,微藻產(chǎn)油方面的研究引起了廣泛的關(guān)注。然而,由于微藻含有大量的多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì),在熱解的過程中極易受熱分解,導(dǎo)致生物柴油中氧、氮含量高,而且酸度指標(biāo)較高,進(jìn)而導(dǎo)致生物柴油的品質(zhì)下降,很難滿足使用要求。事實上,前人已經(jīng)報道了一種方法可以有效地去除微藻中的多糖,蛋白質(zhì)和脂質(zhì),最終得到一種難降解有機(jī)質(zhì)(藻質(zhì)素或類藻質(zhì)素)。藻質(zhì)素或類藻質(zhì)素是一種高脂肪族的、不可水解的、不溶性的生物聚合物,主要存在于一些綠藻,鞭毛藻和耳根瘤菌的細(xì)胞壁上。藍(lán)藻(藍(lán)細(xì)菌)作為地球上最古老的光合細(xì)菌生物引起廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外僅有的少數(shù)幾項研究表明藍(lán)藻中存在藻質(zhì)素,但關(guān)于藍(lán)藻中的分離出的藻質(zhì)素或類藻質(zhì)素能否產(chǎn)油生烴,仍然缺乏系統(tǒng)的研究。近期中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點實驗室、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士研究生孔祥蘭和冉勇研究員等人,研究了純培養(yǎng)藍(lán)細(xì)菌中難降解脂肪性生物聚合物的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)油和生烴潛力,取得了一些非常有意思的進(jìn)展。該研究對實驗室培養(yǎng)的兩種藍(lán)細(xì)菌 (顫藻和畸形眉藻)樣品進(jìn)行了化學(xué)分級,得到去脂類 (LPF)和酸不可水解有機(jī)碳(NHOM) 組分,應(yīng)用元素分析、13C交叉極化/總邊帶抑制 (CP/TOSS NMR)及其對應(yīng)的偶極去相核磁共振技術(shù)和Rock-Eval熱解分析對其進(jìn)行了表征,并使用封閉式高壓釜-黃金管裂解實驗對顫藻和畸形眉藻中的NHOM組分進(jìn)行了裂解研究。
結(jié)果表明,從兩種藍(lán)細(xì)菌中分離出的NHOM組分是一類具有高脂肪性的難降解生物聚合物,由一條飽和、無支鏈、鏈長可達(dá)33的碳鏈構(gòu)成,與藻質(zhì)素的結(jié)構(gòu)相似(圖1,3)。此外,隨著裂解溫度的升高,兩種藍(lán)細(xì)菌的類藻質(zhì)素組分裂解生成的氣態(tài)烴的含量逐漸增加(圖2),生成的正構(gòu)烷烴由長鏈向中鏈以及短鏈過渡(圖 3)。最后,兩種藍(lán)細(xì)菌的類藻質(zhì)素組分的氮和氧含量低,其生烴潛力分別達(dá)到65%和53%,展現(xiàn)出非常好的產(chǎn)油和產(chǎn)氣前景。以上裂解實驗得到的生烴潛力和核磁共振數(shù)據(jù)計算的理論生烴潛力相比,表明核磁共振法會略微低估了兩種藍(lán)藻生物聚合物的生烴潛力。

圖1.顫藻和畸形眉藻原始樣品(BL)及其NHOM組分的13C NMR譜圖。 細(xì)線:非選擇性CP/TOSS光譜;粗線:對應(yīng)的偶極去相CP/TOSS光譜。

圖2. 不同裂解溫度下,OSC_NHOM和CAL_NHOM產(chǎn)生的氣態(tài)烴含量變化圖。C4為異丁烷和正丁烷的總含量; C5是異戊烷和正戊烷的總含量。

圖3. 在不同裂解溫度下,OSC_NHOM和CAL_NHOM樣品產(chǎn)生的正構(gòu)烷烴(n-C6-33)含量。
該研究受到國家自然科學(xué)基金委與廣東省重點聯(lián)合基金項目(U1701244)、廣東省科技支撐計劃項目(2017B030314057, 2019B121205006)和國家重點實驗室專項基金項目(SKLOG2020-3)的資助,研究成果發(fā)表在Organic Geochemistry上。
論文信息:Kong, Xianglan; Huang, Ning; Hu, Shujie; Zhang, Xiangyun; Ran, Yong. Structural characterization and confined pyrolysis of resistant aliphatic biopolymer derived from cyanobacteria. ORGANIC GEOCHEMISTRY, 2022, 165: 104352. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2021.104352

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