油藏是一个高温、高压、少氧、寡营养和封闭的极端环境,油田经过多年注水开发后,在油藏内部形成了相对稳定的微生物群落体系,这些微生物以石油烃分解为起始,形成了一个复杂的食物链,对油藏碳、硫和金属离子的元素地球化学循环起着非常重要的作用.微生物提高原油采收率技术(MEOR)是利用微生物及其代谢产物与油藏和原油发生作用来提高原油采收率的一种新技术,具有成本低、适应性强和环境友好等特点,因此有望成为未来化学驱后油藏和高含水油藏进一步提高采收率的重要手段.对油藏内源微生物及其介导的生化反应,微生物采油原理、发展历程和现场试验进行综述,并提出了未来的发展方向.

互营代谢是微生物之间的重要种间互作关系之一,参与互营代谢的微生物广泛存在于土壤、淡水和海水沉积物、厌氧消化反应器、动物肠道和极端环境中(如地下油藏),在有机物厌氧降解转化为二氧化碳和甲烷的过程中发挥着关键性的作用.研究互营细菌的物质代谢和能量传递的分子机制,对认识缺氧环境中的元素生物地球化学循环具有重要意义,也为解决全球能源危机、缓解气候变暖提供理论指导.但是,互营细菌生长缓慢、对氧气敏感,其分离培养的难度大.本文主要回顾了互营细菌的分离策略及其生理生化特征,展望了互营细菌分离培养的发展趋势,并指出以高通量筛选与定向分离相结合的方法,获得具有特定生理生态学功能的互营细菌,是互营微生物资源和分类学研究的发展方向.

地下深部油藏通常为高温、高压以及高盐的极端环境,含有非常丰富的本源嗜热厌氧微生物,按代谢类群可分为发酵细菌、硫酸盐还原菌、产甲烷古菌和铁还原菌.从油田环境已经分离出90株铁还原微生物,如热袍菌目、热厌氧杆菌目、脱铁杆菌目、δ-变形菌纲脱硫单胞菌目、γ-变形菌纲希瓦氏菌属和广古菌门栖热球菌属等,这些菌株生长温度范围为4-85℃,生长盐度范围为0.1％-10.0％ NaCl,还未见到文献报道油藏铁还原菌的耐压性研究.在油藏环境中存在微生物、矿物和流体(油/水)三者之间的相互作用,油藏中的粘土矿物能够作为微生物生命活动的载体,也能为微生物代谢作用提供电子受体.本文综述了油藏铁还原菌分离和表征的研究进展,简述了油藏铁还原菌的环境适用性,并展望了铁还原菌在提高原油采收率方面的应用前景.

为揭示模拟油藏环境的岩心与真实油藏的微生物群落结构之间存在的差异程度,应用高通量分析方法,一方面分析具体油藏沾3区块注入水和6口油井的产出液,另一方面分析模拟沾3区块油藏条件的物模实验岩心产出液,对比分析注入水、油井产出液和物模实验岩心产出液三者细菌及古菌的群落结构.结果显示,同一油藏不同油井之间细菌群落结构差异明显,每口油井在不同时间其优势细菌变化较大,常见的细菌有Desulfacinum、Thermodesulforhabdus、Pseudomonas等属;而古菌群落结构保持相对稳定,常见的古菌有Methanosaeta和Methanomethylovorans等属.将注入水、油藏产出液和岩心产出液三者所有的样品分析结果在属水平上进行相对含量排序,对比三者细菌和古菌排序前15个属,结果表明油藏和岩心中的细菌群落结构差异明显,仅有4个共有属,分别是Pseudomonas、Syntrophomonas、Petrobacter和Acinetobacter,而两者主要古菌群落结构非常相近.本研究说明物理模型还不能完全模拟真实油藏,只能部分接近油藏环境.

[背景]油藏内源微生物群落是开展内源微生物驱油技术的物质基础,由于油藏多孔介质取样技术难度大、成本高,实施内源微生物驱油后从注入端到产出端多孔介质中的内源微生物空间分布规律尚不明确.[目的]通过室内长岩心连续驱替实验模拟油藏内源微生物驱油过程,分析实施后不同空间位点油砂上吸附的内源微生物群落结构,揭示从注入端到产出端内源微生物群落的空间分布规律.[方法]借助高通量测序技术及荧光定量PCR技术解析不同空间位点油砂原位微生物群落信息.[结果]注入端到产出端不同空间位点生态环境的差异及菌属间的相互作用造成油藏内源微生物群落空间分布差异,存在明显的好氧、厌氧空间演替变化规律.岩心前端主要存在一些好氧类的产生物表面活性剂类微生物如假单胞菌属,岩心中部主要存在兼性和厌氧类的微生物如地芽孢杆菌、厌氧杆菌属,岩心末端主要分布严格厌氧类细菌和产甲烷古菌,厌氧类微生物代谢产生的H2、CO2和乙酸分子可以为产甲烷古菌提供代谢底物.[结论]通过室内物模油砂研究,首次明确了内源微生物群落在多孔介质中从注入端到产出端的空间分布规律,证实油藏内源微生物的好氧、厌氧空间接替分布规律,深化了对油藏内源微生物的认识.

