鮑 園，常佳寧，劉向榮，夏大平，王亞亞

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；3.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

煤層氣生物工程(CGB)作為微生物促產(chǎn)煤層氣(MECBM)技術(shù)的發(fā)展與延伸，它具有增氣、增液、增解、增透、減排“四增一減”的特點(diǎn)[1]，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。MECBM 技術(shù)最早是由A.R.Scott[3]在1999 年提出并用于煤有機(jī)質(zhì)生物氣化領(lǐng)域研究。它包括強(qiáng)化和激勵(lì)兩種作用形式[4]，前者是通過(guò)向地下煤層注入外來(lái)微生物種群來(lái)降解煤層有機(jī)質(zhì)生成甲烷，后者是通過(guò)注入養(yǎng)分刺激煤層本源微生物生烴目的。前人在煤層氣生物工程預(yù)處理手段和技術(shù)方面已做了大量工作，例如，李建濤等[5]分別從煤階、微生物、預(yù)處理方法、溶煤方式及其機(jī)理等方面，對(duì)近三十年來(lái)有關(guān)低階煤的微生物轉(zhuǎn)化研究進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了硝酸、雙氧水和臭氧等氧化處理，陰離子表面活性劑、堿性緩沖液和鹽酸等非氧化預(yù)處理以及溶劑抽提等均能提高煤的微生物轉(zhuǎn)化效率；夏大平等[2]研究指出在生物氣化前通過(guò)添加Fe、Ni 等不同微量元素組合，可以使生物甲烷產(chǎn)生時(shí)間提前，產(chǎn)氣量增加；Guo Hongguang 等[6-7]利用雙氧水和NaOH 等不同氧化劑預(yù)處理褐煤和無(wú)煙煤樣品，發(fā)現(xiàn)煤的含氧官能團(tuán)發(fā)生變化，其利用率和甲烷產(chǎn)率得到很大的提升；S.P.Yoon[8]、Guo Hongyu[9]等利用稻草、玉米秸稈等物質(zhì)與不同煤階煤進(jìn)行共降解，發(fā)現(xiàn)煤階越低其生物甲烷產(chǎn)量越高，且共降解生物甲烷產(chǎn)量遠(yuǎn)高于微生物單一降解煤或生物質(zhì)。由此可見，在煤層氣生物工程實(shí)施前進(jìn)行微量元素添加、酸-堿-氧化處理和協(xié)同物質(zhì)共降解等預(yù)處理手段對(duì)提高微生物可利用度和微生物降解煤生烴效率具有顯著的效果。

雖然前人分別從菌種改良，真菌或細(xì)菌強(qiáng)化、氧化，外加電場(chǎng)、酸、堿、溶煤、超聲波，外加微量元素等預(yù)處理方式對(duì)增加煤生物降解能力進(jìn)行了探索研究，但是目前有關(guān)煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)方法種類很多，尚缺乏一種系統(tǒng)的分類方法，筆者在大量文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)各種預(yù)處理方式進(jìn)行梳理、歸納與總結(jié)，按照微生物與煤作用方式概括為3 種類型和12 種技術(shù)，對(duì)比這三種不同預(yù)處理手段下微生物降解煤產(chǎn)氣效率的差異，揭示菌群優(yōu)化與改良、煤的溶解與氧化、生物刺激與協(xié)同作用下甲烷生成機(jī)制。研究成果為了解煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)特點(diǎn)、選擇合理的技術(shù)方式以及應(yīng)用工程實(shí)踐均可提供重要的理論支撐。

1 煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)分類、特點(diǎn)及效果

煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)，涉及種類和方法較多，還沒(méi)有形成系統(tǒng)的分類。本文按菌-煤的作用方式將其劃分為3 類：菌群優(yōu)化與改良、煤的溶解與氧化、生物刺激與協(xié)同(表1)。

表1 煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)分類Table 1 Classification of key pretreatment technologies for coalbed gas bioengineering

1.1 菌群優(yōu)化與改良

由于自然條件下分離得到的原始菌種往往達(dá)不到實(shí)驗(yàn)室以及工業(yè)生產(chǎn)的要求，一般需要通過(guò)菌種優(yōu)化以獲得所需的高產(chǎn)菌種或?qū)A(chǔ)培養(yǎng)基配方進(jìn)行改良，以獲得較高的甲烷產(chǎn)率[10]。

