煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征快速判定方法

摘要

一种煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征快速判定方法，属于煤层甲烷菌群活性与平衡度判定方法。该煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征判定方法通过功能培养基培育与煤基培育两种方式进行同步测试；其中功能培养基培育是利用可控因素判定待测定微生物群落的结构完整性与可被激活的可能性；煤基培育是利用实际煤样对菌种进行培育测定，以确定在现实煤层环境中，待测定菌种能否激活、培育、并且以特定煤中的有机质为基础碳源完成煤的生物气化；以培养基培育结果为该判定方法提供参照参数，煤基培育结果为变量参数，获得在煤层中微生物群被激活后的平衡度。该方法能够实现测试系统小型化，具有实施便捷、见效快、准确度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层甲烷菌群活性与平衡度判定方法，特别是一种煤层产甲烷菌群当 前活性与菌群平衡度特征判定方法。

背景技术

煤层生物成气是解决我国天然气资源匮乏，供需不平衡的一种有效解决手段。同时煤 的气化应用也是清洁煤技术推广，减少煤燃烧对环境造成的污染的有效方法。目前，煤的 生物气化技术中，煤层中产甲烷菌群的活性与完整性是主导、并完成气化过程的关键控制 因素。目标煤层中的产甲烷菌群是否能被激活，激活后菌群的平衡特征如何，是进行生物 气化技术应用的先导控制因素。目前还没有一套完整、可行的方案能够完成对煤层产甲烷 菌群当前活性以及平衡特征的快速、准确的鉴定与判定。

发明内容

发明目的：针对应用需求及现有技术中存在的不足，本发明提供一种煤层产甲烷菌群 当前活性与菌群平衡度特征判定方法，能够准确判定微生物群落是否能够被可靠激活，并 且激活后的微生物群落是否处于平衡特征，并能够对潜在的菌群失衡因素进行分析与响 应。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：将含有菌样的煤样分别置入 功能性培养基测定单元与煤基培养基测定单元；其中功能性培养基培育单元培育时间为8 小时，煤基培养基培育时间为5天；不同培养基通过选择性微生物培育会分别产生对应产 物，对应关系为：

利用关键因素测定确定特征产物构成与生成量实现对煤层产甲烷菌群当前活性与平 衡性的判定；

通过功能培养基培育与煤基培育两种方式进行同步测试；其中功能培养基培育是利用 可控因素判定待测定微生物群落的结构完整性与可被激活的可能性；煤基培育是利用实际 煤样对菌种进行培育测定，以确定在现实煤层环境中，待测定菌种能否激活、培育、并且 以特定煤中的有机质为基础碳源完成煤的生物气化；

煤层产甲烷菌群平衡度测定：将含有菌样的煤样分别置入功能性培养基煤层产甲烷菌 群平衡度对比评价单元与煤基煤层产甲烷菌群平衡度测定单元；通过30天培育，测定系 统气相中的H₂、CO₂、CH₄的生成量，以功能培养基培育结果为该判定方法提供参照参数， 煤基培育结果为变量参数，从而获得在煤层中微生物群被激活后的平衡度；计算方法如下：

其中：n组是煤基培养基获得的各组分气体浓度，

O组是功能培养基培育获得的各组分气体浓度；

将煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征判定分为多级，构成以判定或甄别为目 的的测试方法，该方法包括培养基培育组与煤基培育组；

所述的功能培养基培育组细分为：水解菌系鉴定培育单元、发酵菌系鉴定培育单元、 产乙酸产氢菌鉴定培育单元、产甲烷菌鉴定培育单元、煤层产甲烷菌群平衡度对比评价单 元；

所述的水解菌系鉴定培育单元、发酵菌系鉴定培育单元、产乙酸产氢菌鉴定培育单元、 产甲烷菌鉴定培育单元是：将煤层产甲烷菌群根据煤基质生物降解过程，按关键点划分为 多个单元层次；通过功能性培养基的选择性培育，利用每个层次微生物群的生物降解特征， 根据营养利用与产物之间的关系实现鉴定；

所述的煤基培育组细分为：煤基有机质降解能力鉴定单元、煤基质气化能力鉴定单元， 煤层产甲烷菌群平衡度测定单元；

所述的煤基有机质降解能力鉴定单元、煤基质气化能力鉴定单元是：以煤为基础培育 基质，利用不同粒度煤样，根据特定微生物代谢与繁殖速度差，测定待分析生物群落的有 机质降解能力与气化能力；

