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  • 科研進展

    廣州地化所孔祥蘭等:在藍細菌中發現新型脂肪類生物聚合物

    發布時間:2022-05-09 來源:廣州地球化學研究所
    隨著經濟的快速發展,在世界范圍內均出現化石燃料被大量開采利用,化石能源耗竭的現象,同時大量排放溫室氣體和有害氣體,由此產生一系列相關的能源、生態環境和人類健康問題。全球變化和人類活動也導致水體中藍藻等藻類的爆發引起水華和赤潮現象。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,微藻產油方面的研究引起了廣泛的關注。然而,由于微藻含有大量的多糖、蛋白質和脂質,在熱解的過程中極易受熱分解,導致生物柴油中氧、氮含量高,而且酸度指標較高,進而導致生物柴油的品質下降,很難滿足使用要求。事實上,前人已經報道了一種方法可以有效地去除微藻中的多糖,蛋白質和脂質,最終得到一種難降解有機質(藻質素或類藻質素)。藻質素或類藻質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胞壁上。藍藻(藍細菌)作為地球上最古老的光合細菌生物引起廣泛的關注。國內外僅有的少數幾項研究表明藍藻中存在藻質素,但關于藍藻中的分離出的藻質素或類藻質素能否產油生烴,仍然缺乏系統的研究。近期中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越創新中心博士研究生孔祥蘭和冉勇研究員等人,研究了純培養藍細菌中難降解脂肪性生物聚合物的結構、產油和生烴潛力,取得了一些非常有意思的進展。該研究對實驗室培養的兩種藍細菌 (顫藻和畸形眉藻)樣品進行了化學分級,得到去脂類 (LPF)和酸不可水解有機碳(NHOM) 組分,應用元素分析、13C交叉極化/總邊帶抑制 (CP/TOSS NMR)及其對應的偶極去相核磁共振技術和Rock-Eval熱解分析對其進行了表征,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組分進行了裂解研究。
    結果表明,從兩種藍細菌中分離出的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33的碳鏈構成,與藻質素的結構相似(圖1,3)。此外,隨著裂解溫度的升高,兩種藍細菌的類藻質素組分裂解生成的氣態烴的含量逐漸增加(圖2),生成的正構烷烴由長鏈向中鏈以及短鏈過渡(圖 3)。最后,兩種藍細菌的類藻質素組分的氮和氧含量低,其生烴潛力分別達到65%和53%,展現出非常好的產油和產氣前景。以上裂解實驗得到的生烴潛力和核磁共振數據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。 細線:非選擇性CP/TOSS光譜;粗線:對應的偶極去相CP/TOSS光譜。

    圖2. 不同裂解溫度下,OSC_NHOM和CAL_NHOM產生的氣態烴含量變化圖。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樣品產生的正構烷烴(n-C6-33)含量。 
    該研究受到國家自然科學基金委與廣東省重點聯合基金項目、廣東省科技支撐計劃項目和國家重點實驗室專項基金項目的資助,研究成果發表在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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