[背景]煤地质产甲烷微生物菌群可以代谢煤基质产生甲烷,对于实现煤层气资源的再利用具有重要意义.[目的]检测产甲烷菌群在保藏过程中群落结构的动态变化以及在产气实验中甲烷气的生成情况,以验证保藏方法的可行性,同时为煤层气的微生物增产奠定基础.[方法]分别于不同温度条件下比较3种菌种保藏方法,即甘油/L-半胱氨酸法、富营养法和煤基-基础盐法.通过产气实验检测不同保藏条件下产甲烷菌群的活力.同时,采用454高通量测序技术测定16S rRNA基因序列,分析25℃条件下煤基-基础盐菌种保藏过程中微生物群落结构的变化.[结果]比较了9组菌种保藏方法,发现菌种最佳保藏条件为25℃的煤基-基础盐保藏.在该条件下保藏的产甲烷菌群活性最高,甲烷生成量最大.以无烟煤为碳源进行产气实验时甲烷生成量为12％-25％,而以褐煤为碳源时甲烷生成量可达24％-73％.在25℃的煤基-基础盐菌种保藏条件下,保藏初期细菌的主要优势菌为假单胞菌属(Pseudomonas),而古菌的主要优势菌为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina).随着保藏时间的增加,细菌的群落结构变化显著,发酵细菌及产氢产乙酸细菌成为优势细菌,古菌的群落结构则相对稳定.[结论]菌种保藏的最佳条件为25℃的煤基-基础盐,保藏的产甲烷菌群能长期维持在较高的活性状态,具有较好的产甲烷能力.

生物成因煤层气是煤层气形成的主要途径之一,在各种煤阶的煤层气田中均发现有生物成因煤层气.高通量测序技术、宏基因组学等高新技术的应用逐步揭示了生物成因煤层气微生物群落的组成及多样性,为揭示煤层气资源的微生物生成机理提供了理论依据.本文综述了近年来国内外针对不同煤阶条件下微生物群落结构及多样性方面的研究进展,总结了煤层气生物成因过程中主要微生物的功能及产气途径,并探讨了生物成因煤层气领域的研究前景.

[目的]揭示芦岭煤田微生物群落组成,并分析其潜在的产甲烷类型及产甲烷途径.[方法]采集芦岭煤田的煤层气样品和产出水样品,分别分析样品的地球化学性质特征;利用Illumina HiSeq高通量测序技术分析产出水中的微生物群落结构;采用添加不同底物的厌氧培养实验进一步证实芦岭煤田生物成因气的产甲烷类型.[结果]该地区煤层气为生物成因和热成因的混合成因气;古菌16S rRNA基因分析表明在产出水中含有乙酸营养型、氢营养型和甲基营养型的产甲烷菌.丰度较高的细菌具有降解煤中芳香族和纤维素衍生化合物的潜力.厌氧富集培养结果表明,添加乙酸盐、甲酸盐、H2+CO2为底物的矿井水样均有明显的甲烷产生.[结论]芦岭煤田具有丰富的生物多样性,该地区同时存在三种产甲烷类型.本研究为利用微生物技术提高煤层气的采收率,实现煤层气的可持续开采提供科学依据.

内蒙古自治区二连盆地、海拉尔盆地是我国重要的煤层气产区,其中生物成因煤层气是煤层气的重要来源,但复杂物质转化产甲烷相关微生物群落结构及功能尚不清楚.[目的]研究煤层水中的微生物代谢挥发性脂肪酸产甲烷的生理特征及群落特征.[方法]以内蒙古自治区二连盆地和海拉尔盆地的四口煤层气井水作为接种物,分别添加乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠厌氧培养;定期监测挥发性脂肪酸降解过程中甲烷和底物的变化趋势,应用高通量测序技术,分析原始煤层气井水及稳定期产甲烷菌液的微生物群落结构.[结果]除海拉尔盆地H303煤层气井微生物不能代谢丙酸外,其他样品均具备代谢乙酸、丙酸和丁酸产生甲烷的能力,其生理生态参数存在显著差异,产甲烷延滞期依次是乙酸＜丁酸＜丙酸;最大比产甲烷速率和底物转化效率依次是丙酸＜乙酸＜丁酸.富集培养后,古菌群落结构与煤层气井水的来源显著相关,二连盆地优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanocalculus(相对丰度13.5％-63.4％)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina(7.9％-51.3％),海拉尔盆地的优势古菌为氢营养型产甲烷古菌Methanobacterium (24.3％-57.4％)和复合营养型产甲烷古菌Methanosarcina(29.6％-66.5％);细菌群落则与底物类型显著相关,硫酸盐还原菌Desulfovibrio (12.0％-41.0％)、互营丙酸氧化菌Syntrophobacter (39.6％-75.5％)和互营丁酸菌Syntrophomonas (8.5％-21.9％)分别在乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠处理组显著富集.[结论]煤层气井水微生物可降解挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸)并具有产甲烷潜力;乙酸可能被古菌直接代谢产甲烷,而丙酸和丁酸通过互营细菌和产甲烷古菌代谢产甲烷.Desulfovibrio、Syntrophobacter和Syntrophomonas分别在乙酸、丙酸和丁酸代谢过程中发挥了重要作用.这些结果为煤层气生物强化开采提供了一定的微生物资源基础.

