生物成因煤層氣研究現狀及對存在相關問題的思考

劉建民 王保玉 田永東 白建平 李生奇 胡 斌

(1.晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 048006;2.河南理工大學資源環境學院，

河南 454000;3.晉城無煙煤礦業集團有限責任公司生物氣化山西省重點實驗室，山西 048006)

生物成因煤層氣研究現狀及對存在相關問題的思考

劉建民1，2，3王保玉1，3田永東1，3白建平1，3李生奇1，3胡 斌2

(1.晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 048006;2.河南理工大學資源環境學院，

河南 454000;3.晉城無煙煤礦業集團有限責任公司生物氣化山西省重點實驗室，山西 048006)

生物成因煤層氣包括原生生物成因煤層氣和次生生物成因煤層氣。其中，次生生物成因煤層氣是生物成因煤層氣研究的重點，在主要產煤國有廣泛的分布。本文主要綜述以下幾個方面的內容:煤階鏡質組反射率、甲烷碳氫同位素組成是劃分煤層氣類型的主要指標。生物成因煤層氣的生成機理是重點研究內容，很多學者開展了利用微生物降解煤生成甲烷的實驗研究，許多微生物及生物酶類被分離出來。研究煤降解過程的代謝物可進一步闡明生物成因煤層氣的生成機理，同時，通過產甲烷菌基因工程，有望提高生物成因煤層氣的產量。

生物成因煤層氣 同位素 生成機理 代謝物 基因工程

煤層氣有熱成因和生物成因兩種基本類型，生 物成因又可以進一步分為原生生物成因和次生生物成因。生物成因煤層氣是地質環境在適宜的物理化學條件下經特殊的生物群生理代謝的產物，也是重要的能源資源，具有埋藏深度較淺、勘探開發成本低等特點。本文分析了生物成因煤層氣的特征及分布，總結了目前對生物成因煤層氣生成機理的研究進展情況，并對生物成因煤層氣研究中遇到的問題及未來發展的方向做了論述。

1 生物成因煤層氣的特征及分布

1.1 生物成因煤層氣的特征

美國學者Scott等人首次提出次生生物成因甲烷，即次生生物成因氣 (次生生物氣)的概念。其生成機理是:成煤后因構造運動煤層被抬升到近地表，地表水攜帶細菌滲入煤層，煤化過程中產生的濕氣、正烷烴及其它的有機物在微生物的作用下形成次生生物氣。次生生物氣的地球化學組成與原生氣相似，其主要差別只在于基質煤具有較高的熱演化程度 (0.3% ＜R0＜1.5%)，見表1。但有學者認為，當煤達到一定熱演化程度 (R0＞1.5%)后不能或很難產生次生生物氣。δ13C同位素和甲烷δD同位素是分析煤層氣類型的重要參數，生物成因煤層氣甲烷δ13C值一般介于-55‰～-90‰之間，δD值一般小于 -160‰，最輕可小于 -310‰。Flores等對粉河盆地165個煤層氣樣品的分析表明，其甲烷δ13C值介于-50‰～-83.37‰，δD 值在 -283.4‰與 -327.6‰之間，這些結論證明該盆地煤層氣主要為次生生物成因氣。我國淮南煤田煤層氣 δ13C1值總體分布范圍為 -56.7‰ ～-67.9‰，平均 -61.3‰，根據煤層氣碳同位素值，可確定也有大量次生生物成因氣的存在。

表1 生物成因和熱成因煤層氣階段劃分

1.2 生物成因煤層氣的分布

目前，國內外對次生生物氣的勘探已進行了較多的研究。Green等從粉河盆地鉆進孔水樣中分離出產甲烷的微生物，并證明粉河盆地煤層氣主要為次生生物成因氣。美國墨西哥灣盆地和黑勇士盆地都有大量生物成因氣存在。對澳大利亞Sydney盆地和Bowen盆地二疊系煤層氣的研究證實了這些盆地的煤層氣主要為次生生物氣。Faiz和Hendry的研究也發現在澳大利亞的煙煤中存在大量的次生生物氣。Kotarba認為波蘭Upper Silesian和Lublin盆地的煤層氣也屬次生生物氣。Tao等研究了我國辛集礦區煤層氣的組成，結果表明，煤層氣中68.5%的甲烷是在微生物的作用下生成的，熱成因煤層氣甲烷僅占31.5%。此外，在我國西北部、大興安嶺以西的低煤階地區有大量的生物成因煤層氣儲量。