所述的煤层产甲烷菌群平衡度对比评价单元和煤层产甲烷菌群平衡度测定单元是：煤 层产甲烷菌群平衡度对比评价单元是利用标准培养基为基质进行培育，其结果作为对菌群 平衡度分析的对比参数，煤层产甲烷菌群平衡度测定单元的培育基质为煤样，其结果代表 实际煤层中产甲烷菌群的平衡性，利用两个参数获得待测生物群落的平衡度。

有益效果，由于采用了上述方案，其中功能培养基培育过程中，培养基培育组细分为： 水解菌系鉴定培育单元、发酵菌系鉴定培育单元、产乙酸产氢菌鉴定培育单元、产甲烷菌 鉴定培育单元分别对应水解菌、发酵菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌实施分别测定；当以上 特征菌种或菌群的测定完全通过，可初步判定该菌群具有一定活性，并可被激活；

在培养基培育组中，还涉及有一组煤层产甲烷菌群平衡度对比评价测定单元；当菌群 能够在该单元中成功产生甲烷气体，可判定该菌群具有可被完整激活，并且具有较好的菌 群平衡特征；

煤基培育组细分为：煤基有机质降解能力鉴定单元、煤基质气化能力鉴定单元，两个 单元采用相同煤基为培养基，但采用了不同的粒度；其中有机质降解能力鉴定单元采用 300～80目煤粉为培养基，煤基质气化能力鉴定则采用10～30目煤粉为培养基；利用不同 的比表面积设定了培育系统内相同时间段采用的不同的营养供给，结合不同菌种具有不同 代谢与繁殖速度的特征，快速判定目标菌群是否具有活性，并且能否在煤层中被成功激活。

煤基培育中，同步进行了煤层产甲烷菌群平衡度测定，基于该结果，结合利用标准培 养基为基质进行菌群培育获得的结果，实现对菌群在煤层中被激活后的平衡度的判定。一 种煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征判定方法，属于煤层甲烷菌群活性与平衡度 判定方法。

该方法涉及煤层气开采与增产，煤层瓦斯治理与应用，清洁煤开采技术，煤炭生物开 采技术，以及古生物学和煤地质微生物学研究等领域。该专利所述方法以煤层产甲烷菌群 为测试对象，通过分级培育实现对目标菌种的当前活性与菌群平衡度特征判定。该方法能 够取代目前较为高昂的产甲烷微生物分析手段，并且能够实现测试系统小型化，具有实施 便捷、见效快、准确度高的特点

1、该专利方法利用分段式测定方法，能够实现对煤层产甲烷菌群当前活性特性的快速 判定，该判定是确定目标菌群能够被成功激活的重要指标；

2、利用分段式测定方法，能够对导致菌群激活失败的故障位实施定位；

3、培养基与煤基的联合应用，既提高了对菌群当前活性特征判定的准确性，也实现了 煤基对菌群激活特性影响深度的判定；

4、菌群平衡度的判定方法的引入与菌群活性特性因素之间的联合，是在完成对菌群被 激活特性判定的同时，也对激活菌群的平衡特性进行了判定。该判定对煤基质生物质降解 的相关研究与技术可靠实施奠定了基础；

5、该专利方法设计了了平行式与交互式实验系统，使判定速度更快、最终判定结果的 可靠性更高。

附图说明

图1为本发明煤层产甲烷菌群当前活性与平衡度特征判定技术测定方法与系统构成示 意图。

图2为本发明煤层产甲烷菌群的可被激活与平衡度测定流程图。

具体实施方式

将含有菌样的煤样分别置入功能性培养基测定单元与煤基培养基测定单元；其中功能 性培养基培育单元培育时间为8小时，煤基培养基培育时间为5天；不同培养基通过选择 性微生物培育会分别产生对应产物，对应关系为：

利用关键因素测定确定特征产物构成与生成量实现对煤层产甲烷菌群当前活性与平 衡性的判定；

通过功能培养基培育与煤基培育两种方式进行同步测试；其中功能培养基培育是利用 可控因素判定待测定微生物群落的结构完整性与可被激活的可能性；煤基培育是利用实际 煤样对菌种进行培育测定，以确定在现实煤层环境中，待测定菌种能否激活、培育、并且 以特定煤中的有机质为基础碳源完成煤的生物气化；

