生物煤层气的文献计量与发展综述_段凯鑫.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 煤层气属于煤的伴生矿产资源， 是自生自储的非常规天然气，也是近年来在国际上崛起的洁净、 优质能源和化工原料。目前， 世界上各产煤大国相 继步入煤层气开发利用领域， 其中美国已实现煤层 气的大规模商业化开发。我国近年来在井下抽采煤 生物煤层气的文献计量与发展综述 段凯鑫， 郭红光， 成雅彤 （太原理工大学 安全与应急管理工程学院， 山西 太原 030024） 摘要 为把握生物煤层气研究状况， 基于 Web of Science 数据库， 采用文献计量与文献综述相 结合的方法对生物煤层气相关论文的分布、 趋势、 以及研究内容进行了分析。近年来， 生物煤层 气的勘探、 煤层气田微生物多样性的研究逐渐减少， 累计发文数趋于平缓。而微生物降解煤的培 养实验研究累积发文数逐年上升， 是当前研究热点。培养实验研究主要着力解决生物煤层气形 成机理及其增产理论与技术。微生物、 煤、 中间代谢产物是阐明生物煤层气形成机理的关键； 高 效功能菌群培育、 化学处理改性煤结构、 外源物质激活微生物等方法有效增加了生物甲烷产量。 然而， 生物煤层气的研究时间还比较短， 其形成机理、 增产技术还处于起步阶段， 未来需要微生 物学、 化学、 力学等多学科新技术， 以阐明生物煤层气形成机理、 研发增产新技术， 推动微生物增 产煤层气技术的发展及工业化应用， 助力煤层气产业的可持续发展。 关键词 生物煤层气； 文献计量学； 厌氧降解； 微生物多样性； 增产技术 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0206-07 A Review of Bibliometrics and Development of Biological Coalbed Methane DUAN Kaixin, GUO Hongguang, CHENG Yatong （College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China） Abstract In order to grasp the research status of biological CBM, the distribution, trend and research content of papers related with biological CBM were analyzed by bibliometrics and literature review. In recent years, the exploration of biological CBM and the study of microbial diversity in CBM fields have gradually decreased as the cumulative number of papers has tended to flat. However, the cumulative number of papers on microbial degradation of coal is increasing year by year, which is the current research hotspot. The research of cultivation experiment mainly focuses on the ation mechanism of biological CBM and the theory and technology to increase biomethane production. Microorganisms, coal, and intermediate metabolites are the key to elucidate the ation mechanism of biological CBM. The production of biomethane has been effectively increased by cultivating efficient functional microflora, modifying coal structure by chemical treatment, and activating microorganisms by exogenous substances. However, the research time of biological CBM is relatively short, and the research on its ation mechanism and production-increasing