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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（以下簡稱沼科所）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實驗室等單位研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了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)。
不能“吃”的石油烴
原油的主要成分是由幾十個碳鏈形成的比較復(fù)雜的碳氫化合物。早在上世紀(jì)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(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》報道油藏中也存在類似混合菌群降解原油產(chǎn)甲烷過程。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》，互營代謝是指有機質(zhì)分解降解產(chǎn)生甲烷的時候，需要細菌和產(chǎn)甲烷古菌兩種不同類型的微生物通過彼此依賴、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)生甲烷的過程俗稱沼氣發(fā)酵?！闭撐淖髡摺⒄涌扑芯繂T白麗萍說，過去的觀點認為，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4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。
“以前的教科書告訴我們，對于由幾十個碳組成的烷烴和烷基烴這種復(fù)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。”論文通訊作者、沼科所研究員承磊說。
沼科所所長王登山告訴《中國科學(xué)報》，40年多來，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死亡。它之所以被稱為“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)甲烷古菌是一個意外的發(fā)現(xiàn)?！背欣谡f，其團隊從2005年開始進行厭氧烴降解產(chǎn)甲烷的研究，但工作開展起來非常難?！笆蜔N厭氧降解產(chǎn)甲烷的生長周期一般需要一兩年時間，文獻報道的最長培養(yǎng)時間超過800天?！?/p>
雖然承磊笑說，可以把培養(yǎng)物放在實驗室慢慢“長”，科研人員出去“玩兩年”回來后再觀察研究都來得及，但實際上，這種“超長待機時間”是非?？菰锏模矘O其考驗科研人員的耐心和耐力。
2019年，他們突然發(fā)現(xiàn)一份來自油藏的培養(yǎng)物“待機時間”超短——生長周期大概兩到三個月。
“比以往的培養(yǎng)周期都要快很多，這個現(xiàn)象讓我們非常關(guān)注?！背欣谡f，通過數(shù)十年的前期工作，他們獲得了一個利用長鏈?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，通過什么機制如此快速地轉(zhuǎn)化利用石油烴。也就是在這個時候，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，但是沒有證據(jù)支撐。我們在重新分析這個培養(yǎng)物的時候，的確發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡，而且豐度非常高?！背欣诨貞浾f，但這個培養(yǎng)物中還有很多種微生物，需要提供多個不同維度的證據(jù)。
周卓介紹，他們首先通過穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記實驗，證實加入的正構(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)甲烷過程中都是高豐度表達的。
進而，他們采用高分辨率質(zhì)譜技術(shù)，檢出了烷烴降解產(chǎn)甲烷過程中的關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物，從而進一步證實了這種新型古菌的碳代謝途徑。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ca.Methanoliparum可以直接氧化長鏈烷基烴，它通過β-氧化、伍德-永達爾途徑進入產(chǎn)甲烷代謝，不需要通過互營代謝來完成。也就是說，這一古菌僅憑“一己之力”就完成了互營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。
論文作者、中國石化微生物采油重點實驗室教授汪衛(wèi)東告訴《中國科學(xué)報》，這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)動地下深層的原油運移?！斑@種利用物理和化學(xué)方法采油的技術(shù)，導(dǎo)致超過一半的原油殘留在地下油藏，難以被開采利用?！蓖粜l(wèi)東說，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采利用率。這也可延長油藏的開發(fā)壽命，有望讓老油田“復(fù)活”。
多年來，承磊團隊與勝利油田等一線油氣生產(chǎn)單位保持著緊密合作。他們對此項成果非常關(guān)注。
王登山認為，這項由“0”到“1”的基礎(chǔ)研究認知，為人們開發(fā)“地下沼氣工程”奠定了理論基礎(chǔ)?！暗叵碌挠筒挥贸槌鰜?，可以直接把油變成氣，讓氣體出來，進行甲烷的收集。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’。”
王登山說，基于該項成果的技術(shù)攻關(guān)一旦突破，對枯竭油藏進行油氣共采，增產(chǎn)的油氣總量將達到數(shù)億噸，這將為緩解我國能源對外依賴度、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，代之以綠色可持續(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，是一項綠色環(huán)保低碳技術(shù)。
“當(dāng)然，這還需要國家作頂層設(shè)計，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)底盤細胞，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
