意外發(fā)現(xiàn)的神秘古菌，竟能讓老油田“復(fù)活”

甲烷菌是細(xì)菌的一種，是一種在厭氧條件下以甲烷為特異代謝產(chǎn)物的細(xì)菌，其代謝產(chǎn)物為甲烷和二氧化碳。

人類與甲烷菌相識(shí)已久

可以生成甲烷的微生物稱作產(chǎn)甲烷菌，這些生物都屬于原核生物中的古細(xì)菌，是厭氧菌，生長繁殖特別緩慢，培養(yǎng)分離比較困難。產(chǎn)甲烷菌只能在完全缺乏氧氣的環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)。只有產(chǎn)甲烷和發(fā)酵作用能夠在只有含碳化合物作為電子受體的情況下發(fā)生。通過產(chǎn)甲烷作用，有機(jī)廢物可以轉(zhuǎn)化成有用的、無色、略帶一點(diǎn)酸臭的可燃性氣體甲烷（沼氣）。產(chǎn)甲烷作用同樣在人和動(dòng)物的腸道中發(fā)生。

甲烷菌很古老，大概是地球上最古老的生命體之一。在地球的初始狀態(tài)下，特殊的環(huán)境使得甲烷菌得以誕生。它們不需要氧氣僅靠簡單的碳酸鹽和甲酸鹽等物質(zhì)就可以很方便地呼吸并維持生命。它們具有生命實(shí)體——細(xì)胞，而且開始自然繁殖，它們就是生物的鼻祖。

古細(xì)菌——地球生命的“鼻祖”

今天，地球早已經(jīng)不比當(dāng)初，而甲烷菌卻依然保持著本性，仍然厭氧。如今的甲烷菌有著廣泛的“食物”來源，例如，雜草、秸稈、樹葉，食堂里的殘羹剩飯，還有動(dòng)物糞尿，甚至垃圾等，這些都是甲烷菌的最好食物。在沼澤和水草茂密的池塘底部，一般是極為缺氧的，甲烷菌常常躲在這里飽餐，同時(shí)呼出氣來，這就是所謂的沼氣泡。

甲烷細(xì)菌生長很緩慢，在人工培養(yǎng)條件下需經(jīng)過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。有的甲烷細(xì)菌需要培養(yǎng)七八十天才能長出菌落，在自然條件下甚至更長。菌落也相當(dāng)小，特別是甲烷八疊球菌菌落更小，如果不仔細(xì)觀察很容易遺漏。菌落一般圓形、透明、邊緣整齊，在熒光顯微鏡下發(fā)出強(qiáng)的熒光。

甲烷細(xì)菌生長緩慢的原因，是它可利用的物質(zhì)很少，只能利用很簡單的物質(zhì)，如二氧化碳、氫氣、甲酸、乙酸和甲基胺等。這些簡單物質(zhì)必須由其他發(fā)酵性細(xì)菌，把復(fù)雜有機(jī)物分解后提供給甲烷細(xì)菌，所以甲烷細(xì)菌一定要等到其他細(xì)菌都大量生長后才能生長。同時(shí)甲烷細(xì)菌世代時(shí)間長，有的細(xì)菌20分鐘繁殖一代，甲烷細(xì)菌需幾天甚至幾十天才能繁殖一代。

甲烷細(xì)菌不能在有氧氣處生存，它們只能生存在完全缺氧的環(huán)境中，比如濕地土壤、動(dòng)物消化道和水底沉積物等。甲烷作用也可發(fā)生在氧氣和腐爛有機(jī)物都不存在的地方，如地下深處、深海熱水口和油庫等。

產(chǎn)甲烷細(xì)菌是沼氣發(fā)酵中最終的甲烷產(chǎn)生者，是沼氣發(fā)酵的關(guān)鍵菌之一。這群細(xì)菌的活性如何，它們與參加沼氣發(fā)酵的其他菌群的協(xié)同關(guān)系如何，是最終決定沼氣發(fā)酵正常與否的關(guān)鍵。

老油田“復(fù)活”的“點(diǎn)睛”之物

早在20世紀(jì)末，德國科學(xué)家首次在國際著名期刊《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，通過互營代謝來完成。

2008年，加拿大科學(xué)家在《自然》報(bào)道了油藏中也存在這樣的混合菌群降解原油產(chǎn)甲烷過程。

過去的觀點(diǎn)認(rèn)為，產(chǎn)甲烷古菌僅能通過乙酸發(fā)酵、二氧化碳還原、甲基裂解和氧甲基轉(zhuǎn)化等四條途徑產(chǎn)生甲烷。其所能利用的底物非常簡單，主要是一碳或者二碳化合物。

