煤层气生物工程关键预处理技术及其作用机制评述

鲍 园，常佳宁，刘向荣，夏大平，王亚亚

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；3.西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054；4.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

煤层气生物工程(CGB)作为微生物促产煤层气(MECBM)技术的发展与延伸，它具有增气、增液、增解、增透、减排“四增一减”的特点[1]，引起国内外学者的广泛关注[2-4]。MECBM 技术最早是由A.R.Scott[3]在1999 年提出并用于煤有机质生物气化领域研究。它包括强化和激励两种作用形式[4]，前者是通过向地下煤层注入外来微生物种群来降解煤层有机质生成甲烷，后者是通过注入养分刺激煤层本源微生物生烃目的。前人在煤层气生物工程预处理手段和技术方面已做了大量工作，例如，李建涛等[5]分别从煤阶、微生物、预处理方法、溶煤方式及其机理等方面，对近三十年来有关低阶煤的微生物转化研究进行了归纳总结，提出了硝酸、双氧水和臭氧等氧化处理，阴离子表面活性剂、碱性缓冲液和盐酸等非氧化预处理以及溶剂抽提等均能提高煤的微生物转化效率；夏大平等[2]研究指出在生物气化前通过添加Fe、Ni 等不同微量元素组合，可以使生物甲烷产生时间提前，产气量增加；Guo Hongguang 等[6-7]利用双氧水和NaOH 等不同氧化剂预处理褐煤和无烟煤样品，发现煤的含氧官能团发生变化，其利用率和甲烷产率得到很大的提升；S.P.Yoon[8]、Guo Hongyu[9]等利用稻草、玉米秸秆等物质与不同煤阶煤进行共降解，发现煤阶越低其生物甲烷产量越高，且共降解生物甲烷产量远高于微生物单一降解煤或生物质。由此可见，在煤层气生物工程实施前进行微量元素添加、酸-碱-氧化处理和协同物质共降解等预处理手段对提高微生物可利用度和微生物降解煤生烃效率具有显著的效果。

虽然前人分别从菌种改良，真菌或细菌强化、氧化，外加电场、酸、碱、溶煤、超声波，外加微量元素等预处理方式对增加煤生物降解能力进行了探索研究，但是目前有关煤层气生物工程预处理技术方法种类很多，尚缺乏一种系统的分类方法，笔者在大量文献分析的基础之上，通过对各种预处理方式进行梳理、归纳与总结，按照微生物与煤作用方式概括为3 种类型和12 种技术，对比这三种不同预处理手段下微生物降解煤产气效率的差异，揭示菌群优化与改良、煤的溶解与氧化、生物刺激与协同作用下甲烷生成机制。研究成果为了解煤层气生物工程预处理技术特点、选择合理的技术方式以及应用工程实践均可提供重要的理论支撑。

1 煤层气生物工程关键预处理技术分类、特点及效果

煤层气生物工程预处理技术，涉及种类和方法较多，还没有形成系统的分类。本文按菌-煤的作用方式将其划分为3 类：菌群优化与改良、煤的溶解与氧化、生物刺激与协同(表1)。

表1 煤层气生物工程关键预处理技术分类Table 1 Classification of key pretreatment technologies for coalbed gas bioengineering

1.1 菌群优化与改良

由于自然条件下分离得到的原始菌种往往达不到实验室以及工业生产的要求，一般需要通过菌种优化以获得所需的高产菌种或对基础培养基配方进行改良，以获得较高的甲烷产率[10]。

在菌群优化方面，前人发现在生物产气的不同阶段加入不同浓度的乙醇溶液，可以有效地改变菌群群落结构，同时可以增加甲烷产率[11]，还可以通过对菌种进行紫外线辐射诱变获得高效降解煤的菌株[12]或对产甲烷菌用硫酸二乙酯诱变，使产气量提高40.0%[13]。在培养基配方改良方面，前人通过用胰蛋白酶-大豆肉汤和玉米浸泡液替代原始培养基中酵母抽提物和蛋白胨，使生物甲烷产量提升4 倍[14]，并在实验室条件下成功开发出地层水基营养配方，最高将生物甲烷产量提高了24.3 倍[15]。

