《Fuel》：Synergistic evolution of microbial communities and coal molecular structures enhances methanogenic kinetics and yield from lignite bioconversion under carbon-limited conditions
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褐煤生物转化过程中微生物群落与煤分子结构的协同演化机制研究。采用色谱分析和分子表征技术，揭示有限碳源条件下微生物-煤分子多维度协同作用对生物产气的影响。研究显示，产气分为滞后、快速和缓慢三阶段，符合逻辑斯蒂模型。滞后期微生物水解酶活性提升27.98%，煤大分子骨架和异原子基团降解，羧酸和氧化烷烃积累；快速期微生物功能转向小分子代谢，产气速率达峰值；缓慢期外源碳耗尽，微生物优先降解含氧结构，残留芳香环导致产气效率下降87.6%。协同机制通过促进小中间产物生成与代谢，显著提升甲烷产率。
黄强|沈健|秦勇|李欣|姚强玲|李永晨|李久清|李庚|聂万远
中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市221116
摘要
将褐煤生物转化为甲烷是提高煤层气回收率和清洁能源生产的一种有前景的方法。在这一过程中，微生物群落与煤分子结构之间的协同作用对生物甲烷产量的效率起着关键作用。然而，在有限的外源碳源条件下，这种协同作用的机制仍不清楚。本文利用色谱和分子表征技术，研究了褐煤生物转化过程中微生物与褐煤之间的协同作用及其多维度演变。结果表明，生物甲烷生产曲线呈S形，包括滞后期、快速期和缓慢期，符合逻辑斯蒂模型。在滞后期内，水解细菌的数量增加了27.98%，煤的大分子框架和杂原子基团显著降解，同时羧酸和含氧脂肪烃积累。氢营养型甲烷生成菌提高了沼气的生产速率。在快速期内，群落功能转向小分子底物代谢；羧酸和含氧脂肪烃从积累转变为降解；煤的分子转化速度减慢。甲烷生成途径多样化，在第22.43天达到峰值。在缓慢期内，外源碳耗尽；微生物优先降解含氧结构，留下芳香环作为惰性残留物。随着甲烷生成途径转变为以醋酸裂解为主且效率较低的类型，平均气体产量下降了87.6%。在有限碳源条件下，促进小分子中间体生成和代谢的微生物-煤分子协同作用对于实现高甲烷产量至关重要。这些发现有助于提高褐煤生物转化的效率及其清洁利用。
引言
将煤生物转化为甲烷可以释放世界上大量煤资源的能量潜力，同时促进清洁能源的生产[1]、[2]、[3]。作为关键的低阶煤，褐煤占全球煤储量的40%以上[1]、[2]。由于其低利用率和直接燃烧时的严重污染，其工业应用受到显著限制[2]、[3]。然而，褐煤具有松散的结构，富含脂肪侧链和含氧官能团，使其具有较高的生物反应性和将褐煤生物转化为甲烷的巨大潜力（贡献超过20%的生物气体）[4]、[5]、[6]、[7]。褐煤生物转化为甲烷的技术利用了微生物的协同代谢作用，将煤中的有机物转化为清洁能源，实现了资源高效利用和碳排放减少的双重效益[5]、[7]、[8]。然而，褐煤生物转化过程受到煤结构复杂性和代谢效率低下的限制。特别是在有限碳源条件下（通过在初始培养基中添加固定量的外源碳源定义），控制微生物群落与煤分子结构共同进化协同作用的多维度耦合机制仍不清楚。这一知识空白严重阻碍了生物转化效率的靶向调控[9]、[10]。因此，迫切需要阐明在有限碳源条件下微生物群落演替与煤分子结构降解之间的动态协同机制。这一知识将为提高生物转化效率提供理论和实践基础[10]、[11]。
褐煤生物转化过程分为多个阶段，受微生物群落和煤结构变化的影响[12]、[13]、[14]。描述其气体生产动力学的经典模型包括改进的Gompertz模型、逻辑斯蒂模型和一级反应模型[4]。这些简化模型将厌氧降解的多个复杂生化步骤简化为决定整体反应速率的关键步骤[15]。例如，改进的Gompertz模型和逻辑斯蒂模型通常用于描述煤、食物垃圾和粪便的厌氧降解产生的沼气，而一级反应模型描述了均匀底物中的初始生产[15]、[16]。具体来说，改进的Gompertz模型和逻辑斯蒂模型假设微生物增殖依赖于底物和生物量，将底物消耗和甲烷产量直接与微生物生长联系起来[15]。相反，一级反应模型仅将甲烷产量与剩余底物的数量相关联，忽略了微生物的滞后期[17]、[18]。