在菌群優(yōu)化方面，前人發(fā)現(xiàn)在生物產(chǎn)氣的不同階段加入不同濃度的乙醇溶液，可以有效地改變菌群群落結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以增加甲烷產(chǎn)率[11]，還可以通過(guò)對(duì)菌種進(jìn)行紫外線輻射誘變獲得高效降解煤的菌株[12]或?qū)Ξa(chǎn)甲烷菌用硫酸二乙酯誘變，使產(chǎn)氣量提高40.0%[13]。在培養(yǎng)基配方改良方面，前人通過(guò)用胰蛋白酶-大豆肉湯和玉米浸泡液替代原始培養(yǎng)基中酵母抽提物和蛋白胨，使生物甲烷產(chǎn)量提升4 倍[14]，并在實(shí)驗(yàn)室條件下成功開發(fā)出地層水基營(yíng)養(yǎng)配方，最高將生物甲烷產(chǎn)量提高了24.3 倍[15]。

前人對(duì)微生物降解煤的菌種選擇及培養(yǎng)基配方優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量研究，但是從目前發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，改良培養(yǎng)基配方，開發(fā)出低成本、高效率且適用于特定地質(zhì)條件下的培養(yǎng)基配方是當(dāng)前研究重點(diǎn)方向之一。

1.2 煤的溶解與氧化

煤的溶解與氧化是將不同種類的酸、堿或氧化劑以及通過(guò)施加外部手段(如電場(chǎng)、微波、超臨界二氧化碳(Sc-CO2)等)處理之后，使煤分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或分解為易被微生物利用的物質(zhì)，再經(jīng)過(guò)發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌協(xié)同作用，以達(dá)到增產(chǎn)生物甲烷的目的。

研究表明，煤經(jīng)過(guò)微生物作用能夠轉(zhuǎn)化為溶于水或其他溶劑的低芳環(huán)小分子物質(zhì)，并將溶煤作用概括為堿作用、生物氧化酶作用、螯合劑作用、表面活性劑作用和酯酶作用5 種類型[5,16]。影響溶煤效果的因素主要有煤的研磨力度、溶煤時(shí)間、氧化劑濃度、菌種的選擇、pH 值等[16-17]。在相同條件下，銅綠假單胞菌的溶煤效果好于產(chǎn)堿假單胞菌、施氏假單胞菌和粗毛栓菌這3 種菌種[18]。利用相同配比不同濃度的酸、堿、氧化溶液分別處理煤樣，得到酸處理后煤樣的甲烷產(chǎn)率最高，達(dá)12.8 mL/g[19]；用0.8 mol/L 硝酸預(yù)處理褐煤后，微生物降解煤的生物轉(zhuǎn)化率高達(dá)31.8%[20-21]。通過(guò)施加外部電場(chǎng)、微波等預(yù)處理手段也可以達(dá)到甲烷增產(chǎn)效果。例如，Piao Dongmei 等[22]通過(guò)研究采用極化電極的生物電化學(xué)厭氧反應(yīng)器來(lái)提高生物煤轉(zhuǎn)化為甲烷的能力?；诓煌姌O最佳組合探討生物甲烷生成效果，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極采用碳?xì)帧㈥帢O采用不銹鋼、電壓為1.2 V 條件下甲烷產(chǎn)率最高提升了155.0%[23]。微波輔助熱解煙煤使羥基自締合氫鍵斷裂，并將醇、酚和羧酸轉(zhuǎn)化成醚基等小分子物質(zhì)，微生物可更好地利用這些小分子物質(zhì)增產(chǎn)生物甲烷[24]。通過(guò)使用Sc-CO2萃取褐煤并利用微生物降解萃取物，證實(shí)了萃取物中的芳香族化合物可被微生物利用并生成甲烷[25]。綜上所述，外加電場(chǎng)能夠顯著強(qiáng)化煤制生物甲烷，微波輔助會(huì)去除煤中的礦物達(dá)到疏通孔隙和裂縫的目的，并且使煤層產(chǎn)生新的裂縫，提供更多的滲流空間。超臨界二氧化碳萃取可以對(duì)煤的大分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分解，這些手段相互結(jié)合應(yīng)用于不同地區(qū)煤儲(chǔ)層，可選擇性為煤儲(chǔ)層改造以及增產(chǎn)生物甲烷奠定基礎(chǔ)。

