BL经过化学处理后得到LPF和NHOM,分级方法参考Allard et al. (1998)详细步骤为:①将BL研磨后过80目筛,加入二氯甲烷和甲醇(体积比93 : 7)的二元溶剂索氏抽提72 h,抽提得到的上清液先用旋转蒸发仪浓缩,接着再用氮吹仪将浓缩液吹干;抽提后的级分在50℃下烘干,得到LPF。②采用酸水解法将LPF中的多糖和蛋白质去除,水解步骤为:首先用2 mol/L三氟乙酸在100℃下水解3 h,离心去除上清液,重复1次此步骤;然后分别用4 mol/L和6 mol/L三氟乙酸在100℃下水解18 h,用超纯水将上清液洗脱至中性;最后用6 mol/L盐酸在110 °C下水解24 h,得到NHOM,用超纯水将NHOM洗脱至中性,冻干,保存在干燥器中。通过对元素的分析、Rock- Eval分析、高压釜黄金管热解实验等来评估NHOM的生烃潜力。

2.1样品分级

结果(表1)显示,裂殖壶菌和4种微藻LPF占BL的质百分比为73.9%~98.5%,与报道的颤藻(Oscillatoria sp., 86.8%)和畸形眉藻(Calothrix anomala., 87.1%)相似。裂殖壶菌和4种微藻L PF的有机碳含量为26.8%~ 43.1%; 4种微藻L PF中有机碳含量相对BL的百分比为75.5%~93.3%,与Kong et al. (2022)报道的颤藻(Oscillatoria sp.. 81.2%)和畸形眉藻(Calothrix anomala., 80.8%)相似。裂殖壶菌LPF中有机碳含量相对BL的百分比为60.0%。裂殖壶菌和4种微藻NHOM占BL的质量百分比为0.7%~ 8.2%,与前人报道的微拟球藻、小球藻和栅藻和布氏葡萄球藻(2.6%和114%;Allard etal., 1998))相似, NHOM产率的差别与不同样品的结构以及分离方法有关,酸水解法已将大部分蛋白质和多糖去除。

注: C(%).有机碳含量; Wt(%).不同级分占BL的质量百分比; OC(%).不同级分的有机碳含量相对于BL的百分比。

 表1 不同级分的有机碳含量、质量百分比及有机碳含量百分比

2.2元素组成和热解参数

裂殖壶菌和4种微藻不同级分的元素分析结果(表2)显示，5种样品3种级分的C、H、N、0含量之和都在70%以上,表明这3种级分主要由C、H、N、O组成。NHOM的有机碳含为59.3%-73.8%,远高于LPF(26.8%-43.1%)和BL(28.3%-49.4%)。然而, NHOM的有机碳回收率只有1.58%~ 12.1%,表明在酸水解将蛋白质和碳水化合物去除的过程中也伴随着有机碳的较大损失。此外, 3种级分的H/C值在1.0-2.0之间,表明它们具有较好的脂肪性。

裂殖壶菌和4种微藻的Rock- Eval热解结果(表3)显示, BL的HI为172-537 mg/g,经过酸水解后4种微藻NHOM的HI明显增加(254-779 mg/g);然而,裂殖壶菌的HI从BL的602 mg/g降低到NHOM的300 mg/g,可能是因为裂殖壶菌是一种海洋真菌,与微藻的化学结构不同。H的变化表明,微藻NHOM比BL具有更强的生烃潜力。

 表2 不同级分的元素分析和元素摩尔比

表3 不同级分的Rock- Eval热解参数 

2.3固态13C核磁共振结果

裂殖壶菌和4种微藻不同级分的13C NMR CP/TOSS和CP/TOSS/DD谱图(图1)显示，裂殖壶菌的LPF(图1b)和BL(图1a)的化学结构基本相同,表明索氏抽提没有改变BL的化学结构。裂殖壶菌的BL(图1a)和LPF(图1b)的出峰位置基本一致(0~45)x 10-6处的中等强度峰来自烷基碳(16.6%和20.0%)的贡献; (95~110)x10-6(0-alky1-O；7.72%和6.80%)和(165~190)x 10-6(COO/NC=O; 4.42%和5.24%)处则观测到小的信号峰; (60~95)x 10-6处出现最强信号峰,相对含量高达57.5%和51.8%,主要由烷氧基贡献表明裂殖壶菌的BL和LPF中含有大量含氧官能团。然而，裂殖壶萄NHOM(图1c)只在30x 10-6(由脂肪碳贡献)和130x 10-6(由质子化芳香碳或烯烃碳贡献)处出峰,BL和L PF中出现最强信号的71x10-6处，在NHOM中消失,表明经过酸水解后，BL中大量含氧官能团被去除; NHOM在30x 10~6处的出峰信号最强烈,相对含量从BL的16%增加到42.0%,表明经过素氏抽提和酸水解后,得到的NHOM中脂肪碳结构相对含量较高。

