生物煤層氣的文獻(xiàn)計(jì)量與發(fā)展綜述

段凱鑫，郭紅光，成雅彤

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原030024）

煤層氣屬于煤的伴生礦產(chǎn)資源，是自生自儲(chǔ)的 非常規(guī)天然氣，也是近年來(lái)在國(guó)際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。目前，世界上各產(chǎn)煤大國(guó)相繼步入煤層氣開發(fā)利用領(lǐng)域，其中美國(guó)已實(shí)現(xiàn)煤層氣的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)。我國(guó)近年來(lái)在井下抽采煤層氣以及地面開采煤層氣方面取得顯著進(jìn)展，煤層氣產(chǎn)量逐年增加[1-3]。煤層氣是植物體被埋藏后，在煤化作用過(guò)程中，成煤物質(zhì)經(jīng)過(guò)微生物的生物作用以及環(huán)境的作用發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，含水量和揮發(fā)分含量減少，固定碳和發(fā)熱量的含量增加，同時(shí)也生成了以甲烷為主的氣體。根據(jù)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(fā)成本低等已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。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(xié)同作用下，降解煤所產(chǎn)生的甲烷氣體。生物煤層氣最初由Rightmire 提出[4]。1994 年，Scott 等針對(duì)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(fā)現(xiàn)了生物成因煤層氣，并在煤層原位檢測(cè)到多樣化的相關(guān)厭氧微生物[6]。同時(shí)，微生物厭氧降解煤產(chǎn)甲烷也已在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)[7]，進(jìn)一步證實(shí)生物煤層氣的存在。我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層的地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層氣開采難度較大，煤層氣抽采率相對(duì)較低，嚴(yán)重制約了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何提高煤層氣采收率、實(shí)現(xiàn)煤層氣增產(chǎn)是我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一，也是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。基于生物煤層氣形成所提出的微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)（Microbially enhanced coalbed methane，MECoM）[8]，是將厭氧微生物種群及其所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(chǎn)甲烷的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)煤層氣的增產(chǎn)。該技術(shù)具有綠色、無(wú)污染、能夠產(chǎn)生新的煤層氣以及增加煤層滲透性等優(yōu)勢(shì)[9]，具有重大的能源價(jià)值和廣闊的應(yīng)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(chǎn)煤層氣技術(shù)的實(shí)施條件。目前，微生物增產(chǎn)煤層氣的實(shí)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(jié)構(gòu)為指導(dǎo)，以生物降解煤產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證和極速開發(fā)[10]。微生物增產(chǎn)煤層氣的成功實(shí)施將為煤層氣產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要推動(dòng)作用。微生物增產(chǎn)煤層氣已成為研究的熱點(diǎn)，且研究進(jìn)展快，但對(duì)其研究方向及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)并未明晰，需要綜述來(lái)掌握最新動(dòng)態(tài)。由此，采用文獻(xiàn)計(jì)量及文獻(xiàn)綜述相結(jié)合的方法，通過(guò)Web of ScienceR數(shù)據(jù)庫(kù)主題檢索，以相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量為指標(biāo)，結(jié)合代表性文獻(xiàn)的綜述，對(duì)生物煤層氣形成機(jī)理及增產(chǎn)理論與技術(shù)進(jìn)行綜述，為我國(guó)生物煤層氣的研究提供指導(dǎo)，推動(dòng)生物煤層氣的發(fā)展。

1 文獻(xiàn)計(jì)量分析生物煤層氣的研究趨勢(shì)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

數(shù)據(jù)來(lái)源于湯森路透（Thomson Reuters）知識(shí)產(chǎn)權(quán)與科技信息集團(tuán)出品的Web of Knowledge（WOK）平臺(tái)Web of ScienceR數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)間跨度為1998—2018 年。選擇主題檢索，設(shè)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(shù)據(jù)庫(kù)主題檢索完成后，手動(dòng)剔除不相符的文獻(xiàn)以準(zhǔn)確獲得全部相關(guān)論文文獻(xiàn)。

