煤生物降解是改善低渗煤体的渗透性,提高瓦斯抽采效率的有效方法之一,理清微生物降解作用下煤中分子结构的变化机制对煤储层改造具有理论意义。为了获取高效煤降解相关细菌菌群,并探求煤生物降解过程中微观结构的变化过程,在实验室条件下开展微生物厌氧降解三种不同变质程度煤(烟煤、无烟煤、焦煤)厌氧发酵实验,使用工业/元素分析、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、等温氮气吸附、液质联用技术(LC-MS)与16S r RNA高通量测序多组学实验对微生物降解前后的煤表面官能团、晶体结构、代谢产物和甲烷吸附特性进行多层面多角度的物化结构表征,探讨微生物降解作用下三种不同变质程度煤的分子结构变化特征及机制,并基于孔隙分形维数对微生物厌氧降解前后煤样的孔隙结构形态特征进行联合表征,取得主要研究成果如下: (1)通过微生物富集培养实验获取了高效煤降解菌群培养液,从门水平上分析,主要微生物组成包括厚壁菌门和变形菌门,从属水平上分析,3组培养体系共有的优势微生物群落包括Clostridium_sensu_stricto、Paraclostridium、Enterococcus和Tissierella。这些微生物群落主导了煤生物降解的水解、酸化阶段,通过参与脂肪酸降解、糖酵解、苯甲酸盐降解、甲烷代谢、TCA循环、硫代谢和苯丙氨酸代谢等代谢途径,促使煤中烷烃类化合物发生羧化反应或生延胡索酸加成反应,并被降解成为低分子量脂肪酸类化合物。 (2)微生物降解后的小分子代谢产物主要以烷烃、烯烃、醇、酚、醛、酮、羧酸、酯、苯环衍生物和杂环衍生物等多种形式存在。脂类和类脂分子是煤微生物降解后的主要代谢产物,占总代谢产物相对丰度的59.7±6.7%。生物降解作用于煤的分子间桥接结构,在煤炭的生物降解途径中存在大量的长链脂肪酸、烷烃、各种低分子量芳烃和酚类化合物,这些化合物的从煤中脱落,溶解在培养基中或聚集在煤表面,这种降解行为是影响煤炭的有机结构、孔隙结构和甲烷吸附解吸性能的主要原因。 (3)煤的生物降解是一个去除煤中氢、氧、氮、硫元素,并导致碳元素含量相对富集的过程(C元素增加1.28%~4.04%)。生物降解破坏了煤的醚键(C-O-C)和羰基(C=O)结构,使煤的脂肪族侧链断裂和表面官能团脱落。这种降解行为使培养液中出现了有机杂环化合物、有机氧化合物、有机酸及其衍生物、苯类、脂质和类脂分子类的代谢产物。此外,生物降解打破了煤中芳香层间弱连接桥键,导致了稠环芳烃结构的裂解和脂肪族侧链的增加,煤样的芳香性略微提高。这些结果表明,生物降解促使煤的芳香度、成熟度提高,改变煤芳香环的缩合程度,这与煤的泥炭化过程类似。 (4)开展了低温液氮吸附实验和高压甲烷吸附实验,发现3组原煤样的孔隙大小主要分布在0-10nm范围内,煤样的低温吸附解吸曲线中均存在滞后环。微生物降解后3组煤样的总孔容增大,孔隙网络连通性增加,煤样出现微孔孔隙向介孔和大孔孔隙转移,开放型圆锥孔隙出现向圆筒形孔隙转变的趋势。微生物降解打开了煤中原本被小分子化合物堵塞的微孔介质,孔隙结构的贯通性增加,导致生物降解后残煤的甲烷解吸速率提升,高于原煤样本。 图40表14参100