風(fēng)化煤與褐煤轉(zhuǎn)化生物甲烷的差異性分析

張雙斌 ，趙樹(shù)峰 ，郭紅玉 ，簡(jiǎn) 闊

（1.晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系, 山西 晉城 048026；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；3.太原科技大學(xué) 能源與材料工程學(xué)院, 山西 晉城 048011）

0 引 言

我國(guó)煤炭產(chǎn)量巨大，2021 年我國(guó)原煤產(chǎn)量41.3億t，相比上年增長(zhǎng)5.7%。煤炭用作燃料時(shí)，產(chǎn)生的污染物是長(zhǎng)期影響大氣環(huán)境質(zhì)量的重要來(lái)源，同時(shí)也是未來(lái)中國(guó)減排控制的重點(diǎn)[1-2]。煤炭用作原料時(shí)，會(huì)造成產(chǎn)能過(guò)剩，污染排放嚴(yán)重[3-5]。潔凈煤技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上解決燃煤環(huán)境問(wèn)題的主導(dǎo)技術(shù)之一，對(duì)提高煤炭開(kāi)發(fā)利用效率、減輕環(huán)境污染具有重要意義。然而這些技術(shù)大都是利用物理、化學(xué)手段進(jìn)行煤炭清潔利用，存在煤炭利用率低、環(huán)境污染大、能源消耗嚴(yán)重等問(wèn)題[6-9]。生物技術(shù)具有環(huán)境友好、條件溫和等優(yōu)勢(shì)。利用厭氧發(fā)酵技術(shù)能夠?qū)⒚恨D(zhuǎn)化為生物甲烷[10-11]。

風(fēng)化煤是地表或淺層煤經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的氣候、風(fēng)化等作用形成的，具有含水量、揮發(fā)性高、機(jī)械強(qiáng)度、黏結(jié)性、著火點(diǎn)低等特點(diǎn)，不利于燃燒且污染環(huán)境[12]。郭紅玉等提出利用煤層本源菌對(duì)風(fēng)化煤進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)化煤原位生物甲烷化，有利于緩解溫室效應(yīng)和節(jié)約能源，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著煤風(fēng)化程度的增強(qiáng)，煤樣芳構(gòu)化程度不斷降低，芳環(huán)被打開(kāi)羥基、羧基等基團(tuán)及脂肪結(jié)構(gòu)不斷解體，氧含量比例升高，越容易被微生物降解[13-14]。我國(guó)褐煤產(chǎn)量多，燃燒價(jià)值低，褐煤中豐富的有機(jī)質(zhì)有利于生物甲烷的轉(zhuǎn)化，褐煤已被證實(shí)在所有煤中生物產(chǎn)氣量最大[15-16]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤轉(zhuǎn)化為生物甲烷的研究很多，研究發(fā)現(xiàn)隨著煤階的不同，產(chǎn)氣量存在明顯差異。夏大平等研究了褐煤、肥煤、焦煤、貧煤的產(chǎn)氣情況，發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)量與煤變質(zhì)程度呈負(fù)相關(guān)[17]。李興鳳等[18]利用無(wú)煙煤進(jìn)行生物產(chǎn)氣，證實(shí)無(wú)煙煤雖然能夠產(chǎn)氣，但效果不如低變質(zhì)程度煤。侯彪等[19]研究發(fā)現(xiàn)，不同煤階煤產(chǎn)生物甲烷過(guò)程中，代謝功能存在明顯差異，參與微生物代謝功能的長(zhǎng)焰煤相對(duì)豐度顯著高于其他試驗(yàn)組。參與輔酶、碳水化合物運(yùn)輸和代謝以及最大甲烷生產(chǎn)潛力之間存在良好的線(xiàn)性關(guān)系。蘇現(xiàn)波等[20]對(duì)中國(guó)10 個(gè)地區(qū)的煤炭樣品進(jìn)行了微生物測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所有地區(qū)的煤炭樣本中都存在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌。研究發(fā)現(xiàn)，古菌群落的多樣性和豐度與煤的成熟度呈一定的負(fù)相關(guān)。然而，細(xì)菌群落中的物種豐度與煤的成熟度呈正相關(guān)，并且多樣性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這表明，隨著煤階的上升，一些細(xì)菌群逐漸適應(yīng)每個(gè)煤階的環(huán)境，可以大量生長(zhǎng)和繁殖。

