磁场强度调控微生物将烟煤衍生有机物转化为甲烷的机制

《Bioresource Technology》：Mechanisms of magnetic field intensity regulated microbial conversion of bituminous coal derived organic matter to methane

　　• 20 mT的磁场使烟煤的甲烷产率增加了156.0%。
• 磁场暴露改变了碳源的利用和荧光DOM的反应。
• 20 mT处理富集了合养细菌和Methanosarcina。
• 多组学研究表明芳香化合物、C1和产甲烷反应之间存在协调性。
• 煤炭生物甲烷化对磁场强度的反应是非线性的。

引言
煤层气是一种重要的非常规天然气资源，对能源回收和矿山安全具有重要意义（Scott, 1999）。全球煤炭资源量远大于可通过传统开采经济回收的部分。一项常用的估计表明，全球大约6万亿吨煤炭资源中，只有不到10%是可以开采的，而大部分资源是低等级、枯竭的或在经济上无法提取的煤炭（Park & Liang, 2016）。这一估计不应被解读为所有不可开采的煤炭都可以通过生物转化，因为全球可生物利用的煤炭比例尚未得到可靠量化。尽管如此，它为大量未被充分利用的煤基碳提供了定量背景，这些碳有可能通过生物转化来利用。

先前的研究已经证明，即使是从以前几乎没有产气的煤炭中也能生成新的生物甲烷。Jones等人（2008）报告称，从一颗不产气的井中采集的煤炭样本中可以生成高达80 μmol g?1的甲烷，而Fallgren等人（2013）则证明了可以从无气体产出的褐煤中通过微生物作用生成甲烷。因此，微生物转化煤炭为甲烷最适合作为低等级、枯竭或经济上不具吸引力的煤层的一种资源再利用策略，而不是替代传统煤炭利用的方法。与煤炭开采、运输和直接燃烧或高温热化学转化相比，厌氧生物转化在相对温和的条件下进行，可以在固体煤炭仍然存在于地下的情况下回收部分煤基碳，并且可以利用现有的煤层气井和气体回收基础设施（Davis and Gerlach, 2018, Park and Liang, 2016）。现场规模实验进一步证明，在添加改良剂后可以刺激和追踪微生物甲烷的产生。然而，这一过程并非无碳排放，其实际环境效益取决于甲烷回收效率、泄漏控制、改良剂输送、储层渗透性以及整个生命周期的表现。生物甲烷的形成需要通过水解、发酵、乙酸生成和产甲烷等步骤逐步转化煤基有机物（Gong et al., 2022）。因此，已经研究了微生物刺激作为加速煤基有机物转化和增加适当储层中可回收甲烷量的一种方法（Yang et al., 2024）。但其应用仍受到煤炭生物可利用性有限和结构复杂有机物转化速度慢的限制（Khan et al., 2024, Str?po? et al., 2011）。

煤炭是一种异质的大分子材料，包含缩合芳香结构、脂肪族侧链、含氧和含氮的功能基团以及杂环部分（Han et al., 2021）。选择烟煤作为模型底物是因为它在微生物转化研究中的结构较为顽固，但却是研究较为成熟的煤级。之前的跨煤研究表明，生物甲烷生成潜力和微生物群落反应会随着煤级和煤质的不同而有很大差异（Bao et al., 2016, Robbins et al., 2016）。使用单一的、特征明确的烟煤可以在控制底物条件的情况下研究磁场强度的影响，同时减少因煤级和成分差异带来的变异性。然而，本研究中的结果主要应在所研究的6号煤层烟煤的背景下进行解释，不应假设其适用于所有煤级。与污水污泥、农作物残余物或食物废物等易于降解的底物不同，煤炭必须首先经历溶解、水解和部分芳香结构的转化，其碳才能进入发酵和产甲烷代谢（Li et al., 2024）。因此，甲烷的产生不仅受产甲烷古菌的控制，还受溶解有机物的释放、细菌发酵和合养氧化的影响。添加共底物和营养改良剂可以改善煤炭转化，但这些方法依赖于外部碳输入，并不能完全解释煤的内在有机部分是如何被导向甲烷生成的（Khan et al., 2024）。

已经研究了多种策略来克服煤炭的低生物可利用性和结构顽固性，包括物理粉碎、化学预处理和共消化。研磨可以增加煤炭与微生物细胞之间的接触面积，而碱性和氧化预处理可以破坏煤炭的大分子结合并释放更多可生物利用的有机化合物。例如，用1.5 M NaOH预处理12小时后，无烟煤的生物甲烷产量增加了17.65％，而H2O2氧化显著提高了次烟煤的溶解性和生物甲烷产量（Chen et al., 2018, Guo et al., 2020）。最近，Li等人（2025）将H2O2预处理与Zn2+或Co2+补充结合，表明适当的微量元素添加进一步促进了产甲烷活性和甲烷产量，说明了结合煤炭预处理与微生物刺激的潜力。共消化通过引入更易于生物降解的共底物来提高底物的可利用性和厌氧菌群的代谢环境。Zhao等人（2024）报告了在褐煤与可生物降解的聚乳酸共消化过程中甲烷产量的协同增强，以及溶解有机产物和微生物群落组成的变化。这些策略表明，通过直接修改煤炭基质或改善微生物转化的底物和营养条件可以增强煤炭生物甲烷化。然而，物理和化学预处理需要直接处理煤炭，可能涉及粉碎、试剂输送、洗涤或中和，而共消化则需要连续引入额外的有机底物。这些要求可能会使其从粉碎的实验室系统转移到完整的煤层中变得复杂。

