论文部分内容阅读
微生物增产煤层气技术通过微生物技术手段提高煤层原位生物甲烷生成,改善煤层渗透性、增加煤层气储量,从而提高煤层气井产能、延长气井服务年限、增强煤层气采收率,实现煤层气的增产。该技术绿色、环保,是一种具有显著经济、社会效益的煤层气增产技术,应用前景广阔。然而,生物煤层气产气量低、煤生物利用率差等成为了微生物增产煤层气技术发展的瓶颈。目前普遍认为,煤结构的牢固性和复杂性是限制生物降解的关键因素。已有研究表明,煤与秸秆共降解可以增速甲烷生成、提高甲烷产量。尽管煤与秸秆共降解表现出非常好的生物甲烷增产效果,但相关研究还处于起步阶段,甲烷增产机制还未明晰,缺乏有力的实验证明。本文利用从沁水盆地煤层气田产出水中富集的高效产甲烷菌群,通过以煤与秸秆共厌氧降解为实验组,单一煤、单一秸秆厌氧降解为对照组培养,阶段性取样,并通过TOC、GC-MS检测,确定有机物量和种类,通过提取DNA、基因测序确定微生物的种类,辅以产气情况和p H分析,研究中间代谢过程产物和微生物菌群结构随甲烷生成的变化规律,分析煤与秸秆共降解增产生物甲烷的内在机理。通过实验组和对照组在不同阶段转接至不同底物,验证煤与秸秆厌氧降解对菌群结构的代谢特征影响,研究表明:(1)煤与秸秆共降解甲烷产量为93.65μmol/g,单一煤降解甲烷产量为7.76μmol/g,单一秸秆降解几乎不生产甲烷,煤与秸秆共降解增产了近11倍。(2)煤与秸秆共降解过程中,会产生大量的中间代谢产物。煤与秸秆、单一煤、单一秸秆降解都会在短期内降解芳香化合物、烷烃等有机物,产生大量挥发性脂肪酸(VFA),在第7天时分别达到88.52%、57.48%、70.30%。煤与秸秆共降解VFA含量在第7天之后整体呈下降趋势;单一煤降解的VFA含量不断减少,在35天时,VFA完全被降解利用完;单一秸秆降解中,VFA在前期持续累积,在第14天达到82.96%且在后续培养中基本不变。(3)煤与秸秆共降解及单一秸秆降解促进了Firmicutes的富集,由接种时的50.19%到厌氧降解反应结束时的92.23%和98.47%,促进了产酸产氢细菌属Caproiciproducens的富集,分别为55.02%和6.52%。乙酸营养型产甲烷菌属Methanosaet(74.17%)是厌氧降解煤菌群的主要古菌(0天)。产气结束后,煤与秸秆共降解的优势古菌转变为氢营养型产甲烷菌属Methanobacterium(97.44%)。共降解导致产甲烷途径由乙酸营养型向氢营养型转变。真菌群落结构变化不明显,共降解主要促进了多环芳烃降解菌Cladosporium和有机酸降解菌Cryptococcus的富集。(4)在煤与秸秆厌氧降解不同阶段转接到不同底物进行厌氧消化,都表现出以煤与秸秆为底物的产甲烷效果最好,最高可达到770.99umol/g,而且在14天和28天时转接效果最佳。相较于原菌群,经秸秆强化煤降解的菌群对单一煤的降解能力有所下降。单一秸秆的降解,依然未产生甲烷。这可能是共降解后的菌群结构更适应以煤与秸秆为底物的降解。以上研究结果表明,煤与秸秆降解会改变中间代谢产物及代谢路径、微生物群落结构,从而促进中间产物的代谢,提高生物甲烷产量。同时,经煤与秸秆共降解的微生物菌群会适应对煤与秸秆的共降解。研究结果有助于阐明煤与秸秆共降解产甲烷过程的机理,对微生物增产煤层气的发展起到积极作用,并为秸秆类生物质与煤共降解的原位应用提供理论依据和建议。