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2021年12月23日，《自然》在線發(fā)表農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱沼科所）能源微生物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。
該團(tuán)隊(duì)與深圳大學(xué)、德國(guó)馬克斯·普朗克海洋微生物研究所、中國(guó)石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了一種來(lái)自油藏的新型產(chǎn)甲烷古菌，可在厭氧環(huán)境下直接氧化原油中的長(zhǎng)鏈烷基烴產(chǎn)生甲烷，突破了產(chǎn)甲烷古菌只能利用簡(jiǎn)單化合物生長(zhǎng)的傳統(tǒng)認(rèn)知，拓展了對(duì)產(chǎn)甲烷古菌碳代謝功能的認(rèn)知。
這一研究完善了碳素循環(huán)的生物地球化學(xué)過(guò)程，并為枯竭油藏殘余原油的生物氣化開(kāi)采——“地下沼氣工程”奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
不能“吃”的石油烴
原油的主要成分是由幾十個(gè)碳鏈形成的比較復(fù)雜的碳?xì)浠衔?。早在上世紀(jì)末，德國(guó)科學(xué)家首次在《自然》報(bào)道了石油烴可以被厭氧微生物降解轉(zhuǎn)化為甲烷。但是，這種生物降解過(guò)程與傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵類似，需要多種不同類型的細(xì)菌和古菌，通過(guò)互營(yíng)代謝來(lái)完成。
2008年，加拿大科學(xué)家在《自然》報(bào)道油藏中也存在類似混合菌群降解原油產(chǎn)甲烷過(guò)程。論文共同通訊作者、深圳大學(xué)教授李猛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，互營(yíng)代謝是指有機(jī)質(zhì)分解降解產(chǎn)生甲烷的時(shí)候，需要細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌兩種不同類型的微生物通過(guò)彼此依賴、互不可分的方式合作。
“在缺氧環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)被降解產(chǎn)生甲烷的過(guò)程俗稱沼氣發(fā)酵?！闭撐淖髡?、沼科所研究員白麗萍說(shuō)，過(guò)去的觀點(diǎn)認(rèn)為，產(chǎn)甲烷古菌僅能通過(guò)乙酸發(fā)酵、二氧化碳還原、甲基裂解和氧甲基轉(zhuǎn)化等4條途徑產(chǎn)生甲烷。其所能利用的底物非常簡(jiǎn)單，主要是一碳或者二碳化合物。
“以前的教科書告訴我們，對(duì)于由幾十個(gè)碳組成的烷烴和烷基烴這種復(fù)雜有機(jī)物，產(chǎn)甲烷古菌是不可能直接‘吃’掉它們的。之前，也沒(méi)有微生物直接降解石油烴生成甲烷或者二氧化碳的研究報(bào)道。”論文通訊作者、沼科所研究員承磊說(shuō)。
沼科所所長(zhǎng)王登山告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，40年多來(lái)，沼科所一直在從事厭氧微生物的基礎(chǔ)研究，并保存有全國(guó)最大的厭氧微生物模式物種近600種（全球有2000多種），是我國(guó)沼氣工程標(biāo)準(zhǔn)的主要制定者，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)建造了一系列有代表性的戶用和大中型沼氣工程。
這為找到可直接降解石油烴的微生物奠定了科研基礎(chǔ)。論文第一作者、沼科所周卓介紹，厭氧微生物是地球上數(shù)量最多、物種最豐富的生物資源。但由于技術(shù)原因，目前分離鑒定的厭氧微生物物種不足0.1%，大部分還屬于“微生物暗物質(zhì)”?？茖W(xué)家知道它們存在，但是不知道它們是一種什么樣的存在。
產(chǎn)甲烷古菌就是一種獨(dú)特的厭氧微生物，對(duì)氧氣敏感，通常在空氣中暴露幾分鐘就會(huì)死亡。它之所以被稱為“古菌”，是因?yàn)檫@種獨(dú)特的生命早在35億年前就存在于地球上。它擁有很多頭銜：地球上最早的生命形式之一、全球大氣甲烷排放主要貢獻(xiàn)者、沼氣發(fā)酵過(guò)程中的關(guān)鍵功能微生物。
意外發(fā)現(xiàn)讓神秘古菌現(xiàn)身
“找到這種新的產(chǎn)甲烷古菌是一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)?！背欣谡f(shuō)，其團(tuán)隊(duì)從2005年開(kāi)始進(jìn)行厭氧烴降解產(chǎn)甲烷的研究，但工作開(kāi)展起來(lái)非常難?！笆蜔N厭氧降解產(chǎn)甲烷的生長(zhǎng)周期一般需要一兩年時(shí)間，文獻(xiàn)報(bào)道的最長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間超過(guò)800天?！?/p>
雖然承磊笑說(shuō)，可以把培養(yǎng)物放在實(shí)驗(yàn)室慢慢“長(zhǎng)”，科研人員出去“玩兩年”回來(lái)后再觀察研究都來(lái)得及，但實(shí)際上，這種“超長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間”是非常枯燥的，也極其考驗(yàn)科研人員的耐心和耐力。
2019年，他們突然發(fā)現(xiàn)一份來(lái)自油藏的培養(yǎng)物“待機(jī)時(shí)間”超短——生長(zhǎng)周期大概兩到三個(gè)月。
