蘇現(xiàn)波，汪露飛，趙偉仲，夏大平，周藝璇，王 乾

(1.河南理工大學(xué) 非常規(guī)天然氣研究院，河南 焦作 454003；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；5.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

2020 年中國(guó)對(duì)世界做出了“2030 碳達(dá)峰、2060碳中和”的承諾。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國(guó)將逐步完成以煤炭為主的高碳能源供給體系向清潔、可再生能源為主的低碳能源供給體系的轉(zhuǎn)變[1]。煤炭燃燒供能的同時(shí)會(huì)排放較多CO2，造成溫室效應(yīng)。至2020 年煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比仍高達(dá)57%[2]。相較于煤炭(高碳能源)，同屬化石能源的天然氣則是高效的中低碳能源，在產(chǎn)生相同熱值的情況下，其CO2排放量比煤低三分之二左右，表明天然氣是高碳能源向低碳潔凈能源轉(zhuǎn)化過程中重要的過渡能源，而煤層氣正是非常規(guī)天然氣的重要組成部分。

我國(guó)煤層低滲透率、低孔隙率和高地應(yīng)力的特點(diǎn)[3]，致使煤層氣的商業(yè)化開發(fā)存在困難。A.R.Scott[4]、蘇現(xiàn)波[5]等在微生物增產(chǎn)煤層氣(Microbially Enhanced CBM,MECBM)概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升華和創(chuàng)新，提出了煤層氣生物工程(Coalbed Gas Bioengineering,CGB)的新技術(shù)理念。這一技術(shù)是將經(jīng)過選育、馴化、改良的菌種注入地下煤層或采用地面發(fā)酵產(chǎn)氣的方式，通過厭氧發(fā)酵把煤的部分有機(jī)組分轉(zhuǎn)化為甲烷，實(shí)現(xiàn)煤層氣增產(chǎn)和碳減排的雙重目標(biāo)。近年來，關(guān)于煤層氣生物工程的研究主要集中在煤厭氧發(fā)酵制取生物甲烷的生成途徑、強(qiáng)化生物甲烷產(chǎn)出和微生物對(duì)煤儲(chǔ)層的改性等方面。目前，普遍認(rèn)為煤制生物甲烷需要經(jīng)過水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4 個(gè)階段，煤中復(fù)雜聚合物的分子量過大，不能被產(chǎn)甲烷菌直接利用，需要先被會(huì)水解發(fā)酵菌釋放的胞外酶分解成小分子聚合物，而后這些小分子聚合物被一些產(chǎn)酸菌利用，生成氨、氫氣和揮發(fā)性脂肪酸等，再次在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下?lián)]發(fā)性脂肪酸被進(jìn)一步降解，形成了產(chǎn)甲烷菌可直接代謝底物：二氧化碳、氫氣和乙酸，最后產(chǎn)甲烷菌利用底物生成生物甲烷[6-7]。強(qiáng)化生物甲烷產(chǎn)出的方式主要有生物刺激、生物強(qiáng)化和提高煤的生物利用度等。實(shí)驗(yàn)證明外加電場(chǎng)馴化能夠促進(jìn)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌的協(xié)同合作，進(jìn)而提高生物甲烷的產(chǎn)量[8-9]。美國(guó)Luca 公司在粉河盆地進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)，試驗(yàn)井在添加培養(yǎng)基后，每口井的產(chǎn)氣量比預(yù)期增加了1 260 m3，恢復(fù)到歷史峰值產(chǎn)氣量的50%左右[10]。通過引進(jìn)外源菌種來改善本源菌種的產(chǎn)甲烷能力可顯著提高生物甲烷的生成。有研究表明，產(chǎn)甲烷菌與牛瘤胃消化液中富集得到的厭氧真菌混合，能夠快速降解大麥秸稈同時(shí)產(chǎn)生甲烷[11]。使用物理、化學(xué)和生物的手段對(duì)煤樣預(yù)處理，同樣可以提高煤的生物利用度，進(jìn)而強(qiáng)化生物甲烷的產(chǎn)出[12]。將煤進(jìn)行研磨，可以增加微生物與煤的附著面積；利用高錳酸鉀、過氧化氫等強(qiáng)氧化劑溶解煤，可以實(shí)現(xiàn)煤的解聚；使用白腐菌、芽孢桿菌等強(qiáng)降解能力的菌對(duì)煤進(jìn)行降解，可以破壞煤結(jié)構(gòu)，提高甲烷的生成效率。另外，超臨界CO2萃取(Sc-CO2)-厭氧發(fā)酵聯(lián)作增產(chǎn)煤層氣逐漸被重視，在理想條件下，煤儲(chǔ)層埋藏深度超過800 m 時(shí)，煤儲(chǔ)層溫度和壓力容易使CO2達(dá)到超臨界狀態(tài)(溫度大于31.06℃，壓力大于7.39 MPa)[13]。Sc-CO2與煤有機(jī)基團(tuán)作用可改變煤的理化性質(zhì)。Sc-CO2的擴(kuò)散系數(shù)為液態(tài)CO2的100 倍，具有良好的擴(kuò)散性[14]。Sc-CO2能夠有效萃取復(fù)雜化合物中的有機(jī)物，煤中非共價(jià)鍵的破壞導(dǎo)致小分子有機(jī)物從煤的大分子結(jié)構(gòu)中脫落[15]，易被微生物利用生成甲烷。有學(xué)者利用壓汞儀和孔滲儀對(duì)生物作用后的殘煤進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化能夠增大煤表面的粗糙程度，增加煤的孔隙和滲透率，孔隙的連通性增強(qiáng)，有利于甲烷的解吸[16]。在常規(guī)厭氧發(fā)酵中CGB 的可行性與優(yōu)越性已得到了證實(shí)，而在煤儲(chǔ)層原位條件下，微生物厭氧降解煤制取生物甲烷的研究還存在空白。前期國(guó)內(nèi)外開展的先導(dǎo)性試驗(yàn)一般都是在煤層中添加營(yíng)養(yǎng)液來刺激煤層中本源微生物生產(chǎn)甲烷[17-18]，而真正結(jié)合CGB 的核心理念，將經(jīng)過馴化后的高效產(chǎn)甲烷菌群注入地下煤層的探索還未見報(bào)道。