前人對(duì)不同煤階煤產(chǎn)甲烷都做了研究，但對(duì)風(fēng)化煤與褐煤產(chǎn)氣差異性?xún)?nèi)在機(jī)理還未做過(guò)深入對(duì)比研究。選取風(fēng)化煤和褐煤進(jìn)行生物產(chǎn)氣試驗(yàn)，從不同方面探討風(fēng)化煤與褐煤產(chǎn)氣差異性的內(nèi)在原因，為今后風(fēng)化煤與褐煤高效生物氣化利用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)煤樣選自?xún)?nèi)蒙古錫林郭勒的褐煤和山西晉城的風(fēng)化煤。分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30732—2014 和GB/T31391—2015 進(jìn)行煤樣工業(yè)分析和元素分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)前將2 種煤樣分別粉碎至80～100 目（0.15～0.18 mm），并在80 ℃下干燥24 h，密封保存。

表1 褐煤和風(fēng)化煤工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of weathered coal and lignite

1.2 生物產(chǎn)氣試驗(yàn)

按照文獻(xiàn)[21]進(jìn)行培養(yǎng)基配制，然后放入高溫滅菌鍋中滅菌（121 ℃，3 h）。滅菌后，按照培養(yǎng)基和馴化菌液3∶1 的比例配置產(chǎn)甲烷菌液，用N2置換瓶中空氣3 min，用密封膜密封，并將其充分放置在35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中4～6 d。將粉碎的風(fēng)化煤和褐煤20 g 分別放入250 mL 錐形瓶中，加入產(chǎn)甲烷菌液，充N(xiāo)23 min，攪拌均勻，放入35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。產(chǎn)氣時(shí)間為30 d。每組試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)平行樣。用鋁箔袋收集氣體，使用校準(zhǔn)注射器抽取氣袋中的氣體并計(jì)算氣體量。甲烷定量分析使用氣相色譜儀（Agilent 7890GC），參數(shù)為：TCD 檢測(cè)器，5A 柱，進(jìn)樣器溫度為50 ℃，檢測(cè)器溫度為100 ℃，熱絲溫度為120 ℃，測(cè)試氣體為He，注樣量為1 mL。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 生物產(chǎn)氣效果對(duì)比分析

將20 g 褐煤、風(fēng)化煤和200 mL 菌液分別混合，進(jìn)行產(chǎn)氣試驗(yàn)。產(chǎn)氣結(jié)果見(jiàn)表2，階段性和累積性產(chǎn)氣量如圖1 所示。

圖1 風(fēng)化煤與褐煤階段產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量Fig.1 Stage gas production and cumulative gas production

表2 風(fēng)化煤與褐煤生物產(chǎn)氣數(shù)據(jù)Table 2 Biogas production data of weathered coal and lignite

由表2 可知，褐煤的CH4產(chǎn)量最多為7.63 mL/g，而風(fēng)化煤的CH4產(chǎn)量只有3.24 mL/g，褐煤CH4產(chǎn)量是風(fēng)化煤的2.35 倍，說(shuō)明褐煤轉(zhuǎn)化生物甲烷的潛力大于風(fēng)化煤。兩種煤的階段產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量如圖1 所示。由圖1a 可知，風(fēng)化煤和褐煤階段產(chǎn)氣量整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，產(chǎn)氣量在3～12 d 快速上升，到第12 天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，之后產(chǎn)氣量快速下降，說(shuō)明2 種煤中可利用的有機(jī)質(zhì)得到了快速利用，到第24 天的時(shí)候迎來(lái)第二個(gè)產(chǎn)氣小高峰，原因可能是一部分最初難降解的有機(jī)質(zhì)已經(jīng)被微生物逐漸轉(zhuǎn)化利用，此時(shí)CH4的濃度達(dá)到最大，隨后產(chǎn)氣快速減少，直到第30 天產(chǎn)氣結(jié)束。由圖1b 可知，兩種煤樣的累計(jì)產(chǎn)氣量差異較大，其中褐煤在第7 天的時(shí)候，累計(jì)產(chǎn)氣量已經(jīng)逐漸快速超越風(fēng)化煤，說(shuō)明褐煤在第7 天的降解效率已經(jīng)超過(guò)風(fēng)化煤。綜上，褐煤的生物產(chǎn)氣潛力遠(yuǎn)大于風(fēng)化煤，在第12 天的時(shí)候達(dá)到產(chǎn)氣高峰，兩種煤樣都存在二次產(chǎn)氣高峰。