煤层产甲烷菌群平衡度测定：将含有菌样的煤样分别置入功能性培养基煤层产甲烷菌 群平衡度对比评价单元与煤基煤层产甲烷菌群平衡度测定单元；通过30天培育，测定系 统气相中的H₂、CO₂、CH₄的生成量，以功能培养基培育结果为该判定方法提供参照参数， 煤基培育结果为变量参数，从而获得在煤层中微生物群被激活后的平衡度；计算方法如下：

其中：n组是煤基培养基获得的各组分气体浓度，

O组是功能培养基培育获得的各组分气体浓度；

将煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征判定分为多级，构成以判定或甄别为目 的的测试方法，该方法包括培养基培育组与煤基培育组；

所述的功能培养基培育组细分为：水解菌系鉴定培育单元、发酵菌系鉴定培育单元、 产乙酸产氢菌鉴定培育单元、产甲烷菌鉴定培育单元、煤层产甲烷菌群平衡度对比评价单 元；

所述的水解菌系鉴定培育单元、发酵菌系鉴定培育单元、产乙酸产氢菌鉴定培育单元、 产甲烷菌鉴定培育单元是：将煤层产甲烷菌群根据煤基质生物降解过程，按关键点划分为 多个单元层次；通过功能性培养基的选择性培育，利用每个层次微生物群的生物降解特征， 根据营养利用与产物之间的关系实现鉴定；

所述的煤基培育组细分为：煤基有机质降解能力鉴定单元、煤基质气化能力鉴定单元， 煤层产甲烷菌群平衡度测定单元；

所述的煤基有机质降解能力鉴定单元、煤基质气化能力鉴定单元是：以煤为基础培育 基质，利用不同粒度煤样，根据特定微生物代谢与繁殖速度差，测定待分析生物群落的有 机质降解能力与气化能力；

所述的煤层产甲烷菌群平衡度对比评价单元和煤层产甲烷菌群平衡度测定单元是：煤 层产甲烷菌群平衡度对比评价单元是利用标准培养基为基质进行培育，其结果作为对菌群 平衡度分析的对比参数，煤层产甲烷菌群平衡度测定单元的培育基质为煤样，其结果代表 实际煤层中产甲烷菌群的平衡性，利用两个参数获得待测生物群落的平衡度。

该方法：煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征判定方法通过功能培养基培育与 煤基培育两种方式进行同步测试；其中功能培养基培育是利用可控因素判定微生物能够被 激活；煤基培育是利用实际煤样对菌种进行培育测定，以确定在现实煤层环境中，待测定 菌种能否激活、并且以煤为基础碳源完成煤的生物气化；以培养基培育结果为基础参量， 煤基培育结果为变量获得在煤层中微生物群被激活后的平衡度；

将煤层产甲烷菌群当前活性与菌群平衡度特征判定分为多级，构成以判定或甄别为目 的的测试方法，该方法包括培养基培育组与煤基培育组；

所述的培养基培育组细分为：水解菌系鉴定培育单元、发酵菌系鉴定培育单元、产乙 酸产氢菌鉴定培育单元、产甲烷菌鉴定培育单元、煤层产甲烷菌群平衡度对比评价单元；

所述的水解菌系鉴定培育单元、发酵菌系鉴定培育单元、产乙酸产氢菌鉴定培育单元、 产甲烷菌鉴定培育单元；将煤层产甲烷菌群根据煤基质生物降解过程划分为多个单元层 次，利用每个层次所独具的生物降解特征分别进行培育与鉴定；

所述的煤基培育组细分为：煤基有机质降解能力鉴定单元、煤基质气化能力鉴定单元， 煤层产甲烷菌群平衡度测定单元；

所述的煤基有机质降解能力鉴定单元、煤基质气化能力鉴定单元；以煤为基础培育基 质，利用不同粒度煤样，根据特定微生物代谢与繁殖速度差，测定待分析生物群落的有机 质降解能力与气化能力；

