《科学》揭示煤炭成因：微生物直接消耗煤甲氧基，还产生甲烷

煤是人们广泛使用的一项重要能源，是若干年前植物埋在地下之后经一系列复杂生物化学和地质作用形成的。不过，关于其形成，我们并不完全了解。
近日，一项发表在国际知名学术期刊《Science》的研究显示，煤炭形成的第一阶段的机制可能与想象的不同：微生物是煤矿中煤炭和甲烷形成的原因。
相关论文标题为“Methoxyl stable isotopic constraints on the origins and limits of coal-bed methane”。
这一发现对从煤田中回收甲烷的举措产生影响。
研究者观察了世界各地煤炭样品中的甲氧基，并使用稳定同位素证明有机物质最终通过微生物作用变成煤炭。
甲氧基由一个碳原子和三个氢原子连在一个氧原子上组成（CH3O-）。氧原子可以附着在大分子中任意数量的位置。在煤的情况中，它附着在煤环状排列中的一个碳原子上。
“如果你调查地球化学家，大多数人会说煤是由温度、酸或催化剂产生的。”美国宾夕法尼亚州立大学地球科学助理研究教授Max K. Lloyd表示，“但我们的结果与这些机制不一致。我们的结果表明微生物直接消耗煤的甲氧基，使煤转变，并形成甲烷。”
煤的形成起源于湿地森林中的植物落入水中而且很快被掩埋。这些植物材料堆积，经过生物化学作用成为泥炭，之后又在高温高压的环境下，逐渐变成褐煤、次烟煤、烟煤，最后成为无烟煤。褐煤仍然是植物性的，而无烟煤的成分主要是碳，它也埋得更深。
根据Lloyd的说法，如今中国、印度等地使用的大多数煤是褐煤或次烟煤，因为它们容易获得且价格便宜。但是，这类煤燃烧时产生温室气体的量最大。解决这一问题的一个不错方案是——开发这些煤层中的煤层气 (CBM)。
煤层气俗称“瓦斯”，是与煤伴生的独立矿种。它属于非常规天然气，其主要成分为甲烷，是储存在煤层中、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤体孔隙中的烃类气体，是近些年国际上崛起的优质清洁能源。
然而，煤层气生产井的寿命通常有限。“煤层气生产面临的挑战是建造井的成本非常高，而且井可能会在一个月内干涸。”Lloyd表示，“我们不知道为什么。生产商添加了更多的微生物或更多的营养（为了微生物），但这只有在这些是限制因素时才有效，如果煤炭本身是限制因素，则无效。”
研究人员表示，煤中的甲氧基会转化为甲烷，但人们也不太清楚煤中的甲烷是如何形成的。为了更好理解这一过程，研究人员研究了煤中残留甲氧基中的碳的稳定同位素。
稳定同位素是一种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个中子，但它们的性质几乎相同。只不过碳-13在自然界中含量很少，而且质量稍微大一点。生物有机体通常更喜欢一种同位素，因此原始来源中留下的同位素会与发现的同位素百分比不同。

微生物利用煤制造甲烷前体分子的过程。厌氧微生物在煤间的孔隙，它们产生酶，将酶排泄到煤结构的孔隙空间中。该酶分解甲氧基，产生甲烷前体分子。
　　Lloyd等人研究从木材到烟煤过程的所有物质中的甲氧基时，发现同位素的分布与由于热、酸或催化反应产生甲烷时所发现的不符，但这却与微生物作用预期的模式相匹配。
“事实证明，好氧微生物非常擅长降解煤中的‘环’，而厌氧微生物没有好的方法来分解环，”Lloyd表示，“因此，厌氧微生物唯一做的事情之一就是‘切掉’甲氧基部分。”
之后，这些游离的甲氧基会转化为甲烷。一旦把所有可用的甲氧基都从环上切下后，微生物就无法接触其他任何东西，反应就停止了，井就枯了。
“真正有趣的是，这些微生物正释放酶来切断甲氧基。”Lloyd表示，微生物在细胞外降解结构，这是限制性的，微生物不能轻易进入煤结构中的任何地方。
研究人员表示，煤中甲氧基随时间推移的消耗表明，煤本身是甲烷生产的限制因素。因此，添加更多的微生物或营养物质不会产生更多的甲烷，因此需要其他方法。

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