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摘 要：在现代科技的飞速发展下，借助微生物降解煤层里的残余甲烷，已经得到越来越多专业人士的认可。在现代技术的辅助下，研究人员可以通过培养好氧型微生物并將其注入煤层，经过渗透后利用自身的相关生命活动消耗其中的甲烷，从而降低开采煤炭时的危险系数。文章分析了微生物降解煤层甲烷的机理，探讨了微生物降解效率的影响因素。
关键词：微生物 降解 甲烷 机理 影响因素
中图分类号：X74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（c）-0254-03
Abstract： With the fast development of modern science technology， using microform degradates coal firedamp is getting more and more professionals ratification. With the help of current technology， people can foster germs of oxide and pour them into coals， after osmosis and consume coal firedamp by vital activities， then decrease danger. The article analysis theory of microform degradates coal firedamp， and discusses factors of microform degradation.
Key Words： Microform； Degradation； Firedamp； Theory； Factor
煤炭一直是我国所有使用的能源中占比重最高的能源，其生产和消费总量都在70%以上，我国在供电、取暖等方面使用的基本是煤炭。而我国煤层甲烷开发所面临的主要问题是煤储层压力、渗透率和含气饱和度普遍较低[1]。因此，煤炭的开采及有效利用显得尤为重要。
中国煤层气有利勘探面积约为37.5×104 km2，地质资源量為36.8×1012 m3，可采资源量为10.9×1012 m3[2]。虽然多年以来，我国比较重视煤矿瓦斯的开采及技术提高工作，对治理煤层甲烷起到了很大推进作用，但我国在煤层甲烷方面的研究起步较晚，对煤层甲烷资源的认识不够全面，开采的技术相对落后且不成熟[3]。
1939年，法国著名煤化学家尤洛夫斯基提出利用特殊的甲烷氧化菌，降低煤井内甲烷浓度，随后，各国的科学家相继进行了类似的研究 [4-6]。在国家政策的大力推动下，煤层甲烷实现规模化开发利用，一些重大核心技术取得突破，但目前煤层甲烷的采收率一般较低[7]。有不少研究者通过钻孔设备将甲烷氧化菌液注入煤层或喷洒在巷道壁面、采空区、盲巷等处来降低瓦斯浓度[8]，但这些方式存在较大局限性。
目前，我国瓦斯的主要治理技术为矿井通风、矿井瓦斯抽放和“四位一体”的综合防范措施等物理方法[9-10]。而我国煤层地质条件复杂、煤层透气性差及由此形成的自身特点决定了现有甲烷抽放技术的限制性，煤层甲烷所导致的灾害不能得到彻底的解决。在生物技术的带动下，国内外的许多研究人员开始开展利用微生物降解地面甲烷的研究，并取得了较为明显的成果[11]。我国也紧跟世界脚步，在非常规油气勘探和开发上取得了显著成绩，获得了一系列重大的发现，在油气勘探开发中扮演着越来越重要的角色[12-16]。
1 微生物降解甲烷的机理
利用微生物降解煤层甲烷的研究在俄罗斯、澳大利亚等国家已经取得了一定的成果。俄罗斯研究人员获得了一种专门“吃” 瓦斯的细菌，并将其研制成液态的“菌剂” 制品，通过钻孔输入煤床，甲烷在原处被细菌“吃掉”（甲烷被氧化），通过这种方法可使甲烷减少50%；澳大利亚研究人员把“吃”甲烷的细菌菌液喷洒到煤矿壁上，细菌以甲烷为唯一碳源而繁衍，20 d后煤矿甲烷气的去除率高达66%[17]。