微生物群落演替决定了分子降解途径和转化效率[18]、[19]。微生物通过逐步过程将褐煤的大分子结构降解为小分子化合物，最终产生沼气[19]。这一过程表现出阶段特异性的功能转移。最初，水解/发酵细菌群落（如Pseudomonas和Macellibacteroides，它们通常与胞外酶分泌相关）占主导地位，这表明它们在分解煤大分子骨架和释放小分子有机酸方面起着重要作用[20]、[21]、[22]。随着小分子酸的积累，多途径甲烷生成古菌（如Methanobrevibacter和Methanosaeta）逐渐成为主导功能群，推动气体生产达到峰值[23]、[24]。在最终降解阶段，厌氧系统中的环境恶化和碳源耗尽激活了寡营养微生物的替代代谢途径。这种演替模式已在褐煤、油页岩和其他有机系统中观察到[25]。值得注意的是，外源碳源的添加可以重塑群落结构。例如，添加小分子酸可以显著增加水解细菌（如Pseudomonas）的数量，并通过诱导儿茶酚双加氧酶基因表达提高多环芳烃的开环能力[26]。然而，在碳限制条件下微生物群落演替和重组的机制，特别是如何在优势种群减少的情况下维持群落功能，仍是一个需要解决的关键问题。
在褐煤生物转化过程中，气体生产效率受到微生物和煤分子结构共同进化的影响。以往使用分子表征技术的研究已经确定了褐煤生物降解过程中分子骨架和官能团的降解途径[27]、[28]、[29]。微生物分解煤衍生的有机物以获取碳/氮，优先针对脂肪链中的高极性、低键能官能团（如C-S和C=O）和杂原子基团[30]、[31]。相反，由于分子刚性和疏水性，缩合芳香骨架的降解滞后明显[32]。添加外源碳源可以重塑降解优先级[31]。例如，胡等人通过添加有机碳和氮源促进了油质煤中芳香结构的优先降解[13]。杨等人通过添加不同比例的醋酸钠和葡萄糖，实现了苯系列（100%）、氮杂环（100%）和多环芳烃（63.58%）的高效降解[28]。然而，关于褐煤生物降解的研究往往只关注一个维度（如群落结构、气体生产性能或分子结构），缺乏系统性的多维度研究，探讨在有限碳源条件下微生物群落和煤分子之间的协同进化。因此，揭示不同阶段高效气体生产的核心驱动机制仍然具有挑战性。尽管有关煤结构和微生物群落共同进化的相关研究存在，但它们对气体生产的综合影响很少被报道。
鉴于此，在本研究中，我们对二连盆地Jiergalangtu Sag地区的褐煤样品进行了沼气生产模拟实验。通过气相和液相检测以及分子表征技术，我们追踪了微生物群落的时间演替，以阐明微生物代谢、分子转化和气体生产效率之间的耦合关系。本研究旨在探索在有限碳源条件下褐煤生物转化的多维度响应机制，为清洁能源生产和高效碳资源利用提供新的研究见解。
实验样本
实验样本
根据GB/T 482-2008标准，从Jiergalangtu Sag地区的Shengli-2矿（SL2K5#）采集了褐煤样本。采样时，使用通道采样方法从新暴露的煤层剖面获取了新鲜且完整的样本，并立即用塑料薄膜密封包装。随后，将材料粉碎至60–80目，并在40°C下真空干燥48小时。部分样品用于近期和最终分析以及微生物分析
沼气生产
在碳限制条件下，褐煤沼气生产表现出连续的阶段性变化：滞后期（0–10天）、快速期（10–30天）和缓慢期（30–60天）（图2）。实验组的气体产量明显高于对照组，表明微生物产生的气体主要来自煤中的有机碳。值得注意的是，对照组的气体生产在大约30天后停止，这提供了一个明确的时间标记
微生物气化动力学模型
采用了三种动力学模型，即改进的Gompertz模型、逻辑斯蒂模型和一级反应模型，来分析褐煤微生物降解过程中的气体生产过程（表3）[12]。一级反应模型存在显著局限性：它高估了累计气体产量，并且没有体现滞后期。改进的Gompertz模型和逻辑斯蒂模型有效地将褐煤生物转化过程分为滞后期、快速气体生产和
结论
在本研究中，我们利用Jiergalangtu Sag地区Shengli 2矿5#煤样，通过多维度分析微生物-煤分子结构的协同作用，研究了在有限碳源条件下的沼气生产机制。本研究的主要结论如下：
(1)沼气生产表现出三个不同的阶段：滞后期、快速期和缓慢期，符合逻辑斯蒂动力学模型。滞后期的低产量对应于中间体的积累。
CRediT作者贡献声明
黄强：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，资源管理，方法论，数据分析，概念化。沈健：监督，方法论，资金获取，概念化。秦勇：监督，方法论。李欣：监督，研究。姚强玲：监督，研究。李永晨：研究。李久清：研究。李庚：研究。聂万远：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42272198）、江苏省国际科技合作创新支持计划（BZ2025004）、国家自然科学基金（42130802）、山西省研究与开发项目（202202080301010）、中国石油天然气集团公司（CNPC）关键科学技术重大项目（2023ZZ18YJ01）的支持