2 生物成因煤層氣生成機理研究現狀

大量次生生物氣藏的存在和發現，使生物成因煤層氣的生成機理成為研究熱點和重點內容。國內外對于原生生物成因煤層氣的生成機理，基本上沿用傳統天然生物氣的生成理論，即經典的厭氧發酵理論。1993年，Zinder等又提出了四階段發酵理論，即:第一階段，復雜有機化合物受厭氧發酵細菌的作用，分解成為有機酸和醇;在第二階段，產氫和產乙酸細菌把第一階段產生的有機酸和醇進一步分解為H2、CO2、乙酸或者甲酸及相應的鹽類;第三階段和第四階段生成甲烷，產甲烷菌通過活性H2將甲酸或者CO2轉變為甲烷，或者利用乙酸產生甲烷和CO2，圖1表示生物成因煤層氣形成的四個階段。因此，生物成因煤層氣的形成是在很多種微生物的共同作用下形成的，包括水解性細菌、發酵細菌、纖維素分解菌、產氫產乙酸菌、硫酸鹽還原菌、產甲烷菌等微生物類群，復雜的有機質在以上微生物的作用下最終生成CH4和CO2。Conrad通過實驗證明，復雜有機物經過微生物發酵形成乙酸鹽、H2和CO2，其中以乙酸鹽為底物產生的甲烷量大于67%，H2和CO2轉化形成的甲烷量不足33%。

圖1 厭氧條件下有機質轉化為生物甲烷的代謝途徑(圖中編號代表生物轉化的四階段)

煤是由有機大分子相和小分子相組成的復雜混合物，其基本結構是以芳環、脂環和雜環為核心，周圍帶有側鏈、官能團的縮合芳香體系。Gao等用二氯甲烷和甲醇提取了不同深度煤樣中的脂肪烴和芳香烴等有機物質，并將這些物質作為生物降解的標志物和指數，從而判斷不斷深度煤層中生物降解可能性的大小。與一般的大分子有機物相比，微生物將煤分解的難度更大。如圖2所示，微生物以煤為底物，將煤分子中的官能團或共價鍵切開，形成小的煤分子結構片段，這些小分子在一系列微生物胞外酶的作用下形成不同的中間產物，產物再通過氧化和發酵轉化成產甲烷底物，經產甲烷菌利用后生成甲烷。因此，明確次生生物成因煤層氣的形成機理，首先需要確定煤降解過程中的微生物類群，分析不同微生物對煤分子結構作用的方式，分析修飾或降解有機小分子的微生物酶類。目前，已有部分微生物和生物酶被發現，但要詳細闡明微生物降解煤的機理，還有很多的工作需要深入研究。

圖2 微生物分解煤形成各種碳氫化合物中間體和產甲烷底物模式圖

虛線箭頭表示煤分子中潛在的被切割位點。ABC代表厭氧苯羧化酶;ASS代表烷基琥珀酸鹽合成酶;BSS代表琥珀酸芐酯合成酶;EBDH代表乙苯脫氫酶;MAS代表甲基琥珀酸合成酶;NMS代表萘二甲基琥珀酸合成酶;TUT代表甲苯利用酶。“?”表示起催化作用的酶未定義。

根據煤層次生生物氣生成機理，Scott等提出了煤層甲烷微生物增采的觀點:即向煤層中注入產甲烷微生物菌群及營養物質，通過生物降解煤、瀝青質等產生甲烷，增加煤層中甲烷的絕對含量，從而提高煤層氣開采量。因此，也可以在實驗室條件下，模擬生物成因煤層氣的產生過程，測定產氣過程中微生物的群落特征，以及影響產氣的相關因子。Orem等模擬地質環境條件，人為混合不同類型的微生物，在添加培養基的條件下，研究微生物對亞煙煤的分解和產甲烷能力，實驗結果證明，一定量的醋酸鹽可以增強生物生成甲烷的產量。Pfeiffer等的研究也證實了醋酸鹽在微生物生成甲烷過程中起著激活劑的作用。

