Исследователи изучили метоксильные группы в образцах угля со всего мира и использовали стабильные изотопы, чтобы показать, что органический материал в конечном итоге превращается в уголь 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 соединений угля.

"Если бы вы опросили геохимиков, большинство из них сказали бы, что уголь образовался под воздействием температуры, кислот или катализаторов", - сказал Макс К. Ллойд, ассистент профессора-исследователя наук о земле Пенсильванского университета. "Но наши результаты несовместимы с этими механизмами. Они показывают, что микробы непосредственно потребляют метоксильные группы угля, преобразуя уголь и производя метан".

Уголь образуется, когда растительный материал в заболоченных лесах попадает в воду и быстро погребается. Органический материал начинается как торф, становится бурым углем, затем суббитуминозным, битуминозным и, наконец, антрацитом, поскольку он зарывается глубже и становится более концентрированным в углероде. Антрацитовый уголь в основном состоит из углерода, в то время как бурый уголь все еще очень растительный.

По словам Ллойда, большинство видов угля, используемых сегодня в таких странах, как Индия и Китай, являются бурым или суббитуминозным, потому что это единственные виды, которые легко и дешево доступны, но эти угли при сжигании выделяют наибольшее количество парниковых газов. В качестве решения этой проблемы метановые скважины в этих угольных пластах - метан угольных пластов (CBM) - привлекательны как мост от ископаемого топлива, но "эксплуатационные скважины CBM часто имеют ограниченный срок службы", - отмечают исследователи сегодня (12 ноября) в Science.

"Проблема добычи метана из угольных пластов заключается в том, что создание скважин обходится очень дорого, 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 это ограничивающие факторы, а не если сам уголь является ограничивающим фактором ".

Первоначально Ллойд изучал обилие метоксильных групп в живых или недавно умерших деревьях, когда разговаривал с аспиранткой Калифорнийского технологического института Элизабет Трембат-Райхерт, ныне доцентом Школы исследования Земли и космоса Аризонского университета, которая работала над микробами, потребляющими метильные группы в угле.. После того, как они подтвердили, используя два метода, что наблюдения были реальными, Ллойд начал искать то же самое в угле со всего мира.

Метоксильные группы в угле превращаются в метан, но, по мнению исследователей, 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, как правило, предпочитают один изотоп другому, так что то, что остается в исходном источнике, будет отличаться от процентного содержания обычно обнаруживаемых изотопов.

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 высокой температуры, кислотности или каталитических реакций, но они соответствуют закономерностям, ожидаемым от действия микробов.

"Оказывается, аэробные микробы отлично разлагают кольца в угле, но у анаэробных микробов нет хорошего способа разобрать кольца", - сказал Ллойд. "Итак, единственное, что остается сделать анаэробам, - это отрезать метоксильные части".

Эти освобожденные метоксильные группы затем превращаются в метан. Но как только все доступные метоксильные радикалы удаляются из колец, микробы не могут добраться ни до чего другого, реакция прекращается, и скважина высыхает.

"Действительно интересно то, что эти микробы выделяют ферменты, чтобы отрезать метоксил", - сказал Ллойд. "Они разрушают структуру внеклеточно, что ограничивает, потому что уголь не является решением, и микроб не может легко проникнуть повсюду в структуру угля".

По мнению исследователей, истощение метоксильных групп в угле с течением времени указывает на то, что сам уголь является ограничивающим фактором в производстве метана. Таким образом, добавление большего количества микробов или питательных веществ не приведет к образованию большего количества метана, и потребуется другой подход.

Среди других исследователей этого проекта - Джон М. Эйлер, Роберт П. Шарп, профессор геологии и геохимии; Виктория Дж. Орфан, Джеймс Ирвин, профессор наук об окружающей среде и геобиологии; и Алекс Л. Сешнс, профессор геобиологии; все из отдела геологии и планетологии Калифорнийского технологического института; Кэтрин С. Доусон, доцент кафедры наука об окружающей среде, Университет Ратгерса; Сара Дж. Фикинс, профессор наук о земле, Университет Южной Калифорнии; и Мария Масталерц, геолог-исследователь, Геологическая служба и водные ресурсы Индианы, Университет Индианы.

Национальный научный фонд, НАСА, L'Oreal USA и Американское химическое общество поддержали эту работу.