生物煤層氣的文獻計量與發展綜述

段凱鑫，郭紅光，成雅彤

（太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原030024）

煤層氣屬于煤的伴生礦產資源，是自生自儲的 非常規天然氣，也是近年來在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。目前，世界上各產煤大國相繼步入煤層氣開發利用領域，其中美國已實現煤層氣的大規模商業化開發。我國近年來在井下抽采煤層氣以及地面開采煤層氣方面取得顯著進展，煤層氣產量逐年增加[1-3]。煤層氣是植物體被埋藏后，在煤化作用過程中，成煤物質經過微生物的生物作用以及環境的作用發生復雜的物理化學變化，含水量和揮發分含量減少，固定碳和發熱量的含量增加，同時也生成了以甲烷為主的氣體。根據煤層氣的成因分為2 類，即生物成因煤層氣和熱成因煤層氣。生物成因煤層氣因其埋藏淺，開發成本低等已成為國內外研究的熱點。生物成因煤層氣是煤層氣的重要組成部分，是在煤層原位多種微生物的協同作用下，降解煤所產生的甲烷氣體。生物煤層氣最初由Rightmire 提出[4]。1994 年，Scott 等針對煤化作用早期階段的生物成因氣，提出次生生物成因煤層氣[5]。此后，在不同煤階和不同形成歷史的煤層氣田均發現了生物成因煤層氣，并在煤層原位檢測到多樣化的相關厭氧微生物[6]。同時，微生物厭氧降解煤產甲烷也已在實驗室條件下實現[7]，進一步證實生物煤層氣的存在。我國煤層氣儲層的地質條件復雜，煤層氣開采難度較大，煤層氣抽采率相對較低，嚴重制約了煤層氣產業的發展。如何提高煤層氣采收率、實現煤層氣增產是我國煤層氣產業發展的關鍵之一，也是目前研究的重點和難點。基于生物煤層氣形成所提出的微生物增產煤層氣技術（Microbially enhanced coalbed methane，MECoM）[8]，是將厭氧微生物種群及其所需營養物質或厭氧微生物活性刺激物注入到煤層中，利用微生物降解煤產甲烷的特性來實現煤層氣的增產。該技術具有綠色、無污染、能夠產生新的煤層氣以及增加煤層滲透性等優勢[9]，具有重大的能源價值和廣闊的應用前景。理論上，存在生物成因煤層氣的氣田都具備微生物增產煤層氣技術的實施條件。目前，微生物增產煤層氣的實施以生物成因煤層氣的勘探為前提條件，以煤層原位微生物群落結構為指導，以生物降解煤產甲烷實驗為驗證和極速開發[10]。微生物增產煤層氣的成功實施將為煤層氣產業的可持續發展發揮重要推動作用。微生物增產煤層氣已成為研究的熱點，且研究進展快，但對其研究方向及未來發展趨勢并未明晰，需要綜述來掌握最新動態。由此，采用文獻計量及文獻綜述相結合的方法，通過Web of ScienceR數據庫主題檢索，以相關論文發表數量為指標，結合代表性文獻的綜述，對生物煤層氣形成機理及增產理論與技術進行綜述，為我國生物煤層氣的研究提供指導，推動生物煤層氣的發展。

1 文獻計量分析生物煤層氣的研究趨勢

1.1 數據來源與研究方法

數據來源于湯森路透（Thomson Reuters）知識產權與科技信息集團出品的Web of Knowledge（WOK）平臺Web of ScienceR數據庫，時間跨度為1998—2018 年。選擇主題檢索，設置主題詞檢索策略為：主題（coal）AND 主題（methane or gas）AND 主題（microbial or microorganism）。在Web of ScienceR所有數據庫主題檢索完成后，手動剔除不相符的文獻以準確獲得全部相關論文文獻。

使用的研究方法是將檢索出的論文文獻保存至EndNote 文獻管理軟件中，然后使用Excel 和Origin等軟件對所獲得的數據進行統計與計量分析，從而掌握生物煤層氣的發展動態和趨勢。

1.2 相關SCI 論文分布情況及研究趨勢

通過Web of ScienceR平臺主題檢索和手動篩選，1998—2018 年間全球SCI 共收錄生物煤層氣的相關論文688 篇。全球生物煤層氣領域SCI 發文量的年度分布及累積發文量（1998—2018 年）如圖1。

圖1 全球生物煤層氣領域SCI 發文量的年度分布及累積發文量（1998—2018 年）Fig.1 Annual distribution and cumulative number of SCI publications in the global biological coalbed methane field from 1998 to 2018

