減少大氣中二氧化碳的秘密武器是什么？一文帶你了解

近年來，人們對氣候變暖似乎已經(jīng)見怪不怪了，科學(xué)家們也不斷地發(fā)出“地球溫室效應(yīng)”的警告。由于人類活動的影響，大氣中二氧化碳(CO2)含量已經(jīng)超出自然界變動的界限，對南極沃斯托克冰川取到的冰心進(jìn)行分析，結(jié)果表明，目前大氣中二氧化碳濃度已經(jīng)上升到地球歷史上從未有過的高度，由此將引發(fā)一系列環(huán)境問題。

各國科技工作者都嘗試用各種方式對二氧化碳進(jìn)行固定，以最大限度地消除它對氣候變暖的消極影響。森林固定方法受土地應(yīng)用變化和其本身吸收能力的影響，比如木材生產(chǎn)的可變性，天氣、氣候、以二氧化碳為肥料的影響，集中造林的方式等都使木材的生產(chǎn)充滿了不確定性。經(jīng)過嘗試，利用廢棄天然氣儲層儲存二氧化碳的容量僅小于海洋的儲存量，海洋儲存可能對海洋生態(tài)產(chǎn)生影響，而且海洋儲存二氧化碳不適合那些二氧化碳產(chǎn)量很大但是距離海洋很遠(yuǎn)的國家和地區(qū)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，將二氧化碳儲存在生物成因天然氣田中，可以利用氣田中固有的厭氧古細(xì)菌——產(chǎn)甲烷菌(Methanogenus)(圖1)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，同時實現(xiàn)能源再生。

產(chǎn)甲烷菌固定二氧化碳的應(yīng)用研究

1999年，日本科學(xué)家提出，將二氧化碳注入氣體水合物層下或是注入永久凍土層之下，深且低溫的含水層會將二氧化碳自動封閉，從而實現(xiàn)將二氧化碳存儲于地下的目的。自養(yǎng)菌將二氧化碳固定于深水、沒有陽光的環(huán)境中。產(chǎn)甲烷菌可以在深水無氧的條件下將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷。將二氧化碳注入地下幾十或幾百年后，有望形成地下碳?xì)浠衔飳印?/p>

天然氣水合物經(jīng)常存在于高壓和低溫的深海洋殼之下，天然氣可能聚集在氣體水合物層之下或永久凍土層之下，這些層位是天然的氣體隔離體。令人擔(dān)心的是，全球氣候變暖會引起永久凍土層融化和水合物變暖，從而加速此處聚集的甲烷的釋放。將二氧化碳注入永久凍土層和甲烷水合物封蓋之下，可以抽取出聚集的甲烷，阻止全球加速變暖，因為注入的二氧化碳會加固永久凍土層和甲烷水合物封蓋，二氧化碳水合物在高溫下比冰還要穩(wěn)固，在高壓下比甲烷水合物還要穩(wěn)固。所以從理論上講，這是有效的方法。

二氧化碳的地下儲存

如果將二氧化碳注入含水層，溶于存在有活性的產(chǎn)甲烷菌的地下水中，只要氫氣存在，產(chǎn)甲烷菌就會將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。而且，甲烷傾向于從水中分離出且向上運移。因此，甲烷常聚集于儲層頂部。由于地下微生物和環(huán)境的多樣性，如果對二氧化碳進(jìn)行微生物固定和循環(huán)，就要對適合的菌種和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行廣泛和仔細(xì)的研究。

2000年，美國能源部提出，自然界中有很多產(chǎn)甲烷菌，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。一些產(chǎn)甲烷菌生存在高溫和高壓的極端環(huán)境中。因此應(yīng)該培育并挑選有用的產(chǎn)甲烷菌種，通過生物學(xué)、化學(xué)和地球物理學(xué)等學(xué)科的交叉，建立微生物設(shè)計或生物模擬系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，二氧化碳可以轉(zhuǎn)化為甲烷。

很多證據(jù)表明，生物成因天然氣可以成為一個氣田的主體，如東爪哇海的Terang-Sirusan氣田，我國的柴達(dá)木盆地生物氣田、云南陸良盆地生物氣田等。據(jù)統(tǒng)計，地球上的天然氣有20%由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生，其中2/3由醋酸鹽發(fā)酵產(chǎn)生，1/3由二氧化碳固定形成。

發(fā)展遺傳解碼、基因排序，識別新的酶以及挑選好的產(chǎn)甲烷菌對加快二氧化碳向甲烷的轉(zhuǎn)化過程有很大作用。科學(xué)家從深海海底煙囪中分離出一些生活在高溫高壓極端環(huán)境的生物體，然后投入適合石油、天然氣產(chǎn)生的層位，試圖讓它們進(jìn)一步幫助產(chǎn)生天然氣。

