微生物与石油

微生物在石油形成、勘探、开采、环境治理上的作用

石油常存在于地下的地质沉积岩层中，是一种复杂的烃类混合物。这些烃类可能以气态、液态或沥青质固态存在。气态烃常伴随液态烃存在。气态烃一般是从甲烷到丁烷的小分子饱和烃混合物。液态烃俗称原油，含有上千种化合物。原油和天然气存在于地下沉积岩层中，形成贮油岩层。人们通过多种方法发现油田，开采油田，为人类提供重要的能源。在发现开采油田的过程中，微生物越来越起着重要的作用。 （一）微生物在石油开采中的作用 1、微生物参与石油的形成

石油等许多燃料是在多种微生物长期直接作用下形成的。没有众多微生物的改造、分解作用，古代的生物遗体不可能变成今天巨量的化石能源。 2、微生物用于勘探石油

常规石油勘探是采取地球物理法和地球化学法等方法进行。由于地球地层结构的复杂性常常对石油勘探的结果产生质疑。为了提高勘探的准确性，在传统方法的基础上，引入了微生物勘探石油的新技术，日益受到人们的重视，并取得良好的效果。人们发现油区底土中的重烃含量与季节变化有很大的联系，而季节变化的起因与微生物活动密切相关。在底土中存在着能利用气态烃为碳源的微生物，这些微生物在土壤中的含量和在底土中的烃浓度存在某种对应的关系，因此可用这些微生物作为勘探地下油气田的指标菌。随着微生物培养技术和测定方法的不断改进，微生物勘探石油技术得到迅速发展，准确率不断提高，在实践中得到很好应用。目前它已成为石油勘探中一项重要的技术。用于石油勘探指标微生物主要是以气态烃为唯一碳源和能源的微生物，如甲基单胞菌属、甲基细菌属和分枝杆菌属的菌种。 3、微生物用于二次采油

靠地层压力将原油运到地面，称为一次采油。由于地层压力下降，一次采油所得的油量一般只占油田总储量的1/3左右，因而要进行二次采油才能获得更多的石油。通常采用强化注水法，可提高采油量，从30%提高到40% —50% 。在二次采油中，利用微生物采油也是一项重要的技术。微生物在油层中生长繁殖，发酵代谢，产生大量酸性物质和H2，CO2，CH4等气体。产生的气体可增加地层压力，产生的酸性物质溶于原油，降低原油的黏度，可能产生的表面活性剂可降低油水表面张力，把高分子烃类分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油管道，由此而提高石油的开采量。梭状芽孢杆菌属和磺弧菌属中的许多种可用于二次采油，效果明显。 4、微生物用于三次采油

经过二次采油后，油气田中仍有30%—40% 的油田需要进一步开采，即第三次采油。在三次采油中，主要选育产气量大的菌种或利用分子生物学技术构建基因工程菌，连同营养培养液一起注入油层中，通过代谢，产酸产气，分泌表面活性剂，增加地层压力，降低表面张力，消除地层堵塞，从而提高采油量，延长油井的寿命。乳酸杆菌属、肠膜明串珠菌和黄胞杆菌属常用于三次采油中，提高石油开采率。

（二）微生物采油的优点

和其他采油方法相比，微生物采油具有以下优点： 1、施工成本低

微生物采油所需设备少，可方便地利用其他采油方法中的常规设备。 2、施工简单

微生物采油的施工工序简单，操作方便，工程易于上马。 3、适于低产油

微生物采油对低产、枯竭油田特别有吸引力，能提高采收率。 4、不污染环境

微生物采油技术不污染环境，不损害油地层，可在同一油藏区或同一油井中反复使用。

（三）采油微生物的生物学特性

用于油田开采的微生物一般具有以下鲜明的生物学特征：

1、厌氧或兼性厌氧。在地层无氧条件下能生长繁殖并进行厌氧发酵，在地上有氧条件下也能生长繁殖。

2、在油层高温、高压、高盐等极端环境下能生长繁殖并代谢。

3、多数采油微生物能以烃类作碳源，能以贮油层 内的无机盐作氮源或作营养元素。 4、采油微生物必须与其注入油层的环境条件相配伍相适应，要在油层内能运移，能生长繁殖，能产生有机酸、气体、表面活性物质、生物聚合物、有机溶剂等多种代谢产物。能在50°以上的温度及缺氧条件下生长的中度嗜盐细菌，是微生物采油中最常用的菌种。

（四）微生物采油技术

微生物采油技术是指将筛选的微生物或微生物代谢产物注入油藏，经微生物的代谢活动和产生的代谢产物，作用于原油，改变原油的某些物理化学特性，从而提高原油采收率的技术。

根据实施过程与方法的不同，微生物采油技术可分为地上微生物采油技术和地下微生物采油技术。

1、地上微生物采油技术

地上微生物采油技术是指在地上通过微生物发酵、生产微生物的某种代谢产物，如生物多糖聚合物或生物表面活性剂，然后将发酵产品注入油藏而提高原油采收率。该技术的实质是利用选育的优 良菌种在地上发酵生产采油制剂的技术。