筆者為了解CGB 在原位儲(chǔ)層條件下的產(chǎn)氣潛力，通過自主設(shè)計(jì)的原位厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置物理模擬煤儲(chǔ)層原位溫壓條件和氣體組分，將馴化后的本源菌群注入?yún)捬醢l(fā)酵罐，進(jìn)行厭氧發(fā)酵制取生物甲烷，對(duì)比厭氧發(fā)酵前后氣、固、菌的差異性，證實(shí)儲(chǔ)層原位條件下生物甲烷生成的可行性，計(jì)算在Sc-CO2參與下生物氣組分的產(chǎn)量，并揭示不同發(fā)酵系統(tǒng)生物甲烷化過程中微生物的差異性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

煤樣取自新疆地區(qū)某煤層氣區(qū)塊目標(biāo)煤層的新鮮煤樣，編號(hào)為XJ，煤質(zhì)分析見表1。煤樣真空干燥12 h后，研磨并篩分至80～100 目(180～150 μm)。實(shí)驗(yàn)菌源從原位煤樣中富集得到。產(chǎn)甲烷菌的液體培養(yǎng)基(g/L)：NH4Cl 1.0，MgCl2·6H2O 0.1，K2HPO4·3H2O 0.4，KH2PO40.2，酵母膏 1.0，L-半胱氨酸鹽酸鹽 0.5，Na2S 0.2，NaHCO32.0，乙酸鈉 2.0，胰蛋白胨 0.1，微量元素液10.0 mL。微量元素液(g/L)：氨基三乙酸 1.5，MgSO4·7H2O 3.0，CoCl2·6H2O 0.1，MnSO4·2H2O 0.5，CaCl2·2H2O 0.1，ZnSO4·7H2O 0.1，NaCl 1.0，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.1，CuSO4·5H2O 0.01，KAl(SO4)20.01，H3BO30.01，Na2MoO40.01。

