微生物在石油生成中的作用(二)
——?dú)浯x及多源輸入

，丁安娜

甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

在厭氧環(huán)境中，各種不同的微生物群體將來(lái)源于動(dòng)、植物的有機(jī)質(zhì)水解為蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、半纖維素、果膠等大分子物質(zhì)，并進(jìn)一步降解成中、低分子量的化合物。在除去含氧官能團(tuán)、產(chǎn)氫、耗氫、有機(jī)物重新組合后，形成了大量的石油烴類[1]。酶是一種具有催化活性的蛋白質(zhì)，具有高度的專一性。溫度壓力增加，有機(jī)組份的更替，影響著厭氧微生物的生長(zhǎng)和消亡。新的微生物群及其酶系統(tǒng)生成，原來(lái)的微生物及酶組分可作為母源輸入，使石油的生成具有多種途徑，多元生成的特征。

產(chǎn)氫菌的發(fā)現(xiàn)是近代微生物學(xué)的一大重要進(jìn)展，地質(zhì)環(huán)境中的氫代謝(H2的生成和利用)是微生物降解有機(jī)質(zhì)形成各種低分子烴類的中心環(huán)節(jié)。氫是石油生成中不可缺少的中間體，是厭氧環(huán)境中生化活性的調(diào)節(jié)者，氫代謝快，石油生成也快，氫代謝使石油生成過(guò)程可以活躍地進(jìn)行，氫循環(huán)與碳循環(huán)緊密相關(guān)，有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)都需要?dú)涞膮⑴c，在有機(jī)質(zhì)厭氧降解過(guò)程中，氫是重要的主產(chǎn)物及中間產(chǎn)物，沒(méi)有氫代謝便沒(méi)有大量石油飽和烴的生成[2]。

1 厭氧環(huán)境中氫的生成

有機(jī)物向石油轉(zhuǎn)化的許多中間產(chǎn)物是缺氫的，如大分子化合物分解為小分子化合物便缺氫，脫去含氧基團(tuán)也缺氫，烯烴成為飽和烴需要補(bǔ)充氫等。各種有機(jī)物中的碳水化合物、脂肪酸、氨基酸等在降解中都有H2的生成，這些氫將由其他非產(chǎn)氫微生物通過(guò)氫酶系統(tǒng)消耗，這兩類反應(yīng)之間的氫轉(zhuǎn)移是厭氧降解有機(jī)質(zhì)區(qū)別于有氧降解有機(jī)質(zhì)的最重要特征。

厭氧環(huán)境中存在多種類型的產(chǎn)氫菌，它們能通過(guò)發(fā)酵作用，在逐步分解有機(jī)物的過(guò)程中產(chǎn)生分子氫，表1[3-4]所列出的產(chǎn)氫發(fā)酵細(xì)菌是具有代表性的菌屬。氫細(xì)菌是一些革蘭式陰性的自養(yǎng)菌，能利用有機(jī)物生長(zhǎng)，氫細(xì)菌的細(xì)胞膜上有泛醌、維生素K2及細(xì)胞色素等呼吸鏈組分。有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫具有高產(chǎn)率、可利用多種底物的能力。

微生物產(chǎn)氫存在多種途徑，其共同特點(diǎn)在于利用體內(nèi)氫酶進(jìn)行有機(jī)物還原分解，同時(shí)產(chǎn)生氫氣，以維持體內(nèi)氧化還原代謝的平衡。

根據(jù)微生物的種屬不同，存在多種不同的產(chǎn)氫機(jī)制，如短鏈脂肪酸，通過(guò)形成丙酮酸和乙酸的發(fā)酵作用而形成氫，厭氧微生物產(chǎn)氫菌大致可以分成以下幾種類型：

(1) 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌(H2-producingacidogens)能將發(fā)酵中產(chǎn)生的丙酸、丁酸、戊酸、乳酸、乙醇等進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸，同時(shí)產(chǎn)生氫氣。這類細(xì)菌為嚴(yán)格厭氧菌，目前僅有少數(shù)被分離，相關(guān)菌株及其產(chǎn)氫反應(yīng)列于表2[5-7]。

