生物煤层气的文献计量与发展综述

段凯鑫，郭红光，成雅彤

（太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原030024）

煤层气属于煤的伴生矿产资源，是自生自储的 非常规天然气，也是近年来在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。目前，世界上各产煤大国相继步入煤层气开发利用领域，其中美国已实现煤层气的大规模商业化开发。我国近年来在井下抽采煤层气以及地面开采煤层气方面取得显著进展，煤层气产量逐年增加[1-3]。煤层气是植物体被埋藏后，在煤化作用过程中，成煤物质经过微生物的生物作用以及环境的作用发生复杂的物理化学变化，含水量和挥发分含量减少，固定碳和发热量的含量增加，同时也生成了以甲烷为主的气体。根据煤层气的成因分为2 类，即生物成因煤层气和热成因煤层气。生物成因煤层气因其埋藏浅，开发成本低等已成为国内外研究的热点。生物成因煤层气是煤层气的重要组成部分，是在煤层原位多种微生物的协同作用下，降解煤所产生的甲烷气体。生物煤层气最初由Rightmire 提出[4]。1994 年，Scott 等针对煤化作用早期阶段的生物成因气，提出次生生物成因煤层气[5]。此后，在不同煤阶和不同形成历史的煤层气田均发现了生物成因煤层气，并在煤层原位检测到多样化的相关厌氧微生物[6]。同时，微生物厌氧降解煤产甲烷也已在实验室条件下实现[7]，进一步证实生物煤层气的存在。我国煤层气储层的地质条件复杂，煤层气开采难度较大，煤层气抽采率相对较低，严重制约了煤层气产业的发展。如何提高煤层气采收率、实现煤层气增产是我国煤层气产业发展的关键之一，也是目前研究的重点和难点。基于生物煤层气形成所提出的微生物增产煤层气技术（Microbially enhanced coalbed methane，MECoM）[8]，是将厌氧微生物种群及其所需营养物质或厌氧微生物活性刺激物注入到煤层中，利用微生物降解煤产甲烷的特性来实现煤层气的增产。该技术具有绿色、无污染、能够产生新的煤层气以及增加煤层渗透性等优势[9]，具有重大的能源价值和广阔的应用前景。理论上，存在生物成因煤层气的气田都具备微生物增产煤层气技术的实施条件。目前，微生物增产煤层气的实施以生物成因煤层气的勘探为前提条件，以煤层原位微生物群落结构为指导，以生物降解煤产甲烷实验为验证和极速开发[10]。微生物增产煤层气的成功实施将为煤层气产业的可持续发展发挥重要推动作用。微生物增产煤层气已成为研究的热点，且研究进展快，但对其研究方向及未来发展趋势并未明晰，需要综述来掌握最新动态。由此，采用文献计量及文献综述相结合的方法，通过Web of ScienceR数据库主题检索，以相关论文发表数量为指标，结合代表性文献的综述，对生物煤层气形成机理及增产理论与技术进行综述，为我国生物煤层气的研究提供指导，推动生物煤层气的发展。

1 文献计量分析生物煤层气的研究趋势

1.1 数据来源与研究方法

数据来源于汤森路透（Thomson Reuters）知识产权与科技信息集团出品的Web of Knowledge（WOK）平台Web of ScienceR数据库，时间跨度为1998—2018 年。选择主题检索，设置主题词检索策略为：主题（coal）AND 主题（methane or gas）AND 主题（microbial or microorganism）。在Web of ScienceR所有数据库主题检索完成后，手动剔除不相符的文献以准确获得全部相关论文文献。

使用的研究方法是将检索出的论文文献保存至EndNote 文献管理软件中，然后使用Excel 和Origin等软件对所获得的数据进行统计与计量分析，从而掌握生物煤层气的发展动态和趋势。

1.2 相关SCI 论文分布情况及研究趋势

通过Web of ScienceR平台主题检索和手动筛选，1998—2018 年间全球SCI 共收录生物煤层气的相关论文688 篇。全球生物煤层气领域SCI 发文量的年度分布及累积发文量（1998—2018 年）如图1。

图1 全球生物煤层气领域SCI 发文量的年度分布及累积发文量（1998—2018 年）Fig.1 Annual distribution and cumulative number of SCI publications in the global biological coalbed methane field from 1998 to 2018

