摘要 甲烷氧化菌是以甲烷为唯一碳源和能源生长的微生物，在降解转化瓦斯上有广阔的前景。本文介绍了瓦斯微生物治理技术的国内外研究现状，并从甲烷氧化菌催化氧化甲烷机理入手，分析了微生物治理技术的可行性，对以后的研究进行了展望。
关键词 矿井瓦斯；微生物治理；甲烷氧化菌
中图分类号TD7文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）34-0111-02
瓦斯灾害是煤矿最严重的灾害之一，被称为煤矿安全生产的“头号杀手”，近年来，我国煤矿瓦斯灾害事故呈不断上升趋势，给煤矿安全生产造成了极大的威胁。目前，我国煤矿瓦斯的主要治理技术是矿井通风、矿井瓦斯抽放和四位一体的综合防突措施[1]。但是，瓦斯主要成分甲烷是一种会产生强烈温室效应的温室气体，常规技术是将瓦斯直接排放到大气中，排放量约占煤矿瓦斯总量的81%，这无疑将极大的加剧气候变暖，影响环境，且瓦斯也是一种高热值气体，可作为能源使用。国内几乎都是直接将瓦斯排放而未加以利用，国外俄罗斯和澳大利亚等在生物降解瓦斯上取得了较大的成就[2]，其降解率分别为50%和60%。
1 微生物技术治理煤矿瓦斯的现状
1.1 降解瓦斯的微生物
瓦斯的主要成分是甲烷，防治瓦斯灾害就要从降低超标的瓦斯浓度着手，广泛存在于自然界中的嗜甲烷菌或甲烷氧化菌是以甲烷为唯一碳源和能源生长的微生物，分布范围很广，很多极端环境（酸、碱、盐、高温、低温、寡营养）中都有其存在[3]。目前，有学者在研究土壤微生物对降低温室效应的贡献时，从土壤中分离出了更高级的菌种，如Wolf和Hanson等[4]描述了5株能利用甲烷作能源的酵母菌。陈云中、吴伟祥等[5]在对水稻土壤甲烷氧化菌种种群的研究中，分离出两种能利用甲烷的吸水链霉菌Z5-6和J2-6，168h后可以使甲烷体积分数从100%降至90.89%和89.94%。目前大部分研究仍集中于甲烷氧化菌。
1.2 甲烷氧化菌氧化甲烷机理
甲烷氧化菌氧化甲烷生成CO2，同时获得生长所需能量。甲烷氧化菌氧化甲烷的核心是含有甲烷单加氧酶（mathane monooxygenase，MMO）。其细胞代谢过程[6]为：第一步由MMO将甲烷活化生成甲醇，甲醇进一步氧化为甲醛，甲醛再同化为细胞生物量或通过甲酸氧化为CO2。甲烷经过一系列的脱氢反应生成CO2重新回到大气的碳库中，即甲醇→甲醛→甲酸→甲酸盐→CO2，如图1所示。
1.3 甲烷氧化菌及对瓦斯降解研究现状
甲烷氧化菌于1906年首次被分离出来，1970年Whittenbury等分离和鉴定了100多种能利用甲烷的细菌。目前，甲烷氧化菌的研究集中于其对降低温室效应的贡献及存在于土壤、稻田、垃圾、油田等内部的甲烷氧化，内容包括代谢途径、营养、分离、甲烷降解效果等，如Coad得出[7]，甲烷氧化速率为100 pmol/（h·g）~1000pmol/（h·g）干土，理论上以此速率每克干土应能支持106~107个甲烷细菌。另外，除闵航等[8]曾经从水稻土中分离出1株厌氧菌外，绝大部分甲烷氧化菌生长必须有甲烷和氧同时存在，都只能利用甲烷、甲酸、甲醇等简单甲基物，不能利用其他复杂有机物。
国外的研究已取得初步成果。70年代初，俄罗斯科研人员开发出一种能有效地控制煤矿甲烷含量的生物降解瓦斯技术，该技术已在顿涅茨克和库兹涅茨克煤田的矿井中进行了工业化试验，甲烷含量降低30%~60%。加拿大学者查克拉沃夫在加拿大西部煤矿所采取的水样中分离出甲烷氧化菌，并进行模拟实验，结果表明经细菌处理后甲烷浓度呈10倍甚至100倍降低。澳大利亚研究人员在这方面的研究也取得了一定的成功，他们把氧化甲烷的细菌菌液喷洒到煤矿壁上，细菌以甲烷为惟一碳源而繁衍，20天后煤矿的甲烷去除率达到66%。此外，美国研究人员在自然界也发现一种高效氧化甲烷的细菌贝耶林克氏菌（Beijerinckia sp.）。也有报道称，一种甲烷氧化菌在含有瓦斯的环境中对甲烷的清除率达99%，1周内的清除率为97%。
国内对瓦斯利用及其降解的报道很少，现在仅有陈东科等[9]做了一些利用甲烷氧化菌降解瓦斯的研究，其实验装置为自制，采用的甲烷氧化菌为GYJ3和M3011，样品为含瓦斯的煤样，加入菌液后密封，定期测量反应器中甲烷和CO2的含量，实验得出煤样中瓦斯降解率平均为44%，最大为52%。
2 实验研究成果及现有问题
2.1 实验研究成果
为了研究微生物处理瓦斯的可行性，实验室做了基础性实验，从淮南潘一矿的土样和水样中筛选菌种，并自行设计反应器测定菌种对瓦斯的处理能力。
