近年來，人們對氣候變暖似乎已經見怪不怪了，科學家們也不斷地發出“地球溫室效應”的警告。由于人類活動的影響，大氣中二氧化碳(CO2)含量已經超出自然界變動的界限，對南極沃斯托克冰川取到的冰心進行分析，結果表明，目前大氣中二氧化碳濃度已經上升到地球歷史上從未有過的高度，由此將引發一系列環境問題。
各國科技工作者都嘗試用各種方式對二氧化碳進行固定，以最大限度地消除它對氣候變暖的消極影響。森林固定方法受土地應用變化和其本身吸收能力的影響，比如木材生產的可變性，天氣、氣候、以二氧化碳為肥料的影響，集中造林的方式等都使木材的生產充滿了不確定性。經過嘗試，利用廢棄天然氣儲層儲存二氧化碳的容量僅小于海洋的儲存量，海洋儲存可能對海洋生態產生影響，而且海洋儲存二氧化碳不適合那些二氧化碳產量很大但是距離海洋很遠的國家和地區。科學家們認為，將二氧化碳儲存在生物成因天然氣田中，可以利用氣田中固有的厭氧古細菌——產甲烷菌(Methanogenus)(圖1)，將二氧化碳轉化為甲烷，同時實現能源再生。
產甲烷菌固定二氧化碳的應用研究
1999年，日本科學家提出，將二氧化碳注入氣體水合物層下或是注入永久凍土層之下，深且低溫的含水層會將二氧化碳自動封閉，從而實現將二氧化碳存儲于地下的目的。自養菌將二氧化碳固定于深水、沒有陽光的環境中。產甲烷菌可以在深水無氧的條件下將二氧化碳轉化成甲烷。將二氧化碳注入地下幾十或幾百年后，有望形成地下碳氫化合物層。
天然氣水合物經常存在于高壓和低溫的深海洋殼之下，天然氣可能聚集在氣體水合物層之下或永久凍土層之下，這些層位是天然的氣體隔離體。令人擔心的是，全球氣候變暖會引起永久凍土層融化和水合物變暖，從而加速此處聚集的甲烷的釋放。將二氧化碳注入永久凍土層和甲烷水合物封蓋之下，可以抽取出聚集的甲烷，阻止全球加速變暖，因為注入的二氧化碳會加固永久凍土層和甲烷水合物封蓋，二氧化碳水合物在高溫下比冰還要穩固，在高壓下比甲烷水合物還要穩固。所以從理論上講，這是有效的方法。
二氧化碳的地下儲存
如果將二氧化碳注入含水層，溶于存在有活性的產甲烷菌的地下水中，只要氫氣存在，產甲烷菌就會將二氧化碳轉化為甲烷。而且，甲烷傾向于從水中分離出且向上運移。因此，甲烷常聚集于儲層頂部。由于地下微生物和環境的多樣性，如果對二氧化碳進行微生物固定和循環，就要對適合的菌種和生態環境進行廣泛和仔細的研究。
2000年，美國能源部提出，自然界中有很多產甲烷菌，可以將二氧化碳轉化為甲烷。一些產甲烷菌生存在高溫和高壓的極端環境中。因此應該培育并挑選有用的產甲烷菌種，通過生物學、化學和地球物理學等學科的交叉，建立微生物設計或生物模擬系統。在此系統中，二氧化碳可以轉化為甲烷。
很多證據表明，生物成因天然氣可以成為一個氣田的主體，如東爪哇海的Terang-Sirusan氣田，我國的柴達木盆地生物氣田、云南陸良盆地生物氣田等。據統計，地球上的天然氣有20%由產甲烷菌產生，其中2/3由醋酸鹽發酵產生，1/3由二氧化碳固定形成。
發展遺傳解碼、基因排序，識別新的酶以及挑選好的產甲烷菌對加快二氧化碳向甲烷的轉化過程有很大作用。科學家從深海海底煙囪中分離出一些生活在高溫高壓極端環境的生物體，然后投入適合石油、天然氣產生的層位，試圖讓它們進一步幫助產生天然氣。