目前，地上微生物采油技术主要是在地上发酵生产采油中广泛应用微生物多糖和微生物表面活性剂。 （1）微生物多糖

据研究，有百种以上的微生物能产生结构、性能各异的胞外多糖。能产胞外多糖的主要微生物类群是：明串珠菌属、黄单胞菌属、固氮菌属和小核菌属等。 采油工业中应用最广泛的微生物多糖是：肠膜明串珠菌或葡聚糖明串珠菌产生的右旋糖酐葡聚糖、普鲁兰出芽短梗霉产生的普鲁兰糖、齐整小核菌或葡聚糖小核菌产生的小核菌葡聚糖。采油中最具开发应用潜力的是野油菜黄单胞菌产生的胞外多糖黄原胶。 （2）微生物表面活性剂与乳化剂

以烃为碳源的微生物是生物表面活性剂的重要来源。因为石油微生物必须分泌表面活性剂，才能促使烃与水乳化。烃只有均匀地分散在水中，才能被石油微生物吸收利用。所以石油微生物是表面活性剂最丰富的基因库。

假单胞菌属、节杆菌属、不动杆菌属和棒杆菌属等是产生生物表面活性剂 的主要微生物类群。微生物产生的生物表面活性剂就其化学组成来分，主要可分为糖脂类和脂肽类 。分子的极性端或是多羟基的糖类或是氨基酸类，非极性端是长链脂肪酸的长链烃部分。微生物表面活性剂的粗制品或纯品注入贮油岩层，作用于油一岩石一水三相体系，降低油水界面张力，增强油水乳化，提高原油采收率。 2、地下微生物采油技术

地下微生物采油（MEOR）技术是指将在地上模拟油藏条件筛选的微生物菌种与营养物注入油藏，微生物在油藏中运移，生长繁殖，产生多种代谢产物，作用于原油而提高原油采

收率；或用生长繁殖的菌体细胞及代谢产物封堵贮油岩层大的孔道，调整水驱油剖面；或只将营养物注入油藏，激活油藏内的原生微生物，靠其生命活动提高原油采收率。

根据单井增产措施的处理方法和提高原油采油率的要求，地下微生物采油可分为6类： （1）单井周期注人微生物采油

为提高低产油井的原油日产量，在油井高压注入采油微生物，关井，使微生物运移到油井周围直径10m左右的贮油岩层，经微生物的生命活动，疏通被堵塞的油层空隙通道，增加原油的流动性，提高原油采收率。为了保持高产，需要不间断地、周期性地注入采油微生物。

（2）微生物驱油

采油微生物从注水井注入油层，微生物随注水向油井贮油层深部移动，同时进行生长繁殖，并产生多种代谢产物。细胞和代谢产物综合作用于原油，降低黏度，增加原油流动性，提高原油采收率。

（3）激活油藏微生物群落驱油

油藏中存在着天然的微生物群落，但由于营养物质贫乏，数量很少。从注水井将营养物注入油层，激活天然微生物群落，让其生长繁殖，产生多种代谢产物驱油。 （4）微生物选择性封堵

将体形较大且产生表面黏稠物质的微生物菌种从注水井注入，运移到大孔道或有溶洞的贮油岩层部位，用生长繁殖的大菌体细胞和表面黏稠物质形成的生物膜封堵大孔道或溶洞，防止注入水“指状”流动，提高原油采收率。 （5）微生物压裂液压裂

将厌氧条件下大量产生有机酸的微生物及营养物注入空隙度甚小、渗透率很低的贮油层，在高压下用有机酸溶解岩层使之形成缝隙，有利于原油流动，提高原油采收率。 （6）微生物油井清蜡

原油中含蜡量较高，会析出蜡晶固着在井壁，堵塞贮油层通往井壁的空隙通道，降低原油流动性，减少单井原油日产量。注入产生表面活性剂或溶剂的采油微生物，用其代谢产物表面活性剂、乳化剂清洗井壁，溶解固形石蜡，提高原油采收率。