从整体来看，生物煤层气的相关研究开展时间较短，与其他研究领域相比[11]，科学论文发表数量还相对比较少，研究发展正处于萌芽期。中国、美国和澳大利亚在全球生物煤层气领域的科研发展较快，累计发文数量占总数的61.72%，各国生物煤层气领域SCI 发文量比例（1998—2018 年）如图2。

图2 各国生物煤层气领域SCI 发文量比例（1998—2018 年）Fig.2 Proportion of SCI in the field of biological coalbed methane in various countries from 1998 to 2018

基于统计分析和文献综述，生物煤层气的相关研究可分为3 个方向：①生物成因煤层气的勘探研究；②煤层气田微生物多样性研究；③微生物降解煤的培养实验研究。3 个方向分别检索到285 篇、219 篇和354 篇SCI 论文，部分论文涉及多个研究方向。具体而言，共搜索到38 篇论文涉及生物煤层气研究的全部3 个方向；61 篇论文涉及方向①和方向②；59 篇论文涉及方向①和方向③；108 篇论文涉及方向②和方向③。3 个研究方向的发文数量相近。年度分布情况显示（图1），方向③微生物降解煤的培养实验研究的发展势头迅猛，累计发文量处于快速增长期，是未来研究发展的主要方向，研究内容主要是生物煤层气形成机理及其增产理论与技术。

2 生物煤层气形成机理研究进展

虽然煤中富含有机碳，但由于其有机结构复杂，导致生物甲烷的产生过程极为复杂。生物煤层气主要是煤在厌氧条件下通过微生物发酵生成，其形成过程整体上符合经典厌氧发酵产甲烷理论，煤的厌氧降解起始于煤中聚合物或单体化合物的分解，产生芳香族、脂肪酸、醇类等化合物；然后通过不同功能菌协同作用，包括异养细菌，发酵菌，产乙酸菌和真菌[12]，这些中间代谢产物进一步被分解、降解，形成产甲烷底物，如短链挥发性脂肪酸、CO2、H2等简单小分子化合物；最后，产甲烷菌利用底物产生甲烷。但生物煤层气独特的形成机制还未明晰。虽然大量研究从微生物、有机物、煤结构、生物酶等方面分析了微生物降解煤代谢过程，但关于生物煤层气的产生机制还没有形成统一、明确结论，仍需要进一步深入研究，以指导增产技术研发。

2.1 微生物群落组成

研究学者利用微生物生态学方法，如16S rRNA基因克隆文库、高通量测序技术等，在世界上多个煤层气田都检测到丰富的微生物群落，对原位煤层中微生物群落的研究已经确定了细菌和产甲烷古菌的多种组合[13]。基于DNA 的微生物群落特征研究表明，原位煤层的细菌多样性远高于古菌多样性，以Proteobacteria 和Actinobacteria 为主；而不同的原位煤层可能存在不同的产甲烷古菌，例如：在美国汾河盆地主要为乙酸营养型和氢营养型产甲烷古菌[6]，而在我国鄂尔多斯盆地检测到以甲基营养型产甲烷古菌为主[14]。目前，对生物煤层气微生物群落组成研究重点已从原位研究转向实验室研究。Chen 等研究了褐煤厌氧降解产甲烷过程中的微生物群落，主要细菌为Geovibrio、Macellibacteroides 和Desulfovibrio，古菌为Methanocalculus 和Methanosarcina[15]。在沁水盆地无烟煤降解产甲烷实验中，主要的细菌为Enterobacter, Acetoanaerobium， Macellibacteroides,Clostridium 和 Ercella， 古 菌 为 Methanosaeta 和Methanocella[16]。Rathi 使用16S rRNA 基因扩增方法研究了印度贾里亚煤层水在实验室富集后微生物群落的组成，细菌主要分布在Firmicutes 和Bacteroidetes，包括Bacillus sp.，Coprothermobacter proteolyticus sp., Thermoanaerobacteriaceae bacterium sp., Thermogutta hypogea sp.，古菌主要为Methanosaeta 和Me-thanothermobacter[17]。Zhang 等研究了伊利诺伊州盆地原位与实验室培养的微生物群落组成，发现存在很大的差异，在原位中主要的细菌为Meniscus spp., Syntrophus sp., Ruminococcus spp., 古菌主要为Methanobacterium，而在实验室培养后，主要的细菌为Clostridium bifermentans，Massilia spp., Pseudomonas putida，古菌主要为Methanocalculus[18]。基于不同地区原位和实验室煤生物转化中涉及的微生物群落的分析，不同地区的微生物群落组成存在很大差异，且在实验室培养中已经鉴定细菌主要的门为Firmicutes 和Bacteroidetes，这与原位微生物群落具有很大的差异性[6]。在未来的研究中要加大对生物煤层气微生物群落动态过程的研究，在原位应用上应充分考虑与实验室微生物群落的差异性。

