Производство метана: Биогазовые установки. Производство биогаза

Биогазовые установки. Производство биогаза

Биогазовые установки. Производство биогаза

 

Комплектные установки из нержавеющей стали для производства биогаза. 

Биогазовые установки – это комплексное решение утилизации отходов пищевой промышленности, агропромышленного комплекса, производство тепловой, электрической энергии, и удобрений. Производство метана в установке для производства биогаза, является – реализацией биологического процесса.

Немецкая компания разрабатывает и производит комплектные установки  для производства биогаза и продает их во всем мире. Построены, запущены и успешно работают более 300 заводов по производству биогаза в Германии, Франции, Нидерландах, Греции, Великобритании, Швеции, Испании, Люксембурге, Чехии, Литве, США, Японии и на Кипре. Предлагаемые установки – это не экспериментальное, а работающее, проверенное и надежное немецкое оборудование, сертифицированное по ISO и изготовленное в комплекте на собственном заводе.

Мы продемонстрируем Вам, каким образом Вы сможете, осмысленно и экономично использовать биоэнергию. 

Биогаз — это газ, состоящий примерно из 60% метана (СН4) и 40% углекислого газа. Синонимами для биогаза являются канализационный газ, шахтный газ и болотный газ, газ-метан. Если в качестве примера рассмотреть навоз, то, если на предприятии образуется 1 т такого «биоотхода» в день, то это означает, что из него может быть получено 50 м3 газа или 100 кВт электроэнергии, или замещено 35 л дизельного топлива . Срок окупаемости оборудования для переработки навоза находится в пределах 2-3 лет, а для некоторых других видов сырья еще ниже и достигает 1,5 года.    Кроме прямых денежных выгод, постройка биогазовой установки имеет косвенные выгоды. Она, например, обходится дешевле, чем протяжка газопровода, линии электропередач, резервных дизель генераторов и создание лагун. В таблице представлен выход газа для различных видов сырья.

ИСТОЧНИКИ  СЫРЬЯ 

Тип сырья	Выход газа м3 на тонну сырья
Навоз коровий	38-52
Навоз свиной	52-88
Помет птичий	47-94
Отходы бойни	250-500
Жир	1300
Барда послеспиртовая	50-100
Зерно	400-500
Силос	200-400
Трава	300-500
Свекольный жом	30-40
Глицерин технический	400-600
Дробина пивная	40-60

Важная область применения установок по производству биогаза – это крупные агропромышленные комплексы, фермы КРС, птицефабрики, рыбные заводы, хлебобулочные комбинатам, предприятия пищевой промышленности, мясокомбинаты, спиртовые заводы, пивоваренные заводы, молочные заводы, растениеводческие предприятия, сахарные заводы, крахмалопаточные заводы, предприятиям по производству дрожжей, и не только в качестве альтернатив­ного источника энергии, но и как эффективного метода утилизации навоза (помета) и производства дешевого удобрения, как для собственных нужд, так и для продажи на рынке. Биогазовая установка производит биогаз и биоудобрения из органических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путем бескислородного брожения, что обеспечивает самую активную систему очистки. В качестве сырья может использоваться навоз КРС, навоз свиней, птичий помет, отходы бойни (кровь, жир, кишки, кости), отходы растений, силос, прогнившее зерно, канализационные стоки, жиры, биомусор, отходы пищевой промышленности, садовые отходы, солодовый осадок, выжимка, спиртовая барда, свекольный жом, технический глицерин (от производства биодизеля). Большинство видов сырья можно смешивать друг с другом. Переработка отходов — это в первую очередь система очистки, которая сама себя окупает и приносит прибыль. На выходе установки из отходов образуется одновременно и в больших количествах: биогаз, электричество, тепло и удобрения.

Все перечисленное выше производится по нулевой себестоимости. Ведь навоз бесплатен, а сама установка на себя потребляет всего 10-15% энергии. Для работы мощной установки достаточно одного человека два ча­са в день. Биогазовые установки полностью автоматизированы и соответс­твенно затраты на оплату труда минимальны. 

Технология и принцип работы биогазовой установки

Биогазовая установка производит биогаз и биоудобрения из биологических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путем бескислородного брожения. Биогаз является продуктом жизнедеятельности полезных метанобразующих бактерий. Микроорганизмы метаболизируют углерод из органических субстратов в бескислородных условиях (анаэробно). Этот процесс, называемый гниением или бескислородным брожением, следует за цепью питания.

Состав типовой биогазовой установки:

1. Участок хранения биотходов
2. Система загрузки биомассы
3. Реактор 
4. Реактор дображивания
5. Субстратер
6. Система отопления
7. Силовая установка 
8. Система автоматики и контроля 
9. Система газопроводов

 Биоотходы могут доставляться грузовиками или же перекачиваться на биогазовую установку насосами. Сначала коферменты высыпаются (перемалываются), гомогенизируются и перемешиваются с навозом (пометом). Гомогенизация чаще всего выполняется при температуре 70^о С в течение одного часа при размере максимальной частицы 1 см. Гомогенизация с навозом производится в перемешивающем резервуаре с мощными мешалками.  

Реактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром. Это конструкция теплоизолируется, потому что внутри резервуара должна быть фиксированная для микроорганизмов температура. Внутри реактора находится миксер, предназначенный для полного перемешивания содержимого реактора. Создаются условия для отсутствия плавающих слоев и/или осадка. 

Микроорганизмы должны быть обеспечены всеми необходимыми питательными веществами. Свежее сырьё должно подаваться в реактор небольшими порциями несколько раз в день. Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) 20- 40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. На выходе установки образуется два продукта: биогаз и субстрат (компостированный и жидкий). 

Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа газгольдере, в котором выравниваются давление и состав газа. Из газгольдера идет непрерывная подача газа в газовый двигатель генератор. Здесь уже производится тепло и электричество.  При необходимости биогаз дочищается до природного газа (95% метана) после такой очистки, полученный газ — аналог природного газа (90-95 % метана Ch5). Отличие только в его происхождении. 

Биогазовые установки работают 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, круглый год. Такой режим работы является еще одним их преимуществом. Всей системой управляет система автоматики. Для управления достаточно всего один человек два часа в день. 

Этот сотрудник ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера, а также работает на тракторе для подачи биомассы. После 2-х недельного обучения на установке может работать человек без особых навыков, т.е. со средним или средним специальным образованием.  

ВЫГОДЫ

• Биогаз.
• Собственная биоэнергетическая станция.
• Правильная утилизацию органических отходов. Отходы в доходы!
• Биоудобрения. При использовании удобрений, полу­ченных на биогазовых установках, уро­жайность может быть повышена на 30-­50%. Обычный навоз, барду или другие отходы нельзя эффективно использовать в качестве удобрения 3-5 лет. При исполь­зовании же биогазовой установки биоот­ходы перебраживают и, переброженная масса тут же может использоваться как высокоэффективное биоудобрение. Переброженная масса — это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения, лишенные нитри­тов, семян сорняков, патогенной микро­флоры, яиц гельминтов, специфических запахов. При использовании таких сба­лансированных биоудобрений урожай­ность значительно повышается.  
• Электроэнергия. Установив био­газовую установку, предприятие бу­дете иметь свою, по сути, бесплатную электроэнергию, а значит, существен­ное снижение себестоимости продук­ции, что в свою очередь позволит пос­леднему получить дополнительные конкурентные преимущества. 
• Тепло. Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно ис­пользовать для обогрева предпри­ятия, теплиц, технологических целей, полу­чения пара, сушки семян, сушки дров, получения кипяченой воды для содер­жания скота. Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства. Проект окупается за счет уменьшения себестоимости производимой предприятием продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений.  
• Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства. Уменьшение энергетической зависимости, умень­шение выбросов парниковых газов, уменьшение загрязнения окружа­ющей среды отходами сельскохозяйс­твенного производства, отсутствие на предприятии неприятного запаха.

Строительство биогазовой установки актуально не только для вновь создаваемых ферм, но и для старых. Ведь часто старые лагуны переполнены, и их ремонт требует значи­тельных средств. Если некоторые отходы можно просто хранить в отстойниках, то на утилизацию некоторых (например, на отходы бойни) необходимо затрачивать энергию и средства. Требования к площадке. Установка может располагаться на месте отстойников, лагун или старой свалки. Средние размеры площадки под установку 40х70 м.  

Цена биогазовой установки

Каждое предприятие индивидуально, поэтому в каждом случае финансовые затраты будут рассчитываться специалистами.  

Пример проекта

Мы приводим пример средних затрат и доходов при установке биогазового оборудования.
Калькуляция затрат и доходов на примере биогазовой установки для спиртового завода. Стоимость установки 1280 тыс. евро. Все услуги и работы включены. Производительность по зерновой барде 100 т в сутки. 

Влажность сепарированной барды 70%. Средний срок окупаемости проекта 2-3 года. А при полном использовании возможностей установки окупаемость может быть 1,5-1,8 года.  Использование возможностей – это добавление коферментов, использование тепла в теплицах, продажа полностью всех производимых удобрений. 

Затраты на энергоносители – одна из основных статей издержек, которая существенно влияет на себестоимость продукции. Очистные сооружения потребляют около 50% энергии, а при постройке биогазовой установки происходит экономия этих 50%.  Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства. 

Проект окупается за счет уменьшения себестоимости продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений. Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства.

Затраты:					Евро.
Обслуживание реактора					32 000
Амортизационные расходы					27 800
Обслуживание электрогенератора					4 000
Электроэнергия (для случая, если производится только газ)					6 500
Оплата труда (с запасом берем 2 человека низкой квалификации)					7 000
Всего затрат за год					77 300
Доходы: 1. Продажа/использование газа (или электроэнергии как производной от газа) 2. Продажа/использование удобрений 3. Продажа квот СО2					Евро.
	Ед. изм.	Выход в час.	Выход за год.	Стоимость евро.	Общая сумма евро
Биогаз	м3	575	5 037 000	0,08	402 960
Гумус	тонн	0,616	5 400	80	432 000
Жидкие биоудобрения	м3	3,221	28 200	4	113 000
Квоты СО2	тонн		22 000	8	176 000
Общая прибыль					1 123 960
Чистая прибыль					1 046 660

Источник – Проспект компании «Биоэнергосила»

Материал подготовлен Шиловой Е.П.

Добыча угольного газа

Как можно добывать природный газ из угольных пластов
 

Предложения «Газпрома» о мерах по стимулированию добычи угольного газа

Перспективный газ

В недрах осваиваемых и перспективных угольных бассейнов сосредоточена не только значительная часть мировых ресурсов углей, но и их спутника — метана, масштабы ресурсов которого соизмеримы с ресурсами газа традиционных месторождений мира. Концентрация метана в смеси природных газов угольных пластов составляет 80–98%.

Научно обоснованная оценка роли угольных пластов как крупнейших мест накопления метана в земной коре открывает новые большие перспективы в увеличении ресурсов углеводородных газов. Метан, который является наиболее опасным спутником угля, становится ценным полезным ископаемым, подлежащим самостоятельной промысловой добыче или попутному извлечению в шахтах при комплексной поэтапной эксплуатации газоносных угольных месторождений.

Особенность разработки метаноугольных месторождений

Существуют два принципиально разных способа добычи угольного метана: шахтный (на полях действующих шахт) и скважинный.

Шахтный способ является неотъемлемой частью технологии подземной добычи угля — дегазации. Объемы получаемого метана при этом невелики, и газ используется, в основном, для собственных нужд угледобывающих предприятий непосредственно в районе угледобычи.

Скважинный способ добычи является промышленным. Метан при этом рассматривается уже не как попутный продукт при добыче угля, а как самостоятельное полезное ископаемое. Разработка метаноугольных месторождений с добычей метана в промышленных масштабах производится с применением специальных технологий интенсификации газоотдачи пластов (самые распространенные варианты — гидроразрыв пласта, закачка через скважину воздуха или воздухо-воздушной смеси, воздействие на пласт током).

Следует отметить, что для добычи метана пригодны далеко не все угли. Так, месторождения длиннопламенных бурых углей бедны метаном. Высокой концентрацией газа отличается уголь-антрацит, но его невозможно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости залежи. Самыми перспективными для добычи метана считаются угли, занимающие промежуточное положение между бурыми углями и антрацитом. Именно такой уголь залегает в Кузбассе, где, в рамках выполнения поручения Президента Российской Федерации, «Газпром» активно участвует в реализации инновационного проекта по добыче угольного газа.

Российские прогнозные ресурсы угольного метана

Прогнозные ресурсы метана в основных угольных бассейнах России оцениваются в 83,7 трлн куб. м, что соответствует примерно трети прогнозных ресурсов природного газа страны. Особое место среди угольных бассейнов России принадлежит Кузбассу, который по праву можно считать крупнейшим из наиболее изученных метаноугольных бассейнов мира. Прогнозные ресурсы метана в кузбасском бассейне оцениваются более чем в 13 трлн куб. м.

Данная оценка ресурсов углей и метана соответствует глубине 1800–2000 м. Большие глубины угольного бассейна сохраняют на отдаленную перспективу огромное количество метана, которое оценивается в 20 трлн куб. м. Такая сырьевая база Кузбасса обеспечивает возможность крупномасштабной добычи метана (вне шахтных полей) как самостоятельного полезного ископаемого.

Международный опыт добычи угольного газа

Необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждается опытом освоения метаноугольных промыслов в США, которые занимают лидирующее положение в мире по уровню развития «новой газовой отрасли». Также промышленная добыча метана из угольных пластов ведется в Австралии, Канаде и Китае.

Современный опыт добычи угольного газа в России

До недавнего времени в России метан из угольных пластов извлекался только попутно, на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 0,5 млрд куб. м метана в год.

В 2003 г. «Газпром» приступил к реализации проекта по оценке возможности промышленной добычи метана из угольных пластов в Кузбассе. Лицензией на поиск, разведку и добычу метана угольных пластов в пределах Южно-Кузбасской группы угольных месторождений обладает ООО «Газпром добыча Кузнецк» — первая и единственная компания в России, добывающая метан угольных пластов. Компания разрабатывает два метаноугольных промысла, площадь лицензионного отвода составляет 6 тыс кв. км до глубины 2 км, оценка ресурсов метана угольных пластов — 5,7 трлн куб. м.

Стабильный уровень добычи метана угольных пластов в Кузбассе планируется в объеме 4 млрд куб. м в год. В долгосрочной перспективе — 18–21 млрд куб. м в год.

Талдинское месторождение

В 2005 году на Талдинском месторождении был создан научный полигон по отработке технологии добычи метана из угольных пластов. Здесь учеными АО «Газпром промгаз» была разработана технология добычи угольного газа. На весь технологический цикл — от разведки угольного газа до его использования — получен 31 патент международного и российского образца. При этом две трети оборудования, применяющегося при реализации экспериментального проекта, — отечественного производства.

В 2008–2009 годах на восточном участке Талдинского месторождения было пробурено восемь скважин. В 2010 году началась пробная эксплуатация разведочных скважин с подачей газа на автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. В результате пробной эксплуатации были получены необходимые параметры для перевода ресурсов метана в запасы промышленных категорий, отработаны технологии освоения скважин, сбора и подготовки газа, необходимые для разработки первоочередных участков и площадей в Кузбассе.

12 февраля 2010 года «Газпром» запустил на Талдинском месторождении первый в России промысел по добыче угольного газа.

Утвержденные запасы метана по Талдинскому промыслу составляют 74,2 млрд куб. м (в том числе 4,77 млрд куб. м категории С1 и 69 млрд куб. м категории С2). В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся 6 эксплуатационных скважин.

В 2014 году на Талдинском промысле было добыто 2,8 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — почти 16 млн куб. м.

В декабре 2010 и феврале 2011 были введены в эксплуатацию две газопоршневые электростанции (ГПЭС), работающие на метане угольных пластов на Талдинском месторождении. Ввод двух ГПЭС позволил подать электроэнергию на подстанцию Талдинского угольного разреза, на строящиеся шахты «Жерновская-1» и «Жерновская-3», а также обеспечить электроэнергией газовые промыслы на Талдинском месторождении и Нарыкско-Осташкинской площади.

«Газпром» также приступил к освоению Нарыкско-Осташкинской площади Южно-Кузбасской группы месторождений. Ресурсы метана площади предварительно оцениваются в 800 млрд куб. м.

В 2014 году на этом промысле было добыто 4,5 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — 9,4 млн куб. м.

Новый вид полезного ископаемого

В ноябре 2011 года метан угольных пластов был признан самостоятельным полезным ископаемым и внесен в Общероссийский классификатор полезных ископаемых и подземных вод.

Объективные причины необходимости добычи угольного газа в России

Благоприятные геологические особенности и условия газоносности угольных бассейнов в России являются объективной предпосылкой организации, прежде всего, в Кузбассе, а затем и в других угольных бассейнах, широкомасштабной добычи метана как самостоятельного полезного ископаемого.

Необходимость организации метаноугольных промыслов в Кузбассе обусловлена следующими факторами:

• наличием крупномасштабных залежей метана в угольных бассейнах России;
• наличием современных передовых эффективных технологий промысловой добычи метана из угольных пластов, широко применяемых в последние годы за рубежом;
• наличием в России научно-технического потенциала, способного координировать и осуществлять научные разработки по данной теме.

Среди регионов России, не обеспеченных в достаточном объеме газовым топливом, ряд угледобывающих регионов мог бы полностью покрыть свои потребности в газе за счет широкомасштабной добычи метана из угольных пластов. Кроме того, добыча и использование газа улучшит экологическую обстановку в углепромышленных районах, снизит газоопасность добычи угля в будущих шахтах и создаст новые рабочие места на газовых промыслах и газоперерабатывающих предприятиях.

Производство биогаза | Биогаз в России. Биогазовые установки. Компания Биокомплекс

Производство биогаза — технология, за которой будущее

Использование биогаза человечеством имеет давнюю историю. Более двух тысяч лет назад, по свидетельству Геродота, древнегерманские племена, живущие в заболоченных местностях, использовали выделяющийся болотный газ для своих нужд, подводя его к своим жилищам по кожаным трубам. Чтобы процесс выработки газа не прекращался, они периодически сбрасывали в болото шкуры убитых животных и бытовые отходы. Научная европейская мысль зафиксировала выделение горючего газа разлагающейся органикой в XVII веке, а появление первых биогазовых установок относится ко второй половине XIX века.

В настоящее время наибольшее количество биогаза производится в энергетически бедных странах, однако, исходя из очевидных выгод его получения и использования, популярность установок, перерабатывающих органику в горючий газ, растет и у нас. Несмотря на многочисленные препятствия, вызванные как недостатком финансовых средств, так и инерционностью мышления отдельных руководителей, биогазовые станции понемногу завоевывают популярность среди предпринимателей.

Что такое биогаз?

Биогаз образуется в результате разложения анаэробными бактериями органических соединений и является смесью метана и углекислого газа. В зависимости от используемого в процессе брожения сырья, процент метана в биогазе варьируется от 50 % (из навоза крупного рогатого скота) до 85 % (из жировых отходов).

В качестве сырья для производства биогаза используются пищевые отходы, кормовые остатки, навоз свиней, КРС и птицы, отходы предприятий пищевой промышленности, а также специально выращиваемые энергетические растения (рапс, подсолнечник, кукуруза, свекла и т. д.), их ботва и солома, опилки, силос и многое другое, вплоть до опавших листьев и другого органического мусора. Любые отходы растительного и животного происхождения можно использовать для получения биогаза. Применительно к использованию биогазовых установок для переработки отходов животноводческих ферм, можно утверждать, что содержание одной коровы обеспечит производство 2,5 куб. м биогаза в сутки, одного откормочного быка — 1,6 куб. м, свиньи — 0,3 куб. м, курицы или утки — 0,02 куб. м.

Как получают биогаз?

Для получения биогаза измельченные и увлажненные органические отходы закладывают в емкость, называемую реактором или анаэробной колонной, где они подвергаются процессу сбраживания метановыми анаэробными (живущими без доступа воздуха) бактериями. Жизнедеятельность метановых бактерий требует соблюдения определенных условий: в реакторе необходимо поддерживать комфортную для них температуру (40–70 градусов Цельсия) и периодически перемешивать питательную смесь, способствуя распределению бактерий по всему пространству реактора.

Чем мельче частицы органики, тем легче идет процесс брожения, поэтому перед закладкой в реактор любое органическое сырье необходимо измельчать до однородного состояния (гомогенизировать). Облегчает переработку и увеличивает выход газа использование энзимов, а также постоянное перемешивание массы с помощью различных средств, в том числе жидкостных либо ультразвуковых кавитаторов. Из одного килограмма сухого сырья на современной биогазовой станции можно получить 350–500 литров биогаза.

Как используют производство биогаза?

1. Для обогрева помещений. Отопительный котел на биогазе позволит отапливать производственные помещения предприятия или фермы, а также близлежащие жилые дома. Некоторая часть газа (зимой — около 15 %) расходуется на поддержание оптимальной температуры для брожения массы в реакторе.
2. Для производства электроэнергии. Газогенератор, смонтированный в комплексе биогазовой установки, даст возможность получать около 2 кВт электроэнергии из 1 куб. м биогаза.
3. Для получения биогаза с целью использования его как топлива для автомобилей, а также для сжижения излишков и реализации другим потребителям.
4. Для производства высококачественных органических удобрений. Твердый остаток, получаемый после окончания процесса брожения, является прекрасным удобрением, эффективным и лишенным неприятного запаха. Его использование повышает урожай сельскохозяйственных культур более чем вдвое.
5. Для экологически чистой утилизации отходов. Фекалии животных и птицы, отходы предприятий пищевой промышленности, будучи захороненными на полигоне для отходов, загрязняют окружающую среду и издают неприятный запах. Процесс разложения, происходящий в биогазовых реакторах, нейтрализует токсины и делает оставшуюся массу безопасной для природной среды.

Преимущества биогазовых станций

Энергетическое: станция дает возможность организовать собственное отопление и освещение промышленного или сельскохозяйственного предприятия. Особенно важно это в удаленных районах, где прокладка электрических сетей и централизованного отопления экономически невыгодна — в этом случае биогазовая установка обеспечит предприятие и прилегающий жилой район светом и теплом.

Экономическое: использование биогаза дает возможность существенно снизить затраты на энергообеспечение и на утилизацию отходов.

Экологическое: нейтрализуется вред, наносимый сельскохозяйственными или промышленными отходами окружающей среде, снижаются выбросы метана в атмосферу. Сохраняется чистота грунтовых вод, которые нередко используются как источник питьевой воды в данной местности.

Географическое: станция может быть построена в любом, даже самом отдаленном и недоступном районе и в любой климатической зоне, основным условием ее строительства является доступность органического сырья для производства биогаза.

Инфраструктурное: строительство станции дает возможность для поддержания и развития энергетической и коммунальной инфраструктур.

Социальное: помимо производственных зданий, возможно снабжение теплом и электроэнергией социально-бытовых и культурных объектов: жилых зданий, детских учреждений, больниц, магазинов, домов отдыха, клубов и т. д.

Производство метана из промышленной конопли | Адамовичc

1. Kortekaas S. Contribution of extractives to methanogenic toxicity of hemp black liquor. Journal of Fermentation and Bioengineering. 1995. 80(4). 383-388 (In English).

2. Feasibility of Industrial Hemp Production in the United States Pacific Northwest. Oregon State Universit. Online: www.extension.oregonstate.edu/catalog/html/sb/sb681/ (In English).