使用的研究方法是將檢索出的論文文獻(xiàn)保存至EndNote 文獻(xiàn)管理軟件中，然后使用Excel 和Origin等軟件對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)量分析，從而掌握生物煤層氣的發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)。

1.2 相關(guān)SCI 論文分布情況及研究趨勢(shì)

通過(guò)Web of ScienceR平臺(tái)主題檢索和手動(dòng)篩選，1998—2018 年間全球SCI 共收錄生物煤層氣的相關(guān)論文688 篇。全球生物煤層氣領(lǐng)域SCI 發(fā)文量的年度分布及累積發(fā)文量（1998—2018 年）如圖1。

圖1 全球生物煤層氣領(lǐng)域SCI 發(fā)文量的年度分布及累積發(fā)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(lái)看，生物煤層氣的相關(guān)研究開展時(shí)間較短，與其他研究領(lǐng)域相比[11]，科學(xué)論文發(fā)表數(shù)量還相對(duì)比較少，研究發(fā)展正處于萌芽期。中國(guó)、美國(guó)和澳大利亞在全球生物煤層氣領(lǐng)域的科研發(fā)展較快，累計(jì)發(fā)文數(shù)量占總數(shù)的61.72%，各國(guó)生物煤層氣領(lǐng)域SCI 發(fā)文量比例（1998—2018 年）如圖2。

圖2 各國(guó)生物煤層氣領(lǐng)域SCI 發(fā)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(tǒng)計(jì)分析和文獻(xiàn)綜述，生物煤層氣的相關(guān)研究可分為3 個(gè)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(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究。3 個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)研究方向的發(fā)文數(shù)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(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，累計(jì)發(fā)文量處于快速增長(zhǎng)期，是未來(lái)研究發(fā)展的主要方向，研究?jī)?nèi)容主要是生物煤層氣形成機(jī)理及其增產(chǎn)理論與技術(shù)。

2 生物煤層氣形成機(jī)理研究進(jìn)展

雖然煤中富含有機(jī)碳，但由于其有機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致生物甲烷的產(chǎn)生過(guò)程極為復(fù)雜。生物煤層氣主要是煤在厭氧條件下通過(guò)微生物發(fā)酵生成，其形成過(guò)程整體上符合經(jīng)典厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)生芳香族、脂肪酸、醇類等化合物；然后通過(guò)不同功能菌協(xié)同作用，包括異養(yǎng)細(xì)菌，發(fā)酵菌，產(chǎn)乙酸菌和真菌[12]，這些中間代謝產(chǎn)物進(jìn)一步被分解、降解，形成產(chǎn)甲烷底物，如短鏈揮發(fā)性脂肪酸、CO2、H2等簡(jiǎn)單小分子化合物；最后，產(chǎn)甲烷菌利用底物產(chǎn)生甲烷。但生物煤層氣獨(dú)特的形成機(jī)制還未明晰。雖然大量研究從微生物、有機(jī)物、煤結(jié)構(gòu)、生物酶等方面分析了微生物降解煤代謝過(guò)程，但關(guān)于生物煤層氣的產(chǎn)生機(jī)制還沒(méi)有形成統(tǒng)一、明確結(jié)論，仍需要進(jìn)一步深入研究，以指導(dǎo)增產(chǎn)技術(shù)研發(fā)。

