石炭生成のメカニズムが明らかになる

石炭生成のメカニズムが明らかになる 地球
ペンシルベニア州立大学の地質学助教授、マックス・ロイド氏が世界各地のサンプルをテストした。左から木材、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭。©Patrick Mansell, Penn State

研究チームは、石炭の生成とメタンの生成に微生物が関与していることを発見しました。

これにより、石炭生成の最初の段階の一つであるメタン生成のメカニズムは、長年考えられてきたものとは異なる可能性があります。

この発見は、一部の炭田からのメタン燃料回収にも影響を与えます。

研究チームは、世界各地の石炭サンプルに含まれるメトキシル基を調べ、安定同位体を用いて、有機物が微生物の働きによって最終的に石炭になることを示しました。

メトキシル基は、3つの水素原子を持つ炭素原子に、1つの酸素原子が結合したものです。

この酸素原子は、大きな分子のどこにでも結合することができます。

石炭の場合、酸素原子は石炭の環状配列の1つである炭素原子に結合しています。

Max K. Lloyd助教授(地球化学)は、「地球化学者にアンケートを取れば、ほとんどの人が、石炭は温度、酸、触媒によって作られたと答えるでしょう。しかし、今回の結果は、そのようなメカニズムとは矛盾しています。微生物が石炭のメトキシル基を直接消費し、石炭を変化させ、メタンを作っていることを示しています。」と語ります。

石炭は、湿地帯の森林にある植物が水に落ち、すぐに埋もれてしまうことで形成されます。

有機物は泥炭から始まり、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭となり、さらに深く埋まって炭素が濃くなると無煙炭になります。

無煙炭はほとんどが炭素であり、褐炭はまだ植物性が強いです。

Lloyd氏によると、インドや中国などで現在使用されている石炭のほとんどは褐炭か亜瀝青炭で、これは簡単に安く手に入る唯一の種類だからだそうですが、これらの石炭は燃焼時に最も多くの温室効果ガスを発生させます。

この問題を解決する方法として、これらの炭層にあるメタンの井戸、すなわち炭層メタン(CBM)は、化石燃料からの脱却の架け橋として魅力的ですが、「CBMの生産井戸は、往々にして寿命が限られている。」と、研究者たちは本日(2021年11月12日)、Science誌に記しています。

「炭層メタンガス生産の課題は、井戸を作るのに非常にコストがかかることと、井戸が1ヶ月で枯渇する可能性があることです。」とLloyd氏は言います。

「その理由はわかっていません。生産者は微生物の数を増やしたり、(微生物のための)栄養を増やしたりしていますが、それはそれらが制限要因である場合にのみ有効で、石炭自体が制限要因である場合には有効ではありません。」

Lloyd氏は当初、生きている木や最近枯れた木に含まれるメトキシル基の量を調べていましたが、同じカリフォルニア工科大学の大学院生で、石炭中のメチル基を消費する微生物の研究をしていたElizabeth Trembath-Reichert氏(現在はアリゾナ大学地球・宇宙探査学部の助教授)に相談しました。

2つの方法で観測結果が本物であることを確認したLloyd氏は、世界中の石炭で同じものを探し始めました。

石炭中のメトキシル基はメタンに変化しますが、石炭からどのようにしてメタンが生成されるのかはよくわかっていないそうです。

このプロセスを理解するために、研究者たちは残されたメトキシル基に含まれる炭素の安定同位体に注目しました。

安定同位体とは、原子核に含まれる中性子の数が異なる、放射性物質を含まない元素の形態です。

中性子の数が12個と13個の炭素の同位体はほぼ同じであるが、13個の方が自然界での存在量が少なく、わずかに重い。

生物は一般的にどちらかの同位体を好むので、元々の原料に残っているものは、通常見られる同位体の割合とは異なることになります。

Lloyd氏らが木材から瀝青炭まであらゆるものに含まれるメトキシル基を調べたところ、同位体のプロファイルは、熱や酸、触媒反応によってメタンが生成された場合に見られるものとは一致しませんでしたが、微生物の働きから予想されるパターンとは一致しました。

微生物が石炭からメタンの前駆体分子を生成する過程。

微生物が石炭からメタンの前駆体分子を生成する過程。嫌気性微生物は石炭の間隙に生息し、酵素を生成して間隙にある石炭の構造体に排泄します。その酵素がメトキシル基を切断してメタン前駆体分子を生成する。©Max Lloyd, Penn State

「好気性微生物は石炭の環を分解するのに適していますが、嫌気性微生物は環を分解する良い方法がないことがわかりました。つまり、嫌気性微生物に残された唯一の方法は、メトキシル部分を切り離すことなのです。」

解放されたメトキシル基は、メタンに変換されます。

しかし、利用可能なメトキシルラジカルがすべて環から切り離されると、微生物は他のものに手を出せなくなり、反応が停止して井戸が干上がってしまいます。

「本当に面白いのは、これらの微生物がメトキシルを切り離すために酵素を放出していることです。彼らは細胞外で構造を分解しています。石炭は溶液ではないので、微生物は石炭の構造のどこにでも簡単に入れるわけではないので、これは限界があります。」とLloyd氏は言います。

研究者たちによると、石炭中のメトキシル基が時間とともに減少することは、石炭自体がメタン生成の制限要因であることを示しています。

つまり、微生物や栄養分を増やしても、より多くのメタンを生成することはできず、別のアプローチが必要になります。

このプロジェクトの他の研究者には、カリフォルニア工科大学地質・惑星科学部教授のJohn M. Eiler氏、環境科学・地球生物学教授のVictoria J. Orphan氏、地球生物学教授のAlex L. Sessions氏、ラトガース大学環境科学助教授のKatherine S. Dawson氏、南カリフォルニア大学地球科学教授Sarah J. Feakins氏、インディアナ大学インディアナ地質・水資源調査所研究地質学者Maria Mastalerz氏がいます。

Published by Pennsylvania State University. Max Lloyd et al., Methoxyl stable isotopic constraints on the origins and limits of coal-bed methane, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abg0241.