3. Baader W., Dohne E., Brenndörfer M. Biogas in Theorie und Praxis. Darmstadt: Kranichstein. 1982. 148 (In German).

4. Angelidaki I., Alves M., Bolzonella D., Borzacconi L., Campos J.L., Guwy A.J., Kalyuzhnyi S., Jenicek P., Lier J.B. Deɦning the biomethane potential (bmp) of solid organic wastes and energy crops: a proposed protocol for batch assays. Water Science & Technology. 2009. 59(5). 927-934 (In English).

5. Lin J.G., Ma Y.S., Chao A.C., Huang C.L. BMP test on chemically pretreated sludge. Bioresour. Technol. 1999. 68(2). 187-192 (In English).

6. DubrovskisV., Plūme I., Koteļeņecs V., Zabarovskis E. Biogas production and biogas potential from agricultural biomass and organic residues in Latvia. Engineering for rural development. 2011. Vol. 10. 566-571 (In English).

7. Fernandez B., Porrier P., Chamy R. Effect of inoculumsubstrate ratio on the start-up of solid waste anaerobic digesters. Water Science & Technology. 2001. 44(4). 103-108 (In English).

8. Leitfaden Biogas. Von der Gewinnung zur Nutzung. Online: http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_208-leitfaden_biogas_2010_neu.pdf (In German).

9. Joy J.E., Stanley J., Watson S.J., John A., Benson J.R. Marijuana and Medicine: Assessing the Science Base. Washington D.C: National Academy of Sciences Press. 1999. 256 (In English).

10. Kamat J., Roy D.N.M, Goel M.K.M Effect on harvesting age on the chemical properties of hemp plants. Journal of Wood Chemistry and Technology. 2002. N22(4). 285-293 (In English).

11. Struik P.C., Amaducci S., Bullard M.J., Stutterheim N.C., Venturi G., Cromack H.T.H. Agronomy of fibre hemp (Cannabis sativa L.) in Europe. An International Journal Industrial Crops and Products. 2000. 11. 107-118 (In English).

12. Thomas P., Svensson S., Andersson A., Mattsson J.E. Energy balances for biogas and solid biofuel production from industrial hemp. Biomass and Bioenergy. 2011. 35(7). 3040-3049 (In English).

13. Projektes „Handreichung Biogasgewinnung und-nutzung“, Leitfaden Biogas. Von der Gevinnung zur Nutzung. 2010. 267 (In German).

14. Adamovičs A., Dubrovskis V., Plūme I., Jansons Ā., Lazdiņa D., Lazdiņš A., Biomasas izmantošanas ilgtspējības kritēriju pielietošana un pasākumu izstrāde [Criteria for biomass use sustainability and development of measures]. Rīga: Vides projekti. 2009. 125-159 (In Latvian).

15. Pakarinen A., Maijala P., Stoddard F., Santanen A., Kymalainen M., Viikari L. Evaluation of annual bioenergy crops in the Boreal zone for biogas and ethanol production. Biomass and Bioenergy. 2011. 35(7). 3071-3078 (In English).

Получение биогаза

Биогаз получают путем переработки различных видов органических отходов.

Биогаз — это возобновляемое и экологически чистое топливо, изготовленное из 100% местного сырья, которое подходит для различных областей применения, включая топливо для автомобильного транспорта и промышленного использования. Влияние производства биогаза на круговую экономику еще более усиливается за счет органических питательных веществ, извлекаемых в процессе производства.

Получение биогаза осуществляется из широкого спектра сырья. Наибольшую роль в процессе производства биогаза играют микробы, питающиеся биомассой.

Сбраживание, осуществляемое микроорганизмами, приводит к образованию метана, который можно использовать локально или преобразовывать в биогаз, эквивалентный по качеству природному газу, что позволяет транспортировать биогаз на большие расстояния.

Этапы получения биогаза

Получение биогаза происходит с использованием устоявшейся технологии, включающей несколько этапов:

1. Биологические отходы измельчают на более мелкие кусочки и суспендируют, чтобы подготовить их к процессу анаэробного сбраживания. Суспендирование означает добавление жидкости в биоотходы для облегчения обработки.
2. Микробам нужны теплые условия, поэтому биоотходы нагреваются примерно до 37 °C.
3. Фактическое производство биогаза происходит посредством анаэробного сбраживания в больших резервуарах в течение примерно трех недель.
4. На заключительной стадии, газ очищается путем удаления примесей и углекислого газа.

После этого биогаз готов к использованию предприятиями и потребителями, например, в сжиженном виде или с последующей закачкой в сеть газопроводов

Характеристики и свойства биогаза

Биогаз, полученный в процессе сбраживания, состоит в среднем из:

• 50-80% метана
• 15-45% углекислого газа
• 5% другие газы (в основном водород и азот)

Превращение разнообразных материалов в газ

Получение биогаза начинается с прибытия сырья на биогазовую установку. Можно использовать разнообразные виды как твердого, так и шлакоподобного сырья.

Материалы, пригодные для получения биогаза, включают в себя:

• биоразлагаемые отходы предприятий и промышленных объектов, такие как излишки лактозы от производства безлактозных молочных продуктов;
• испорченные продукты из магазинов
• биоотходы, произведенные потребителями
• шлам от очистных сооружени
• навоз и полевая биомасса от сельского хозяйства

Материал обычно доставляется в приемную яму биогазовой установки на грузовике или транспортном средстве для утилизации отходов.

Доставка твердых веществ, таких как биоотходы, далее будет подвержена дроблению, чтобы сделать консистенцию как можно более равномерной. В этот момент вода, содержащая питательные вещества, полученные на следующей стадии производственного процесса, также смешивается с исходным сырьем, чтобы снизить содержание твердого вещества примерно до одной десятой от общего объема.

Это также происходит, когда от смеси отделяются нежелательные не биоразлагаемые отходы, такие как упаковочная пластмасса устаревших пищевых отходов из магазинов. Эти отходы доставляются на очистные сооружения, где они используются для выработки тепла и электроэнергии. Биомасса, прошедшая через суспензию, объединяется с биомассой, подаваемой в виде суспензии на биогазовую установку, и перекачивается в резервуар предварительного варочного котла, где ферменты, выделяемые бактериями, расщепляют биомассу до еще более тонкой консистенции.

Затем биомасса санируется перед поступлением в собственно биогазовый реактор (варочный котел). При дезинфекции любые вредные бактерии, обнаруженные в материале, удаляются путем нагревания смеси до температуры выше 70 °C в течение одного часа. После дезинфекции масса закачивается в главный реактор, где получается биогаз. Дезинфекция позволяет использовать продукт удобрения в сельском хозяйстве.

Превращение микробов биомассы в газ

В биогазовом реакторе начинается микробиологическое действие, и биомасса вступает в постепенный процесс ферментации.

На практике это означает, что микробы питаются органическими веществами, такими как белки, углеводы и липиды, и их переваривание превращает их в метан и углекислый газ.

Большая часть органического вещества распадается на биогаз — смесь метана и углекислого газа — примерно за три недели. Биогаз собирается в сферическом газовом держателе сверху биогазовых реакторов.

Дигестат используется в качестве удобрения или садовой почвы

Остаточные твердые вещества и жидкости, образующиеся при получении биогаза, называются дигестатом. Дигестатпоступает в реактор после варочного котла и оттуда далее в резервуары для хранения. Дигестаты хорошо подходят для таких применений, как удобрение полей.

Также Дигестаты могут быть центрифугированы для разделения твердой и жидкой частей.

Твердые дигестаты используются, например, в качестве удобрений, в сельском хозяйстве или в озеленении, а также могут превращаться в садовую почву в процессе созревания с использованием компостирования.

Дигестаты центрифугируют для получения достаточного количества технологической воды для суспендирования биологических отходов в начале процесса. Это помогает сократить использование чистой воды. Центрифугированная жидкость богата питательными веществами, в частности азотом, которые могут быть дополнительно отделены с помощью таких методов, как технология отгонки, и использованы в качестве удобрений или источников питательных веществ в промышленных процессах.

Чистый биогаз помогает двигаться к низкоуглеродистому обществу

Газ уже был бы готов к нескольким применениям прямо из держателя газа биогазовой установки. Однако перед впрыском в сеть газопроводов или в качестве топлива для транспортных средств он все равно будет подвергаться очистке.

В этом процессе модернизации газ фильтруется и подается в колонны, где он очищается каскадной водой при очень определенных давлении и температуре. Вода эффективно поглощает содержащиеся в газе соединения углекислого газа и серы.

Биогаз также может быть очищен с использованием других методов, таких как пропускание через фильтры с активированным углем для удаления примесей.

Конечный модернизированный биогаз, закачиваемый в газовую сеть, составляет не менее 95% и обычно около 98% метана. Модернизированный биогаз все еще содержит пару процентов углекислого газа, поскольку его дальнейшее отделение от метана неэффективно с экономической точки зрения, не говоря уже о целесообразности использования газа. Биогаз тщательно высушивают перед впрыском в газовую сеть, чтобы предотвратить конденсацию в зимних отрицательных условиях.

Полученный биогаз может быть использован для таких целей, как заправка муниципальных транспортных средств для утилизации отходов, городских автобусов или частных автомобилей. В то же время газ служит доказательством тех практических действий, которые ведут нас к низкоуглеродному обществу будущего.

 Решения для активной дегазации полигонов ТБО

В России запустили производство белка из метана

https://ria.ru/20201020/bioprotein-1580604089.html

В России запустили производство белка из метана

В России запустили производство белка из метана — РИА Новости, 20.10.2020

В России запустили производство белка из метана

В Москве заработала опытно-промышленная установка по производству биотехнологического кормового белка. По итогам испытаний технологию адаптируют к масштабам… РИА Новости, 20.10.2020

2020-10-20T11:52

2020-10-20T11:52

2020-10-20T14:59

наука

инновации в медицине и биотехнологиях

здоровье

биология

иннопрактика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn23.img.ria.ru/images/07e4/0a/13/1580445584_0:170:682:554_1920x0_80_0_0_20c43ee4367a651aea30b13493b08a43.jpg

МОСКВА, 20 окт — РИА Новости. В Москве заработала опытно-промышленная установка по производству биотехнологического кормового белка. По итогам испытаний технологию адаптируют к масштабам рынка. Это позволит снизить зависимость животноводства от импортной сои, обеспечить корма более питательными и качественными добавками. Выпуском нового продукта займется ООО «Биопрактика», учрежденное «Иннопрактикой» совместно с АО «Дукс».Проблема стартовых кормовМолодые особи сельскохозяйственных животных (рыб, птиц, жвачных, свиней) должны получать необходимое количество белка определенного состава. Растительного белка недостаточно. Организм усваивает его не полностью, нуждаясь в дополнительном источнике энергии. А если молодняк не докармливать, то он не достигнет нужных размеров, даст мало мяса и разводящее его предприятие упустит прибыль. Эта проблема остро обозначилась в середине прошлого века, когда правительства столкнулись с нехваткой продовольствия для растущего населения. Решением стали добавки в стартовые корма высококонцентрированного белка, главным образом из рыбной муки, сои, молочной сыворотки. В сельском хозяйстве такая схема кормления стала стандартом. Рыбную муку получают из рыбы, отходов рыбного промысла, биомассы морских беспозвоночных. Флотилии наращиваются, активно осваивая океаны, но их ресурсы не бесконечны. Соя же стала экспортным товаром, поскольку не всякий климат подходит для ее выращивания. В СССР для нее пригодны только территории на Дальнем Востоке и в Краснодарском крае, что не покрывает потребности внутреннего спроса. В результате в странах, столкнувшихся с дефицитом животного кормового белка, параллельно начали развивать биотехнологические методы. Альтернативный источник питательного белкаОколо шестидесяти лет назад ученые открыли, что белок можно получать из дрожжей и бактерий, питающихся углеводородами. Преимущества огромны. Выращивать микроорганизмы можно круглый год, что снимает проблемы с хранением, порчей продукта, а также фальсификатом. Белка в микробной биомассе в среднем 75 процентов, по составу аминокислот он близок к молочному, обогащен витаминами и микроэлементами, легко и полностью усваивается.Чтобы наладить промышленное производство микробного белка, в СССР создали соответствующее министерство. Один из основных заводов располагался в Светлом Яре. Там выпускали белок из дрожжей рода Candida. Дрожжи росли в реакторе, питаясь продуктами нефтепереработки — парафинами. Отсюда торговое название продукта — паприн (парафин + протеин.)Производство паприна сопровождалось рядом экологических проблем, что привело к созданию технологии получения белка из метанокисляющих бактерий вида Methylococcus capsulatus. Торговое название — гаприн (газ + протеин). Его производство было лишено недостатков папринового.В Советском Союзе в год выпускали порядка миллиона тонн микробного белка, восполняя дефицит добавок для стартовых кормов. По сути, любой родившийся до перестройки так или иначе употреблял в пищу мясо животных, выращенное на этих продуктах. Однако в 1990-е экологи добились закрытия всех этих заводов. «На рынке наступила пауза, никто не шел в эти проекты. Эксперты пришли к выводу, что здесь не обошлось без соевого лобби. Производители соевого белка делали все, чтобы их продукт был единственно доступным для кормовиков. В итоге такие наукоемкие проекты, как производство биопротеина, долгое время не могли найти достаточно инвестиций», — рассказывает РИА Новости эксперт в области биотехнологий Максим Захарцев.Кормовики оказались меж двух огней: с одной стороны, производство мяса нужно удешевлять, часто за счет кормов, с другой — следовать стандарту. Сои и рыбной муки уже недостаточно для отечественного животноводства, стремящегося к высокому качеству продуктов, продовольственной безопасности и ресурсосбережению. Поэтому производство биопротеина получило стимул к развитию, тем более что основные технологические проблемы решили еще в конце XX века. «В Европе и России на этом поле сейчас конкурируют несколько компаний. Мировой рынок пока не захвачен, но ситуация динамичная. Запущенный в Москве проект предлагает новые технологические решения», — отмечает Захарцев.Преимущества биопротеинаСхема производства биопротеинов в общих чертах такова. Бактерии выращивают в больших емкостях — реакторах, где создают жидкую среду, насыщенную необходимыми солями, микроэлементами, кислородом (для окислительно-восстановительных реакций) и метаном — источником энергии для микроорганизмов. «Они питаются метаном, а живут в жидкой среде. Этот газ гидрофобный, он плохо растворяется в воде. Обеспечить хороший массообмен — выровнять условия во всем объеме реактора — очень сложно, для этого требуются современные научные подходы», — объясняет Максим Захарцев. В хороших условиях бактерии быстро размножаются, заполняют реактор, их достают, термически обрабатывают, высушивают и из полученного порошка прессуют гранулы. Продукт уже очищен, поскольку ростовой субстрат (то есть метан) в нем не удерживается. Абгаз собирают и пускают в новый цикл производства. «Микробный кормовой белок — это экологически чистый продукт, его производство не требует больших площадей, не зависит от климатических условий, и по аминокислотному составу он превосходит существующие аналоги. Реализация проекта по выпуску биопротеина значительно улучшит ситуацию в животноводческом секторе», — цитирует «Иннопрактика» слова заместителя исполнительного директора Дмитрия Зайцева.Выход на новый уровень»Российским предприятием ООО «Биопрактика» при поддержке АО «Дукс» и негосударственного института развития «Иннопрактика» разработана улучшенная технология получения протеина с использованием метана», — говорит в официальном сообщении генеральный директор «Биопрактики» Станислав Новиков. «Биопрактика» пошла уникальным путем, взяв все лучшее от советской и западной науки и добавив свои оригинальные решения. Они сделали шаг вперед к достижению промышленной технологии. Их решения более экономичны с точки зрения обеспечения всех процессов. Запуск опытно-промышленной установки подтвердит экономическую эффективность эксплуатации реактора, и затем можно приступать к масштабированию», — добавляет Захарцев. Эта технология позволит снизить импорт белка, даст дополнительные стимулы к развитию отечественного животноводства и позволит обеспечить население качественными и безопасными продуктами питания, отмечают в «Иннопрактике». Важно также то, что заводы биопротеина расширяют круг внутреннего рынка сбыта отечественного природного газа.

https://ria.ru/20191205/1561964538.html

https://ria.ru/20180417/1518782287.html

https://ria.ru/20171208/1510547170.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn24.img.ria.ru/images/07e4/0a/13/1580445584_0:106:682:618_1920x0_80_0_0_2eb460382c791f3bb53db25caf2c9404.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

инновации в медицине и биотехнологиях, здоровье, биология, иннопрактика

МОСКВА, 20 окт — РИА Новости. В Москве заработала опытно-промышленная установка по производству биотехнологического кормового белка. По итогам испытаний технологию адаптируют к масштабам рынка. Это позволит снизить зависимость животноводства от импортной сои, обеспечить корма более питательными и качественными добавками. Выпуском нового продукта займется ООО «Биопрактика», учрежденное «Иннопрактикой» совместно с АО «Дукс».

Проблема стартовых кормов

Молодые особи сельскохозяйственных животных (рыб, птиц, жвачных, свиней) должны получать необходимое количество белка определенного состава. Растительного белка недостаточно. Организм усваивает его не полностью, нуждаясь в дополнительном источнике энергии. А если молодняк не докармливать, то он не достигнет нужных размеров, даст мало мяса и разводящее его предприятие упустит прибыль.

Эта проблема остро обозначилась в середине прошлого века, когда правительства столкнулись с нехваткой продовольствия для растущего населения. Решением стали добавки в стартовые корма высококонцентрированного белка, главным образом из рыбной муки, сои, молочной сыворотки. В сельском хозяйстве такая схема кормления стала стандартом.

Рыбную муку получают из рыбы, отходов рыбного промысла, биомассы морских беспозвоночных. Флотилии наращиваются, активно осваивая океаны, но их ресурсы не бесконечны. Соя же стала экспортным товаром, поскольку не всякий климат подходит для ее выращивания. В СССР для нее пригодны только территории на Дальнем Востоке и в Краснодарском крае, что не покрывает потребности внутреннего спроса. В результате в странах, столкнувшихся с дефицитом животного кормового белка, параллельно начали развивать биотехнологические методы. 5 декабря 2019, 10:03НаукаУченые назвали точки роста рынка биотехнологий в России

Альтернативный источник питательного белка

Около шестидесяти лет назад ученые открыли, что белок можно получать из дрожжей и бактерий, питающихся углеводородами. Преимущества огромны. Выращивать микроорганизмы можно круглый год, что снимает проблемы с хранением, порчей продукта, а также фальсификатом. Белка в микробной биомассе в среднем 75 процентов, по составу аминокислот он близок к молочному, обогащен витаминами и микроэлементами, легко и полностью усваивается.

Чтобы наладить промышленное производство микробного белка, в СССР создали соответствующее министерство. Один из основных заводов располагался в Светлом Яре. Там выпускали белок из дрожжей рода Candida. Дрожжи росли в реакторе, питаясь продуктами нефтепереработки — парафинами. Отсюда торговое название продукта — паприн (парафин + протеин.)

Производство паприна сопровождалось рядом экологических проблем, что привело к созданию технологии получения белка из метанокисляющих бактерий вида Methylococcus capsulatus. Торговое название — гаприн (газ + протеин). Его производство было лишено недостатков папринового.

17 апреля 2018, 08:00НаукаПластмасса вместо компоста: растительным отходам нашли применение

В Советском Союзе в год выпускали порядка миллиона тонн микробного белка, восполняя дефицит добавок для стартовых кормов. По сути, любой родившийся до перестройки так или иначе употреблял в пищу мясо животных, выращенное на этих продуктах. Однако в 1990-е экологи добились закрытия всех этих заводов.

«На рынке наступила пауза, никто не шел в эти проекты. Эксперты пришли к выводу, что здесь не обошлось без соевого лобби. Производители соевого белка делали все, чтобы их продукт был единственно доступным для кормовиков. В итоге такие наукоемкие проекты, как производство биопротеина, долгое время не могли найти достаточно инвестиций», — рассказывает РИА Новости эксперт в области биотехнологий Максим Захарцев.

Кормовики оказались меж двух огней: с одной стороны, производство мяса нужно удешевлять, часто за счет кормов, с другой — следовать стандарту. Сои и рыбной муки уже недостаточно для отечественного животноводства, стремящегося к высокому качеству продуктов, продовольственной безопасности и ресурсосбережению. Поэтому производство биопротеина получило стимул к развитию, тем более что основные технологические проблемы решили еще в конце XX века.

«В Европе и России на этом поле сейчас конкурируют несколько компаний. Мировой рынок пока не захвачен, но ситуация динамичная. Запущенный в Москве проект предлагает новые технологические решения», — отмечает Захарцев.8 декабря 2017, 20:05Республика ТатарстанВ Татарстане запустят первое в России производство биопротеина

Преимущества биопротеина

Схема производства биопротеинов в общих чертах такова. Бактерии выращивают в больших емкостях — реакторах, где создают жидкую среду, насыщенную необходимыми солями, микроэлементами, кислородом (для окислительно-восстановительных реакций) и метаном — источником энергии для микроорганизмов.

«Они питаются метаном, а живут в жидкой среде. Этот газ гидрофобный, он плохо растворяется в воде. Обеспечить хороший массообмен — выровнять условия во всем объеме реактора — очень сложно, для этого требуются современные научные подходы», — объясняет Максим Захарцев.

В хороших условиях бактерии быстро размножаются, заполняют реактор, их достают, термически обрабатывают, высушивают и из полученного порошка прессуют гранулы. Продукт уже очищен, поскольку ростовой субстрат (то есть метан) в нем не удерживается. Абгаз собирают и пускают в новый цикл производства.

«Микробный кормовой белок — это экологически чистый продукт, его производство не требует больших площадей, не зависит от климатических условий, и по аминокислотному составу он превосходит существующие аналоги. Реализация проекта по выпуску биопротеина значительно улучшит ситуацию в животноводческом секторе», — цитирует «Иннопрактика» слова заместителя исполнительного директора Дмитрия Зайцева.

Выход на новый уровень

«Российским предприятием ООО «Биопрактика» при поддержке АО «Дукс» и негосударственного института развития «Иннопрактика» разработана улучшенная технология получения протеина с использованием метана», — говорит в официальном сообщении генеральный директор «Биопрактики» Станислав Новиков.

«Биопрактика» пошла уникальным путем, взяв все лучшее от советской и западной науки и добавив свои оригинальные решения. Они сделали шаг вперед к достижению промышленной технологии. Их решения более экономичны с точки зрения обеспечения всех процессов. Запуск опытно-промышленной установки подтвердит экономическую эффективность эксплуатации реактора, и затем можно приступать к масштабированию», — добавляет Захарцев.

Эта технология позволит снизить импорт белка, даст дополнительные стимулы к развитию отечественного животноводства и позволит обеспечить население качественными и безопасными продуктами питания, отмечают в «Иннопрактике». Важно также то, что заводы биопротеина расширяют круг внутреннего рынка сбыта отечественного природного газа.

Коровий намордник, улавливающий метан, поможет спасти климат?

Сельскохозяйственный гигант Cargill Inc. начнет продавать метанопоглощающие носимые устройства для коров. Как сообщает агентство Bloomberg, они нейтрализуют метан, выделяемый животными в результате переваривания пищи.

Аксессуар в виде маски разработал британский стартап Zelp Ltd. Он утверждает, что таким образом есть возможность снизить выбросы метана более чем наполовину. Cargill заявила, что планирует начать предлагать устройства европейским молочным фермам в 2022 году. Компании еще не назначили цену, но Zelp сообщила, что годовая абонентская плата может начинаться примерно с 80 долларов за корову.