2.1 微生物群落組成

研究學(xué)者利用微生物生態(tài)學(xué)方法，如16S rRNA基因克隆文庫(kù)、高通量測(cè)序技術(shù)等，在世界上多個(gè)煤層氣田都檢測(cè)到豐富的微生物群落，對(duì)原位煤層中微生物群落的研究已經(jīng)確定了細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌的多種組合[13]?；贒NA 的微生物群落特征研究表明，原位煤層的細(xì)菌多樣性遠(yuǎn)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(chǎn)甲烷古菌，例如：在美國(guó)汾河盆地主要為乙酸營(yíng)養(yǎng)型和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌[6]，而在我國(guó)鄂爾多斯盆地檢測(cè)到以甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌為主[14]。目前，對(duì)生物煤層氣微生物群落組成研究重點(diǎn)已從原位研究轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)室研究。Chen 等研究了褐煤厭氧降解產(chǎn)甲烷過(guò)程中的微生物群落，主要細(xì)菌為Geovibrio、Macellibacteroides 和Desulfovibrio，古菌為Methanocalculus 和Methanosarcina[15]。在沁水盆地?zé)o煙煤降解產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)中，主要的細(xì)菌為Enterobacter, Acetoanaerobium， Macellibacteroides,Clostridium 和 Ercella， 古 菌 為 Methanosaeta 和Methanocella[16]。Rathi 使用16S rRNA 基因擴(kuò)增方法研究了印度賈里亞煤層水在實(shí)驗(yàn)室富集后微生物群落的組成，細(xì)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(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的微生物群落組成，發(fā)現(xiàn)存在很大的差異，在原位中主要的細(xì)菌為Meniscus spp., Syntrophus sp., Ruminococcus spp., 古菌主要為Methanobacterium，而在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)后，主要的細(xì)菌為Clostridium bifermentans，Massilia spp., Pseudomonas putida，古菌主要為Methanocalculus[18]?；诓煌貐^(qū)原位和實(shí)驗(yàn)室煤生物轉(zhuǎn)化中涉及的微生物群落的分析，不同地區(qū)的微生物群落組成存在很大差異，且在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)中已經(jīng)鑒定細(xì)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(lái)的研究中要加大對(duì)生物煤層氣微生物群落動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究，在原位應(yīng)用上應(yīng)充分考慮與實(shí)驗(yàn)室微生物群落的差異性。

2.2 降解過(guò)程中的有機(jī)物

由于煤的組成復(fù)雜，其生物降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種中間代謝有機(jī)物。Liu 等在次煙煤的厭氧降解過(guò)程中檢測(cè)到長(zhǎng)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(chǎn)甲烷過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了豐富的有機(jī)物，包括脂肪烴、脂肪醇、短鏈脂肪酸（C1-C10）、中鏈脂肪酸（C11-C20）、長(zhǎng)鏈脂肪酸（C21-C32）、芳香烴、含氧芳香化合物、多環(huán)芳香烴和苯酚等[16]。Orem 在厭氧降解煤產(chǎn)甲烷培養(yǎng)液中檢測(cè)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(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到大量的有機(jī)物，但對(duì)于煤降解過(guò)程中各種化合物如何轉(zhuǎn)化仍沒(méi)有得出明確的結(jié)論，在今后的研究中仍然要加強(qiáng)對(duì)化合物轉(zhuǎn)化的研究，以明確煤厭氧降解過(guò)程中的有機(jī)化學(xué)機(jī)制。

2.3 煤結(jié)構(gòu)的變化

由于微生物與煤的相互作用，煤結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生明顯的變化。一些學(xué)者利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)（如FTIR，XRD，液氮吸附等）研究微生物厭氧降解對(duì)煤結(jié)構(gòu)特征和孔隙度及滲透率的影響。郭紅玉等通過(guò)FTIR和XRD 進(jìn)行測(cè)試，分析煤在生物甲烷代謝后煤結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明，煤中含氧官能團(tuán)增加，芳香環(huán)含量減少，羥基、醛羰基和亞甲基的相對(duì)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(shù)減小[21]。Zhang 通過(guò)小角度X 射線散射（SAXS），低壓N2和CO2吸附研究了煤降解過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)的演變，發(fā)現(xiàn)次煙煤粉末樣品經(jīng)生物降解后，煤結(jié)構(gòu)中微孔比表面積增加[22]。Pandey 等通過(guò)對(duì)降解后的煤進(jìn)行吸附-擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，微生物代謝導(dǎo)致粉煤中孔隙的比表面積增加，同時(shí)，微生物的持續(xù)作用能夠有效改善煤的孔隙結(jié)構(gòu)[23]。郭紅玉等對(duì)焦煤、氣煤和長(zhǎng)焰煤進(jìn)行生物降解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降解后煤樣孔裂隙增加，連通性增強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善[21,24]。但關(guān)于煤降解過(guò)程中滲透性變化的研究報(bào)道很少。Stephen 等采用亞煙煤粉末顆粒充填反應(yīng)器，在加壓條件下開展生物降解煤實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)生成的生物膜、胞外聚合物和氣體吸附在煤基質(zhì)上，以及小顆粒煤粉的堆積，最終導(dǎo)致了煤整體滲透率的下降[25]。以上研究證實(shí)，微生物厭氧降解能夠有效改善煤結(jié)構(gòu)，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(shí)際降解情況有一定差距。在未來(lái)的研究中，微生物降解對(duì)煤試件結(jié)構(gòu)、孔隙度、滲透性等的影響需要深入研究，以分析煤體對(duì)微生物降解的影響機(jī)制以及微生物降解對(duì)煤體的作用機(jī)理。

