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低阶煤生物转化甲烷：潜力评估与微生物过程解析

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源结构中，煤炭作为重要的化石能源，长期以来在能源供应中占据着举足轻重的地位。据国际能源署（IEA）数据显示，煤炭在全球一次能源消费结构中占比约27%，尤其在发展中国家，煤炭更是工业和电力生产的主要能源来源。然而，传统的煤炭利用方式，如直接燃烧，不仅能源利用效率较低，平均发电效率仅为30%-40%，还带来了严重的环境污染问题，包括二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及颗粒物等污染物的大量排放，对全球气候变化和空气质量造成了巨大威胁。

随着对清洁能源需求的不断增长以及环保意识的日益增强，寻求煤炭的高效清洁利用途径成为当务之急。低阶煤生物转化为甲烷的技术应运而生，展现出独特的优势和潜力，为煤炭资源的开发与利用开辟了新的方向。

从能源供应角度来看，甲烷作为天然气的主要成分，是一种高效清洁的能源。相较于煤炭直接燃烧，甲烷燃烧产生的二氧化碳排放量可减少约45%，氮氧化物排放量减少约80%，颗粒物排放量几乎可以忽略不计，能显著降低对环境的污染。同时，低阶煤在全球煤炭储量中占有相当大的比例，据统计，低阶煤（褐煤和次烟煤）约占全球煤炭总储量的40%。通过生物转化将低阶煤转化为甲烷，能够将原本利用效率较低的低阶煤转化为高附加值的清洁能源，大大提高了煤炭资源的利用效率，丰富了天然气的供应来源，对于缓解能源供需矛盾、保障能源安全具有重要意义。

在环保方面，低阶煤生物转化甲烷过程是在温和的条件下进行，相较于传统的煤炭气化、液化等转化技术，无需高温高压等苛刻条件，能耗更低，且产生的污染物更少。这不仅有助于减少煤炭利用过程中的碳排放，助力实现“双碳”目标，还能降低对环境的整体影响，符合可持续发展的理念。

此外，该技术的研究和发展也为微生物学、生物化学等学科领域提供了新的研究方向和应用场景。深入探究低阶煤生物转化甲烷的微生物过程，有助于揭示微生物与煤炭之间的相互作用机制，丰富和拓展微生物代谢途径和生态功能的研究，推动相关学科的发展。同时，研发高效的生物转化技术和微生物菌剂，也为生物技术在能源领域的应用提供了新的范例，具有重要的理论和实践价值。

综上所述，低阶煤生物转化甲烷潜力及微生物过程的研究，无论是从能源开发利用、环境保护，还是学科发展的角度来看，都具有重要的现实意义和深远的战略价值。

1.2国内外研究现状

低阶煤生物转化甲烷的研究在国内外均受到广泛关注，经过多年探索取得了一定进展。

国外对低阶煤生物转化甲烷的研究起步较早。早在20世纪80年代，Fakoussa便开展了微生物降解煤的研究，证实微生物在特定条件下能够降解煤产出甲烷，为该领域的研究奠定了基础。1999年，Scott开展煤次生生物气产出实验，提出微生物增产煤层气技术，推动了低阶煤生物转化甲烷从理论研究向实际应用的发展。此后，美国在该领域处于领先地位，2003年成立了第一家生物成气专业公司LucaTechnologies公司，致力于煤、气以及油田领域生物成气的相关研究开发工作。2006年，该公司在美国粉河盆地南KITTY单元进行了260口井的大规模矿场试验，通过重力作用注入营养物质，试验过程中部分井甲烷产量出现增长，进一步验证了微生物降解煤产甲烷的现场应用可行性。在微生物降解煤产甲烷的作用机制研究方面，国外学者普遍采用微生物降解复杂有机物产甲烷的代谢模型来解释，即煤中的聚合物或单体化合物依次通过微生物的水解、发酵、产氢产乙酸等作用，最终在产甲烷菌的作用下生成甲烷，并对各个阶段的菌群作用和反应过程进行了深入研究。

国内对低阶煤生物转化甲烷的研究虽起步相对较晚，但近年来发展迅速。河南理工大学非常规天然气研究院苏现波教授团队在该领域成果显著，于2020年率先提出并创建了“煤层气生物工程”这一新兴边缘学科，在国家自然科学基金的持续资助下，经过近15年不懈努力，团队研究成果达到国际领先水平。例如，团队在国际权威学术期刊《能源转化与管理》上发表的“基于代谢途径的微生物电解池强化煤的生物甲烷化研究”成果，深入探讨了微生物电解池强化煤生物甲烷化过程中代谢途径的差异。此外，国内众多科研机构和高校也积极开展相关研究，在微生物菌种筛选、生物转化条件优化、生物转化机理探索等方面取得了一定成果。如研究发现不同组合菌种预处理对褐煤转化生物甲烷有显著影响，褐煤经过菌种预处理后生物产气量明显增加，最大增幅可达127%。

尽管国内外在低阶煤生物转化甲烷研究方面取得了诸多成果，但仍存在一些不足和空白。在微生物菌种方面，虽然已筛选出一些具有转化能力的菌种，但对高效、稳定且适应不同低阶煤特性的优势菌种的研究还不够深入，菌种的转化效率和耐受性有待进一步提高。在生物转化过程机制