在开采煤层之前，利用相关仪器将过量二氧化碳注入煤层之间，将煤层甲烷驱赶到表面，然后将微生物培养液（甲烷氧化菌培养液）喷洒到煤层上，利用微生物的生命活动对甲烷的降解来降低其中的甲烷浓度，接着再注入二氧化碳吸附在煤层表面以促进煤层甲烷的解吸；同时，在煤层间另一种微生物（产甲烷菌）的作用下，将二氧化碳部分转化为甲烷，从而完成二氧化碳的能源化和资源化，形成“二氧化碳—燃料—二氧化碳”的循环体系。
现在研究所采用的降解甲烷的微生物是甲烷氧化菌。甲烷氧化菌是甲基氧化菌的一个分支，其特别之处在于能够利用甲烷作为唯一的碳源和能源[18]。甲烷氧化菌的分布范围极广，在许多极端环境（如：酸、碱、盐、高温、低温、寡营养等）中都有存在[19]。
甲烷氧化菌可以分为甲基单胞菌属（Methylomonas）、甲基细菌属（Methylobacter）、甲基球菌属（Methylocoecus）、甲基孢囊菌属（Methylocytis）、甲基弯曲菌属（Methylosinus）、甲基微菌属（Methylomicrobium）、Methylocaldum、Methylosphaera[20]。几乎所有的甲烷氧化菌都是专性氧化菌。甲烷氧化菌的典型特征是含有甲烷单加氧酶（MMO）能够催化甲烷氧化为甲醇，甲烷氧化菌氧化甲烷生成二氧化碳，并在此过程中获得生长所需的能量。第一步由甲烷单加氧酶（MMO）将甲烷活化生成甲醇，甲醇进一步被氧化为甲醛，甲醛被同化为细胞生物量或通过甲酸氧化为二氧化碳，然后经过一系列的脱氢反应生成二氧化碳重新回到大气中，即甲醇—甲醛—甲酸—甲酸盐和二氧化碳[21]的过程。
甲烷单加氧酶（MMO）的催化机理为[22]： 3个复合酶分别为羟基化酶、调节蛋白B和还原酶；羟基化酶和烷烃结合，并使之活化，还原酶接受NADH的电子，并将电子传递至羟基化酶。根据酶催化机理，生物体内的甲烷单加氧酶部分氧化时必须存在还原剂（NADH或者NADPH，其中NADH为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADPH为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。 2 微生物降解甲烷的影响因素
众所周知，每一种微生物的存活、生长与繁殖都需要物质和环境因素，例如：水、无机盐和有机物等营养物质，以及温度、湿度和压力等环境因素。而微生物降解甲烷的过程中，由于煤层的埋藏环境与一般情况下有很大不同，这就要求所需要的甲烷氧化菌群必须能适应煤层所处的环境，并且可以在此环境下存活，进行正常的生命活动。以下为降解过程中常见的影响因素。
2.1 温度
温度能直接影响甲烷氧化菌内的甲烷单加氧酶（MMO）的活性，而甲烷单加氧酶（MMO） 催化甲烷氧化为甲醇恰恰是降解过程的第一步，倘若这一步无法进行，更不用说后面的降解过程了。因此，甲烷氧化菌必须要能够适应煤层的温度，才能使降解的效率提高。
2.2 压力
在通常情况下，如果某个个体内部的压力与外界环境的压力相差很大，自身往往会被外界压碎或膨胀裂开，从而导致其死亡。煤层存在地下几千米，所受的压力与地面压力大不相同，甲烷氧化菌需要在自身存活的前提下才可以进行降解。
2.3 营养元素
将甲烷氧化菌输送到煤层间采用的是液体培养基。在液体培养基中要包含其正常生长繁殖所需要的营养元素，既要有C、H、O、N、P等常量元素，也要有Cu、Mn、Zn、Ni等微量元素。
2.4 二氧化碳的浓度
经相关实验证明，二氧化碳的浓度对于甲烷氧化菌的降解效率也有一定的影响。二氧化碳浓度越高，表明氧气浓度越低，会对甲烷氧化菌的呼吸类型产生影响。
3 结语
利用厌氧型微生物（甲烷氧化菌）降解甲烷，一是可以降低煤层中的甲烷浓度，从而使危险程度降低，保障工作人员的安全；二是大大减少向大气中排放的甲烷量，一定程度上可以减慢全球温室效应的进程。今后的微生物研究方向不单是使甲烷氧化菌能够适应煤矿的温度、压力和氧气环境，还要将微生物技术应用到其他方面，不仅可以降低成本，提高效率，也会带来不可估量的环保效益。
参考文献
[1] TANG Shu-heng， SUN Sheng-li， HAO Duo-hu， etal. Coalbed methane-bearing characteristics and reservoir physical properties of principal target areas in north China[J].Acta Geologica Sinica， 2004，78（3）：724-728.