從整體來看，生物煤層氣的相關研究開展時間較短，與其他研究領域相比[11]，科學論文發表數量還相對比較少，研究發展正處于萌芽期。中國、美國和澳大利亞在全球生物煤層氣領域的科研發展較快，累計發文數量占總數的61.72%，各國生物煤層氣領域SCI 發文量比例（1998—2018 年）如圖2。

圖2 各國生物煤層氣領域SCI 發文量比例（1998—2018 年）Fig.2 Proportion of SCI in the field of biological coalbed methane in various countries from 1998 to 2018

基于統計分析和文獻綜述，生物煤層氣的相關研究可分為3 個方向：①生物成因煤層氣的勘探研究；②煤層氣田微生物多樣性研究；③微生物降解煤的培養實驗研究。3 個方向分別檢索到285 篇、219 篇和354 篇SCI 論文，部分論文涉及多個研究方向。具體而言，共搜索到38 篇論文涉及生物煤層氣研究的全部3 個方向；61 篇論文涉及方向①和方向②；59 篇論文涉及方向①和方向③；108 篇論文涉及方向②和方向③。3 個研究方向的發文數量相近。年度分布情況顯示（圖1），方向③微生物降解煤的培養實驗研究的發展勢頭迅猛，累計發文量處于快速增長期，是未來研究發展的主要方向，研究內容主要是生物煤層氣形成機理及其增產理論與技術。

2 生物煤層氣形成機理研究進展

雖然煤中富含有機碳，但由于其有機結構復雜，導致生物甲烷的產生過程極為復雜。生物煤層氣主要是煤在厭氧條件下通過微生物發酵生成，其形成過程整體上符合經典厭氧發酵產甲烷理論，煤的厭氧降解起始于煤中聚合物或單體化合物的分解，產生芳香族、脂肪酸、醇類等化合物；然后通過不同功能菌協同作用，包括異養細菌，發酵菌，產乙酸菌和真菌[12]，這些中間代謝產物進一步被分解、降解，形成產甲烷底物，如短鏈揮發性脂肪酸、CO2、H2等簡單小分子化合物；最后，產甲烷菌利用底物產生甲烷。但生物煤層氣獨特的形成機制還未明晰。雖然大量研究從微生物、有機物、煤結構、生物酶等方面分析了微生物降解煤代謝過程，但關于生物煤層氣的產生機制還沒有形成統一、明確結論，仍需要進一步深入研究，以指導增產技術研發。

2.1 微生物群落組成

研究學者利用微生物生態學方法，如16S rRNA基因克隆文庫、高通量測序技術等，在世界上多個煤層氣田都檢測到豐富的微生物群落，對原位煤層中微生物群落的研究已經確定了細菌和產甲烷古菌的多種組合[13]。基于DNA 的微生物群落特征研究表明，原位煤層的細菌多樣性遠高于古菌多樣性，以Proteobacteria 和Actinobacteria 為主；而不同的原位煤層可能存在不同的產甲烷古菌，例如：在美國汾河盆地主要為乙酸營養型和氫營養型產甲烷古菌[6]，而在我國鄂爾多斯盆地檢測到以甲基營養型產甲烷古菌為主[14]。目前，對生物煤層氣微生物群落組成研究重點已從原位研究轉向實驗室研究。Chen 等研究了褐煤厭氧降解產甲烷過程中的微生物群落，主要細菌為Geovibrio、Macellibacteroides 和Desulfovibrio，古菌為Methanocalculus 和Methanosarcina[15]。在沁水盆地無煙煤降解產甲烷實驗中，主要的細菌為Enterobacter, Acetoanaerobium， Macellibacteroides,Clostridium 和 Ercella， 古 菌 為 Methanosaeta 和Methanocella[16]。Rathi 使用16S rRNA 基因擴增方法研究了印度賈里亞煤層水在實驗室富集后微生物群落的組成，細菌主要分布在Firmicutes 和Bacteroidetes，包括Bacillus sp.，Coprothermobacter proteolyticus sp., Thermoanaerobacteriaceae bacterium sp., Thermogutta hypogea sp.，古菌主要為Methanosaeta 和Me-thanothermobacter[17]。Zhang 等研究了伊利諾伊州盆地原位與實驗室培養的微生物群落組成，發現存在很大的差異，在原位中主要的細菌為Meniscus spp., Syntrophus sp., Ruminococcus spp., 古菌主要為Methanobacterium，而在實驗室培養后，主要的細菌為Clostridium bifermentans，Massilia spp., Pseudomonas putida，古菌主要為Methanocalculus[18]。基于不同地區原位和實驗室煤生物轉化中涉及的微生物群落的分析，不同地區的微生物群落組成存在很大差異，且在實驗室培養中已經鑒定細菌主要的門為Firmicutes 和Bacteroidetes，這與原位微生物群落具有很大的差異性[6]。在未來的研究中要加大對生物煤層氣微生物群落動態過程的研究，在原位應用上應充分考慮與實驗室微生物群落的差異性。