在加拿大，科學家們將二氧化碳用于提高原油采收率，將二氧化碳注入深的含水層或將二氧化碳注入廢棄的油氣井中的技術已經比較成熟，盡管以這些方式沉積的二氧化碳量非常大，但是沒有產生任何經濟效益。
將二氧化碳注入深的煤層，在沉積二氧化碳的同時可以提高煤層甲烷采收率，而以煤層甲烷為原料的發電廠產生的二氧化碳廢氣可以循環再注入煤層，從而產生更多的煤層甲烷供應給發電廠，這樣可以大大提高二氧化碳的工業附加值。
產甲烷菌的作用
產甲烷菌是一類嚴格厭氧古細菌，可以在高溫、高鹽、高壓等條件下生存，具有以二氧化碳為基質產生甲烷的特性，位于自然界碳循環厭氧食物鏈的末端，對自然界物質循環起著重要作用。它們有別于各種宏觀與微觀生物，生物學界曾將其稱為“第三生物”。大多數產甲烷菌能利用氫氣作為二氧化碳的還原劑以合成有機物，同時它們還利用特殊的厭氧呼吸、甲烷發酵和碳酸鹽呼吸來取得生命活動所需的能量。
1997年，中國農業農村部厭氧微生物重點開放實驗室認為，可以粗略地把產甲烷菌的生態環境分為三類：（1）農村式沼氣池和厭氧污水處理系統，經歷甲烷發酵的復雜有機物的水解發酵、產氫產乙酸、產甲烷和同型產乙酸全部四個階段。（2）反芻動物瘤胃，只經歷水解發酵和產甲烷兩個階段。瘤胃中發酵生成各種脂肪酸，促進胃腸道內壁迅速吸收，缺乏產氫產乙酸階段。（3）以溫泉和海底火山熱水口為代表，主要通過地質化學過程產生氫氣和二氧化碳。甲烷的生成至少包括產甲烷階段和同型產乙酸階段。
利用產甲烷菌進行二氧化碳地質固定的研究，可以從兩個方面進行：一是利用產甲烷菌的特性及多樣性，挑選適宜的菌種進行培養，發展適于應用的特性；二是給地下生態環境中已經存在的菌種提供適宜的條件，保持原有生態環境。第二種方法已經引起世界各國的關注，漸漸成為一門新的科學。北京大學的地球科學工作者在柴達木盆地進行了初步的實驗研究，取得了相當滿意的成果，為這種方法的工業化推廣打下良好的基礎。
成功的典范
2002年，歐盟為了符合《京都議定書》要求，計劃在2008~2012年將歐洲溫室效應氣體排放減少8%。這需要年平均減少600萬噸的二氧化碳排放量。短期內的措施是提高能源利用效率和從化石燃料轉向可再生燃料。但是，聯合國的穩定大氣中溫室效應氣體濃度的長期目標是必須進一步減少二氧化碳的排放。
2003年1月，歐洲成立了相關機構，致力于協調各個企業和科研單位共同努力降低大氣中二氧化碳的濃度，包括歐洲各國的石油公司、承包商、地質科學和其他專業技術學院。
這項規劃的目的是：（1）推動聯合性的研究，支持歐洲大陸將二氧化碳儲存、捕集、減少計劃的實施；（2）評估和修正石油勘探開發的戰略；（3）為歐洲和各個國家的政策制定提供相關信息；（4）通過技術活動、會議和網站發布結果，增加公眾對不同二氧化碳捕集和儲存技術的關注和認同。
根據歐洲委員會的第五框架計劃，即將啟動6個方案評估二氧化碳儲存的安全性和環境影響，包括在海面上將二氧化碳注入地下鹽水層、煤層裂隙、廢棄油田和地質儲層，并分析地層中天然聚集二氧化碳的成因。此外，方案還支持研究二氧化碳注入加拿大薩斯喀徹溫省Weyburn油田的情況，科學家們正致力于地球化學的分析和建模，以求更加深入地理解這項研究的結果和意義。
作者：激揚
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