從非產氣褐煤中用微生物生產天然氣的可行性

本文的研究基于假設，即非生產褐煤中微生物甲烷可以被激發生成，微生物種群應在甲烷生產這些過程中進行轉換。研究目的是，測定從已檢測出無甲烷生產的褐煤樣品中激發微生物甲烷生產的可行性。

一、引言

煤建造中的天然氣是一種非常規能源。自20世紀90年代以來，人們對識別生物成因煤層天然氣源的興趣與日俱增，通過激發煤層中微生物活性來恢復和提高天然氣產量。
本研究的假設是，非生產褐煤中微生物甲烷可以被激發生成，微生物種群應在甲烷生產這些過程中進行轉換。本研究的目的是，測定從已檢測出無甲烷生產的褐煤樣品中激發微生物甲烷生產的可行性。

二、方法和材料

（一）采樣地點和樣品采集

從已知的褐煤層中以鉆心的形式采集煤樣品。褐煤礦心被儲存在充入氮氣或氬氣的密封塑料容器中，以盡量減少與周圍空氣接觸。在建造水樣品采集（與鉆心同一位置）之前，3個井體積的地層水被泵出。空氣暴露被最小化，容器被密封且沒有頂部空間，而氮氣或氬氣被用來清除容器內的水。
褐煤和建造水樣品采自澳大利亞、中國和印度尼西亞。

（二）微生態系統設置

微生態系統由各取樣點位的褐煤和建造水組成，建立在實驗室中充滿氮氣背景氣體厭氧手套箱內的125毫升血清瓶中。所有的實驗活動，諸如煤和建造水的處理、稱量、溶液配制和微生態系統的密封，都在手套箱內進行，以使氧接觸最小化。所有用于微生態系統的容器和工具都經過蒸壓滅菌，以避免微生物污染。

（三）氣體和微生物分析

本研究通過直接取樣的方式分析微生態系統頂部空間氣體組分，即用注射器穿過每個微生態系統的隔膜進行取樣，然后注射到一個裝有熱導檢測器（GC-TCD）和3英尺×1/8英寸的不銹鋼HayeSep D填充柱的SRI 310C氣相色譜儀。用超高純度氦氣作載氣。在注射器穿刺的位置，每個微生態系統的隔膜用硅酮密封。

三、結果

（一）天然氣生產

微生態系統頂部空間氣體成分分析測定單位質量褐煤中甲烷和二氧化碳的生成量（表1）。

（二）微生物分析

細菌量是相關微生態系統在用Total Lab軟件分析的電泳凝膠DNA密度上來體現的。印度尼西亞褐煤的細菌量似乎最大（5.85×108 DOI），而中國褐煤的細菌量似乎最小（2.14×107 DOI）。營養處理大幅提高了3個地區褐煤樣品中的細菌總量，印度尼西亞、中國和澳大利亞的樣品分別提高了13%、350%和529%，與未處理的樣品呈相反的趨勢。
從產甲烷菌的計數數據上看，3個地區采集的褐煤樣品中，印度尼西亞褐煤中的產甲烷菌最多。

四、討論

微生態系統研究結果表明，在非產煤層的褐煤中，天然微生物群落可以被激發產生實時甲烷。
在我們的研究中，不同褐煤樣品之間存在甲烷產率、細菌量和產甲烷菌的差異，這可以部分歸因于每個采樣點位的特殊地質條件。因此，微生物群落對營養改良劑具有不同的響應，并且由于微生物群落的變化可能導致甲烷主要產生途徑的改變。

本研究的主要目的是確定煤中生物成因煤層天然氣實時生產的可行性。通過利用實驗室微生態系統這一工具得到的結果表明，隨著非碳質營養物的改良，甲烷可以從褐煤中產生，這種天然氣的產生完全歸因于褐煤基質中的土著微生物。研究較少的褐煤的選擇和從無產氣歷史地區的樣品采集為支撐測定甲烷“實時”生成建立了一個明確的基準。這一研究成果對工業應用特別重要，這些應用依靠實施和提高低階煤（如褐煤）的甲烷產量的工程技術。在3個不同地理區域的褐煤樣品中，甲烷的產生顯示了從具有較低或無社會經濟價值的低熱值的褐煤生產天然氣的機會。

資料來源：Paul H. Fallgren, Cuiping Zeng, Zhiyong Ren, Anhuai Lu, Shijin Ren, Song Jin. Feasibility of microbial production of new natural gas from non-gas-producing lignite. International Journal of Coal Geology, 2013, 115: 79~84.