2.2 官能團(tuán)變化對(duì)比分析

取生物產(chǎn)氣前以及高峰期的褐煤和風(fēng)化煤，干燥后篩分粒度至200 目以下，使用Nicolet 6700 傅里葉紅外光譜儀對(duì)褐煤和風(fēng)化煤進(jìn)行官能團(tuán)測(cè)試。在4 000～400 cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)掃描32 次，光譜分辨率為8 cm-1。樣品測(cè)試前先將ATR 附件置于紅外光譜儀的光路中，掃描空氣背景。褐煤和風(fēng)化煤的紅外光譜特征圖如圖2 所示。

圖2 褐煤和風(fēng)化煤產(chǎn)氣前后紅外光譜特征Fig.2 Infrared spectral characteristics of lignite and weathered coal gas production peak

根據(jù)文獻(xiàn)[22]FTIR 吸收峰的歸屬可知，3 550～3 200 cm-1波段為酚、醇、羧酸、過(guò)氧化物、水中的OH 的伸縮震動(dòng)，酚是芳香烴芳環(huán)上的氫被羥基（—OH）取代后所生成的一類(lèi)化合物，而羥基取代脂肪烴、脂環(huán)烴或芳香烴側(cè)鏈中的氫原子最終形成化合物醇[23]。羧酸是由烴基與羧基相連構(gòu)成的有機(jī)酸，而風(fēng)化煤在該波段的吸收峰相比于褐煤更加明顯，這是因?yàn)樵诋a(chǎn)氣高峰期褐煤相比于風(fēng)化煤生物降解效果更加明顯，煤大分子結(jié)構(gòu)受到破壞，酚、醇、羧酸、過(guò)氧化物等基團(tuán)進(jìn)一步降解轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致該波段吸收峰減弱。1 605～1 525 cm-1為芳香碳碳雙鍵的伸縮振動(dòng)，褐煤和風(fēng)化煤都表現(xiàn)出了明顯的吸收峰，同樣，褐煤的吸收峰相對(duì)于風(fēng)化煤較小，這是因?yàn)樵谖⑸镒饔孟?，煤的大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，芳香類(lèi)物質(zhì)部分被轉(zhuǎn)化為小分子量物質(zhì)，而褐煤的降解效果明顯，導(dǎo)致吸收峰出現(xiàn)明顯減弱。1 390～1 020 cm-1為硅－氧－硅或硅－氧－碳的伸縮振動(dòng)，在生物降解過(guò)程中，煤中碳、氧原子會(huì)發(fā)生變化，參與甲烷的生成，而褐煤在該范圍內(nèi)的吸收峰強(qiáng)度小于風(fēng)化煤，表明褐煤在生物降解過(guò)程中有更多的C、O 原子參與甲烷生成。綜上，在褐煤的生物氣生產(chǎn)過(guò)程中，煤中的脂肪結(jié)構(gòu)、羥基、氨基等各種基團(tuán)完全脫落，芳香類(lèi)物質(zhì)部分轉(zhuǎn)化為其他分子量較小的物質(zhì)，相應(yīng)的吸收峰較弱。風(fēng)化煤雖然在一定程度上得到降解，但明顯弱于褐煤。