表1 煤樣的基本性質(zhì)參數(shù)Table 1 Property parameters of coal samples

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

500 mL 厭氧發(fā)酵罐4 個(gè)、壓力表4 個(gè)、四通閥4 個(gè)、小型液壓式計(jì)量泵、氣體增壓泵、抽真空泵、恒溫培養(yǎng)箱、氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)、干燥管(圖1)。

圖1 原位厭氧發(fā)酵裝置Fig.1 In-situ anaerobic fermentation device

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1) 本研究選取新疆地區(qū)某煤層氣區(qū)塊目標(biāo)煤儲(chǔ)層為研究對(duì)象，物理模擬目標(biāo)煤儲(chǔ)層的原位儲(chǔ)層條件，儲(chǔ)層壓力(8.6 MPa)、溫度(35℃) 和原始?xì)怏w組分(CH475%，CO225%)。從煤層中提取本源菌群，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化后，得到高效的產(chǎn)甲烷菌群。

2) 以4 個(gè)500 mL 的厭氧發(fā)酵罐為反應(yīng)容器，分別編號(hào)1、2、3、4，每個(gè)罐加入50 g 煤樣(80～100 目)作為降解底物，其中1 號(hào)為常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，2、3、4號(hào)為原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算出每個(gè)發(fā)酵罐的自由體積后，將發(fā)酵罐抽至真空。通過氣體流量計(jì)向2、3、4 號(hào)發(fā)酵罐中注入CH4至發(fā)酵罐壓力達(dá)到4.0 MPa，然后再向2、3、4 號(hào)發(fā)酵罐內(nèi)注入CO2至發(fā)酵罐壓力達(dá)到4.8 MPa。利用小型液壓式計(jì)量泵將生物發(fā)酵液泵入3、4 號(hào)發(fā)酵罐至發(fā)酵罐壓力達(dá)到煤層原位壓力(8.6 MPa)，將無(wú)菌水泵入到2 號(hào)樣品罐至相同儲(chǔ)層壓力，最后向1 號(hào)發(fā)酵罐加入同體積的生物發(fā)酵液。將4 個(gè)發(fā)酵罐同時(shí)放在35℃的恒溫培養(yǎng)箱中，等待罐內(nèi)氣體吸附穩(wěn)定后，收集2、3、4 號(hào)厭氧發(fā)酵罐內(nèi)的原始?xì)怏w組分10 mL，做初始階段的氣體組分測(cè)試。參照文獻(xiàn)[19]，常規(guī)厭氧發(fā)酵的發(fā)酵時(shí)間設(shè)置為30 d，當(dāng)3 號(hào)發(fā)酵罐內(nèi)氣體濃度不再變化時(shí)(60 d)，視為原位厭氧發(fā)酵結(jié)束，通過干燥管和氣體流量計(jì)緩慢解吸厭氧發(fā)酵罐中的氣體，記錄混合氣體的體積和氣體組分。

3) 本研究中1 號(hào)發(fā)酵罐為常規(guī)厭氧發(fā)酵罐，用來對(duì)比常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)與Sc-CO2參與下原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的氣相產(chǎn)物、固相產(chǎn)物和微生物群落結(jié)構(gòu)的差異性。2 號(hào)發(fā)酵罐作為空白對(duì)照罐，通過參照空白對(duì)照罐注入前后氣體體積差來折算3 號(hào)發(fā)酵罐和4 號(hào)發(fā)酵罐內(nèi)溶解、吸附的氣體體積，從而推算出儲(chǔ)層原位條件下的實(shí)際產(chǎn)氣量。3 號(hào)發(fā)酵罐為取氣測(cè)試罐，每隔5 天進(jìn)行取氣檢測(cè)，用來記錄原位儲(chǔ)層條件下不同發(fā)酵階段氣體組分隨時(shí)間的變化規(guī)律。4 號(hào)發(fā)酵罐作為3 號(hào)發(fā)酵罐的平行樣，用來驗(yàn)證原位產(chǎn)氣數(shù)據(jù)的可靠性。