在煤分子結(jié)構(gòu)研究方面，前人認(rèn)識(shí)到煤的大分子結(jié)構(gòu)可通過(guò)氧化方法變?yōu)樾》肿踊衔颷26]，這為微生物降解煤生烴過(guò)程中增加生物利用度提供了一種途徑。已報(bào)道的氧化劑有CH3COOOH[27]、HNO3[21]、KMnO4[28]、O3[29]、NaOH[30]、H2O2[31]等。H2O2作為一種環(huán)境友好型且氧化性極強(qiáng)的氧化劑，深受研究者們青睞并已開始用于改變煤的結(jié)構(gòu)和作為新生甲烷的底物。J.Webster等[32]利用過(guò)氧化氫、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化鈣3 種試劑對(duì)煤進(jìn)行氧化預(yù)處理，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的乙酸鹽、二氧化碳和甲酸鹽可作為產(chǎn)甲烷菌直接利用的底物，以此來(lái)增加煤層氣產(chǎn)量。還有學(xué)者利用不同濃度的H2O2溶液預(yù)處理煤[5,33-34]，或直接向煤層注入0.05%的H2O2或預(yù)處理液[35]，這些預(yù)處理方法都提高了產(chǎn)甲烷菌的生物利用度，有利于原位/非原位提高CH4產(chǎn)量。由于H2O2反應(yīng)后的主要產(chǎn)物為水，有效地解決了液化后殘余化學(xué)試劑的處置問(wèn)題，極大地減少了對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染。該方法還可用在生物開采薄煤層以及采空區(qū)殘煤中，能快速提高甲烷產(chǎn)率和增加煤層氣資源量，但有關(guān)這方面的工程應(yīng)用和實(shí)施效果未見報(bào)道，僅停留在實(shí)驗(yàn)室理論研究階段。

1.3 生物刺激與協(xié)同

1.3.1 生物刺激作用

生物刺激作用主要是在菌液中添加不同的微量元素[36]、納米磁鐵礦[37]、高嶺土[38]、絡(luò)合劑氨三乙酸[39]等物質(zhì)來(lái)影響細(xì)菌和真菌本身的酶活性，進(jìn)而增加生物甲烷產(chǎn)量。

微量元素是維持厭氧微生物生長(zhǎng)代謝和厭氧發(fā)酵酶系統(tǒng)活性的重要組成成分[40]，通過(guò)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中各類微量元素的濃度，就可以改變不同生物酶活性以加快生物甲烷產(chǎn)出速率，這種方式可以在不同產(chǎn)氣階段及時(shí)加入相應(yīng)微量元素，可有效提升某一階段的生物甲烷產(chǎn)量。Fe、Co、Ni、Zn、Mo、Mn 等微量元素對(duì)生物甲烷產(chǎn)出具有激勵(lì)作用，通過(guò)添加鐵鎳微量元素組合可以使產(chǎn)氣時(shí)間提前和產(chǎn)氣量增加[2,41]，而添加納米級(jí)磁鐵礦[42]和FeCl2/FeS2[43]分別會(huì)促進(jìn)醋酸鹽甲烷的生成并在煤表面形成一種無(wú)定形物質(zhì)，使厭氧反應(yīng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定且甲烷產(chǎn)率上升。此外，絡(luò)合劑氨三乙酸可以與Fe2+和Ni2+形成螯合物阻止Fe2+和Ni2+沉淀[39]，從而消除重金屬離子對(duì)生物酶的抑制，同時(shí)也可以減少硫化物沉淀對(duì)產(chǎn)甲烷的不利影響，極大地促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的活性。真菌和細(xì)菌可通過(guò)改變過(guò)氧化物酶、漆酶、酯酶、堿性代謝物和天然螯合劑在內(nèi)的多種酶活性來(lái)控制煤的溶解和解聚[4]，同時(shí)生物酶還可以對(duì)木質(zhì)素、褐煤起到很好的降解作用[44]。關(guān)于生物刺激作用方面的研究主要集中在對(duì)比挑選高產(chǎn)的菌種和單一或多元微量元素組合(鐵、鎳、鈷)以及無(wú)機(jī)礦物(高嶺土、磁鐵礦)對(duì)生物酶活性的影響等方面[38,45]，隨著地質(zhì)與微生物交叉學(xué)科研究水平的逐漸深入，在關(guān)鍵生物酶的基因重組、蛋白表達(dá)與純化、酶分子改造等方面有著更為廣闊的前景。

