意外發(fā)現的神秘古菌，竟能讓老油田“復活”

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

人類與甲烷菌相識已久

可以生成甲烷的微生物稱作產甲烷菌，這些生物都屬于原核生物中的古細菌，是厭氧菌，生長繁殖特別緩慢，培養(yǎng)分離比較困難。產甲烷菌只能在完全缺乏氧氣的環(huán)境中被發(fā)現。只有產甲烷和發(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。通過產甲烷作用，有機廢物可以轉化成有用的、無色、略帶一點酸臭的可燃性氣體甲烷（沼氣）。產甲烷作用同樣在人和動物的腸道中發(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就可以很方便地呼吸并維持生命。它們具有生命實體——細胞，而且開始自然繁殖，它們就是生物的鼻祖。

古細菌——地球生命的“鼻祖”

今天，地球早已經不比當初，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，同時呼出氣來，這就是所謂的沼氣泡。

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

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

甲烷細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物都不存在的地方，如地下深處、深海熱水口和油庫等。

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

老油田“復活”的“點睛”之物

早在20世紀末，德國科學家首次在國際著名期刊《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，加拿大科學家在《自然》報道了油藏中也存在這樣的混合菌群降解原油產甲烷過程。

過去的觀點認為，產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化等四條途徑產生甲烷。其所能利用的底物非常簡單，主要是一碳或者二碳化合物。

已經投入的采油技術有很多種，但使用傳統(tǒng)的原油開采技術，難以驅動地下油藏全部原油的運移，仍然有過半原油開采不出來?？茖W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，是科學家致力于探索的一條道路。

我國農業(yè)農村部沼氣科學研究所（簡稱沼科所）能源微生物創(chuàng)新團隊與深圳大學、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實驗室等單位合作，發(fā)現一種來自油藏的新型產甲烷古菌，可在厭氧環(huán)境下直接氧化原油中的長鏈烷基烴產生甲烷，突破了產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”奠定了科學基礎。

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”?？茖W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和應用研究，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），是我國沼氣工程標準的主要制定者，開發(fā)設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，也為老油田的“復活”奠定了基礎。

意外發(fā)現的神秘古菌

產甲烷古菌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者、沼氣發(fā)酵過程中的關鍵功能微生物。

2019年，我國沼科所的科研人員通過數十年的前期工作，獲得了一個利用長鏈石油烴產甲烷的培養(yǎng)物，它可以直接降解C13到碳C34的長鏈烷烴，以及側鏈烷烴大于13的環(huán)己烷和環(huán)己苯。

幾乎在同時，國外科學家提出了自然界中可能存在直接降解烷烴產生甲烷的新古菌的觀點，但是沒有證據支撐。我國科學家在重新分析2019年發(fā)現的培養(yǎng)物的時候，的確發(fā)現了它的蹤跡，而且豐度非常高。但這個培養(yǎng)物中還有多種微生物，需要提供多個不同維度的證據。

科學家首先通過穩(wěn)定碳同位素標記試驗，證實加入的正構烷烴幾乎完全轉化為甲烷和二氧化碳。再通過進一步的微生物學分析，發(fā)現了一種新型的古菌具有完整的烴降解與甲烷產生的代謝途徑，而且產生甲烷的能力相當高，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生途徑。

我國微生物學家認為：“第五種甲烷產生途徑的提出，完善了我們探索全球碳素生物地球化學循環(huán)的認知?！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，將其轉化成甲烷或天然氣。

多樣化的應用前景

傳統(tǒng)的原油開采技術，主要是應用化學物質或水壓力來驅動地下深層的原油運移。這種利用物理和化學方法采油的技術，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@項與甲烷菌有關的研究成果，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“復活”。

這項由“0”到“1”的基礎研究認知，為人們開發(fā)“地下沼氣工程”奠定了理論基礎。地下的油不用抽出來，可以直接把油變成氣，讓氣體出來，進行甲烷的收集。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”。基于該項成果的技術攻關一旦突破，對枯竭油藏進行油氣共采，增產的油氣總量將達到數億噸，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，這是一項綠色環(huán)保低碳技術。當然，這還需要國家作頂層設計，整合全國的優(yōu)勢力量，依靠科學家和工程技術人員更多的攻關和努力才能完成。這種新型產甲烷古菌，將有可能作為一種全新的合成生物學的基礎性細胞，具有更廣泛的應用前景。

作者：王大銳（中國石油勘探開發(fā)研究院）