1.3 分析測(cè)試方法

1.3.1 微生物多樣性分析

對(duì)原始菌液和厭氧發(fā)酵后的菌液平行取樣3 次，送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行DNA 的純度和濃度檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行16SrRNA 測(cè)序。

1.3.2 氣相產(chǎn)物檢測(cè)

利用氣相色譜檢測(cè)儀(GC-4000A)對(duì)常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)和原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的氣相產(chǎn)物進(jìn)行組分測(cè)試分析，檢測(cè)器為熱導(dǎo)(TCD)，10 階程序升溫，升溫速率0.1～40℃/min，TDX-01 色譜柱，載氣為氦氣。

1.3.3 紅外光譜分析

采用紅外光譜儀(HYPERION2000)對(duì)發(fā)酵前后的煤樣進(jìn)行測(cè)試，光譜范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.3.4 相關(guān)計(jì)算

式中：c為二氧化碳的生物轉(zhuǎn)化率；vt為原位厭氧發(fā)酵結(jié)束后3 號(hào)厭氧發(fā)酵罐內(nèi)二氧化碳由于溶解、吸附和微生物轉(zhuǎn)化而減少的量，mL；vd為不參與生物發(fā)酵的2 號(hào)空白對(duì)照罐內(nèi)二氧化碳由于溶解和吸附而減少的量，mL；v為3 號(hào)厭氧發(fā)酵罐內(nèi)二氧化碳的注入量，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣分析

常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)與Sc-CO2參與的原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中生物甲烷生成量分別為4.35 mL/g(圖2a)和32.9 mL/g(圖2d)，后者是前者的7.56 倍。常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷高峰期出現(xiàn)在第20 天，隨后甲烷產(chǎn)量開始大幅下降并逐漸停止，這與前人在實(shí)驗(yàn)室研究的低變質(zhì)煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣結(jié)果基本相符[20]。原位厭氧發(fā)酵開始的第0～10 天 CO2濃度大幅降低，CH4濃度升高，有少量的N2和H2，說明該階段主要以CO2吸附和溶解為主，同時(shí)N2、H2的生成，說明CO2生物甲烷化開始。H2濃度在第5 天達(dá)到峰值，隨后開始降低，說明原位條件下的生物甲烷在第5 天開始生成，CH4濃度在第5～10 天的激增應(yīng)是CO2溶解和生物甲烷化的疊加影響造成的。第10～60 天原位厭氧發(fā)酵罐內(nèi)的CO2濃度停止大幅下降，說明厭氧發(fā)酵罐內(nèi)CO2達(dá)到了溶解平衡，此時(shí)CO2濃度降低是由于微生物的利用，合成了生物甲烷。原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)經(jīng)過60 d 后，對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的氣體進(jìn)行解吸和對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CH4體積增加了7.65%，CO2體積減少了30.23%，而注入無(wú)菌水的厭氧發(fā)酵罐2，微生物不參與發(fā)酵，氣體只有溶解和吸附損失，CH4和CO2的體積分別減少了0.01%和13.50%。該Sc-CO2儲(chǔ)層原位條件下，厭氧發(fā)酵罐2 內(nèi)CO2的減少量(829 mL)近似為厭氧發(fā)酵罐3 內(nèi)CO2溶解和吸附的量vd，厭氧發(fā)酵罐3 內(nèi)CO2的減少量(1 952 mL)為CO2溶解、吸附以及微生物轉(zhuǎn)化利用的總量vt，厭氧發(fā)酵罐3 內(nèi)二氧化碳的注入量v由圖可知為6 458 mL，由1.3.4 的相關(guān)計(jì)算公式得出Sc-CO2儲(chǔ)層原位條件下，CO2的生物轉(zhuǎn)化率為17.4%(圖2b-圖2d)。

圖2 常規(guī)厭氧發(fā)酵與原位厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)Fig.2 Gas production data of conventional anaerobic fermentation and in-situ anaerobic fermentation