technology are still in the initial stage. In the future, new technologies such as microbiology, chemistry, and mechanics are needed to clarify the ation mechanism of biological CBM, develop new production-increasing technologies, promote the development and industrial application of MECoM and the sustainable development of CBM industry. Key words biological coalbed methane; literature metrology; anaerobic degradation; microbial diversity; stimulation technique DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.044 段凯鑫， 郭红光， 成雅彤.生物煤层气的文献计量与发展综述 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 206-212. DUAN Kaixin, GUO Hongguang, CHENG Yantong. A Review of Bibliometrics and Development of Biological Coalbed Methane ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 206-212. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （U1810103， 51404163） ； 山 西省煤层气联合基金资助项目 （2014012006） ； 山西省重点研发计 划国际合作资助项目 （201903D421088） 移动扫码阅读 R 206 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 层气以及地面开采煤层气方面取得显著进展， 煤层 气产量逐年增加[1-3]。煤层气是植物体被埋藏后， 在 煤化作用过程中， 成煤物质经过微生物的生物作用 以及环境的作用发生复杂的物理化学变化， 含水量 和挥发分含量减少，固定碳和发热量的含量增加， 同时也生成了以甲烷为主的气体。根据煤层气的成 因分为 2 类，即生物成因煤层气和热成因煤层气。 生物成因煤层气因其埋藏浅， 开发成本低等已成为 国内外研究的热点。生物成因煤层气是煤层气的重 要组成部分， 是在煤层原位多种微生物的协同作用 下， 降解煤所产生的甲烷气体。生物煤层气最初由 Rightmire 提出[4]。1994 年， Scott 等针对煤化作用早 期阶段的生物成因气， 提出次生生物成因煤层气[5]。 此后， 在不同煤阶和不同形成历史的煤层气田均发 现了生物成因煤层气，并在煤层原位检测到多样 化的相关厌氧微生物[6]。 同时， 微生物厌氧降解煤产 甲烷也已在实验室条件下实现[7]， 进一步证实生物 煤层气的存在。我国煤层气储层的地质条件复杂， 煤层气开采难度较大，煤层气抽采率相对较低， 严 重制约了煤层气产业的发展。如何提高煤层气采收 率、 实现煤层气增产是我国煤层气产业发展的关键 之一， 也是目前研究的重点和难点。基于生物煤层 气 形 成 所 提 出 的 微 生 物 增 产 煤 层 气 技 术 （Microbially enhanced coalbed methane， MECoM）[8]， 是将厌氧微生物种群及其所需营养物质或厌氧微 生物活性刺激物注入到煤层中， 利用微生物降解煤 产甲烷的特性来实现煤层气的增产。该技术具有 绿色、 无污染、 能够产生新的煤层气以及增加煤层 渗透性等优势[9]， 具有重大的能源价值和广阔的应 用前景。理论上， 存在生物成因煤层气的气田都具 备微生物增产煤层气技术的实施条件。目前， 微生 物增产煤层气的实施以生物成因煤层气的勘探为 前提条件，以煤层原位微生物群落结构为指导， 以 生物降解煤产甲烷实验为验证和极速开发[10]。微生 物增产煤层气的成功实施将为煤层气产业的可持 续发展发挥重要推动作用。微生物增产煤层气已成 为研究的热点， 且研究进展快， 但对其研究方向及 未来发展趋势并未明晰，需要综述来掌握最新动 态。由此， 采用文献计量及文献综述相结合的方法， 通过 Web of Science 数据库主题检索， 以相关论文 发表数量为指标， 结合代表性文献的综述， 对生物 煤层气形成机理及增产理论与技术进行综述， 为 我国生物煤层气的研究提供指导， 推动生物煤层气 的发展。 