1.3.2 生物質(zhì)協(xié)同作用

生物質(zhì)協(xié)同作用是指向煤為碳源底物中添加其他生物質(zhì)(如稻草、秸稈、胍膠等)，通過(guò)微生物共同降解作用生成以甲烷為主的氣體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目的。

前人通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)證明，向煤中加入稻草、秸稈、胍膠等生物質(zhì)可顯著增加生物甲烷產(chǎn)率，其中，稻草外源物質(zhì)可使得褐煤的生物甲烷產(chǎn)量提升172.0%[46]。秸稈與不同煤階煤之間具有相互促進(jìn)的協(xié)同作用，低、中、高階煤與秸稈共降解時(shí)，實(shí)現(xiàn)甲烷最大化的最佳質(zhì)量配比分別為1.5∶1、1∶1 和0.6∶1[47]。S.P.Yoon 等[8]利用稻草與褐煤混合制備甲烷，也驗(yàn)證了這一規(guī)律。李云嵩等[48]通過(guò)將1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠與褐煤混合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，胍膠對(duì)生物產(chǎn)氣具有明顯的促進(jìn)效應(yīng)，生物甲烷的生成量增加620.5%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，降解后胍膠大分子中C、H 元素含量明顯下降，胍膠的表面粗糙度增加，孔隙增多，上清液中葡萄糖、醛、酸含量增加。

生物協(xié)同產(chǎn)氣作用方式也為我國(guó)秸稈資源的高效利用提供了一種有效途徑。秸稈、稻草等生物質(zhì)原料和煤共同被降解時(shí)，一方面加快了煤的降解速率，另一方面，煤與生物質(zhì)之間的相互促進(jìn)協(xié)同作用可增加生物甲烷產(chǎn)量。此外，東亞和東南亞地區(qū)存在大量且容易獲得的稻草，若將稻草作為一種外部碳源和培養(yǎng)基一起注入到低階煤儲(chǔ)層或采空區(qū)中，不僅促進(jìn)了生物甲烷生成，還解決了稻草難處理的問(wèn)題，這是一種雙贏的生物產(chǎn)氣模式。

1.4 不同預(yù)處理技術(shù)的增產(chǎn)效果比較

表2 為煤層氣生物工程中涉及的有關(guān)預(yù)處理技術(shù)的處理方式、實(shí)驗(yàn)條件和作用效果，并將表中不同預(yù)處理技術(shù)條件下生物甲烷生成效率進(jìn)行對(duì)比(圖1)。由圖1 可知，不同預(yù)處理技術(shù)對(duì)生物甲烷的產(chǎn)量均起到促進(jìn)作用，其中，菌群優(yōu)化與改良技術(shù)增產(chǎn)效果最高。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按原位地層水的化學(xué)和微生物成分配制的改良培養(yǎng)基配方，該條件下的生物甲烷產(chǎn)量達(dá)1 315.0 μmol/g，是原培養(yǎng)基配方下生物甲烷產(chǎn)量的24.3 倍。此外，在培養(yǎng)基中加入乙醇可改變發(fā)酵液的菌群結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)氣量是對(duì)照組(不加乙醇)的5 倍。這兩種處理方式應(yīng)用前景較好，前者增產(chǎn)生物甲烷潛力巨大，后者便于操作。由此可見，因地制宜地優(yōu)化培養(yǎng)基配方不僅可以增產(chǎn)生物甲烷，也可以在工程實(shí)踐中降低培養(yǎng)基成本，使其商業(yè)價(jià)值最大化。

圖1 煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)增產(chǎn)效果比較Fig.1 Comparison of stimulation effect of pretreatment key technologies for coalbed gas bioengineering

表2 煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)條件與作用效果Table 2 Experimental conditions and effects of different pretreatment technologies for coalbed gas bioengineering

