基于本源菌的褐煤生物气生成过程与可能途径

利用富集培养得到的本源产甲烷菌群对云南昭通褐煤样品进行生物气模拟实验,分析了褐煤生物气生成过程与可能 途径。结果显示,为期130 d 的褐煤生物气生成过程至少经历了两个产气高峰,第一高峰产气率高于第二高峰。本文认为第 一高峰期间生气母质主要为褐煤中的腐殖组分,第二高峰期间类脂组和惰质组的微生物降解程度相对增强。甲烷碳氢同位 素组成显示,模拟生物气主要通过乙酸发酵途径生成。模拟过程中,甲烷浓度和二氧化碳浓度具有相互消长的变化趋势, 甲烷碳同位素组成在模拟后期有变轻趋势,氢同位素则趋于变重,表明模拟过程后期生成的部分甲烷具有二氧化碳还原成因。     

生物成因煤层气实验研究现状与进展

总结了当前国内外关于生物成因煤层气生成机理及其影响因素、煤层中厌氧菌及其与煤层生物甲烷生成的关系和生物成因煤层气生成模拟实验研究方面的最新进展。细菌计数和分子生态学研究是考察煤层厌氧菌数量和生理特征的主要方法。煤抽提物的有机地球化学分析验证了煤层可作为生气基质产气,而生物模拟实验研究了煤层生物甲烷生成过程中各种影响因素的影响特征。国内对煤层厌氧菌的研究主要集中在细菌计数和富集培养上,而国外研究则更多关注煤中本源产甲烷菌的分子生态学特征和菌种的改良研究。      

生物气CO_2还原途径中碳同位素分馏作用研究及应用

地质历史中,CO2/H2还原产甲烷作用对生物气的形成具有十分重要的意义。中国柴达木盆地第四系生物气主要为CO2/H2还原型生物气。笔者以CO2/H2还原生气理论为指导,进行不同初始碳同位素值和不同赋存状态碳源的生物模拟实验,研究CO2/H2还原产气过程中发生的碳同位素分馏作用。实验结果表明,产物中δ13CH4值与底物的δ13C值呈很好的正相关关系;在反应母质过量的情况下,碳源的赋存状态可以影响产物甲烷的碳同位素组成。以游离形式CO2还原产生的甲烷δ13C值,相对于以HCO3-、CO23-离子形式产生的甲烷δ13C值轻。通过柴达木盆地东部第四系生物气田实例分析,探讨了该区生物气的主要底物CO2的来源及赋存状态,对评价盆地生物气资源和有利勘探区预测有重要的参考价值。     

张英1，郭依群2，莫午零3，胡玉波4

南海北部神狐海域钻探获得的水合物中天然气组分以甲烷为主,为典型干气,气体甲烷碳氢同位素组成揭示天然气为典型的生物成因,为二氧化碳还原形成。南海北部地区在硫酸盐-甲烷还原界面（SMI）以下进入生物甲烷生成阶段,盐度适中,适宜产甲烷菌等菌群的生存和生物甲烷气的生成,埋深200～1500 m层段是生物甲烷的主要生成阶段。中新世中晚期、上新世和第四纪沉积物以泥为主,部分层段为砂泥岩互层,有机质丰度较高,类型好,热演化程度低,生物气生成条件优越,可为浅部天然气水合物的形成提供充足的气源。     

重庆凉风垭天然气富集区上覆菜园土壤甲烷氧化细菌群落分析

对重庆市凉风垭地区一具有天然气泄漏的菜园土壤进行采样,利用16S rDNA克隆文库研究了该菜园表层及底层土壤样品中甲烷氧化细菌的群落结构,以期了解甲烷泄漏地区甲烷氧化菌的丰度、结构和组成状况,为深入探讨甲烷在该地区的循环及甲烷泄漏对环境的影响奠定基础.DNA序列分析结果显示,该天然气富集区上覆菜园地土壤中Ⅰ型甲烷氧化细菌以甲基细菌属(Methylobacter)占绝对优势,在底层样品与表层样品中所占比例存在较大差异,且底层样品中Ⅰ型甲烷氧化菌的多样性指数(1.99)比表层样品中的多样性指数(1.3)高.Ⅱ型甲烷氧化细菌仅在底层样品CD1中检测到,以甲基孢囊菌属(Methylocystis)占优势,其多样性指数为2.07,种类较Ⅰ型种类要多,这可能暗示Ⅱ型甲烷氧化细菌更能适应在土壤底层低氧、高浓度CH4条件下生存.同时,系统发育树分析显示,大部分菜园底层土壤样品中的Ⅰ型甲烷氧化细菌序列无法同已知的甲烷氧化细菌种属聚在一起,暗示该天然气富集区上覆菜园土壤中甲烷氧化细菌具有特殊性.由于Ⅰ型和Ⅱ型甲烷氧化菌对CH4的亲和力以及对CH4氧化能力的差异,天然气富集区甲烷氧化菌的群落结构研究对深入了解陆地生态系统CH4代谢具有重要意义.     