“比以往的培養(yǎng)周期都要快很多，這個(gè)現(xiàn)象讓我們非常關(guān)注?！背欣谡f(shuō)，通過(guò)數(shù)十年的前期工作，他們獲得了一個(gè)利用長(zhǎng)鏈?zhǔn)蜔N產(chǎn)甲烷的培養(yǎng)物，它可以直接降解13碳到34碳的長(zhǎng)鏈烷烴，以及側(cè)鏈烷烴大于13的環(huán)己烷和環(huán)己苯。
“于是我們就想知道這里面可能是什么微生物，通過(guò)什么機(jī)制如此快速地轉(zhuǎn)化利用石油烴。也就是在這個(gè)時(shí)候，國(guó)外科學(xué)家提出了自然界中可能存在直接降解烷烴產(chǎn)生甲烷的新古菌，但是沒(méi)有證據(jù)支撐。我們?cè)谥匦路治鲞@個(gè)培養(yǎng)物的時(shí)候，的確發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡，而且豐度非常高?！背欣诨貞浾f(shuō)，但這個(gè)培養(yǎng)物中還有很多種微生物，需要提供多個(gè)不同維度的證據(jù)。
周卓介紹，他們首先通過(guò)穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，證實(shí)加入的正構(gòu)烷烴幾乎完全轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。再通過(guò)宏組學(xué)分析，他們發(fā)現(xiàn)了一種新型的古菌Ca.Methanoliparum。這一古菌具有完整的烴降解與甲烷產(chǎn)生的代謝途徑，并且這些途徑在培養(yǎng)烴降解產(chǎn)甲烷過(guò)程中都是高豐度表達(dá)的。
進(jìn)而，他們采用高分辨率質(zhì)譜技術(shù)，檢出了烷烴降解產(chǎn)甲烷過(guò)程中的關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物，從而進(jìn)一步證實(shí)了這種新型古菌的碳代謝途徑。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ca.Methanoliparum可以直接氧化長(zhǎng)鏈烷基烴，它通過(guò)β-氧化、伍德-永達(dá)爾途徑進(jìn)入產(chǎn)甲烷代謝，不需要通過(guò)互營(yíng)代謝來(lái)完成。也就是說(shuō)，這一古菌僅憑“一己之力”就完成了互營(yíng)代謝中需要多種細(xì)菌和古菌聯(lián)手才能完成的分解“工作”。他們因而提出了第五條甲烷產(chǎn)生途徑。
“第五種甲烷產(chǎn)生途徑的提出，完善了我們探索全球碳素生物地球化學(xué)循環(huán)的認(rèn)知?！背欣谡f(shuō)。
論文作者、中國(guó)石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授汪衛(wèi)東告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這也說(shuō)明在油藏條件下，還有豐富的未知微生物存在，它們有著不同的功能。其中一些微生物以不同的方式降解原油，將其轉(zhuǎn)化成甲烷或天然氣。
多樣化的應(yīng)用前景
傳統(tǒng)的原油開(kāi)采技術(shù)，主要是應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)或水壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)地下深層的原油運(yùn)移。“這種利用物理和化學(xué)方法采油的技術(shù)，導(dǎo)致超過(guò)一半的原油殘留在地下油藏，難以被開(kāi)采利用?！蓖粜l(wèi)東說(shuō)，基于這項(xiàng)研究成果，將有可能利用地下厭氧微生物的作用，把液態(tài)的原油降解變成氣態(tài)的甲烷，形成油氣共采，最終達(dá)到較高的原油開(kāi)采利用率。這也可延長(zhǎng)油藏的開(kāi)發(fā)壽命，有望讓老油田“復(fù)活”。
多年來(lái)，承磊團(tuán)隊(duì)與勝利油田等一線油氣生產(chǎn)單位保持著緊密合作。他們對(duì)此項(xiàng)成果非常關(guān)注。
王登山認(rèn)為，這項(xiàng)由“0”到“1”的基礎(chǔ)研究認(rèn)知，為人們開(kāi)發(fā)“地下沼氣工程”奠定了理論基礎(chǔ)?！暗叵碌挠筒挥贸槌鰜?lái)，可以直接把油變成氣，讓氣體出來(lái)，進(jìn)行甲烷的收集。這相當(dāng)于我們把沼氣池修在了幾千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大‘地下沼氣池’?！?/p>
王登山說(shuō)，基于該項(xiàng)成果的技術(shù)攻關(guān)一旦突破，對(duì)枯竭油藏進(jìn)行油氣共采，增產(chǎn)的油氣總量將達(dá)到數(shù)億噸，這將為緩解我國(guó)能源對(duì)外依賴度、保障國(guó)家能源安全提供科學(xué)支撐。由于省去了原油開(kāi)采煉化加工等巨大的排碳過(guò)程，代之以綠色可持續(xù)的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，直接獲得甲烷這一清潔能源，減少了碳排放，是一項(xiàng)綠色環(huán)保低碳技術(shù)。
“當(dāng)然，這還需要國(guó)家作頂層設(shè)計(jì)，整合全國(guó)的優(yōu)勢(shì)力量，依靠我們科學(xué)家和工程技術(shù)人員更多的攻關(guān)和努力才能完成。”王登山建議。此外，這種新型產(chǎn)甲烷古菌有可能作為一種全新的合成生物學(xué)底盤細(xì)胞，具有廣泛的應(yīng)用前景。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04235-2
責(zé)任編輯：胡惠雯