1文献计量分析生物煤层气的研究趋势 1.1数据来源与研究方法 数据来源于汤森路透 （Thomson Reuters） 知识产 权与科技信息集团出品的 Web of Knowledge （WOK） 平台 Web of Science 数据库，时间跨度为 1998 2018 年。选择主题检索， 设置主题词检索策略为 主 题 （coal） AND 主题 （methane or gas） AND 主题 （microbial or microorganism） 。在 Web of Science 所 有数据库主题检索完成后，手动剔除不相符的文献 以准确获得全部相关论文文献。 使用的研究方法是将检索出的论文文献保存至 EndNote 文献管理软件中，然后使用 Excel 和 Origin 等软件对所获得的数据进行统计与计量分析，从而 掌握生物煤层气的发展动态和趋势。 1.2相关 SCI 论文分布情况及研究趋势 通过 Web of Science 平台主题检索和手动筛 选， 19982018 年间全球 SCI 共收录生物煤层气的 相关论文 688 篇。全球生物煤层气领域 SCI 发文量 的年度分布及累积发文量 （19982018 年） 如图 1。 从整体来看，生物煤层气的相关研究开展时间 较短， 与其他研究领域相比[11]， 科学论文发表数量还 相对比较少， 研究发展正处于萌芽期。中国、 美国和 澳大利亚在全球生物煤层气领域的科研发展较快， 累计发文数量占总数的 61.72， 各国生物煤层气领 域 SCI 发文量比例 （19982018 年） 如图 2。 基于统计分析和文献综述，生物煤层气的相关 研究可分为 3 个方向①生物成因煤层气的勘探研 R 图 1全球生物煤层气领域 SCI 发文量的年度分布 及累积发文量 （19982018 年） Fig.1Annual distribution and cumulative number of SCI publications in the global biological coalbed methane field from 1998 to 2018 R R R 207 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 究；②煤层气田微生物多样性研究；③微生物降解 煤的培养实验研究。3 个方向分别检索到 285 篇、 219 篇和 354 篇 SCI 论文，部分论文涉及多个研究 方向。具体而言， 共搜索到 38 篇论文涉及生物煤层 气研究的全部 3 个方向； 61 篇论文涉及方向①和方 向②； 59 篇论文涉及方向①和方向③； 108 篇论文涉 及方向②和方向③。 3 个研究方向的发文数量相近。 年度分布情况显示 （图 1 ） ， 方向③微生物降解煤的 培养实验研究的发展势头迅猛，累计发文量处于快 速增长期，是未来研究发展的主要方向，研究内容 主要是生物煤层气形成机理及其增产理论与技术。 2生物煤层气形成机理研究进展 虽然煤中富含有机碳， 但由于其有机结构复杂， 导致生物甲烷的产生过程极为复杂。生物煤层气主 要是煤在厌氧条件下通过微生物发酵生成，其形成 过程整体上符合经典厌氧发酵产甲烷理论，煤的厌 氧降解起始于煤中聚合物或单体化合物的分解， 产 生芳香族、 脂肪酸、 醇类等化合物； 然后通过不同功 能菌协同作用， 包括异养细菌， 发酵菌， 产乙酸菌和 真菌[12]， 这些中间代谢产物进一步被分解、 降解， 形 成产甲烷底物，如短链挥发性脂肪酸、 CO2、 H2等简 单小分子化合物；最后，产甲烷菌利用底物产生甲 烷。但生物煤层气独特的形成机制还未明晰。虽然 大量研究从微生物、 有机物、 煤结构、 生物酶等方面 分析了微生物降解煤代谢过程，但关于生物煤层气 的产生机制还没有形成统一、明确结论，仍需要进 一步深入研究， 以指导增产技术研发。 2.1微生物群落组成 研究学者利用微生物生态学方法， 如 16S rRNA 基因克隆文库、高通量测序技术等，在世界上多个 煤层气田都检测到丰富的微生物群落，对原位煤层 中微生物群落的研究已经确定了细菌和产甲烷古菌 的多种组合[13]。 基于 DNA 的微生物群落特征研究表 明，原位煤层的细菌多样性远高于古菌多样性， 以 Proteobacteria 和 Actinobacteria 为主；而不同的原位 煤层可能存在不同的产甲烷古菌， 例如 在美国汾河 盆地主要为乙酸营养型和氢营养型产甲烷古菌[6]， 而在我国鄂尔多斯盆地检测到以甲基营养型产甲烷 古菌为主[14]。 目前， 对生物煤层气微生物群落组成研 究重点已从原位研究转向实验室研究。 Chen 等研究 了褐煤厌氧降解产甲烷过程中的微生物群落，主要 细菌为 Geovibrio、 Macellibacteroides 和 Desulfovibrio， 古菌为 Methanocalculus 和 Methanosarcina[15]。