表1 厭氧產(chǎn)氫微生物代表性菌屬一覽表[3-4]

表2 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌及產(chǎn)氫反應(yīng)[5-7]

(2) 梭菌(Clostridia)，通過(guò)葡萄糖的酵解產(chǎn)氫，其反應(yīng)式為：

發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的丁酸和乙酸的比例決定了從葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)H2的量。

(3) 甲基營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌(Methylotrophs)，可以從甲烷產(chǎn)生H2。

(4) 產(chǎn)甲烷細(xì)菌(Methanogenicbacteria)，有的產(chǎn)甲烷菌能降解甲酸形成CO2和H2。

(5) 纖維素厭氧菌，它通過(guò)分解碳水化合物生成乙酸、乙醇、甲酸、H2和CO2。

(6) 古細(xì)菌(Archaea)，嗜熱古細(xì)菌中的激烈熱球菌(Pyrococcusfusiasus)含有一種可溶性的含鎳氫酶，能利用碳水化合物和蛋白質(zhì)生成H2。

各種H2的生成和利用都是在氫酶的催化下進(jìn)行的，有機(jī)物結(jié)構(gòu)上的含氫量能活躍地進(jìn)行循環(huán)。厭氧細(xì)菌的氫酶可在細(xì)胞質(zhì)中，也可在膜上或周質(zhì)中，從酶蛋白的活性中心金屬出發(fā)，氫酶有鎳氫酶、鎳鐵氫酶、鐵氫酶和無(wú)金屬氫酶。

大多數(shù)氫酶對(duì)一定范圍的高溫能保持其穩(wěn)定性，如深紅紅螺菌(Rhodospirillumrubrum)的氫酶在實(shí)驗(yàn)條件下55 ℃時(shí)可持續(xù)放H2在1小時(shí)以上，79 ℃時(shí)仍可持續(xù)放H2，顯示高溫條件下具有相當(dāng)大的穩(wěn)定性。

2 厭氧環(huán)境中的氫代謝形成飽和烴類

厭氧環(huán)境中的H2代謝是降解各種有機(jī)物生成低碳有機(jī)物和烴類的重要步驟，是微生物的特殊功能。若環(huán)境中羥基、羧基、羰基等含氧基團(tuán)存在時(shí)，將利用氫形成低碳化合物，這些反應(yīng)是耗氫反應(yīng)，使環(huán)境中的H2保持在某一水平之下，從而促進(jìn)生氫反應(yīng)的進(jìn)行。

厭氧微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程中的氫化反應(yīng)十分活躍，它可以形成向石油轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物，對(duì)石油的形成具有重要意義。例如長(zhǎng)鏈脂肪酸、脫羧基加氫而成為正構(gòu)烷烴，氨基酸氫化脫氨，一碳酸、醛、醇?xì)浠癁橥闊N。其他以氫為能源推動(dòng)的反應(yīng)有脫硫孤菌等硫酸鹽還原菌，以氫還原硫酸鹽為硫化氫，產(chǎn)甲烷菌以H2還原CO2形成甲烷，彎曲桿菌等以H2還原元素硫?yàn)榱蚧瘹?，硝酸鹽還原菌以H2還原硝酸鹽為亞硝酸鹽。微生物利用H2作為還原劑，并在氫的氧化中獲取能源。絕大多數(shù)氫化反應(yīng)是放能的，因此氫化反應(yīng)在熱動(dòng)力學(xué)上是易于進(jìn)行的，氫化反應(yīng)在生油過(guò)程中也易于發(fā)生。