2.2 煤的官能團(tuán)分析

2.2.1 測(cè)試結(jié)果

厭氧發(fā)酵前后煤中官能團(tuán)的變化如圖3 所示，紅外光譜劃分為羥基吸收帶(波數(shù)3 600～3 100 cm-1)、脂肪結(jié)構(gòu)吸收帶(波數(shù)3 000～2 800 cm-1)、含氧官能團(tuán)吸收帶(波數(shù)1 800～1 000 cm-1)和芳香結(jié)構(gòu)吸收帶(波數(shù)900～700 cm-1)4 個(gè)部分[21]，并在圖譜上標(biāo)出13 個(gè)不同強(qiáng)度的吸收峰變化。

圖3 FTIR 吸光度圖譜Fig.3 FTIR absorbance spectrum

2.2.2 官能團(tuán)定性分析

根據(jù)FTIR 對(duì)吸收峰歸屬的劃分[22]，1 號(hào)、2 號(hào)吸收峰位于羥基吸收帶，屬于煤中醇、酚羥基的伸縮振動(dòng)，在原位條件下厭氧發(fā)酵罐內(nèi)的Sc-CO2對(duì)煤樣進(jìn)行萃取，煤樣中的羥基被萃取脫落，特征吸收峰消失[15]。3 號(hào)、4 號(hào)吸收峰位于脂肪結(jié)構(gòu)吸收帶，屬于甲基和亞甲基的伸縮振動(dòng)，煤樣經(jīng)過微生物厭氧發(fā)酵后，甲基和亞甲基峰的吸收峰強(qiáng)度降低，說明微生物可能利用甲基和亞甲基合成了甲烷。5、6、7、8、9 號(hào)吸收峰位于含氧官能團(tuán)吸收帶，該區(qū)域主要是羧基、羰基和醚氧的伸縮振動(dòng)，同時(shí)還包含了芳環(huán)上碳碳雙鍵的振動(dòng)、脂肪鏈上CH2和CH3的彎曲振動(dòng)等。10、11、12、13 號(hào)吸收峰位于芳香結(jié)構(gòu)吸收帶，是煤芳香結(jié)構(gòu)CH面外變形振動(dòng)的區(qū)域，F(xiàn)TIR 光譜表明，Sc-CO2萃取-微生物厭氧發(fā)酵聯(lián)作系統(tǒng)對(duì)苯酚、醇、醚、酯中含氧基團(tuán)的降解能力要強(qiáng)于常規(guī)的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。

2.3 群落結(jié)構(gòu)差異性分析

2.3.1 細(xì)菌群落變化

分析了同一時(shí)間點(diǎn)不同厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)微生物群落的組成結(jié)構(gòu)(圖4)?；?6S rRNA 測(cè)序結(jié)果，原始菌液中微生物群落優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門類是厚壁菌門(Firmicutes)、互養(yǎng)菌門(Synergistota)、擬桿菌門(Bacteroidota)和變形菌門(Proteobacteria)，約占初始階段總相對(duì)豐度的97%。經(jīng)過30 d 的常規(guī)厭氧發(fā)酵后，厚壁菌門和變形菌門分別從37.35%和25.54%下降到14.99%和3.77%，而互養(yǎng)菌門和脫硫菌門(Desulfobacterota)分別從13.29% 和0.25% 增加到33.69% 和12.52%。優(yōu)勢(shì)菌屬由Pseudomonas(25.49%降到1.47%)和Para-clostridium(10.47%降到0.17%)變成了Syner-01(3.25%增到15.21%)、Sphaerochaeta(1.16% 增到11.87%)和Syntrophobacter(0.21%增到10.82%)。Pseudomonas和Paraclostridium擁有極強(qiáng)的降解能力，能夠降解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的長(zhǎng)鏈烷烴，同時(shí)也能參與碳水化合物的發(fā)酵[23-24]，在厭氧發(fā)酵后期底物的不足導(dǎo)致其生長(zhǎng)繁殖受阻。Syner-01 是Synergistaceae家族的成員，該家族是合成型乙酰和氨基酸氧化細(xì)菌[25]，Syner-01 和Sphaerochaeta都能代謝氨基酸產(chǎn)生乙醇、乙酸、乳酸、H2和CO2，作用于厭氧發(fā)酵后期的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，豐度較高。在經(jīng)過60 d 的原位儲(chǔ)層條件的厭氧發(fā)酵后，森林土源芽孢桿菌Solibacillus(0.008%增到60.24%)成為了菌群中唯一的優(yōu)勢(shì)菌種，這種菌不利用葡萄糖及相關(guān)糖類作為碳源，卻對(duì)乙酸和丙酮酸有著顯著的利用，這表明Solibacillus silvestris產(chǎn)生能量的途徑不同于利用葡萄糖代謝途徑[26]。