前人对微生物降解煤的菌种选择及培养基配方优化等方面进行了大量研究，但是从目前发展趋势来看，改良培养基配方，开发出低成本、高效率且适用于特定地质条件下的培养基配方是当前研究重点方向之一。

1.2 煤的溶解与氧化

煤的溶解与氧化是将不同种类的酸、碱或氧化剂以及通过施加外部手段(如电场、微波、超临界二氧化碳(Sc-CO2)等)处理之后，使煤分子结构发生变化或分解为易被微生物利用的物质，再经过发酵菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌协同作用，以达到增产生物甲烷的目的。

研究表明，煤经过微生物作用能够转化为溶于水或其他溶剂的低芳环小分子物质，并将溶煤作用概括为碱作用、生物氧化酶作用、螯合剂作用、表面活性剂作用和酯酶作用5 种类型[5,16]。影响溶煤效果的因素主要有煤的研磨力度、溶煤时间、氧化剂浓度、菌种的选择、pH 值等[16-17]。在相同条件下，铜绿假单胞菌的溶煤效果好于产碱假单胞菌、施氏假单胞菌和粗毛栓菌这3 种菌种[18]。利用相同配比不同浓度的酸、碱、氧化溶液分别处理煤样，得到酸处理后煤样的甲烷产率最高，达12.8 mL/g[19]；用0.8 mol/L 硝酸预处理褐煤后，微生物降解煤的生物转化率高达31.8%[20-21]。通过施加外部电场、微波等预处理手段也可以达到甲烷增产效果。例如，Piao Dongmei 等[22]通过研究采用极化电极的生物电化学厌氧反应器来提高生物煤转化为甲烷的能力。基于不同电极最佳组合探讨生物甲烷生成效果，发现阳极采用碳毡、阴极采用不锈钢、电压为1.2 V 条件下甲烷产率最高提升了155.0%[23]。微波辅助热解烟煤使羟基自缔合氢键断裂，并将醇、酚和羧酸转化成醚基等小分子物质，微生物可更好地利用这些小分子物质增产生物甲烷[24]。通过使用Sc-CO2萃取褐煤并利用微生物降解萃取物，证实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]。综上所述，外加电场能够显著强化煤制生物甲烷，微波辅助会去除煤中的矿物达到疏通孔隙和裂缝的目的，并且使煤层产生新的裂缝，提供更多的渗流空间。超临界二氧化碳萃取可以对煤的大分子结构产生分解，这些手段相互结合应用于不同地区煤储层，可选择性为煤储层改造以及增产生物甲烷奠定基础。

在煤分子结构研究方面，前人认识到煤的大分子结构可通过氧化方法变为小分子化合物[26]，这为微生物降解煤生烃过程中增加生物利用度提供了一种途径。已报道的氧化剂有CH3COOOH[27]、HNO3[21]、KMnO4[28]、O3[29]、NaOH[30]、H2O2[31]等。H2O2作为一种环境友好型且氧化性极强的氧化剂，深受研究者们青睐并已开始用于改变煤的结构和作为新生甲烷的底物。J.Webster等[32]利用过氧化氢、过氧化物酶、过氧化钙3 种试剂对煤进行氧化预处理，实验产生的乙酸盐、二氧化碳和甲酸盐可作为产甲烷菌直接利用的底物，以此来增加煤层气产量。还有学者利用不同浓度的H2O2溶液预处理煤[5,33-34]，或直接向煤层注入0.05%的H2O2或预处理液[35]，这些预处理方法都提高了产甲烷菌的生物利用度，有利于原位/非原位提高CH4产量。由于H2O2反应后的主要产物为水，有效地解决了液化后残余化学试剂的处置问题，极大地减少了对生态环境的污染。该方法还可用在生物开采薄煤层以及采空区残煤中，能快速提高甲烷产率和增加煤层气资源量，但有关这方面的工程应用和实施效果未见报道，仅停留在实验室理论研究阶段。

1.3 生物刺激与协同

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]、纳米磁铁矿[37]、高岭土[38]、络合剂氨三乙酸[39]等物质来影响细菌和真菌本身的酶活性，进而增加生物甲烷产量。