2.2 降解過程中的有機物

由于煤的組成復雜，其生物降解過程中會產生多種中間代謝有機物。Liu 等在次煙煤的厭氧降解過程中檢測到長鏈脂肪酸、烷烴、烯烴和一些低分子量芳香化合物[19]。郭紅光等在沁水盆地微生物降解煤產甲烷過程中，發現了豐富的有機物，包括脂肪烴、脂肪醇、短鏈脂肪酸（C1-C10）、中鏈脂肪酸（C11-C20）、長鏈脂肪酸（C21-C32）、芳香烴、含氧芳香化合物、多環芳香烴和苯酚等[16]。Orem 在厭氧降解煤產甲烷培養液中檢測到高濃度的十六烷酸和C22-C36 烷烴類化合物[20]。雖然在煤厭氧降解實驗中檢測到大量的有機物，但對于煤降解過程中各種化合物如何轉化仍沒有得出明確的結論，在今后的研究中仍然要加強對化合物轉化的研究，以明確煤厭氧降解過程中的有機化學機制。

2.3 煤結構的變化

由于微生物與煤的相互作用，煤結構也會發生明顯的變化。一些學者利用現代測試技術（如FTIR，XRD，液氮吸附等）研究微生物厭氧降解對煤結構特征和孔隙度及滲透率的影響。郭紅玉等通過FTIR和XRD 進行測試，分析煤在生物甲烷代謝后煤結構的變化，結果表明，煤中含氧官能團增加，芳香環含量減少，羥基、醛羰基和亞甲基的相對含量降低，芳香核層間距增大，微晶堆砌度、延展度和芳香層數減小[21]。Zhang 通過小角度X 射線散射（SAXS），低壓N2和CO2吸附研究了煤降解過程中孔隙結構的演變，發現次煙煤粉末樣品經生物降解后，煤結構中微孔比表面積增加[22]。Pandey 等通過對降解后的煤進行吸附-擴散實驗，結果表明，微生物代謝導致粉煤中孔隙的比表面積增加，同時，微生物的持續作用能夠有效改善煤的孔隙結構[23]。郭紅玉等對焦煤、氣煤和長焰煤進行生物降解實驗，發現降解后煤樣孔裂隙增加，連通性增強，孔隙結構進一步改善[21,24]。但關于煤降解過程中滲透性變化的研究報道很少。Stephen 等采用亞煙煤粉末顆粒充填反應器，在加壓條件下開展生物降解煤實驗，研究發現，反應生成的生物膜、胞外聚合物和氣體吸附在煤基質上，以及小顆粒煤粉的堆積，最終導致了煤整體滲透率的下降[25]。以上研究證實，微生物厭氧降解能夠有效改善煤結構，孔隙度。但目前微生物厭氧降解煤的研究主要采用粉煤為底物，與煤層原位相比，粉煤的使用降低了煤的厭氧降解難度[26]，與實際降解情況有一定差距。在未來的研究中，微生物降解對煤試件結構、孔隙度、滲透性等的影響需要深入研究，以分析煤體對微生物降解的影響機制以及微生物降解對煤體的作用機理。