1）从采集的土样、水样中筛选菌种。采用无机盐无碳源培养基，甲烷作为唯一碳源，利用选择性培养的方法进行筛选菌种。实验得出7株具有甲烷利用能力的菌株，其中一株菌氧化甲烷能力较高，命名为菌H4。并对菌H4的生理生化条件及培养条件进行了优化。实验结果得出菌株H4以甲烷为唯一碳源培养时的较优条件为，32℃，180r/min，最适生长pH为6~7，批次培养时pH6.8左右，微量元素Cu2+为15μmol/L，Zn2+浓度为10μmol/L。在此条件下菌株H4利用甲烷的能力（7d）达60%以上；
2）自行设计反应器对固定化菌利用甲烷的能力进行测定。实验装置为自行设计的小型滴滤反应塔，选取不同填料进行对比，采用混合菌系，对挂膜条件进行优化，同时对各参数和性能进行了初步探讨。实验结果得出，陶瓷拉西环是较好的固定填料，生物挂膜时间是15d~18d，pH为6.5，温度32℃，气体循环流速为20m/h，气体流量为120l/h，甲烷的消除率达到85 %以上。对滴滤塔运行约120d左右，甲烷的消除率开始明显下降。
2.2 现有问题
将瓦斯仅降解为无害物质，国外已经在实践上取得了初步成果，国内的研究还处在实验室阶段，存在不少问题，主要有：
1）实验仅验证甲烷氧化菌对甲烷的氧化作用，没有深入研究，缺乏精度较高的动态检测，无法确定生物代谢过程中各阶段中间产物对实验以及结果的影响；
2）实验仅对甲烷与空气的混合气做测定，所用含甲烷的混合气体与煤矿瓦斯的气体组成差别很大，现行结果不能准确反应微生物对瓦斯的降解情况；
3）实验所用煤样中瓦斯和煤矿中瓦斯的含量、压力、温度以及氧化环境等相差很大，氧化后的产物虽然无害，但无法再利用，无法控制反应进度回收有用的中间产物；
4）甲烷氧化菌的生物学性质仍然需改进。如能适应煤层中的环境，并能实现高密度生长，转化效率达到工业应用价值，在治理煤矿瓦斯问题上将会取得不可预料的经济价值和环保价值；
5）国内瓦斯的利用率比较低，尽管前景广阔，但研究和投入很少，科研机构的工作很艰巨，包括利用生物技术对甲烷氧化菌的人工诱导培育，加强和煤炭企业的合作等。
3 结论
尽管国外的研究取得了初步的成果，但仍有很大的瓶颈，并且中国煤层地质构造比较复杂，煤层透气性比较差，煤矿瓦斯灾害仍然没有得到彻底的治理，一旦此研究获得突破，在煤层开采之前利用甲烷氧化菌氧化煤层中储存的瓦斯，必将对煤矿瓦斯的防治找到新途径，有助于从根本上防治煤矿瓦斯灾害。
参考文献
[1]王显政.煤矿安全新技术[M].北京：煤炭工业出版社，2002.
[2]柯为.治理煤矿瓦斯爆炸的微生物技术[J].生物工程学报，2005，21(3)：460.
[3]梁战备，史奕，岳进.甲烷氧化菌研究进展[J].生态学杂志，2004，3(5)：198-205.
[4]Hanson R S，Hanson T E.Methanotrophic bacteria [J]. Microbiol. Rev，1996，60(2)：439-471.
[5]陈中云，吴伟祥，闵航，等.两株能利用甲烷的吸水链霉菌(Streptomyces hygroscopicus)的分离和鉴定[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2000，26(4)：384-388.
[6]NIKIEMA J，BIBEAUL，LAVOIE J，et al. Biofiltration of methane：An experimental study[J].Chemical Engineering Journal，2005，113(2-3)：111-117.
[7]CONRAD R.Soil microorganism oxidizing atmospheric trace gases(CH4，CO，H2，NO)[J].Indian J. Microbiol，1999，39：193-203.
[8]闵航，谭玉龙，吴伟祥，等.一个厌氧甲烷氧化菌菌株的分离、纯化和特征研究[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2002，28(6)：619-624.
[9]陈东科.微生物降解煤矿瓦斯的研究[J].煤炭学报，2006，31(5)：607-609.
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