Bio-methanation of No.3 Coal and Its Roof Gangue in Zhaozhuang No.2 Mine

पृथ्वी की गहराइयों में, कोयले की उन अंधेरी परतों में जहाँ कोयला पाया जाता है, एक शांत परिवर्तन लंबे समय से संदिग्ध रहा है लेकिन इसे बहुत कम देखा गया है: अदृश्य जीवन द्वारा ठोस चट्टान का गैस में बदलना। यह प्रक्रिया, जिसे बायोमेथेनेशन (biomethethanation) कहा जाता है, सूक्ष्मजीवों के समुदायों पर निर्भर करती है जो जटिल कार्बनिक पदार्थों को तोड़कर उपोत्पाद के रूप में मीथेन छोड़ते हैं। हालांकि वैज्ञानिक काफी समय से जानते हैं कि कोयले को स्वयं इस ईंधन को उत्पन्न करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है, लेकिन खनन के दौरान उत्पन्न होने वाली भारी मात्रा में अपशिष्ट सामग्री—जिसे कोल गैंग (coal gangue) के रूप में जाना जाता है—को काफी हद तक नजरअंदाज किया गया है। यह गैंग एक कार्बन-समृद्ध चट्टान है जिसे कोयले के साथ अलग कर दिया जाता है, और अक्सर इसे विशाल ढेरों के रूप में जमा किया जाता है जो परिदृश्य को बिगाड़ते हैं और स्थानीय जल आपूर्ति के लिए खतरा पैदा करते हैं। क्योंकि इस अपशिष्ट में काफी मात्रा में फंसा हुआ कार्बनिक पदार्थ होता है, शोधकर्ताओं ने एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछना शुरू कर दिया है: यदि कोयले को गैस में बदला जा सकता है, तो क्या यह अपशिष्ट चट्टान भी ऐसा कर सकती है, और क्या यह इसे और भी बेहतर तरीके से कर सकती है?

चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने झाओझुआंग नंबर 2 खान से नंबर 3 कोयले और उसके ठीक ऊपर स्थित चट्टान, जिसे 'रूफ गैंग' (roof gangue) कहा जाता है, के नमूने लेकर इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने इन सामग्रियों को पोषक तत्वों से भरपूर तरल और सूक्ष्मजीवों के एक विशिष्ट मिश्रण से भरी सीलबंद बोतलों में रखा, जिससे एक नियंत्रित वातावरण बनाया गया ताकि समय के साथ होने वाली घटनाओं को देखा जा सके। लक्ष्य केवल यह देखना नहीं था कि गैस उत्पन्न होती है या नहीं, बल्कि यह समझना भी था कि सूक्ष्मजीव वास्तव में कैसे काम करते हैं, वे किन रासायनिक मार्गों का उपयोग करते हैं, और क्यों एक सामग्री दूसरी सामग्री की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करती है। उन्होंने जो खोजा वह अपेक्षाओं के विपरीत एक आश्चर्यजनक बदलाव था: अपशिष्ट चट्टान, जिसे आमतौर पर बेकार माना जाता है, कोयले की तुलना में मीथेन के लिए कहीं अधिक कुशल कारखाना साबित हुई।

जब शोधकर्ताओं ने अपना प्रयोग शुरू किया, तो उन्होंने यह देखने के लिए प्रतीक्षा की कि सूक्ष्मजीवों को जागने और काम शुरू करने में कितना समय लगता है। कोयले को गैस उत्पादन के तीव्र चरण में प्रवेश करने में तीन सप्ताह लगे। हालाँकि, गैंग ने प्रयोग शुरू होने के मात्र दो सप्ताह बाद ही गैस बनाना शुरू कर दिया, और कोयले की तुलना में एक सप्ताह पहले ही अपने तेज़-तर्रार चरण में पहुँच गया। यह बढ़त एकमात्र अंतर नहीं थी। अवलोकन अवधि के अंत तक, गैंग ने कोयले की तुलना में चार गुना से अधिक मीथेन का उत्पादन किया था। कोयले से मामूली मात्रा में गैस प्राप्त हुई, लेकिन गैंग ने 1,177 इकाइयों की मात्रा तक पहुँचते हुए लगभग पांच गुना अधिक गैस उत्पन्न की, जबकि कोयले ने केवल 281 इकाइयाँ दीं।

यह समझने के लिए कि अपशिष्ट चट्टान इतनी अधिक उत्पादक क्यों थी, टीम ने बोतलों के भीतर सूक्ष्म जगत का बारीकी से निरीक्षण किया। उन्होंने बैक्टीरिया और आर्किया (archaea) के समुदाय की जांच की, जो दो मुख्य समूह हैं जो इस प्रक्रिया को संचालित करने वाले एककोशिकीय जीव हैं। उन्होंने पाया कि हालांकि दोनों सामग्रियाँ समान प्रकार के जीवन को आश्रय देती थीं, गैंग के वातावरण ने विशिष्ट, अत्यधिक कुशल श्रमिकों के विकास को बढ़ावा दिया। गैंग की बोतलों में, पेट्रीमोनास (Petrimonas) नामक एक बैक्टीरिया और फेरोप्लाज्मा (Ferroplasma) नामक एक प्रकार का आर्कियन बहुत प्रचुर मात्रा में हो गए। ये दो जीव अपने बीच विद्युत आवेश (electrical charges) को पारित करने की अपनी क्षमता के लिए जाने जाते हैं, जो अनिवार्य रूप से एक जैविक सर्किट बनाते हैं जो जटिल अणुओं को तोड़ने की गति को तेज कर देता है। इसके विपरीत, कोयले ने सूक्ष्मजीवों के एक अलग समूह को प्राथमिकता दी जो इस विशिष्ट प्रकार के ऊर्जा हस्तांतरण में कम कुशल थे।

