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为解决煤炭燃烧带来环境问题以及煤生物气化中 “微生物群落 - 有机质降解 - 煤结构变化” 耦合机制不明的问题，研究人员开展沥青煤生物气化实验。结果发现产气分三阶段，烷烃和芳烃降解有规律，还形成正反馈循环。该研究助力煤炭清洁利用。
煤炭，作为全球重要的化石燃料之一，在能源领域占据着举足轻重的地位。然而，煤炭燃烧带来的环境污染问题日益严峻，如二氧化碳排放引发的全球气候变暖、二氧化硫排放导致的酸雨等，严重威胁着人类的生存环境。为了应对这一挑战，国际社会积极行动，联合国气候变化框架公约第 26 次缔约方大会（COP26）明确提出要逐步淘汰煤炭的使用。但截至 2024 年，煤炭在全球能源消费结构中仍占近三分之一，短期内难以被完全替代。因此，开发煤炭清洁利用技术迫在眉睫。
在众多煤炭清洁利用技术中，生物气化技术因其操作简单、低碳环保等优势，成为可持续能源发展的潜力方向。煤炭的主要成分包括芳烃、脂肪烃和杂环化合物等，这些复杂的有机物质可被微生物降解利用。全球煤层中广泛存在的沼气现象，暗示着微生物在煤炭转化为甲烷的过程中发挥着关键作用。
不过，目前相关研究存在局限性。多数研究仅聚焦于微生物群落结构的动态变化、有机质组成的改变或煤结构的演变等单一方面，缺乏对 “微生物群落 - 有机质降解 - 煤结构变化” 耦合机制的全面理解。例如，微生物的代谢活动如何选择性地降解特定有机成分，进而推动煤的理化结构定向演化？煤结构的动态变化又怎样反过来影响微生物群落的演替？这些关键科学问题亟待解决。
为了深入探究这些问题，研究人员以鄂尔多斯盆地东缘保德矿区的沥青煤（bituminous coal）为研究对象，利用厌氧发酵（AD）实验系统，在不同反应时间下开展沥青煤生物气化过程的研究。该研究成果发表在《Fuel》上，为煤炭清洁高效利用及煤层气开发提供了重要的理论依据。
在研究方法上，研究人员综合运用了多种先进技术。通过低温氮吸附（LTNA）技术，精确分析煤的孔隙结构变化；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，检测煤中化学官能团的改变；借助气相色谱 - 质谱联用（GC/MS）技术，定量测定有机化合物的含量；采用高通量测序技术，全面解析微生物群落结构。
在生物甲烷生成特征方面，研究人员发现沥青煤生物气化过程中，累计甲烷产量和日产甲烷量呈现出明显的变化规律。实验对照组表明培养基中的有机物可作为沼气生产的底物，因此在分析煤的沼气产量时需要考虑培养基的影响。经校正后，发现整个产气过程呈现三个不同阶段，累计甲烷产量达到 154.71 μmol/g。在第 10 天、20 天和 30 天出现产气高峰，反映了微生物代谢活动的阶段性变化。
关于沥青煤生物气化过程中理化结构的演变规律，研究发现煤的生物降解过程可分为三个阶段。微生物优先降解易利用的成分，如正构烷烃和 2 - 3 环芳烃。正构烷烃的降解与碳链长度相关，ΣC15 - 19 > ΣC20 - 24 > ΣC25 - 30 > ΣC31 - 35，即碳链越短，降解速率越快。芳烃的降解则体现出烷基取代基和环数之间的协同效应，降解顺序为甲基萘 > 二甲基萘 > 三甲基萘 > 四甲基萘 > 甲基菲。随着这些成分的降解，脂肪侧链的支化度降低，芳香层间键断裂。而四环以上芳烃、缩合有机化合物等高度稳定结构的残留，显著增强了煤基质的芳香性和缩合度。同时，煤的孔隙结构发生重组，释放出封闭的有机物，进一步激活微生物的代谢活性，形成 “孔隙扩张 - 底物释放 - 微生物增殖 - 产气增强” 的正反馈循环。
在功能酶活性分析方面，研究表明长链酰基辅酶 A 合成酶和邻苯二酚 2,3 - 双加氧酶分别驱动正构烷烃和芳烃的代谢。这两种酶在微生物降解煤炭有机成分的过程中起到关键的催化作用，揭示了微生物代谢活动的分子机制。
研究结论指出，煤炭生物气化是一个复杂的生化过程，涉及煤的孔隙结构和分子结构的破坏。沥青煤（BD 煤）在厌氧发酵过程中呈现出明显的产气阶段性特征，且不同有机成分的降解规律明确。这一研究成果不仅加深了人们对微生物煤炭转化过程的理解，为煤炭清洁高效利用提供了理论基础，还为煤层气开发和环境保护策略提供了有价值的参考。同时，该研究也为后续进一步探究煤炭生物气化机制指明了方向，有望推动相关技术的发展和应用，助力实现能源领域的可持续发展目标。