2.3 表面元素賦存狀態(tài)變化

采用XPS peak4.1 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并采用Gaussian-Lorentzian（20%～80%）復(fù)合函數(shù)對(duì)有機(jī)碳C1s 的XPS 圖譜進(jìn)行擬合，其中，C—C、C—H 鍵結(jié)合能為285.0±0.2 eV，C—O 鍵結(jié)合能為286.3±0.2 eV，C=O 鍵結(jié)合能為287.5±0.2 eV，O—C=O 鍵結(jié)合能為289.0±0.2 eV[24]（圖3）。不同賦存形態(tài)有機(jī)碳的相對(duì)含量見(jiàn)表3。

圖3 生物產(chǎn)氣高峰期褐煤與風(fēng)化煤C（1s）的XPS 擬合譜圖Fig.3 XPS fitting spectra of lignite and weathered coal C (1s)during biogas production peak

表3 不同賦存形態(tài)有機(jī)碳的相對(duì)含量Table 3 Relative contents of organic carbon in different forms

由圖3 和表3 可知，對(duì)比褐煤和風(fēng)化煤表面在產(chǎn)氣高峰期有機(jī)碳元素的不同賦存狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)芳香單元及其取代的烷烴（C—C、C—H）在煤樣品表面占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其中褐煤在生物產(chǎn)氣高峰期的C—C、C—H 的相對(duì)含量遠(yuǎn)低于風(fēng)化煤，相比于風(fēng)化煤減少了14.05%。而酚碳或醚碳（C—O）、羰基碳（C=O）、羧基碳（COO—）在褐煤中的相對(duì)含量要大于風(fēng)化煤，分別增加了108.44%、140.91%和113.35%，這是因?yàn)楹置合啾扔陲L(fēng)化煤更易降解，導(dǎo)致在生物降解的過(guò)程中，煤大分子結(jié)構(gòu)中原有的側(cè)鏈及官能團(tuán)中的取代烷烴易被生物酶分解，H2O 及O2中的O 原子相對(duì)于煤結(jié)構(gòu)中O 原子易獲取，微生物會(huì)固定并利用煤本身外的O 原子，導(dǎo)致煤結(jié)構(gòu)中原有的側(cè)鏈、含氧官能團(tuán)數(shù)量增加，從而使含氧有機(jī)碳（C—O、C=O、O—C=O）的含量增加。綜上，結(jié)合樣品元素賦存狀態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，褐煤和風(fēng)化煤在微生物降解的過(guò)程中，酚碳或醚碳（C—O）會(huì)被氧化為羰基碳（C=O）、羧基碳（O—C=O），最終形成小分子有機(jī)酸類(lèi)等物，使得微生物能夠利用小分子及酸類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行生物產(chǎn)氣，而褐煤在生物降解過(guò)程中的C—O、C=O 氧化最為明顯，故而生物產(chǎn)氣較多。

2.4 產(chǎn)氣高峰期表面形貌變化

將產(chǎn)氣高峰期的風(fēng)化煤和褐煤各取數(shù)塊，放入干燥箱中干燥1 h，得到觀察用煤樣。試驗(yàn)采用JFC-1 600離子濺射儀和JSEM-6 390/LV 掃描電子顯微鏡分別對(duì)煤樣進(jìn)行噴金處理和表面形貌觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4a、4b、4c 可知，風(fēng)化煤結(jié)構(gòu)呈固態(tài)塊狀，表面光滑且平整，只有少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)孔隙和裂縫，而圖4d、4e、4f 褐煤表面變的粗糙，同時(shí)出現(xiàn)較多裂隙和孔隙，尤其是圖4f，整個(gè)觀察面都布滿(mǎn)了孔裂隙和一些堆積成的球狀顆粒物，同時(shí)具有較明顯的孔洞。這是因?yàn)椋谖⑸镒饔孟?，褐煤表面被侵蝕，造成了一些孔隙的增加和塊狀物的分解，這就使得有機(jī)質(zhì)能夠從這些孔隙中析出，有利于微生物進(jìn)一步利用產(chǎn)氣。由此可以看出，褐煤的降解效果最為明顯，產(chǎn)氣較多，而風(fēng)化煤中有機(jī)質(zhì)少，微生物對(duì)其侵蝕較弱，因而產(chǎn)氣較少。