在煤的溶解與氧化技術(shù)方面，堿以及氧化預(yù)處理煤后的生物甲烷產(chǎn)量均有不同程度的增加，增量在17.6%～25.0%，而硝酸預(yù)處理后可以增產(chǎn)259.8%，但是考慮到酸堿等物質(zhì)對(duì)地下水環(huán)境影響以及煤破壞程度，這方面的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值還有待深入研究。而Sc-CO2處理后的煤樣品，其生物甲烷產(chǎn)率提高了148.1%～733.3%。在生物刺激與協(xié)同技術(shù)方面，生物質(zhì)與煤協(xié)同降解的生物甲烷產(chǎn)率提高了89.5%～620.5%，雖然其對(duì)生物甲烷的促產(chǎn)作用要低于Sc-CO2預(yù)處理效果，但是如果能夠?qū)⒔斩挸涮钣诿旱V采空區(qū)與地下殘余煤進(jìn)行協(xié)同降解的商業(yè)化開發(fā)模式，不僅增加了生物甲烷的產(chǎn)量和生物氣資源量，還可以最大程度地減少煤炭資源的浪費(fèi)。

2 不同預(yù)處理技術(shù)的作用機(jī)制

2.1 菌群優(yōu)化與改良

菌群優(yōu)化與改良的作用機(jī)制是通過(guò)改變菌群中優(yōu)勢(shì)菌的群落結(jié)構(gòu)和增加菌群豐度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目的(圖2)。前者作用方式包括外加誘導(dǎo)條件或使用化學(xué)誘變?cè)噭﹣?lái)改變優(yōu)勢(shì)菌的群落結(jié)構(gòu)，后者主要通過(guò)添加多源復(fù)合物質(zhì)或者通過(guò)對(duì)微生物群落的基因機(jī)理研究，應(yīng)用不同配方的培養(yǎng)基對(duì)不同菌群進(jìn)行數(shù)量擴(kuò)增，在尋找廉價(jià)、高產(chǎn)培養(yǎng)基的同時(shí)實(shí)現(xiàn)生物甲烷的增產(chǎn)。

圖2 菌群優(yōu)化與改良作用下甲烷生成機(jī)制Fig.2 Mechanism of methane generation based on microflora optimization and improvement

2.2 煤的溶解與氧化作用機(jī)制

煤經(jīng)過(guò)酸、堿和氧化劑預(yù)處理后，煤中部分小分子有機(jī)質(zhì)發(fā)生脫落，其表面主要含氧官能團(tuán)(羥基、羧基、羰基和醚鍵等)會(huì)發(fā)生變化，碳層面定向排列的程度降低，煤的孔徑和比表面積發(fā)生變化，產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)微生物產(chǎn)生甲烷的化合物，從而使微生物發(fā)酵過(guò)程中煤的活躍性增強(qiáng)。從生物學(xué)角度看，為了使甲烷產(chǎn)量大幅度提升，需要將煤有效地降解為小分子有機(jī)酸類、醇類、糖類等化合物[53-54]。微波、電場(chǎng)、Sc-CO2萃取等外界條件是目前常用的破壞煤分子結(jié)構(gòu)的方式。微波作用會(huì)選擇性加熱煤中的極性分子，如水分子和黃鐵礦具有較高介電常數(shù)，進(jìn)而使得煤不均勻膨脹和產(chǎn)生熱量(圖3a)。在外加電場(chǎng)作用下，微生物的降解作用可破壞煤的含氧官能團(tuán)和脂肪組分，含氧官能團(tuán)中的醚氧鍵和羧基、羰基大幅度降低(圖3b)。Sc-CO2萃取煤可以減弱煤分子間作用力并且破壞非共價(jià)鍵，使小分子化合物從煤大分子結(jié)構(gòu)中脫離(圖3c)。

圖3 煤溶解作用下甲烷生成機(jī)制Fig.3 Mechanism of methane generation under the action of coal dissolution (a.Under microwave irradiation;b.Under the action of electric field;c.By Sc-CO2 extraction)