微量元素是维持厌氧微生物生长代谢和厌氧发酵酶系统活性的重要组成成分[40]，通过调节培养基中各类微量元素的浓度，就可以改变不同生物酶活性以加快生物甲烷产出速率，这种方式可以在不同产气阶段及时加入相应微量元素，可有效提升某一阶段的生物甲烷产量。Fe、Co、Ni、Zn、Mo、Mn 等微量元素对生物甲烷产出具有激励作用，通过添加铁镍微量元素组合可以使产气时间提前和产气量增加[2,41]，而添加纳米级磁铁矿[42]和FeCl2/FeS2[43]分别会促进醋酸盐甲烷的生成并在煤表面形成一种无定形物质，使厌氧反应系统更加稳定且甲烷产率上升。此外，络合剂氨三乙酸可以与Fe2+和Ni2+形成螯合物阻止Fe2+和Ni2+沉淀[39]，从而消除重金属离子对生物酶的抑制，同时也可以减少硫化物沉淀对产甲烷的不利影响，极大地促进了产甲烷菌的活性。真菌和细菌可通过改变过氧化物酶、漆酶、酯酶、碱性代谢物和天然螯合剂在内的多种酶活性来控制煤的溶解和解聚[4]，同时生物酶还可以对木质素、褐煤起到很好的降解作用[44]。关于生物刺激作用方面的研究主要集中在对比挑选高产的菌种和单一或多元微量元素组合(铁、镍、钴)以及无机矿物(高岭土、磁铁矿)对生物酶活性的影响等方面[38,45]，随着地质与微生物交叉学科研究水平的逐渐深入，在关键生物酶的基因重组、蛋白表达与纯化、酶分子改造等方面有着更为广阔的前景。

1.3.2 生物质协同作用

生物质协同作用是指向煤为碳源底物中添加其他生物质(如稻草、秸秆、胍胶等)，通过微生物共同降解作用生成以甲烷为主的气体，进而实现增产目的。

前人通过室内模拟实验证明，向煤中加入稻草、秸秆、胍胶等生物质可显著增加生物甲烷产率，其中，稻草外源物质可使得褐煤的生物甲烷产量提升172.0%[46]。秸秆与不同煤阶煤之间具有相互促进的协同作用，低、中、高阶煤与秸秆共降解时，实现甲烷最大化的最佳质量配比分别为1.5∶1、1∶1 和0.6∶1[47]。S.P.Yoon 等[8]利用稻草与褐煤混合制备甲烷，也验证了这一规律。李云嵩等[48]通过将1%质量分数胍胶与褐煤混合实验发现，胍胶对生物产气具有明显的促进效应，生物甲烷的生成量增加620.5%。进一步研究发现，降解后胍胶大分子中C、H 元素含量明显下降，胍胶的表面粗糙度增加，孔隙增多，上清液中葡萄糖、醛、酸含量增加。

生物协同产气作用方式也为我国秸秆资源的高效利用提供了一种有效途径。秸秆、稻草等生物质原料和煤共同被降解时，一方面加快了煤的降解速率，另一方面，煤与生物质之间的相互促进协同作用可增加生物甲烷产量。此外，东亚和东南亚地区存在大量且容易获得的稻草，若将稻草作为一种外部碳源和培养基一起注入到低阶煤储层或采空区中，不仅促进了生物甲烷生成，还解决了稻草难处理的问题，这是一种双赢的生物产气模式。

1.4 不同预处理技术的增产效果比较

表2 为煤层气生物工程中涉及的有关预处理技术的处理方式、实验条件和作用效果，并将表中不同预处理技术条件下生物甲烷生成效率进行对比(图1)。由图1 可知，不同预处理技术对生物甲烷的产量均起到促进作用，其中，菌群优化与改良技术增产效果最高。在实验室内按原位地层水的化学和微生物成分配制的改良培养基配方，该条件下的生物甲烷产量达1 315.0 μmol/g，是原培养基配方下生物甲烷产量的24.3 倍。此外，在培养基中加入乙醇可改变发酵液的菌群结构，其产气量是对照组(不加乙醇)的5 倍。这两种处理方式应用前景较好，前者增产生物甲烷潜力巨大，后者便于操作。由此可见，因地制宜地优化培养基配方不仅可以增产生物甲烷，也可以在工程实践中降低培养基成本，使其商业价值最大化。

