賓夕法尼亞州立大學的新研究顯示，煤炭產生的最初階段之一背后的機制可能與人們長期以來認為的不同。
通過觀察世界各地煤炭樣本中的甲氧基基團并使用穩定同位素，這項新研究背后的科學家發現，有機物質最終會變成煤，并通過微生物作用產生甲烷。
在他們看來，這一發現對從某些煤田回收甲烷燃料具有重要意義。
在《科學》雜志上發表的一篇論文中，研究人員解釋說，甲氧基基團由一個帶有三個氫原子的碳原子與一個氧原子相連組成。氧原子可以附著在一個較大分子中的任何地方。在煤的情況下，它附著在煤的一個環狀排列中的一個碳原子上。
基于這一過程，人們了解到，當濕地森林中的植物物質落入水中并被迅速掩埋時，就會形成煤。有機材料從泥炭開始，變成褐煤，然后是亞煙煤、煙煤，最后是無煙煤，因為它埋得更深，碳含量更高。無煙煤主要是碳，而褐煤仍然是植物性的。
據該研究的主要作者Max Lloyd說，今天在印度等地使用的大多數煤炭都是褐煤或亞煙煤，因為只有這些類型的煤炭容易獲得且便宜，但這些煤炭在燃燒時產生的溫室氣體量最大。
作為這個問題的解決方案，這些煤層中的甲烷井(煤層氣(CBM))是用來擺脫化石燃料的好方案。問題是煤層氣生產井的壽命通常有限。
“煤層氣生產面臨的挑戰是建造井的成本非常高，而且井可能會在一個月內干涸，”勞埃德說。“我們不知道為什么。生產者添加更多微生物或更多營養(對微生物而言)，但這只有在這些是限制因素時才有效，如果煤炭本身是限制因素，則無效。”
"煤層甲烷生產面臨的挑戰是，打井非常昂貴，而且井可能在一個月內就干了，"勞埃德說。"我們不知道為什么。生產者添加更多的微生物或更多的營養(為微生物)，但這只在這些是限制因素的情況下有效，而不是在煤炭本身是限制因素的情況下。"
微生物用于從煤中創造甲烷前體分子的過程。(圖片由賓州州立大學Max Lloyd提供)。
Lloyd最初是在研究活樹或最近枯死的樹木中甲氧基基團的豐度，當時他咨詢了他的同事Elizabeth Trembath-Reichert，后者正在研究消耗煤中甲基的微生物。在他們用兩種方法證實觀察結果是真實的之后，勞埃德開始在世界各地的煤炭中尋找同樣的東西。
研究人員說，煤炭中的甲氧基基團被轉化為甲烷，但對甲烷如何從煤炭中形成卻知之甚少。為了更好地了解這一過程，他們研究了留下的甲氧基基團中碳的穩定同位素。
穩定同位素是一種元素的非放射性形式，在其原子核中含有不同數量的中子。含有12個和13個中子的碳同位素幾乎是相同的，只是碳13雖然在自然界中含量較少，但略重一些。勞埃德解釋說，生物體一般會偏愛一種同位素而不是另一種，因此源中留下的同位素將不同于通常發現的同位素的百分比。
因此，他和他的同事們研究了從木材到煙煤的所有物質中的甲氧基基團，并注意到同位素的分布與由于熱量、酸度或催化反應而產生甲烷的情況不符，但他們確實符合微生物作用的預期模式。
勞埃德說："事實證明，好氧微生物非常善于降解煤中的環，但是厭氧微生物沒有好的方法來分解環。“因此，留給厭氧菌的唯一事情之一就是切斷甲氧基部分。”
這些游離的甲氧基基團隨后被轉化為甲烷。但是，一旦所有可用的甲氧基自由基都從環上被剪掉，微生物就無法獲得其他東西，反應就會停止，井就會枯竭。
"真正有趣的是，這些微生物正在釋放酶來切斷甲氧基，"這位科學家說。"它們在細胞外降解結構，這是有局限性的，因為煤不是溶液，而且微生物不容易在煤結構中隨處可見。"
據勞埃德和他的同事說，隨著時間的推移，煤炭中甲氧基基團的耗盡表明煤炭本身是甲烷生產的限制性因素。因此，添加更多的微生物或營養物質不會產生更多的甲烷，必須采用另一種方法。