[2] 国土资源部油气资源战略研究中心.全国石油天然气资源评价[M].北京：中国大地出版社，2010.
[3] 陈永武，胡爱梅.中国煤层气产业形成和发展面临的机遇与挑战[J].天然气工业，2000，20（4）：19-23.
[4] 罗华锋.浅谈煤矿瓦斯治理的现状及发展[J].科技创新导报，2012（12）：83.
[5] 聂文杰，王生全，侯晨涛，等.降解甲烷微生物的生物学特性研究[J].西安科技大学学报，2011，31（5）：530-533.
[6] 侯晨涛，王生全，聂文杰，等.微生物技术治理煤矿瓦斯气体的初步研究[J].矿业安全与环保，2008，35（2）：11-13.
[7] 李明宅，孙晗森.煤层气采收率预测技术[J].天然气工业，2008，28（3）：25-29.
[8] 张瑞林，任学清.不同压力机氧环境条件下微生物降解煤层瓦斯实验研究[J].煤矿安全，2014，45（11）：1-4.
[9] W.Y.Kim，M.D.Hanigan， S.J.Lee.Effects of Cordycepsmilitaries on the growth of rumen microorganisms and in vitro rumen fermentation with respect to methane emissions [J].Journal of Dairy Science，2014，97（11）：7065-7075.
[10] A.Romero-Perez，E.K.Okine，L.L.Guan，et a1.Effects of 3-nitrooxypropanol on methane production using the rumen simulation technique[J].Animal Feed Science and Technology，2015，45（8）：136-147.
[11] Xueming Chen，Jianhua Guo，GuoJun Xie，et a1.A new approach to simultaneous a mmonium and dissolved methane removal from anaerobic digestion liquor：A model based investigation of feasibility[J].Water Research，2015（85）：295-303.
[12] Conrad R. Soil microorganism as controllers of atmospheric trace gases （H2， CO， CH4， OCS， N2O and NO） [J].Microbiological Reviews， 1996， 60（4）： 609-640.
[13] 潘濤，陳发晓，宋明信.借鉴美国经验协调推进我国非常规天然气发展[J].国际石油经济，2010，18（9）：4-8.
[14] 刘洪林，王红岩，刘人和，等.非常规油气资源发展现状及关键问题[J].天然气工业，2009，29（9）：113-116. [15] 寧宁，王红岩，雍洪，等.中国非常规天然气资源基础与开发技术[J].天然气工业，2009，29（9）：9-12.
[16] 潘继平，王楠，韩志强，等.中国非常规天然气资源勘探开发与政策思考[J].国际石油经济，2011，19（6）：19-24.
[17] 潘繼平，胡建武，安海忠.促进中国非常规天然气资源开发的政策思考[J].天然气工业，2011，31（9）：1-6.
[18] 柯为.治理煤矿瓦斯爆炸的微生物技术[J].生物工程学报，2005，21（3）：460.
[19] Hanson R S，Hanson T E.MethanotrophicBacteria[J].Microbiological Reviews，1996，60（2）：439-471.
[20] 宁治中，缪德埙，易淑云，等.丙烯酶催化氧化产生环氧丙烷的研究——甲烷氧化菌的筛选及其特性[J].微生物学通报，1990，17（5）：283-286.
[21] Dedysh SN，Derakshani M.Detection and enumeration
of methanotrophs in acidic Sphagnum peat by 16S rRNA fluorescence in situ hybridization，including the age of a newly develpped oligonucleotide probe for Methylocelia palustris[J].AppL Environ.Microbiol，2001（67）：4850-4857.