2.4 降解過程中的微生物酶

由于煤分子較大，早期中間產物也大多為大分子類化合物，因此，微生物很難通過攝入底物的方式在細胞內實現降解、代謝，而需要向細胞外分泌活性物質（主要是胞外酶），在胞外完成煤分子的斷裂、中間產物的降解等。已有研究在煤組分代表性化合物的細菌厭氧降解中獲得了部分生物酶，如琥珀酸芐酯合成酶、萘基-2-甲基-琥珀酸酯合成酶、苯乙烷脫氫酶、苯厭氧羧化酶等[27-28]；Zhang 等利用蛋白組學技術在厭氧降解煤的培養液中同樣檢測到多種酶的存在，其中在細菌細胞代謝中，谷氨酸脫氫酶是最豐富的，參與底物利用和轉化的酶主要有：鐵氫化酶、葡萄糖激酶、鼠李糖激酶、糖苷水解酶、亞硫酸鹽還原酶和甲基輔酶A 還原酶；古菌產生乙酸激酶、磷酸轉乙酰酶、乙酰輔酶A 脫羰酶合成酶、甲酰基- 甲基呋喃脫氫酶等，這些酶在轉化甲烷過程中起著重要作用；真菌分泌甲基轉移酶、ATP 酶、組氨酸激酶，這些酶的相對水平較低，但證實了真菌酶的存在[29]。微生物酶的研究對闡釋微生物代謝機理及有機物演替規律具有重要意義，在未來的研究中應對整個代謝過程中微生酶的作用機制進行深入研究。

3 生物煤層氣增產理論與技術研究進展

在實驗室條件下，已實現微生物厭氧降解煤產甲烷。然而，生物甲烷產量未達到商業開發水平導致微生物增產煤層氣的實際工業化應用還非常有限。因此，如何增強煤的厭氧生物降解效率，提高生物成因煤層氣產量，是微生物增產煤層氣技術亟需解決的關鍵問題之一。目前為止，對微生物增產煤層氣的方法技術主要分為3 類：功能微生物及生物強化研究，煤結構改性研究以及添加外源物質刺激微生物研究。

3.1 增產煤層氣功能微生物及生物強化

功能微生物是微生物增產煤層氣的關鍵之一。僅 美 國 的 Green、Jones、John Fuertez、Harris、Liang Yanna，印度的Lavania，我國的郭紅光等進行了煤層原位功能菌群的培育工作。Green 等從美國粉河盆地煤層氣產出水中富集獲得了細菌和產甲烷菌混合菌群，培養條件能夠顯著影響菌群的甲烷產量[26]。郭紅光等從沁水盆地煤層氣產出水富集獲得了降解無煙煤產甲烷高效菌群，并對降解過程中的中間代謝產物以及降解后的煤結構變化進行了研究[16]。Lavania 等從印度Jharia 煤礦篩選獲得亞煙煤降解菌群，其中微生物主要是產甲烷菌Methanoculleus thermophiles 和細菌Comamonas sp.[30]。Jones 等富集了產甲烷菌群WBC-2，主要由與復雜有機物降解相關 的 細 菌 組 成（Clostridium sp.，Bacteroides spp.，Acetobacterium sp.）[31]。對功能微生物的研究有助于生物強化煤增產甲烷的應用和發展。生物強化是向煤中添加新的或額外的功能微生物以增強或引發微生物產甲烷，它可以由單個微生物或高效的微生物群落（即細菌和古細菌）組成，其中煤源微生物強化已在實驗室進行實施并取得不錯的效果[26]，但微生物強化在原位應用上仍然有一定的限制和困難[32]。首先是微生物群落的地區差異，對一個地區的理想刺激方法可能不適用于另一個地區。另外，向煤層中添加微生物之外，還必須針對給定的微生物調整煤層的氧化還原條件或鹽度以優化微生物的生長。目前關于微生物在煤層原位的詳細代謝特征、在甲烷生成中的確切作用還不明確、生物強化的方法技術還不成熟。功能微生物的代謝特征研究將為微生物增產煤層氣技術的應用奠定基礎，也為微生物厭氧降解煤產甲烷機理研究提供支撐，還將揭示地下煤層特殊生境的微生物資源。

3.2 煤結構改性增產生物甲烷研究

目前普遍認為，大分子煤是限制生物甲烷生成的主要因素之一。因此，通過改性煤結構，提高煤的生物利用度成為增產生物甲烷的有效途徑之一。多種物理、化學及生物方法已被廣泛應用于生物降解的提速過程。化學方法如利用HNO3、H2O2、KMNO4及其他化學處理劑將煤轉化為小分子物質以促進生物降解實現甲烷增產[33]。其中，H2O2優勢較為明顯，是當前研究熱點。Haq 等使用H2O2預處理塊狀褐煤，煤的可溶性碳增加了4 倍，從而增加了生物甲烷的產生[34]。Chen 等利用H2O2處理亞煙煤后，生物甲烷產量高于未處理前10～20 倍，增產效果顯著[35]。Liu 等研究粉河盆地的次煙煤經H2O2處理后，增加了羧酸的產生，增產了生物甲烷[19]。還有研究學者通過添加化學表面活性劑減少煤分子之間的表面和界面張力，增加煤的溶解度[36]，從而促進煤降解產甲烷。物理方法如水力壓裂，它是在天然氣開采過程中增加表面積和釋放氣體的常用方法。通過水力壓裂增加煤的孔隙，有助于將注入的營養物和微生物與更多煤表面接觸，從而促進甲烷的生產，Zhi 等通過建模模擬水力壓裂使生物甲烷增產500%[37]。生物方法主要是通過真菌和細菌預處理煤，促進煤的溶解。Haider 等利用真菌和細菌預處理煤，提高了后續厭氧降解效率[38]。夏大平等用白腐菌預處理瘦煤，煤的大分子結構被降解，結構被破壞，芳香結合程度降低，提高了生物甲烷轉化效率[24]。煤結構改性對于增產煤層氣技術意義重大，需要對降解前煤的預處理方法進行拓展創新，同時煤改性對微生物增產煤層氣的影響機制還需要進一步深入細致研究。