सामग्रियों की भौतिक संरचना ने भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। गैंग कोयले की तरह एक ठोस, सघन ब्लॉक नहीं है; यह एक परतदार चट्टान है जिसका बनावट पतली चादरों के ढेर जैसा है। यह संरचना इसे बहुत अधिक सतह क्षेत्र (surface area) प्रदान करती है, जिसका अर्थ है कि सूक्ष्मजीवों के जुड़ने और भोजन करने के लिए अधिक स्थान उपलब्ध है। शोधकर्ताओं ने इस सतह क्षेत्र को मापा और पाया कि गैंग का सतह क्षेत्र कोयले के दोगुने से भी अधिक था। यह अतिरिक्त स्थान, गैंग में मौजूद कुछ खनिजों की उपस्थिति के साथ, जो सूक्ष्मजीवों के लिए प्राकृतिक सक्रियकर्ता (activators) के रूप में कार्य करते हैं, ने बैक्टीरिया को भोजन के स्रोत तक बहुत आसानी से पहुँचने की अनुमति दी। कोयला, अपनी सघन संरचना और अलग खनिज संरचना के कारण, सूक्ष्मजीवों के लिए कठिन था, जिससे पूरी प्रक्रिया धीमी हो गई।

बोतलों के भीतर की रासायनिक यात्रा ने भी दोनों सामग्रियों के टूटने के तरीकों में स्पष्ट अंतर प्रकट किया। गैंग की बोतलों में सूक्ष्मजीवों ने मुख्य रूप से उस मार्ग का उपयोग किया जो मीथेन बनाने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन के सेवन पर निर्भर करता है। कोयले की बोतलों में, सूक्ष्मजीवों ने मिथाइल समूहों (जो कार्बन और हाइड्रोजन परमाणुओं के छोटे समूह होते हैं) को तोड़ने वाले एक अलग मार्ग पर अधिक भरोसा किया। शोधकर्ताओं ने उत्पन्न गैसों को ट्रैक किया और पाया कि दोनों मामलों में, मीथेन कार्बन डाइऑक्साइड के निकलने की तुलना में तेजी से बन रही थी, लेकिन यह संतुलन इस आधार पर बदल जाता था कि किस सामग्री का उपयोग किया जा रहा है। गैंग प्रणाली कार्बन डाइऑक्साइड का उपभोग करने में विशेष रूप से अच्छी थी, जिसने और भी अधिक मीथेन के उत्पादन को चलाने में मदद की।

जैसे-जैसे प्रयोग चलता रहा, बोतलों के भीतर के तरल में ऐसे परिवर्तन हुए जिनसे शोधकर्ताओं को पता चला कि प्रक्रिया कब समाप्त हो रही है। उन्होंने पाया कि तरल में कुछ एसिड, विशेष रूप से बेंजोइक एसिड (benzoic acid) और आइसोवेलरिक एसिड (isovaleric acid) जमा होने लगे। ये पदार्थ सामान्यतः सूक्ष्मजीवों द्वारा जल्दी से तोड़ दिए जाते हैं, लेकिन जब सिस्टम में ऊर्जा खत्म हो जाती है या सूक्ष्मजीव कार्य करने में असमर्थ हो जाते हैं, तो ये एसिड पीछे रह जाते हैं। इनका संचय एक स्पष्ट संकेत के रूप में काम करता था कि रूपांतरण रुक गया है। यह अवलोकन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह बताता है कि प्रक्रिया कब पूरी होती है, जो भविष्य में ऐसे किसी भी सिस्टम को प्रबंधित करने की कोशिश करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए उपयोगी हो सकता है।

अध्ययन ने उन यौगिकों की विविधता को भी देखा जिन्हें सूक्ष्मजीव खा सकते हैं। गैंग ने बहुत व्यापक आहार की अनुमति दी; सूक्ष्मजीवों ने कोयले की बोतलों की तुलना में गैंग की बोतलों में पंद्रह अधिक प्रकार के कार्बनिक यौगिकों का उपभोग किया। इस विस्तृत मेनू का अर्थ था कि गैंग प्रणाली विविध स्रोतों से ऊर्जा निकाल सकती थी, जिससे इसके उच्च समग्र उत्पादन में योगदान मिला। कोयला प्रणाली अधिक सीमित थी, जो भोजन के संकीर्ण सेट पर टिकी रही, जिसने संभवतः इसके धीमे और कम उत्पादक प्रदर्शन में योगदान दिया।

अंततः, यह शोध सुझाव देता है कि दुनिया भर में वर्तमान में अप्रयुक्त पड़े कोल गैंग के विशाल ढेर में एक छिपा हुआ потенциаल हो सकता है। यह समझकर कि विशिष्ट सूक्ष्मजीव और स्थितियाँ क्या हैं जो गैंग को इतना कुशल मीथेन उत्पादक बनाती हैं, इस अपशिष्ट के उपचार के नए तरीके विकसित करना संभव हो सकता है। इस सामग्री को केवल ढेरों में पड़े रहने और मिट्टी को प्रदूषित करने के बजाय, इसे एक स्वच्छ ऊर्जा स्रोत में बदला जा सकता है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि यह एक हल की हुई समस्या है या इसे हर जगह तुरंत किया जा सकता है, लेकिन यह एक स्पष्ट 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' प्रदान करता है। यह दिखाता है कि सही जैविक भागीदारों के साथ, अतीत का अपशिष्ट भविष्य का ईंधन बन सकता है, जो एक भूवैज्ञानिक उपोत्पाद को सूक्ष्मजीवी जीवन के शांत और निरंतर कार्य के माध्यम से एक मूल्यवान संसाधन में बदल देता है।