Около 95% газа от коров выделяется при отрыжке и через нос. За первые 25 лет пребывания в атмосфере метан улавливает в 80 раз больше тепла, чем углекислый газ. Носимые устройства Zelp, размещенные над пастью коров, действуют как каталитический нейтрализатор в автомобиле.

Вентиляторы, работающие от солнечных батарей, всасывают отрыгнутый газ и улавливают его в камере с фильтром, поглощающим метан. Когда фильтр насыщается, в результате химической реакции метан превращается в угарный газ, который затем выделяется.

Zelp работает над миниатюризацией технологии и оптимизацией процесса энергопотребления внутри устройства. Он ведет переговоры с рядом потенциальных партнеров-производителей и планирует подготовить серийное производство к концу года.

Фирма нацелена на производство 50 тыс изделий в первый год и до 200 тыс изделий в следующем году. Cargill ожидает, что носимые устройства поступят в продажу во второй половине будущего года после дополнительных испытаний.

Между тем результаты исследования, проведенного NASA, доказывают, что серьезный рост концентрации метана в атмосфере в последние годы нельзя списывать на скотоводство и испарения растущих “мерзлотных” болот. Более половины эмиссии этого парникового газа – на совести мировой топливной индустрии.

В итоговом докладе, опубликованном в журнале Nature Communications отмечается, что средний объем ежегодных выбросов метана составляет сейчас от 12 до 19 млн тонн в год. Ранее такой разброс объяснялся колебаниями численности крупного рогатого скота, особенно, коров. А также постепенным таянием вечной мерзлоты, приводящим к образованию больших болот, испаряющих метан.

Однако спутниковые исследования NASA показали, что выбросы метана от производства и использования углеводородов и угля повышаются быстрее, чем ранее считали. Так, например, эмиссия нефтедобывающей промышленности канадской Альберты оказалась на 25-50% выше, чем более ранние оценки.

Далее, спутники NASA обнаружили настоящий метановый “вулкан” на территории в 2,5 тыс квадратных миль, охватывающей части штатов Нью-Мексико, Колорадо, Юта и Аризона. Анализ показал, что эмитентом газа здесь также является нефтегазовое производство.

границ | Насколько низко вы можете опуститься: производство метана Methanobacterium congolense при низких концентрациях CO2

Введение

Метаногенные археи играют ключевую роль в производстве биогаза из анаэробных варочных котлов (AD), производя газовый продукт с 50–75% CH ₄ и 25–50% CO ₂ (Plugge, 2017). Метаногенные археи здесь продуцируют CH ₄ либо из H ₂ / CO ₂ (гидрогенотрофный метаногенез, 4H ₂ + CO ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O) или ацетат (ацетенцикластический метаногенез, CH ₃ COOH → CH ₄ + CO ₂ ).Гидрогенотрофные метаногены повсеместно распространены в естественной анаэробной среде, отличной от инженерных систем AD, например, в желудочно-кишечном тракте, затопленных почвах, бескислородных озерах и морских отложениях (Whitman et al., 2014). В анаэробных средах H ₂ является промежуточным продуктом, продуцируемым ферментативными и синтрофными бактериями, где он подвергается быстрому обороту и его концентрация чрезвычайно низка (Lin et al., 2012). Однако использование H ₂ в качестве донора электронов не ограничивается гидрогенотрофными метаногенами, а другими анаэробными микроорганизмами, например.g., сульфатредукторы и ацетогены конкурируют за доступный H ₂ с метаногенами в бескислородной среде (Robinson and Tiedje, 1984; Cordruwisch et al., 1988; Kotsyurbenko et al., 2001). Поэтому многие исследования были посвящены пониманию кинетики поглощения H ₂ гидрогенотрофных метаногенов либо чистыми культурами, либо целым микробным сообществом в пробах окружающей среды (например, Conrad, 1999; Kotsyurbenko et al., 2001; Eecke et al. , 2012, 2013).

В AD концентрация растворенного H ₂ обычно низкая [0.5–3 мкМ (Frigon and Guiot, 1995)]. Низкая концентрация H ₂ ограничивает производство метана посредством гидрогенотрофного метаногенеза, что было подтверждено многими исследованиями, посвященными обогащению биогаза путем закачки H ₂ непосредственно в AD (Luo and Angelidaki, 2012; Agneessens et al., 2017). Вышеупомянутые исследования показали, что добавление H ₂ к AD значительно увеличивает концентрацию метана в биогазе, одновременно снижая концентрацию CO ₂ — процесс, известный как биометанирование.

Посредством биометанирования концентрация CH ₄ повышается до уровня качества природного газа (> 95%), и, таким образом, этот процесс резко изменяет стандартные рабочие условия в AD, поскольку концентрация CO ₂ соответственно снижается до менее 5%. . Такая низкая концентрация CO ₂ редко наблюдается в естественных анаэробных средах, где присутствуют метаногены, поэтому неясно, влияет ли такая низкая концентрация CO ₂ на активность гидрогенотрофных метаногенов.Однако известно, что CO ₂ является важным субстратом для гидрогенотрофных метаногенов, поскольку он служит как акцептором электронов для производства энергии, так и (единственным) источником углерода для биосинтеза по пути Вуда-Люнгдаля (Berg, 2011; Borrel et al. , 2016). Насколько нам известно, в литературе имеются ограниченные сведения о кинетике поглощения метаногенов CO ₂ . Тем не менее, понимание кинетики поглощения метаногенов CO ₂ может, следовательно, иметь решающее значение при рассмотрении концепции биометанирования, которая направлена ​​на повышение концентрации CH ₄ в биогазе до> 95% за счет потребления CO ₂ до такой низкой концентрации, как возможный.

Предыдущая работа дает некоторое представление об ограничении скорости потребления CO ₂ и скорости метаногена при низких концентрациях CO ₂ во время биометанирования (Luo et al., 2012; Garcia-Robledo et al., 2016; Agneessens et al., 2017) ). Здесь было показано, что скорость потребления H ₂ снижалась, когда концентрации CO ₂ в свободном пространстве были ниже 12% во время экспериментов с периодической импульсной инъекцией H ₂ в биореакторах (Agneessens et al., 2017), в то время как ингибирование H _{2 Уровень потребления} был обнаружен, когда концентрация CO ₂ была ниже 6% в образцах метаногенного навоза (Garcia-Robledo et al., 2016). Таким образом, эти результаты показывают, что скорость поглощения CO ₂ и скорость метаногенеза ограничены при низких концентрациях CO ₂ с большими последствиями для ограничений технологии биометанирования. Однако точное влияние CO ₂ на метаногенную активность не было четко отражено в этих исследованиях, поскольку они проводились на сложных микробных сообществах, которые включают как потребителей, так и производителей CO ₂ , включая гомоацетогены, которые конкурируют с метаногенами за H _{. 2} и CO ₂ .Следовательно, полное понимание кинетики метаногенной реакции при низких концентрациях CO ₂ представляется необходимым для того, чтобы выяснить, при каких условиях скорость гидрогенотрофного метаногена будет снижена или даже подавлена ​​во время биометанирования. Это позволит нам оптимизировать эффективность биометанизации.

В этом исследовании мы представляем первое испытание по изучению кинетики поглощения CO ₂ гидрогенотрофного метаногена, Methanobacterium congolense , путем изучения его производства CH ₄ и скорости потребления CO ₂ при низких концентрациях CO ₂ . с излишком H ₂ .Мы выбрали для исследования модельный организм из рода Methanobacterium , поскольку было обнаружено, что количество метаногенов этого рода значительно увеличивается после импульсных инъекций H ₂ в реакторы с мезофильным илом (Agneessens et al., 2017). M. congolense использовался в качестве тестового штамма, потому что это мезофильный метаноген, первоначально выделенный из мезофильного анаэробного варочного котла, а также потому, что он использует исключительно H ₂ и CO ₂ в качестве субстратов для роста и производства метана (Cuzin et al. ., 2001).

Материалы и методы

Штаммы и питательная среда

Типовой штамм Methanobacterium congolense (DSM7095) был приобретен в Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ). Метаноген культивировали в газовой смеси H ₂ : CO ₂ (4: 1) при 37 ° C в универсальной среде для метаногенных архей на основе среды, разработанной Khelaifia et al. (2013), но добавляя только ацетат, формиат и NaHCO ₃ в качестве источника углерода.

Для кинетических исследований поглощения CO ₂ M. congolense была приготовлена ​​универсальная среда (pH 7) без каких-либо источников углерода, исключая добавление ацетата, формиата и NaHCO ₃ (далее по тексту как минеральная среда). Таким образом, газ CO ₂ , впрыскиваемый в свободное пространство в начале инкубации, был единственным источником углерода и акцептором электронов для M. congolense во время всех инкубаций. Чтобы минимизировать влияние pH за счет большого количества CO ₂ , вариант минеральной среды с более высокой буферной емкостью, в 10 раз выше K ₂ HPO ₄ (5.0 г / л) и в 5 раз выше KH ₂ PO ₄ (2,5 г / л), чем у минеральной среды, использовали для культур с высокой концентрацией CO ₂ (минеральная среда HBC, pH 7). M. congolense выполнял нормальный рост либо на среде, либо на минеральной среде HBC, как и в универсальной среде.

Экспериментальная установка

Были проведены две серии экспериментов по периодическому культивированию для определения кинетики поглощения CO ₂ M. congolense : длительное периодическое культивирование длилось около 1 недели, а краткосрочное периодическое культивирование длилось около 3 часов (см. Подробности ниже).Для обеих серийных культур M. congolense культивировали во флаконах для сыворотки емкостью 330 мл, заполненных 150 мл стерильной среды и закрытых пробками из бутилкаучука. Культуры переносили несколько раз либо в минеральную среду, либо в минеральную среду HBC перед экспериментами с периодическим культивированием, чтобы убедиться, что они адаптированы к среде.

Длительное периодическое культивирование

Серия емкостей для сыворотки емкостью 330 мл, заполненных 150 мл минеральной среды, была приготовлена ​​в асептических условиях для долгосрочного периодического культивирования.Во-первых, флаконы тщательно промывали стерильным газом H ₂ (фильтрация 0,22 мкм) через перегородки из бутилкаучука, и в конечном итоге поддерживали давление в свободном пространстве около 2 атмосфер. Различные объемы стерильного CO ₂ (фильтр с фильтром 0,22 мкм), 2, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36 и 40 мл, были впоследствии введены в свободное пространство для достижения различных CO. ₂ парциальное давление в баллонах. Мольная доля H ₂ : CO ₂ была выше 4: 1 во всех бутылях, поэтому H ₂ был избыточным.Бутылки инкубировали в течение ночи при 37 ° C при непрерывном встряхивании (90 об / мин), чтобы обеспечить разделение CO ₂ между газовой и жидкой фазами и растворение CO ₂ в воде до достижения равновесия перед началом эксперимента. После инкубации в течение ночи в каждой бутылке измеряли давление в свободном пространстве и определяли состав газа с помощью газовой хроматографии (ГХ). Основываясь на давлении и составе газа, было рассчитано парциальное давление CO ₂ в свободном пространстве ( p CO ₂ ), которое было использовано для построения серии стандартных кривых для описания карбонатной системы в бутылях со стерильной средой (подробности см. Стандартные кривые).

В каждую из бутылей длительного хранения засевали 8 мл инокулята из культуры M. congolense с экспоненциальной фазой роста. Бутылки инкубировали при 37 ° C и встряхивали при 90 об / мин в течение примерно 1 недели. Во время инкубации контролировали давление в свободном пространстве и через равные промежутки времени отбирали 1 мл свободного пространства для анализа состава газа. Один раз в день в асептических условиях отбирали пробы из 2 мл среды для определения оптической плотности при 600 нм (OD600) и измерения pH.

Эксперимент с краткосрочным периодическим культивированием

М.congolense инкубировали либо в минеральной среде, либо в среде HBC с газами 4: 1 H ₂ : CO ₂ в свободном пространстве. Когда метаногены достигли поздней фазы экспоненциального роста, на что указывает OD600, краткосрочные периодические культуры тщательно промывали стерильным газом H ₂ (фильтрация 0,22 мкм) через иглу, погруженную в жидкую фазу. Конечное давление H ₂ в свободном пространстве поддерживали на уровне около 2 атмосфер, чтобы обеспечить избыточное давление H ₂ .Затем в свободное пространство вводили разные объемы стерильного газа CO ₂ : 2, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 32 и 40 мл для бутылей с минеральной средой и 4, 12, 14, 20, 28 , 32, 40, 60, 80 и 90 мл для бутылей с минеральной средой HBC. Некоторые из описанных выше настроек были повторены для проверки воспроизводимости данных.

После закачки газа CO ₂ бутылки инкубировали в роторном инкубаторе (37 ° C, 90 об / мин) в течение примерно 1 часа, чтобы обеспечить разделение CO ₂ между газом и минеральной средой и растворение CO _{. 2} в среде для достижения равновесия.Давление в свободном пространстве и состав газа (CO ₂ и CH ₄ ) контролировали с интервалом 15-25 мин в течение 1,5-2 часов. В начале и в конце эксперимента из флакона в асептических условиях удаляли 2 мл жидкости для измерения OD600 и pH и 2 мл для определения численности клеток с помощью количественной ПЦР (qPCR). OD600 оставался почти постоянным во время эксперимента. pH в начале эксперимента варьировался в зависимости от количества CO ₂ , введенного во флакон. Максимальное изменение pH наблюдалось при введении 40 мл CO ₂ во флаконы с минеральной средой, где pH упал до 6.44, по сравнению с pH 7 перед добавлением CO ₂ . pH упал до 6,63 при введении 90 мл CO ₂ в бутылки с минеральной средой HBC.

Аналитические измерения

Давление свободного пространства контролировали датчиком давления газа во время инкубации. Состав газа в свободном пространстве (CO ₂ и CH ₄ ) был определен сразу на газовом хроматографе, оборудованном детектором теплопроводности (Shimadzu-2014) и колонкой из нержавеющей стали, заполненной колонкой Poropaq Q.Газ-носитель — гелий. OD600 измеряли на спектрофотометре Genesys 10 UV-VIS (ThermoFisher, США). pH измеряли с помощью pH-метра B-71X (Horiba, Kyoto, Japan).

Оценка изобилия клеток

Жидкие образцы для определения количества клеток мгновенно замораживали жидким азотом и хранили при -20 ° C до анализа. ДНК экстрагировали с помощью набора FastDNA (MP Biomedicals, LLC), и количественную ПЦР выполняли для количественной оценки численности клеток с использованием пары праймеров архейной 16S рРНК – arc806F и arc915r-mod (Chen et al., 2017). Численность клеток M. congolense оценивалась путем деления копий гена 16S с коэффициентом 3, поскольку геном M. congolense содержит три копии гена 16S рРНК (Tejerizo et al., 2017).

Расчет карбонатной системы

Стандартные кривые

После измерений в долгосрочной периодической культуре были построены стандартные кривые со стерильной средой для расчета карбонатной системы. В условиях газожидкостного равновесия газ CO ₂ , впрыскиваемый в бутылки емкостью 330 мл со стерильной минеральной средой на 150 мл в начальный момент времени, в конечном итоге разделяется на две фракции, газ CO ₂ в свободном пространстве [CO _{2 (г)} ] и растворенный неорганический углерод (DIC) в среде.Последний состоял из трех компонентов (растворенный газ CO ₂ — CO _{2 (водн.)} , HCO3- и CO32-).

Для построения стандартных кривых сначала были измерены значения p CO ₂ в состоянии равновесия [ p CO _{2 (экв.)} ] в каждой бутылке, получавшей разные количества CO ₂ (CO ₂ ). Затем p CO _{2 (экв.)} наносили на график против ∑CO ₂ , и полученную кривую использовали для расчета общего CO ₂ в каждой бутылке во время экспериментов.Кроме того, [DIC] в равновесии [[DIC] _(экв.) ] вычисляли путем вычитания CO _{2 (г)} из ∑CO ₂ , и оба p CO _{2 (экв)} и ∑CO ₂ были построены с [DIC] _(экв.) для создания стандартных кривых для вычета [DIC] во время экспериментов.

Стандартные кривые для карбонатной системы в минеральной среде HBC были построены аналогичным образом.

Расчет карбонатной системы во время инкубации

Во время роста микробов мы предположили, что буферная способность среды изменилась очень мало, поскольку поглощение фосфата было незначительным по сравнению с количеством фосфата, присутствующего в среде.Таким образом, карбонатная система во флаконах с метаногенами вела себя так же, как в стерильной среде без микробной активности. Это подтверждается тем фактом, что, когда CO ₂ был почти полностью поглощен метаногенами в конце длительных периодических экспериментов по культивированию, pH среды вернулся почти к 7, что было исходным pH стерильной среды перед инъекцией CO ₂ . .

На основании сделанного выше предположения, ∑CO ₂ в бутылке и [DIC] в среде во время инкубации были рассчитаны на основе измеренных значений p CO ₂ с использованием стандартных кривых, построенных в стандартных кривых.Концентрации трех видов неорганического углерода в среде (CO _{2 (водн.)} , HCO3- и CO32-) были оценены с помощью программного обеспечения CO ₂ SYS (Pierrot et al., 2006), предоставив p CO ₂ и [DIC]. В этом исследовании карбонат незначителен, потому что диапазон pH составлял примерно 6,44–7, поэтому [DIC] ≈ [CO _{2 (водн.)} ] + [HCO3-]. И CO _{2 (водн.)} , и HCO3- представляют собой биодоступные карбонаты, и показано, что они используются метаногенами на разных этапах метаногенеза и связывания углерода (Ferry, 2013).Более того, фермент карбонатангидраза, который может активно преобразовывать HCO3- в газ CO ₂ или наоборот, обнаружен повсеместно в культивируемых метаногенах, выделенных на данный момент, включая M. congolense . Таким образом, DIC используется в качестве основного параметра для изучения кинетики поглощения CO ₂ здесь.

Расчет кинетических параметров

Эксперимент с краткосрочным периодическим культивированием

CO ₂ потребление и кинетика производства CH ₄ были оценены по удельным скоростям потребления ∑CO ₂ ( V _{∑CO 2} ) и удельным темпам производства CH ₄ ( V _{CH 4} ) в диапазоне [DIC] в среде.

Значения

[DIC] были оценены из объемов газа CO ₂ , закачанных в баллоны, путем подгонки их к стандартной кривой [DIC] и начальному количеству закачанного CO ₂ , как указано в стандартных кривых.

В каждой инкубации V _{CO 2} вычисляли путем линейной аппроксимации концентрации ∑CO ₂ как функции времени. Концентрации CO ₂ при инкубации оценивали, как указано на стандартных кривых.Аналогично, V _{CH 4} оценивали путем линейной аппроксимации концентрации метана в свободном пространстве как функции времени при каждой инкубации. Мы предположили, что растворенный CH ₄ был незначительным из-за его низкой растворимости в воде.

Длительное периодическое культивирование

Во время длительной инкубации удельные нормы потребления ∑CO ₂ ( V _{∑CO 2} ) были рассчитаны путем деления потребленного ∑CO ₂ между двумя точками отбора по времени и нормализации по численности клеток.Удельная производительность по CH ₄ ( V _{CH 4} ) была рассчитана аналогичным образом. Так как V _{CO 2} и V _{CH 4} изменялись со временем во время инкубации, только максимум V _{∑CO 2} ( r _{2 CO6 ) и V CH 4 ( r CH 4 ) из каждой бутылки были взяты для кинетического анализа.}

Урожайность ( Y _{биомасса} ) рассчитывалась в конце инкубации, когда CO ₂ был почти израсходован. Мы предположили, что фракция CO ₂ , которая не была преобразована в CH ₄ , ассимилировалась в биомассу клеток. Таким образом,

Yбиомасса = 1- [Ch5 (конец)] / ([∑CO2 (начальный)] — [∑CO2 (конец)])

Здесь CH _{4 (конец)} относится к общему количеству CH ₄ , произведенному к концу инкубации; [∑CO _{2 (начальный)} ] относится к количеству ∑CO ₂ , введенному в начале эксперимента; [∑CO _{2 (конец)} ] относится к количеству ∑CO ₂ , оставшемуся во флаконе в конце инкубации.

Во время фазы экспоненциального роста количество клеток наносили на график в зависимости от объема потребленных ∑CO ₂ и продуцированных CH ₄ , соответственно. Наиболее подходящие линейные уклоны были взяты как рост урожайности по отношению к потребленному CO ₂ и произведенному CH ₄ ( Y _{CO 2} и Y _{CH 4} ).

Моделирование кинетики

Таким образом, мы оценили V _{∑CO 2} и V _{CH 4} из трех различных экспериментальных установок: (1) краткосрочная инкубация с универсальной минеральной средой; (2) кратковременная инкубация с минеральной средой HBC; (3) длительная инкубация с универсальной минеральной средой ( r _{CO 2} и r _{CH 4} ).

Мы использовали уравнение Михаэлиса-Ментен, чтобы представить влияние [DIC] на производительность скорости потребления метаногена ∑CO ₂ и скорости производства CH ₄ с учетом порога [DIC] [DIC] *:

V∑CO2 = Vmax-CO2 × ([DIC] — [DIC] *) / (Km-CO2 + [DIC] — [DIC] *) VCh5 = Vmax-Ch5 × ([DIC] — [DIC] *) / ( Км-Кан5 + [DIC] — [DIC] *)

Где: V _{max − CO 2} и V _{max − CH 4} — максимальная удельная скорость потребления ∑CO ₂ и производительность CH ₄ соответственно; K _{m − CO 2} и K _{m − CH 4} — это [DIC], дающие половину максимальной удельной скорости потребления ∑CO ₂ и производительности CH ₄ соответственно. .

К концу экспериментов с периодическим культивированием свободное пространство CO ₂ было исчерпано до почти постоянного парциального давления без дальнейшего потребления, хотя H ₂ все еще оставался в избытке. Это постоянное парциальное давление CO ₂ оставалось неизменным в течение периода, даже более длительного, чем период активного поглощения CO ₂ . Это указывает на то, что существует порог CO ₂ и / или [DIC] для M. congolense . Было обнаружено, что концентрация [DIC] *, при которой не может быть обнаружена активная активность поглощения CO ₂ , составляет 44.4 ± 0,4 мкМ ДИК ( N = 7) в этом исследовании.

Результаты

Рост

M. congolense в длительных периодических культурах

Таблица 1 суммирует скорости роста клеток, максимальное потребление ∑CO ₂ ( r _{∑CO 2} ) и CH ₄ ( r _{CH 4} ) темпы производства и выход прироста M. congolense инкубировали при различном начальном количестве ∑CO ₂ и избытке H ₂ .Темпы роста, r _{CH 4} и r _{∑CO 2} увеличивались линейно с добавлением ∑CO ₂ . Скорость роста увеличилась с <0,02 дня ^-1 с 2 мл CO ₂ (~ 0,09 ммоль, [DIC] = 0,44 мМ), введенным до примерно 1,12 дня ^-1 с 32 мл CO ₂ (~ 1,43 ммоль , [DIC] = 5,13 мМ) вводили. Самый низкий r _{CH 4} и r _{∑CO 2} (0,26 и 0.21 f моль (ячейка ⁻¹ d ⁻¹ соответственно) были обнаружены во флаконе с наименьшим количеством CO ₂ (2 мл). Бутылка с 36 мл CO ₂ показала самый высокий r _{CH 4} около 108,99 f молярная ячейка ^-1 d ^-1 , тогда как бутылка с 40 мл CO ₂ показала наивысшее r _{∑CO 2} около 80,90 f моль ^-1 ячейка d ^-1 .Урожайность прироста, Y _{биомасса} -углерод, ассимилированный для анаболизма по отношению к общему ассимилированному CO ₂ , находился в диапазоне 11–26%, но не демонстрировал четкой тенденции с количеством CO ₂ введен. Удельный выход клеточного роста по отношению к потреблению ∑CO ₂ ( Y _{CO 2} ) и продукции CH ₄ ( Y _{CH 4} ), которые были оценены на основе данных, полученных во время экспоненциальной фазы роста, были почти эквивалентны во всех условиях. Y _{CO 2} и Y _{CH 4} соответствовали примерно 0,8–1,8 × 10 ¹⁴ элемента на моль потребленного или произведенного газа, за исключением условий с низким CO ₂ (2 –8 мл), где рост клеток во время инкубации не наблюдался. Y _{CO 2} и Y _{CH 4} оценка для бутылок с <8 мл CO ₂ может быть смещена из-за медленного роста, поэтому выходы здесь не использовались.