紅外光譜、紫外光譜和氣相色譜-質(zhì)譜的譜圖分析顯示，經(jīng)微生物溶煤作用后的液體產(chǎn)物中烴類、酯類、醇類和醛、酮、醚類化合物含量降低，酸類化合物含量升高[1]；殘煤中芳香族化合物減少，低分子量化合物、不飽和化合物增加，說(shuō)明原煤中的芳香族類物質(zhì)被部分溶解為其他小分子量物質(zhì)[5]。經(jīng)酸堿預(yù)處理和微生物降解產(chǎn)氣后的煤分子排列結(jié)構(gòu)和基團(tuán)含量變化更大，羥基或氨基、羧酸或羧酸鹽的伸縮振動(dòng)都有所增強(qiáng)，這些變化使得煤大分子結(jié)構(gòu)更易被降解，生物甲烷產(chǎn)量更高。酸處理減少煤中礦物種類，酶的作用位點(diǎn)增加，微生物更容易降解煤中纖維素和木質(zhì)素(圖4a)。堿處理能較好地降低煤的結(jié)晶度，使煤大分子的芳香碳層片間距增大，堆砌度和芳香層數(shù)減小(圖4b)。氧化法是通過(guò)不同氧化試劑處理煤，預(yù)處理后煤中的芳香結(jié)構(gòu)被氧化，芳香單元被裂解，揮發(fā)性脂肪酸和溶解總有機(jī)碳的含量增加[6](圖4c)。

圖4 煤氧化作用下甲烷生成機(jī)制Fig.4 Mechanism of methane generation under the action of coal oxidation (a.Acid treatment;b.Alkali treatment;c.Oxidizer treatment)

2.3 生物刺激與協(xié)同作用機(jī)制

在生物刺激技術(shù)作用過(guò)程中涉及Fe、Co、Ni、Zn、Mo、W 等微量元素對(duì)多種生物酶、輔酶的催化，機(jī)制復(fù)雜(圖5)[40]。其中，微量元素Fe、Ni 能夠合成和激活多種酶的活性，主要參與以乙酸、H2和CO2為底物的生物甲烷的生成，如乙酰輔酶A 合成酶、一氧化碳脫氫酶、F420氫化酶和甲酰基甲基呋喃脫氫酶等。不同的是，一氧化碳脫氫酶是一種含有Fe、Co、Ni 和Mo 的金屬酶與催化物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的酶[55]，甲?；谆秽摎涿复呋疌O2合成甲烷需要微量元素Fe、Ni、Mo、W 的參與[56]。以甲基化合物為底物的生物甲烷的生成需要甲基轉(zhuǎn)移酶和甲基輔酶的共同參與，在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，此過(guò)程需要Co 和Zn 參與[57]，甲基輔酶還原酶是一種含有Ni 的酶，可以催化甲基輔酶生成甲烷[58-59]。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌對(duì)微量元素的營(yíng)養(yǎng)需求順序，當(dāng)Co 的含量不足時(shí)，Ni 就不能表現(xiàn)為激活作用，因此，不同微量元素之間存在協(xié)同作用。

參與木質(zhì)素降解活性的真菌酶系統(tǒng)包括苯酚氧化酶(漆酶)、過(guò)氧化物酶(錳過(guò)氧化物酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶等)、過(guò)氧化氫生成酶、水解酶，特別是酯酶，這些酶可以打破煤結(jié)構(gòu)中的酯鍵，從而起到增溶作用[60]，煤生物氣化時(shí)的中間化合物被轉(zhuǎn)化為多芳烴、長(zhǎng)鏈脂肪酸和中鏈脂肪酸等物質(zhì)[61]。而微量元素恰恰是維持厭氧微生物生長(zhǎng)代謝和厭氧發(fā)酵酶系統(tǒng)活性的重要組成成分，鐵、鎳微量元素通過(guò)影響細(xì)菌分泌的纖維素酶活性，影響煤中纖維素類木質(zhì)素消耗量，鐵、鈷、鎳等微量元素能夠促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)[62]和激活酶活性(如輔酶F430、輔酶F420和氫化酶)，進(jìn)而加快甲烷的生物合成，其不僅能夠提高揮發(fā)性脂肪酸轉(zhuǎn)化效率[37]，有利于產(chǎn)甲烷菌對(duì)乙酸的利用，消除揮發(fā)性脂肪酸的累積現(xiàn)象，提高甲烷產(chǎn)氣量，而且能夠拮抗鈉、氨、氮等離子的抑制作用，進(jìn)一步維持厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行。