图1 煤层气生物工程关键预处理技术增产效果比较Fig.1 Comparison of stimulation effect of pretreatment key technologies for coalbed gas bioengineering

表2 煤层气生物工程预处理技术实验条件与作用效果Table 2 Experimental conditions and effects of different pretreatment technologies for coalbed gas bioengineering

在煤的溶解与氧化技术方面，碱以及氧化预处理煤后的生物甲烷产量均有不同程度的增加，增量在17.6%～25.0%，而硝酸预处理后可以增产259.8%，但是考虑到酸碱等物质对地下水环境影响以及煤破坏程度，这方面的实际工程应用价值还有待深入研究。而Sc-CO2处理后的煤样品，其生物甲烷产率提高了148.1%～733.3%。在生物刺激与协同技术方面，生物质与煤协同降解的生物甲烷产率提高了89.5%～620.5%，虽然其对生物甲烷的促产作用要低于Sc-CO2预处理效果，但是如果能够将秸秆充填于煤矿采空区与地下残余煤进行协同降解的商业化开发模式，不仅增加了生物甲烷的产量和生物气资源量，还可以最大程度地减少煤炭资源的浪费。

2 不同预处理技术的作用机制

2.1 菌群优化与改良

菌群优化与改良的作用机制是通过改变菌群中优势菌的群落结构和增加菌群丰度进而实现增产目的(图2)。前者作用方式包括外加诱导条件或使用化学诱变试剂来改变优势菌的群落结构，后者主要通过添加多源复合物质或者通过对微生物群落的基因机理研究，应用不同配方的培养基对不同菌群进行数量扩增，在寻找廉价、高产培养基的同时实现生物甲烷的增产。

图2 菌群优化与改良作用下甲烷生成机制Fig.2 Mechanism of methane generation based on microflora optimization and improvement

2.2 煤的溶解与氧化作用机制

煤经过酸、碱和氧化剂预处理后，煤中部分小分子有机质发生脱落，其表面主要含氧官能团(羟基、羧基、羰基和醚键等)会发生变化，碳层面定向排列的程度降低，煤的孔径和比表面积发生变化，产生能够驱动微生物产生甲烷的化合物，从而使微生物发酵过程中煤的活跃性增强。从生物学角度看，为了使甲烷产量大幅度提升，需要将煤有效地降解为小分子有机酸类、醇类、糖类等化合物[53-54]。微波、电场、Sc-CO2萃取等外界条件是目前常用的破坏煤分子结构的方式。微波作用会选择性加热煤中的极性分子，如水分子和黄铁矿具有较高介电常数，进而使得煤不均匀膨胀和产生热量(图3a)。在外加电场作用下，微生物的降解作用可破坏煤的含氧官能团和脂肪组分，含氧官能团中的醚氧键和羧基、羰基大幅度降低(图3b)。Sc-CO2萃取煤可以减弱煤分子间作用力并且破坏非共价键，使小分子化合物从煤大分子结构中脱离(图3c)。

图3 煤溶解作用下甲烷生成机制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)

红外光谱、紫外光谱和气相色谱-质谱的谱图分析显示，经微生物溶煤作用后的液体产物中烃类、酯类、醇类和醛、酮、醚类化合物含量降低，酸类化合物含量升高[1]；残煤中芳香族化合物减少，低分子量化合物、不饱和化合物增加，说明原煤中的芳香族类物质被部分溶解为其他小分子量物质[5]。经酸碱预处理和微生物降解产气后的煤分子排列结构和基团含量变化更大，羟基或氨基、羧酸或羧酸盐的伸缩振动都有所增强，这些变化使得煤大分子结构更易被降解，生物甲烷产量更高。酸处理减少煤中矿物种类，酶的作用位点增加，微生物更容易降解煤中纤维素和木质素(图4a)。碱处理能较好地降低煤的结晶度，使煤大分子的芳香碳层片间距增大，堆砌度和芳香层数减小(图4b)。氧化法是通过不同氧化试剂处理煤，预处理后煤中的芳香结构被氧化，芳香单元被裂解，挥发性脂肪酸和溶解总有机碳的含量增加[6](图4c)。