2.3.2 古菌群落變化

不同于細(xì)菌群落，古菌群落的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，檢測(cè)出的古菌菌屬只有Methanosarcina、Methanoculleus、Methanobacterium、Methanosaeta(圖4b)。常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)以甲烷八疊球菌屬M(fèi)ethanosarcina(67.15%)和甲烷囊菌屬M(fèi)ethanoculleus(23.09%) 為主，Methanosarcina是已知的唯一能夠利用所有產(chǎn)甲烷途徑(乙酸營(yíng)養(yǎng)途徑、氫營(yíng)養(yǎng)途徑和甲基營(yíng)養(yǎng)途徑)的產(chǎn)甲烷微生物菌屬，常被視為乙酸營(yíng)養(yǎng)型的代表。而Methanoculleus只能利用H2將CO2還原成CH4，屬于氫營(yíng)養(yǎng)途徑的產(chǎn)甲烷微生物菌屬，可見常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)是多種途徑同時(shí)進(jìn)行合成甲烷。在原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，Methanoculleus以絕對(duì)的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，成為環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)菌屬。在常規(guī)厭氧發(fā)酵中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的Methanosarcina，只占原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)古菌總相對(duì)豐度1.15%，氫營(yíng)養(yǎng)途徑的產(chǎn)甲烷微生物菌屬M(fèi)ethanoculleus和Methanosaeta占到了原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)總相對(duì)豐度的96.44%，說明原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)是以氫營(yíng)養(yǎng)為主要途徑來合成甲烷。Methanosaeta的豐度下降，可能是受到了Solibacillus silvestris的影響，Solibacillus silvestris在環(huán)境中有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力和適應(yīng)能力，利用了環(huán)境中產(chǎn)生的乙酸，導(dǎo)致Methanosaeta缺乏代謝底物而豐度降低，乙酸裂解產(chǎn)生甲烷的途徑被抑制。

圖4 細(xì)菌群落和古菌群落的相對(duì)豐度Fig.4 Relative abundance of bacterial communities and archaeal communities

3 結(jié) 論

a.Sc-CO2參與下儲(chǔ)層原位厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的生物甲烷是常規(guī)厭氧發(fā)酵的7.56 倍。在該儲(chǔ)層條件下，CO2的噸煤減少量為39.0 m3，其中16.6 m3的CO2被溶解，22.4 m3的CO2被微生物轉(zhuǎn)化，說明煤層氣生物工程能夠?yàn)槊簩託庠霎a(chǎn)和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有效途徑。

b.常規(guī)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)和原位厭氧發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)煤進(jìn)行生物發(fā)酵產(chǎn)氣后，煤中的甲基、亞甲基均脫落，苯酚、醇、醚、酯中含氧基團(tuán)被不同程度地降解。儲(chǔ)層原位條件下微生物對(duì)煤的降解更為徹底。

c.Sc-CO2參與的儲(chǔ)層原位條件下，產(chǎn)甲烷菌群由原始群落中參與多種產(chǎn)甲烷代謝途徑的產(chǎn)甲烷菌逐漸向單一的氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌演化。森林土源芽孢桿菌Solibacillus silvestris成為細(xì)菌菌群中的優(yōu)勢(shì)菌屬，目前正在針對(duì)該菌屬的代謝特征和耐壓機(jī)制開展深入研究。