秸稈、稻草等生物協(xié)同作用主要是生物質(zhì)中的小分子物質(zhì)更容易被微生物降解利用，而降解生物質(zhì)產(chǎn)生的有機(jī)物使得菌群快速生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了微生物降解煤，同時(shí)增加了菌群與煤的接觸面積，這些生物質(zhì)原料和煤共同被微生物降解后，煤的結(jié)構(gòu)破壞程度更大，他們之間存在明顯相互促進(jìn)的協(xié)同作用，由此可見，生物質(zhì)協(xié)同作用的甲烷增產(chǎn)潛力巨大(圖6)。

圖6 生物質(zhì)協(xié)同作用下甲烷生成機(jī)制Fig.6 Mechanism of methane generation based on biological synergy

3 問(wèn)題與展望

實(shí)施煤層氣生物工程不僅可以提高煤層氣單井產(chǎn)能，還可以改善煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，增加煤層滲透性，有利于煤層氣開采。然而，目前關(guān)于煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)研究還主要停留在實(shí)驗(yàn)階段，有關(guān)這方面的中試試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究還較少；在菌群優(yōu)化與改良技術(shù)方面，主要是關(guān)注培養(yǎng)基成本、產(chǎn)氣效率和影響因素，沒(méi)有考慮煤層原位水文地質(zhì)條件(pH 值、微量元素含量、礦化度等)與試劑級(jí)和工業(yè)級(jí)培養(yǎng)基配方的產(chǎn)氣差異，也沒(méi)有深入到關(guān)鍵生物酶的基因重組、純化表達(dá)與分子改造等微觀層面；在煤的溶解與氧化技術(shù)方面；除了超臨界二氧化碳萃取作用下煤的生物甲烷產(chǎn)率增幅較高，其他技術(shù)方法(電場(chǎng)、酸、堿、氧化)對(duì)生物甲烷增產(chǎn)效果普遍較低，而且在試驗(yàn)過(guò)程中使用的化學(xué)試劑會(huì)對(duì)煤層地下水造成環(huán)境污染和水資源浪費(fèi)，危害礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綠色發(fā)展，且化學(xué)試劑的地下強(qiáng)化效果與增產(chǎn)的時(shí)效性有待驗(yàn)證；生物刺激與協(xié)同技術(shù)相比于前兩種技術(shù)，具有較高的生物甲烷增產(chǎn)效果，且環(huán)境污染小，是未來(lái)工程應(yīng)用和技術(shù)推廣的重要方向之一。

近年來(lái)，煤層氣生物工程作為涉及資源、環(huán)境和材料三大領(lǐng)域多學(xué)科交叉的新型交叉學(xué)科，在“四增一減”(增氣、增液、增解、增透、減排)方面已取得諸多研究成果，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面開展研究：

(1) 在菌群優(yōu)化與改良方面，將著重于高效適宜單一礦區(qū)的高產(chǎn)甲烷菌的選育和工程適用注入條件研究，培育出耐高溫、低溫、適應(yīng)不同pH、Eh 以及不同煤階的菌種勢(shì)必具有很大的研究前景。開發(fā)適合于不同煤層氣井礦化度、地下水動(dòng)力和原位煤層水微生物群落的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基，將為探索鹽度、微量元素濃度對(duì)于產(chǎn)甲烷菌的影響具有重要意義。

(2) 在煤的溶解與氧化方面，選擇清潔、零污染的氧化劑對(duì)于煤層水環(huán)境的保護(hù)尤為重要，在外加電場(chǎng)、微波作用和超臨界二氧化碳萃取方面解決其工程實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和克服技術(shù)攻關(guān)具有很大的研究潛力。

(3) 在生物刺激與協(xié)同方面，添加不同微量元素、無(wú)機(jī)礦物等來(lái)刺激微生物體內(nèi)生物酶活性可結(jié)合生物酶方面的研究，從酶作用機(jī)理方面研究完善產(chǎn)氣機(jī)理，而生物質(zhì)協(xié)同可以將稻草、秸稈等生物質(zhì)進(jìn)行填充并促產(chǎn)生物甲烷，可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)礦化、低產(chǎn)井甲烷化的戰(zhàn)略目標(biāo)。