Таблица 1 . Параметры роста M. congolense при различных начальных количествах CO ₂ , введенных в бутылки.

В этом долгосрочном эксперименте с периодическим культивированием как r _{CH 4} , так и r _{CO 2} имели кинетику первого порядка и показали линейную корреляцию с [DIC] вместо того, чтобы показывать Михаэлис- Кинетика Ментена. Это означает, что концентрация насыщения [DIC] для М.congolense превышает 6 мМ, что является самой высокой концентрацией, протестированной в этом исследовании (Таблица 1). К сожалению, попытки дальнейшего увеличения [DIC] путем введения большего количества газа CO ₂ (60 мл) с той же самой установкой привели к падению pH с 7 до <6,4 и существенному снижению метаногенной активности (данные не показаны).

Кинетика ∑CO

₂ Потребление и CH ₄ Производство

На рисунке 1 показан пример того, как V _{∑CO 2} и V _{CH 4} были оценены в краткосрочных экспериментах с периодическим культивированием.Газ CO ₂ в свободном пространстве начал растворяться в среде сразу после его введения, и клетки начали утилизировать CO ₂ и производить CH ₄ . Производительность CH ₄ была низкой, но продолжала увеличиваться в первые 1–1,5 ч во время растворения газа CO ₂ до тех пор, пока CO ₂ не достигло равновесия между газовой и жидкой фазами. После установления газожидкостного равновесия CO ₂ , дебит CH ₄ был стабильным в течение нескольких часов (данные не показаны).Чтобы свести к минимуму влияние увеличения численности клеток из-за роста во время эксперимента, удельные скорости продуцирования CH ₄ были получены в течение 1–1,5 ч после достижения газожидкостного равновесия CO ₂ . В среде , обедненной CO ₂ , M. congolense продуцировал CH ₄ с чрезвычайно низкими скоростями в присутствии H ₂ (данные не показаны).

Рисунок 1 . Пример для определения скорости производства метана и скорости потребления ДИК в краткосрочном периодическом культивировании.

На рисунках 2A, B показана оценка V _{CO 2} и V _{CH 4} из трех независимых экспериментальных установок, соответственно: (1) краткосрочная инкубация с универсальной минеральной средой; (2) кратковременная инкубация с минеральной средой HBC; (3) длительная инкубация с универсальной минеральной средой. V _{CO 2} и V _{CH 4} оба зависели от доступной [DIC] и следовали кинетике Михаэлиса-Ментен.Максимальный удельный расход CO ₂ ( V _{max − CO 2} ) оценивается примерно в 69,2 f моль CO ₂ ячейка ⁻¹ d ⁻¹ и концентрация при половинном насыщении DIC ( K _{м-CO 2} ) составляла около 2,5 мМ. Максимальная удельная производительность CH ₄ M. congolense, V _{max − CH 4} , составляла около 48,8 f моль CH ₄ клеток ⁻¹ d ⁻¹ и полунасыщение Концентрация DIC ( K _{м-CH 4} ) оценивается примерно в 2.2 мМ. Скорость реакции 80% V _{max-CH 4} может быть достигнута при 9 мМ [DIC]. Экстраполяция подобранной кривой на рисунке 2B показывает, что концентрации ДИК, необходимые для 90% V _{max-CH 4} и 100% V _{max-CH 4} , будут составлять 22 мМ и 100 мМ. Поскольку эти значения выходят за пределы диапазона [DIC], который может быть протестирован в данной установке без вывода изменений в pH среды, эти концентрации не могут быть проверены экспериментально и, таким образом, должны интерпретироваться с большой осторожностью.

Рисунок 2 . K _m и V _m потребления DIC (A) и метаногенная активность (B) для M. congolense , определенная как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе партия культур по методу Михаэлиса-Ментен. (C) , Корреляция между скоростью потребления CO ₂ ( V _{CO 2} ) и производительностью метана ( V _{CH 4} ) в краткосрочных периодических культурах с обоими универсальными минералами. среда и минеральная среда HBC ( N = 25).

Рисунок 2C показывает, что существует хорошая корреляция между V _{∑CO 2} и V _{CH 4} для клеток в фазе позднего экспоненциального роста в краткосрочной периодической культуре, где V _{∑CO 2} был примерно в 1,3 раза выше, чем V _{CH 4} .

Оценка метаногенной активности при различных концентрациях CO

₂ Концентрации в свободном пространстве

Биометанирование направлено на снижение p CO ₂ в отходящих газах, что напрямую влияет на [DIC] в жидкости (суспензии) в AD.[DIC], кроме того, зависит от pH суспензии, поскольку он определяет распределение CO ₂ / HCO3. На рисунке 3A показан профиль [DIC] с pH в жидкости (соленость = 0) при концентрации CO ₂ 2, 5, 25 и 50% в свободном пространстве, предполагая, что давление в свободном пространстве составляло 1 атмосферу и находилось в равновесии с суспензией и жидкостью. с использованием диапазона pH роста для M. congolense (5.9–8.2) (Cuzin et al., 2001) для расчета. Можно видеть, что увеличение p CO ₂ в свободном пространстве над паром означает более высокое значение [DIC] в суспензии, а [DIC] дополнительно увеличивается с увеличением pH.Можно рассчитать, что [DIC] составляет десятки мМ в суспензии в нормальном мезофильном AD, где газ CO ₂ составляет 25–50% биогаза (Plugge, 2017). Самый низкий [DIC] обнаружен при самом низком испытанном pH (5,9), около 9 мМ, что может поддерживать уровень метаногенности 80% от V _{max-CH 4} .

Рисунок 3 . Карбонатные системы, метаногенная активность и pH при мезофильном AD. (A) , Расчетная концентрация DIC в иле в мезофильном AD с концентрацией CO ₂ в свободном пространстве, равной 2, 5, 25 и 50%; pH был установлен в пределах диапазона роста 90 · 103 M.congolense . (B, C) , p CO ₂ в диапазоне pH 5,9–8,2 в мезофильном AD, когда [DIC] = 2,2 и 6 мМ, соответственно. Специфическая для клеток скорость метаногенности для M. congolense оценивается в 50 и 80% от V _{m — CH 4} при [DIC] 2,2 и 9 мМ, соответственно, после кинетического моделирования. из рисунка 2B.

Для биометанирования критически важно знать, сколько p CO ₂ можно снизить за счет повышения уровня CO ₂ до CH ₄ , но без влияния на метаногенную активность.На рисунках 3B, C мы моделируем наименьшее значение p CO ₂ , необходимое для поддержания 2,2 и 9 мМ [DIC] при различных значениях pH, чтобы поддерживать 50 и 80% от V _{max − CH 4} по кинетическому моделированию. Установлено, что CO ₂ может быть снижен до 5% и 2% при pH> 6,2 и pH> 6,8, соответственно, с метаногенной скоростью 50% V _{max-CH 4} (Рисунок 3B). Соответственно, при уровне метаногенности 80% V _{max-CH 4} , CO ₂ может быть снижен до 5% и 2%, соответственно, при pH> 7.1 и pH> 7,5 (рис. 3C).

Обсуждение

Используя эксперименты с периодическим культивированием, мы предоставили первую оценку кинетики поглощения CO ₂ / DIC автотрофного гидрогенотрофного метаногена, M. congolense . Мы обнаружили, что сродство к DIC было значительно ниже, чем сродство H ₂ , другого реагента, участвующего в гидрогенотрофном метаногенезе. Для K _m , равного 2,2–2,5 мМ, сродство к DIC оказалось от нескольких десятков до тысяч раз ниже, чем у K _m H ₂ ,0.44–66 мкМ, как сообщалось ранее для других гидрогенотрофных метаногенов (Коцюрбенко и др., 2001; Карадагли, Риттманн, 2007). Аналогичным образом, порог ДИК 44,4 мкМ, при которой концентрация метаногенной активности больше не может быть обнаружена для M. congolense , также был в сотни и тысячи раз выше, чем сообщаемые пороговые значения H ₂ в 6–70 нМ, наблюдаемые для метаногенов ( Lin et al., 2012). Такой высокий K _m и порог ДВС могут быть связаны с путем фиксации CO ₂ , используемым метаногенами. M. congolense использует путь Вуда-Люнгдаля для фиксации CO ₂ , который, как ранее было показано, имеет самый высокий K _m DIC среди шести автотрофных путей ассимиляции неорганического углерода (Raven et al. , 2012). С эволюционной точки зрения, плохое сродство к ДВС согласуется с повсеместным распределением метаногенов в средах обитания с высокими концентрациями CO ₂ , таких как анаэробные варочные котлы, кишечники животных и отложения.Максимальная производительность CH ₄ ( V _{max − CH 4} , 48,8 f моль CH ₄ cell ⁻¹ d ⁻¹ ) M. congolense , оценено из кинетическая модель здесь сопоставима со скоростью метаногена, обнаруженной для метаногенов из других сложных сред, инкубированных при сопоставимой температуре (35 ° C): 108-135 f моль CH ₄ ячейка ^-1 d ^-1 в анаэробных реакторах (Ли и Нойк, 1992) и 31.5 f моль CH ₄ ячейка ⁻¹ d ⁻¹ в отложениях озер (Lay et al., 1996).

Добавление различных количеств газа CO ₂ в начале экспериментов с периодическим культивированием вызывало снижение pH среды из-за растворения газа CO ₂ в среде, где pH снижался больше в бутылях, принимающих более высокие количества CO ₂ . Еще одна проблема заключалась в том, что концентрация CO ₂ постоянно менялась во время инкубации из-за постоянного потребления CO ₂ .Поэтому мы контролировали количество добавляемого CO ₂ , чтобы поддерживать pH в оптимальном диапазоне для M. congolense (pH 5,9–8,2) (Cuzin et al., 2001), так что рост и метаногенная активность M. congolense не были затронуты во время наших испытаний. Предыдущее исследование облигатного гидрогенотрофного автотрофного метаногена, штамма Methanocaldococcus Jh246, показало, что pH не влияет на метаногенную активность, когда он находится в пределах диапазона для оптимального роста (Eecke et al., 2013). В наших экспериментах добавление 2–40 мл CO ₂ снизило pH с 7 до 6,44–6,94 в минеральной среде, которая имеет более низкую буферную емкость, но скорость метаногена продолжала увеличиваться с количеством CO ₂ и достигла скорости ~ 44 f моль CH ₄ ячейка ⁻¹ d ⁻¹ с 40 мл CO ₂ (pH = 6,44). Более того, удельные скорости потребления ∑CO ₂ и скорости производства CH ₄ , определенные здесь во всех трех различных экспериментальных установках, хорошо согласовывались в отношении [DIC], независимо от буферной емкости или времени инкубации (рис. 2).Таким образом, кажется, что pH мало влияет на скорость в экспериментальном диапазоне. Однако было показано, что добавление избыточного количества CO ₂ сверх буферной емкости значительно ингибирует метаногенную активность: добавление 60 мл CO ₂ в минеральную среду снижает pH до 6,01 и приводит к резкому снижению метаногенной активности до ~ 12 f моль CH ₄ ячейка ⁻¹ d ⁻¹ .

Наше исследование также показывает, что концентрация ДИК влияет на скорость роста микробов.Это проявляется в явном снижении скорости роста с 1,12 дня ^-1 при 5,13 мМ [DIC] до <0,02 дня ^-1 при самых низких испытанных концентрациях DIC (0,44 мМ) в долгосрочном эксперименте с периодическим культивированием ( Таблица 1). Предыдущее исследование показало, что миксотрофный метаноген Methanosarcina barkeri имеет очень медленный рост и низкую скорость метаногена при инкубации только с H ₂ , но без CO ₂ (Weimer and Zeikus, 1978).

Здесь мы показали, что рост M.congolense был ограничен, когда [DIC] был ниже 1,6 мМ, хотя метаногенез все еще продолжался с низкой скоростью. Метаногены связывают CO ₂ автотрофно в биомассе через путь Вуда-Люнгдаля, с которым связан его путь метаногенеза (Berg, 2011). Таким образом, остается неизвестным, было ли снижение скорости роста при низком [DIC] результатом уменьшения ассимиляции углерода для образования биомассы или уменьшения выработки энергии в результате метаногенеза. Тем не менее, урожайность клеток в конце длительной инкубации, по-видимому, одинакова для всех исследованных концентраций ДИК: метаноген превращает приблизительно четыре моля CO ₂ в CH ₄ на каждый моль CO ₂ , включенного в биомассу. (Таблица 1).Аналогичная фракция CO ₂ была ассимилирована в биомассу клетками с поздней экспоненциальной фазой роста во время нашей краткосрочной инкубации партии, так как скорость потребления ∑CO ₂ была примерно в 1,3 раза выше, чем скорость производства метана для всех бутылок (Рисунок 2C). Соотношение CO ₂ , используемого в диссимиляционном и ассимиляционном метаболизмах, таким образом, не зависело от концентрации [DIC].

Поскольку концентрация p CO ₂ в анаэробных варочных котлах часто бывает высокой (25–50%), наши данные показали, что наличие неорганического углерода может не ограничивать метаногенную активность M.congolense в стандартных условиях работы анаэробного варочного котла. Процессы ферментации в иле, кроме того, будут поставлять CO ₂ гидрогенотрофным метаногенам и, таким образом, уменьшать вероятность ограничения CO ₂ в стандартных условиях. Это исследование имеет первостепенное значение для биометанизации, технологии преобразования энергии в газ, используемой для повышения качества биогаза с целью увеличения концентрации CH ₄ в производимом биогазе за счет снижения концентрации CO ₂ .Знания о кинетике метаногена CO ₂ / DIC важны, так как низкие концентрации CO ₂ (<2%) необходимы для выполнения критериев для закачки улучшенного биогаза в сеть природного газа. Если M. congolense рассматривается как представитель гидрогенотрофных метаногенов, биогаз может быть повышен до> 98% CH ₄ (<2% CO ₂ ) при 80% V _{max -CH 4} , когда pH суспензии в реакторе составляет> 7,5 (рис. 3C) и 50% V _{max-CH 4} при pH> 6.8 (Рисунок 3B). Наш результат предполагает, что наличие биодоступного неорганического углерода при низкой концентрации CO ₂ может не сильно снижать метаногенную активность во время обогащения биогаза, но другие факторы, такие как pH, могут иметь большее влияние на скорость метаногена.

Снижение метаногенной активности до 50% от максимума было показано в предыдущих исследованиях при различных концентрациях CO ₂ : 2,9% CO ₂ (59 мМ [DIC] в образцах метаногенного навоза, Garcia-Robledo et al., 2016) и 10% CO ₂ (257 мМ [DIC] в анаэробном дигестате, Agneessens et al., 2017). Эти концентрации [DIC] были выше, чем значения K _m , указанные здесь для M. congolense , что указывает на то, что организмы в этих исследованиях либо имели более низкое сродство к [DIC] / CO ₂ , чем M. congolense , или что их метаногенная активность ингибируется другими факторами, такими как NH ₃ или pH. Уровень pH 8.2 (Garcia-Robledo et al., 2016) и 8,3 (Agneessens et al., 2017) были близки к значению 8,5, которое, как сообщается, препятствует процессу биометанирования (Angelidaki et al., 2018). Поскольку бикарбонат является доминирующей буферной системой в анаэробных суспензиях, здесь часто бывает трудно отделить эффекты высокого pH от эффектов низких концентраций CO ₂ , поскольку они обратно связаны. Посредством исследования чистой культуры M. congolense , о котором здесь сообщается, стало возможным отделить прямой эффект pH от низких концентраций CO ₂ и тем самым выяснить физиологические ограничения микробов для процесса биометанирования штамма метаногенного типа.Результаты применимы как к метанированию in situ , где H ₂ и CO ₂ преобразуются метаногенами в основном реакторе, так и к отдельному реактору ex situ , в котором находятся специализированные метаногенные сообщества.

Выводы

Хотя сродство M. congolense к CO ₂ во много раз выше, чем сродство H ₂ , концентрации CO ₂ станут строго ограничивающими для биометанирования только при очень низких [DIC] концентрациях.Здесь эксперименты проводились только с одним метаногенным штаммом, и дальнейшее тестирование других метаногенов покажет, вызывают ли они аналогичное сродство к CO ₂ .

Авторские взносы

XC провел эксперименты и подготовил рукопись. Все авторы разработали исследование, интерпретировали данные и написали рукопись.

Финансирование

Это исследование финансировалось Инновационным фондом Дании, проект Electrogas (номер гранта 4106-333 00017B).

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Феликса Беулига и Кая Финстера из отдела микробиологии факультета биологических наук Орхусского университета за полезные предложения по методам культивирования метаногена и благодарим их отдел за предоставление лабораторных помещений для проведения экстракции ДНК и количественной ПЦР.Мы также хотели бы поблагодарить технических специалистов Янни Анкерстьерне Соренсен и Бритт Амби Мальтезен из инженерного факультета Орхусского университета за их помощь в настройке газового хроматографического оборудования. Кроме того, мы хотели бы поблагодарить Мэдса Боргбьерга Йенсена и Аластера Джеймса Уорда из инженерного факультета Орхусского университета за их конструктивные отзывы о рукописи.

Список литературы

Agneessens, L.M., Ottosen, L.D.M., Voigt, N.V., Nielsen, J.Л., Де Йонге, Н., Фишер, К. Х. и др. (2017). In-situ Обогащение биогаза с импульсным добавлением h3: актуальность адаптации метаногена и уровня неорганического углерода. Biresource Technol. 233, 256–263. DOI: 10.1016 / j.biortech.2017.02.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ангелидаки, И., Треу, Л., Цапекос, П., Луо, Г., Кампанаро, С., Венцель, Х. и др. (2018). Модернизация и использование биогаза: текущее состояние и перспективы. Biotechnol. Adv. 36, 452–466. DOI: 10.1016 / J.BIOTECHADV.2018.01.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боррель, Г., Адам, П. С., и Грибальдо, С. (2016). Метаногенез и путь дерево-юнгдал: древняя, разносторонняя и хрупкая ассоциация. Genome Biol. Evol. 8, 1706–1711. DOI: 10.1093 / GBE / evw114

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, X. Х., Андерсен, Т. Дж., Мороно, Ю., Инагаки, Ф., Йоргенсен, Б. Б., и Левер, М. А. (2017). Биотурбация как ключевой фактор доминирования бактерий над архей в приповерхностных отложениях. Sci. Реп . 7: 2400. DOI: 10.1038 / s41598-017-02295-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Конрад Р. (1999). Вклад водорода в производство метана и контроль концентрации водорода в метаногенных почвах и отложениях. FEMS Microbiol. Ecol. 28, 193–202. DOI: 10.1111 / j.1574-6941.1999.tb00575.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кордрувиш Р., Зейтц Х. Дж. И Конрад Р. (1988). Способность гидрогенотрофных анаэробных бактерий конкурировать за следы водорода зависит от окислительно-восстановительного потенциала концевого акцептора электронов. Arch. Microbiol. 149, 350–357. DOI: 10.1007 / BF00411655

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кузин, Н., Уаттара, А.С., Лабат, М., и Гарсия, Дж. Л. (2001).Methanobacterium congolense sp. nov., в результате метаногенной ферментации кожуры маниоки. Внутр. J. Syst. Evol. Микр. 51, 489–493. DOI: 10.1099 / 00207713-51-2-489

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эке, Х. К. В., Акерман, Н. Х., Хубер, Дж. А., Баттерфилд, Д. А., и Холден, Дж. Ф. (2013). Кинетика и энергия роста глубоководного гипертермофильного метаногена в различных условиях окружающей среды. Environ. Microbiol. Rep. 5, 665–671.DOI: 10.1111 / 1758-2229.12065

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Eecke, H. C. V., Butterfield, D. A., Huber, J. A., Lilley, M. D., Olson, E.J., Roe, K. K., et al. (2012). Ограниченный водородом рост гипертермофильных метаногенов в глубоководных гидротермальных источниках. Proc. Natl. Акад. Sci. США 109, 13674–13679. DOI: 10.1073 / pnas.1206632109

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фригон, Дж. К., и Гио, С. Р. (1995). Влияние массопереноса водорода из жидкости в газ на эффективность преобразования субстрата в анаэробном слое ила с восходящим потоком и в фильтрующем реакторе. Enzyme Microb. Tech. 17, 1080–1086. DOI: 10.1016 / 0141-0229 (95) 00040-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарсия-Робледо, Э., Оттосен, Л. Д. М., Войт, Н. В., Кофоед, М. В., и Ревсбех, Н. П. (2016). Микромасштабная динамика H-2-CO ₂ в гидрогенотрофном метаногенном мембранном реакторе. Фронт. Микробиол . 7: 1276. DOI: 10.3389 / fmicb.2016.01276

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карадагли Ф. и Риттманн Б.Э. (2007). Термодинамический и кинетический анализ порога h3 для Methanobacterium bryantii M.o.H. Биодеградация 18, 439–452. DOI: 10.1007 / s10532-006-9073-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коцюрбенко О. Р., Глаголев М. В., Ножевникова А. Н., Конрад Р. (2001). Конкуренция между гомоацетогенными бактериями и метаногенными археями за водород при низкой температуре. FEMS Microbiol. Ecol. 38, 153–159. DOI: 10.1111 / j.1574-6941.2001.tb00893.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lay, J. J., Miyahara, T., and Noike, T. (1996). Скорость выброса метана и популяции метаногенных бактерий в озерных отложениях. Water Res. 30, 901–908. DOI: 10.1016 / 0043-1354 (95) 00254-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, Y. Y., and Noike, T. (1992). Улучшение анаэробного сбраживания отработанного активного ила путем предварительной термической обработки. Water Sci. Technol. 26, 857–866. DOI: 10.2166 / WST.1992.0466

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лин Ю. С., Хойер В. Б., Голдхаммер Т., Келлерманн М. Ю., Забель М. и Хинрихс К. У. (2012). На пути к ограничению концентрации H-2 в донных отложениях: предложение для комбинированного анализа с использованием двух различных подходов. Геохим. Космохим. Acta 77, 186–201. DOI: 10.1016 / j.gca.2011.11.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ло, Г., и Ангелидаки, И.(2012). Комплексная очистка биогаза и утилизация водорода в анаэробном реакторе, содержащем обогащенную гидрогенотрофную метаногенную культуру. Biotechnol. Bioeng. 109, 2729–2736. DOI: 10.1002 / бит.24557

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ло, Г., Йоханссон, С., Бо, К., Се, Л., Чжоу, К., и Ангелидаки, И. (2012). Одновременное использование водорода и облагораживание биогаза in situ в анаэробном реакторе. Biotechnol. Bioeng. 109, 1088–1094.DOI: 10.1002 / бит 24360

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пьеро Д., Льюис Э. и Уоллес Д. В. Р. (2006). Программа MS Excel, разработанная для CO ₂ Системные вычисления . ORNL / CDIAC-105a. Центр анализа информации по двуокиси углерода и U.S.D.O.E (Ок-Ридж, Теннесси: Национальная лаборатория Ок-Ридж).