生物甲烷气实验的外加菌源(沼液)中厌氧菌群测定

考虑到煤本源微生物的分离、纯化及培养相对困难,且耗时较长,采用沼液作为外加菌源,并在进行生物甲烷气实验之前,对所采集沼液中的主要厌氧菌群进行微生物特征及数量的测定。结果表明沼液中的厌氧发酵菌(Anaerobicfermentative bacteria)、厌氧纤维素分解菌(Anaerobic cellulose-decomposing bacteria)、硫酸盐还原菌(Sulfate-reducingbacteria)和产甲烷菌(Methanogens)4类厌氧菌群,均具有杆状、球状及链状等多种形态;染色后发现其中革兰氏阴性菌占主要优势;经最大或然数(MPN)计数后表明,沼液中所含厌氧菌的数量足以进行后续的生物甲烷气的产出实验。     

煤层气甲烷碳同位素的分布特征与控制因素

研究表明 ,在相同热演化程度条件下 ,除少量样品外 ,煤层气δ13 C1值一般较煤型气偏轻。影响煤层气甲烷碳同位素变轻的因素相当复杂。母质类型、成熟度、解吸扩散及运移效应、次生生物气的混入以及CO2 和CH4之间的同位素交换反应等都是影响煤层气甲烷碳同位素组成与分布的重要因素。     

二氧化碳注入煤层多用途研究

为了减轻环境污染,提高煤层气产率,增加能源储备,根据煤层气地质学和生物气的基本理论,提出二氧化碳(CO2)注入煤层多种用途这一新观点。研究结果显示:煤对CO2具有很强的吸附能力,可将煤层作为CO2的储集层;煤具有优先吸附CO2而滞后吸附甲烷(CH4)的特性,向煤层注入CO2可大大提高煤层气的采收率;产甲烷菌具有利用CO2生成CH4的能力,新生成的CH4成为能源储备的有益补充。可见,CO2注入煤层不仅可有效减少温室气体的排放,强化煤层甲烷产出,而且为新能源生物CH4的生成提供了基质。     

云南保山盆地生物气生成模拟实验及生物气资源预测

根据有机地球化学、微生物学实验方法,对云南保山盆地生物气源岩进行了研究。鉴定了主要气夺中产甲烷细菌等厌氧微生物分布,求取了不同温度下生化甲烷产率,揭示了盆地生物气生成特征,从而建立了盆地生物气生成模式和评价依据,结合盆地地质背景及有机地球化学特征,进行了盆地生物气生成量预测,指出了有利勘探区。     

古菌细胞膜类脂化合物分析与初步应用——柴达木盆地沉积地层盐度与产甲烷菌分布

生物气是产甲烷菌代谢的产物,其在沉积地层中形成及分布预测一定程度上要依赖产甲烷菌分布规律的研究。目前研究地层中产甲烷菌分布的主要技术方法是地层水中产甲烷菌记数法。考虑产甲烷菌对环境要求苛刻,微小变化均会改变菌群结构,导致测量结果与实际之间偏差明显;另新鲜地层水样系统采集实现起来也是困难重重。这导致该方法实际操作中的不可实现性。而利用沉积物中产甲烷菌特征化合物浓度来反应一定时间阶段内产甲烷菌的分布可以弥补细菌记数法的不足,而且方法简单、可操作性强。本文利用该方法系列分析了柴达木盆地三湖地区两口井中古细菌醇的变化规律,结果可见盐度无论在横向上还是纵向上均控制着产甲烷菌的分布:盐度相对高的沉积凹陷区,浅层(400m以上)产甲烷菌受到明显抑制,随后产甲烷菌活跃性增强,而且持续深度深达2000m;而凹陷边部涩北1号气田区,盐度相对较低,浅层抑制作用稍弱,产甲烷菌主要分布范围在1000m以上,1000m以下则由于埋藏过程中产甲烷菌的持续活动导致有机质大量消耗致使产甲烷菌活动减弱。最后,结合该区沉积古环境和盐度特征,划分出不同深度产气区分布规律。     

