现有的天然气资源规模难以满足我国日益增长的工业和生活需求,开发非常规天然气既能降低煤炭资源开采成本,同时也是能源可持续发展的必然要求。煤层气可按形成原因分为热成因煤层气和生物成因煤层气,当前研究者普遍认为生物成因煤层气主要是由煤层中的本源产甲烷菌群将煤中的大分子有机物逐步转化为小分子有机化合物,进而转化为生物甲烷。本文利用山西寺河矿区煤层产出水中富集的产甲烷菌群为外源菌群,对内蒙古神华胜利褐煤进行生物产气实验。考察了颗粒度等因素对甲烷生成的影响显著性,进行菌群、产气及环境因子间的关联性分析。对生物成气过程补料前后的菌群定性和定量,运用液质联用技术测定不同时期样品上清液所包含的代谢产物,建立菌群与代谢间的内在关联。对微生物发酵作用后的残煤进行FTIR实验和红外分峰拟合定量。研究发现:(1)单因素方差分析结果显示褐煤颗粒度因素对产气影响为极显著,90天发酵周期颗粒度因素组(160目)产气情况最好。关联性分析表明,颗粒度因素组内随煤粒径目数的增大,产甲烷菌属Methanosarcina与Methanobacterium的含量增多,与此同时产气量也显著提高。(2)补无机氮实验组甲烷含量在51天后经过短暂的回落又再次增长,甲烷产量持续上升,在第90天时达到703 mL,与对照组相比涨幅为29.5%。细菌高通量检测结果显示,含量较为丰富的细菌类型有Clostridium、Citrobacter、Desulfovibrio、Pseudomonas、Paraclostridium、Bacteroides、Macellibacteroides、Rummeliibacillus、Enterococcus、Morganella等。古菌有甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷粒菌属(Methanocorpusculum)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷螺菌属(Methanospirillum)、甲烷泡菌属(Methanofollis)、甲烷囊菌属(Methanoculleus)、Candidatus Methanomethylophilus等。实时荧光定量PCR的结果显示细菌和古菌的菌群数量在补料前下降到较低水平,氮源的补充使菌群迅速生长繁殖,甲烷的产量及含量占比都再次上升。(3)代谢产物的成分在发酵产气过程中发生了显著变化。在50 d的上清液中检测出了最多的化合物种类,推测这与该时间段内褐煤产甲烷的速率最高有紧密联系。产气过程中芳香类物质含量不断降低,说明该类物质作为产气的主要基质持续被分解利用。产气初期采集的样本中居于优势地位的Pseudomonas具有合成生物表面活性剂的功能,可以部分溶解褐煤,同时降解芳香类物质。Clostridium的存在贯穿整个发酵过程,这是一类能降解芳香化合物产生各种有机酸的厌氧发酵细菌,也有可能发挥了脂肪酸氧化剂的效用。Desulfovibrio属于δ-变形杆菌类,是专性厌氧菌,除生成产甲烷的底物外,同时为产甲烷菌提供氢化酶电子供体。推测氮源的补充导致了Desulfovibrio含量的增长,这在一定程度上解释了甲烷的增产。测序结果显示古菌菌群中Methanosarcina始终居于优势地位,表明乙酰化型产甲烷是主要途径。(4)与对照组原煤煤样相比,经微生物降解作用后的褐煤某些基团发生改变,说明产气过程中微生物影响了煤样的化学结构。同时某些基团随着影响因素(颗粒度目数)的改变而规律性变化。产气情况最好的高目数组在红外结构方面与其它组相比芳香环缩合程度最低,脂肪链分支度最低,羟基等含氧官能团脱落程度最高。