2.4 降解過(guò)程中的微生物酶

由于煤分子較大，早期中間產(chǎn)物也大多為大分子類化合物，因此，微生物很難通過(guò)攝入底物的方式在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)降解、代謝，而需要向細(xì)胞外分泌活性物質(zhì)（主要是胞外酶），在胞外完成煤分子的斷裂、中間產(chǎn)物的降解等。已有研究在煤組分代表性化合物的細(xì)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(xué)技術(shù)在厭氧降解煤的培養(yǎng)液中同樣檢測(cè)到多種酶的存在，其中在細(xì)菌細(xì)胞代謝中，谷氨酸脫氫酶是最豐富的，參與底物利用和轉(zhuǎn)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(chǎn)生乙酸激酶、磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶、乙酰輔酶A 脫羰酶合成酶、甲?；? 甲基呋喃脫氫酶等，這些酶在轉(zhuǎn)化甲烷過(guò)程中起著重要作用；真菌分泌甲基轉(zhuǎn)移酶、ATP 酶、組氨酸激酶，這些酶的相對(duì)水平較低，但證實(shí)了真菌酶的存在[29]。微生物酶的研究對(duì)闡釋微生物代謝機(jī)理及有機(jī)物演替規(guī)律具有重要意義，在未來(lái)的研究中應(yīng)對(duì)整個(gè)代謝過(guò)程中微生酶的作用機(jī)制進(jìn)行深入研究。

3 生物煤層氣增產(chǎn)理論與技術(shù)研究進(jìn)展

在實(shí)驗(yàn)室條件下，已實(shí)現(xiàn)微生物厭氧降解煤產(chǎn)甲烷。然而，生物甲烷產(chǎn)量未達(dá)到商業(yè)開發(fā)水平導(dǎo)致微生物增產(chǎn)煤層氣的實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用還非常有限。因此，如何增強(qiáng)煤的厭氧生物降解效率，提高生物成因煤層氣產(chǎn)量，是微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前為止，對(duì)微生物增產(chǎn)煤層氣的方法技術(shù)主要分為3 類：功能微生物及生物強(qiáng)化研究，煤結(jié)構(gòu)改性研究以及添加外源物質(zhì)刺激微生物研究。