在加拿大，科學(xué)家們將二氧化碳用于提高原油采收率，將二氧化碳注入深的含水層或?qū)⒍趸甲⑷霃U棄的油氣井中的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，盡管以這些方式沉積的二氧化碳量非常大，但是沒有產(chǎn)生任何經(jīng)濟效益。

將二氧化碳注入深的煤層，在沉積二氧化碳的同時可以提高煤層甲烷采收率，而以煤層甲烷為原料的發(fā)電廠產(chǎn)生的二氧化碳廢氣可以循環(huán)再注入煤層，從而產(chǎn)生更多的煤層甲烷供應(yīng)給發(fā)電廠，這樣可以大大提高二氧化碳的工業(yè)附加值。

產(chǎn)甲烷菌的作用

產(chǎn)甲烷菌是一類嚴(yán)格厭氧古細(xì)菌，可以在高溫、高鹽、高壓等條件下生存，具有以二氧化碳為基質(zhì)產(chǎn)生甲烷的特性，位于自然界碳循環(huán)厭氧食物鏈的末端，對自然界物質(zhì)循環(huán)起著重要作用。它們有別于各種宏觀與微觀生物，生物學(xué)界曾將其稱為“第三生物”。大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌能利用氫氣作為二氧化碳的還原劑以合成有機物，同時它們還利用特殊的厭氧呼吸、甲烷發(fā)酵和碳酸鹽呼吸來取得生命活動所需的能量。

1997年，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部厭氧微生物重點開放實驗室認(rèn)為，可以粗略地把產(chǎn)甲烷菌的生態(tài)環(huán)境分為三類：（1）農(nóng)村式沼氣池和厭氧污水處理系統(tǒng)，經(jīng)歷甲烷發(fā)酵的復(fù)雜有機物的水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷和同型產(chǎn)乙酸全部四個階段。（2）反芻動物瘤胃，只經(jīng)歷水解發(fā)酵和產(chǎn)甲烷兩個階段。瘤胃中發(fā)酵生成各種脂肪酸，促進(jìn)胃腸道內(nèi)壁迅速吸收，缺乏產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。（3）以溫泉和海底火山熱水口為代表，主要通過地質(zhì)化學(xué)過程產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。甲烷的生成至少包括產(chǎn)甲烷階段和同型產(chǎn)乙酸階段。

利用產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)固定的研究，可以從兩個方面進(jìn)行：一是利用產(chǎn)甲烷菌的特性及多樣性，挑選適宜的菌種進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)展適于應(yīng)用的特性；二是給地下生態(tài)環(huán)境中已經(jīng)存在的菌種提供適宜的條件，保持原有生態(tài)環(huán)境。第二種方法已經(jīng)引起世界各國的關(guān)注，漸漸成為一門新的科學(xué)。北京大學(xué)的地球科學(xué)工作者在柴達(dá)木盆地進(jìn)行了初步的實驗研究，取得了相當(dāng)滿意的成果，為這種方法的工業(yè)化推廣打下良好的基礎(chǔ)。

成功的典范

2002年，歐盟為了符合《京都議定書》要求，計劃在2008~2012年將歐洲溫室效應(yīng)氣體排放減少8%。這需要年平均減少600萬噸的二氧化碳排放量。短期內(nèi)的措施是提高能源利用效率和從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生燃料。但是，聯(lián)合國的穩(wěn)定大氣中溫室效應(yīng)氣體濃度的長期目標(biāo)是必須進(jìn)一步減少二氧化碳的排放。

2003年1月，歐洲成立了相關(guān)機構(gòu)，致力于協(xié)調(diào)各個企業(yè)和科研單位共同努力降低大氣中二氧化碳的濃度，包括歐洲各國的石油公司、承包商、地質(zhì)科學(xué)和其他專業(yè)技術(shù)學(xué)院。

這項規(guī)劃的目的是：（1）推動聯(lián)合性的研究，支持歐洲大陸將二氧化碳儲存、捕集、減少計劃的實施；（2）評估和修正石油勘探開發(fā)的戰(zhàn)略；（3）為歐洲和各個國家的政策制定提供相關(guān)信息；（4）通過技術(shù)活動、會議和網(wǎng)站發(fā)布結(jié)果，增加公眾對不同二氧化碳捕集和儲存技術(shù)的關(guān)注和認(rèn)同。

根據(jù)歐洲委員會的第五框架計劃，即將啟動6個方案評估二氧化碳儲存的安全性和環(huán)境影響，包括在海面上將二氧化碳注入地下鹽水層、煤層裂隙、廢棄油田和地質(zhì)儲層，并分析地層中天然聚集二氧化碳的成因。此外，方案還支持研究二氧化碳注入加拿大薩斯喀徹溫省Weyburn油田的情況，科學(xué)家們正致力于地球化學(xué)的分析和建模，以求更加深入地理解這項研究的結(jié)果和意義。

作者：激揚