[背景]海域油藏环境中硫酸盐还原菌(sulfate-reducing prokaryotes,SRP)的生长和代谢能够产生大量H2S,引发酸败(souring)及微生物腐蚀等多方面的问题.但有关油藏生境中SRP的微生物多样性与生理活性及其危害控制的认识仍十分有限.[目的]深入了解我国渤海海域某高温酸败油藏中SRP的生理特点,探究SRP危害的控制策略.[方法]采用Hungate厌氧纯培养技术从渤海海域某高温酸败油井采出水中分离筛选SRP,并考察优势菌株的生理特点,综合16S rRNA基因序列比对分析菌株系统发育地位,着重评价不同杀菌剂及使用剂量对优势菌株产H2S活性的抑制效力.[结果]酸败采出井的采出水中优势SRP菌株WJ1的细胞呈长杆状,菌体长度为2.0-5.5 μm,有运动性.W J1与解糖泽恩根氏菌(Soehngenia saccharolytica)模式菌株BOR-YT的16S rRNA基因序列一致性达99％.WJ1最适生长温度约为37℃,能够耐受60℃高温;最适pH值约为8.0(范围5.0-10.0),最适盐度约为0％-3％,盐度高于5％不能生长.WJ1可利用丙酸钠、乳酸钠、乙酸盐等多种碳源,能以硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐为唯一电子受体产生H2S,不能利用单质硫.次氯酸钠(600mg/L)、苄基三甲基氯化铵(600mg/L)对WJ1产H2S活性无明显抑制效果.戊二醛(30 mg/L)、溴硝醇(10 mg/L)或四羟甲基硫酸磷(120 mg/L)可抑制WJ1产H2S活性达30d以上.[结论]渤海海域某高温酸败油井采出水中优势SRP菌株WJ1与S.saccharolytica BOR-YT的16S rRNA基因序列一致性最高,但两者生理特性差异明显;溴硝醇、戊二醛、四羟甲基硫酸磷是控制该酸败油井的潜在有效杀菌剂.

[背景]微生物在油田注采系统中的迁移直接影响到油藏微生物群落组成及其在油田生产中的应用.然而,由于缺少特异性标记,很难将目标微生物同众多的土著微生物区分开.因此,需要构建携带特异性基因的微生物菌株.[目的]为了有效追踪定位微生物在油田注采系统中的迁移,本文构建一株红色荧光蛋白标记假单胞菌.[方法]运用染色体同源重组的方法,将带有组成型表达启动子的红色荧光蛋白编码基因(red fluorescent protein gene,rfp)插入到一株分离自油藏环境且产鼠李糖脂的铜绿假单胞菌SG染色体上编码β-内酰胺酶基因内部,获得标记菌株SG-rfp. [结果]构建的菌株SG-rfp能够在非诱导条件下表达红色荧光蛋白,而且对氨苄青霉素、卡那霉素、链霉素和庆大霉素不具有耐受性.与野生型菌株SG相比,构建的SG-rfp菌株也能够在有氧和缺氧条件下产生鼠李糖脂,在岩芯驱油实验中能够较好地提高原油采收率.此外,应用菌株SG-rfp,本文研究并证实了微生物在含油多孔介质中的迁移扩散及所受限制.[结论]本文所构建的菌株SG-rfp为深入研究微生物在油田注采系统中的迁移及微生物在油田生产中的应用提供了有力工具.

暗黑菌门包括OP9和JS1两大分支,成员大多为未培养微生物,在自然环境中广泛分布,并且在部分环境如厌氧海洋沉积物、地热环境以及油藏中为优势微生物.基于基因组信息的研究表明,暗黑菌为严格的厌氧微生物,同时具有降解糖类、小分子酸、短链正构烷烃的能力,在地球碳循环过程中可能扮演着重要的角色.然而,由于缺乏相应代表性的纯培养菌株,对于暗黑菌的生理生化功能推测仍有待验证.文章概述了暗黑菌的发现及发展历史,分析了其环境分布和多样性,简述了目前提出的三种代谢方式,提出了未来暗黑菌的研究发展方向.

为了证实油藏环境中古菌的酸蚀作用,借助高通量测序的方法对渤海S油田古菌的群落组成和多样性进行分析,发现了具有硫酸盐还原功能的古菌:热球菌(Thermococcales)、古球菌(Archaeoglobales)和脱硫球菌(Desulfurococcales).通过构建oprA、dsrA、dsrB等硫酸盐还原功能基因的分子进化树,获得了这些功能基因在古球菌中的丰度,发现古球菌的占比在dsrA、dsrB中呈现优势,意味着古球菌的主要功能是将亚硫酸盐还原为H2S.另一方面,比较了该油田H2S治理井与非治理井的古菌群落组成,发现热球菌在生物竞争抑制(BCX)作用下,其在古菌中的丰度降幅达到23.84％,表明BCX能够抑制古菌的硫酸盐还原功能.本研究明确了引发硫化氢酸蚀的古菌群和相关的功能基因,为有针对性地开发油田次生H2S治理体系提供依据和指导.

[背景]石油污染治理中的生物修复因无二次污染、处理成本低等优点受到人们的广泛关注,但由于石油烃向环境中大量输入,导致环境中氮源的相对不足成为制约生物修复效率的关键因素之一,因此筛选能够适应寡氮环境的微生物具有重要的生态意义.[目的]从辽河油田油藏水中筛选在不添加氮源培养基中生长的微生物,为石油污染环境生物修复提供候选菌株.[方法]利用改良无氮培养基分离菌株,根据16S rRNA基因序列同源性鉴定菌株,并对其进行固氮酶活性分析、固氮基因和石油降解基因扩增.[结果]筛选得到21株菌,分属于16个不同的属,其中假单胞菌属所占比例最高(23.8％).固氮酶活性分析结果表明,8株细菌可检测到乙炔还原活性,从3株菌株中扩增到固氮基因nifH,其余13株细菌被鉴定为寡氮营养菌(oligotrophic-nitrogen bacteria).对21株菌株的石油降解相关基因进行扩增,发现5株菌株基因组中具有烷烃单加氧酶基因alkB或细胞色素P450基因.[结论]本研究从辽河油田油藏水中分离到的细菌适应寡氮环境,具备降解石油潜能,丰富了石油污染地区的微生物多样性,为生物修复提供菌种基础.