圖4 產(chǎn)氣高峰期褐煤與風(fēng)化煤掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of lignite and weathered coal at the peak of gas production

2.5 菌群多樣性、種類(lèi)及豐度變化

使用快速DNA 旋轉(zhuǎn)提取試劑盒（MP Biomedicals，Santa Ana，CA，USA）提取發(fā)酵液中細(xì)菌與古菌總基因組DNA 樣品，并在進(jìn)一步分析前儲(chǔ)存在-20 °C。PCR 擴(kuò)增選擇細(xì)菌16S rRNA V3-V4 區(qū)域特異性引物和古菌16S rRNA V8-V9 區(qū)域特異性引物。PCR 使用NEB Q5 DNA 聚合酶，用2%甘油凝膠顯示擴(kuò)增結(jié)果。切割目標(biāo)片段后，使用Axygen 凝膠回收試劑盒回收目標(biāo)片段。

擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)Agencurt AMPure Beads（Beckman Coulter，Indianapolis, IN）純化，PCR 產(chǎn)物通過(guò)Pico-Green dsDNA 分析試劑盒（Invitrogen，Carlsbad，CA，USA）在微板讀取器（BioTek，F(xiàn)Lx800）上進(jìn)行定量。定量完成后，根據(jù)每個(gè)樣品所需的數(shù)據(jù)量進(jìn)行混合，然后將樣品交付給上海派森諾有限公司建庫(kù)，并在MiSeq 機(jī)器上使用MiSeq Agent Kit V3（600 個(gè)循環(huán)）2×300 bp 雙端測(cè)序。

利用QIIME 的OTU 表計(jì)算OTU 水平的alpha 多樣性指數(shù)。微生物功能通過(guò)PICRUSt 軟件（通過(guò)重構(gòu)未觀察狀態(tài)進(jìn)行群落系統(tǒng)發(fā)育調(diào)查）進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于KEGG 甲烷代謝通路(Map: 00010, Map:00680)，挑選出預(yù)測(cè)豐度大于100 的相關(guān)糖酵解，乙醛酸循環(huán)途徑和電子轉(zhuǎn)移途徑以及三羧酸循環(huán)的代謝基因表達(dá)進(jìn)行評(píng)估。

由表4 可知，對(duì)于不同的菌群群落（細(xì)菌、古菌），風(fēng)化煤與褐煤的Chao1，Species 和Shannon 指數(shù)差異較小；而兩者相比，細(xì)菌群落的Chao1、Species 和Shannon 指數(shù)則遠(yuǎn)大于古菌群落。Shannon 指數(shù)反映了菌群的多樣性。值越高，菌群的多樣性越高[25]。由此可以看出，細(xì)菌和古菌之間具有較大的多樣性和豐度差異，細(xì)菌往往種類(lèi)豐富且含量較多，古菌數(shù)量較少且比較單一。

表4 不同底物下菌株的多樣性指數(shù)分析Table 4 Analysis of diversity index of strains under different substrates

由圖5a、5b 可知，褐煤和風(fēng)化煤產(chǎn)氣高峰期所含有的古菌、細(xì)菌差異性不大。在細(xì)菌群落中，所共有的細(xì)菌數(shù)為133 個(gè)，其中褐煤中所特有的細(xì)菌數(shù)最少，占總數(shù)的44.09%。說(shuō)明褐煤發(fā)酵時(shí)菌群?jiǎn)我?，但結(jié)合產(chǎn)氣效果來(lái)看，褐煤產(chǎn)氣較好，原因可能是褐煤中某一菌屬占優(yōu)勢(shì)，從而多樣性較小，主要細(xì)菌對(duì)褐煤的降解作用強(qiáng)，以至于后期產(chǎn)甲烷較多。同樣，在古菌多樣性分析中，風(fēng)化煤古菌多樣性較大，但產(chǎn)氣差，原因可能是主要產(chǎn)甲烷古菌并不占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致生物甲烷產(chǎn)出較少，而褐煤中主要產(chǎn)甲烷古菌占比較大，甲烷合成反而較多，這與后面的古菌種類(lèi)及豐度相對(duì)應(yīng)。