5种样品NHOM的核磁共振谱图大体相似(图1), NHOM在(27.5-33.5)x10-6处的相对含量分别是13.5%、21.4%、16.4%、14. 9%和11.8%,此处信号归因于无定型和结晶聚亚甲基碳(-(CH2)n-)的出现(Mao et al, 2002)。NHOM主要在(0~45)x 10-6和(110-145)x10-6处出峰,在(0-45)x10~6处的相对含量为38.9%-59.3%,在(110-145)x10-6处的相对含量为14.0%~21.8%,表明经过索氏抽提和酸水解后，BL中大量蛋白质和多糖被去除。NHOM中各官能团相对含量以及油气潜力碳含量分别列于表4和表5。

图1 不同级分的13C NMR全碳谱图与偶极相移谱图

表4 13c NMR中各官能团的相对含量

表 5 不同级分的油潜力碳和4气潜力碳含量

3.1不同有机质级分的化学结构

裂殖壶菌L PF和BL的13C NMR谱图基本相同,表明索氏抽提并没有改变BL的化学结构。尽管裂殖壶菌的BL(图1 a)在(0~45)x10-6范围内出现很强的信号,这部分信号是由烷基碳贡献,但是BL中烷基碳的相对含量(16.6%)远低于NHOM(42.0%),因为除了烷基碳外, BL中还含有大量极性脂肪碳((45~95)x 10-6)和羧基碳((165~190)x 10-6),这些官能团来自BL中的蛋白质和碳水化合物。裂殖壶菌的BL中含有脂质、碳水化合物和蛋白质(图1a), 与Zelibor et al. (1988)的研究结果一致。

裂殖壶菌NHOM只在30x 10-6和130x 10-6处出现信号,分别来自烷基碳(42.0%)和芳香碳(20.3%),较高的烷基碳相对含量表明NHOM是高度脂肪性的生物大分子。与BL相比, NHOM在(45~95)x 10-6和(165~190)x 10-6处不出现信号,表明经过索氏抽提和酸水解后, BL中的碳水化合物和蛋白质被有效地去除。裂殖壶菌和4种微藻NHOM的烷基碳相对含量分别为42.0%、59.3%、 54.4%、 53.1%和38.9%(表4),中,微拟球藻具有最强的脂肪性。此外, NHOM在(27.5~33.5)x 106处出现信号峰,表明NHOM含有较高含量的聚亚甲基碳,与I类干酪根和藻质素相似。

3.2产烃潜力评估

裂殖壶菌的油潜力碳含量从BL的9.1%增加到NHOM的32%,产烃潜力从BL的16.6%增加到NHOM的42.1%; 4种微藻NHOM的油潜力碳含分别为45.7%、37.9%、34.7%和28.5%, 产烃潜力分别为59.3%、54.4%、 53.1%和38.9%(表5), 其中,微拟球藻的产烃潜最强。此外,裂殖壶菌和4种微藻NHOM的HI分别为300 mg/g、779 mg/g、591 mg/g、528 mg/g和254 mg/g。根据封闭黄金管裂解实验,裂殖壶菌和4种微藻NHOM的最大产F烃率分别是35.2%、75.2%、83.1%、74.4%和23.1%; 将HI分别与油潜力碳、油气潜力碳、产油率以及油潜力碳和产油率之间进行相关性分析(将HI进行归一化后再进行相关性分析),结果(图2)表明,它们均呈现出较强的相关性,表明Rock-Eval、13C NMR和封闭黄金管裂解实验这3种技术能够有效评估NHOM的生烃潜力。

