微生物降解甲烷的機(jī)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(xiàn)代科技的飛速發(fā)展下，借助微生物降解煤層里的殘余甲烷，已經(jīng)得到越來越多專業(yè)人士的認(rèn)可。在現(xiàn)代技術(shù)的輔助下，研究人員可以通過培養(yǎng)好氧型微生物并將其注入煤層，經(jīng)過滲透后利用自身的相關(guān)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(shù)。文章分析了微生物降解煤層甲烷的機(jī)理，探討了微生物降解效率的影響因素。

關(guān)鍵詞：微生物 降解 甲烷 機(jī)理 影響因素

中圖分類號：X74 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)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(fā)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(zhì)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(shù)提高工作，對治理煤層甲烷起到了很大推進(jìn)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(rèn)識不夠全面，開采的技術(shù)相對落后且不成熟[3]。

1939年，法國著名煤化學(xué)家尤洛夫斯基提出利用特殊的甲烷氧化菌，降低煤井內(nèi)甲烷濃度，隨后，各國的科學(xué)家相繼進(jìn)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(xiàn)規(guī)?；_發(fā)利用，一些重大核心技術(shù)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(shè)備將甲烷氧化菌液注入煤層或噴灑在巷道壁面、采空區(qū)、盲巷等處來降低瓦斯?jié)舛萚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(shù)為礦井通風(fēng)、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(zhì)條件復(fù)雜、煤層透氣性差及由此形成的自身特點決定了現(xiàn)有甲烷抽放技術(shù)的限制性，煤層甲烷所導(dǎo)致的災(zāi)害不能得到徹底的解決。在生物技術(shù)的帶動下，國內(nèi)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(guī)油氣勘探和開發(fā)上取得了顯著成績，獲得了一系列重大的發(fā)現(xiàn)，在油氣勘探開發(fā)中扮演著越來越重要的角色[12-16]。

1 微生物降解甲烷的機(jī)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(jīng)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(xì)菌，并將其研制成液態(tài)的“菌劑” 制品，通過鉆孔輸入煤床，甲烷在原處被細(xì)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(xì)菌菌液噴灑到煤礦壁上，細(xì)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(dá)66%[17]。

在開采煤層之前，利用相關(guān)儀器將過量二氧化碳注入煤層之間，將煤層甲烷驅(qū)趕到表面，然后將微生物培養(yǎng)液（甲烷氧化菌培養(yǎng)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(jìn)煤層甲烷的解吸；同時，在煤層間另一種微生物（產(chǎn)甲烷菌）的作用下，將二氧化碳部分轉(zhuǎn)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(huán)體系。

現(xiàn)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(huán)境（如：酸、堿、鹽、高溫、低溫、寡營養(yǎng)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(xì)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(jìn)一步被氧化為甲醛，甲醛被同化為細(xì)胞生物量或通過甲酸氧化為二氧化碳，然后經(jīng)過一系列的脫氫反應(yīng)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(jī)理為[22]： 3個復(fù)合酶分別為羥基化酶、調(diào)節(jié)蛋白B和還原酶；羥基化酶和烷烴結(jié)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(jù)酶催化機(jī)理，生物體內(nèi)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(zhì)和環(huán)境因素，例如：水、無機(jī)鹽和有機(jī)物等營養(yǎng)物質(zhì)，以及溫度、濕度和壓力等環(huán)境因素。而微生物降解甲烷的過程中，由于煤層的埋藏環(huán)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(yīng)煤層所處的環(huán)境，并且可以在此環(huán)境下存活，進(jìn)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(nèi)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(jìn)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(yīng)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(nèi)部的壓力與外界環(huán)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(dǎo)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(jìn)行降解。

2.3 營養(yǎng)元素

將甲烷氧化菌輸送到煤層間采用的是液體培養(yǎng)基。在液體培養(yǎng)基中要包含其正常生長繁殖所需要的營養(yǎng)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(jīng)相關(guān)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(chǎn)生影響。

3 結(jié)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(yīng)的進(jìn)程。今后的微生物研究方向不單是使甲烷氧化菌能夠適應(yīng)煤礦的溫度、壓力和氧氣環(huán)境，還要將微生物技術(shù)應(yīng)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(huán)保效益。

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