（五）微生物在石油污染中的生物修复作用 1 降解石油的微生物种类及分布

据目前的研究, 能降解石油的微生物有70个属, 其中28个属细菌, 30个属丝状真菌, 12个属酵母, 共200多种微生物。海洋中最主要的降解细菌有：无色杆菌属(Achromobacter)、不动杆菌属 (Acinetobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)等; 真菌中有金色担子菌属(Aureobasidium)、假丝酵母属(Candida)等。石油降解菌通常生长在油水界面上, 而不是油液中。据丁美丽等[5]在胶州湾的实验证明, 胶州湾的石油降解菌在表层水体中的最高值可达 4.6× 102个/mL。 石油降解菌数量仅与海水的石油污染情况有关。石油降解微生物的种类和数量对海洋中石油的降解有明显的影响。一般情况下, 混合培养的微生物对石油的降解比纯培养的微生物快, 但是崔俊华等在实验中筛选出了7株高效原油降解菌。 2 石油降解菌的作用

（1）作为油污染的生物指示

以往大多数调查结果表明, 在海洋中石油烃降解细菌的数量或种群与水域受到油类物质污染的程度有密切关系,通常在被油污染的水域中, 石油烃降解细菌的数量明显地高于非油污染的水域。 烃类降解菌数和异养细菌数的比值能在一定程度上反映水域受油污染的状况。 丁美丽等在胶州湾的工作以及史君贤等在浙江省海岛海域的工作都证明了这一点。石油污染可以诱导石油降解菌的增殖及生长, Atlas 报道在正常环境下降解菌一般只占微生物

群落的 1%, 而当环境受到石油污染时, 降解菌比例可提高到10%。说明石油污染可以使降解菌发生富集, 降解菌可以作为石油污染的生物指示。 （2）通过自身代谢作用降解石油

向水体中投加菌种净化水体的技术是从清除海洋石油污染开始的。实验室研究表明, 单一菌剂除油率为 20%～50%,而混合菌剂除油率可达 71.4%。丁明宇等[8]从青岛近海海水中分离、 筛选到 73 株细菌和 10 株真菌, 并对其降解石油的能力进行了研究, 结果表明, 多数菌具有明显的降解石油的能力, 其中, 有 3 个菌株对石油的生物降解率分别高达58.35%、 62.75%、 71.06%。史君贤等[9]在浙江沿海海水中分离石油烃降解细菌, 并实验证明降解菌对正烷烃有明显的降解作用, 混合菌株的降解率明显高于单菌株的降解率。在20℃的条件下, 经过 21d 后, 绝大部分的正烷烃被降解, 总的降解率为 94.93%, 其中细菌的降解率为 75.67%, 理化降解率为19.26%。在实施接种的现场生物修复处理中, 1990 年在墨西哥湾和 1991 年在得克萨斯海岸都获得了成功, 现场观察表明, 在开放水体中添加降解菌是有效的。

（3）合成生物表面活性剂, 加速石油的降解

生物表面活性剂(Biosurfactants, 简称 BS)是细菌、 真菌和酵母在某一特定条件下(如合适的碳源、 氮源、 有机营养物、 pH 值以及温度) , 在其生长过程中分泌出的具有表面活 性的代谢产物。生物表面活性剂可以强化生物修复, 它能将烃类物质乳化, 进而促进其降解, 尤其适合处理海上溢油。Chabrabarty 曾报道, 由 Pscndomona acruginosa ( 铜绿假单胞菌)生成的一种生物表面活性剂(海藻糖酯)由于能有效地将石油分散成水液滴, 因而可促进石油污染海岸的生物修复, 大大提高了 Exxon Valdez原油泄漏造成的阿拉斯加污染区域石油烃的降解速度。 （4）基因工程菌

基因工程菌是将不同细菌的降解基因进行重组, 将分属于不同细菌个体中的污染物代谢途径组合起来以构建具有特殊降解功能的超级降解菌, 可以有效地提高微生物的降解能力, 从而提高生物修复效果。

通常石油降解菌只能降解某一种石油成分, 并且由于石油的种类不同, 所需降解菌也不相同, 天然环境中存在的石油降解菌不能高效地降解多种石油成分, 使基因工程菌的出现成为必然。同时, 复杂的烃类化合物混合物的降解需要有混合菌株的参与, 但不同菌株之间可能会产生竞争或拮抗作用, 从而对降解产生负面影响。使用基因工程菌可以避免此类问题。

目前, 已有人在实验室条件下获得基因工程菌并在实验室取得满意的降解效果。例如美国的 Chakrabaty等使用具有 CAM、 OCT、 XAL 和 NAH4 种降解质粒的 “ 多质粒超级菌” , 可以使海上浮油在几个小时内降解, 而在自然条件下这些浮油需要 1a 时间才能被降解。这项技术取得了美国的专利权。但是考虑到在开放环境中使用基因工程菌的安全问题, 目前基因工程菌的使用仅限于实验室, 尚不能大规模使用。 另外, 目前在研制基因工程菌时, 都采用给细胞增加某些遗传缺陷的方法或是使用携带一段“ 自杀基因” , 使该工程菌。在非指定底物或非指定环境中不易生存或发生降解作用。 3 微生物降解石油的方式

