煤炭生成机制揭开

一组研究人员发现，微生物在这些地区形成煤和产生甲烷，这对甲烷燃料的回收有影响来自一些煤田。

研究人员观察了来自世界各地的煤炭样本中的甲氧基，并使用稳定同位素表明有机物质最终通过微生物作用变成了煤炭。

甲氧基由一个碳原子和三个与氧原子相连的氢原子组成。氧原子可以连接到较大分子中的任意数量的位置。在煤的情况下，它与煤的环排列之一中的碳原子相连。

“如果你对地球化学家进行调查，大多数人会说煤炭是由温度、酸或催化剂产生的，”宾夕法尼亚州立大学地球科学助理研究教授 Max K. Lloyd 说。“但我们的结果与这些机制不一致。它们表明微生物直接消耗煤甲氧基，转化煤并制造甲烷。”

当湿地森林中的植物物质落入水中并很快被掩埋时，就会形成煤。有机材料从泥炭开始，变成褐煤，然后是次烟煤、烟煤，最后是无烟煤，因为它被埋得更深，碳含量更高。无烟煤主要是碳，而褐煤仍然是非常植物性的。

根据劳埃德的说法，今天在印度和中国等地使用的大多数煤都是褐煤或次烟煤，因为它们是唯一容易获得且价格低廉的煤，但这些煤在燃烧时会产生最多的温室气体。作为解决这个问题的方法，这些煤层中的甲烷井——煤层气(CBM)——作为远离化石燃料的桥梁很有吸引力，但“煤层气生产井的寿命通常有限，”研究人员今天指出。 11 月 12 日)在《科学》杂志上。

劳埃德说：“煤层气生产面临的挑战是打井非常昂贵，而且井可能会在一个月内枯竭。”“我们不知道为什么。生产者添加了更多的微生物或更多的营养(对于微生物)，但这只有在这些是限制因素的情况下才有效，而不是在煤炭本身是限制因素的情况下。”

Lloyd 最初是在研究活树或最近死树中的甲氧基含量，当时他与加州理工学院的研究生 Elizabeth Trembath-Reichert 交谈，后者现在是亚利桑那大学地球与太空探索学院的助理教授，研究消耗煤中甲基的微生物。在他们使用两种方法确认观察结果是真实的之后，劳埃德开始在世界各地的煤炭中寻找相同的东西。

研究人员表示，煤中的甲氧基会转化为甲烷，但人们对煤中甲烷的形成方式知之甚少。为了更好地理解这一过程，研究人员观察了留下的甲氧基中碳的稳定同位素。

稳定同位素是元素的非放射性形式，其原子核中包含不同数量的中子。含有 12 和 13 个中子的碳同位素几乎相同，只是碳 13 虽然在自然界中含量较少，但稍重一些。生物有机体通常更喜欢一种同位素而不是另一种，因此原始来源中留下的同位素将不同于通常发现的同位素百分比。

当劳埃德和他的同事研究从木材到烟煤的所有物质中的甲氧基时，他们发现同位素的分布与如果甲烷的产生是由于热、酸度或催化反应而发现的不匹配，但他们确实做到了与微生物作用的预期模式相匹配。

“事实证明，好氧微生物非常擅长降解煤中的环，但厌氧微生物没有很好的方法来分解这些环，”劳埃德说。“因此，厌氧菌唯一要做的事情之一就是切断甲氧基部分。”

然后将这些游离的甲氧基转化为甲烷。但是，一旦所有可用的甲氧基自由基都从环上剪下，微生物就无法到达其他任何地方，反应就会停止，井也会干涸。

“真正有趣的是，这些微生物正在释放酶来切断甲氧基，”劳埃德说。“他们正在细胞外降解结构，这是限制性的，因为煤不是一种解决方案，微生物不能轻易地到达煤结构中的任何地方。”

据研究人员称，随着时间的推移，煤炭中甲氧基的消耗表明煤炭本身就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，因此需要另一种方法。

该项目的其他研究人员包括 John M. Eiler、Robert P. Sharp 地质学和地球化学教授;Victoria J. Orphan，James Irvine 环境科学和地球生物学教授;和地球生物学教授 Alex L. Sessions;全部来自加州理工学院地质和行星科学系;Katherine S. Dawson，罗格斯大学环境科学助理教授;Sarah J. Feakins，南加州大学地球科学教授;和印第安纳大学印第安纳地质与水调查局研究地质学家 Maria Mastalerz。

美国国家科学基金会、美国宇航局、欧莱雅美国和美国化学学会支持这项工作。