Google Scholar

Рэйвен, Дж. А., Джордано, М., Бердалл, Дж., И Маберли, С. К. (2012). Эволюция водорослей по отношению к атмосферному CO ₂ : карбоксилазы, механизмы концентрации углерода и циклы окисления углерода. Philos. Пер. R. Soc. В 367, 493–507. DOI: 10.1098 / rstb.2011.0212

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Робинсон, Дж. А., и Тидже, Дж. М. (1984). Конкуренция между сульфатредуцирующими и метаногенными бактериями за h3 в условиях покоя и роста. Arch. Microbiol. 137, 26–32. DOI: 10.1007 / BF00425803

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Техеризо, Г. Т., Ким, Ю. С., Маус, И., Вибберг, Д., Винклер, А., Off, S., et al. (2017). Последовательность генома штамма Methanobacterium congolense Buetzberg, гидрогенотрофного метаногенного архея, выделенного из мезофильной промышленной биогазовой установки, использующей биоотходы. J. Biotechnol. 247, 1–5. DOI: 10.1016 / j.jbiotec.2017.02.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Веймер П. Дж. И Зейкус Дж. Г. (1978). Один углеродный метаболизм у метаногенных бактерий. Клеточная характеристика и рост Methanosarcina barkeri . Arch. Microbiol. 119, 49–57. DOI: 10.1007 / Bf00407927

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уитмен В. Б., Боуэн Т. Л. и Бун Д. Р. (2014). «Метаногенные бактерии», в Прокариоты . ред. Э. Розенберг, Э. Ф. Делонг, С. Лори, Э. Стакебрандт и Ф. Томпсон. (Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg), 123–163.

Google Scholar

Компостирование во избежание образования метана

Зачем использовать компостирование в углеродном сельском хозяйстве?

Компостирование — это аэробный процесс, который снижает или предотвращает выделение метана во время разложения органических веществ.

Метан в 26 раз сильнее углекислого газа как парниковый газ и вносит значительный вклад в глобальные выбросы парниковых газов. При разложении органического материала в анаэробных условиях — микробами в отсутствие кислорода — метан попадает в атмосферу. Анаэробная ферментация распространена на свалках и открытых отвалах, таких как навозные кучи. Глобальные выбросы от отходов почти удвоились с 1970 года и в настоящее время составляют 3% антропогенных выбросов (антропогенного происхождения) (IPCC 2014).Около половины этих выбросов происходит в результате анаэробной ферментации твердых отходов на суше.

Около 700 000 тонн органических отходов было компостировано в Западной Австралии в 2012 году. Каждая тонна органических отходов, выброшенных на свалки и разложенных в результате анаэробной ферментации, высвобождает около одной тонны эквивалента диоксида углерода (CO ₂ -e) парниковые газы, в основном в виде метана.

Однако аэробный процесс компостирования не приводит к образованию метана, поскольку производящие метан микробы не активны в присутствии кислорода.Компостирование — это один из методов сокращения выбросов метана из органических отходов, которые в настоящее время хранятся или отправляются на свалку. Практика компостирования, которая сводит к минимуму анаэробные условия и максимизирует аэробные условия, будет наиболее эффективна для сокращения выбросов парниковых газов.

В присутствии кислорода и воды микробы, такие как бактерии и грибы, используют углерод в качестве энергии и разлагают органические отходы. Преимущества этого:

• тепла, которое убивает болезнетворные микроорганизмы и семена, производится
• оставшийся углерод представляет собой стабильный гумус, который не содержит сорняков и безопасен для использования в сельском хозяйстве, озеленении, садоводстве или других целях.

Что можно компостировать?

Органические отходы, которые можно компостировать, включают сельскохозяйственные и лесные отходы, навоз, пищевые отходы, кухонные и садовые отходы и твердые биологические вещества (твердые органические вещества из очищенных сточных вод). Каждый год Западная Австралия производит сотни тысяч тонн этих побочных продуктов и отходов, которые можно компостировать для улучшения состояния окружающей среды и здоровья почвы.

В местном масштабе существует 2 потенциальных благодетеля компостирования во избежание образования метана: агентства по утилизации отходов, которые хотят избежать выбросов метана в результате анаэробной ферментации отходов, и фермеры и садоводы, которые могут использовать компостированные продукты для сельскохозяйственных целей.

Процедура компостирования

Компостирование в промышленных масштабах состоит из нескольких этапов и представляет собой тщательно контролируемый процесс с регулированием температуры и измеренными входами воды, воздуха и правильным балансом материалов, богатых углеродом и азотом. Аэробные микробы превращают поступающие в почву вещества в стабилизированный углерод с побочными продуктами тепла, углекислым газом и водой.

Коммерческие предприятия используют ряд технологий для аэрации материала, от тянущих тракторов и самоходных валкователей до сложных систем вентиляции с автоматическим управлением.

Наверх

Кто основные композиторы?

Национальное исследование 2012 года выявило 126 предприятий по переработке органических отходов, на которые ежегодно поступает около 5,5 миллионов тонн органических отходов из коммерческих, промышленных и муниципальных источников. В Западной Австралии существует около 30 предприятий, на которых преимущественно производится компостирование на открытом воздухе в валках. Есть также по крайней мере четыре помещения, где поддерживаются условия непрерывного аэробного компостирования за счет нагнетания воздуха в кучу.

Регулирующий орган Австралии в области чистой энергии ведет Реестр фонда сокращения выбросов для тех, кто ищет австралийские единицы квотирования выбросов углерода. В 2013 году было подано 205 претензий по всем утвержденным методологиям Инициативы по углеродному сельскому хозяйству (теперь охватываемым Фондом сокращения выбросов), и пять из этих претензий касались методологий, связанных с компостированием.

Коммерческие компостеры, такие как C-Wise и муниципалитеты (например, Южный столичный региональный совет), создали крупномасштабные предприятия по компостированию и имеют доступ к методологиям Фонда сокращения выбросов для получения углеродных кредитов от сокращения производства метана.

Углеродные выгоды от компостирования

Углеродные кредиты могут быть востребованы для предотвращения образования метана с использованием компостирования в соответствии со следующими методологиями Фонда сокращения выбросов (предотвращение выбросов на свалках и альтернативная обработка отходов): технология компостирования альтернативных отходов

перенаправление старых отходов на альтернативные сооружения для обработки отходов

закрытая механическая обработка и компостирование альтернативной обработки отходов.

Отраслевая ассоциация Австралийская ассоциация переработчиков органических продуктов ищет возможности для фермеров, чтобы они могли поделиться преимуществами использования переработанных органических продуктов для улучшения характеристик почвы и сокращения выбросов углекислого газа.

Сопутствующие выгоды

Внесение компоста в сельскохозяйственные угодья улучшает продуктивную способность почвы за счет:

• увеличения буферной способности почвы и ее влагоудерживающей способности
• добавления источника органических веществ, стимулирующих биологическую активность
• улучшающего удерживание почвенных удобрений
• увеличение запаса питательных веществ
• , обеспечивающее известкование почвы
• улучшение структуры почвы.

Компост снижает потребность в внесении удобрений, воды, гербицидов и пестицидов, а также снижает эрозию почвы. Кроме того, связывание углерода увеличивается непосредственно через материал компоста и косвенно за счет увеличения биомассы корневой системы растений.

Риски при использовании компоста

• Может повыситься водоотталкивающая способность почвы из-за накопления в ней органического углерода.
• Компост может быть источником грибковых и других заболеваний человека.

Вернуться к началу

Возможности

Компостирование на ферме

По мере роста систем животноводства количество биоразлагаемых отходов увеличивается, и их необходимо утилизировать таким образом, чтобы не нанести вред окружающей среде. Фермеры могут компостировать навоз и сельскохозяйственные отходы, чтобы избежать или уменьшить вред окружающей среде.

По оценкам Rural Industries Research and Development Corporation, на использование навоза в сточных лагунах (анаэробная ферментация) приходится около 3% выбросов парниковых газов в Австралии.Компостирование органических сельскохозяйственных отходов предлагает решение этой проблемы, обеспечивая при этом экономические выгоды.

Преимущества компостирования на ферме

Компостирование на ферме:

• снижает риск распространения патогенов, паразитов и семян сорняков, связанных с прямым внесением навоза в землю.
• производит стабильный продукт из органических отходов фермы компостирования, таких как в качестве навоза, подстилки и кормовых отходов, которые можно использовать для улучшения и поддержания качества и плодородия почвы
• можно использовать в качестве альтернативного места для хранения общественных и промышленных зеленых отходов
• снижает потребность в поливе, гербицидах, пестицидах и Приобретенное удобрение
• устраняет углеродный след, связанный с транспортировкой компостированного материала за пределы объекта.

В 2016 году в Австралии было 20 предприятий по компостированию на фермах, в том числе 3 в Западной Австралии.

Риски

Торговля углеродом теперь осуществляется через Фонд сокращения выбросов. Одним из рисков для потенциального получения углеродного кредита является неопределенность будущей цены на углерод.

Процесс компостирования материалов вызывает выбросы парниковых газов от энергии транспорта, используемой для сбора сырья и доставки конечного продукта компоста, а также от энергии и воды, используемых в процессе компостирования.

Неэффективные процессы компостирования могут привести к анаэробным (а не аэробным) условиям, в которых образуются метан и закись азота. Неполная обработка может позволить патогенам и семенам сорняков выжить. Плохой контроль процесса может привести к появлению неприятных запахов и жалоб.

В начало

Пример из практики

Правительство Австралии собрало тематические исследования в отчете «Решения для управления отходами в региональной и удаленной Австралии». Тематическое исследование города Мандура, Water Corporation и местного предприятия по компостированию на ферме, C-Wise, иллюстрирует успешную переработку 100% зеленых отходов и твердых биологических веществ из регионального города для получения местных экономических и экологических выгод.

Используемая технология основывалась на дизайне, простоте, управлении процессом, стоимости производства, а также экономии энергии и парниковых газов. Этот процесс обеспечивает технику, которую могут использовать региональные сообщества, откормочные площадки, фермеры и другие лица для эффективной переработки органических отходов.

Население Мандуры составляет более 65 000 человек. Все зеленые отходы и твердые биологические вещества перерабатываются в органические удобрения путем компостирования на местной ферме. Это удобрение используется другими фермерами для улучшения биологии почвы и повышения ее производительности одновременно с развитием более устойчивых систем земледелия.

Ежегодно с помощью этой технологии компостирования сокращается более 6000 тонн выбросов парниковых газов. Методология была принята несколькими сообществами по всей Австралии.

Люди и группы, работающие в этом пространстве в Австралии

Международная работа

В Европе за 10 лет с 2001 по 2011 год компостирование городских отходов увеличилось с 10% до 15%, причем Австрия лидирует по компостированию 34% его бытовых отходов. Важнейшей частью этого достижения было введение отдельных контейнеров для сбора зеленых отходов для переработки и компостирования.Следовательно, в стране с 8,5 миллионами человек ежегодно предотвращается около 1,5 миллиона тонн выбросов парниковых газов.

Большая часть городских отходов в крупных странах-производителях отходов отправляется на свалки. В Соединенных Штатах Америки компостируется около 8,5% муниципальных отходов, что на 20% больше, чем в 2000 году. Такое компостирование обеспечивает ежегодную выгоду от снижения более 168 миллионов тонн выбросов парниковых газов, что сопоставимо с годовыми выбросами. от более 33 миллионов легковых автомобилей.И наоборот, в Японии только около 2% твердых бытовых отходов вывозятся на свалки; около 4% компостируется, а остальная часть сжигается.

Заинтересованные лица отрасли

• Региональные советы
• Интенсивные системы животноводства, включая свинарники, молочные и мясные откормочные участки
• Производители зеленых отходов, включая домохозяйства, общественные группы и промышленность
• Пользователи компоста, включая фермеров, садоводов и садоводов

Вернуться к началу

Источники информации

Некоторые примеры и источники информации

Австралийская ассоциация по переработке органических веществ (AORA) — это национальная организация, которая занимается повышением осведомленности о преимуществах переработки органических ресурсов.AORA является сторонником более широкой индустрии восстановления органических ресурсов и полезного повторного использования.

Веб-сайт «Компост для почвы» — это бесплатный независимый источник информации об использовании компоста в сельскохозяйственных системах. На веб-сайте есть информационные бюллетени и тематические исследования по коммерческому использованию компоста для выращивания овощей, винограда, деревьев и посевов.

Австралийская ассоциация управления отходами (WMAA) поддерживает устойчивое управление отходами и ресурсами по всей Австралии. В филиале WMAA в Западной Австралии есть группа по интересам под названием Compost WA.

Несколько региональных советов местного самоуправления, такие как Южный столичный региональный совет и Региональный совет Миндари, объединили ресурсы для разработки передовых крупномасштабных систем переработки органических отходов.

Публикации

Ayalon, O & Avnimenelech, Y 2001, «Обработка твердых отходов как высокоприоритетная и недорогая альтернатива для снижения выбросов парниковых газов», Environmental Management , vol. 27, pp. 697–704, просмотрено 12 августа 2016 г., ildesal.org.il/pdf/Professors/Yoram_Avimelech/4.pdf

Берналь, депутат, Альбуркерке, Дж. А. и Морал, Р. 2009, «Компостирование навоза и химические критерии для оценки зрелости компоста. Обзор », Bioresource Technology , vol. 100. С. 5444–53.

Отчет Калифорнийского агентства по охране окружающей среды за 2011 г., Метод оценки сокращения выбросов парниковых газов из компоста из коммерческих органических отходов, Отдел планирования и технической поддержки, Калифорнийский совет по воздушным ресурсам, просмотр 12 августа 2016 г., отн.ca.gov/cc/protocols/localgov/pubs/compost_method.pdf

Дэвид, С. и Кинг, С. 2005, Влияние улучшения органического вещества почвы с помощью компоста при выращивании больших площадей, Системы органического земледелия, Коттесло, Западная Австралия.

Департамент окружающей среды и первичной промышленности, Компостирование испорченного сена, просмотрено 19 октября 2015 г., depi.vic.gov.au/agriculture-and-food/dairy/managing-effluent/composting-spoiled-hay

Департамент окружающей среды и Энергетика 2015, «Методы фонда сокращения выбросов», окружающая среда.gov.au/climate-change/emissions-reduction-fund/methods

Doorn, MRJ & Barlaz, MA 1995, Оценка глобальных выбросов метана со свалок и открытых свалок , EPA-600 / R-95-019, США Управление исследований и разработок Агентства по охране окружающей среды, Вашингтон, округ Колумбия.

Herczeg, M 2013, Управление бытовыми отходами в Австрии , Отчет Европейского агентства по окружающей среде, Копенгаген.

Hyder Consulting Pty Ltd, 2009 «Отходы и вторичная переработка в Австралии», исправленный отчет, Департамент окружающей среды, водных ресурсов, наследия и искусства, Австралийское содружество, окружающая среда.gov.au/system/files/resources/ff342d4f-17a4-4c9f-bb1c-b95e01898751/files/waste-recycling2009.pdf

IPCC 2014, Climate Change 2014: Synthesis Report. Вклад рабочих групп I, II и III в Пятый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата, Женева, Швейцария, просмотрен 16 августа 2016 г., ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/syr/SYR_AR5_FINAL_full.pdf

Jäckel, U, Kathrin, T & Kämpfer, P, 2006, «Производство и окисление термофильного метана в компосте», FEMS Microbiology Ecology , vol.52, нет. 2. С. 175–84.

Lou, XF & Nair, J 2009, «Влияние захоронения и компостирования на выбросы парниковых газов — обзор», Bioresource Technology , vol. 100, нет. 16. С. 3792–98.

Rural Industries Research and Development Corporation 2010, Оценка производства навоза от животных для производства метана , Публикация RIRDC № 10/151, Канберра.

Южный столичный региональный совет, 2014 г., Южный столичный региональный совет, Годовой отчет за 2013-14 гг. , Бурагун, Западная Австралия smrc.com.au/wp-content/uploads/key-docs/Annual-Reports/SMRC%20Annual%20Report%202013-14.pdf

Агентство по охране окружающей среды США, 2012 г., Производство, переработка и удаление твердых бытовых отходов в США Штаты: факты и цифры за 2012 год, Агентство по охране окружающей среды США, epa.gov/osw/nonhaz/municipal/pubs/2012_msw_fs.pdf

Zurbrügg, C 2002, «Управление твердыми городскими отходами в странах Азии с низким уровнем дохода: как to Cope with the Garbage Crisis », представленный Научному комитету по проблемам окружающей среды (SCOPE) на заседании по обзору управления твердыми отходами в городах, Дурбан, Южная Африка.

Выбросы метана в нефтегазовой отрасли

Количественная оценка выбросов и различение различных источников метана

Введение

Метан — основной компонент природного газа, дешевый, обильный и универсальный источник энергии, который при сжигании производит меньше углекислого газа, чем другие ископаемые виды топлива. Однако сам метан является более сильным парниковым газом, чем углекислый газ. Утечки метана из скважин, трубопроводов или технологического оборудования могут существенно увеличить выбросы парниковых газов в секторе природного газа, а также расходовать ресурсы по мере попадания метана в атмосферу.

Определение источников метана

Метан можно производить двумя способами. Термогенный метан , источник большинства запасов природного газа, образуется в результате воздействия тепла и давления на глубоко захороненные останки морских микроорганизмов и обычно встречается с нефтью. Биогенный метан производится микробами в желудках коров, овец, коз и других жвачных животных (известное как кишечное брожение), а также в навозе, неглубоких залежах угля и нефти, а также на заболоченных территориях.Определение того, является ли источник метана термогенным или биогенным, имеет решающее значение для определения выбросов метана от нефтегазовых операций. Этот раздел документа Нефть и окружающая среда посвящен количественной оценке выбросов метана в атмосферу; другие части этой серии посвящены усилиям по сокращению выбросов метана («Снижение и регулирование выбросов метана») и проблемам метана в подземных водах («Защита подземных вод при добыче нефти и газа»).

По оценкам Агентства по охране окружающей среды U.S. Источники выбросов метана в 2015 году. Изображение предоставлено Американским институтом геонаук, по данным Агентства по охране окружающей среды США. ¹

Выбросы метана в США

Очень сложно определить относительные выбросы метана из разных источников. Большинство выбросов метана происходит из нескольких обширных отраслей, которые часто работают рядом друг с другом (сельское хозяйство, нефть и газ, горнодобывающая промышленность и управление отходами). Утечки могут быть кратковременными или продолжительными, а уровень выбросов от сельского хозяйства и свалок со временем меняется.Таким образом, хотя уровни метана в атмосфере можно измерить очень точно, существует большая неопределенность в отношении общей доли выбросов, происходящих от различных видов деятельности человека. Национальные цифры в этой таблице являются наилучшими доступными оценками, но могут быть не полностью точными.

С начала 1990-х годов Агентство по охране окружающей среды США (EPA) ежегодно публикует Реестр парниковых газов США ⁴ как часть отчетности США перед Организацией Объединенных Наций в соответствии с Рамочной конвенцией об изменении климата. ⁶ Инвентаризация основана на отчетах о выбросах более 8000 промышленных, производственных и нефтегазовых предприятий; электростанции; и свалки. ⁷ Эти отчеты представляют только около половины всех выбросов парниковых газов в США, что приводит к большой неопределенности в объемах выбросов.

Выбросы из нефтяных и газовых систем

Система нефти и природного газа является одним из наиболее сложных источников для оценки выбросов из-за количества источников выбросов, их технической сложности и различий между различными объектами. ^8,9 Подобные предприятия могут сообщать о разных выбросах, ⁸ и объемы выбросов могут изменяться со временем по мере возникновения новых утечек, их обнаружения и устранения. ¹⁰

Отражая эту сложность, оценка EPA общей скорости утечки метана из системы природного газа США со временем изменилась по мере появления новой информации. ¹¹ Например, в период с 2010 по 2011 год оценка утечки EPA за 2008 год была обновлена ​​с 96 до 212 миллионов метрических тонн эквивалента диоксида углерода; в 2013 году этот показатель был снижен до 163 миллионов метрических тонн. ¹³ Оценки не так сильно менялись с 2014 по 2017 год, но в этих цифрах остается значительная неопределенность.

Усовершенствования в технологиях дистанционного зондирования позволяют проводить более точные измерения региональных выбросов метана с помощью установленных на борту датчиков и даже спутников. MethaneSAT (на фото изображено впечатление художника), партнерство, возглавляемое Фондом защиты окружающей среды и запускаемое в 2020 или 2021 году, будет измерять выбросы метана в пятидесяти основных нефтегазодобывающих регионах по всему миру.Изображение предоставлено Фондом защиты окружающей среды. ¹²

Региональные исследования выбросов

Детальные исследования основных нефтегазодобывающих районов могут выявить биогенные и термогенные источники метана, контролировать более мелкие источники, не включенные в реестр Агентства по охране окружающей среды, и выявить особенно негерметичное оборудование. В последние годы основное внимание уделялось изучению конкретных месторасположений. ¹⁴ Например:

• Исследование семи нефтегазодобывающих регионов США.С. обнаружил более высокие выбросы метана в основном в нефтедобывающих районах, чем в основном в газодобывающих районах. Это частично отражает тот факт, что нефть может содержать некоторое количество метана, который может выходить из вентиляционных отверстий резервуара для хранения нефти и других отверстий. ¹⁵
• В сланцевом районе Барнетт около Далласа и Форт-Уэрта, штат Техас, 67% выбросов метана приходится на источники нефти и газа. ¹⁶ Половина всех выбросов метана из нефти и газа в этой области приходится на 2% производственных, перерабатывающих и транспортных предприятий, а 90% выбросов приходится на 10% предприятий. ¹⁷ Это говорит о том, что большая часть инфраструктуры природного газа является надежной, но небольшое количество участков со «сверхвысокой эмиссией» имеет серьезные утечки. Ожидается, что участки сверхизлучения со временем будут меняться по мере того, как оборудование получает повреждения, ремонтируется или заменяется. Поэтому обнаружение и сокращение выбросов требует постоянного мониторинга. ¹⁰

Степень утечки метана из системы природного газа является одной из самых больших неопределенностей в отношении воздействия нефтегазовой отрасли на окружающую среду.Работа над всесторонним пониманием выбросов метана — основная область текущих исследований, включающая сочетание крупномасштабных региональных измерений и целенаправленных местных исследований с земли, воздуха и космоса.