圖5 菌群多樣性分析古菌韋恩圖細(xì)菌韋恩圖Fig.5 Analysis of bacterial diversity Archaeal Venn diagram Bacterial Venn diagram

褐煤與風(fēng)化煤產(chǎn)氣高峰期細(xì)菌和古菌種類(lèi)及其豐度如圖6 所示。由圖6a 可知，褐煤與風(fēng)化煤在產(chǎn)氣高峰期細(xì)菌菌群組成以Macellibacteroides、Lysinibacillus、Sphaerochaeta、Sulfuricurvum和Geobacter為主。風(fēng)化煤中Macellibacteroides屬在細(xì)菌中占比最大為29.05%，該菌屬使用纖維二糖、葡萄糖、乳糖、等作為電子供體，代謝產(chǎn)物是乳酸、乙酸、丁酸和異丁酸[26]。其次是Sulfuricurvum，占比20.44%，該菌屬在微需氧條件下，氧也充當(dāng)電子受體，不依賴(lài)糖、有機(jī)酸或碳?xì)浠衔镒鳛樘己湍茉?，該菌屬?duì)煤降解產(chǎn)酸沒(méi)有積極作用[27]，但在風(fēng)化煤中占比較大，由此可證明，風(fēng)化煤中有機(jī)質(zhì)降解功能微生物占比較少。而褐煤中占比較大的Lysinibacillus屬（43.44%）、Macellibacteroides屬（15.88%）、Sphaerochaeta屬（8.73%）都是利用有機(jī)質(zhì)產(chǎn)酸的菌屬，Lysinibacillus屬為化能異養(yǎng)型微生物，每個(gè)細(xì)胞產(chǎn)一個(gè)芽孢，能適應(yīng)許多不良環(huán)境，具有發(fā)酵或呼吸代謝類(lèi)型。發(fā)酵代謝產(chǎn)物是丙酸、丁酸和己酸[28]。因此對(duì)煤中有機(jī)質(zhì)的降解利用起到積極作用，能為后續(xù)產(chǎn)甲烷菌提供原料。綜上，褐煤中有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)酸的菌屬占比較多，主要功能菌群占比高達(dá)68.05%，而風(fēng)化煤中功能菌群較少（42.72%），不利于微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解產(chǎn)酸，結(jié)合產(chǎn)氣情況來(lái)看甲烷產(chǎn)量低于褐煤。

圖6 褐煤與風(fēng)化煤產(chǎn)氣高峰期菌群組成及豐度Fig.6 Composition and abundance of bacteria in lignite and weathered coal gas production peak

由圖6b 可知，褐煤與風(fēng)化煤產(chǎn)氣高峰期古菌組成主要以甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）、甲烷桿菌屬（Methanobacterium）、甲烷絲菌屬（Methanothrix）組成。甲烷絲菌屬（Methanothrix）能量代謝表現(xiàn)分解乙酸為CH4和CO2不利用H2和CO2、甲酸鹽、甲基胺和甲醇[29]，在風(fēng)化煤和褐煤中占比較少。甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）在風(fēng)化煤中占比（59.54%）大于褐煤（48.49%），該古菌可以將甲基胺或甲醇轉(zhuǎn)化 為CH4、CO2和NH3。其 他 的 代 謝 底 物 還有H2+CO2或乙酸[30]。而甲烷桿菌屬（Methanobacterium）在風(fēng)化煤中的占比只有4.69%，在褐煤中的占比高達(dá)41.50%。甲烷桿菌屬（Methanobacterium）能量代謝來(lái)源于還原CO2為CH4；電子供體只有H2，不能代謝甲基胺和乙酸[31]。同樣，風(fēng)化煤中功能產(chǎn)甲烷微生物占比只有65.03%，而在褐煤中功能微生物占比高達(dá)89.99%，由此說(shuō)明，褐煤更有利于被微生物利用產(chǎn)生物甲烷，同時(shí)根據(jù)功能微生物的代謝產(chǎn)物可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化煤的甲烷代謝類(lèi)型為甲基類(lèi)營(yíng)養(yǎng)性，而褐煤的甲烷代謝類(lèi)型為氫營(yíng)養(yǎng)型。