(4) 煤層氣生物工程與二氧化碳驅(qū)替增產(chǎn)煤層氣相結(jié)合，能夠?qū)⒆⑷朊簩拥亩趸嫁D(zhuǎn)化為甲烷而被再次利用，從而實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

(5) 將二氧化碳固化封存和碳達(dá)峰碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)相結(jié)合。一方面可以將二氧化碳封存于廢棄礦區(qū)，固化采空區(qū)目的，還可以將二氧化碳與二氧化碳還原型產(chǎn)甲烷菌一起注入地下深部煤層，促進(jìn)二氧化碳向甲烷轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)更高、更快捷的“碳中和”目標(biāo)和深部煤炭資源的高效利用，改善人類生存環(huán)境。

目前，中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心、中石油天然氣股份有限公司華北油田分公司、中石油煤層氣有限責(zé)任公司等單位聯(lián)合北京大學(xué)、河南理工大學(xué)、西安科技大學(xué)等高校已開展以上相關(guān)的研究工作，該技術(shù)有望在我國(guó)低階煤地區(qū)率先實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，工業(yè)價(jià)值和市場(chǎng)前景好。隨著科技進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展，未來(lái)在經(jīng)濟(jì)適用型培養(yǎng)基優(yōu)化、環(huán)境友好型氧化劑選擇、二氧化碳生物封存與負(fù)碳技術(shù)等方面勢(shì)必會(huì)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

4 結(jié) 論

a.基于微生物與煤相互作用方式與特點(diǎn)，將煤層氣生物工程關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)分為菌群優(yōu)化與改良、煤的溶解與氧化、生物刺激與協(xié)同3 大類，細(xì)菌與古菌群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、改良培養(yǎng)基配方、生物溶煤、微波輔助熱解、超臨界二氧化碳萃取、外加電場(chǎng)、酸氧化、堿氧化、氧化劑氧化、光氧化、刺激生物酶活性、生物質(zhì)協(xié)同作用12 小類。

b.對(duì)比不同預(yù)處理手段下的生物甲烷增產(chǎn)效果發(fā)現(xiàn)，不同煤預(yù)處理技術(shù)對(duì)于生物甲烷的產(chǎn)率均有增產(chǎn)效果，其中，菌群優(yōu)化與改良對(duì)生物甲烷增產(chǎn)效果最高，平均增幅1 025.4%，該技術(shù)適用于煙煤儲(chǔ)層及微量元素充足條件。其次是煤的溶解與氧化技術(shù)，對(duì)生物甲烷的產(chǎn)率平均提高223.4%，該技術(shù)適用于高煤階煤儲(chǔ)層及低孔低滲條件。再次是生物刺激與協(xié)同技術(shù)，對(duì)生物甲烷的產(chǎn)率平均增幅為148.6%，該技術(shù)適用于褐煤儲(chǔ)層及胍膠壓裂條件。

c.菌群優(yōu)化與改良技術(shù)作用機(jī)制是通過(guò)優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)與改良培養(yǎng)基，實(shí)現(xiàn)單一高產(chǎn)菌種的豐度增加或者菌群數(shù)量增大進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)目的；煤的溶解與氧化技術(shù)作用機(jī)制主要是增加酶水解作用位點(diǎn)、減弱煤大分子間作用力、改變煤的含氧官能團(tuán)數(shù)量、降低煤結(jié)晶度和破壞煤的芳香結(jié)構(gòu)變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)或者化合物從而增加微生物的利用度，增加生物甲烷的產(chǎn)率；生物刺激與協(xié)同技術(shù)作用機(jī)制主要是改變培養(yǎng)基中微量元素的含量來(lái)刺激微生物體內(nèi)各種生物酶的活性以及增加菌與煤的接觸面積，來(lái)實(shí)現(xiàn)生物甲烷的增產(chǎn)。

d.在目前倡導(dǎo)清潔能源發(fā)展和碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)背景下，煤層氣生物工程預(yù)處理技術(shù)將向地層水原位條件下工業(yè)級(jí)培養(yǎng)基配方改良、胍膠壓裂液生物質(zhì)協(xié)同作用及超臨界二氧化碳萃取深層煤作用等方向發(fā)展。