Список литературы

¹ Агентство по охране окружающей среды США — Выбросы парниковых газов: обзор парниковых газов.
² Управление энергетической информации США — Электроэнергетика ежемесячно, таблица 1.1 — Чистая выработка по источникам энергии: Всего (все сектора), 2007 — декабрь 2017.
³ Национальная лаборатория энергетических технологий (2013). Базовый план затрат и производительности для электростанций, работающих на ископаемом топливе, Том 1: Битуминозный уголь и природный газ для электроэнергии, Редакция 2а, сентябрь 2013 г.
⁴ Агентство по охране окружающей среды США (2017). Реестр выбросов и стоков парниковых газов в США: 1990-2015 гг.
⁵ Шмидт Г. (2004). Метан: научное путешествие от неизвестности к суперзвезде. Особенности исследований НАСА.
⁶ Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата — Национальные доклады.
⁷ Агентство по охране окружающей среды США — Программа отчетности по парниковым газам (GHGRP).
⁸ Агентство по охране окружающей среды США (2013). Нефтяные и газовые системы: сводка данных за 2011 год.
⁹ Heath, G. et al. (2015). Оценка выбросов метана в США из цепочки поставок природного газа: подходы, неопределенности, текущие оценки и будущие исследования. Объединенный институт стратегического энергетического анализа, технический отчет NREL / TP-6A50-62820.
¹⁰ Завала-Арайза, Д.и другие. (2015). К функциональному определению суперэмиттеров метана: применение к объектам добычи природного газа. Environ. Sci. Technol., 49 (13), 8167-8174.
¹¹ Латтанцио, Р.К. (2018). Метан и другие проблемы загрязнения воздуха в системах природного газа. Отчет исследовательской службы Конгресса R42986
¹² «EDF объявляет о спутниковой миссии по обнаружению и измерению выбросов метана». Пресс-релиз Фонда защиты окружающей среды, 11 апреля 2018 г.
¹³ СШААгентство по охране окружающей среды — Архив отчетов об инвентаризации парниковых газов США.
¹⁴ Фонд защиты окружающей среды (2017 г.) — Исследования метана: 16 серий исследований.
¹⁵ Lyon, D. et al. (2016). Аэрофотосъемка повышенных выбросов углеводородов с мест добычи нефти и газа. Environ. Sci. Технол., 50 (9), 4877-4886.
¹⁶ Townsend-Small, A. et al. (2015). Интеграция индикаторов распределения источников в восходящую инвентаризацию выбросов метана в районе гидроразрыва сланцевого пласта Барнетт.Environ. Sci. Technol., 49 (13), 8175-8182.
¹⁷ Завала-Арайза, Д. и др. (2015). Согласование расходящихся оценок выбросов метана в нефти и газе. Proc. Natl. Акад. Наук, 112 (51), 15597-15602.

Нефть и окружающая среда

Загрузите полный PDF-файл Petroleum and the Environment (бесплатно) или приобретите печатную версию (19,99 долларов США).

Другие части из этой серии:
1. Нефть и окружающая среда: введение
2. Вода в нефтегазовой промышленности
3.Наведенная сейсмичность от нефтегазовых операций
4. Источники воды для гидроразрыва
5. Использование пластовой воды
6. Защита подземных вод при добыче нефти и газа
7. Заброшенные скважины
8. Что определяет местоположение скважины?
9. Землепользование в нефтегазовой промышленности
10. Газовое месторождение Пайндейл, Вайоминг
11. Тяжелая нефть
12. Нефть и газ в Арктике США
13. Морская нефть и газ
14. Разливы нефти и природного газа Газовые месторождения
15. Транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов
16.Нефтепереработка и переработка газа
17. Нетопливные продукты нефти и газа
18. Воздействие нефти и газа на качество воздуха
19. Выбросы метана в нефтегазовой отрасли
20. Снижение и регулирование выбросов метана
21. Регулирование Нефтегазовые операции
22. Здоровье и безопасность при добыче нефти и газа
23. Данные о недрах в нефтегазовой отрасли
24. Геофизики в нефти и окружающей среде
Глоссарий терминов
Ссылки

Цифры и факты о метане

• В 2015 г. метан составлял около 10% U.S. выбросы парниковых газов с точки зрения потенциала глобального потепления; углекислый газ (CO ₂ ) составил 82%. ¹
• Природный газ (метан) обеспечил 31,5% электроэнергии США в 2017 году — крупнейший единый источник электроэнергии в стране. ²
• Производство электроэнергии на природном газе производит на 50-60% меньше CO ₂ , чем уголь, для производства того же количества энергии, ³ , но утечки метана уменьшают это преимущество по сокращению выбросов.
По оценкам агентства
• , выбросы метана из систем природного газа снизились на 16% с 1990 по 2015 год.По оценкам Агентства по охране окружающей среды, выбросы метана из систем сырой нефти и нефтепродуктов снизились на 28% с 1990 по 2015 год. ⁴ Однако оценки выбросов остаются неопределенными.
• Помимо животноводства, навоза, добычи полезных ископаемых и свалок, к другим основным источникам глобальных выбросов метана также относятся водно-болотные угодья и рисовые поля. ⁵

Производство метана как ключ к балансу парниковых газов при таянии вечной мерзлоты

1.

Schuur, E. A. G. et al. Изменение климата и углеродная обратная связь вечной мерзлоты. Природа 520 , 171–179 (2015).

CAS Статья Google ученый

2.

Макгуайр, А. Д., Чапин, Ф. С. III, Уолш, Дж. Э. и Вирт, К. Интегрированные региональные изменения в обратных связях арктического климата: последствия для глобальной климатической системы. Annu. Rev. Environ. Ресурс. 31 , 61–91 (2006).

Артикул Google ученый

3.

Ли, Х., Шур, Э.А.Г., Инглетт, К.С., Лавуа, М. и Шантон, Дж. П. Скорость высвобождения углерода из вечной мерзлоты в аэробных и анаэробных условиях и ее потенциальное воздействие на климат. Glob. Сменить Биол. 18 , 515–527 (2012).

Артикул Google ученый

4.

Treat, C.C. et al. Контроль температуры и типа торфа Производство CO ₂ и CH ₄ на вечномерзлых торфах Аляски. Glob. Сменить Биол. 20 , 2674–2686 (2014).

CAS Статья Google ученый

5.

Waldrop, M. P. et al. Молекулярные исследования глобального пула углерода: защищенного от вечной мерзлоты углерода в почвах Аляски. Glob. Сменить Биол. 16 , 2543–2554 (2010).

Google ученый

6.

Рой Чоудхури, Т.и другие. Стехиометрия и температурная чувствительность метаногенеза и продукции CO ₂ в насыщенной полигональной тундре в Барроу, Аляска. Glob. Сменить Биол. 21 , 722–737 (2015).

Артикул Google ученый

7.

Schädel, C. et al. В потенциальных выбросах углерода преобладает углекислый газ из талых многолетнемерзлых грунтов. Nat. Клим. Change 6 , 950–953 (2016).

Артикул Google ученый

8.

Myhre, et al. in Climate Change 2013: The Physical Science Basis (eds Stocker, T. F. et al.) 659–740 (Cambridge Univ. Press, Кембридж, Великобритания, 2013).

9.

Hugelius, G. et al. Оценочные запасы циркумполярного углерода вечной мерзлоты с определенными диапазонами неопределенности и выявленные пробелы в данных. Биогеонауки 11 , 6573–6593 (2014).

Артикул Google ученый

10.

Йоргенсон, М.T. et al. Реорганизация растительности, гидрологии и углерода почвы после деградации вечной мерзлоты в неоднородных бореальных ландшафтах. Environ. Res. Lett. 8 , 035017 (2013).

Артикул Google ученый

11.

Bring, A. et al. Гидрология суши в Арктике: синтез процессов, региональных эффектов и исследовательских задач. J. Geophys. Res. Biogeosci. 121 , 621–649 (2016).

Артикул Google ученый

12.

Treat, C.C. et al. Панарктический синтез продукции CH ₄ и CO ₂ при инкубации в бескислородной почве. Glob. Сменить Биол. 21 , 2787–2803 (2015).

Артикул Google ученый

13.

Natali, S.M. et al. Таяние вечной мерзлоты и влажность почвы приводят к выбросу CO ₂ и CH ₄ из горной тундры. J. Geophys. Res. Biogeosci. 120 , 525–537 (2015).

CAS Статья Google ученый

14.

Johnston, C.E. et al. Влияние таяния вечной мерзлоты на обмен CO ₂ и CH ₄ в хронопоследовательности торфяников западной Аляски. Environ. Res. Lett. 9 , 085004 (2014).

Артикул Google ученый

15.

Knoblauch, C., Beer, C., Sosnin, A., Wagner, D., Pfeiffer, E.-M. Прогнозирование долгосрочной углеродной минерализации и газовых примесей от тающей вечной мерзлоты Северо-Восточной Сибири. Glob. Сменить Биол. 19 , 1160–1172 (2013).

Артикул Google ученый

16.

Liebner, S. et al. Сдвиги в составе метаногенного сообщества и потоках метана при деградации прерывистой вечной мерзлоты. Фронт. Microbiol. 6 , 356 (2015).

Артикул Google ученый

17.

Энджел Р., Клаус П. и Конрад Р. Метаногенные археи повсеместно распространены в аэрированных почвах и становятся активными во влажных бескислородных условиях. ISME J. 6 , 847–862 (2012).

CAS Статья Google ученый

18.

Ping, C.Л., Джастроу, Дж. Д., Йоргенсон, М. Т., Майклсон, Г. Дж. И Шур, Ю. Л. Вечная мерзлота и круговорот углерода. ПОЧВА 1 , 147–171 (2015).

Артикул Google ученый

19.

Voigt, C. et al. Потепление субарктической тундры увеличивает выбросы всех трех важных парниковых газов — углекислого газа, метана и закиси азота. Glob. Сменить Биол. 23 , 3121–3138 (2017).

Артикул Google ученый

20.

Саймонс Г. Э. и Басвелл А. М. Метановая ферментация углеводов. J. Am. Chem. Soc. 55 , 2028–2036 (1933).

CAS Статья Google ученый

21.

Nilsson, M. & Öquist, M. in Цикл углерода в северных торфяниках (ред. Baird, AJ, Belyea, LR, Comas, X., Reeve, AS & Slater, LD) 131–144 ( Серия геофизических монографий, том 184, Американский геофизический союз, Вашингтон, округ Колумбия, США, 2009 г.).

22.

Hodgkins, S. B. et al. Изменения в химическом составе торфа, связанные с таянием вечной мерзлоты, увеличивают производство парниковых газов. Proc. Natl Acad. Sci. США 111 , 5819–5824 (2014).

CAS Статья Google ученый

23.

Knoblauch, C., Spott, O., Evgrafova, S., Kutzbach, L. & Pfeiffer, E.-M. Регулирование продукции, окисления и эмиссии метана сосудистыми растениями и мохообразными водоемами полигональной тундры северо-востока Сибири. J. Geophys. Res. Biogeosci. 120 , 2525–2541 (2015).

CAS Статья Google ученый

24.

Cooper, M. D. A. et al. Ограниченный вклад углерода вечной мерзлоты в выделение метана от талых торфяников. Nat. Клим. Изменить 7 , 507–511 (2017).

CAS Статья Google ученый

25.

Schädel, C.и другие. Циркумполярная оценка качества C вечной мерзлоты и ее уязвимости с течением времени с использованием данных долгосрочной инкубации. Glob. Сменить Биол. 20 , 641–652 (2014).

Артикул Google ученый

26.

Elberling, B. et al. Долгосрочное производство CO ₂ после таяния вечной мерзлоты. Nat. Клим. Изменение 3 , 890–894 (2013).

CAS Статья Google ученый

27.

Walter Anthony, K. et al. Выбросы метана пропорциональны количеству углерода вечной мерзлоты, таявшего в арктических озерах с 1950-х годов. Nat. Geosci. 9 , 679–682 (2016).

CAS Статья Google ученый

28.

Попп, Т. Дж., Шантон, Дж. П., Уайтинг, Г. Дж. И Грант, Н. Оценка окисления метана в ризосфере болота с преобладанием Carex на севере центральной части Альберты, Канада. Биогеохимия 51 , 259–281 (2000).

CAS Статья Google ученый

29.

Фрибург, Т., Соегаард, Х., Кристенсен, Т. Р., Ллойд, К. Р. и Паников, Н. С. Водно-болотные угодья Сибири: где сток является источником. Geophys. Res. Lett. 30 , 2129–2132 (2003).

Артикул Google ученый

30.

Wille, C., Kutzbach, L., Sachs, T., Wagner, D. & Pfeiffer, E.-M. Эмиссия метана из сибирской арктической полигональной тундры: измерения и моделирование вихревой ковариации. Glob. Сменить Биол. 14 , 1395–1408 (2008).

Артикул Google ученый

31.

Boike, J. et al. Исходные характеристики климата, вечной мерзлоты и земного покрова по данным новой обсерватории вечной мерзлоты в дельте реки Лена, Сибирь (1998–2011 гг.). Биогеонауки 10 , 2105–2128 (2013).

Артикул Google ученый

32.

Куцбах Л., Вагнер Д. и Пфайффер Э.-М. Влияние микрорельефа и растительности на эмиссию метана влажной полигональной тундрой в дельте Лены, Северная Сибирь. Биогеохимия 69 , 341–362 (2004).

CAS Статья Google ученый

33.

Morgenstern, A. et al. Эволюция термокарста в богатой льдом вечной мерзлоте Восточной Сибири: на примере. Геоморфология 201 , 363–379 (2013).

Артикул Google ученый

34.

Ямамото, С., Алькаускас, Дж. Б. и Крозье, Т. Е. Растворимость метана в дистиллированной и морской воде. J. Chem. Англ. Данные 21 , 78–80 (1976).

CAS Статья Google ученый

35.

Миллеро Ф., Хуанг Ф., Грэм Т. и Пьеро Д. Диссоциация угольной кислоты в растворах NaCl в зависимости от концентрации и температуры. Геохим. Космохим. Acta 71 , 46–55 (2007).

CAS Статья Google ученый

36.

Amundson, R. & Baisden, WT в книге Methods in Ecosystem Science (ред. Sala, OE, Jackson, RB, Mooney, HA & Howarth, RB) 117–137 (Springer, New York, USA, 2000).

37.

Andrén, O. & Kätterer, T. ICBM: вводная модель углеродного баланса для исследования углеродного баланса почвы. Ecol. Прил. 7 , 1226–1236 (1997).

Артикул Google ученый

38.

Минтемейер, В. Макроклимат и контроль лигнина скорости разложения подстилки. Экология 59 , 465–472 (1978).

CAS Статья Google ученый

39.

Steinberg, L. M. & Regan, J. M. mcrA — целевой метод количественной ПЦР в реальном времени для исследования сообществ метаногена. Заявл. Environ. Microbiol. 75 , 4435–4442 (2009).

CAS Статья Google ученый

Вклад производства токсичного метана в выбросы метана с поверхности в озерах и его глобальное значение

1.

Solomon, S. et al. Изменение климата 2007: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата .(Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Нью-Йорк, 2007).

Google ученый

2.

Stocker, T. F. et al. Изменение климата 2013: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . (Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Нью-Йорк, 2013).

Google ученый

3.

Нисбет, Э.G. et al. Очень сильный рост содержания метана в атмосфере за 4 года 2014-2017: последствия для Парижского соглашения. Glob. Биогеохим. Циклы 33 , 318–342 (2019).

4.

Микалофф-Флетчер, С. Э. и Шефер, Х. Подъем метана: новый климатический вызов. Наука 364 , 932–933 (2019).

5.

Тауер, Р. К. Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стефенсон: Лекция 1998 года, посвященная премии Марджори Стивенсон. Микробиология 144 , 2377–2406 (1998).

CAS PubMed Google ученый

6.

Ферри, Дж. Г. и Кастед, К. А. Метаногенез. in Archaea: Molecular and Cellular Biology (ed. Cavicchioli, R.) 288–314 (ASM Press, Вашингтон, округ Колумбия, 2007).

7.

Скрэнтон, М. И. и Брюэр, П. Г. Наличие метана в приповерхностных водах западной субтропической части Северной Атлантики. Deep Sea Res. 24 , 127–138 (1977).

ADS CAS Google ученый

8.

Тан, К. В., МакГиннис, Д. Ф., Ионеску, Д., Гроссарт, Х.-П. Производство метана в кислородных водах озера потенциально увеличивает водный поток метана в воздух. Environ. Sci. Technol. Lett. 3 , 227–233 (2016).

CAS Google ученый

9.

Мурасе, Дж., Сакаи, Ю., Каметани, А., Сугимото, А. Динамика метана в мезотрофном озере Бива, Япония. Ecol. Res. 20 , 377–385 (2005).

CAS Google ученый

10.

Hofmann, H., Federwisch, L. & Peeters, F. Выбросы метана, вызванные волнами: прибрежные зоны как источник метана в озерах. Лимнол. Oceanogr. 55 , 1990–2000 (2010).

ADS CAS Google ученый

11.

Фернандес, Дж. Э., Петерс, Ф. и Хофманн, Х. О парадоксе метана: перенос из мелководных зон, а не метаногенез на месте, является основным источником CH ₄ в открытых поверхностных водах озер. J. Geophys. Res. Biogeosci. 121 , 2717–2726 (2016).

Google ученый

12.

Петерс, Ф., Фернандес, Дж. Э. и Хофманн, Х. Диффузионные выбросы CH ₄ из озер и водохранилищ объясняются скорее потоками отложений, чем кислородным метаногенезом. Sci. Отчет 9 , 243 (2019).

ADS PubMed PubMed Central Google ученый

13.

Karl, D. M. et al. Аэробное производство метана в море. Nat. Geosci. 1 , 473–478 (2008).

ADS CAS Google ученый

14.

Damm, E. et al. Производство метана в аэробных олиготрофных поверхностных водах центральной части Северного Ледовитого океана. Биогеонауки 7 , 1099–1108 (2010).

ADS CAS Google ученый

15.

Grossart, H.-P., Frindte, K., Dziallas, C., Eckert, W. & Tang, K. W. Производство микробного метана в насыщенной кислородом водной толще олиготрофного озера. Proc. Natl Acad. Sci. США 108 , 19657–19661 (2011).

ADS CAS PubMed Google ученый

16.

Tang, K. W., McGinnis, D. F., Frindte, K., Brüchert, V., Grossart, H.-P. Новый взгляд на парадокс: перенасыщение метаном в хорошо насыщенных кислородом озерных водах. Лимнол. Oceanogr. 59 , 275–284 (2014).

ADS Google ученый

17.

Yao, M., Henny, C. & Maresca, J. A. Пресноводные бактерии выделяют метан в качестве побочного продукта поглощения фосфора. Заявл. Environ. Microbiol. 82 , 6994–7003 (2016).

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

18.

Wang, Q., Dore, J. E. & McDermott, T. R. Метаболизм метилфосфонатов с помощью Pseudomonas sp. популяции способствует парадоксу перенасыщения метаном в кислородном пресноводном озере. Environ. Microbiol. 19 , 2366–2378 (2017).

CAS PubMed Google ученый

19.

Бизич-Ионеску, М., Ионеску Д., Гюнтель, М., Танг, К. В. и Гроссарт Х.-П. Круговорот оксидного метана: новые доказательства образования метана в кислородной воде озера. in Биогенез углеводородов (ред. Стамс, А. и Соуза, Д.) 379–400 (Springer, Cham, 2018).

20.

Карини П., Уайт А. Э., Кэмпбелл Э. О. и Джованнони С. Дж. Производство метана хемогетеротрофными морскими бактериями SAR11 с дефицитом фосфатов. Nat. Commun. 5 , 4346 (2014).

ADS CAS PubMed Google ученый

21.

Donis, D. et al. Натурная оценка производства метана в кислородных условиях в мезотрофном озере. Nat. Commun. 8 , 1661 (2017).

ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

22.

Saunois, M. et al. Глобальный бюджет метана 2000-2012 гг. Earth Syst.Sci. Данные 8 , 697–751 (2016).

ADS Google ученый

23.

Kirschke, S. et al. Три десятилетия глобальных источников и стоков метана. Nat. Geosci. 6 , 813–823 (2013).

ADS CAS Google ученый

24.

Сабреков А.Ф. и др. Изменчивость выбросов метана из мелководных бореальных озер Западной Сибири в региональном масштабе и меры экологического контроля. Биогеонауки 14 , 3715–3742 (2017).

ADS CAS Google ученый

25.

Natchimuthu, S. et al. Пространственно-временная изменчивость потоков CH ₄ в озере и ее влияние на годовые оценки выбросов всего озера. Лимнол. Oceanogr. 61 , S13 – S26 (2016).

CAS Google ученый

26.

Xiao, Q.и другие. Пространственное изменение эмиссии метана в большом мелководном эвтрофном озере в субтропическом климате. J. Geophys. Res. Biogeosci. 122 , 1597–1614 (2017).

CAS Google ученый

27.

Вик, М., Торнтон, Б. Ф., Баствикен, Д., Ульбек, Дж. И Крилл, П. М. Смещенный отбор проб метана из северных озер: проблема для экстраполяции. Geophys. Res. Lett. 43 , 1256–1262 (2016).

ADS CAS Google ученый

28.

Баствикен Д., Коул Дж., Пейс М. и Транвик Л. Эмиссия метана из озер: зависимость характеристик озера, две региональные оценки и глобальная оценка. Glob. Биогеохим. Циклы 18 , GB4009 (2004).

ADS Google ученый

29.

Аллен, Г. Х. и Павелски, Т. М. Глобальная протяженность рек и ручьев. Наука 361 , 585–588 (2018).

MathSciNet CAS PubMed МАТЕМАТИКА Google ученый

30.

Торнтон, Б. Ф., Вик, М. и Крилл, П. М. Двойной подсчет ставит под сомнение точность инвентаризаций метана в высоких широтах. Geophys. Res. Lett. 43 , 12569–12577 (2016).

ADS CAS Google ученый

31.

Сил, Б. Б., Хиткот, А. Дж. И Сикелл, Д. А. Объем и средняя глубина озер Земли. Geophys. Res. Lett. 44 , 209–218 (2017).

ADS Google ученый

32.

Bogard, M. J. et al. Метаногенез кислородной толщи воды как основной компонент водных потоков CH ₄ . Nat. Commun. 5 , 5350 (2014).

ADS CAS PubMed Google ученый

33.

Dean, J. F. et al. Обратная связь метана с глобальной климатической системой в более теплом мире. Rev. Geophys. 56 , 207–250 (2018).

ADS Google ученый

34.

Bizic-Ionescu M. et al. Широко распространенное образование метана Cyanobacteria в водных и наземных экосистемах. Препринт на bioRxiv https://www.biorxiv.org/content/10.1101/398958v1 (2019).

35.

Кириллин Г., Филипп В., Энгельгардт К. и Нютцманн Г. Чистый приток подземных вод в замкнутом озере: от синоптических колебаний до климатических прогнозов. Hydrol. Процесс. 27 , 347–359 (2012).

ADS Google ученый

36.

Кириллин Г., Гроссарт Х.-П. И Тан, К. В. Моделирование скорости опускания туш зоопланктона: эффекты стратификации и перемешивания. Лимнол. Oceanogr. 57 , 881–894 (2012).

ADS Google ученый

37.

Вашон Д. и Прейри Ю. Т. Зависимость скорости переноса газа от размера и формы экосистемы в зависимости от скорости ветра в озерах. Банка. J. Fish. Акват. Sci. 70 , 1757–1764 (2013).

Google ученый

38.

MacIntyre, S. et al. Поток плавучести, турбулентность и коэффициент газообмена в стратифицированном озере. Geophys. Res. Lett. 37 , L24604 (2010).

ADS Google ученый

39.

DelSontro, T., del Giorgio, P. A. & Prairie, Y. T. Больше не парадокс: взаимодействие между физическим переносом и биологическими процессами объясняет пространственное распределение метана в поверхностных водах внутри и между озерами. Экосистемы 21 , 1073–1087 (2018).

