Механизм образования угля раскрыт
Механизм одной из первых стадий образования угля может быть не таким, как мы думали, по словам группы исследователей, которые обнаружили, что микробы несут ответственность за образование угля и производство метана в этих областях, что имеет значение для восстановления метанового топлива. с некоторых угольных месторождений.
Исследователи изучили метоксильные группы в образцах угля со всего мира и использовали стабильные изотопы, чтобы показать, что органический материал в конечном итоге превращается в уголь под действием микробов.
Метоксильная группа состоит из атома углерода с тремя атомами водорода, присоединенными к атому кислорода. Атом кислорода может присоединяться к любому количеству мест в большей молекуле. В случае угля он присоединяется к атому углерода в одном из угольных колец.
«Если бы вы опросили геохимиков, большинство из них сказали бы, что уголь образовался под воздействием температуры, кислот или катализаторов», — сказал Макс К. Ллойд, доцент кафедры геолого-геофизических исследований Пенсильванского университета. «Но наши результаты не согласуются с этими механизмами. Они показывают, что микробы напрямую потребляют метоксильные группы угля, преобразуя уголь и производя метан».
Уголь образуется, когда растительный материал в заболоченных лесах падает в воду и быстро засыпается. Органический материал начинается как торф, становится лигнитом, затем суббитуминозным, битуминозным и, наконец, антрацитом, поскольку он залегает глубже и становится более концентрированным в углероде. Антрацитовый уголь в основном состоит из углерода, в то время как лигнит все еще очень растительный.
По словам Ллойда, большая часть угля, используемого сегодня в таких местах, как Индия и Китай, представляет собой бурый уголь или полубитуминозный уголь, потому что это единственные легкодоступные и дешевые виды угля, но эти угли производят наибольшее количество парниковых газов при сжигании. В качестве решения этой проблемы метановые скважины в этих угольных пластах — метан угольных пластов (CBM) — привлекательна в качестве моста от ископаемого топлива, но «добывающие скважины CBM часто имеют ограниченный срок службы», отмечают исследователи сегодня (ноябрь 2019). 12) в науке.
«Проблема добычи метана из угольных пластов заключается в том, что строительство скважин обходится очень дорого, и через месяц скважина может иссякнуть», — сказал Ллойд. «Мы не знаем, почему. Производители добавляют больше микробов или больше питательных веществ (для микробов), но это работает, только если это ограничивающие факторы, а не сам уголь».
Первоначально Ллойд изучал обилие метоксильных групп в живых или недавно погибших деревьях, когда он разговаривал с коллегой-аспиранткой Калифорнийского технологического института Элизабет Трембат-Райхерт, ныне работающей доцентом в Школе исследования Земли и космоса Аризонского государственного университета. работают с микробами, которые потребляют метильные группы в угле. После того, как они с помощью двух методов подтвердили, что наблюдения были реальными, Ллойд начал искать то же самое в углях со всего мира.
Метоксильные группы в угле превращаются в метан, но, по словам исследователей, плохо изучено, как из угля образуется метан. Чтобы лучше понять этот процесс, исследователи изучили стабильные изотопы углерода в оставшихся метоксильных группах.
Стабильные изотопы — это нерадиоактивные формы элемента, которые содержат различное количество нейтронов в ядре. Изотопы углерода, содержащие 12 и 13 нейтронов, почти идентичны, за исключением того, что углерод 13, хотя и менее распространен в природе, немного тяжелее. Биологические организмы обычно предпочитают один изотоп другому, так что то, что осталось в исходном источнике, будет отличаться от процентного содержания изотопов, обычно обнаруживаемых.
Когда Ллойд и его коллеги изучили метоксильные группы во всем, от древесины до битуминозного угля, они обнаружили, что профиль изотопов не соответствует тому, что было бы обнаружено, если бы образование метана произошло из-за тепла, кислотности или каталитических реакций, но они это сделали. соответствуют шаблонам, ожидаемым от микробного действия.
«Оказывается, аэробные микробы отлично разлагают кольца в угле, но у анаэробных микробов нет хорошего способа разобрать кольца», — сказал Ллойд. «Итак, единственное, что осталось сделать анаэробам, — это отрезать метоксильные части».
Эти освобожденные метоксильные группы затем превращаются в метан. Но как только все имеющиеся метоксильные радикалы срезаны с колец, микробы не могут ни к чему другому добраться, и реакция останавливается, и колодец иссякает.
«Действительно интересно то, что эти микробы выделяют ферменты, чтобы отрезать метоксил», — сказал Ллойд. «Они разрушают структуру внеклеточно, что является ограничением, потому что уголь не является раствором, и микроб не может легко проникнуть в угольную структуру».
По мнению исследователей, истощение метоксильных групп в угле с течением времени указывает на то, что сам уголь является ограничивающим фактором в производстве метана. Таким образом, добавление большего количества микробов или питательных веществ не будет производить больше метана, и потребуется другой подход.
