高壓稀氧環(huán)境下微生物降解甲烷的實(shí)驗研究

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、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)境的改變也會發(fā)生變化[4-5]；從生長條件看，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、不同氧化底物對其生長可能都有所影響[6]。甲烷氧化菌可應(yīng)用于環(huán)境和工業(yè)工程的多個方面，我們重點(diǎn)關(guān)注兩個方面的應(yīng)用及潛在價值，即甲烷去除和有毒化合物的生物降解，對源自垃圾填埋場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中觀測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?；诖?，本實(shí)驗設(shè)計了多組平行試驗，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)驗方法及材料

2.1 實(shí)驗材料和設(shè)備

本實(shí)驗所用的甲烷氧化細(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、生長曲線測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)入生長峰值)時的菌液作為實(shí)驗所用菌液，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)驗采用的裝置如圖2所示，主要分為四個部分，氣源：CH4和O2高壓氣體鋼瓶；自制混氣系統(tǒng)：兩個罐可定量充入、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)驗裝置圖

2.2 實(shí)驗方法

本試驗主要過程包括裝樣—充氣—吸附—放氣分析—計算。裝樣：精確稱取干燥煤樣80g，向煤樣里均勻灑入一定體積的菌液，裝入煤樣吸附罐，抽真空(10min)；充氣：先將鋼瓶內(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，測定殘存在煤樣里的CH4與CO2體積；計算：根據(jù)各個階段的壓力、放出氣體體積，計算氣體中CO2含量、煤對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)驗分別以初始吸附壓力、菌液濃度和充氣O2濃度為變量，每個變量條件下做三組平行對照試驗，探討了不同條件下甲烷氧化菌降解瓦斯效果以及對煤體吸附瓦斯性能的影響。1號組為壓力變量組，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，初始壓力分別控制為5MPa、4MPa、3MPa；2號組為菌液體積變量組，充入氣體CH4：O2為9∶1，初始壓力控制為4MPa，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，初始壓力控制為4MPa，各組煤樣充入吸附氣體O2濃度分別為5%、10%、15%。并設(shè)置空白對照組4，O2濃度為10%，初始壓力分別控制為5MPa、4MPa、3MPa，加入蒸餾水體積為10mL。

3 實(shí)驗結(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，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，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與空白對照組組4對比，在其他條件相同時，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爭的形成都有利于煤樣中吸附瓦斯的解吸。同時由組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)驗中，初始壓力越高、加入菌液濃度越大、氣體中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)計下一步實(shí)驗方案，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)對煤體內(nèi)吸附瓦斯的影響是多方面的，同時對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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