[22] Bowman J.P.，et al.Revised taxonomy of methanotrophs：description of the Methylobacter gen.Nov.emndation of Methylococcus，validation of Methylosinus and Meth]ecys— tis species，and a proposal that the family Methylecec caceae includes only the group I methanotrophs[J].Int J Syst Bacteriol，1993（43）：725-753.
关键词：微生物 降解 甲烷 机理 影响因素
中图分类号：X74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（c）-0254-03
Abstract： With the fast development of modern science technology， using microform degradates coal firedamp is getting more and more professionals ratification. With the help of current technology， people can foster germs of oxide and pour them into coals， after osmosis and consume coal firedamp by vital activities， then decrease danger. The article analysis theory of microform degradates coal firedamp， and discusses factors of microform degradation.
Key Words： Microform； Degradation； Firedamp； Theory； Factor
煤炭一直是我国所有使用的能源中占比重最高的能源，其生产和消费总量都在70%以上，我国在供电、取暖等方面使用的基本是煤炭。而我国煤层甲烷开发所面临的主要问题是煤储层压力、渗透率和含气饱和度普遍较低[1]。因此，煤炭的开采及有效利用显得尤为重要。
中国煤层气有利勘探面积约为37.5×104 km2，地质资源量為36.8×1012 m3，可采资源量为10.9×1012 m3[2]。虽然多年以来，我国比较重视煤矿瓦斯的开采及技术提高工作，对治理煤层甲烷起到了很大推进作用，但我国在煤层甲烷方面的研究起步较晚，对煤层甲烷资源的认识不够全面，开采的技术相对落后且不成熟[3]。
1939年，法国著名煤化学家尤洛夫斯基提出利用特殊的甲烷氧化菌，降低煤井内甲烷浓度，随后，各国的科学家相继进行了类似的研究 [4-6]。在国家政策的大力推动下，煤层甲烷实现规模化开发利用，一些重大核心技术取得突破，但目前煤层甲烷的采收率一般较低[7]。有不少研究者通过钻孔设备将甲烷氧化菌液注入煤层或喷洒在巷道壁面、采空区、盲巷等处来降低瓦斯浓度[8]，但这些方式存在较大局限性。
目前，我国瓦斯的主要治理技术为矿井通风、矿井瓦斯抽放和“四位一体”的综合防范措施等物理方法[9-10]。而我国煤层地质条件复杂、煤层透气性差及由此形成的自身特点决定了现有甲烷抽放技术的限制性，煤层甲烷所导致的灾害不能得到彻底的解决。在生物技术的带动下，国内外的许多研究人员开始开展利用微生物降解地面甲烷的研究，并取得了较为明显的成果[11]。我国也紧跟世界脚步，在非常规油气勘探和开发上取得了显著成绩，获得了一系列重大的发现，在油气勘探开发中扮演着越来越重要的角色[12-16]。
1 微生物降解甲烷的机理
利用微生物降解煤层甲烷的研究在俄罗斯、澳大利亚等国家已经取得了一定的成果。俄罗斯研究人员获得了一种专门“吃” 瓦斯的细菌，并将其研制成液态的“菌剂” 制品，通过钻孔输入煤床，甲烷在原处被细菌“吃掉”（甲烷被氧化），通过这种方法可使甲烷减少50%；澳大利亚研究人员把“吃”甲烷的细菌菌液喷洒到煤矿壁上，细菌以甲烷为唯一碳源而繁衍，20 d后煤矿甲烷气的去除率高达66%[17]。
