减少大气中二氧化碳的秘密武器是什么？一文带你了解

近年来，人们对气候变暖似乎已经见怪不怪了，科学家们也不断地发出“地球温室效应”的警告。由于人类活动的影响，大气中二氧化碳(CO2)含量已经超出自然界变动的界限，对南极沃斯托克冰川取到的冰心进行分析，结果表明，目前大气中二氧化碳浓度已经上升到地球历史上从未有过的高度，由此将引发一系列环境问题。

各国科技工作者都尝试用各种方式对二氧化碳进行固定，以最大限度地消除它对气候变暖的消极影响。森林固定方法受土地应用变化和其本身吸收能力的影响，比如木材生产的可变性，天气、气候、以二氧化碳为肥料的影响，集中造林的方式等都使木材的生产充满了不确定性。经过尝试，利用废弃天然气储层储存二氧化碳的容量仅小于海洋的储存量，海洋储存可能对海洋生态产生影响，而且海洋储存二氧化碳不适合那些二氧化碳产量很大但是距离海洋很远的国家和地区。科学家们认为，将二氧化碳储存在生物成因天然气田中，可以利用气田中固有的厌氧古细菌——产甲烷菌(Methanogenus)(图1)，将二氧化碳转化为甲烷，同时实现能源再生。

产甲烷菌固定二氧化碳的应用研究

1999年，日本科学家提出，将二氧化碳注入气体水合物层下或是注入永久冻土层之下，深且低温的含水层会将二氧化碳自动封闭，从而实现将二氧化碳存储于地下的目的。自养菌将二氧化碳固定于深水、没有阳光的环境中。产甲烷菌可以在深水无氧的条件下将二氧化碳转化成甲烷。将二氧化碳注入地下几十或几百年后，有望形成地下碳氢化合物层。

天然气水合物经常存在于高压和低温的深海洋壳之下，天然气可能聚集在气体水合物层之下或永久冻土层之下，这些层位是天然的气体隔离体。令人担心的是，全球气候变暖会引起永久冻土层融化和水合物变暖，从而加速此处聚集的甲烷的释放。将二氧化碳注入永久冻土层和甲烷水合物封盖之下，可以抽取出聚集的甲烷，阻止全球加速变暖，因为注入的二氧化碳会加固永久冻土层和甲烷水合物封盖，二氧化碳水合物在高温下比冰还要稳固，在高压下比甲烷水合物还要稳固。所以从理论上讲，这是有效的方法。

二氧化碳的地下储存

如果将二氧化碳注入含水层，溶于存在有活性的产甲烷菌的地下水中，只要氢气存在，产甲烷菌就会将二氧化碳转化为甲烷。而且，甲烷倾向于从水中分离出且向上运移。因此，甲烷常聚集于储层顶部。由于地下微生物和环境的多样性，如果对二氧化碳进行微生物固定和循环，就要对适合的菌种和生态环境进行广泛和仔细的研究。

2000年，美国能源部提出，自然界中有很多产甲烷菌，可以将二氧化碳转化为甲烷。一些产甲烷菌生存在高温和高压的极端环境中。因此应该培育并挑选有用的产甲烷菌种，通过生物学、化学和地球物理学等学科的交叉，建立微生物设计或生物模拟系统。在此系统中，二氧化碳可以转化为甲烷。

很多证据表明，生物成因天然气可以成为一个气田的主体，如东爪哇海的Terang-Sirusan气田，我国的柴达木盆地生物气田、云南陆良盆地生物气田等。据统计，地球上的天然气有20%由产甲烷菌产生，其中2/3由醋酸盐发酵产生，1/3由二氧化碳固定形成。

发展遗传解码、基因排序，识别新的酶以及挑选好的产甲烷菌对加快二氧化碳向甲烷的转化过程有很大作用。科学家从深海海底烟囱中分离出一些生活在高温高压极端环境的生物体，然后投入适合石油、天然气产生的层位，试图让它们进一步帮助产生天然气。