Geochemical characteristics and microbial populations of Neogene brown coal from Zhaotong Basin, China

For the first time in China, a preliminary survey of geochemical characteristics and microbial populations of Neogene brown coal from Zhaotong Basin in Yunnan province, China was conducted to provide a basis for an understanding of the generation of biogenic coal-bed methane in this basin. Coals in this region consist of soft brown coal with lower maturity and good bioactivity, as determined by coal petrologic measurements. Soluble organic matter in coal exhibits the characteristics of unsaturated humic hydrocarbon source rock. Organics in coal were generally associated with higher plants and lower grade aquatic organisms. The bacterial community was dominated by fermentation bacteria, and sulfate-reducing bacteria were relatively rare.     

基于显微CT的煤生物降解过程中孔隙演化精细表征

为了查明产甲烷菌群对不同变质程度煤厌氧发酵所产生的生物增透效应,利用显微CT对生物降解前后的煤样进行三维重建,分析煤的孔隙结构变化特征,通过扫描电镜观察产甲烷菌群在煤表面的吸附特征,探讨不同煤阶煤生物改造效果差异的原因。实验结果发现,厌氧发酵后煤样的孔隙率和吼道总长度增加,孔隙的连通性增强,表明在厌氧发酵过程中煤被微生物降解,促进煤中新孔隙的形成、扩展和贯通,从而实现煤的生物增透效应。随着煤的变质程度降低,煤中孔隙结构明显改善,主要原因在于产甲烷菌群更倾向于吸附在低阶煤的表面。研究结果可为煤层气生物工程的现场应用提供理论指导。      

国际煤层气组成和成因研究

煤层气已成为一种新兴的非常规天然气资源。煤层气是成煤物质在煤化过程中生成并储集于煤层中的气体。按其成因类型分为生物成因气和热成因气。生物成因气有原生和次生两种类型,原生生物成因气一般在低级煤中生成,很难保存下来。次生生物成因气常与后来的煤层含水系统的细菌活动有关。热成因煤层气的生成始于高挥发份烟煤（Ro＝０.5％～0.8％）。与分散的Ⅰ／Ⅱ型或Ⅲ型干酪根生成的气体相比,煤层气的地球化学组成变化较大,反映了控制煤层气组成和成因的因素多而复杂,主要的影响因素包括煤岩组分、煤级、生气过程和埋藏深度及相应的温度压力条件。此外,水动力等地质条件和次生作用等也影响着煤层气的组成。     

淮南煤田煤层气成藏动力学系统的机制与地质模型研究

淮南煤田由次生生物成因和热成因气组成的混合型煤层气藏,受各种地质和水文地质条件的影响和控制。本文通过热流场和地温场、古构造应力场和原地应力场以及地下水动力场的系统分析,探讨了煤层气成藏动力学系统的形成机制,进而提出了相应的成藏地质模型。淮南煤田的煤层气藏虽然属向斜式(或盆心)聚气模型,但是,该模型强调,作为附加气源的次生生物气的补充,成藏动力学系统演化、构造样式和能量场的耦合关系,是混合型煤层气富集成藏的主因。      

柴达木盆地第四系脂肪酸生标的检出及其地质意义

为研究生物气气源岩中指示细菌活动的生物标志化合物参数，对柴达木盆地涩北地区第四系泥岩样品进行了脂肪酸分析，在所分析的16个样品中，三个样品中检出了较完整系列的不饱和脂肪酸和较丰富的异构脂肪酸生物标志物，以及含类异戊二烯结构的酸类，对这些脂肪酸进行了详细鉴定。根据样品中不饱和脂肪酸和异构脂肪酸的组成特征，结合地质背景，认为这些不饱和脂肪酸和异构脂肪酸以及类异戊二烯酸的主要来源可能与细菌有关，它们在生物气主要生气层段出现，进一步反映样品所处地层环境有利细菌发育，可为生物气气源岩细菌发育程度提供参考指标。     

