神奇发现！向地质深层注入二氧化碳，会产生燃料

文 | 综合自《中国科学报》、sciencedaily

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摘要：地底下有一种神秘的古菌，力量无穷，可以在适当的情境下，把很多物质分解。这种新型产甲烷古菌有可能作为一种全新的合成生物学底盘细胞，具有广泛的应用前景。

地底下到底在发生什么，对于人类来说，还有很多未解之谜。

最近，中国科学家和英国科学家，几乎同时发现一个惊人秘密：即在地球深层，有一种神秘的古微生物，可以在地底下把二氧化碳和石油等碳烃物质，降解为甲烷。

来自中国农业农村部沼气科学研究所的专家发现，一种来自油藏的新型产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。

而来自英国牛津大学的专家发现，把二氧化碳注入地底下，通过产甲烷微生物作用，可将一部分二氧化碳转化为甲烷。

我们知道，甲烷是一种比二氧化碳更强的温室气体，但由于其高度可燃性，通常是作为燃料（天然气及沼气等的主要成分）为我们日常生活所用。并且甲烷也可作为化工原料，广泛应用于氢气、一氧化碳、乙炔及甲醛等的制造。

12月23日，《自然》杂志在线同时刊登了这两个发现成果。两者的基本原理都差不多，但是在不同的应用场景中发现。这些成果在实际生产中有广泛用途。

图说：《自然》杂志同一天分别刊登了中国科学家和英国科学家的发现

01

英国科学家：地下注入二氧化碳产生了甲烷

在过去的50年里，大气中的二氧化碳(CO2)水平显著增加，导致全球气温升高和地球气候的突然变化。碳捕获和封存(CCS)是科学家希望在应对气候危机方面发挥重要作用的新技术之一。

CCS包括从工业过程排放的气体中捕获二氧化碳，或者从发电过程中燃烧化石燃料中捕获二氧化碳，然后将其储存在地下的地质构造中。如果我们想要从碳氢化合物系统中“清洁燃烧”生产氢气，CCS也将是关键。

英国政府最近选择了四个地点来开发数十亿英镑的CCS项目，这是英国到2030年每年从重工业中削减2000万-3000万吨二氧化碳计划的一部分。其他国家也做出了类似的碳减排承诺。

二氧化碳驱油法(CO2-EOR)是作为提高石油开采率的一种手段，CO2历史上曾被注入到许多枯竭的碳氢化合物油藏中。这提供了一个独特的机会来评估注入碳在工程时间尺度上的（生物）地球化学行为。

图说：Rebecca Tyne博士在油田取样

来源：牛津大学

“CCS将是我们避免气候变化斗争中的关键工具。除了计算机建模和基于实验室的实验，了解CCS在实践中是如何工作的，对于提供安全可靠的二氧化碳地质封存是至关重要的。”牛津大学地球科学系Rebecca Tyne博士说。

Rebecca Tyne博士是这个项目合作团队人员之一，也是《自然》杂志论文的作者。她和牛津大学地球科学系Chris Ballentine教授带领一个国际合作者团队调查了美国路易斯安那州一个CO2-EOR驱油油田中二氧化碳的变化。

他们比较了驱油开采油田中二氧化碳与相邻油田的(生物)地球化学组成。相邻油田从未进行过二氧化碳采油。

数据显示，在驱油开采的油田中，二氧化碳提高采收率后留下的高达74%的二氧化碳溶解在地下水中。出人意料的是，通过产甲烷微生物作用，注入的二氧化碳中高达13-19%转化成了甲烷。

“与二氧化碳相比，甲烷的溶解性、可压缩性和反应性更低，因此，如果能产生甲烷，我们可以安全地向这些地点注入二氧化碳。现在这个过程已经被确定，我们可以在未来的CCS选址中考虑到这一点。” Chris Ballentine教授说。

此外，作者认为，这一过程也发生在其他富含二氧化碳的天然气田和驱油开采油田中。温度是一个关键的考虑因素，许多 CCS 地质目标对于微生物的运行来说太深太热。然而，如果二氧化碳从较深的热系统泄漏到类似的较浅、较冷的地质结构中，那里存在微生物，二氧化碳转化为甲烷这一过程可能会发生。

这项研究对确定未来的CCS目标、建立安全的基线条件和长期监测计划至关重要，而这对低风险、长期碳储存非常重要。

02

中国科学家：神秘古菌以“一己之力”产甲烷

传统原油开采技术，难以驱动地下油藏全部原油的运移，仍然有过半原油开采不出来。科学家相信，能在油藏环境中存活的厌氧微生物有望成为人类的帮手。利用沼气发酵原理，将液态原油降解成气态甲烷，形成油气共采，是科学家探索的一条道路。