磁场调控与这些共消化和预处理策略不同，因为它提供了一种外部可调的、非接触式的物理刺激，无需额外的有机共底物或直接化学修改煤炭基质。共消化主要通过引入更易于生物降解的底物和改善营养环境来增强生物甲烷化，而化学预处理则通过直接改变底物的物理化学性质来提高煤炭的生物可利用性。相比之下，磁场刺激作用于煤炭微生物系统，而不改变碳源组成或预先氧化煤炭，因此应被视为一种独特且可能互补的策略，而不是这些方法的直接替代。永久磁铁或外部线圈产生的静态或动态磁场已经增加了厌氧消化系统中的甲烷产量，尽管这种响应强烈依赖于强度，过度的磁场暴露可能会减弱有益效果（Hong et al., 2024, Zhao et al., 2020）。然而，这些先前的研究主要是针对污泥、废水、农作物残余物或其他相对容易获取的有机底物进行的。因此，本研究的创新之处不在于首次将磁场应用于厌氧消化，而在于确定在结构顽固的煤基有机物微生物转化过程中是否会发生强度依赖的磁场响应，以及将这种响应与溶解有机物的转化、微生物群落演替、转录调控和代谢物谱型联系起来。从工程角度来看，磁场的非接触性和可调性表明，可以使用井下或近井磁场装置来生成局部磁场。然而，深层煤层的磁场刺激尚未得到验证，其有效处理半径、场衰减、能量需求、储层异质性和长期运行稳定性需要现场规模的评估。因此，本研究为评估磁场辅助的煤炭生物甲烷化提供了机制上的实验室基础，而不能立即声称其在现场的适用性。

磁场对煤炭生物甲烷化的影响尚未得到充分研究。由于煤炭的高芳香性、低溶解性和结构稳定性，它与传统厌氧消化底物有显著不同。目前尚不清楚磁场暴露是否促进了煤基中间产物的释放和转化，如何重新组织发酵和产甲烷菌群，以及基因表达和代谢物谱型的变化是否与甲烷形成协调（Lv et al., 2020, Zhu et al., 2020）。仅凭甲烷产量或群落组成无法解释这些相互关联的过程，需要跨微生物、转录和代谢水平的综合分析。

在本研究中，使用了来自中国淮南矿区张济煤矿6号煤层的烟煤，在不同磁场强度下建立厌氧培养。评估了甲烷产量、群落水平的碳利用和溶解有机物的转化，并结合了16S rRNA基因测序、宏转录组学和非靶向代谢组学。分析重点关注了煤基底物转化、功能群落演替、中间代谢物周转和产甲烷代谢之间的关系。结果为磁场辅助的煤炭生物甲烷化提供了机制基础，并阐明了微生物转化过程的强度依赖性响应。

**研究部分**
**煤样制备和实验设计**
从中国淮南矿区张济煤矿6号煤层（116°29′ E, 32°46′ N）收集了新鲜烟煤。使用配备双管岩芯桶的ZYW-3200液压钻机通过73毫米钻孔进行密封取芯。原始煤炭的初步分析结果包括水分、灰分、挥发分和固定碳含量，总结在表1中。岩芯被转移到无菌袋中，真空密封后低温保存并运输。

**磁场强度对煤炭微生物甲烷产生的影响**
所有处理组中的累积甲烷产量都随培养时间的延长而增加（图1a）。两个空白组的产气量保持较低；因此，处理组间的比较基于扣除相应背景值后的净甲烷产量。培养45天后，CK、LC、MC和HC组的累积甲烷产量分别达到127.66、253.89、326.84和211.67 μmol CH4 g?1干煤，其中MC组的甲烷产量最高。

**限制和未来展望**
应考虑几个限制因素。首先，只研究了来自单一煤层的烟煤；因此，在20 mT下观察到的最强响应应视为特定于当前系统的，而不是普遍的最佳值。需要跨煤种的验证来确定煤炭性质是否会影响有利的磁场范围。其次，多组学数据主要解析下游响应，未能识别磁场作用的初始生物物理靶标。

**结论**
本研究证明了烟煤生物甲烷化对静态磁场暴露的明显强度依赖性和非线性响应。在测试的条件中，20 mT产生了最高的最终甲烷产量（326.84 μmol CH4 g?1干煤），比无磁场对照组增加了156.0％；而在40 mT时响应减弱。20 mT处理还表现出最强的群落水平碳源利用和荧光DOM响应。

**作者贡献声明**
Xun Zhang：撰写——原始草稿、正式分析、概念化。
Bingjun Liu：撰写——审阅与编辑、资金获取、正式分析。
Sheng Xue：撰写——审阅与编辑、资源获取。
Xiangqin Jiang：研究、数据管理。
Ruifeng Chen：研究、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。