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通过稳定同位素技术发现 煤炭产生的机制或与之前认为的不同

2021-11-23 11:10          稳定同位素稳定同位素技术

研究员 Max Lloyd 测试了来自世界各地的样本。从左边开始是木材、褐煤、次烟煤和烟煤。(图片由宾夕法尼亚州立大学帕特里克·曼塞尔提供)。

宾夕法尼亚州立大学的新研究显示,煤炭产生的最初阶段之一背后的机制可能与人们长期以来认为的不同。

通过观察世界各地煤炭样本中的甲氧基基团并使用稳定同位素,这项新研究背后的科学家发现,有机物质最终会变成煤,并通过微生物作用产生甲烷。

在他们看来,这一发现对从某些煤田回收甲烷燃料具有重要意义。

在《科学》杂志上发表的一篇论文中,研究人员解释说,甲氧基基团由一个带有三个氢原子的碳原子与一个氧原子相连组成。氧原子可以附着在一个较大分子中的任何地方。在煤的情况下,它附着在煤的一个环状排列中的一个碳原子上。

基于这一过程,人们了解到,当湿地森林中的植物物质落入水中并被迅速掩埋时,就会形成煤。有机材料从泥炭开始,变成褐煤,然后是亚烟煤、烟煤,最后是无烟煤,因为它埋得更深,碳含量更高。无烟煤主要是碳,而褐煤仍然是植物性的。

据该研究的主要作者Max Lloyd说,今天在印度等地使用的大多数煤炭都是褐煤或亚烟煤,因为只有这些类型的煤炭容易获得且便宜,但这些煤炭在燃烧时产生的温室气体量最大。

作为这个问题的解决方案,这些煤层中的甲烷井(煤层气(CBM))是用来摆脱化石燃料的好方案。问题是煤层气生产井的寿命通常有限。

“煤层气生产面临的挑战是建造井的成本非常高,而且井可能会在一个月内干涸,”劳埃德说。“我们不知道为什么。生产者添加更多微生物或更多营养(对微生物而言),但这只有在这些是限制因素时才有效,如果煤炭本身是限制因素,则无效。”

"煤层甲烷生产面临的挑战是,打井非常昂贵,而且井可能在一个月内就干了,"劳埃德说。"我们不知道为什么。生产者添加更多的微生物或更多的营养(为微生物),但这只在这些是限制因素的情况下有效,而不是在煤炭本身是限制因素的情况下。"


微生物用于从煤中创造甲烷前体分子的过程。(图片由宾州州立大学Max Lloyd提供)。

Lloyd最初是在研究活树或最近枯死的树木中甲氧基基团的丰度,当时他咨询了他的同事Elizabeth Trembath-Reichert,后者正在研究消耗煤中甲基的微生物。在他们用两种方法证实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同样的东西。

研究人员说,煤炭中的甲氧基基团被转化为甲烷,但对甲烷如何从煤炭中形成却知之甚少。为了更好地了解这一过程,他们研究了留下的甲氧基基团中碳的稳定同位素。

稳定同位素是一种元素的非放射性形式,在其原子核中含有不同数量的中子。含有12个和13个中子的碳同位素几乎是相同的,只是碳13虽然在自然界中含量较少,但略重一些。劳埃德解释说,生物体一般会偏爱一种同位素而不是另一种,因此源中留下的同位素将不同于通常发现的同位素的百分比。

因此,他和他的同事们研究了从木材到烟煤的所有物质中的甲氧基基团,并注意到同位素的分布与由于热量、酸度或催化反应而产生甲烷的情况不符,但他们确实符合微生物作用的预期模式。

劳埃德说:"事实证明,好氧微生物非常善于降解煤中的环,但是厌氧微生物没有好的方法来分解环。“因此,留给厌氧菌的唯一事情之一就是切断甲氧基部分。”

这些游离的甲氧基基团随后被转化为甲烷。但是,一旦所有可用的甲氧基自由基都从环上被剪掉,微生物就无法获得其他东西,反应就会停止,井就会枯竭。

"真正有趣的是,这些微生物正在释放酶来切断甲氧基,"这位科学家说。"它们在细胞外降解结构,这是有局限性的,因为煤不是溶液,而且微生物不容易在煤结构中随处可见。"

据劳埃德和他的同事说,随着时间的推移,煤炭中甲氧基基团的耗尽表明煤炭本身是甲烷生产的限制性因素。因此,添加更多的微生物或营养物质不会产生更多的甲烷,必须采用另一种方法。

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