3 國內外對煤地質微生物的研究

3.1 國外對煤地質微生物研究發展趨勢

國外對煤地質微生物的研究已經有30年的歷史，對產甲烷菌的研究已經深入到分子化學水平，且更多關注煤層伴生水中產甲烷菌的研究。Michael等從粉河盆地煤層氣井水樣中富集培養獲得了本源產甲烷菌，論證了該盆地含煤層甲烷的煤層中存在活性產甲烷菌群，且它們可以利用煤作為主要基質;并利用16S rRNA序列分析，確定了不同微生物之間的進化關系和同源性。Singh等收集了印度東部煤層氣井 (600～700m)的煤層水，提取水樣中總DNA后用古生菌和細菌的引物進行16S rRNA擴增，最后鑒定出有甲烷桿菌目和甲烷微菌目的微生物存在，這些微生物以H2和CO2為基質合成甲烷。同時，幾乎沒有消耗乙酸的甲烷球菌目微生物出現。熒光原位雜交 (fluorescence in situ hybridization，FISH)技術和16S rRNA焦磷酸測序在煤層水微生物的研究中也得到應用，對美國庫克灣盆地 (Cook Inlet Basin)煤層水的實驗結果表明，甲烷葉菌屬和甲烷八疊球菌屬是主要的古生菌類型，他們可以利用乙酸、CO2和甲基類化合物代謝生長。最豐富的細菌類群屬厚壁菌門，其中醋酸桿菌屬最多，屬擬桿菌目的嗜纖維菌屬、屈撓桿菌屬和擬桿菌屬所占的比例也較大。

3.2 國內對煤地質微生物研究的現狀

國內對煤地質微生物的研究主要集中在厭氧細菌的計數、分離、富集培養和成氣模擬實驗等方面，并取得了一定的成果。劉洪林等從我國西北低煤階煤層樣品中分離產甲烷菌，并證實了在適宜的地質條件下，低煤階煤層含有的產甲烷菌可以分解煤層產生甲烷氣體。王紅巖等在充分考慮煤層氣的吸附、解吸特性的基礎上，建立了具有獨立知識產權的煤層氣成藏模擬實驗裝置。王愛寬等采用厭氧培養方法，在云南省昭通褐煤樣品中成功地培養富集了活性厭氧細菌，并進一步開展了為期60天的生物氣生成模擬實驗，分析了生物成因氣的生成規律、物質組成和成因機制。蘇現波等在實驗室條件下研究了鹽度、pH對煤層生物甲烷生成的影響，確定了最適產甲烷的pH為8，pH偏離8會導致CH4的生成量大幅減少。相對于pH，鹽度對產甲烷的影響較小，但當鹽度高于25g/L時，CH4的生成量也會大幅降低。對產甲烷菌群進行馴化也能提高生物成氣的產量，林海等從厭氧污泥中富集出產甲烷菌群，通過以煤為碳源進行馴化，該菌群的產氣能力得到顯著提高。通過在培養基中添加乙酸鈉，還能繼續提高生物氣的產量。

微生物生態研究方法和高通量測序技術的應用，為煤地質微生物的研究提供了新的手段，近幾年國內學者利用這些新技術在煤地質微生物研究方面取得了創新性的成果。Guo等用454焦磷酸測序分析了鄂爾多斯盆地煤層氣井水樣中的微生物構成，共獲得46598條序列，甲烷葉菌屬在古生菌中占絕對優勢比例，分別占水樣和煤樣微生物測序序列的81.18%和99%。細菌中變形菌門是主要的微生物類群，但它在水樣和煤樣微生物中所占的比例相似。對古生菌的16S rRNA測序分析，也證明在鄂爾多斯盆地煤層氣水樣中的產甲烷菌為甲烷葉菌屬，用DGGE分析方法，可以判斷產甲烷菌群在培養過程中發酵性細菌、硫酸鹽還原菌和硝酸鹽還原菌等微生物的變化情況。

4 發展生物成因煤層氣存在的問題及分析

開展生物成因煤層氣研究受到了國內外研究煤層氣學者的廣泛關注，但學術界對于生物成因煤層氣的形成機理等認識仍然不足，人們更多是根據經典厭氧發酵理論和常規生物氣生成方面的研究成果來認識煤層次生生物氣的生成過程，分離煤層或煤層伴生水中的厭氧微生物并進行富集培養，對煤層的基礎地質和有機地球化學特征研究較為薄弱，對煤層次生生物氣生成過程中微生物學特征認識不足，對煤層次生生物氣生成的影響因素了解和認識還不全面。因此，加強生物成因煤層氣實驗研究，需要綜合地質學、化學、微生物學等多學科的理論和技術，全面分析生物成氣的過程細節，具體體現在以下幾個方面。