3.3 添加外源物質刺激微生物降解煤研究

通過添加外源物質刺激微生物代謝活性是增產生物甲烷的重要技術手段。為了刺激微生物活性，研究使用了營養素（NH4+，K2HPO4，微量元素，維生素），酵母提取物和/或蛋白胨[39]，均刺激了微生物的活性，增產了生物甲烷。一些生物刺激研究添加產甲烷底物（例如甲酸鹽，乙酸鹽，H2）作為營養底物[6]，也被證明可以增加生物甲烷產量，但這些產甲烷底物直接轉化為甲烷，并沒有顯著增加降解煤產甲烷的轉化率。煤結構是限制生物甲烷生成的主要因素，因此，在選擇添加外源物質時，刺激的目標應該是降解煤的微生物群落，而不是僅僅產甲烷菌。

在已有研究中主要以煤為唯一碳源開展生物甲烷生成相關研究。但煤結構的復雜性和牢固性導致微生物對煤的降解率和利用率較低。由此，研究學者提出，通過添加外源碳，刺激微生物代謝活性，同時與煤相互作用，加速生物甲烷生成，如藻類、藍藻、酵母細胞、顆粒酵母提取物、秸稈等[40-42]，均刺激了微生物的活性，增產了生物甲烷。其中，秸稈的增產效果最為顯著。Yoon 等發現，水稻秸稈與褐煤共降解可以有效提高生物甲烷的產量[43]。李亞平等研究了煤與水稻秸稈共降解產生物甲烷，結果顯示水稻秸稈可以顯著提高褐煤、煙煤、無煙煤的甲烷產量，最高增量可達1 644.16%[44]。郭紅玉等的研究結果顯示，玉米秸稈可以顯著提高褐煤和2 種煙煤的生物甲烷產量，最高甲烷產量可達2.69 mmol/g 煤，增產448.98%[41]。由此可見，添加外源物質是一種降解煤增產生物甲烷的重要策略，而在生活中存在很多富含生物質和有機炭的廢棄物，例如各種秸稈、生活垃圾等，共降解的利用一方面可以增產生物甲烷，另一方面使這些廢棄物更環保低成本的利用。雖然對添加外源物質進行了廣泛的研究，但對增產機理仍未明確，在未來的研究中，還需要深入研究增產的機理。

4 結 語

基于近20 年全球SCI 論文文獻統計和文獻綜述分析，微生物降解煤的培養實驗是近年來研究的熱點，但目前仍處于發展階段。美國、中國和澳大利亞對于生物煤層氣的SCI 發文量具有一定的優勢，科研成果也較為出色，發展空間巨大。盡管我國在該方面的論文數量逐年增加，但科研質量和國際影響力仍有待提高。微生物降解煤的模擬實驗將成為未來研究的主要方向，以微生物培養實驗為基礎，結合多種分析手段（包括同位素、高通量測序、液氮吸附，FTIR，XRD 等）是解決生物煤層氣難點的研究趨勢。而提高原位和非原位煤的甲烷產量是工業化的關鍵。功能微生物研究，煤結構改性研究以及添加外源物質刺激微生物研究已被證實是增產生物煤層氣的主要技術手段，迫切需要在未來加強對這些技術的研究，開發一套最優增產技術。另外，對于原位增產生物煤層氣的技術也應該被深入研究，比如為特定的煤層和微生物確定具有成本效益的營養素方案，確定合適的注入方式等。生物煤層氣的廣泛應用，可以充分實現資源的循環利用，具有重大的能源價值和廣闊的應用前景。