已經(jīng)投入的采油技術(shù)有很多種，但使用傳統(tǒng)的原油開采技術(shù)，難以驅(qū)動(dòng)地下油藏全部原油的運(yùn)移，仍然有過半原油開采不出來?？茖W(xué)家相信，能在油藏環(huán)境中存活的厭氧微生物有可能成為人類的幫手。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)家致力于探索的一條道路。

我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所（簡稱沼科所）能源微生物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與深圳大學(xué)、德國馬克斯普朗克海洋微生物研究所、中石化微生物采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位合作，發(fā)現(xiàn)一種來自油藏的新型產(chǎn)甲烷古菌，可在厭氧環(huán)境下直接氧化原油中的長鏈烷基烴產(chǎn)生甲烷，突破了產(chǎn)甲烷古菌只能利用簡單化合物生長的傳統(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)過程，并為枯竭油藏殘余原油的生物氣化開采——“地下沼氣工程”奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

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。

我國沼科所一直從事厭氧微生物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，幾十年以來，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(biāo)準(zhǔn)的主要制定者，開發(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)，也為老油田的“復(fù)活”奠定了基礎(chǔ)。

意外發(fā)現(xiàn)的神秘古菌

產(chǎn)甲烷古菌是一種獨(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之上。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)酵過程中的關(guān)鍵功能微生物。

2019年，我國沼科所的科研人員通過數(shù)十年的前期工作，獲得了一個(gè)利用長鏈?zhǔn)蜔N產(chǎn)甲烷的培養(yǎng)物，它可以直接降解C13到碳C34的長鏈烷烴，以及側(cè)鏈烷烴大于13的環(huán)己烷和環(huán)己苯。

幾乎在同時(shí)，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)生甲烷的新古菌的觀點(diǎn)，但是沒有證據(jù)支撐。我國科學(xué)家在重新分析2019年發(fā)現(xiàn)的培養(yǎng)物的時(shí)候，的確發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡，而且豐度非常高。但這個(gè)培養(yǎng)物中還有多種微生物，需要提供多個(gè)不同維度的證據(jù)。

科學(xué)家首先通過穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記試驗(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。再通過進(jìn)一步的微生物學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了一種新型的古菌具有完整的烴降解與甲烷產(chǎn)生的代謝途徑，而且產(chǎn)生甲烷的能力相當(dāng)高，不需要通過互營代謝來完成。這一類古菌僅憑“一己之力”就完成了互營代謝中需要多種細(xì)菌和古菌聯(lián)手才能完成的分解“工作”。研究人員因而提出了第五種甲烷產(chǎn)生途徑。

我國微生物學(xué)家認(rèn)為：“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?！边@也說明在油藏條件下，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在降解原油，將其轉(zhuǎn)化成甲烷或天然氣。

多樣化的應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的原油開采技術(shù)，主要是應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)或水壓力來驅(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)，仍然有超過一半的原油殘留在地下油藏，難以被開采利用?；谶@項(xiàng)與甲烷菌有關(guān)的研究成果，將有可能利用地下厭氧微生物的作用，把液態(tài)的原油降解成氣態(tài)的甲烷，形成油氣共采，最終達(dá)到比較高的原油開采利用率。也可延長油藏的開發(fā)壽命，有望讓老油田“復(fù)活”。

這項(xiàng)由“0”到“1”的基礎(chǔ)研究認(rèn)知，為人們開發(fā)“地下沼氣工程”奠定了理論基礎(chǔ)。地下的油不用抽出來，可以直接把油變成氣，讓氣體出來，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”。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，將為緩解我國能源對(duì)外依賴度，保障國家能源安全提供科學(xué)支撐。

由于省去了原油開采煉化加工等巨大的排碳過程，代替以綠色可持續(xù)的生物轉(zhuǎn)化過程，直接獲得甲烷這一清潔能源，減少了碳排放，這是一項(xiàng)綠色環(huán)保低碳技術(shù)。當(dāng)然，這還需要國家作頂層設(shè)計(jì)，整合全國的優(yōu)勢力量，依靠科學(xué)家和工程技術(shù)人員更多的攻關(guān)和努力才能完成。這種新型產(chǎn)甲烷古菌，將有可能作為一種全新的合成生物學(xué)的基礎(chǔ)性細(xì)胞，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

作者：王大銳（中國石油勘探開發(fā)研究院）