所述的煤层产甲烷菌群平衡度对比评价单元和煤层产甲烷菌群平衡度测定单元；煤层 产甲烷菌群平衡度对比评价单元是利用标准培养基为基质进行培育，其结果作为对菌群平 衡度分析的对比参数，煤层产甲烷菌群平衡度测定单元的培育基质为煤样，其结果代表实 际煤层中产甲烷菌群的平衡性，利用两个参数获得待测生物群落的平衡度。

实施例：图1是煤层产甲烷菌群当前活性与平衡度特征判定技术测定方法与系统构成 示意图。其中列出了培养基培育组与煤基培育组两种培育系统内的内部分类，并描述了相 互之间的关系。

图2是煤层产甲烷菌群的可被激活与平衡度测定流程图，介绍了系统如何完成的煤层 产甲烷菌群当前活性的判定，以及如何对菌群平衡度进行的判定方法。

煤层产甲烷菌群的可被激活与平衡度判定方法通过功能培养基培育与煤基培育两种 方式进行同步测试。

其中功能培养基培育是利用可控因素确定待测定煤层中产甲烷菌群当前活性，其中涉 及分段式菌种当前活性快速判定与群落平衡度测定两个主要部分。

分段式菌种当前活性特性是根据煤层产甲烷菌群对煤基质降解特性，利用关键控制因 子分析方法对整个煤基质生物讲解过程进行分解，分为：煤基质水解阶段、碳源发酵阶段、 和甲烷生成阶段。由于煤基质生物甲烷生成主要分为乙酸降解与二氧化碳还原两种途径， 因此分段式菌种培育中将甲烷生成阶段分解成了产乙酸产氢菌鉴定培育和产甲烷菌鉴定 培育两个独立单元。因此，分段式菌种培育部分主要包含水解菌系鉴定培育单元、发酵菌 系鉴定培育单元、产乙酸产氢菌鉴定培育单元和产甲烷菌鉴定培育单元等4个单元。

以上四个单元分别根据待测菌群特性，设定具备特征的测定参数(如：糖分、脂类、 酸碱度、乙酸根产量、钠、钾、钙、煤、氨根等离子变化量、二氧化碳产量、氢气产量、 甲烷产量、氮气消耗量等)。当系统经过5天培育，各参数特征满足要求，即可判定为待 测菌种当前具有活性，并可被激活。

在以上单元测定中，若水解菌系鉴定、发酵菌系鉴和产甲烷菌鉴定3个单元满足条件， 则可判定为该待测菌群具有活性，并且属于二氧化碳还原菌种类型。如果四个分段式鉴定 系统均满足条件，则可判定为该待测菌群具有活性，并且属于乙酸降解菌种类型。

煤基培育是利用实际煤样对菌种进行培育测定，以确定在现实煤基环境中，待测定菌 群是否具有活性、并且以煤为基础碳源完成煤的生物气化的能力。为此，该部分分为两个 单元，分别为：煤基有机质降解能力鉴定单元和两个单元采用相同煤基为培养基，但采用 了不同的粒度。其中有机质降解能力鉴定单元采用300～80目煤粉为培养基，煤基质气化 能力鉴定则采用10～30目煤粉为培养基。该判定部分利用不同的比表面积设定了培育系统 内相同时间段采用的不同的营养供给，结合不同菌种具有不同代谢与繁殖速度的特征，以 实现快速判定目标菌群是否具有活性，并且能否在煤层中被成功激活。

煤基有机质降解能力鉴定单元采用了较细的煤基材料，具有表面积大的特征。在该种 系统培育中，水解菌、发酵菌、产氢产乙酸菌将会获得丰富的碳源供给，能够快速完成响 应。通过培育系统中糖类、脂类、酸碱度、乙酸根产量、钠、钾、钙、煤、氨根等离子变 化量、二氧化碳产量、氢气产量等参数的监测，能够实现对待测菌群中水解菌与发酵菌是 否具有活性进行判定。

相反，煤基质气化能力鉴定单元采用了颗粒度大、比表面积小的煤颗粒作为培养基， 该系统能够获得更加稳定的菌种的激活，最终该单元主要通过甲烷、二氧化碳、氢气的产 量和氮气消耗量为主要参考指标进行测定与分析，实现对待测菌群中产甲烷菌的活性进行 判定。

煤基培育中，同步进行了煤层产甲烷菌群平衡度测定，基于该结果，结合利用标准培 养基为基质进行菌群培育获得的结果，可实现对菌群在煤层中被激活后的平衡度的判定。