煤层重烃气的微生物降解特征及其微生物种群响应

Researchers made a big progress on anaerobic degradation of gaseous alkanes (C2-C4) in recent years, demonstrated that gaseous alkanes could be degraded by sulfate-reducing bacteria, which provided a theoretical basis for microbial anaerobic degradation of heavy hydrocarbon gas (C2-C4) in coal seams. Coalbed methane of Enhong syncline in Yunnan province can be divided in to “dry gas area” and “wet gas area” according to content of heavy hydrocarbon gas. Geochemical characteristics of coalbed gas in “dry gas area” showed obvious biologic origin. Therefore, this project will study the microbial anaerobic degradation of heavy hydrocarbon gas in Enhong syncline. First, screen anaerobic bacteria from “dry gas area” which can degrade heavy hydrocarbon gas. Then simulate the process of microbial anaerobic degradation of heavy hydrocarbon gas respectively using ethane, propane, n-butane as the only substrate. Explain the mechanism of microbial anaerobic degradation of gaseous hydrocarbon by analysis of the metabolites and microbial clusters, and discuss the condition that microbial anaerobic can degrade gaseous hydrocarbon. Research on microbial degradation of heavy hydrocarbon gas will help us understand the origin of coalbed gas and provide theoretical basis for generation mechanism of secondary biogenic coalbed gas.

近年来气态烷烃（C2-C4）的微生物降解取得了突破，实现了硫酸盐还原菌对气态烷烃的厌氧降解，这为煤层中微生物厌氧降解重烃气（C2-C4）的研究提供了理论依据。云南省恩洪向斜煤层气根据重烃气含量可分为“干气区”和“湿气区”， 且“干气区”表现出了生物成因气的地化特征。因此，本项目拟以恩洪向斜为研究区，开展煤层中微生物对重烃气厌氧降解的研究。以恩洪向斜“干气区”为菌源，筛选出能够代谢重烃气的厌氧细菌，开展微生物厌氧降解重烃气的模拟实验，重点分析微生物降解乙烷、丙烷、正丁烷的代谢产物和菌群结构，阐释微生物厌氧降解重烃气的机理，并探讨微生物厌氧降解重烃气产生的条件。通过对微生物降解重烃气改变煤层气组分的研究，深化对煤层气成因的认识，也为进一步揭示次生生物成因气生成机理提供新的理论依据。

滇东恩洪向斜煤层重烃气浓度极端异常，且局部表现出了生物成因气的地化特征。通过煤层气的组分和碳氢同位素研究，查明煤层气来源，探讨煤层重烃浓度异常富集的生烃母质、沉积层序、地质构造及孔隙结构的影响作用，开展了煤的生烃模拟实验与微生物产气模拟实验研究，验证煤的重烃生成能力与不同有机显微组分的生物气产出特征，进一步探讨了微生物降解作用对重烃浓度差异的影响作用与生物气的碳氢同位素及其分馏特征。研究表明恩洪向斜地质构造复杂，具有明显的平面分区和多期活动性，提出了五种构造控气模式，其中单斜富集型与隐伏断层散失型煤层气中重烃浓度异常现象更为显著，同时受叠置含煤层气系统发育的控制，各煤层间重烃浓度呈波动性变化。重烃异常区煤的微孔更为发育，双S型和双弧线型的孔隙结构也较为封闭，从而利于重烃气的吸附和富集。煤层重烃气来源于煤层有机热成因气，正常地区浅部煤层次生生物气地球化学标志明显，且微生物降解重烃作用对正常区煤层重烃浓度的影响明显要大于异常区。研究区煤样在热模拟实验过程中产生了大量的重烃气体，煤岩显微组分中丰富的树皮体和渗出沥青体为重烃气的生成和异常高浓度提供了保障。微生物产气模拟实验的产物主要由CH4组成，CO2次之，无重烃气体。镜质组（腐植组）含量越高越有利于生物甲烷的产出，有机质含量、H/C原子比、脂氢含量均与生物气净产气量正相关，氯仿沥青“A”含量、脂氢含量、芳香环层片的层间距d002等参数与产气速率成正相关关系，脂肪结构参数、芳香层片的堆砌度La、芳香环层片延展度Lc参数与产气速率成负相关。通过微晶结构特征分析发现，随着煤级增大，煤中芳香环缩合程度加强，芳香体系增大，不易被微生物利用产气，产气效果降低。生物分馏作用导致生物气碳氢稳定同位素较原煤具有变轻的趋势，而不同有机显微组分的结构特征和碳同位素组成则导致了生物气同位素的差异，对深化煤层气成因及其地球化学特征的认识具有重要意义。