在沁水 盆地无烟煤降解产甲烷实验中，主要的细菌为 Enterobacter,Acetoanaerobium， Macellibacteroides, Clostridium 和 Ercella， 古 菌 为 Methanosaeta 和 Methanocella[16]。Rathi 使用 16S rRNA 基因扩增方法 研究了印度贾里亚煤层水在实验室富集后微生物群 落的组成，细菌主要分布在 Firmicutes 和 Bacteroi- detes，包括 Bacillus sp.， Coprothermobacter proteoly- ticus sp., Thermoanaerobacteriaceae bacterium sp., The- rmogutta hypogea sp.，古菌主要为 Methanosaeta 和 Me-thanothermobacter[17]。 Zhang 等研究了伊利诺伊州 盆地原位与实验室培养的微生物群落组成，发现存 在很大的差异，在原位中主要的细菌为 Meniscus spp., Syntrophus sp., Ruminococcus spp., 古菌主要为 Methanobacterium， 而在实验室培养后， 主要的细菌 为 Clostridium bifermentans， Massilia spp., Pseudomo- nas putida， 古菌主要为 Methanocalculus[18]。基于不同 地区原位和实验室煤生物转化中涉及的微生物群落 的分析， 不同地区的微生物群落组成存在很大差异， 且 在 实 验室培养中 已 经鉴定细 菌主 要 的门 为 Firmicutes 和 Bacteroidetes，这与原位微生物群落具 有很大的差异性[6]。在未来的研究中要加大对生物 煤层气微生物群落动态过程的研究，在原位应用上 应充分考虑与实验室微生物群落的差异性。 2.2降解过程中的有机物 由于煤的组成复杂，其生物降解过程中会产生 多种中间代谢有机物。Liu 等在次烟煤的厌氧降解 过程中检测到长链脂肪酸、 烷烃、 烯烃和一些低分子 量芳香化合物[19]。郭红光等在沁水盆地微生物降解 煤产甲烷过程中，发现了丰富的有机物，包括脂肪 烃、脂肪醇、短链脂肪酸（C1-C10） 、中链脂肪酸 （C11-C20） 、 长链脂肪酸 （C21-C32） 、 芳香烃、 含氧芳 香化合物、 多环芳香烃和苯酚等[16]。Orem 在厌氧降 解煤产甲烷培养液中检测到高浓度的十六烷酸和 图 2各国生物煤层气领域 SCI 发文量比例 （19982018 年 ） Fig.2Proportion of SCI in the field of biological coalbed methane in various countries from 1998 to 2018 208 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 C22-C36 烷烃类化合物[20]。虽然在煤厌氧降解实验 中检测到大量的有机物，但对于煤降解过程中各种 化合物如何转化仍没有得出明确的结论，在今后的 研究中仍然要加强对化合物转化的研究，以明确煤 厌氧降解过程中的有机化学机制。 2.3煤结构的变化 由于微生物与煤的相互作用，煤结构也会发生 明显的变化。 一些学者利用现代测试技术 （如 FTIR， XRD， 液氮吸附等） 研究微生物厌氧降解对煤结构特 征和孔隙度及渗透率的影响。郭红玉等通过 FTIR 和 XRD 进行测试， 分析煤在生物甲烷代谢后煤结构 的变化， 结果表明， 煤中含氧官能团增加， 芳香环含 量减少， 羟基、 醛羰基和亚甲基的相对含量降低， 芳 香核层间距增大，微晶堆砌度、延展度和芳香层数 减小[21]。 Zhang 通过小角度 X 射线散射 （SAXS） ， 低压 N2和 CO2吸附研究了煤降解过程中孔隙结构的演 变，发现次烟煤粉末样品经生物降解后，煤结构中 微孔比表面积增加[22]。Pandey 等通过对降解后的煤 进行吸附-扩散实验， 结果表明， 微生物代谢导致粉 煤中孔隙的比表面积增加，同时，微生物的持续作 用能够有效改善煤的孔隙结构[23]。 郭红玉等对焦煤、 气煤和长焰煤进行生物降解实验，发现降解后煤样 孔裂隙增加， 连通性增强， 孔隙结构进一步改善[21, 24]。 但关于煤降解过程中渗透性变化的研究报道很少。 Stephen 等采用亚烟煤粉末颗粒充填反应器， 在加压 条件下开展生物降解煤实验，研究发现，反应生成 的生物膜、胞外聚合物和气体吸附在煤基质上， 以 及小颗粒煤粉的堆积，最终导致了煤整体渗透率的 下降[25]。 以上研究证实， 微生物厌氧降解能够有效改 善煤结构，孔隙度。