2.2 降解过程中的有机物

由于煤的组成复杂，其生物降解过程中会产生多种中间代谢有机物。Liu 等在次烟煤的厌氧降解过程中检测到长链脂肪酸、烷烃、烯烃和一些低分子量芳香化合物[19]。郭红光等在沁水盆地微生物降解煤产甲烷过程中，发现了丰富的有机物，包括脂肪烃、脂肪醇、短链脂肪酸（C1-C10）、中链脂肪酸（C11-C20）、长链脂肪酸（C21-C32）、芳香烃、含氧芳香化合物、多环芳香烃和苯酚等[16]。Orem 在厌氧降解煤产甲烷培养液中检测到高浓度的十六烷酸和C22-C36 烷烃类化合物[20]。虽然在煤厌氧降解实验中检测到大量的有机物，但对于煤降解过程中各种化合物如何转化仍没有得出明确的结论，在今后的研究中仍然要加强对化合物转化的研究，以明确煤厌氧降解过程中的有机化学机制。

2.3 煤结构的变化

由于微生物与煤的相互作用，煤结构也会发生明显的变化。一些学者利用现代测试技术（如FTIR，XRD，液氮吸附等）研究微生物厌氧降解对煤结构特征和孔隙度及渗透率的影响。郭红玉等通过FTIR和XRD 进行测试，分析煤在生物甲烷代谢后煤结构的变化，结果表明，煤中含氧官能团增加，芳香环含量减少，羟基、醛羰基和亚甲基的相对含量降低，芳香核层间距增大，微晶堆砌度、延展度和芳香层数减小[21]。Zhang 通过小角度X 射线散射（SAXS），低压N2和CO2吸附研究了煤降解过程中孔隙结构的演变，发现次烟煤粉末样品经生物降解后，煤结构中微孔比表面积增加[22]。Pandey 等通过对降解后的煤进行吸附-扩散实验，结果表明，微生物代谢导致粉煤中孔隙的比表面积增加，同时，微生物的持续作用能够有效改善煤的孔隙结构[23]。郭红玉等对焦煤、气煤和长焰煤进行生物降解实验，发现降解后煤样孔裂隙增加，连通性增强，孔隙结构进一步改善[21,24]。但关于煤降解过程中渗透性变化的研究报道很少。Stephen 等采用亚烟煤粉末颗粒充填反应器，在加压条件下开展生物降解煤实验，研究发现，反应生成的生物膜、胞外聚合物和气体吸附在煤基质上，以及小颗粒煤粉的堆积，最终导致了煤整体渗透率的下降[25]。以上研究证实，微生物厌氧降解能够有效改善煤结构，孔隙度。但目前微生物厌氧降解煤的研究主要采用粉煤为底物，与煤层原位相比，粉煤的使用降低了煤的厌氧降解难度[26]，与实际降解情况有一定差距。在未来的研究中，微生物降解对煤试件结构、孔隙度、渗透性等的影响需要深入研究，以分析煤体对微生物降解的影响机制以及微生物降解对煤体的作用机理。

2.4 降解过程中的微生物酶

由于煤分子较大，早期中间产物也大多为大分子类化合物，因此，微生物很难通过摄入底物的方式在细胞内实现降解、代谢，而需要向细胞外分泌活性物质（主要是胞外酶），在胞外完成煤分子的断裂、中间产物的降解等。已有研究在煤组分代表性化合物的细菌厌氧降解中获得了部分生物酶，如琥珀酸苄酯合成酶、萘基-2-甲基-琥珀酸酯合成酶、苯乙烷脱氢酶、苯厌氧羧化酶等[27-28]；Zhang 等利用蛋白组学技术在厌氧降解煤的培养液中同样检测到多种酶的存在，其中在细菌细胞代谢中，谷氨酸脱氢酶是最丰富的，参与底物利用和转化的酶主要有：铁氢化酶、葡萄糖激酶、鼠李糖激酶、糖苷水解酶、亚硫酸盐还原酶和甲基辅酶A 还原酶；古菌产生乙酸激酶、磷酸转乙酰酶、乙酰辅酶A 脱羰酶合成酶、甲酰基- 甲基呋喃脱氢酶等，这些酶在转化甲烷过程中起着重要作用；真菌分泌甲基转移酶、ATP 酶、组氨酸激酶，这些酶的相对水平较低，但证实了真菌酶的存在[29]。微生物酶的研究对阐释微生物代谢机理及有机物演替规律具有重要意义，在未来的研究中应对整个代谢过程中微生酶的作用机制进行深入研究。