据《中国科学报》报道，来自中国农业农村部沼气科学研究所（下称“沼科所”）能源微生物创新团队，与深圳大学、德国马克斯·普朗克海洋微生物研究所、中国石化微生物采油重点实验室等单位研究人员合作，发现了一种来自油藏的新型产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。

原油的主要成分是由几十个碳链形成的比较复杂的碳氢化合物。

早在上世纪末，德国科学家首次在《自然》报道了石油烃可以被厌氧微生物降解转化为甲烷。但是，这种生物降解过程与传统的沼气发酵类似，需要多种不同类型的细菌和古菌，通过互营代谢来完成。

论文共同通讯作者、深圳大学教授李猛告诉《中国科学报》，互营代谢是指有机质分解降解产生甲烷的时候，需要细菌和产甲烷古菌两种不同类型的微生物通过彼此依赖、互不可分的方式合作。

“在缺氧环境下，有机质被降解产生甲烷的过程俗称沼气发酵。”论文作者、沼科所研究员白丽萍说，过去的观点认为，产甲烷古菌仅能通过乙酸发酵、二氧化碳还原、甲基裂解和氧甲基转化等4条途径产生甲烷。其所能利用的底物非常简单，主要是一碳或者二碳化合物。

“以前的教科书告诉我们，对于由几十个碳组成的烷烃和烷基烃这种复杂有机物，产甲烷古菌是不可能直接‘吃’掉它们的。之前，也没有微生物直接降解石油烃生成甲烷或者二氧化碳的研究报道。”论文通讯作者、沼科所研究员承磊说。

论文第一作者、沼科所周卓介绍，厌氧微生物是地球上数量最多、物种最丰富的生物资源。但由于技术原因，目前分离鉴定的厌氧微生物物种不足0.1%，大部分还属于“微生物暗物质”。科学家知道它们存在，但是不知道它们是一种什么样的存在。

产甲烷古菌就是一种独特的厌氧微生物，对氧气敏感，通常在空气中暴露几分钟就会死亡。它之所以被称为“古菌”，是因为这种独特的生命早在35亿年前就存在于地球上。它拥有很多头衔：地球上最早的生命形式之一、全球大气甲烷排放主要贡献者、沼气发酵过程中的关键功能微生物。

“找到这种新的产甲烷古菌是一个意外的发现。”承磊说，其团队从2005年开始进行厌氧烃降解产甲烷的研究，但工作开展起来非常难。

“第五种甲烷产生途径的提出，完善了我们探索全球碳素生物地球化学循环的认知。”承磊说。

论文作者、中国石化微生物采油重点实验室教授汪卫东告诉《中国科学报》，这也说明在油藏条件下，还有丰富的未知微生物存在，它们有着不同的功能。其中一些微生物以不同的方式降解原油，将其转化成甲烷或天然气。

03

多样化的应用前景

传统的原油开采技术，主要是应用化学物质或水压力来驱动地下深层的原油运移。“这种利用物理和化学方法采油的技术，导致超过一半的原油残留在地下油藏，难以被开采利用。”汪卫东说，基于这项研究成果，将有可能利用地下厌氧微生物的作用，把液态的原油降解变成气态的甲烷，形成油气共采，最终达到较高的原油开采利用率。这也可延长油藏的开发寿命，有望让老油田“复活”。

多年来，承磊团队与胜利油田等一线油气生产单位保持着紧密合作。他们对此项成果非常关注。

沼科所所长王登山认为，这项由“0”到“1”的基础研究认知，为人们开发“地下沼气工程”奠定了理论基础。

“地下的油不用抽出来，可以直接把油变成气，让气体出来，进行甲烷的收集。这相当于我们把沼气池修在了几千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大‘地下沼气池’。”王登山说，因此，基于该项成果的技术攻关一旦突破，对枯竭油藏进行油气共采，增产的油气总量将达到数亿吨，这将为缓解我国能源对外依赖度、保障国家能源安全提供科学支撑。

此外，这种新型产甲烷古菌有可能作为一种全新的合成生物学底盘细胞，具有广泛的应用前景。

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参考资料：

[1]中国科学报：神秘古菌以“一己之力”产甲烷

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-03729-3

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

[4]https://www.sciencedaily.com/releases/2021/12/211229133517.htm

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