煤炭学报

作者：苏现波, 赵伟仲, 周艺璇, 祁梦娇, 汪露飞, 王志远, 刘冰, 吕灿, 赵文杰, 王小勇, 直佳韦, 张志峰,

关键词：化石能源生物工程, 四圈三带, 微生物碳泵, CO₂封存与利用, 碳中和,

化石能源生物工程是一门融合地质学、微生物学与能源工程的新兴交叉学科，其核心在于利用微生物驱动机制，实现化石能源的清洁转化、温室气体排放调控及二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)的协同增效。以化石能源的载体——岩石圈、微生物的载体——生物圈、大气圈和水圈构建了“四圈三带”理论框架，系统揭示了微生物驱动有机质代谢的时空分异规律：浅部氧化带和弱还原带主要发生好氧菌主导的有机质降解，释放CO2、N2O等温室气体；深部还原带则以厌氧产甲烷菌为主，将有机质或CO2高效转化为甲烷并富集成藏。进一步提出“化石能源微生物碳泵”理论，阐明岩石圈作为关键碳载体，微生物作为核心引擎，通过“输入(碳源)—转化(生物催化)—输出(产物)”3个子系统，驱动碳元素在四圈层中的定向循环，建立了化石能源生物工程的研究方法：浅表层领域结合原位长期定点监测与梯度耦合微宇宙试验，评估含有机质岩石温室气体排放潜力；地面转化领域开发煤微生物催化转化一体化技术，聚焦低阶煤的生物液化路径，系统分析煤液化产物组分，探索煤基碳量子点作为光敏材料的应用潜力；深部煤储层领域建立原位温压耦合菌群富集培育技术，发展生物、物理、化学等多途径的微生物功能强化策略，提出煤层气生物工程的具体实施流程。该学科聚焦三大核心应用方向：浅表层方向——揭示有机质微生物降解机制及其引发的温室气体生成与逸散规律，以河南义马地区侏罗系碳质泥岩和济源地区上三叠统油页岩为例，野外定点监测发现一年四季均有温室气体的释放，说明浅表层含有机质岩石在微生物作用下释放温室气体具有长期性和周期性，进一步验证了微生物碳泵的温室气体排放潜力，同时证实了H2是一种具有温室效应的非温室气体；地面方向——煤的微生物催化转化，实验室模拟证实低阶煤的微生物液化率可达59.14%，煤的液化产物中除有多种化工产品外，发现了高附价值的碳量子点，以此作为光敏材料提供光电子，可以促进异养微生物固定CO2产乙酸(质量浓度为600 mg/L)；深部储层方向——形成原位条件下将煤、采空区残煤、枯竭油气藏残油以及注入的CO2高效转化为甲烷或高值化工产品的生物工程技术，物理模拟证实储层原位条件下煤/页岩生物甲烷产量分别为7.8和3.1 mL/g，采空区残煤甲烷产量为2.3 mL/g，同时实现了采空区充填煤基固废(450 kg/m3)，同步实现CO2封存(100 kg/t固废)。焦炉煤气注入煤储层经微生物催化高效转化为CH4(H2、CO2转化率> 95%)。55 ℃储层条件下，CO2微生物甲烷化效率较35 ℃提升68.3%，累计转化量为8.50 m3/t；枯竭油藏注入CO2与菌液实现残油产甲烷量为11.8 mL/g。同时，深入探索CO2在储层条件下的微生物甲烷化及其溶解、矿化、吸附等多路径协同封存潜力。该学科通过“地下/地面生物工厂”范式，推动化石能源由“原料+碳汇”转型，为能源绿色开发、工业煤基三废资源化利用及碳中和目标提供核心技术路径。

来源：2026年第3期

《煤炭学报》期刊编辑部

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