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

2.3 生物刺激与协同作用机制

在生物刺激技术作用过程中涉及Fe、Co、Ni、Zn、Mo、W 等微量元素对多种生物酶、辅酶的催化，机制复杂(图5)[40]。其中，微量元素Fe、Ni 能够合成和激活多种酶的活性，主要参与以乙酸、H2和CO2为底物的生物甲烷的生成，如乙酰辅酶A 合成酶、一氧化碳脱氢酶、F420氢化酶和甲酰基甲基呋喃脱氢酶等。不同的是，一氧化碳脱氢酶是一种含有Fe、Co、Ni 和Mo 的金属酶与催化物质氧化还原反应的酶[55]，甲酰基甲基呋喃脱氢酶催化CO2合成甲烷需要微量元素Fe、Ni、Mo、W 的参与[56]。以甲基化合物为底物的生物甲烷的生成需要甲基转移酶和甲基辅酶的共同参与，在甲基转移酶的催化下，此过程需要Co 和Zn 参与[57]，甲基辅酶还原酶是一种含有Ni 的酶，可以催化甲基辅酶生成甲烷[58-59]。根据产甲烷菌对微量元素的营养需求顺序，当Co 的含量不足时，Ni 就不能表现为激活作用，因此，不同微量元素之间存在协同作用。

参与木质素降解活性的真菌酶系统包括苯酚氧化酶(漆酶)、过氧化物酶(锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶等)、过氧化氢生成酶、水解酶，特别是酯酶，这些酶可以打破煤结构中的酯键，从而起到增溶作用[60]，煤生物气化时的中间化合物被转化为多芳烃、长链脂肪酸和中链脂肪酸等物质[61]。而微量元素恰恰是维持厌氧微生物生长代谢和厌氧发酵酶系统活性的重要组成成分，铁、镍微量元素通过影响细菌分泌的纤维素酶活性，影响煤中纤维素类木质素消耗量，铁、钴、镍等微量元素能够促进产甲烷菌的生长[62]和激活酶活性(如辅酶F430、辅酶F420和氢化酶)，进而加快甲烷的生物合成，其不仅能够提高挥发性脂肪酸转化效率[37]，有利于产甲烷菌对乙酸的利用，消除挥发性脂肪酸的累积现象，提高甲烷产气量，而且能够拮抗钠、氨、氮等离子的抑制作用，进一步维持厌氧发酵的稳定运行。

秸秆、稻草等生物协同作用主要是生物质中的小分子物质更容易被微生物降解利用，而降解生物质产生的有机物使得菌群快速生长，从而促进了微生物降解煤，同时增加了菌群与煤的接触面积，这些生物质原料和煤共同被微生物降解后，煤的结构破坏程度更大，他们之间存在明显相互促进的协同作用，由此可见，生物质协同作用的甲烷增产潜力巨大(图6)。

图6 生物质协同作用下甲烷生成机制Fig.6 Mechanism of methane generation based on biological synergy

3 问题与展望

实施煤层气生物工程不仅可以提高煤层气单井产能，还可以改善煤储层孔隙结构，增加煤层渗透性，有利于煤层气开采。然而，目前关于煤层气生物工程预处理技术研究还主要停留在实验阶段，有关这方面的中试试验和现场应用研究还较少；在菌群优化与改良技术方面，主要是关注培养基成本、产气效率和影响因素，没有考虑煤层原位水文地质条件(pH 值、微量元素含量、矿化度等)与试剂级和工业级培养基配方的产气差异，也没有深入到关键生物酶的基因重组、纯化表达与分子改造等微观层面；在煤的溶解与氧化技术方面；除了超临界二氧化碳萃取作用下煤的生物甲烷产率增幅较高，其他技术方法(电场、酸、碱、氧化)对生物甲烷增产效果普遍较低，而且在试验过程中使用的化学试剂会对煤层地下水造成环境污染和水资源浪费，危害矿区生态环境绿色发展，且化学试剂的地下强化效果与增产的时效性有待验证；生物刺激与协同技术相比于前两种技术，具有较高的生物甲烷增产效果，且环境污染小，是未来工程应用和技术推广的重要方向之一。

近年来，煤层气生物工程作为涉及资源、环境和材料三大领域多学科交叉的新型交叉学科，在“四增一减”(增气、增液、增解、增透、减排)方面已取得诸多研究成果，未来应重点在以下几个方面开展研究：