但目前微生物厌氧降解煤的研 究主要采用粉煤为底物，与煤层原位相比，粉煤的 使用降低了煤的厌氧降解难度[26]， 与实际降解情况 有一定差距。在未来的研究中，微生物降解对煤试 件结构、 孔隙度、 渗透性等的影响需要深入研究， 以 分析煤体对微生物降解的影响机制以及微生物降解 对煤体的作用机理。 2.4降解过程中的微生物酶 由于煤分子较大，早期中间产物也大多为大分 子类化合物，因此，微生物很难通过摄入底物的方 式在细胞内实现降解、代谢，而需要向细胞外分泌 活性物质 （主要是胞外酶） ， 在胞外完成煤分子的断 裂、中间产物的降解等。已有研究在煤组分代表性 化合物的细菌厌氧降解中获得了部分生物酶，如琥 珀酸苄酯合成酶、萘基-2-甲基-琥珀酸酯合成酶、 苯乙烷脱氢酶、 苯厌氧羧化酶等[27-28]； Zhang 等利用 蛋白组学技术在厌氧降解煤的培养液中同样检测到 多种酶的存在， 其中在细菌细胞代谢中， 谷氨酸脱氢 酶是最丰富的， 参与底物利用和转化的酶主要有 铁 氢化酶、 葡萄糖激酶、 鼠李糖激酶、 糖苷水解酶、 亚 硫酸盐还原酶和甲基辅酶 A 还原酶； 古菌产生乙酸 激酶、 磷酸转乙酰酶、 乙酰辅酶 A 脱羰酶合成酶、 甲 酰基 - 甲基呋喃脱氢酶等， 这些酶在转化甲烷过程 中起着重要作用； 真菌分泌甲基转移酶、 ATP 酶、 组氨 酸激酶， 这些酶的相对水平较低， 但证实了真菌酶的 存在[29]。微生物酶的研究对阐释微生物代谢机理及 有机物演替规律具有重要意义， 在未来的研究中应对 整个代谢过程中微生酶的作用机制进行深入研究。 3生物煤层气增产理论与技术研究进展 在实验室条件下，已实现微生物厌氧降解煤产 甲烷。然而，生物甲烷产量未达到商业开发水平导 致微生物增产煤层气的实际工业化应用还非常有 限。因此， 如何增强煤的厌氧生物降解效率， 提高生 物成因煤层气产量，是微生物增产煤层气技术亟需 解决的关键问题之一。目前为止，对微生物增产煤 层气的方法技术主要分为 3 类功能微生物及生物 强化研究，煤结构改性研究以及添加外源物质刺激 微生物研究。 3.1增产煤层气功能微生物及生物强化 功能微生物是微生物增产煤层气的关键之一。 仅 美 国 的 Green、 Jones、 John Fuertez、 Harris、 Liang Yanna， 印度的 Lavania， 我国的郭红光等进行了煤层 原位功能菌群的培育工作。Green 等从美国粉河盆 地煤层气产出水中富集获得了细菌和产甲烷菌混合 菌群， 培养条件能够显著影响菌群的甲烷产量[26]。 郭 红光等从沁水盆地煤层气产出水富集获得了降解无 烟煤产甲烷高效菌群，并对降解过程中的中间代谢 产物以及降解后的煤结构变化进行了研究 [16]。 Lavania 等从印度 Jharia 煤矿筛选获得亚烟煤降解 菌群，其中微生物主要是产甲烷菌 Methanoculleus thermophiles 和细菌 Comamonas sp.[30]。Jones 等富集 了产甲烷菌群 WBC-2， 主要由与复杂有机物降解相 关 的 细 菌 组 成 （Clostridium sp.， Bacteroides spp.， Acetobacterium sp.） [31]。对功能微生物的研究有助于 生物强化煤增产甲烷的应用和发展。生物强化是向 煤中添加新的或额外的功能微生物以增强或引发微 生物产甲烷，它可以由单个微生物或高效的微生物 群落 （即细菌和古细菌） 组成， 其中煤源微生物强化 209 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 已在实验室进行实施并取得不错的效果[26]， 但微生 物强化在原位应用上仍然有一定的限制和困难[32]。 首先是微生物群落的地区差异，对一个地区的理想 刺激方法可能不适用于另一个地区。另外，向煤层 中添加微生物之外，还必须针对给定的微生物调整 煤层的氧化还原条件或盐度以优化微生物的生长。 目前关于微生物在煤层原位的详细代谢特征、在甲 烷生成中的确切作用还不明确、生物强化的方法技 术还不成熟。功能微生物的代谢特征研究将为微生 物增产煤层气技术的应用奠定基础，也为微生物厌 氧降解煤产甲烷机理研究提供支撑，还将揭示地下 煤层特殊生境的微生物资源。 3.2煤结构改性增产生物甲烷研究 目前普遍认为，大分子煤是限制生物甲烷生成 的主要因素之一。因此， 通过改性煤结构， 提高煤的 生物利用度成为增产生物甲烷的有效途径之一。多 种物理、化学及生物方法已被广泛应用于生物降解 的提速过程。化学方法如利用 HNO3、 H2O2、 KMNO4 及其他化学处理剂将煤转化为小分子物质以促进生 物降解实现甲烷增产[33]。其中， H2O2优势较为明显， 是当前研究热点。Haq 等使用 H2O2预处理块状褐 煤，煤的可溶性碳增加了 4 倍，从而增加了生物甲 烷的产生[34]。Chen 等利用 H2O2处理亚烟煤后， 生物 甲烷产量高于未处理前 10～20 倍， 增产效果显著[35]。 