3 生物煤层气增产理论与技术研究进展

在实验室条件下，已实现微生物厌氧降解煤产甲烷。然而，生物甲烷产量未达到商业开发水平导致微生物增产煤层气的实际工业化应用还非常有限。因此，如何增强煤的厌氧生物降解效率，提高生物成因煤层气产量，是微生物增产煤层气技术亟需解决的关键问题之一。目前为止，对微生物增产煤层气的方法技术主要分为3 类：功能微生物及生物强化研究，煤结构改性研究以及添加外源物质刺激微生物研究。

3.1 增产煤层气功能微生物及生物强化

功能微生物是微生物增产煤层气的关键之一。仅 美 国 的 Green、Jones、John Fuertez、Harris、Liang Yanna，印度的Lavania，我国的郭红光等进行了煤层原位功能菌群的培育工作。Green 等从美国粉河盆地煤层气产出水中富集获得了细菌和产甲烷菌混合菌群，培养条件能够显著影响菌群的甲烷产量[26]。郭红光等从沁水盆地煤层气产出水富集获得了降解无烟煤产甲烷高效菌群，并对降解过程中的中间代谢产物以及降解后的煤结构变化进行了研究[16]。Lavania 等从印度Jharia 煤矿筛选获得亚烟煤降解菌群，其中微生物主要是产甲烷菌Methanoculleus thermophiles 和细菌Comamonas sp.[30]。Jones 等富集了产甲烷菌群WBC-2，主要由与复杂有机物降解相关 的 细 菌 组 成（Clostridium sp.，Bacteroides spp.，Acetobacterium sp.）[31]。对功能微生物的研究有助于生物强化煤增产甲烷的应用和发展。生物强化是向煤中添加新的或额外的功能微生物以增强或引发微生物产甲烷，它可以由单个微生物或高效的微生物群落（即细菌和古细菌）组成，其中煤源微生物强化已在实验室进行实施并取得不错的效果[26]，但微生物强化在原位应用上仍然有一定的限制和困难[32]。首先是微生物群落的地区差异，对一个地区的理想刺激方法可能不适用于另一个地区。另外，向煤层中添加微生物之外，还必须针对给定的微生物调整煤层的氧化还原条件或盐度以优化微生物的生长。目前关于微生物在煤层原位的详细代谢特征、在甲烷生成中的确切作用还不明确、生物强化的方法技术还不成熟。功能微生物的代谢特征研究将为微生物增产煤层气技术的应用奠定基础，也为微生物厌氧降解煤产甲烷机理研究提供支撑，还将揭示地下煤层特殊生境的微生物资源。

3.2 煤结构改性增产生物甲烷研究

目前普遍认为，大分子煤是限制生物甲烷生成的主要因素之一。因此，通过改性煤结构，提高煤的生物利用度成为增产生物甲烷的有效途径之一。多种物理、化学及生物方法已被广泛应用于生物降解的提速过程。化学方法如利用HNO3、H2O2、KMNO4及其他化学处理剂将煤转化为小分子物质以促进生物降解实现甲烷增产[33]。其中，H2O2优势较为明显，是当前研究热点。Haq 等使用H2O2预处理块状褐煤，煤的可溶性碳增加了4 倍，从而增加了生物甲烷的产生[34]。Chen 等利用H2O2处理亚烟煤后，生物甲烷产量高于未处理前10～20 倍，增产效果显著[35]。Liu 等研究粉河盆地的次烟煤经H2O2处理后，增加了羧酸的产生，增产了生物甲烷[19]。还有研究学者通过添加化学表面活性剂减少煤分子之间的表面和界面张力，增加煤的溶解度[36]，从而促进煤降解产甲烷。物理方法如水力压裂，它是在天然气开采过程中增加表面积和释放气体的常用方法。通过水力压裂增加煤的孔隙，有助于将注入的营养物和微生物与更多煤表面接触，从而促进甲烷的生产，Zhi 等通过建模模拟水力压裂使生物甲烷增产500%[37]。生物方法主要是通过真菌和细菌预处理煤，促进煤的溶解。Haider 等利用真菌和细菌预处理煤，提高了后续厌氧降解效率[38]。夏大平等用白腐菌预处理瘦煤，煤的大分子结构被降解，结构被破坏，芳香结合程度降低，提高了生物甲烷转化效率[24]。煤结构改性对于增产煤层气技术意义重大，需要对降解前煤的预处理方法进行拓展创新，同时煤改性对微生物增产煤层气的影响机制还需要进一步深入细致研究。