3.1 增產(chǎn)煤層氣功能微生物及生物強(qiáng)化

功能微生物是微生物增產(chǎn)煤層氣的關(guān)鍵之一。僅 美 國(guó) 的 Green、Jones、John Fuertez、Harris、Liang Yanna，印度的Lavania，我國(guó)的郭紅光等進(jìn)行了煤層原位功能菌群的培育工作。Green 等從美國(guó)粉河盆地煤層氣產(chǎn)出水中富集獲得了細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌混合菌群，培養(yǎng)條件能夠顯著影響菌群的甲烷產(chǎn)量[26]。郭紅光等從沁水盆地煤層氣產(chǎn)出水富集獲得了降解無(wú)煙煤產(chǎn)甲烷高效菌群，并對(duì)降解過(guò)程中的中間代謝產(chǎn)物以及降解后的煤結(jié)構(gòu)變化進(jìn)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(chǎn)甲烷菌Methanoculleus thermophiles 和細(xì)菌Comamonas sp.[30]。Jones 等富集了產(chǎn)甲烷菌群WBC-2，主要由與復(fù)雜有機(jī)物降解相關(guān) 的 細(xì) 菌 組 成（Clostridium sp.，Bacteroides spp.，Acetobacterium sp.）[31]。對(duì)功能微生物的研究有助于生物強(qiáng)化煤增產(chǎn)甲烷的應(yīng)用和發(fā)展。生物強(qiáng)化是向煤中添加新的或額外的功能微生物以增強(qiáng)或引發(fā)微生物產(chǎn)甲烷，它可以由單個(gè)微生物或高效的微生物群落（即細(xì)菌和古細(xì)菌）組成，其中煤源微生物強(qiáng)化已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)施并取得不錯(cuò)的效果[26]，但微生物強(qiáng)化在原位應(yīng)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(qū)差異，對(duì)一個(gè)地區(qū)的理想刺激方法可能不適用于另一個(gè)地區(qū)。另外，向煤層中添加微生物之外，還必須針對(duì)給定的微生物調(diào)整煤層的氧化還原條件或鹽度以優(yōu)化微生物的生長(zhǎng)。目前關(guān)于微生物在煤層原位的詳細(xì)代謝特征、在甲烷生成中的確切作用還不明確、生物強(qiáng)化的方法技術(shù)還不成熟。功能微生物的代謝特征研究將為微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，也為微生物厭氧降解煤產(chǎn)甲烷機(jī)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(jié)構(gòu)改性增產(chǎn)生物甲烷研究

目前普遍認(rèn)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(guò)改性煤結(jié)構(gòu)，提高煤的生物利用度成為增產(chǎn)生物甲烷的有效途徑之一。多種物理、化學(xué)及生物方法已被廣泛應(yīng)用于生物降解的提速過(guò)程。化學(xué)方法如利用HNO3、H2O2、KMNO4及其他化學(xué)處理劑將煤轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)以促進(jìn)生物降解實(shí)現(xiàn)甲烷增產(chǎn)[33]。其中，H2O2優(yōu)勢(shì)較為明顯，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。Haq 等使用H2O2預(yù)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(chǎn)生[34]。Chen 等利用H2O2處理亞煙煤后，生物甲烷產(chǎn)量高于未處理前10～20 倍，增產(chǎn)效果顯著[35]。Liu 等研究粉河盆地的次煙煤經(jīng)H2O2處理后，增加了羧酸的產(chǎn)生，增產(chǎn)了生物甲烷[19]。還有研究學(xué)者通過(guò)添加化學(xué)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(jìn)煤降解產(chǎn)甲烷。物理方法如水力壓裂，它是在天然氣開采過(guò)程中增加表面積和釋放氣體的常用方法。通過(guò)水力壓裂增加煤的孔隙，有助于將注入的營(yíng)養(yǎng)物和微生物與更多煤表面接觸，從而促進(jìn)甲烷的生產(chǎn)，Zhi 等通過(guò)建模模擬水力壓裂使生物甲烷增產(chǎn)500%[37]。生物方法主要是通過(guò)真菌和細(xì)菌預(yù)處理煤，促進(jìn)煤的溶解。Haider 等利用真菌和細(xì)菌預(yù)處理煤，提高了后續(xù)厭氧降解效率[38]。夏大平等用白腐菌預(yù)處理瘦煤，煤的大分子結(jié)構(gòu)被降解，結(jié)構(gòu)被破壞，芳香結(jié)合程度降低，提高了生物甲烷轉(zhuǎn)化效率[24]。煤結(jié)構(gòu)改性對(duì)于增產(chǎn)煤層氣技術(shù)意義重大，需要對(duì)降解前煤的預(yù)處理方法進(jìn)行拓展創(chuàng)新，同時(shí)煤改性對(duì)微生物增產(chǎn)煤層氣的影響機(jī)制還需要進(jìn)一步深入細(xì)致研究。

