澎湃新聞記者 劉航

煤是人們廣泛使用的一項重要能源，是若幹年前植物埋在地下之後經一系列複雜生物化學和地質作用形成的。不過，關于其形成，我們并不完全了解。

近日，一項發表在國際知名學術期刊《Science》的研究顯示，煤炭形成的第一階段的機制可能與想象的不同：微生物是煤礦中煤炭和甲烷形成的原因。

相關論文标題為“Methoxyl stable isotopic constraints on the origins and limits of coal-bed methane”。

這一發現對從煤田中回收甲烷的舉措産生影響。

研究者觀察了世界各地煤炭樣品中的甲氧基，并使用穩定同位素證明有機物質最終通過微生物作用變成煤炭。

甲氧基由一個碳原子和三個氫原子連在一個氧原子上組成（CH3O-）。氧原子可以附着在大分子中任意數量的位置。在煤的情況中，它附着在煤環狀排列中的一個碳原子上。

“如果你調查地球化學家，大多數人會說煤是由溫度、酸或催化劑産生的。”美國賓夕法尼亞州立大學地球科學助理研究教授Max K. Lloyd表示，“但我們的結果與這些機制不一緻。我們的結果表明微生物直接消耗煤的甲氧基，使煤轉變，并形成甲烷。”

煤的形成起源于濕地森林中的植物落入水中而且很快被掩埋。這些植物材料堆積，經過生物化學作用成為泥炭，之後又在高溫高壓的環境下，逐漸變成褐煤、次煙煤、煙煤，最後成為無煙煤。褐煤仍然是植物性的，而無煙煤的成分主要是碳，它也埋得更深。

根據Lloyd的說法，如今中國、印度等地使用的大多數煤是褐煤或次煙煤，因為它們容易獲得且價格便宜。但是，這類煤燃燒時産生溫室氣體的量最大。解決這一問題的一個不錯方案是——開發這些煤層中的煤層氣 (CBM)。

煤層氣俗稱“瓦斯”，是與煤伴生的獨立礦種。它屬于非常規天然氣，其主要成分為甲烷，是儲存在煤層中、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分遊離于煤體孔隙中的烴類氣體，是近些年國際上崛起的優質清潔能源。

然而，煤層氣生産井的壽命通常有限。“煤層氣生産面臨的挑戰是建造井的成本非常高，而且井可能會在一個月内幹涸。”Lloyd表示，“我們不知道為什麼。生産商添加了更多的微生物或更多的營養（為了微生物），但這隻有在這些是限制因素時才有效，如果煤炭本身是限制因素，則無效。”

研究人員表示，煤中的甲氧基會轉化為甲烷，但人們也不太清楚煤中的甲烷是如何形成的。為了更好理解這一過程，研究人員研究了煤中殘留甲氧基中的碳的穩定同位素。

穩定同位素是一種元素的非放射性形式。碳的同位素中，碳-12和碳-13分别含有12和13個中子，但它們的性質幾乎相同。隻不過碳-13在自然界中含量很少，而且質量稍微大一點。生物有機體通常更喜歡一種同位素，因此原始來源中留下的同位素會與發現的同位素百分比不同。

微生物利用煤制造甲烷前體分子的過程。厭氧微生物在煤間的孔隙，它們産生酶，将酶排洩到煤結構的孔隙空間中。該酶分解甲氧基，産生甲烷前體分子。

Lloyd等人研究從木材到煙煤過程的所有物質中的甲氧基時，發現同位素的分布與由于熱、酸或催化反應産生甲烷時所發現的不符，但這卻與微生物作用預期的模式相匹配。

“事實證明，好氧微生物非常擅長降解煤中的‘環’，而厭氧微生物沒有好的方法來分解環，”Lloyd表示，“因此，厭氧微生物唯一做的事情之一就是‘切掉’甲氧基部分。”

之後，這些遊離的甲氧基會轉化為甲烷。一旦把所有可用的甲氧基都從環上切下後，微生物就無法接觸其他任何東西，反應就停止了，井就枯了。

“真正有趣的是，這些微生物正釋放酶來切斷甲氧基。”Lloyd表示，微生物在細胞外降解結構，這是限制性的，微生物不能輕易進入煤結構中的任何地方。

研究人員表示，煤中甲氧基随時間推移的消耗表明，煤本身是甲烷生産的限制因素。因此，添加更多的微生物或營養物質不會産生更多的甲烷，因此需要其他方法。

責任編輯：李躍群

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