高壓稀氧環(huán)境下微生物降解甲烷的實(shí)驗(yàn)研究

張瑞林,蔡傳輝,王振江

(1. 河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003)

近年來，無論是在生物領(lǐng)域，還是其在環(huán)境工程、工業(yè)工程方面的應(yīng)用，國內(nèi)外大量的學(xué)者都對(duì)甲烷氧化菌開展了廣泛、全面的研究。從分布范圍講，甲烷氧化菌分布廣泛，在冰原凍土層、垃圾填埋場(chǎng)、水稻田、煤礦土壤等處均有甲烷氧化菌的生存[1-3]；從群落關(guān)系看，一般都是多種群甲烷氧化菌群落混合共生，同時(shí)還伴有產(chǎn)甲烷細(xì)菌等，而且這些群落隨著季節(jié)、自然環(huán)境的改變也會(huì)發(fā)生變化[4-5]；從生長(zhǎng)條件看，因不同自然環(huán)境中物質(zhì)分布不同，不同的甲烷、氧氣濃度，以及氨氣、化肥、礦井中有毒有害氣體、不同氧化底物對(duì)其生長(zhǎng)可能都有所影響[6]。甲烷氧化菌可應(yīng)用于環(huán)境和工業(yè)工程的多個(gè)方面，我們重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)方面的應(yīng)用及潛在價(jià)值，即甲烷去除和有毒化合物的生物降解，對(duì)源自垃圾填埋場(chǎng)的甲烷氣體的去除已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，且其中大部分工作都可以作為礦井瓦斯消除的參考[7]。

隨著微生物技術(shù)的發(fā)展，甲烷氧化菌應(yīng)用于瓦斯消除已初見成效。俄羅斯研究人員研發(fā)了一種甲烷氧化細(xì)菌液態(tài)“菌劑”，將該菌劑由鉆孔注入煤層，在工業(yè)化試驗(yàn)中可使甲烷含量降低30%～60%[8]。加拿大學(xué)者查克拉沃蒂在模擬試驗(yàn)中觀測(cè)了不同條件下甲烷氧化細(xì)菌氧化甲烷情況，結(jié)果表明經(jīng)細(xì)菌處理后甲烷濃度呈10倍甚至100倍降低[9]。北京科技大學(xué)的陳東科等在試驗(yàn)中向原煤樣添加甲烷氧化細(xì)菌，研究發(fā)現(xiàn)煤樣中瓦斯的平均降解率為44%，最大達(dá)52%[10]。

研究結(jié)果表明在常壓、足氧條件下通過甲烷氧化菌降解甲烷氣體具有極大的可行性。若能在采掘作業(yè)之前，通過煤層鉆孔和高壓水將甲烷氧化菌液注入高瓦斯(突出)煤體，把煤層中的瓦斯氣體氧化分解成為二氧化碳和水，則可以有效降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，并顯著減少采掘期間的瓦斯涌出量。不僅開辟了一條微生物化學(xué)方法治理煤礦瓦斯突出、瓦斯爆炸重大災(zāi)害的新途徑，還能大幅度降低由于大量甲烷排放引起的溫室效應(yīng)，起到煤礦減災(zāi)與大氣環(huán)境保護(hù)的雙重功效。基于此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多組平行試驗(yàn)，以瓦斯壓力、細(xì)菌數(shù)量、氧濃度為變量，探索高壓稀氧環(huán)境下甲烷氧化菌降解瓦斯的作用效果，為進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。

1 甲烷氧化細(xì)菌降解CH4機(jī)理

甲烷氧化細(xì)菌(Methanotrophs)是指能以甲烷為唯一碳源和能源生長(zhǎng)的微生物。研究發(fā)現(xiàn)其利用CH4的過程如圖1所示[11]。

圖1 甲烷氧化細(xì)菌降解CH4過程

2 實(shí)驗(yàn)方法及材料

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用的甲烷氧化細(xì)菌菌液由河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院培養(yǎng)，來源于新鄉(xiāng)牧野湖旁5～10cm處濕土，采用無機(jī)鹽無碳源培養(yǎng)基，使用甲烷作為唯一碳源，經(jīng)過多次分離純化，革蘭氏染色、生長(zhǎng)曲線測(cè)定等鑒定手段篩選而得，然后將所得菌株培養(yǎng)至7天(進(jìn)入生長(zhǎng)峰值)時(shí)的菌液作為實(shí)驗(yàn)所用菌液，OD值約為0.8，稀釋2倍、3倍后得到不同濃度菌液。

本實(shí)驗(yàn)煤樣采自河南省焦作市演馬礦一工作面鉆芯煤粉，晾干后制成直徑0.18～0.25mm(60～80孔目)的煤樣，約2000g，裝入試樣瓶中備用。

