《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Experimental Study on the Preparation of Sodium Alginate-Chitosan Microcapsules for Mining Applications and the Mechanism of Their Inhibition of Coal Spontaneous Combustion
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•制备了适用于好氧微生物的藻酸钠-壳聚糖胶囊（SA-CS-AMC）。•SA-CS-AMC实现了96.26%的最优耗氧率。•SA-CS-AMC表现出良好的环境适应性。•SA-CS-AMC在抑制煤炭自燃方面表现出卓越的抑制效果。引言煤炭是世界上最丰富的化石燃料之一。作为中国核心的
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制备了适用于好氧微生物的藻酸钠-壳聚糖胶囊（SA-CS-AMC）。
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SA-CS-AMC实现了96.26%的最优耗氧率。
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SA-CS-AMC表现出良好的环境适应性。
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SA-CS-AMC在抑制煤炭自燃方面表现出卓越的抑制效果。
引言
煤炭是世界上最丰富的化石燃料之一。作为中国核心的常规能源资源，煤炭在全国经济和能源整体格局中仍发挥着重要的支撑作用[1]，[2]，[3]。近年来，随着开采作业的加剧，煤矿采空区和残余煤储量的数量不断增加，矿井漏风率上升，导致矿井火灾事故频发[4]，[5]。数据显示，中国超过85%的矿井火灾是由煤炭自燃引起的，造成了不同程度的人员伤亡和经济损失，同时还造成了环境污染[6]。
目前，常用的防灭火技术主要包括注浆、惰性气体注入、煤炭自燃抑制剂和凝胶泡沫[7]，[8]，[9]，[10]。然而，这些技术的应用存在一定的环境负面影响。众多学者已开始探索利用微生物技术预防煤矿自燃，以实现采矿灾害的环境可持续管理[11]。Xie等人[12]研究了好氧微生物铜绿假单胞菌的耗氧特性，提出了通过生物耗氧来抑制煤炭自燃的方法。Zhang等人[13]证明白腐真菌通过生物酶降解煤炭中的大分子结构。Yi等人[14]研究了多芳烃嗜球杆菌对褐煤微观结构和氧化行为的影响，发现该菌能促进煤微晶的有序化和石墨化，并降解脂肪族烃类含氧官能团。Liu等人[15]采用微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）作为一种新型绿色方法来抑制煤炭自燃，使煤大分子中的羧基和醚官能团显著减少。
然而，煤矿采空区的实际条件十分复杂，这损害了微生物的稳定性、适应性和存活率，从而限制了其抑制煤炭自燃的效果[16]。因此，必须采取一定措施，确保好氧微生物能够在采空区环境中有效且持续地发挥预防煤炭自燃的功能。微生物固定化技术是一种利用载体将微生物固定在有限空间内的新型技术，而不会改变其活性。近年来，该技术在土壤修复、石油污染物处理、废水处理等领域得到了广泛应用，展现出广阔的发展前景[17]，[18]，[19]。载体在固定化过程中起着关键作用，为微生物建立稳定的内部微环境，并增强其对抗矿井环境复杂条件的耐受性[20]，[21]。载体材料通常分为无机和有机两大类，后者又可分为天然或合成聚合物。此外，通过将不同载体组合形成复合材料，可以实现优势互补[22]，[23]。Sritongon等人[24]将纤维素分解真菌封装在藻酸盐-生物炭和土壤调理剂中，以增强羧甲基纤维素酶和滤纸酶的活性。Mai等人[25]利用聚乙烯醇、藻酸钠和膨润土制备了生物微胶囊，该方法通过生物强化维持关键反硝化微生物的数量，提高了低碳废水的反硝化效率。Tao等人[26]创新性地结合了封装固定化和附着固定化的双重优势，利用藻酸钠的生物相容性和玉米秸秆生物炭的多孔结构，协同固定产甲烷菌制备微生物胶囊。该方法不仅提高了固定化效率并减少了微生物逃逸，还通过生物炭的保护作用优化了微生物微环境，从而促进代谢效率。
综上所述，微生物预防煤炭自燃的研究已取得了一些进展，但仍存在以下问题：（1）目前煤矿中使用的大部分好氧微生物以游离状态存在，在高温、高湿和强扰动的严酷采矿环境下，游离微生物的存活率低，难以实现持续稳定的防火效果。（2）现有研究尚未将成熟的微生物固定化技术应用于煤炭自燃的防控，缺乏对其在煤矿复杂地下环境适应性方面的评估。（3）载体材料对微生物耗氧特性的影响规律尚未得到探索。因此，本研究提出利用藻酸钠和壳聚糖开发一种能够负载好氧微生物的胶囊，从而将环境修复和废水处理等领域已建立的微生物固定化技术迁移到煤炭自燃防控领域。其核心在于为微生物创建一个微环境，使其免受严酷环境胁迫，从而增强其在煤矿环境中的耗氧能力。在此基础上，本研究进一步从氧化特性的宏观层面和官能团调控的微观层面，阐明了SA-CS-AMC抑制煤炭自燃的机制。为实现这一目标，首先采用Box-Behnken响应面设计优化了SA-CS-AMC的制备参数。随后，利用扫描电子显微镜（SEM）检查了SA-CS-AMC内部的微观结构以及微生物的空间分布特征。第三，通过环境胁迫测试和物理性质评估，研究了SA-CS-AMC的环境耐受性、传质和保水能力。最后，利用程序升温-气相色谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示了SA-CS-AMC如何实现有效抑制煤炭自燃。本研究为SA-CS-AMC抑制煤炭自燃提供了理论依据。
各部分内容摘要
材料
本研究中使用的好氧微生物菌群来自本课题组前期建立的培养物[27]。Ralstonia和Pseudomonas是主要优势菌株。SA（BR，适用于微生物固定化）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国）；乙酸（AR，99.5%）和亚甲蓝（纯度≥98.0%）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国）；CS（BR，脱乙酰度80%–95%），无水氯化钙
单因素实验结果
图2展示了SA浓度、CS浓度和二次交联时间三个因素对SA-CS-AMC的O2消耗特性的影响。
当SA浓度为0.5%，CS浓度为0.6%时，48 小时后SA-CS-AMC系统中的残余O?含量比游离微生物系统高出12.56%，O?消耗率为89.72%。这是因为引入0.5% SA和0.6% CS后，不可避免地形成了初步扩散屏障
结论
本研究成功制备了耗氧微生物胶囊（SA-CS-AMC）并优化了其制备工艺参数。利用扫描电子显微镜对微胶囊横截面的微观结构进行了表征；系统地研究了其环境耐受性、传质和保水性能；并用SA-CS-AMC处理煤样。通过程序升温-气相色谱实验和FTIR，研究了SA-CS-AMC对自燃的
作者贡献声明
游宪忠：监督，软件。王登英：验证，数据整理。谢恒星：资源，方法学。谢军：写作——审阅与编辑，资金获取。王瑞：写作——初稿撰写，可视化，形式分析。陈大伟：写作——审阅与编辑，方法学。王逸：监督，调查研究。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（编号：52474237）、山东省自然科学基金项目（ZR2023ME052）以及贵州省重大科技计划项目[2025]027的资助。
谢军 | 王瑞 | 陈大伟 | 王逸 | 游宪忠 | 王登英 | 谢恒星