图2 油潜力碳、产油率以及HI相关性分析

3.3封闭热解实验下的生烃机制

裂殖壶菌和4种微藻的NHOM在热解过程中产生的气体组分分为无机气体(CO2、H2和H2S)和有机气体。中, CO2的产率最高, CO2主要是热解过程中有机质中的含氧官能团的热分解产生(Behar et al, 2008;Aysu et al, 2016)。5种NHOM裂解过程产生的气态烃(C1-5)含量均随着温度升高而增加(图3),但是裂殖壶菌在440℃时基本达到峰值,而微拟球藻和螺旋藻在440~460℃范围内气态烃含量仍然显著增加。微拟球藻和螺旋藻最大气态烃含量基本相当,约为裂殖壶菌的2倍;虽然缺失小球藻和海藻在460℃的数据,但是在裂解前期它们的气态烃含量基本相当,造成这样的差异可能与裂殖壶菌和微藻在组成和结构上面的差异有关。Behar et al. (2008)研究认为,态烃含量主要来自有机质的初次裂解和重质烃的二次裂解。此外,总气态烃(C1-5)和湿气(C2-s)含量都随温度升高而增加。

5种NHOM裂解的最大产烃率的大小顺序为:小球藻>微拟球藻>螺旋藻>裂殖壶菌>海藻。当重质烃含量达到最大后,温度继续升高,质烃含开始下降;而固体残渣的变化趋势则与重质烃相反，因为在裂解后期,裂解产物发生凝聚使得固体残渣含量增加。裂解产油组分包括轻烃(C6~14)和重烃(C14+)组分;而C14+组分由饱和烃、芳香烃和胶质(树脂和沥青质组成。随着温度升高,裂解产物中胶质组分相对始下降;与此同时,饱和烃相对含开始上升。Salmon et al. (2009)研究表明,饱和烃主要来自极不稳定的胶质的二次裂解,这也解释了裂解过程中胶质组分相对含量下降,而饱和烃组分相对含量增加的现象。而当温度继续升高时,裂解产生的饱和烃含量开始下降,表明达到一定温度后，饱和烃自身开始发生裂解, C1~ s气体组分含量在裂解后期继续增加(图3),推断裂解产物可能是由这些分子量的气态烃(C1~ s)组成。

图3 NHOM在不同裂解温度下的气态烃产量

5种NHOM在不同温度下的裂解产物的气相色谱图(图4)显示, NHOM裂解产生的的总正构烷烃(n-C6-33)含量随温度升高而增加，在达到最大值后,由于发生二次裂解使其含轻微下降。

图4 NHOM级分不同裂解温度下裂解产物气相色谱图

5种NHOM在不同温度下裂解产生的n-CG~ 33含量随温度变化情况(图5)显示,裂殖壶菌在实验选定温度范围内裂解产物主要以n-C15和n-C17为主;而微拟球藻主峰碳优势不像裂殖壶菌那么明显,在温度较低时(380~400 °C),n-C32含量最高,随着温度的升高(420~440℃,n-C32含量逐渐降低，低碳数逐渐占据优势。在整个裂解过程中,n-C15-直占据优势地位,del Rio et al. (1996)指出,在热解过程中羧酸会发生脱羧反应主要生成n-C15。小球藻和螺旋藻在裂解温度范围内n-C1 s始终处于主导地位;海藻在380~420℃出现了明显的奇数碳原子烷烃含鎬于偶数碳原子烷烃含量,即奇偶优势(n-C11~18)现象。

图5 NHOM不同裂解温度下正构烷烃含量

5种NHOM裂解产生的气态烃(n-C1~5)、短链烷烃(n-C6~14)、中链烷烃(n-C15~24)和长链烷烃(n-C25-~33)的含量随温度变化情况(图6)显示，随着温度升高, NHOM产生的n-C15-~24和n-C25~33含量在440℃达到最大,随温升开始下降;而-C1~ s和n-C6~14含量随温度升高一直增加, 在460℃时达到最大。研究表明，气态烃主要来自裂解早期有机质的初次裂解以及裂解后期裂解产物(如重质烃)的二次裂解,长链烷基发生均裂作用则会生成较短链长的正构烷烃(Behar et al., 1992;Behar et al, 2008)。

图6 NHOM不同裂解温度下气态烃、短链、中链和长链正构烷烃含量

(1) 固态13C NMR谱图表明,裂殖壶菌、微拟球藻、小球藻、螺旋藻和海藻的NHOM是一种高度脂肪性且在结构上与富含聚亚甲基的藻质素相似的抗性生物聚合物,裂殖壶菌中这种类藻质素的存在表明,海洋真菌在干酪根的选择性保存中做出了贡献。

(2) NHOM的生烃能力主要由油潜力碳含量决定,固态13c NMR技术为类藻质素生烃潜力的评估提供了实验和理论依据。

(3) 微拟球藻、小球藻和螺旋藻的生烃转化率均高于70.0%, 表明它们可以作为理想的生产生物能源的生物原料。