[目的]以不同密度等级大柳塔长焰煤作为产气底物,前期驯化培养厌氧菌群进行生物模拟产气实验,研究不同密度等级煤中的灰分和无机矿物对生物产气的影响.[方法]利用小浮沉将大柳塔长焰煤分成不同密度等级的煤样,采用工业分析、XRD、XRF分析小浮沉处理得到煤样的理化性质,利用这些煤样进行生物产气模拟实验,以甲烷产量作为评价指标,分析不同密度等级煤样中灰分对产气的影响.最后,通过添加几种标准矿物方式比较了煤中无机矿物对生物产气的可能影响.[结果]不同密度等级煤样中灰分对产气量存在一般显著影响(P=0.035),且灰分与甲烷含量呈负相关关系,其灰分中的无机矿物如高岭土、菱铁矿、氧化亚铁镁等的积累对产气有抑制作用.不同矿物配比产气实验证实低含量的粘土矿物促进甲烷的生成,高含量的粘土矿物抑制产气.[结论]不同密度等级煤中的灰分对生物产气存在一般显著的影响,高灰分煤的产气量低,而低灰分煤的产气量高.

[目的]以云南昭通褐煤为研究对象,从矿井水富集产物中分离得到SRB菌株Desulfotomaculum reducens ZTS1厌氧降解褐煤,分析研究SRB菌株处理褐煤前后的物化性质变化.[方法]采用工业和元素分析、XRD、FT-IR、SEM和低温液氮吸附法比较研究SRB厌氧降解褐煤前后矿物组成、有机官能团、表面形貌和孔隙结构变化.[结果]D.reducens ZTS1厌氧降解褐煤后灰分和挥发分略有降低,碳、氮和硫元素的含量降低,氧的含量增加,煤中硫代硫酸钠消失,FT-IR结果表明褐煤长链烃上的甲基和亚甲基团增多,游离羟基减少.煤表面粗糙度增加,小孔径的孔隙增多,孔径比表面积增大.[结论]D.reducens ZTS1可以厌氧降解昭通褐煤,厌氧降解后煤的物化性质发生变化.

在"双碳"目标引领下,传统化石能源将逐渐被取代.我国煤炭资源储量多、分布广,将不可开采的煤炭资源生物气化可作为天然气资源的重要补充.因此,研究生物成因煤层气的增产机理具有重要的理论和现实意义.煤生物气化的发展前景广阔,但难点在其缓慢的动力学特征.为揭示生物煤层气的生成潜力和内部因素,本文就煤的物理化学特征对生物气化的影响、煤的物化性质对生物作用的响应以及预处理煤提高其生物有效利用性进行系统论述.生物作用降解煤的内部因素和环境条件已通过室内研究查明,发现低阶煤比高阶煤更具生物气增产潜力.产甲烷微生物群落对煤的生物转化过程势必引起煤的各项物理化学性质的变化.为产甲烷菌持续提供可用底物是煤生物气化的主要限制因素,研究多以化学预处理手段提高煤生物气化的效率和产量,而超临界CO2萃取以物理方式溶解大分子网格中小分子有机物用于生物气化.生物成因煤层气的增产潜力巨大,但室内实验条件与储层环境差异明显,原位增产有待深入研究,煤层有机物生物转化的微生物学研究亦有待完善.不同煤阶、不同储层环境对生物气化影响的主控因素研究是实现煤的生物气化商业化开发的关键.