在开采煤层之前，利用相关仪器将过量二氧化碳注入煤层之间，将煤层甲烷驱赶到表面，然后将微生物培养液（甲烷氧化菌培养液）喷洒到煤层上，利用微生物的生命活动对甲烷的降解来降低其中的甲烷浓度，接着再注入二氧化碳吸附在煤层表面以促进煤层甲烷的解吸；同时，在煤层间另一种微生物（产甲烷菌）的作用下，将二氧化碳部分转化为甲烷，从而完成二氧化碳的能源化和资源化，形成“二氧化碳—燃料—二氧化碳”的循环体系。
现在研究所采用的降解甲烷的微生物是甲烷氧化菌。甲烷氧化菌是甲基氧化菌的一个分支，其特别之处在于能够利用甲烷作为唯一的碳源和能源[18]。甲烷氧化菌的分布范围极广，在许多极端环境（如：酸、碱、盐、高温、低温、寡营养等）中都有存在[19]。
甲烷氧化菌可以分为甲基单胞菌属（Methylomonas）、甲基细菌属（Methylobacter）、甲基球菌属（Methylocoecus）、甲基孢囊菌属（Methylocytis）、甲基弯曲菌属（Methylosinus）、甲基微菌属（Methylomicrobium）、Methylocaldum、Methylosphaera[20]。几乎所有的甲烷氧化菌都是专性氧化菌。甲烷氧化菌的典型特征是含有甲烷单加氧酶（MMO）能够催化甲烷氧化为甲醇，甲烷氧化菌氧化甲烷生成二氧化碳，并在此过程中获得生长所需的能量。第一步由甲烷单加氧酶（MMO）将甲烷活化生成甲醇，甲醇进一步被氧化为甲醛，甲醛被同化为细胞生物量或通过甲酸氧化为二氧化碳，然后经过一系列的脱氢反应生成二氧化碳重新回到大气中，即甲醇—甲醛—甲酸—甲酸盐和二氧化碳[21]的过程。
甲烷单加氧酶（MMO）的催化机理为[22]： 3个复合酶分别为羟基化酶、调节蛋白B和还原酶；羟基化酶和烷烃结合，并使之活化，还原酶接受NADH的电子，并将电子传递至羟基化酶。根据酶催化机理，生物体内的甲烷单加氧酶部分氧化时必须存在还原剂（NADH或者NADPH，其中NADH为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADPH为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。 2 微生物降解甲烷的影响因素
众所周知，每一种微生物的存活、生长与繁殖都需要物质和环境因素，例如：水、无机盐和有机物等营养物质，以及温度、湿度和压力等环境因素。而微生物降解甲烷的过程中，由于煤层的埋藏环境与一般情况下有很大不同，这就要求所需要的甲烷氧化菌群必须能适应煤层所处的环境，并且可以在此环境下存活，进行正常的生命活动。以下为降解过程中常见的影响因素。
2.1 温度
温度能直接影响甲烷氧化菌内的甲烷单加氧酶（MMO）的活性，而甲烷单加氧酶（MMO） 催化甲烷氧化为甲醇恰恰是降解过程的第一步，倘若这一步无法进行，更不用说后面的降解过程了。因此，甲烷氧化菌必须要能够适应煤层的温度，才能使降解的效率提高。
2.2 压力
在通常情况下，如果某个个体内部的压力与外界环境的压力相差很大，自身往往会被外界压碎或膨胀裂开，从而导致其死亡。煤层存在地下几千米，所受的压力与地面压力大不相同，甲烷氧化菌需要在自身存活的前提下才可以进行降解。
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2.4 二氧化碳的浓度
经相关实验证明，二氧化碳的浓度对于甲烷氧化菌的降解效率也有一定的影响。二氧化碳浓度越高，表明氧气浓度越低，会对甲烷氧化菌的呼吸类型产生影响。
3 结语
利用厌氧型微生物（甲烷氧化菌）降解甲烷，一是可以降低煤层中的甲烷浓度，从而使危险程度降低，保障工作人员的安全；二是大大减少向大气中排放的甲烷量，一定程度上可以减慢全球温室效应的进程。今后的微生物研究方向不单是使甲烷氧化菌能够适应煤矿的温度、压力和氧气环境，还要将微生物技术应用到其他方面，不仅可以降低成本，提高效率，也会带来不可估量的环保效益。
参考文献
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[16] 潘继平，王楠，韩志强，等.中国非常规天然气资源勘探开发与政策思考[J].国际石油经济，2011，19（6）：19-24.
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