生物气形成机制研究进展

生物气是厌氧环境下特殊的生物-产甲烷菌的代谢产物，通常出现在较浅的未成熟沉积物中，它们在地史过程中对碳循环起重要作用，大气中约80%～90%的甲烷为生物气，是温室效应的主要气源。生物成因气的经济意义也相当明显，20年前的估计显示它占全球天然气资源的20%。近年来随深部生物圈研究程度的不断深入，发现微生物赋存深度可以很大，微生物活动持续时间很长，生物气储量比以前的预计要高。另外，除近代沉积物外，煤、富有机质页岩和原油生物降解均能形成大量生物气，它们对天然气生产也能作很大贡献。经济发展和环境对洁净能源需求都需要天然气，随常规油气资源的逐渐枯竭，未来天然气勘探在很大程度上依赖于生物成因气的发现。

生物气是微生物使有机质再矿化生物化学过程中重要终极产物，形成途径主要有乙酸发酵和二氧化碳还原两种。沉积物中氧化剂的性质决定了反应过程，如果有游离氧存在，则以有氧分解为主，之后硝酸盐还原起主要作用，接着金属氧化物（MnO2和Fe2O3）成为主要氧化剂，随后进入硫酸盐还原带，最后进入产甲烷菌还原带，由各种微生物分解出的单分子化合物被产甲烷菌还原形成甲烷。由于沉积物中氧化剂的局限，有机质分解的主要反应是硫酸盐还原和甲烷形成。

近年来，深部微生物学受到巨大的关注，特别是对深部自养性厌氧微生物群的检测，极大地扩展了对深部生物多样性和生物地球化学作用的认识。微生物可以栖息在从地表到4000m或者更深的地方，在洋底的热泉和深部油田水中都发现了活的微生物，其习性和地球化学行为与地表所发现的不同。因此，硫酸盐还原带以下微生物甲烷形成的重要性需要重新考虑。

从聚合有机物到生物甲烷过程非常复杂。首先，有机物被细菌和其它微生物分解成产甲烷菌能利用的底物，如氢和二氧化碳、甲酸盐等，然后，产甲烷菌通过二氧化碳还原和氢氧化形成甲烷。

温度、有机底物性质和沉积环境对两种甲烷形成途径起控制作用。通常认为乙酸发酵主要出现在淡水环境，二氧化碳还原主要在海相环境。温度适中的陆相环境中乙酸发酵形成的甲烷占70%，二氧化碳还原占30％。随环境温度的变化，这个比例会发生变化。在深度剖面上乙酸发酵和二氧化碳还原可同时出现，但其重要性不同，深部主要是二氧化碳还原成因。这可以很好地解释为什么许多商业性生物气聚集都是二氧化碳还原成因。

甲烷形成需要的碳元素一般来自乙酸盐或二氧化碳，不需要额外氧化剂的供给。二氧化碳的主要来源是有机质的成岩作用，这些反应与早期干酪根的演化有关，并且受热的控制。还有一部分二氧化碳可以来自深部的非生物反应，这些二氧化碳对浅层沉积物生物甲烷形成所做的贡献难以量化。

当发酵生物体不存在时，产甲烷菌需要其它电子供体，甲烷杆菌依赖于氢把二氧化碳还原成甲烷，氢在有机物厌氧生物降解生成甲烷过程中起关键作用，氢的可利用程度是生物甲烷形成的最终制约因素。不同地质体系中氢的起源有多种，许多地球化学和生物化学反应都可以产生氢，如生物膜-岩石相互反应降低含还原金属矿物表面的pH并从水中释放出质子。另外，微生物作用过程可能对地下氢的形成有贡献，有机质成熟或石油中无环和环烷芳烃的芳构化可提供补充氢源。