超临界CO2参与下煤储层原位微生物甲烷化物理模拟研究

超临界CO₂能够破坏煤分子结构,提高生物甲烷的产量。为研究微生物在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下的产气潜力,以新疆地区某煤层气区块目标煤层的初始储层压力、温度和气体组分作为原位储层条件,通过自主设计的煤储层原位厌氧发酵装置,模拟煤储层原位储层条件下的厌氧发酵过程,并对生物气产量、煤的官能团结构和微生物群落结构进行了分析。研究结果表明,在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下,生物甲烷产量达到了32.9 mL/g,CO₂的生物转化率为17.4%。FTIR光谱表明,原位条件下微生物对苯酚、醇、醚、酯中含氧基团的降解能力要强于常规条件下的厌氧发酵。超临界CO₂参与下的储层原位厌氧发酵系统中,多种产甲烷代谢途径的产甲烷菌(氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型)逐渐向单一的氢营养型产甲烷菌演化。高压环境下,细菌群落中芽孢杆菌Solibacillus silvestris成为水解产酸发酵阶段的优势菌。该研究为煤层气生物工程的现场实施和碳减排提供了实验基础。      

淮北煤田祁东煤矿煤和瓦斯中稳定碳同位素分布特征及其地质成因

对淮北煤田祁东煤矿6个煤层的24个煤样和12个气样的稳定有机碳同位素分析,分别研究了煤和瓦斯中碳同位素的分布特征和变化趋势,为不同煤层及瓦斯源分析提供理论依据。研究表明:祁东煤矿煤的δ13C为-25.11‰~-22.76‰,6-1煤层至9煤层碳同位素均值呈波动变化,可能受当时成煤时期沉积环境的影响;瓦斯的δ13C₁为-63.65‰~-52.51‰,表现出次生生物成因气的变化特征,二氧化碳碳同位素特征（-22.61‰~-17.96‰）表明其均是煤热解而来。      

白腐真菌预处理对煤厌氧发酵产甲烷的影响

为研究白腐真菌预处理对煤厌氧发酵产甲烷的影响，以预处理长焰煤为实验组，未经预处理煤样为对照组，在适宜环境下进行厌氧发酵产气实验。利用重铬酸钾法、紫外分光光度法、扫描电镜等手段对产气过程中的COD（化学需氧量）质量浓度、辅酶F₄₂₀活性及煤形貌变化等进行阶段性分析。结果表明:实验组与对照组总产气量和碳转化率分别是2 322.0 mL与5.10%、1 330.2 mL与4.70%，且实验组初始产气时间明显提前；实验组降解更为彻底，两者COD值分别是32~176 mg/L与576~609 mg/L；实验组与对照组辅酶F₄₂₀活性最高值分别为0.011 72 μmol/L和0.007 97 μmol/L，且其活性受TOC（总有机碳）含量和产酸细菌的影响；预处理和产气结束后，实验组煤样表面更加粗糙，微生物吸附位点和吸附量也更多，且有菌簇的形成。实验证实，白腐真菌生物预处理在提高煤厌氧发酵产气量与碳转化率方面具有很强的优越性和可适用性，有利于煤层生物气资源的产业化利用。      

Microbial Geochemical Characteristics of the Coalbed Methane in the Shizhuangnan Block of Qinshui Basin,North China and their Geological Implications

Methanogens and sulfate reducing bacteria were detected by the 16SrRNA sequencing of coalbed methane(CBM)co-produced water in the south of the Qinshui Basin,which is indicative of the presence of secondary biological gas in the south of this basin,in contradiction to the previous understanding of thermogenic gas.This work systematically collected water samples from the CBM wells in the Shizhuangnan Block and analyzed the microbial geochemical characteristics from the aspects of water ions,hydrogen and oxygen isotopes,dissolved inorganic carbon and microbial diversity.It is shown that the Shizhuangnan Block has a nearly SN-trending monoclinic structure,and the elevation of coal seam decreases gradually from the east to west.Because of the water blocking effect of Sitou fault in the west,the precipitation flowed from the east to west,and gradually transited to stagnant flow area.The concentration variation of some ions such as Na~+,K~+,Ca~(2+),Mg~(2+),Cl~-,HCO~-_3 and total dissolved solids(TDS)suggest the variation of redox condition in the coal reservoir water.The 16SrDNA sequencing analysis of the collected water samples detected the presence of methanogens and sulfate reduction bacteria.The presence of methane production zone and sulfate methane transition zone(SMTZ)was identified.The effect of methanogens in the methane production zone leads to an increase in the methane concentration,resulting in a high gas content in the study area.In the SMTZ,most methane is consumed by anaerobic oxidation due to high sulfate concentrations.