微生物降解甲烷的機理與影響因素的探討

姜曉童　李云云　雷榮榮　李迪　王星宇

摘 要：在現代科技的飛速發展下，借助微生物降解煤層里的殘余甲烷，已經得到越來越多專業人士的認可。在現代技術的輔助下，研究人員可以通過培養好氧型微生物并將其注入煤層，經過滲透后利用自身的相關生命活動消耗其中的甲烷，從而降低開采煤炭時的危險系數。文章分析了微生物降解煤層甲烷的機理，探討了微生物降解效率的影響因素。

關鍵詞：微生物 降解 甲烷 機理 影響因素

中圖分類號：X74 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0254-03

Abstract： With the fast development of modern science technology， using microform degradates coal firedamp is getting more and more professionals ratification. With the help of current technology， people can foster germs of oxide and pour them into coals， after osmosis and consume coal firedamp by vital activities， then decrease danger. The article analysis theory of microform degradates coal firedamp， and discusses factors of microform degradation.

Key Words： Microform； Degradation； Firedamp； Theory； Factor

煤炭一直是我國所有使用的能源中占比重最高的能源，其生產和消費總量都在70%以上，我國在供電、取暖等方面使用的基本是煤炭。而我國煤層甲烷開發所面臨的主要問題是煤儲層壓力、滲透率和含氣飽和度普遍較低[1]。因此，煤炭的開采及有效利用顯得尤為重要。

中國煤層氣有利勘探面積約為37.5×104 km2，地質資源量為36.8×1012 m3，可采資源量為10.9×1012 m3[2]。雖然多年以來，我國比較重視煤礦瓦斯的開采及技術提高工作，對治理煤層甲烷起到了很大推進作用，但我國在煤層甲烷方面的研究起步較晚，對煤層甲烷資源的認識不夠全面，開采的技術相對落后且不成熟[3]。

1939年，法國著名煤化學家尤洛夫斯基提出利用特殊的甲烷氧化菌，降低煤井內甲烷濃度，隨后，各國的科學家相繼進行了類似的研究 [4-6]。在國家政策的大力推動下，煤層甲烷實現規模化開發利用，一些重大核心技術取得突破，但目前煤層甲烷的采收率一般較低[7]。有不少研究者通過鉆孔設備將甲烷氧化菌液注入煤層或噴灑在巷道壁面、采空區、盲巷等處來降低瓦斯濃度[8]，但這些方式存在較大局限性。

目前，我國瓦斯的主要治理技術為礦井通風、礦井瓦斯抽放和“四位一體”的綜合防范措施等物理方法[9-10]。而我國煤層地質條件復雜、煤層透氣性差及由此形成的自身特點決定了現有甲烷抽放技術的限制性，煤層甲烷所導致的災害不能得到徹底的解決。在生物技術的帶動下，國內外的許多研究人員開始開展利用微生物降解地面甲烷的研究，并取得了較為明顯的成果[11]。我國也緊跟世界腳步，在非常規油氣勘探和開發上取得了顯著成績，獲得了一系列重大的發現，在油氣勘探開發中扮演著越來越重要的角色[12-16]。

1 微生物降解甲烷的機理

利用微生物降解煤層甲烷的研究在俄羅斯、澳大利亞等國家已經取得了一定的成果。俄羅斯研究人員獲得了一種專門“吃” 瓦斯的細菌，并將其研制成液態的“菌劑” 制品，通過鉆孔輸入煤床，甲烷在原處被細菌“吃掉”（甲烷被氧化），通過這種方法可使甲烷減少50%；澳大利亞研究人員把“吃”甲烷的細菌菌液噴灑到煤礦壁上，細菌以甲烷為唯一碳源而繁衍，20 d后煤礦甲烷氣的去除率高達66%[17]。

在開采煤層之前，利用相關儀器將過量二氧化碳注入煤層之間，將煤層甲烷驅趕到表面，然后將微生物培養液（甲烷氧化菌培養液）噴灑到煤層上，利用微生物的生命活動對甲烷的降解來降低其中的甲烷濃度，接著再注入二氧化碳吸附在煤層表面以促進煤層甲烷的解吸；同時，在煤層間另一種微生物（產甲烷菌）的作用下，將二氧化碳部分轉化為甲烷，從而完成二氧化碳的能源化和資源化，形成“二氧化碳—燃料—二氧化碳”的循環體系。