(1)學者對生物成氣生成機理的煤巖地質和有機地球化學理論已進行較多研究，根據煤巖R0值和利用碳同位素鑒別生物氣在一定程度上得到認可，但生物氣碳同位素的特征范圍較大，具體到某一煤田或礦區的煤層氣碳同位素組成，往往與生物氣碳同位素的特征范圍有較大出入，因此，在地質和地球化學方面對煤層氣成因的判斷，還需要從煤層的形成時代，煤層所處的地質特點及水文特征進行分析。同時，加強生物成因煤層氣新方法的開發，分析δ13C1、δ13C2、δ13CCO2值之間的關系，研究不同煤層氣中這些數值的變化規律。

(2)甲烷中氫的來源可為判斷生物成因煤層氣生成途徑提供參考，產甲烷菌底物不同，其生成甲烷中氫的來源也不同。在模擬實驗中，可以用重水代替蒸餾水，通過生成氣體中氫同位素的分析，研究生物氣形成的具體途徑。

(3)生物成因煤層氣的形成機制是一個復雜的系統，深入了解成氣過程中微生物的種類、生長特性及菌群特征是展開生物成因煤層氣研究的首要條件。生物成因煤層氣在一系列微生物的共同作用下形成，其中一些在生物成氣過程中起關鍵作用的微生物已經成功分離，但從目前的資料報道可以看出，人們很少對分離的微生物進行深入研究，這些微生物的具體代謝過程并不清楚，它們的代謝中間產物及最終產物也沒有分析。因此，要闡明煤層生物成因煤層氣的生成機理，我們應明晰在成氣過程中有哪些微生物參與其中?它們在整個微生物菌群中有怎樣的組成比例關系?同時，還需要加快煤層微生物的分離和純化，并對這些微生物的生態特性和生理特征進行深入研究，明確這些微生物代謝過程中具體調控方式。隨著宏基因組測序技術和代謝工程學科的發展，這些內容將逐步得到揭示。

(4)產甲烷菌是生物成因煤層氣生成過程中關鍵的微生物類型，提高產甲烷菌的活性即可增加生物甲烷的產量。利用物理或化學誘變劑處理已分離的產甲烷菌菌株，設計高效篩選方案，可分離到具有更高生物活性的產甲烷菌。甲烷的形成需要多種生物酶的作用，輔酶M還原酶催化的反應是其中的限速步驟，也是控制甲烷生成的最后一步。提高輔酶M還原酶的活性或增加其在產甲烷菌中的拷貝數是提高甲烷生成量的一種有效方法，這就要求我們要對產甲烷菌進行分子生物學和基因工程研究，構建產甲烷基因工程菌，從而提高甲烷產量。

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Research Status on Biogenic Coalbed Methane and Discussion on the Present Issues for Coalbed Methane

LIU Jianmin1，2，3，WANG Baoyu1，3，TIAN Yongdong1，3，BAI Jianping1，3，LI Shengqi1，3，HU Bin2
(1.Jincheng Anthracite Mining Group，Shanxi 048006;2.Institute of Resources and Environment，Henan Polytechnic University，Henan 454000;3.Shanxi Key Laboratory of Biological Gasification of Coal，Jincheng Anthracite Mining Group，Shanxi 048006)

Biogenic coalbed methane included primary coalbed methane and secondary coalbed methane.Secondary coalbed methane，extensive distributied in major coal producing countries，is the emphasis of the biogenic coalbed methane research.The article reviews the following aspects:coalbed methane types are differentiated according to the stable isotopic composition of methane and vitrinite reflectance of coal.The formation mechanism of biogenic coalbed methane is the key research issue，and researchers have attempted lab and subsurface stimulation of the naturally slow process of methanogenic degradation of coal.A large amount of microbes and enzymes are isolated successfully.The studies on the metabolites of coal degradation can illustrate the mation mechanism of biogenic coalbed methane.Furthermore，the yield of coalbed methane would increase through the use of methanogen gene engineering.

Biogenic coalbed methane;isotopes;formation mechanism;metabolites;gene engineering

國家自然科學基金資助項目 (41202113);山西省基礎研究計劃 (煤層氣聯合研究基金)資助項目 (2012012013);中國博士后科學基金第52批資助項目 (2012M520599)

劉建民，男，講師，博士，主要從事地質微生物和煤層氣增產工藝研究。

(責任編輯 韓甲業)