微生物降解褐煤产甲烷过程中分子骨架与功能基团的两阶段降解特性及其能源转化意义

针对褐煤生物转化甲烷效率低下的问题，研究人员通过FTIR、13C-NMR等技术揭示了微生物降解褐煤的两阶段动态规律：快速降解期（30天内）以芳香烃/脂肪烃骨架断裂为主，慢速降解期则聚焦含氧官能团分解。该研究为优化M-ECBM技术提供了分子层面的理论支撑，对实现煤炭清洁利用具有重要意义。

　　

煤炭作为传统化石能源，其清洁高效利用一直是能源领域的重大课题。褐煤因其低演化程度和富含含氧官能团的特性，成为微生物降解产甲烷（Microbial-Enhanced Coalbed Methane, M-ECBM）的理想底物。然而，现有研究多聚焦降解前后静态对比，对分子结构动态演化规律的认识严重不足，制约了M-ECBM技术效率的提升。

针对这一瓶颈，中国石油大学（北京）等机构的研究团队以内蒙古吉尔嘎朗图凹陷褐煤为研究对象，通过多尺度分子表征技术，首次系统揭示了微生物降解过程中分子骨架与功能基团的时序演化规律。相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为煤炭生物气化技术优化提供了关键理论依据。

研究采用元素分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和碳-13核磁共振（¹³C-NMR）等技术，结合气相色谱监测甲烷产量动态。通过对比实验组（添加外源碳源）与对照组，定量解析了不同降解阶段分子结构的响应特征。

分子骨架的阶段性降解
快速降解期（1-30天）：芳香结构（初始占比64.49%）和亚甲基脂肪链（24.80%）相对丰度分别降低11.52%和28.04%，同时羰基（16.99%）和-CH₂（3.69%）显著减少54.66%与42.98%。该阶段微生物通过分泌芳香环羟化酶（monooxygenases）和邻苯二酚双加氧酶（catechol dioxygenase）等酶系，优先裂解大分子骨架生成有机酸、醇类等中间产物。

慢速降解期（30天后）：含氧官能团成为主要降解靶点，羧基（11.93%）、羟基（51.83%）和含氧脂肪结构（16.38%）分别减少52.27%、12.91%和22.10%。此时微生物代谢转向利用前期积累的小分子片段，甲基营养型产甲烷菌主导终产物转化。

技术方法创新
研究创新性地建立了FTIR峰面积比（DOC₂、I₂）与¹³C-NMR芳香度（'C' aromaticity）的定量衰减模型，首次发现各结构参数随时间呈指数衰减规律。XPS分析进一步证实杂原子化合物（C-S/C-N键）因极性高、键能低而优先降解的特性。

结论与意义
该研究明确了褐煤生物降解的两阶段转换阈值（30天）及阶段特异性分子靶点：快速期主攻碳骨架裂解，慢速期专注含氧基团代谢。这一发现为分阶段调控M-ECBM工艺提供了理论依据——在快速期补充外源碳源以强化微生物群落活性，在慢速期优化pH和氧化还原电位以提升产甲烷效率。研究成果不仅深化了对微生物-煤基质互作机制的认识，更为实现褐煤资源的高值化、清洁化利用开辟了新路径。