煤微生物甲烷化的石墨烯强化机制
周艺璇1
苏现波2
赵伟仲1
王乾3
于世耀1
汪露飞1
1.河南理工大学资源环境学院,河南焦作 4540002.河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;河南理工大学非常规天然气研究院,河南焦作 454000;中国地质大学资源学院,湖北武汉 430074;中原经济区煤层(页岩) 气协同创新中心,河南焦作 4540003.河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;河南理工大学非常规天然气研究院,河南焦作 454000
摘要：强化煤制微生物甲烷的研究备受重视,是煤层气的一项有效增产措施.向发酵系统中添加导电材料可以有效促进直接种间电子传递提高甲烷产率,在强化有机物厌氧降解方面潜力巨大.以长焰煤作为底物构建厌氧发酵系统,通过对生物甲烷产气量、中间关键液相产物、微生物群落结构、产甲烷代谢路径以及发酵前后残煤表面官能团等的测试和分析,探讨了石墨烯对厌氧发酵产生物甲烷的促进效应.结果表明,在以煤为底物的厌氧发酵系统中添加 0.4 g/L的石墨烯有效增强了整个厌氧发酵的进行,不仅提高了甲烷产气量,同时也提前了甲烷的产出高峰期.在发酵初期,水解菌群(Paraclostridium)和产氢产乙酸菌群(Alcaligenes、Sphaerochaeta)的活性增强,前期积累了充足的营养物质.在产甲烷高峰期,添加石墨烯后Methanoculleus丰度降低而Methanosar-cina丰度显著提高,乙酰辅酶A脱羰基酶/合成酶β亚基和γδ亚基作为乙酸合成途径中的关键酶,分别增加了 233.54%和 3.32%,这使得Methanosarcina丰度明显上升且主要进行乙酸营养型产甲烷,细菌群落中能够利用乙酸乙醇类物质的Geobacter和Anaerovorax丰度增高,其中丰度升高较明显的Geobacter可能通过与石墨烯辅助的生物电连接与Methanosarcina进行DIET,这种电子传递方式在一定程度上加速了生物甲烷的生成.产气残煤表面的羰基碳(C=O)、羧基碳(COO—)在添加石墨烯后分别下降了 42.8%和 49.5%,说明石墨烯有效促进了微生物对煤的降解.石墨烯的添加提高了菌群的活性和降解效率,加快了厌氧发酵进程,为产甲烷菌群提供了丰富的底物,提高了甲烷产气量.
关键词：煤生物甲烷石墨烯厌氧发酵直接种间电子传递
分类号：Q819(生物工程应用)Q815(生物工程学(生物技术))
资助基金：国家自然科学基金(42230804)国家自然科学基金(42072193)
论文发表日期：2023-11-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 4145-4156 )
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