(1) 在菌群优化与改良方面，将着重于高效适宜单一矿区的高产甲烷菌的选育和工程适用注入条件研究，培育出耐高温、低温、适应不同pH、Eh 以及不同煤阶的菌种势必具有很大的研究前景。开发适合于不同煤层气井矿化度、地下水动力和原位煤层水微生物群落的营养培养基，将为探索盐度、微量元素浓度对于产甲烷菌的影响具有重要意义。

(2) 在煤的溶解与氧化方面，选择清洁、零污染的氧化剂对于煤层水环境的保护尤为重要，在外加电场、微波作用和超临界二氧化碳萃取方面解决其工程实际应用环境和克服技术攻关具有很大的研究潜力。

(3) 在生物刺激与协同方面，添加不同微量元素、无机矿物等来刺激微生物体内生物酶活性可结合生物酶方面的研究，从酶作用机理方面研究完善产气机理，而生物质协同可以将稻草、秸秆等生物质进行填充并促产生物甲烷，可以实现采空区矿化、低产井甲烷化的战略目标。

(4) 煤层气生物工程与二氧化碳驱替增产煤层气相结合，能够将注入煤层的二氧化碳转化为甲烷而被再次利用，从而实现资源的循环利用。

(5) 将二氧化碳固化封存和碳达峰碳中和的远景目标相结合。一方面可以将二氧化碳封存于废弃矿区，固化采空区目的，还可以将二氧化碳与二氧化碳还原型产甲烷菌一起注入地下深部煤层，促进二氧化碳向甲烷转化，从而实现更高、更快捷的“碳中和”目标和深部煤炭资源的高效利用，改善人类生存环境。

目前，中联煤层气国家工程研究中心、中石油天然气股份有限公司华北油田分公司、中石油煤层气有限责任公司等单位联合北京大学、河南理工大学、西安科技大学等高校已开展以上相关的研究工作，该技术有望在我国低阶煤地区率先实现技术突破，工业价值和市场前景好。随着科技进步和技术发展，未来在经济适用型培养基优化、环境友好型氧化剂选择、二氧化碳生物封存与负碳技术等方面势必会取得长足进步。

4 结 论

a.基于微生物与煤相互作用方式与特点，将煤层气生物工程关键预处理技术分为菌群优化与改良、煤的溶解与氧化、生物刺激与协同3 大类，细菌与古菌群落结构的优化、改良培养基配方、生物溶煤、微波辅助热解、超临界二氧化碳萃取、外加电场、酸氧化、碱氧化、氧化剂氧化、光氧化、刺激生物酶活性、生物质协同作用12 小类。

b.对比不同预处理手段下的生物甲烷增产效果发现，不同煤预处理技术对于生物甲烷的产率均有增产效果，其中，菌群优化与改良对生物甲烷增产效果最高，平均增幅1 025.4%，该技术适用于烟煤储层及微量元素充足条件。其次是煤的溶解与氧化技术，对生物甲烷的产率平均提高223.4%，该技术适用于高煤阶煤储层及低孔低渗条件。再次是生物刺激与协同技术，对生物甲烷的产率平均增幅为148.6%，该技术适用于褐煤储层及胍胶压裂条件。

c.菌群优化与改良技术作用机制是通过优化菌群结构与改良培养基，实现单一高产菌种的丰度增加或者菌群数量增大进而达到增产目的；煤的溶解与氧化技术作用机制主要是增加酶水解作用位点、减弱煤大分子间作用力、改变煤的含氧官能团数量、降低煤结晶度和破坏煤的芳香结构变为小分子物质或者化合物从而增加微生物的利用度，增加生物甲烷的产率；生物刺激与协同技术作用机制主要是改变培养基中微量元素的含量来刺激微生物体内各种生物酶的活性以及增加菌与煤的接触面积，来实现生物甲烷的增产。

d.在目前倡导清洁能源发展和碳达峰碳中和目标背景下，煤层气生物工程预处理技术将向地层水原位条件下工业级培养基配方改良、胍胶压裂液生物质协同作用及超临界二氧化碳萃取深层煤作用等方向发展。