2.6 產(chǎn)氣高峰期代謝通路統(tǒng)計(jì)

選取褐煤與風(fēng)化煤在細(xì)菌降解時(shí)的前體代謝物和能量產(chǎn)生含有的代謝途徑進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果如圖7 所示。

圖7 風(fēng)化煤與褐煤產(chǎn)氣高峰期代謝通路統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of metabolic pathways during the peak gas production of weathered coal and lignite

由圖7 可知，褐煤代謝通路中糖酵解途徑(glycolytic pathway)、乙醛酸循環(huán)（Glyoxylate cycle）途徑、電子轉(zhuǎn)移途徑（Electron Transfer）、三羧酸循環(huán)（TCA,tricarboxylic acid cycle）的相對(duì)豐度都遠(yuǎn)大于風(fēng)化煤。糖酵解途徑(glycolytic pathway)，又稱(chēng)EMP 途徑，是將葡萄糖和糖原分解為丙酮酸，并生成ATP 的一系列反應(yīng)[32]。乙醛酸循環(huán)（Glyoxylate cycle）中的微生物使用乙酸作為碳源，并作為能量利用的代謝途徑[33]。功能通路電子轉(zhuǎn)移（Electron Transfer）在于任何氧化還原反應(yīng)中，相對(duì)豐度越大，反應(yīng)速率越快，氧化（還原性）越強(qiáng)[34]。三羧酸循環(huán)（TCA,tricarboxylic acid cycle），該循環(huán)消耗乙酸（以乙酰輔酶A 的形式）和水，將NAD+還原為NADH，釋放二氧化碳。這兩個(gè)密切相關(guān)的途徑的最終結(jié)果是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的氧化以ATP 的形式產(chǎn)生可用的化學(xué)能[33]。綜上，褐煤相對(duì)于風(fēng)化煤在生物降解的過(guò)程中，微生物能夠更好地利用乙酸作為碳源、葡萄糖和糖原能夠被有效降解為丙酮酸，氧化（還原性）強(qiáng)，并產(chǎn)生供生化反應(yīng)所需的ATP，利于生化反應(yīng)的進(jìn)行，為后續(xù)的生物甲烷轉(zhuǎn)化提供能量代謝基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

1）褐煤的生物產(chǎn)氣潛力（7.63 mL/g）大于風(fēng)化煤（3.24 mL/g），在第12 天的時(shí)候達(dá)到產(chǎn)氣高峰，兩種煤樣都存在二次產(chǎn)氣高峰。

2）在褐煤生物產(chǎn)氣過(guò)程中，煤中的脂肪結(jié)構(gòu)、羥基、氨基等各種基團(tuán)會(huì)脫落，一些芳香物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)化為其他分子量較小的物質(zhì)，對(duì)應(yīng)的吸收峰表現(xiàn)較弱，而風(fēng)化煤雖然也得到了一定降解，但明顯弱于褐煤。同樣，褐煤中酚碳或醚碳（C—O）相較于風(fēng)化煤氧化明顯。生物產(chǎn)氣高峰期風(fēng)化煤結(jié)構(gòu)呈固態(tài)塊狀，表面光滑且平整，只有少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)孔隙和裂縫，而褐煤表面變的粗糙，出現(xiàn)較多裂隙和孔隙。

3）褐煤的菌群種類(lèi)較風(fēng)化煤?jiǎn)我?，且?yōu)勢(shì)菌群豐度大（細(xì)菌：68.05%，古菌：59.54%）。風(fēng)化煤的甲烷代謝類(lèi)型為甲基類(lèi)營(yíng)養(yǎng)性，而褐煤的甲烷代謝類(lèi)型為氫營(yíng)養(yǎng)型。褐煤相對(duì)于風(fēng)化煤產(chǎn)氣過(guò)程中微生物能夠更好的將葡萄糖和糖原降解為丙酮酸，氧化（還原性）強(qiáng)，并產(chǎn)生供生化反應(yīng)所需的ATP。