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星期五的地質

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星期五的地質

2016-10-21

從煤到甲烷的微生物通道

文字:林立虹 (台灣大學地質科學系);lhlin@ntu.edu.tw)

插圖:王雪川 (台灣大學地質科學系)

隨著人口的增加與科技的進步,人類對能源的需求亦快速的增長。即便阻卻全球暖化的共識已經大幅的提升,並逐步落實在增加綠色能源的供給,人類對於石化燃料的依賴,於短期的未來仍是難以撼動的。相對於石油或天然氣,煤的低開發與運送成本,使得煤成為過去重要的能源供給源,然而透過燃燒煤進而獲取熱能所衍生的公共衛生與環境問題,卻也使得煤的利用快速的減少。 煤的形成過程,是植物組織經由埋藏作用的增溫與增壓,造成了部分有機質的裂解與揮發成分的喪失,最終殘餘的固態、可燃燒、複雜組成的物質便為煤;然而,埋藏程度的不同,亦導致揮發成分與碳含量之變化,進而造成了不同的產熱值,由低至高的成熟度或是品級,大致可將煤區分為泥煤 (peat)、褐煤 (lignite)、次煙煤 (subbituminous coal)、煙煤 (bitminous coal)、無煙煤 (anthracite)。在埋藏過程中,可能因為油氣的移棲、短時間尺度的高溫與高壓所造成的有機質裂解、微生物作用、吸附作用等,使得煤層含有大量的甲烷。過去的研究測量與估算顯示,煤層甲烷 (coal bed methane) 的儲存量可達 50 兆立方公尺,約等於 11% 的傳統天然氣資源,其中 60% 與 40% 在美國生產的煤層甲烷分別為熱成熟與微生物作用所形成的。即便我們對煤層的利用日趨減少,開採煤層所造成的甲烷溢散量,仍可達全球甲烷總溢散量的 7% 以上,影響現今時間尺度的溫室效應甚巨,因此了解煤層甲烷的形成與消耗機制、逸散至大氣的通量,對煤層甲烷的探勘與溫室氣體排放的控制皆有莫大的助益。

除了經由長地質時間的高溫、高壓裂解作用所形成的熱成熟甲烷,較短時間尺度微生物甲烷生成作用亦貢獻高比例的煤層甲烷。然而,煤的組成是十分複雜的,含高豐度、多樣的多環芳香烴化合物,一般認為這類型的化合物是難以經由微生物的代謝而分解,因此於煤層中高比例的微生物甲烷,便不易透過直接代謝多環芳香烴化合物產生,勢必須藉由其他途徑。另一方面,微生物生理的研究亦顯示,產生微生物甲烷的前驅物質主要包含三大類型:氫氣 / 二氧化碳、醋酸鹽與甲基化合物;於沉積岩環境或油氣系統,甲烷的產生是先經由水解與發酵作用,將大有機分子降解成上述甲烷前驅物,再經由甲烷生成菌將其轉變成甲烷。若甲烷產生菌得以直接運用煤內的化合物產生甲烷,將有助於解析煤層甲烷的成因與可能的移棲路徑,以精確的估算煤層甲烷的經濟規模與溫室氣體的貢獻,更可提供發展由煤層萃取乾淨能源技術的重要依據。

有鑑於此,Mayumi 等人利用位於日本山形縣高溫石油儲庫的生產水 (production water) ,純化出一株甲烷產生菌 (Methermicoccus shengliensis AmaM),並測試此菌株與其他常見的甲烷產生菌於運用芳香烴化合物產生甲烷的可能性為何。煤中的芳香烴化合物主要源自於木質素 (lignin),並經常被甲氧基 (methoxyl)、hydroxyl (氫氧基) 與羧基 (carboxyl) 所取代,其中甲氧基芳香烴化合物 (methoxylated aromatic compounds) 於低成熟度煤的豐度高。由於代表微生物甲烷成因的地球化學訊號,較常於低成熟度的煤層被偵測到,因此了解甲烷生成菌利用甲氧基芳香烴化合物產生甲烷的潛能,便得以連結微生物作用直接利用煤產生甲烷的能力與可能性。Mayumi 等人首先將十一株甲烷產生菌 (包含 Methermicoccus shengliensis AmaM) 與七類型的甲氧基芳香烴化合物於無氧狀況下混合,並置於各別菌株最適合的溫度九個月,爾後測量每一菌株的甲烷產生量。結果顯示,這十一株甲烷產生菌,僅有兩株隸屬 Methermicoccus 菌屬的甲烷產生菌,得以顯著的產生甲烷。進一步測試市面販售的 40 種甲氧基芳香烴化合物中,發現這兩菌株得以利用 30 餘種甲氧基芳香烴化合物產生甲烷,其中添加甲氧基苯甲酸鹽 (methoxylated benzoate) 的甲烷產量普遍較高;混合 Methermicoccus shengliensis AmaM 與不等成熟度的煤,亦顯示此菌株得以直接利用煤於產生甲烷。

為了解析 Methermicoccus shengliensis AmaM 產生甲烷的機制,Mayumi 等人運用碳同位素標定技術,並分析孵育實驗過程中,代謝反應物與產物的濃度變化。分析結果顯示,隨著甲烷的持續累積,甲氧基苯甲酸鹽的消耗量幾乎等同於氫氧基苯甲酸鹽的產生量,由於苯甲酸鹽的總量幾乎未改變,因此甲氧基去甲基化 (O-demethylation of methoxyl group) 的反應,便為產生甲烷最為重要的途徑;透過多重碳同位素的標定與質量平衡的計算,進一步指示約略 2/3 比例的甲烷碳是源自於甲氧基,而另外約略 1/3 的碳則來自於碳酸鹽,甚而有一小部分的甲烷碳,源自於與乙醯基輔酶 (acetyl CoA) 相關的代謝作用。

綜合孵育實驗與基因體的分析顯示,Methermicoccus shengliensis AmaM 得以直接利用煤層中的甲氧基芳香烴化合物產生甲烷,其產生甲烷的代謝途徑至少包含去甲基化、二氧化碳還原作用,而乙醯基輔酶與乙酸鹽的平衡與交換,亦可能參與甲烷的生成。雖然此菌株產生甲烷詳盡的途徑與調控機制,仍有待進一步的釐清,鑒於甲氧基芳香烴化合物廣泛分布於地下沉積岩的環境,此產生甲烷的途徑,將不僅局限於煤層,而可擴及於上部地殼大比例的範圍,影響全球尺度的碳循環。其基因功能的解析,更可進一步作為未來運用生物科技,萃取乾淨能源的技術發展參考。

主題資料來源:

Mayumi et al. (2016) Methane production from coal by a single methanogen. Science, 354, 222. http://science.sciencemag.org/content/354/6309/222

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