“復活”老油田！Nature：神秘古菌催生第5條甲烷產(chǎn)生途徑

傳統原油開(kāi)采技術(shù)，難以驅動(dòng)地下油藏全部原油的運移，仍然有過(guò)半原油開(kāi)采不出來(lái)。

科學(xué)家相信，能在油藏環(huán)境中存活的厭氧微生物有望成為人類(lèi)的幫手。

利用沼氣發(fā)酵原理，將液態(tài)原油降解成氣態(tài)甲烷，形成油氣共采，是科學(xué)家探索的一條道路。

12月23日，《自然》在線(xiàn)發(fā)表農業(yè)農村部沼氣科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)沼科所）能源微生物創(chuàng )新團隊的最新研究成果。

該團隊與深圳大學(xué)、德國馬克斯·普朗克海洋微生物研究所、中國石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗室等單位研究人員合作，發(fā)現了一種來(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(cháng)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(cháng)的傳統認知，拓展了對產(chǎn)甲烷古菌碳代謝功能的認知。

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。

不能“吃”的石油烴

原油的主要成分是由幾十個(gè)碳鏈形成的比較復雜的碳氫化合物。

早在上世紀末，德國科學(xué)家首次在《自然》報道了石油烴可以被厭氧微生物降解轉化為甲烷。

但是，這種生物降解過(guò)程與傳統的沼氣發(fā)酵類(lèi)似，需要多種不同類(lèi)型的細菌和古菌，通過(guò)互營(yíng)代謝來(lái)完成。

2008年，加拿大科學(xué)家在《自然》報道油藏中也存在類(lèi)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《中國科學(xué)報》，互營(yíng)代謝是指有機質(zhì)分解降解產(chǎn)生甲烷的時(shí)候，需要細菌和產(chǎn)甲烷古菌兩種不同類(lèi)型的微生物通過(guò)彼此依賴(lài)、互不可分的方式合作。

“在缺氧環(huán)境下，有機質(zhì)被降解產(chǎn)生甲烷的過(guò)程俗稱(chēng)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(guān)點(diǎn)認為，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(shū)告訴我們，對于由幾十個(gè)碳組成的烷烴和烷基烴這種復雜有機物，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道?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、沼科所研究員承磊說(shuō)。

沼科所所長(cháng)王登山告訴《中國科學(xué)報》，40年來(lái)，沼科所一直在從事厭氧微生物的基礎研究，并保存有全國最大的厭氧微生物模式物種近600種（全球有2000多種），是我國沼氣工程標準的主要制定者，開(kāi)發(fā)設計建造了一系列有代表性的戶(hù)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。

論文第一作者、沼科所周卓介紹，厭氧微生物是地球上數量最多、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)”。

科學(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特的厭氧微生物，對氧氣敏感，通常在空氣中暴露幾分鐘就會(huì )死亡。

它之所以被稱(chēng)為“古菌”，是因為這種獨特的生命早在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者、沼氣發(fā)酵過(guò)程中的的關(guān)鍵功能微生物。

意外發(fā)現讓神秘古菌現身

“找到這種新的產(chǎn)甲烷古菌是一個(gè)意外的發(fā)現。”承磊說(shuō)，其團隊從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。

“石油烴厭氧降解產(chǎn)甲烷的生長(cháng)周期一般需要一兩年時(shí)間，文獻報道的最長(cháng)培養時(shí)間超過(guò)800天?！?/span>

雖然承磊笑說(shuō)，可以把培養物放在實(shí)驗室慢慢“長(cháng)”，科研人員出去“玩兩年”回來(lái)后再觀(guān)察研究都來(lái)得及，但實(shí)際上，這種“超長(cháng)待機時(shí)間”是非?？菰锏?，也極其考驗科研人員的耐心和耐力。

2019年，他們突然發(fā)現一份來(lái)自于油藏的培養物“待機時(shí)間”超短——生長(cháng)周期大概兩到三個(gè)月。

“比以往的培養周期都要快很多，這個(gè)現象讓我們非常關(guān)注?！背欣谡f(shuō)，通過(guò)數十年的前期工作，他們獲得了一個(gè)利用長(cháng)鏈石油烴產(chǎn)甲烷的培養物，它可以直接降解碳13到碳34的長(cháng)鏈烷烴，以及側鏈烷烴大于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)什么機制如此快速地轉化利用石油烴。也就是在這個(gè)時(shí)候，國外科學(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)有證據支撐。我們再重新分析這個(gè)培養物的時(shí)候，的確發(fā)現了它的蹤跡，而且豐度非常高?！背欣诨貞浾f(shuō)，但這個(gè)培養物中還有很多種微生物，需要提供多個(gè)不同維度的證據。

周卓介紹，他們首先通過(guò)穩定碳同位素標記實(shí)驗，證實(shí)加入的正構烷烴幾乎完全轉化為甲烷和二氧化碳。

再通過(guò)宏組學(xué)分析，他們發(fā)現了一種新型的古菌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烴降解產(chǎn)甲烷過(guò)程中都是高豐度表達的。

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。

結果發(fā)現，Ca. Methanoliparum可以直接氧化長(cháng)鏈烷基烴，它通過(guò)β—氧化、伍德—永達爾途徑進(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)的認知?！背欣谡f(shuō)。

論文作者、中國石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗室教授汪衛東告訴《中國科學(xué)報》，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(zhù)不同的功能。其中一些微生物以不同的方式降解原油，將其轉化成甲烷或天然氣。

多樣化的應用前景

傳統的原油開(kāi)采技術(shù)，主要是應用化學(xué)物質(zhì)或水壓力來(lái)驅動(dòng)地下深層的原油運移。

“這種利用物理和化學(xué)方法采油的技術(shù)，導致超過(guò)一半的原油殘留在地下油藏，難以被開(kāi)采利用?！?/span>汪衛東說(shuō)，基于這項研究成果，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，最終達到較高的原油開(kāi)采利用率。

這也可延長(cháng)油藏的開(kāi)發(fā)壽命，有望讓老油田“復活”。

多年來(lái)，承磊團隊與勝利油田等一線(xiàn)油氣生產(chǎn)單位保持著(zhù)緊密合作。他們對此項成果非常關(guān)注。

王登山認為，這項由“0”到“1”的基礎研究認知，為人們開(kāi)發(fā)“地下沼氣工程”奠定了理論基礎。

“地下的油不用抽出來(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’?！?/span>

王登山說(shuō)，因此，基于該項成果的技術(shù)攻關(guān)一旦突破，對枯竭油藏進(jìn)行油氣共采，增產(chǎn)的油氣總量將達到數億噸，這將為緩解我國能源對外依賴(lài)度、保障國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，代之以綠色可持續的生物轉化過(guò)程，直接獲得甲烷這一清潔能源，減少了碳排放，是一項綠色環(huán)保低碳技術(shù)。

“當然，這還需要國家作頂層設計，整合全國的優(yōu)勢力量，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?！蓖醯巧浇ㄗh。

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(pán)細胞，具有廣泛的應用前景。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04235-2

《中國科學(xué)報》 (2021-12-23 第1版 要聞 原標題為《神秘古菌以“一己之力”產(chǎn)甲烷》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