在加拿大，科学家们将二氧化碳用于提高原油采收率，将二氧化碳注入深的含水层或将二氧化碳注入废弃的油气井中的技术已经比较成熟，尽管以这些方式沉积的二氧化碳量非常大，但是没有产生任何经济效益。

将二氧化碳注入深的煤层，在沉积二氧化碳的同时可以提高煤层甲烷采收率，而以煤层甲烷为原料的发电厂产生的二氧化碳废气可以循环再注入煤层，从而产生更多的煤层甲烷供应给发电厂，这样可以大大提高二氧化碳的工业附加值。

产甲烷菌的作用

产甲烷菌是一类严格厌氧古细菌，可以在高温、高盐、高压等条件下生存，具有以二氧化碳为基质产生甲烷的特性，位于自然界碳循环厌氧食物链的末端，对自然界物质循环起着重要作用。它们有别于各种宏观与微观生物，生物学界曾将其称为“第三生物”。大多数产甲烷菌能利用氢气作为二氧化碳的还原剂以合成有机物，同时它们还利用特殊的厌氧呼吸、甲烷发酵和碳酸盐呼吸来取得生命活动所需的能量。

1997年，中国农业农村部厌氧微生物重点开放实验室认为，可以粗略地把产甲烷菌的生态环境分为三类：（1）农村式沼气池和厌氧污水处理系统，经历甲烷发酵的复杂有机物的水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷和同型产乙酸全部四个阶段。（2）反刍动物瘤胃，只经历水解发酵和产甲烷两个阶段。瘤胃中发酵生成各种脂肪酸，促进胃肠道内壁迅速吸收，缺乏产氢产乙酸阶段。（3）以温泉和海底火山热水口为代表，主要通过地质化学过程产生氢气和二氧化碳。甲烷的生成至少包括产甲烷阶段和同型产乙酸阶段。

利用产甲烷菌进行二氧化碳地质固定的研究，可以从两个方面进行：一是利用产甲烷菌的特性及多样性，挑选适宜的菌种进行培养，发展适于应用的特性；二是给地下生态环境中已经存在的菌种提供适宜的条件，保持原有生态环境。第二种方法已经引起世界各国的关注，渐渐成为一门新的科学。北京大学的地球科学工作者在柴达木盆地进行了初步的实验研究，取得了相当满意的成果，为这种方法的工业化推广打下良好的基础。

成功的典范

2002年，欧盟为了符合《京都议定书》要求，计划在2008~2012年将欧洲温室效应气体排放减少8%。这需要年平均减少600万吨的二氧化碳排放量。短期内的措施是提高能源利用效率和从化石燃料转向可再生燃料。但是，联合国的稳定大气中温室效应气体浓度的长期目标是必须进一步减少二氧化碳的排放。

2003年1月，欧洲成立了相关机构，致力于协调各个企业和科研单位共同努力降低大气中二氧化碳的浓度，包括欧洲各国的石油公司、承包商、地质科学和其他专业技术学院。

这项规划的目的是：（1）推动联合性的研究，支持欧洲大陆将二氧化碳储存、捕集、减少计划的实施；（2）评估和修正石油勘探开发的战略；（3）为欧洲和各个国家的政策制定提供相关信息；（4）通过技术活动、会议和网站发布结果，增加公众对不同二氧化碳捕集和储存技术的关注和认同。

根据欧洲委员会的第五框架计划，即将启动6个方案评估二氧化碳储存的安全性和环境影响，包括在海面上将二氧化碳注入地下盐水层、煤层裂隙、废弃油田和地质储层，并分析地层中天然聚集二氧化碳的成因。此外，方案还支持研究二氧化碳注入加拿大萨斯喀彻温省Weyburn油田的情况，科学家们正致力于地球化学的分析和建模，以求更加深入地理解这项研究的结果和意义。

作者：激扬