本實(shí)驗(yàn)采用的裝置如圖2所示，主要分為四個(gè)部分，氣源：CH4和O2高壓氣體鋼瓶；自制混氣系統(tǒng)：兩個(gè)罐可定量充入、放出單一或混合氣體；吸附-降解系統(tǒng)：包括真空泵、吸附罐、恒溫水浴系、真空脫氣裝置等；分析系統(tǒng)：氣相色譜儀。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要過程包括裝樣—充氣—吸附—放氣分析—計(jì)算。裝樣：精確稱取干燥煤樣80g，向煤樣里均勻?yàn)⑷胍欢w積的菌液，裝入煤樣吸附罐，抽真空(10min)；充氣：先將鋼瓶?jī)?nèi)氣體充入混氣裝置，再將混氣裝置內(nèi)的氣體作為吸附罐的充氣源，控制初始和結(jié)束壓力可定量，且可以按比例充入CH4和O2混合氣體；吸附與降解：充氣完成后將吸附罐置于30℃恒溫水浴，讓煤樣吸附瓦斯、甲烷氧化菌降解瓦斯同步進(jìn)行，觀察記錄直至壓力表恒定；放氣分析：分三步，達(dá)到吸附平衡后將吸附罐連接上真空脫氣裝置放氣直至常壓，由真空液柱下降的刻度讀出放氣體積，然后通入氣相色譜儀分析此時(shí)氣體組分；再將吸附罐進(jìn)行高溫加熱再次進(jìn)行放氣，讀出放氣體積和進(jìn)行組分分析；最后將煤樣取出密閉粉碎，測(cè)定殘存在煤樣里的CH4與CO2體積；計(jì)算：根據(jù)各個(gè)階段的壓力、放出氣體體積，計(jì)算氣體中CO2含量、煤對(duì)CH4的吸附量，分別見圖3、圖4。

圖3 1～4組最終得到CO2總體積

圖4 1～4組煤樣CH4吸附量

本次實(shí)驗(yàn)分別以初始吸附壓力、菌液濃度和充氣O2濃度為變量，每個(gè)變量條件下做三組平行對(duì)照試驗(yàn)，探討了不同條件下甲烷氧化菌降解瓦斯效果以及對(duì)煤體吸附瓦斯性能的影響。1號(hào)組為壓力變量組，向煤樣中加入10mL 50%濃度甲烷氧化菌菌液，充入氣體CH4：O2為9∶1，初始?jí)毫Ψ謩e控制為5MPa、4MPa、3MPa；2號(hào)組為菌液體積變量組，充入氣體CH4：O2為9∶1，初始?jí)毫刂茷?MPa，分別向各組煤樣加入10mL 33%、50%、100%濃度的甲烷氧化菌菌液；3號(hào)組為O2濃度變量組，向煤樣中加入10mL 50%濃度甲烷氧化菌菌液，初始?jí)毫刂茷?MPa，各組煤樣充入吸附氣體O2濃度分別為5%、10%、15%。并設(shè)置空白對(duì)照組4，O2濃度為10%，初始?jí)毫Ψ謩e控制為5MPa、4MPa、3MPa，加入蒸餾水體積為10mL。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 煤樣中CO2生成量的變化

由圖3可知，同空白對(duì)照組4相比，1～3組所得到的CO2體積均有所增加，這些增加的部分，正是由于甲烷氧化菌的生命呼吸作用產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)表明，在高壓稀氧的環(huán)境下，甲烷氧化菌仍然能夠進(jìn)行生命呼吸活動(dòng)，將煤體中的部分CH4氧化成CO2，發(fā)揮降解瓦斯和降低瓦斯壓力的作用。同時(shí)，壓力組組1數(shù)據(jù)表明在較高的環(huán)境壓力(或較多的反應(yīng)氣體)下生成更多CO2；菌液濃度組組2數(shù)據(jù)表明更高的細(xì)菌濃度能生成更多CO2；O2濃度組組3數(shù)據(jù)表明更高的O2濃度條件下，甲烷氧化菌可以更好地降解CH4并生成CO2；在O2濃度僅為5%、壓力為4MPa的惡劣條件下，反應(yīng)仍能進(jìn)行。

3.2 煤樣中CH4吸附量的變化

由圖4可知，壓力變量組組1與空白對(duì)照組組4對(duì)比，在其他條件相同時(shí)，加入甲烷氧化細(xì)菌的煤樣甲烷吸附量要低于加入等體積蒸餾水的煤樣甲烷吸附量。這一結(jié)果的產(chǎn)生，正是由于加入了甲烷氧化細(xì)菌后降解反應(yīng)的進(jìn)行消耗了CH4，生成了CO2，吸附壓力的降低和吸附競(jìng)爭(zhēng)的形成都有利于煤樣中吸附瓦斯的解吸。同時(shí)由組2和3數(shù)據(jù)可以看出，菌液濃度的增加和O2濃度的提高都有利于解吸過程的進(jìn)行，這為今后將甲烷氧化細(xì)菌應(yīng)用于礦井瓦斯防治提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論及展望

1)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，由河南師范大學(xué)生物工程學(xué)院培育的甲烷氧化菌能降解CH4，降解過程有CO2生成，且在較高壓力、氧氣濃度較低的情況下仍能發(fā)揮作用，但降解效率有待提高，可以考慮通過生物技術(shù)和混合菌種群落共生來提高活性和氧化效率。

2)本次實(shí)驗(yàn)中，初始?jí)毫υ礁摺⒓尤刖簼舛仍酱蟆怏w中O2含量越高，則越可以更好地促進(jìn)反應(yīng)，生成更多的CO2；加入菌液后煤樣對(duì)CH4的吸附性能降低，更有利于吸附CH4的解吸。結(jié)合這兩點(diǎn)條件可以設(shè)計(jì)下一步實(shí)驗(yàn)方案，探究如何將甲烷氧化細(xì)菌更好地應(yīng)用到礦井瓦斯防治與環(huán)境保護(hù)中。

3)甲烷氧化菌降解反應(yīng)對(duì)煤體內(nèi)吸附瓦斯的影響是多方面的，同時(shí)對(duì)于瓦斯防治也是有利的，要綜合水分、壓力、氣體成分加以考慮。需要進(jìn)一步了解降解反應(yīng)過程及其產(chǎn)物，探究它們的實(shí)際作用效果，為甲烷氧化細(xì)菌防治瓦斯的走向應(yīng)用提供更好的理論支撐。

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