CAS Google ученый

40.

Баствикен, Д., Эйлертссон, Дж. И Транвик, Л. Измерение окисления метана в озерах: сравнение методов. Environ. Sci. Technol. 36 , 3354–3361 (2002).

ADS CAS PubMed Google ученый

41.

Баствикен, Д., Транвик, Л. Дж., Даунинг, Дж. А., Крилл, П. М. и Энрих-Праст, А. Эмиссия метана из пресной воды компенсирует континентальный сток углерода. Наука 331 , 50 (2011).

ADS CAS PubMed Google ученый

42.

McGinnis, D. et al. Увеличение поверхностных потоков метана из олиготрофного озера: изучение гипотезы микропузырьков. Environ. Sci. Technol. 49 , 873–880 (2014).

ADS Google ученый

43.

Gruca-Rokosy, R. & Tomaszek, J. A. Метан и углекислый газ в отложениях эвтрофного резервуара: пути добычи и диффузионные потоки на границе раздела отложений и воды. Water Air Soil Pollut. 226 , 16 (2015).

ADS Google ученый

44.

Utsumi, M. et al. Окисление растворенного метана в эвтрофном мелководном озере: озеро Касумигаура, Япония. Лимнол. Oceanogr. 43 , 471–480 (1998).

ADS CAS Google ученый

45.

Джой, С. Б., Коннелл, Т. Л., Миллер, Л. Г., Оремланд, Р. С. и Джеллисон, Р. С. Окисление аммиака и метана в щелочном соленом озере. Лимнол. Oceanogr. 44 , 178–188 (1999).

ADS CAS Google ученый

46.

Carini, S., Bano, N., LeCleir, G. & Joye, S. B. Аэробное окисление метана и состав сообщества метанотрофов во время сезонной стратификации в озере Моно, Калифорния (США). Environ. Microbiol. 7 , 1127–1138 (2005).

CAS PubMed Google ученый

47.

Радд, Дж. У. М., Фурутани, А., Флетт, Р. Дж. И Гамильтон, Р. Д. Факторы, контролирующие окисление метана в щитовых озерах: роль фиксации азота и концентрации кислорода. Лимнол. Oceanogr. 21 , 357–364 (1976).

ADS CAS Google ученый

48.

Murase, J. & Sugimoto, A.Тормозящее влияние света на окисление метана в пелагической водной толще мезотрофного озера (озеро Бива, Япония). Лимнол. Oceanogr. 50 , 1339–1343 (2005).

ADS CAS Google ученый

49.

Dumestre, J. F. et al. Влияние интенсивности света на активность метанотрофных бактерий в водохранилище Пети Саут, Французская Гвиана. Заявл. Environ. Microbiol. 65 , 534–539 (1999).

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

50.

Oswald, K. et al. Светозависимое аэробное окисление метана снижает выбросы метана из сезонно стратифицированных озер. PLoS ONE 10 , e0132574 (2015).

PubMed PubMed Central Google ученый

51.

Болье, Дж. Дж., ДелСонтро, Т. и Даунинг, Дж. А. Эвтрофикация приведет к увеличению выбросов метана из озер и водохранилищ в 21 веке. Nat. Commun. 10 , 1375 (2019).

ADS PubMed PubMed Central Google ученый

52.

Адамс, Д. Д. Диффузный поток парниковых газов — метана и углекислого газа — на границе раздела отложений и воды некоторых озер и водохранилищ мира. В «Выбросы парниковых газов — потоки и процессы». Гидроэлектростанции и природная среда (ред. Trembly, A., Varfalvy, L., Roehm, C.И Гарно, М.) 129–153 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2005).

53.

Aben, R.C.H. et al. Перекрестный континентальный рост вскипания метана в условиях изменения климата. Nat. Commun. 8 , 1682 (2017).

ADS PubMed PubMed Central Google ученый

54.

Джаррелл, К. Ф. Чрезвычайная чувствительность к кислороду у метаногенных архебактерий. BioScience 35 , 298–302 (1985).

CAS Google ученый

55.

Lenhart, K. et al. Доказательства продукции метана морскими водорослями Emiliania huxleyi . Биогеонауки 13 , 3163–3174 (2016).

ADS CAS Google ученый

56.

Де Стазио, Б. Т. младший, Хилл, Д. К., Клейнханс, Дж. М., Ниббелинк, Н. П. и Магнусон, Дж. Дж. Возможные последствия глобального изменения климата для малых озер с умеренным северным климатом: физика, рыба и планктон. Лимнол. Oceanogr. 41 , 1136–1149 (1996).

ADS Google ученый

57.

Петерс Ф., Стрейле Д., Лорке А. и Ливингстон Д. М. Раннее начало весеннего цветения фитопланктона в озерах умеренной зоны в более теплом климате. Glob. Сменить Биол. 13 , 1898–1909 (2007).

ADS Google ученый

58.

Visser, P. M. et al. Как рост CO ₂ и глобальное потепление могут стимулировать вредоносное цветение цианобактерий. Вредные водоросли 54 , 145–159 (2016).

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

59.

R Основная команда. R (v3.3.1): язык и среда для статистических вычислений . (Фонд R для статистических вычислений, Вена, Австрия, 2016 г.). https: //www.R-project.org /.

Google ученый

60.

Команда RStudio. RStudio (v1.0.153): интегрированная разработка для R. (RStudio, Inc., Бостон, Массачусетс, 2016). http://www.rstudio.com/.

Google ученый

61.

Magen, C. et al. Простой метод уравновешивания свободного пространства для измерения растворенного метана. Лимнол. Oceanogr. Методы 12 , 637–650 (2014).

Google ученый

62.

Duc, N. T., Crill, P. & Bastviken, D. Влияние температуры и характеристик отложений на образование и окисление метана в озерных отложениях. Биогеохимия 100 , 185–196 (2010).

CAS Google ученый

63.

Marotta, H. et al. Производство парниковых газов в донных отложениях озер в низких широтах сильно реагирует на потепление. Nat. Клим. Изменение 4 , 467–470 (2014).

ADS CAS Google ученый

64.

Liikanen, A. et al. Пространственные и сезонные изменения в динамике парниковых газов и биогенных веществ и их взаимодействия в отложениях бореального эвтрофного озера. Биогеохимия 65 , 83–103 (2003).

CAS Google ученый

65.

Лю, X., Гао, Y., Zhang, Z., Luo, J. & Yan, S. Поток метана в осадочной воде в эвтрофном пруду и основные влияющие факторы в различных временных масштабах. Вода 9 , 601 (2017).

Google ученый

66.

Каспер П., Фуртадо А. Л. и Адамс Д. Д. Биогеохимия и диффузные потоки парниковых газов (метана и углекислого газа) и диазота из отложений олиготрофного озера Штехлин, Северная Германия. Arch. Hydrobiol. Спец. Проблемы Adv. Лимнол. 58 , 53–71 (2003).

CAS Google ученый

67.

Casper, P. et al. Круговорот парниковых газов в водных экосистемах — метан в озерах умеренного пояса через градиент окружающей среды на северо-востоке Германии. Verh. Int. Вер. Лимнол. 29 , 564–566 (2005).

CAS Google ученый

68.

Конрад Р., Чан О.-К., Клаус П. и Каспер П. Характеристика метаногенных архей и фракционирование стабильных изотопов во время производства метана в глубоких отложениях олиготрофного озера (озеро Стехлин, Германия). Лимнол. Oceanogr. 52 , 1393–1406 (2007).

ADS CAS Google ученый

69.

Каспер П. Производство метана в литоральных и профундальных отложениях олиготрофного и эвтрофного озера. Arch. Hydrobiol. Спец. Проблемы Adv. Лимнол. 48 , 253–259 (1996).

CAS Google ученый

Коровы и изменение климата | UC Davis

В Калифорнийском университете в Дэвисе голова и шея голштинской коровы герметично запечатаны внутри большой камеры из прозрачного пластика, напоминающей инкубатор для новорожденных. В то время как гигантские трубы над камерой нагнетают и выталкивают воздух, корова спокойно стоит и ест свой корм.Оборудование внутри ближайшего трейлера выдаёт данные.

Вот как Фрэнк Митлёнер измеряет газы, которые поступают из желудков коров и в конечном итоге способствуют глобальному потеплению. Количественная оценка этих выбросов является ключом к их снижению, и Митлоенер является одним из нескольких исследователей Калифорнийского университета в Дэвисе, изучающих экономические способы сделать животноводство более экологически устойчивым во всем мире.

Фрэнк Митлоэнер, профессор Калифорнийского университета в Дэвисе и специалист по качеству воздуха, изучает способы сокращения выбросов парниковых газов от коров.В этом эксперименте он добавил эфирное масло в корм коровам. (Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе) Пластиковые камеры помогают более точно измерять количество газов, поступающих из желудка коровы. Ежегодно одна корова может отрыгнуть 220 фунтов метана, что в 28 раз сильнее, чем углекислый газ. (Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе)

ПОДРОБНЕЕ: Unfold, официальный подкаст Калифорнийского университета в Дэвисе, исследует плохую репутацию крупного рогатого скота как недружественного производителя парниковых газов, изменяющих климат.

Крупный рогатый скот является источником парниковых газов №1 в сельском хозяйстве во всем мире. Каждый год одна корова изрыгает около 220 фунтов метана. Метан крупного рогатого скота живет меньше, чем углекислый газ, но в 28 раз сильнее нагревает атмосферу, сказал Митлоэнер, профессор и специалист по качеству воздуха в Департаменте зоотехники.

В связи с нарастанием последствий изменения климата сторонники этого факта призывают население есть меньше говядины. Они утверждают, что это неприемлемый рацион в мире, население которого к 2050 году достигнет почти 10 миллиардов человек.

Митлоэнер открыто оспорил эту точку зрения, написав в недавнем комментарии для The Conversation, что «отказ от мяса не является экологической панацеей, в которую многие хотели бы заставить нас поверить».

Коровы и другие жвачные животные составляют всего 4 процента всех парниковых газов, производимых в Соединенных Штатах, сказал он, а мясной скот — всего 2 процента прямых выбросов.

Улучшение селекции, генетики и питания повысили эффективность животноводства в США. В 1970-х годах для удовлетворения спроса требовалось 140 миллионов голов крупного рогатого скота.Теперь требуется всего 90 миллионов голов. В то же время эти 90 миллионов голов крупного рогатого скота производят больше мяса.

«Теперь мы кормим больше людей меньшим количеством крупного рогатого скота», — сказал Митлоэнер.

Глобальная проблема

Сокращение углеродного следа домашнего скота во всем мире — серьезная проблема. Животноводство является источником 14,5% парниковых газов в мире.

В Индии, например, самое большое в мире поголовье крупного рогатого скота, но самое низкое потребление говядины среди всех стран.В результате коровы живут дольше и выделяют больше метана в течение своей жизни. Кроме того, коровы в тропических регионах производят меньше молока и мяса, поэтому им требуется больше времени, чтобы добраться до рынка.

«Если у вас есть сотни миллионов голов крупного рогатого скота для производства мизерного количества продукции, это будет иметь большое влияние на окружающую среду», — сказал Митлоэнер.

Профессор и специалист по качеству воздуха Фрэнк Митлёнер сидит в трейлере молочного коровника Калифорнийского университета в Дэвисе и изучает данные о выбросах парниковых газов, поступающие от коров, в режиме реального времени.(Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе)

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе реализуют проекты во Вьетнаме, Эфиопии и Буркина-Фасо по повышению продуктивности животноводства за счет улучшения питания. Это может иметь решающее значение в будущем, поскольку спрос на мясо в развивающихся странах растет.

«Мы ожидаем, что к 2050 году спрос на говядину в Азии вырастет на 300 процентов», — сказал Эрмиас Кебреаб, профессор зоотехники и директор Всемирного продовольственного центра Калифорнийского университета в Дэвисе.

Новая диета

Кебреаб, Митлоэнер и другие ученые Калифорнийского университета в Дэвисе ищут способы сделать коров более устойчивыми и менее загазованными.Один из способов сделать это — облегчить переваривание пищи с высоким содержанием клетчатки, поэтому ученые часто обращаются с этой целью к кормовым добавкам. Звучит просто, но найти доступную и питательную добавку оказалось непросто.

Однако Кебреабу удалось найти такую ​​добавку, скармливая молочному скоту растение, не входящее в меню кормушки: морские водоросли.

«Мы провели одно испытание и показали, что при использовании 1 процента морских водорослей в рационе можно сократить выбросы метана до 60 процентов», — сказал Кебреаб.«Это очень неожиданное и многообещающее событие».

Этот крупный рогатый скот черного ангуса пасется на разнообразных травах на ранчо Ван Флек недалеко от Ранчо Муриета, Калифорния. При правильном содержании коровы могут помочь восстановить здоровые почвы. (Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе)

Морские водоросли не только снижают выработку метана, но и не ухудшают вкус коровьего молока. Сейчас он тестирует диету на мясном скоте. Это могло бы быть относительно недорогое решение для сокращения выбросов.

Этот вид красных морских водорослей, называемый Asparagopsis taxiformis , имеет один большой недостаток: дикий урожай вряд ли обеспечит достаточный запас для широкого распространения.Другие ученые ищут способы выращивать его в больших масштабах, и Кебреаб по-прежнему надеется, что кормовые добавки будут наиболее многообещающими.

«Я считаю, что у нас будет решение, два или три хороших кандидата, которые позволят значительно сократить выбросы», — сказал Кебреаб. «Я вижу, что это произойдет в ближайшие несколько лет».

Слева: Джерри Спенсер, управляющий ранчо Van Vleck, меняет стада крупного рогатого скота между пастбищами, чтобы дать травам возможность восстановиться и дать возможность расти здоровой корневой системе.(Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе) Справа: сотни голов крупного рогатого скота породы черных ангусов пасутся на ранчо Ван Флек возле ранчо Мурьета. Такие пастбищные угодья могут помочь смягчить последствия изменения климата, удерживая атмосферный углерод в почве. (Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе)

Коровы как часть решения проблемы изменения климата

Помимо выбросов парниковых газов, еще одной распространенной критикой производства говядины является то, что коровы занимают почти половину земли в Соединенных Штатах. Чрезмерный выпас на этих землях может ухудшить здоровье почвы и биоразнообразие.Тем не менее исследователи утверждают, что при правильном содержании коровы помогают восстанавливать здоровые почвы, сохранять чувствительные виды и улучшать общую экологическую функцию. Правильное управление выпасом скота может даже помочь смягчить последствия изменения климата.

На ранчо Ван Флек к востоку от Сакраменто, недалеко от ранчо Мурьета, Джерри Спенсер содержит около 2500 голов крупного рогатого скота. Хороший зимний дождь в этом году оставил им праздник зеленых пастбищ. Спенсер уделяет пристальное внимание траве, следя за тем, чтобы животным было достаточно еды, но они не переедали.Он поддерживает разнообразие местных трав, чтобы коровы оставались здоровыми, и меняет стада между пастбищами, чтобы дать растениям отдохнуть от выпаса и возможность восстановиться.

«Вы хотите оставить как можно больше травы, чтобы обеспечить проникновение воды и здоровую корневую систему», — сказал Спенсер.

(Исследования Калифорнийского университета в Дэвисе показывают, что простое прикосновение океанских водорослей к корму для крупного рогатого скота может значительно сократить выбросы парниковых газов по сравнению с калифорнийскими 1.8 млн дойных коров.)

Поддержание здоровья корневой системы полезно не только для растений. Чем длиннее и плотнее корни, тем больше они могут удерживать атмосферный углерод в почве.

«Одна из лучших и самых простых вещей, которые мы можем сделать с пастбищными угодьями, чтобы помочь смягчить последствия изменения климата, — это сохранить экосистемы пастбищных угодий и обеспечить безопасное хранение углерода, который уже хранится в почвах пастбищных угодий», — сказал Кен Тейт, управляющий водоразделом пастбищных угодий Калифорнийского университета в Дэвисе. специалист по расширению.По его словам, Калифорния подвергается особому риску превращения пастбищ под жилье и другие объекты.

У владельцев ранчо

действительно мало финансовых стимулов позволять своим стадам чрезмерно пасти или позволять копытам стада уплотняться и деградировать почву. Спенсер сказал, что если земля деградирует, то может пострадать и здоровье скота.

«Устойчивое развитие сохраняет все жизнеспособным как с экономической, так и с биологической точек зрения», — сказал Спенсер. «Владельцы ранчо не могут продолжать свое существование, если одно из них действительно не сбалансировано.”

Хотя экологически безопасные методы выпаса не устраняют метан, производимый коровами, они могут его компенсировать. Согласно Project Drawdown, это решение может улавливать 16 гигатонн углекислого газа к 2050 году.

«Правильный выпас поддерживает рабочие ландшафты, которые поддерживают сообщества, производство продуктов питания и здоровую окружающую среду», — сказал Тейт.

Исследователи говорят, что экологически безопасные методы выпаса, подобные тем, что используются на ранчо Ван Флек, не устранят метан, производимый коровами, но могут его компенсировать.(Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе) Собаки Джерри Спенсера помогают пасти крупного рогатого скота черных ангусов на ранчо Ван Влек. (Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе)

Движение без мяса

Экологические соображения могут влиять на выбор продуктов питания, но эти решения также основываются на религиозных и культурных убеждениях и традициях, а также на личных вкусах. В странах с низкими доходами выбора может и не быть. Вот почему Тейт и Митлоэнер считают, что движение за отказ от мяса может зайти так далеко.

«Никогда не будет ситуации, когда какая-то большая часть нашего рациона будет исключена», — сказал Митлоэнер.«Моя работа — не судить людей за их привычки в еде. Моя работа — посмотреть, как мы можем выращивать скот и минимизировать те воздействия на окружающую среду, которые действительно существуют ».

Возможность выращивания разнообразных местных трав сохраняет здоровье скота, позволяет воде проникать в почву и развивает здоровую корневую систему. Чем длиннее и плотнее корни, тем больше углерода может накапливаться в почве. (Карин Хиггинс / Калифорнийский университет в Дэвисе)

Контактное лицо для СМИ : Эми Куинтон, UC Davis News and Media Relations, 530-752-9843, amquinton @ ucdavis.edu

Похожие истории

Множество вкусов какао

Студенты и эксперты Калифорнийского университета в Дэвисе работают над тем, чтобы лучше понять какао — жизненно важный ингредиент, необходимый не только для производства шоколада, но и для многих людей во всем мире.

Можем ли мы вырастить одну из крупнейших продовольственных культур в мире без удобрений?

Многопрофильная группа исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе обнаружила разновидность кукурузы, которая может связывать азот из атмосферы, вместо того, чтобы требовать синтетических удобрений.

Защита малых ферм в Мозамбике от засухи

Группа ученых-аграриев проверяет, могут ли застрахованные семена улучшить продовольственную безопасность фермеров, которые рискуют потерять урожай из-за экстремальных погодных условий.

Производство и потребление метана в лессовых почвах на разных склонах

Производство и потребление метана (CH ₄ ) и дыхание почвы в лессовых почвах, собранных на вершине (вверху), на заднем склоне (в середине) и внизу на склоне (внизу) оценивались в лабораторных инкубациях.Производственный потенциал CH ₄ был определен в условиях, которые могут иметь место на поле (относительно краткосрочные периоды затопления с исходными концентрациями O ₂ в окружающей среде), а окислительный потенциал CH ₄ был оценен во влажных почвах, обогащенных CH ₄ . Ни одна из почв, испытанных в этом исследовании, не выделяла значительного количества CH ₄ . Фактически, почвы Среднего и Нижнего слоя, особенно на глубине 20–40 см, были постоянным стоком метана.Почвы, собранные на разных склонах, существенно различались по метаногенной, метанотрофной и дыхательной активности. По сравнению с верхним положением (в качестве эталонной почвы), производство метана и как производство CO ₂ , так и потребление O ₂ при затоплении были значительно стимулированы в почве из положения среднего склона (<0,001), в то время как они были уменьшены. в Нижнем грунте (незначительно, от 6 до 57%). Все верхние слои почвы (0–20 см) полностью окисляли добавленный метан (5 кПа) в течение 9–11 дней инкубации.Однако почвы, собранные с 20–40 см в положениях среднего и нижнего склона, потребляли значительно больше CH ₄ , чем верхний слой почвы (<0,001).

1. Введение

Метан (CH ₄ ) — самый распространенный углеводород в атмосфере, и он является важным парниковым газом, на который до сих пор приходилось примерно 18–20% [1, 2] постиндустриальных глобальное потепление. Метан оказывает воздействие на окружающую среду помимо прямого парникового газа, благодаря химии атмосферы, которая увеличивает содержание тропосферного озона (O ₃ ) и снижает содержание гидроксильных радикалов (ОН) и, следовательно, продолжительность жизни в атмосфере многих других загрязнителей [3].Концентрация CH ₄ в атмосфере выросла с фонового уровня с 700 до 1782 частей на миллиард в 2006 году, а скорость роста концентрации CH ₄ значительно изменилась; очень большие межгодовые колебания концентрации CH ₄ остаются необъясненными и представляют собой серьезную проблему для исследовательского сообщества [4, 5]. Расчетные приземные выбросы CH ₄ достигают 643 Тг в год ⁻¹ [3]. Окисление атмосферного метана хорошо дренированными почвами составляет около 10% [6] или 6% [4] глобального стока метана, то есть около 30 Тг Ch5 в год.Другими поглотителями CH ₄ являются стратосфера (40 Тг в год ^-1 ) и тропосферные ОН (445 Тг в год ^-1 ) [4].

Большая часть метана на Земле производится археями в ходе метаногенеза, заключительного этапа ферментации органических веществ, который происходит на рисовых полях, кишечниках животных, почвах, водно-болотных угодьях и свалках, а также в пресноводных и морских отложениях. Как простое предположение, около 10–20% химически активного органического материала, захороненного в почвах и отложениях, превращается в метан [1].Потенциальное влияние метана на глобальное потепление в будущем и важная роль почв в сорбции этого газа привели к многочисленным наземным исследованиям методов и приемов количественной оценки потока CH ₄ на границе раздела почва-атмосфера [7]. Многочисленные экспериментальные данные о выбросах парниковых газов используются при моделировании локальных и глобальных выбросов газов, в то время как некоторые модели были разработаны для определения стратегий борьбы с выбросами и / или уровней осаждения с наименьшими затратами [8].

Насыщение почвы водой имеет драматические последствия для процессов диффузии газа в почве (поскольку газы диффундируют в воздухе на 10 000 быстрее, чем в воде). Следовательно, одним из основных эффектов затопления является снижение пула доступного O ₂ [9, 10] и многократное изменение активности оксидоредуктаз — внутриклеточных ферментов, участвующих в окислительном метаболизме почвенных микроорганизмов [11]. . Традиционные знания гласят, что водонасыщенные системы, такие как водно-болотные угодья (болота, болота) и рисовые почвы (рисовые поля), являются чистыми источниками CH ₄ в атмосферу, тогда как высокогорные почвы (за исключением свалок) обычно являются поглотителями CH _{. 4} [12].Однако значительная эмиссия метана из почв поля может также происходить после нормальных осадков, если почвы остаются насыщенными в течение достаточно длительного периода, поскольку водное заполнение пустот почвы может вызвать дефицит кислорода и развитие восстановительных условий. Даже в ненасыщенных условиях могут существовать анаэробные микросайты, способные выделять метан. Однако мало что известно о выбросах метана, когда обычно хорошо дренированные почвы затопляются на короткое время [13]. Фактически, почвы могут действовать как источник и сток для CH ₄ , в зависимости от их воздушно-водных условий [7, 14].

