地衣芽孢杆菌产γ-聚谷氨酸的生物合成优化及其在煤矿粉尘抑制中的性能增强研究

本研究通过响应面法（RSM）优化地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）发酵合成γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的工艺，产量达23.76 g/L。FTIR和TG-DSC分析证实产物含典型γ-PGA功能基团，接触角实验显示其对褐煤润湿性显著（5分钟内从69°降至0°）。TEM揭示γ-PGA通过羧基（–COOH）、氨基（–NH–）和羰基（–CO）形成水合膜包裹煤尘，其分子链间氢键网络赋予卓越持水能力，为绿色高效矿用抑尘材料开发奠定基础。

　　

引言

采矿活动产生的煤尘是威胁环境和健康的重要污染源，传统化学抑尘剂存在毒性大、难降解等问题。生物可降解抑尘剂因其环境友好特性成为研究热点，其中γ-聚谷氨酸（γ-PGA）因其优异的成膜性、生物相容性和水合能力备受关注。本研究聚焦地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）发酵合成γ-PGA的工艺优化及其抑尘机制，为矿业粉尘控制提供新思路。

材料与方法

菌株筛选与鉴定
从煤矸石改良土壤中分离出20株菌落，通过黏稠度和拉丝特性初筛3株γ-PGA产生菌。16S rDNA测序显示CMI3菌株与Bacillus licheniformis SCDB 14同源性达92%，系统发育树分析确认其分类地位。

γ-PGA合成与纯化
采用Landy培养基发酵96小时，通过乙醇沉淀法提取γ-PGA：发酵液pH调至2后离心，上清液中和后加入3倍体积乙醇沉淀，冻干获得产物。

工艺优化设计
采用Box-Behnken响应面法（RSM）五因素三水平实验，考察温度（A）、pH（B）、接种量（C）、谷氨酸钠（D）和柠檬酸钠（E）的影响。模型预测最优条件为A=37°C、B=7.71、C=2.99 mL、D=8.06 g/L、E=2.39 g/L，实际产量23.64 g/L，误差仅3.57%。

结果与分析

结构表征
FTIR光谱显示产物在3415 cm^-1（N–H伸缩）、1607 cm^-1（酰胺C=O）和1426 cm^-1（COO^-）处特征峰与γ-PGA标准品一致，证实成功合成。TG-DSC显示提取物在200°C开始分解，450°C残留55%质量，热稳定性优于纯γ-PGA（150°C分解），可能与共存脂肽有关。

润湿性能
接触角实验表明γ-PGA溶液对褐煤润湿性最强，5分钟内接触角从69°降至0°。TEM显示γ-PGA溶液渗透煤孔隙形成液膜，而水处理组孔隙结构松散。分子机制归因于γ-PGA链上羧基（–COOH）、氨基（–NH–）和羰基（–CO）的水合作用，以及链间氢键网络形成的三维储水结构。

煤尘表面改性
FTIR对比显示处理后煤尘在3600-3200 cm^-1（O–H/N–H）和1740-1650 cm^-1（C=O）峰增强，980-900 cm^-1（C–O–C）峰减弱，证实抑尘剂通过增加表面亲水基团改善润湿性。

结论与展望

研究证实优化发酵工艺可高效生产γ-PGA，其通过多重氢键作用实现煤尘润湿与固定。相比传统抑尘剂，γ-PGA兼具生物降解性和成本优势，降解产物谷氨酸还可作为植物氮源。未来需拓展不同煤种适配性研究，并开展长期生态安全性评估。该技术有望应用于建筑拆除、道路扬尘等场景，推动绿色抑尘材料跨行业发展。