Исследователи обнаружили механизм, лежащий в основе первых стадий создания угля, – он отличается от известного ранее, пишет eurekalert.org. Ученые обнаружили, что в некоторых угольных месторождениях микробы несут ответственность за образование угля и производство метана, что имеет значение для регенерации метанового топлива, и именно этот механизм лежит в основе одной из первых стадий создания угля.

Исследователи изучили метоксильные группы в образцах угля со всего мира и использовали стабильные изотопы, чтобы показать, что органический материал в конечном итоге становится углем под действием микробов.

Метоксильная группа состоит из атома углерода с тремя атомами водорода, присоединенными к атому кислорода. Атом кислорода может присоединяться к любому количеству мест в более крупной молекуле. В случае угля он присоединяется к атому углерода в одном из кольцевых структур угля.

«Если вы опросите геохимиков, большинство скажет, что уголь был создан под воздействием температуры, кислот или катализаторов, – сказал Макс К. Ллойд, доцент кафедры геофизических исследований Пенсильванского университета. – Но наши результаты не согласуются с этими механизмами. Они показывают, что микробы напрямую потребляют метоксильные группы угля, преобразовывая уголь и производя метан».

Уголь образуется, когда растительный материал в заболоченных лесах попадает в воду и быстро захоранивается. Органический материал начинается с торфа, затем становится лигнитом, затем суббитуминозным, битуминозным и, наконец, антрацитом, поскольку он погружается глубже и становится более концентрированным в углероде. Антрацитовый уголь в основном состоит из углерода, в то время как бурый уголь – растительный.

По словам Ллойда, большая часть угля, используемого сегодня в таких местах, как Индия и Китай, является лигнитом или суббитуминозным, потому что это легкодоступные и дешевые виды, но эти угли при сжигании производят наибольшее количество парниковых газов. В качестве решения этой проблемы метановые скважины в этих угольных пластах – метан угольных пластов (CBM) – привлекательны в качестве моста от ископаемого топлива, но эксплуатационные скважины CBM часто имеют ограниченный срок службы.

«Проблема добычи метана из угольных пластов заключается в том, что строительство скважин очень дорогое, и скважина может иссякнуть через месяц, – сказал Ллойд. – Мы не знаем почему. Производители добавляют больше микробов или больше питательных веществ (для микробов), но это работает только в том случае, если они являются ограничивающими факторами, а не если сам уголь является ограничивающим фактором».

Первоначально Ллойд рассматривал изобилие метоксильных групп в живых или недавно погибших деревьях. Затем они работали вместе с другой аспиранткой Калифорнийского технологического института – Элизабет Трембат-Райхерт, ныне доцентом в Школе исследования Земли и космоса Университета Аризоны, которая работает с микробами, потребляющими метильные группы в угле. После того, как они подтвердили, используя два метода, что наблюдения реальны, Ллойд начал искать то же самое в угле со всего мира.

По словам исследователей, метоксильные группы в угле превращаются в метан, но то, как метан образуется из угля, плохо изучено. Чтобы лучше понять этот процесс, исследователи изучили стабильные изотопы углерода в оставшихся метоксильных группах.

Стабильные изотопы – это нерадиоактивные формы элемента, которые содержат различное количество нейтронов в своем ядре. Изотопы углерода, содержащие 12 и 13 нейтронов, почти идентичны, за исключением того, что углерод 13, хотя и менее распространен в природе, немного тяжелее. Биологические организмы обычно предпочитают один изотоп другому, так что то, что остается в первоначальном источнике, будет отличаться от процентного содержания изотопов, обычно обнаруживаемых.

Когда Ллойд и его коллеги изучили метоксильные группы во всем, от древесины до битуминозного угля, они обнаружили, что профиль изотопов не соответствует тому, что было бы обнаружено, если бы образование метана происходило из-за тепла, кислотности или каталитических реакций, но это было похоже на микробное воздействие.

«Оказывается, аэробные микробы отлично разлагают кольца в угле, но у анаэробных микробов нет хорошего способа разобрать кольца, – сказал Ллойд. – Итак, анаэробам остается только отрезать метоксильные части».

Эти освобожденные метоксильные группы затем превращаются в метан. Но как только все доступные метоксильные радикалы отделены от колец, микробы не могут добраться ни до чего другого, реакция останавливается, и колодец становится сухим.

«Действительно интересно то, что эти микробы выделяют ферменты, чтобы отрезать метоксил, – сказал Ллойд. – Они разрушают структуру внеклеточно, что является ограничивающим фактором, потому что уголь не является решением проблемы, и микроб не может легко проникнуть повсюду в структуре угля».

По мнению исследователей, истощение метоксильных групп в угле с течением времени указывает на то, что сам уголь является ограничивающим фактором в производстве метана.