Свойства почвы являются результатом факторов почвообразования, включая изменчивость ландшафта, управление агроэкосистемой и климатические факторы. Были проведены многочисленные исследования для измерения влияния положения ландшафта и управления земельными ресурсами на физические, химические и биологические свойства почвы [15–21]. Почвы, образованные из лессов, плодородны и обладают высокой эродируемостью [22]. Эрозия почвы приводит к сильной дифференциации почвенного покрова с уменьшением или застройкой естественных педонов. Как эродированные, так и коллювиальные почвы отличаются от неэродированных почв не только морфологическими особенностями, но также гранулометрическим составом и распределением пор, содержанием органических веществ и питательных веществ для растений, удержанием воды и насыпной плотностью [23].Лессовые почвы являются одними из наиболее подверженных падению окислительно-восстановительного потенциала в анаэробных условиях, за которым следует быстрое восстановление окисленных неорганических компонентов почвы [24]. Вследствие этого периодическая почвенная гипоксия изменяет почвенное дыхание, которое играет фундаментальную роль в метаболизме почвенной биоты и способствует развитию метаногенных микроорганизмов.

Целью данного исследования было сравнение производства CH ₄ и потребления CH ₄ в слегка эродированных лессовых почвах, взятых на вершине, заднем склоне и подножии холма.Эксперимент проводился в лаборатории в условиях контролируемой температуры и воздуха-воды. Первоначально концентрация O ₂ в окружающей среде присутствовала как при инкубации с затопленной, так и с влажной почвой. Наше намерение состояло в том, чтобы определить потенциал почвы для производства метана в условиях, которые имеют место в поле (относительно короткие периоды затопления для метаногенной активности) и для окисления метана (почва, обогащенная CH ₄ ).

2. Материалы и методы

2.1. Описание участка и почвы

Лессовый сельскохозяйственный бассейн реки Циеменга (недалеко от Люблина, юго-восточная часть Польши) является регионом, подверженным риску водной эрозии, включая перенос наносов и сток питательных веществ, и интенсивно используется в сельском хозяйстве [ 24, 25]. Образцы почвы были отобраны в районе села Baszki с двух глубин (0–20 см и 20–40 см) и трех положений склона: на вершине (вверху), на заднем склоне (в центре) и внизу на склоне (внизу).

Склон высотой около 15 м и длиной 60 м покрыт естественной травяной растительностью; на расстоянии около 150 м от реки.Годовое количество осадков в этом районе составляет 570 мм, а среднегодовая температура + 7,5 ° C [25]. Основные характеристики исследуемой коричневой лессовидной почвы (Eutric Cambisol) приведены в Таблице 1.

0199 0199 0199 01920197 Положение склона Глубина почвы (см) Сорг (%) Cinorg ( %) pH (H 2 O) Песок Ил Глина (%) 0,690 8,11 33,6 62,1 4,3 0–40 0,57 0,002 8,14 16. 2 9,14 16. 2 9329 Средний 0–20 2,14 0,006 7,60 27,1 68,7 4,2 20–40 1,42 0,219675 9318.91 27,5 68,3 4,2 Низ 0–20 0,92 0,657 7,88 19 9318 7,88 19 7,88 19 0,39 0,393 7,56 34,1 61,6 4,3

2,2. Эксперимент по инкубации

Для измерения метаногенной активности порции воздушно-сухой почвы по 20 г помещали в стеклянные сосуды размером 60 см ³ и заливали 15 см ³ дистиллированной воды.Все сосуды плотно закрывали резиновыми пробками и алюминиевыми крышками, а затопленные почвы инкубировали при 25 ° C в течение 28 дней.

Для измерения метанотрофной активности порции высушенных на воздухе почв по 10 г помещали в стеклянные сосуды размером 60 см ³ и добавляли 5 см ³ дистиллированной воды. Все сосуды были плотно закрыты резиновыми пробками и алюминиевыми крышками, а влажные почвы были обогащены 5% (об. / Об.) CH ₄ (5 кПа). Образцы почвы инкубировали при 20 ° C в течение 21 дня.

Первоначально в обеих инкубациях присутствовали окружающие концентрации O ₂ (20,5% об. / Об.). Наше намерение состояло в том, чтобы определить потенциал почв для производства метана в полевых условиях с относительно короткими периодами затопления и для окисления метана после обогащения почвы CH ₄ .

2.3. Методы

Концентрации газов в свободном пространстве измеряли с помощью газовых хроматографов Shimadzu GC-14B и GC-14A (Япония), оборудованных пламенно-ионизационным детектором (FID) и детектором теплопроводности (TCD) соответственно.Метан обнаруживался детектором FID при 150 ° C. Компоненты газа разделяли на колонке, заполненной Porapak Q, поддерживаемой при 80 ° C, и температура инжектора составляла 150 ° C. Углекислый газ и O ₂ были обнаружены методом ТКД с использованием двух колонок по 2 м (диаметр 3,2), одна заполнена Porapak Q (для CO ₂ ), а другая — молекулярным ситом 5A (для O ₂ ). ) с He в качестве газа-носителя, протекающим со скоростью 40 см ³ мин ⁻¹ . Температура колонки и детектора составляла 40 ° C и 60 ° C соответственно.Отклики детектора были откалиброваны с использованием сертифицированных газовых стандартов (Air Products), содержащих 20,9% O ₂ в N ₂ и 4% CH ₄ или 1% CO ₂ в He [26, 27].

Свойства почв определялись стандартными методами. Органический (C _org ) и неорганический (C _inorg ) углерод определяли с помощью анализатора TOC-VCPH (Shimadzu, Япония). Распределение частиц по размерам измерялось методом лазерной дифракции [28]. Все измерения были выполнены в трех экземплярах, и результаты были выражены в пересчете на сухой вес (105 ° C, 24 часа).

2.4. Расчеты

Концентрации газов корректировались на растворимость в воде с использованием опубликованных значений коэффициента поглощения Бунзена [29]. Скорость производства и потребления метана рассчитывалась путем линейной регрессии увеличения и уменьшения, соответственно, концентраций CH ₄ в зависимости от времени инкубации, с использованием не менее трех последовательных измерений с коэффициентом регрессии (2)> 0,9 и выраженных в мг. CH ₄ -C на кг сухой почвы в сутки [30, 31].Общее кумулятивное производство CH ₄ и потребление CH ₄ определяли в каждом образце по разнице в концентрации CH ₄ в свободном пространстве в начале и в конце периода анализа [32]. Темпы производства и потребления CH ₄ и общее количество произведенного и потребленного CH ₄ использовались в качестве меры метаногенной и метанотрофной активности (потенциала), соответственно. Аналогичным образом, общие количества произведенного CO ₂ и потребленного O ₂ были рассчитаны для описания дыхательной активности (и выражены как мг CO ₂ -C кг ^-1 и O ₂ % (об. / Об. ), соотв.). Конечные количества CH ₄ , CO ₂ и O ₂ оценивались с помощью теста Стьюдента « t » для определения значимости различий в производстве или потреблении газа между почвами. Корреляция между общим количеством произведенных или потребленных газов с течением времени и органическим углеродом в почвах, собранных с разных положений склона, была проверена с помощью регрессионного анализа.

3. Результаты

3.1. Метаногенная активность почв на разных склонах

Положение почвы на склоне сильно повлияло на способность производства CH ₄ .Метан был произведен в затопленных почвах после 17-дневного запаздывания (Рисунок 1). Наибольшая метаногенная активность отмечена в средней почве. Во время 28-дневной инкубации в верхнем слое почвы 0–20 см выделилось 3,17 мг CH ₄ -C кг ^-1 почвы при норме 0,304 мг CH ₄ -C кг ^-1 d ^-1 (Рисунок 1 (а), Таблица 2). Образец почвы, отобранный в верхней позиции, произвел только 0,359 мг CH ₄ -C кг ^-1 , в то время как нижняя почва выделила даже менее 0,06 мг CH ₄ -C кг ^-1 .

*, **, ***, отличается от Верхнего положения (эталонный грунт) при <0.05, <0,01 и <0,001, соответственно, согласно тесту Стьюдента t -тест; нс — несущественная разница.

поглощение% (об. / об.) 0–20 Положение на склоне Глубина почвы (см) CH 4 производство CO 2 эволюция (мг C кг -1 9000 Всего (мг C кг −1 ) Скорость (мг C кг −1 d −1 ) Верхняя 0.3595 ± 0,118 0,0316 138,1 ± 2,56 14,61 ± 0,85 20–40 0,0017 ± 0,001 0,0001 110,2 ± 2,19 110,2 ± 2,19 8,7317 ± 0,02 9318 9318 9318 9318 9318 9318 931 Средний 0–20 3,1679 *** ± 0,140 0,3042 207,6 *** ± 2,34 19,14 ** ± 0,10 20-40 1,3538 *** ± 0,129 0,1162 174.6 *** ± 0,48 18,49 *** ± 0,29 Низ 0–20 0,0584 нс ± 0,011 0,0065 106,7 ** ± 0,13 11,3185 9319 ± 0,12 20–40 0,0018 нс ± 0,001 0,0003 47,8 *** ± 0,59 7,71 нс ± 0,13

Более глубокие слои почвы (20-40 см) показали значительно более низкую метаногенную активность (<0,001) с наибольшей продуктивностью в почве из среднего положения 1,35 мг CH ₄ -C кг ^-1 и много ниже в других почвах: менее 0,002 мг CH ₄ -C кг ^-1 (рис. 1 (d)).

Исследуемые почвы показали относительно большие различия в дыхании при затоплении.Как выделение CO ₂ , так и потребление O ₂ были более интенсивными в верхних, а не в более глубоких слоях почвы (Рисунки 1 (b) и 1 (c)). Средняя почва произвела 207,6 мг CO ₂ -C кг ^-1 и потребила 19,14% (об. / Об.). В начале эволюции CH ₄ в этой почве после 17 дней инкубации в свободном пространстве осталось только 3,21% (об. / Об.) O ₂ . В конце инкубации O ₂ практически не истощился (1,36% об. / Об. В свободном пространстве).Верхняя и нижняя почвы потребляли 14,6 и 11,6% (об. / Об.) O ₂ , соответственно, что давало конечную концентрацию O ₂ в свободном пространстве 5,88 и 8,85% (об. / Об.), Соответственно.

В подповерхностных затопленных почвах наблюдалось некоторое снижение дыхания (Рисунки 1 (e) и 1 (f)). Исключением была средняя почва, которая произвела 174,6 мг CO ₂ -C кг ^-1 , в то время как она потребляла 18,5% (об. / Об.) O ₂ (2% об. / Об. O ₂ слева в свободном пространстве).Остальные почвы следовали тенденции, наблюдаемой в производстве CH ₄ ; таким образом, они выделяли меньше CO ₂ и потребляли меньше O ₂ (<111 мг CO ₂ -C кг ^-1 и <8,8% (об. / об.), соответственно). В большинстве случаев продуцирование CO ₂ и потребление O ₂ в ходе метаногенной инкубации в средних и нижних почвах существенно отличалось от таковых в верхней почве (таблица 2).

3.2. Метанотрофная активность почв с разных положений склона

Способность потребления CH ₄ в верхних слоях почвы была немного изменена положением склона (рис. 2 (а)).Все почвы, собранные на глубине 0–20 см, полностью израсходовали добавленный метан (100%) после лага в 3-4 дня. Наибольшая метанотрофная активность наблюдалась в средней почве, которая быстро утилизировала весь газ между 4 и 9 днями со скоростью -20,66 мг CH ₄ -C кг ^-1 сут ^-1 (Таблица 3) . Потребление CH ₄ в верхних и нижних образцах продолжалось несколько дольше, до 11-го дня инкубации (16,08 и 17,58 мг CH ₄ -C кг ^-1 д ^-1 , соответственно.).

поглощение% (об. / об.).71 * ± 0,80 0–20 Положение на склоне Глубина почвы (см) CH 4 потребление CO 2 эволюция (мг C кг -1 9000 Всего (мг C кг -1 ) % от исходного CH 4 Скорость (мг C кг -1 d -1 ) Верхний 0–20 130.84 ± 2,31 100 −16,08 186,7 ± 11,4 11,14 ± 0,53 20–40 17,80 ± 2,62 14 −0,799 83,9 ± 2,86 93,11 2,586 83,9 ± 2,86 Средний 0–20 121,36 * ± 0,01 100 –20,66 198,9 нс ± 3,57 11,77 нс ± 0,34 11,77 нс ± 0,34 100 −12,26 224,1 *** ± 5,26 13,63 *** ± 0,32 Низ 130,96 ns ± 100 −17,58 151,9 нс ± 5,34 9,44 нс ± 0,38 20–40 116,49 *** ± 12,2 92 -7,954 104181 -7,954 104181 ** 3,1196 ** ± 0,50

*, **, ***, отличается от Верхнего (эталонного) грунта при <0.05, <0,01 и 𝑃 <0,001, соответственно, согласно тесту Стьюдента t -тест; нс — несущественная разница.

Более глубокие слои почвы показали больший разброс в окислительной способности CH ₄ (Рисунок 2 (d)). Наибольшую активность снова продемонстрировала почва, собранная из средней позиции, которая полностью использовала 121,3 мг CH ₄ -C кг ^-1 между 3-м и 9-м днями инкубации (со скоростью -12,26 мг CH ₄ -C кг ⁻¹ d ⁻¹ ).Нижняя почва потребила 116,49 мг CH ₄ -C кг ^-1 (92% от начального) со скоростью -7,95 мг CH ₄ -C кг ^-1 d ^-1 , тогда как верхняя почва окисла только 14% добавленного CH ₄ , при низкой скорости -0,799 мг CH ₄ -C кг ^-1 d ^-1 (<0,001) (Таблица 3).

В целом, производство CO ₂ и потребление O ₂ следовали тенденциям поглощения CH ₄ (Рисунок 2). Средняя почва на обеих глубинах показала очевидное увеличение CO ₂ и уменьшение O ₂ в свободном пространстве после 4 дней инкубации, когда началось окисление CH ₄ .Общее выделение CO ₂ 198,9 мг C кг ^-1 было, однако, аналогично измеренному в верхнем верхнем слое почвы, которое потребляло значительно меньше CH ₄ (Таблица 3). Количество CO ₂ , выделяемое средними слоями верхнего слоя почвы, было значительно выше, чем количество CO ₂ , выделяемое в нижних слоях почвы (151,9 мг C кг ^-1 , <0,001). Среди почв, собранных из более глубоких слоев, средняя почва произвела больше CO ₂ и потребила больше O ₂ , чем другие почвы, с накоплением 224.1 мг CO ₂ -C кг ^-1 и использование 13,6% (об. / Об.) O ₂ , <0,001 (рисунок 2).

3.3. Связь между измеренными свойствами почвы

Количество метана, произведенного в затопленных почвах, показало тесную взаимосвязь с количеством органического углерода, измененного положением почвы на склоне (рис. 3 (а)).

Подобные значимые отношения наблюдались для произведенного CO ₂ и потребленного O ₂ во время инкубации затопленных и влажных почв (т.е., в процессе производства и окисления метана, соответственно) по сравнению с C _org (Рисунки 3 (a) и 3 (b)). Такие корреляции для окисления метана не показаны.

4. Обсуждение

Положение в ландшафте влияет на накопление и перераспределение воды, питательных веществ, отложений и органических веществ. Почвы на гребнях и верхних склонах будут иметь тенденцию к рыхлению почвы и органических веществ, которые будут накапливаться на нижних склонах и во впадинах. Как правило, почвы на более низких склонах имеют тенденцию к более влажному режиму влажности в течение более длительного периода [33], в то время как концентрации O ₂ в почве могут значительно снижаться от гребней к долинам [34].Эмиссия метана с пологих участков может наблюдаться уже через один или три дня после летних дождей, в зависимости от их интенсивности [13]. Было высказано предположение, что в хорошо аэрированных почвах продукция CH ₄ в анаэробных микросайтах может быть важным источником метана для метанокисляющих бактерий [35]. Однако мало что известно о выбросах метана, когда обычно хорошо дренированные почвы затопляются на короткое время [13]. Характеристики окисляющих и продуцирующих сообществ CH ₄ и факторы, которые влияют на эти характеристики, а также перенос CH ₄ определяют величину поверхностного потока CH ₄ в атмосферу [36].Наши исследования с лёссовой почвой, собранной с разных положений склона и инкубированной в лабораторных условиях, показали, что положение склона значительно влияет на потенциал почвы для производства и окисления CH ₄ , а также на модифицированное дыхание почвы, участвующее в преобразованиях CH ₄ .

Мы сравнили почвы из средней и нижней позиции с почвами из верхней (верхней) позиции, которую можно рассматривать как эталонную почву. Потенциал продукции метана почвы из среднего положения значительно увеличился (в 9 раз в верхнем слое почвы и еще больше в более глубоком слое 𝑃 <0.001), а в нижней позиции CH ₄ добыча существенно не изменилась (Таблица 2). В свою очередь, потенциал окисления метана не изменился в слое 0–20 см (поскольку все верхние слои почвы истощили весь добавленный CH ₄ ), но сильно увеличился в слоях почвы 20–40 см и составил 14% в верхнем слое. почвы, до 92–100% в остальных почвах (<0,05 или <0,001).

В процессе метаногенеза почвенное дыхание претерпевало изменения, аналогичные наблюдаемым для метаногенного потенциала.В положении среднего склона продукция CO ₂ и поглощение O ₂ были значительно стимулированы по сравнению с верхней почвой (на 50% и 30%, соответственно, <0,001 и 𝑃 <0,01). Почва, собранная в нижнем положении, показала более низкое дыхание, чем верхняя почва (как CO ₂ , так и O ₂ меньше примерно на 20%, <0,01). В более глубоком слое почвы изменения в целом были более выраженными.

Изменения почвенного дыхания в процессе метанотрофии, по-видимому, зависели от глубины почвы.По сравнению с Верхним участком, верхние Средние и Нижние почвы не изменились, так как все почвы потребляли сопоставимые количества метана. Однако почвы, отобранные с глубины 20–40 см, дышали со значительно большей скоростью, чем верхний слой почвы (до 5 раз) (<0,001).

В экспериментах [21] водоустойчивые агрегаты значительно различались среди ландшафтных положений и уменьшались от нижнего> среднего> вершинного ландшафтного положения. Однако в некоторых почвах ландшафтный эффект был незначительным, например, для активности ферментов или выбросов CH ₄ и CO ₂ [19, 21].Fang et al. [17] отметили, что ни потенциальная чистая минерализация азота, ни нитрификация не были дифференцированы по положению склона, а также не было накопленных выбросов N ₂ O или CO ₂ из инкубированных почв в лаборатории; напротив, способность к окислению CH ₄ , по-видимому, уменьшалась снизу вверх.

Хорошо известно, что потоки метана строго регулируются наличием или отсутствием метанотрофов (окислителей CH ₄ ), которые обычно встречаются в верхних слоях почвы (0–20 см) [37].С другой стороны, метаногены (продуценты CH ₄ ) используют лабильные соединения углерода, которые были продуцированы в корневой зоне и менее распространены по мере удаления от поверхности почвы, а скорость потенциального производства CH ₄ снижается с глубиной ниже аэробная зона [38]. Однако более глубокая почва также способствует выбросу CH ₄ . В нашем эксперименте как в верхнем (0–20 см), так и в нижнем (20–40 см) слоях почвы Среднего положения образовались CH ₄ . Процесс начался относительно быстро, после 17 дней инкубации при 25 ° C, и CH ₄ достиг 3.16 мг CH ₄ -C кг ^-1 (0,35% об. / Об. CH ₄ в свободном пространстве) в течение 28-дневной инкубации. Точно так же Майер и Конрад [39] наблюдали быстрое увеличение производства CH ₄ в течение 25 дней после затопления высокогорной сельскохозяйственной почвы и лесной почвы. Возможно, что в нашем эксперименте выбросы CH ₄ не происходили в других почвах, поскольку O ₂ , который является наиболее термодинамически благоприятным акцептором электронов [29, 37], все еще находился в свободном пространстве.Метаногенез, очевидно, ингибируется O ₂ , это очевидно из полевых исследований, которые не показывают перекрытия в распределении глубин проникновения O ₂ в почвы или отложения и чистого производства CH ₄ [38]. Однако отсутствие образования CH ₄ в присутствии O ₂ in situ может быть связано с комбинацией факторов, из которых токсичность O ₂ является лишь одним из них. Например, метаногены более чувствительны к высыханию, чем воздействие O ₂ в рисовой почве [40].В нашем эксперименте образованию метана в средней почве предшествовало относительно быстрое потребление O ₂ , которое создавало почвенную гипоксию и позволяло метаногенам развиваться. Однако CH ₄ также был обнаружен в верхнем слое почвы на 21 день (0,008% об. / Об. В свободном пространстве), хотя в свободном пространстве было 8,4% (об. / Об.) O ₂ .

Вероятно, механизмы влияния положения склона на метаногенную и метанотрофную активность сложны. Некоторое снижение pH почвы наблюдалось для Средних и Нижних почв по сравнению с Верхними почвами (с pH 8.1 до 7,6–7,9, таблица 1). Однако в большинстве метаногенных сообществ, по-видимому, преобладают нейтрофильные виды [38]; в исследовании 68 метаногенных видов, проведенном Garcia et al. [41], большинство видов лучше всего росли в диапазоне pH от 6 до 8. Очевидно, в нашем эксперименте положение почвы меняло содержание песка, ила и глины на глубине 20–40 см (табл. 1). Содержание глинистой фракции снизилось с 6,3% в верхнем слое почвы до 4,2 и 4,3% в среднем и нижнем слоях почвы соответственно. Точно так же содержание ила снизилось с 77.С 4% до 68,7 и 61,6% соответственно. Изменение содержания песка (увеличение с 16,3% в верхнем положении до 27,5 и 34,5% в среднем и нижнем положениях соответственно), вероятно, стимулировало окисление CH ₄ из-за лучшего осушения и более легкой диффузии газа в почве, содержащей больше песок, поскольку O ₂ необходим ферменту монооксигеназе, который катализирует окисление метана [42]. Было документально подтверждено, что крупнозернистые почвы поддерживают окисление CH ₄ за счет увеличения диффузии газа (CH ₄ и O ₂ ) в почву [43].

Палушек и Жембровски [44] представляют свои результаты долгосрочного исследования, направленного на изучение влияния ускоренной эрозии на свойства почвы в лессовых ландшафтах. Они отметили, что легкая, умеренная и сильная эрозия отрицательно влияет на физические свойства почвы. Содержание глины и насыпная плотность в ар-горизонтах эродированных почв увеличиваются, тогда как содержание органического вещества, содержание водоустойчивых агрегатов, влагоемкость поля и удержание воды, полезной для растений, снижаются.Вследствие этого ухудшаются пористость почвы, воздухоёмкость и воздухопроницаемость. Напротив, в очень сильно эродированных почвах, чьи горизонты Ap образовались из карбонатного лёсса, распределение пор по размерам, влагоемкость поля и удержание воды, полезной для растений, являются благоприятными и сопоставимы с таковыми в неэродированных почвах [44].

Высокое содержание органического углерода в средней почве по сравнению с верхней почвой (таблица 1) стимулировало производство метана в условиях почвенной гипоксии. Вероятно, небольшие различия в C _org между Верхними и Нижними почвами могут объяснить незначительные различия в метаногенной активности.