石油烃化合物可分为 4 类: 饱和烃、 芳香族烃类化合物、树脂及沥青质。其中, 短链的饱和烃在溢油发生初期通过挥发等作用进入大气, 其他的石油烃中, 饱和正烷烃最易降解,其次是分支烷烃, 再次是低分子量芳香烃, 多环芳烃很难降解, 树脂和沥青质极难被降解。 直链烷烃的降解方式主要有 3 种: 末端氧化、 亚末端氧化和氧化。芳香烃在好氧条件下先被转化为儿茶酚或其衍生物, 然后再进一步被降解。高分子量多环芳烃降解菌报道很少, 许多四环或多环高分子量多环芳烃的降解是以共代谢(Cometabolism)的方式进行的。但是共代谢完全是间接或偶然的事件, 并且风险较大, 可能会产生比母体毒性更大的化学物质。 树

脂和沥青质极难被降解, 但是有报道称, 有着复杂构造的树脂和沥青质也能受到某种程度的分解[14]。

冷凯良等的实验表明, 微生物降解原油代谢产物主要是乙酸和棕榈酸为主的脂肪酸与鼠李糖形成的糖脂类表面活性剂。 4 石油降解菌的获得

由于天然海洋环境中石油降解菌数量较少, 一旦发生溢油, 不能及时对石油进行降解, 所以在溢油发生后一般要向环境中添加石油降解菌以保证石油的高效降解, 但是考虑到安全等方面的问题, 菌种不能盲目投加。 一般来说, 可以把取自自然界的微生物, 经人工培养后再投入到污染环境中去治理污染。 具体到海洋石油降解菌的获得, 一般为:首先选择油污染环境, 从中分离出适应性菌株, 并将其中的石油降解菌富集培养, 通过反复适应和驯化或遗传修饰进行进一步筛选, 从而培养出高效降解的菌株, 将其进一步繁殖后投加至受污染环境中或分类保存。

根据微生物与石油的作用机制, 选择高效降解微生物的标准包括： ( 1)对石油有较高的耐性。 ( 2)对海洋环境的适应性较强。

( 3)对石油的降解效率高, 专一性强。

( 4)不影响海洋环境中原有的生物多样性。

虽然微生物修复主要是依靠微生物的降解能力降解污染物, 但是微生物对污染物的分解、转化也是需要条件的, 所以除了投加高效降解菌之外, 还要为这些降解菌创造必要的生存、 降解条件。这样才能有效地进行石油污染修复。 5 影响微生物降解石油污染物的因素

微生物在降解石油污染物的过程会受到营养元素、表面活性剂、O2通量、温度、pH值等外界因素的影响。其中,营养元素对降解率的影响较大，尤其是N、P元素。何良菊等专门对石油烃微生物降解的营养平衡进行了研究，表明氮、磷营养物质的缺乏直接限制了石油烃的微生物降解,但添加过量反而有抑制作用,因而存在一个经济合理的添加量及添加比例，实验表明氮磷比在5∶1~6∶1比较适宜，,无机氮源比有机氮源好，硝酸盐形式的氮比铵态的氮更合适。而国内有其他研究却更倾向于氮磷比为1：1，且最佳氮源为氯化铵，最佳磷源为磷酸氢二钾和磷酸二氢钾。两种研究得出的结果不一致。

表面活性剂是影响降解效率的又一重要因素。表面活性剂对石油烃具有一定的增溶和分散作用，从而对石油降解菌的降解效率有重要作用，而有研究则指出表面活性剂对微生物存在一定毒害作用。刘庆新等通过研究，表明表面活性剂的加量多少对石油烃降解菌的影响比较复杂：加少量的表面活性剂会促进石油烃降解菌的生长，但随着表面活性剂加量的增加,菌量反而减少，证实了上述论断。

在自然环境中，大多数的石油烃类是在好氧条件下被降解的，但是微生物对石油烃的降解在有氧及缺氧两种情况下都会进行，最近有研究表明厌氧降解对饱和烃及芳香烃有着极为重要的作用。

能降解石油的微生物有嗜冷菌、嗜热菌和嗜中温菌，因此在温度低于0℃和在70℃左右的环境中均有能降解石油的微生物，大多数石油降解菌属嗜中温菌，最适温度在30℃上下，温度过高过低都会对降解效率产生抑制。

普遍认为石油降解菌是产酸菌，且适宜生长于中碱性环境中。刘庆新等研究得最佳pH值为8.0，而其文章中也指出与一般认为的7.0不符。而Stapleton[20]等发现在pH 2.0的一处土样中，萘和甲苯仍然被降解为CO2和H2O。 6生物降解石油烃污染物的应用

利用生物降解石油烃类污染物最早见于20 世纪 80 年代末美国在 Exxon Vadez 油轮