Liu 等研究粉河盆地的次烟煤经 H2O2处理后，增加 了羧酸的产生， 增产了生物甲烷[19]。 还有研究学者通 过添加化学表面活性剂减少煤分子之间的表面和界 面张力， 增加煤的溶解度[36]， 从而促进煤降解产甲 烷。物理方法如水力压裂，它是在天然气开采过程 中增加表面积和释放气体的常用方法。通过水力压 裂增加煤的孔隙，有助于将注入的营养物和微生物 与更多煤表面接触， 从而促进甲烷的生产， Zhi 等通 过建模模拟水力压裂使生物甲烷增产 500[37]。 生物 方法主要是通过真菌和细菌预处理煤，促进煤的溶 解。 Haider 等利用真菌和细菌预处理煤， 提高了后续 厌氧降解效率[38]。 夏大平等用白腐菌预处理瘦煤， 煤 的大分子结构被降解，结构被破坏，芳香结合程度 降低， 提高了生物甲烷转化效率[24]。 煤结构改性对于 增产煤层气技术意义重大，需要对降解前煤的预处 理方法进行拓展创新，同时煤改性对微生物增产煤 层气的影响机制还需要进一步深入细致研究。 3.3添加外源物质刺激微生物降解煤研究 通过添加外源物质刺激微生物代谢活性是增产 生物甲烷的重要技术手段。为了刺激微生物活性， 研 究使用了营养素 （NH4， K2HPO4， 微量元素， 维生素） ， 酵母提取物和/或蛋白胨[39]， 均刺激了微生物的活 性，增产了生物甲烷。一些生物刺激研究添加产甲 烷底物 （例如甲酸盐， 乙酸盐， H2） 作为营养底物[6]， 也被证明可以增加生物甲烷产量，但这些产甲烷底 物直接转化为甲烷，并没有显著增加降解煤产甲烷 的转化率。煤结构是限制生物甲烷生成的主要因 素， 因此， 在选择添加外源物质时， 刺激的目标应该 是降解煤的微生物群落， 而不是仅仅产甲烷菌。 在已有研究中主要以煤为唯一碳源开展生物甲 烷生成相关研究。但煤结构的复杂性和牢固性导致 微生物对煤的降解率和利用率较低。由此，研究学 者提出， 通过添加外源碳， 刺激微生物代谢活性， 同 时与煤相互作用，加速生物甲烷生成，如藻类、 蓝 藻、 酵母细胞、 颗粒酵母提取物、 秸秆等[40-42]， 均刺激 了微生物的活性， 增产了生物甲烷。其中， 秸秆的增 产效果最为显著。Yoon 等发现， 水稻秸秆与褐煤共 降解可以有效提高生物甲烷的产量[43]。李亚平等研 究了煤与水稻秸秆共降解产生物甲烷，结果显示水 稻秸秆可以显著提高褐煤、烟煤、无烟煤的甲烷产 量， 最高增量可达 1 644.16[44]。郭红玉等的研究结 果显示，玉米秸秆可以显著提高褐煤和 2 种烟煤的 生物甲烷产量，最高甲烷产量可达 2.69 mmol/g 煤， 增产 448.98[41]。由此可见， 添加外源物质是一种降 解煤增产生物甲烷的重要策略，而在生活中存在很 多富含生物质和有机炭的废弃物， 例如各种秸秆、 生 活垃圾等， 共降解的利用一方面可以增产生物甲烷， 另一方面使这些废弃物更环保低成本的利用。虽然 对添加外源物质进行了广泛的研究，但对增产机理 仍未明确， 在未来的研究中， 还需要深入研究增产的 机理。 4结语 基于近 20 年全球 SCI 论文文献统计和文献综 述分析，微生物降解煤的培养实验是近年来研究的 热点， 但目前仍处于发展阶段。美国、 中国和澳大利 亚对于生物煤层气的 SCI 发文量具有一定的优势， 科研成果也较为出色，发展空间巨大。尽管我国在 该方面的论文数量逐年增加，但科研质量和国际影 响力仍有待提高。微生物降解煤的模拟实验将成为 未来研究的主要方向， 以微生物培养实验为基础， 结 合多种分析手段 （包括同位素、 高通量测序、 液氮吸 附， FTIR， XRD 等） 是解决生物煤层气难点的研究趋 势。而提高原位和非原位煤的甲烷产量是工业化的 210 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 关键。功能微生物研究，煤结构改性研究以及添加 外源物质刺激微生物研究已被证实是增产生物煤层 气的主要技术手段，迫切需要在未来加强对这些技 术的研究， 开发一套最优增产技术。另外， 对于原位 增产生物煤层气的技术也应该被深入研究，比如为 特定的煤层和微生物确定具有成本效益的营养素方 案，确定合适的注入方式等。生物煤层气的广泛应 用，可以充分实现资源的循环利用，具有重大的能 源价值和广阔的应用前景。 参考文献 ［1］ 叶建平.我国煤层气产业发展报告 ［C］ //2011 年全国 煤层气学术研讨会论文集.北京 地质出版社， 2011. ［2］ 林伯强.2010 中国能源发展报告 ［M］ .北京 清华大学 出版社， 2010. ［3］ 王波.国家能源局印发煤层气开发利用 “十三五” 规划 ［J］ .能源研究与信息， 2016 （4） 231. ［4］ Rightmire C T. 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