3.3 添加外源物质刺激微生物降解煤研究

通过添加外源物质刺激微生物代谢活性是增产生物甲烷的重要技术手段。为了刺激微生物活性，研究使用了营养素（NH4+，K2HPO4，微量元素，维生素），酵母提取物和/或蛋白胨[39]，均刺激了微生物的活性，增产了生物甲烷。一些生物刺激研究添加产甲烷底物（例如甲酸盐，乙酸盐，H2）作为营养底物[6]，也被证明可以增加生物甲烷产量，但这些产甲烷底物直接转化为甲烷，并没有显著增加降解煤产甲烷的转化率。煤结构是限制生物甲烷生成的主要因素，因此，在选择添加外源物质时，刺激的目标应该是降解煤的微生物群落，而不是仅仅产甲烷菌。

在已有研究中主要以煤为唯一碳源开展生物甲烷生成相关研究。但煤结构的复杂性和牢固性导致微生物对煤的降解率和利用率较低。由此，研究学者提出，通过添加外源碳，刺激微生物代谢活性，同时与煤相互作用，加速生物甲烷生成，如藻类、蓝藻、酵母细胞、颗粒酵母提取物、秸秆等[40-42]，均刺激了微生物的活性，增产了生物甲烷。其中，秸秆的增产效果最为显著。Yoon 等发现，水稻秸秆与褐煤共降解可以有效提高生物甲烷的产量[43]。李亚平等研究了煤与水稻秸秆共降解产生物甲烷，结果显示水稻秸秆可以显著提高褐煤、烟煤、无烟煤的甲烷产量，最高增量可达1 644.16%[44]。郭红玉等的研究结果显示，玉米秸秆可以显著提高褐煤和2 种烟煤的生物甲烷产量，最高甲烷产量可达2.69 mmol/g 煤，增产448.98%[41]。由此可见，添加外源物质是一种降解煤增产生物甲烷的重要策略，而在生活中存在很多富含生物质和有机炭的废弃物，例如各种秸秆、生活垃圾等，共降解的利用一方面可以增产生物甲烷，另一方面使这些废弃物更环保低成本的利用。虽然对添加外源物质进行了广泛的研究，但对增产机理仍未明确，在未来的研究中，还需要深入研究增产的机理。

4 结 语

基于近20 年全球SCI 论文文献统计和文献综述分析，微生物降解煤的培养实验是近年来研究的热点，但目前仍处于发展阶段。美国、中国和澳大利亚对于生物煤层气的SCI 发文量具有一定的优势，科研成果也较为出色，发展空间巨大。尽管我国在该方面的论文数量逐年增加，但科研质量和国际影响力仍有待提高。微生物降解煤的模拟实验将成为未来研究的主要方向，以微生物培养实验为基础，结合多种分析手段（包括同位素、高通量测序、液氮吸附，FTIR，XRD 等）是解决生物煤层气难点的研究趋势。而提高原位和非原位煤的甲烷产量是工业化的关键。功能微生物研究，煤结构改性研究以及添加外源物质刺激微生物研究已被证实是增产生物煤层气的主要技术手段，迫切需要在未来加强对这些技术的研究，开发一套最优增产技术。另外，对于原位增产生物煤层气的技术也应该被深入研究，比如为特定的煤层和微生物确定具有成本效益的营养素方案，确定合适的注入方式等。生物煤层气的广泛应用，可以充分实现资源的循环利用，具有重大的能源价值和广阔的应用前景。