現在研究所采用的降解甲烷的微生物是甲烷氧化菌。甲烷氧化菌是甲基氧化菌的一個分支，其特別之處在于能夠利用甲烷作為唯一的碳源和能源[18]。甲烷氧化菌的分布范圍極廣，在許多極端環境（如：酸、堿、鹽、高溫、低溫、寡營養等）中都有存在[19]。

甲烷氧化菌可以分為甲基單胞菌屬（Methylomonas）、甲基細菌屬（Methylobacter）、甲基球菌屬（Methylocoecus）、甲基孢囊菌屬（Methylocytis）、甲基彎曲菌屬（Methylosinus）、甲基微菌屬（Methylomicrobium）、Methylocaldum、Methylosphaera[20]。幾乎所有的甲烷氧化菌都是專性氧化菌。甲烷氧化菌的典型特征是含有甲烷單加氧酶（MMO）能夠催化甲烷氧化為甲醇，甲烷氧化菌氧化甲烷生成二氧化碳，并在此過程中獲得生長所需的能量。第一步由甲烷單加氧酶（MMO）將甲烷活化生成甲醇，甲醇進一步被氧化為甲醛，甲醛被同化為細胞生物量或通過甲酸氧化為二氧化碳，然后經過一系列的脫氫反應生成二氧化碳重新回到大氣中，即甲醇—甲醛—甲酸—甲酸鹽和二氧化碳[21]的過程。

甲烷單加氧酶（MMO）的催化機理為[22]： 3個復合酶分別為羥基化酶、調節蛋白B和還原酶；羥基化酶和烷烴結合，并使之活化，還原酶接受NADH的電子，并將電子傳遞至羥基化酶。根據酶催化機理，生物體內的甲烷單加氧酶部分氧化時必須存在還原劑（NADH或者NADPH，其中NADH為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADPH為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。

2 微生物降解甲烷的影響因素

眾所周知，每一種微生物的存活、生長與繁殖都需要物質和環境因素，例如：水、無機鹽和有機物等營養物質，以及溫度、濕度和壓力等環境因素。而微生物降解甲烷的過程中，由于煤層的埋藏環境與一般情況下有很大不同，這就要求所需要的甲烷氧化菌群必須能適應煤層所處的環境，并且可以在此環境下存活，進行正常的生命活動。以下為降解過程中常見的影響因素。

2.1 溫度

溫度能直接影響甲烷氧化菌內的甲烷單加氧酶（MMO）的活性，而甲烷單加氧酶（MMO） 催化甲烷氧化為甲醇恰恰是降解過程的第一步，倘若這一步無法進行，更不用說后面的降解過程了。因此，甲烷氧化菌必須要能夠適應煤層的溫度，才能使降解的效率提高。

2.2 壓力

在通常情況下，如果某個個體內部的壓力與外界環境的壓力相差很大，自身往往會被外界壓碎或膨脹裂開，從而導致其死亡。煤層存在地下幾千米，所受的壓力與地面壓力大不相同，甲烷氧化菌需要在自身存活的前提下才可以進行降解。

2.3 營養元素

將甲烷氧化菌輸送到煤層間采用的是液體培養基。在液體培養基中要包含其正常生長繁殖所需要的營養元素，既要有C、H、O、N、P等常量元素，也要有Cu、Mn、Zn、Ni等微量元素。

2.4 二氧化碳的濃度

經相關實驗證明，二氧化碳的濃度對于甲烷氧化菌的降解效率也有一定的影響。二氧化碳濃度越高，表明氧氣濃度越低，會對甲烷氧化菌的呼吸類型產生影響。

3 結語

利用厭氧型微生物（甲烷氧化菌）降解甲烷，一是可以降低煤層中的甲烷濃度，從而使危險程度降低，保障工作人員的安全；二是大大減少向大氣中排放的甲烷量，一定程度上可以減慢全球溫室效應的進程。今后的微生物研究方向不單是使甲烷氧化菌能夠適應煤礦的溫度、壓力和氧氣環境，還要將微生物技術應用到其他方面，不僅可以降低成本，提高效率，也會帶來不可估量的環保效益。

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