3.3 添加外源物質(zhì)刺激微生物降解煤研究

通過(guò)添加外源物質(zhì)刺激微生物代謝活性是增產(chǎn)生物甲烷的重要技術(shù)手段。為了刺激微生物活性，研究使用了營(yíng)養(yǎng)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(chǎn)了生物甲烷。一些生物刺激研究添加產(chǎn)甲烷底物（例如甲酸鹽，乙酸鹽，H2）作為營(yíng)養(yǎng)底物[6]，也被證明可以增加生物甲烷產(chǎn)量，但這些產(chǎn)甲烷底物直接轉(zhuǎn)化為甲烷，并沒(méi)有顯著增加降解煤產(chǎn)甲烷的轉(zhuǎn)化率。煤結(jié)構(gòu)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(zhì)時(shí)，刺激的目標(biāo)應(yīng)該是降解煤的微生物群落，而不是僅僅產(chǎn)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(guān)研究。但煤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和牢固性導(dǎo)致微生物對(duì)煤的降解率和利用率較低。由此，研究學(xué)者提出，通過(guò)添加外源碳，刺激微生物代謝活性，同時(shí)與煤相互作用，加速生物甲烷生成，如藻類、藍(lán)藻、酵母細(xì)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(chǎn)了生物甲烷。其中，秸稈的增產(chǎn)效果最為顯著。Yoon 等發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈與褐煤共降解可以有效提高生物甲烷的產(chǎn)量[43]。李亞平等研究了煤與水稻秸稈共降解產(chǎn)生物甲烷，結(jié)果顯示水稻秸稈可以顯著提高褐煤、煙煤、無(wú)煙煤的甲烷產(chǎn)量，最高增量可達(dá)1 644.16%[44]。郭紅玉等的研究結(jié)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(chǎn)量，最高甲烷產(chǎn)量可達(dá)2.69 mmol/g 煤，增產(chǎn)448.98%[41]。由此可見(jiàn)，添加外源物質(zhì)是一種降解煤增產(chǎn)生物甲烷的重要策略，而在生活中存在很多富含生物質(zhì)和有機(jī)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(chǎn)生物甲烷，另一方面使這些廢棄物更環(huán)保低成本的利用。雖然對(duì)添加外源物質(zhì)進(jìn)行了廣泛的研究，但對(duì)增產(chǎn)機(jī)理仍未明確，在未來(lái)的研究中，還需要深入研究增產(chǎn)的機(jī)理。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于近20 年全球SCI 論文文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)和文獻(xiàn)綜述分析，微生物降解煤的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，但目前仍處于發(fā)展階段。美國(guó)、中國(guó)和澳大利亞對(duì)于生物煤層氣的SCI 發(fā)文量具有一定的優(yōu)勢(shì)，科研成果也較為出色，發(fā)展空間巨大。盡管我國(guó)在該方面的論文數(shù)量逐年增加，但科研質(zhì)量和國(guó)際影響力仍有待提高。微生物降解煤的模擬實(shí)驗(yàn)將成為未來(lái)研究的主要方向，以微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合多種分析手段（包括同位素、高通量測(cè)序、液氮吸附，F(xiàn)TIR，XRD 等）是解決生物煤層氣難點(diǎn)的研究趨勢(shì)。而提高原位和非原位煤的甲烷產(chǎn)量是工業(yè)化的關(guān)鍵。功能微生物研究，煤結(jié)構(gòu)改性研究以及添加外源物質(zhì)刺激微生物研究已被證實(shí)是增產(chǎn)生物煤層氣的主要技術(shù)手段，迫切需要在未來(lái)加強(qiáng)對(duì)這些技術(shù)的研究，開發(fā)一套最優(yōu)增產(chǎn)技術(shù)。另外，對(duì)于原位增產(chǎn)生物煤層氣的技術(shù)也應(yīng)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(yíng)養(yǎng)素方案，確定合適的注入方式等。生物煤層氣的廣泛應(yīng)用，可以充分實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，具有重大的能源價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。