厭氧環(huán)境中，一部分微生物在降解有機(jī)物的過(guò)程中大量地形成H2，另一部分微生物利用這些H2進(jìn)行生命活動(dòng)，使沉積環(huán)境中的氫難以積聚和檢測(cè)到。前者稱為產(chǎn)氫微生物，后者稱耗氫微生物，產(chǎn)氫耗氫一直處于一種穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。這種不同種之間氫的生成和利用的偶聯(lián)現(xiàn)象稱為種間氫轉(zhuǎn)移。產(chǎn)氫微生物只有在耗氫微生物存在下才能生長(zhǎng)，耗氫微生物的耗氫作用將促進(jìn)產(chǎn)氫反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)氫微生物與耗氫微生物之間的生長(zhǎng)聯(lián)合稱為微生物的互營(yíng)聯(lián)合，這種種間氫轉(zhuǎn)移不僅發(fā)生在對(duì)有機(jī)質(zhì)大分子的降解階段，也發(fā)生在短鏈酸、醇的產(chǎn)氫用氫油氣形成的各個(gè)階段。

從松遼盆地濱北地區(qū)西部斜坡帶源巖中的含氧化合物變化來(lái)看，隨深度增加，樣品抽提物中飽和烴含量增加，非烴含量減小(圖1)[8]，說(shuō)明樣品中不斷發(fā)生去含氧官能團(tuán)和產(chǎn)氫用氫反應(yīng)，從而形成了大量的飽和烴。

3 微生物生源輸入構(gòu)成了烴類組分

微生物生長(zhǎng)繁殖受溫度、營(yíng)養(yǎng)及沉積環(huán)境的影響，每一種微生物種群只能在一定溫度范圍內(nèi)存活，一般最大為40 ℃，有的菌種生存溫度范圍不到十度，大于最高溫度便會(huì)死亡。微生物也會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)，營(yíng)養(yǎng)的改變也影響著菌體的發(fā)育，因此從淺層至深層，微生物菌種是不斷更替的，原有的菌種因環(huán)境改變而死亡，新的菌種又會(huì)得到大量繁殖，死亡的微生物輸入至沉積層便成為烴類[9]。

不少學(xué)者如彼得斯K E等[10]、盛國(guó)英等[11]、王鐵冠[12]等研究了生物標(biāo)志物的生源輸入，認(rèn)為油、巖中許多藿烷類化合物、重排甾烷、β胡蘿卜烷、角鯊?fù)?、異戊二烯類化合物等均?lái)自細(xì)菌，其余為經(jīng)過(guò)細(xì)菌改造的生物標(biāo)志物(表3)[10]。

表3 微生物生源與微生物改造有關(guān)的生物標(biāo)志物和沉積環(huán)境[10]

續(xù)表

類別化合物生物來(lái)源沉積環(huán)境微生物改造的生源飽和烴:C15～C23(奇數(shù))環(huán)己基烷粘球藻Gloeocap-samorpha prisca(?)扁枝烷針葉樹陸相C27～C29甾烷藻(C27)藻和高等植物(C29)各種沉積環(huán)境C3024-正丙基甾烷(4-去甲基甾烷)金藻(Chrysophy-ealgae)海相重排甾烯藻類或高等植物富含黏土礦物巖石甲藻甾烷(Dinosterane)溝鞭藻海相,三疊紀(jì)或比三疊紀(jì)年輕的地質(zhì)時(shí)代23,28-二降羽扇烷高等植物?陸相4β(H)-桉葉油烷(eudes-mane)高等植物陸相18α(H)-奧利烷(Olean-ane)高等植物(被子植物)白堊紀(jì)或比白堊紀(jì)更年輕的地質(zhì)時(shí)代孕甾烷,升孕甾烷未知超鹽環(huán)境C24四環(huán)萜烷未知超鹽環(huán)境降藿烷(C29藿烷)多種生物來(lái)源碳酸鹽/蒸發(fā)鹽C19～C30三環(huán)萜烷塔斯瑪尼亞(Tasman-nites)藻?非專屬沉積環(huán)境芳烴:苯并噻吩,烷基二苯并噻吩未知碳酸鹽/蒸發(fā)鹽沉積環(huán)境Trimethylated2-methyl-2-trimethylde-cylchromans三甲基化的2-甲基-2-三甲基癸基色滿未知咸水環(huán)境

根據(jù)目前的研究成果，應(yīng)用分析手段，在原油中，已經(jīng)區(qū)分出細(xì)菌生源和高溫菌生源：

(1) 細(xì)菌生源，膜脂是由甘油和脂肪酸通過(guò)酯鏈結(jié)合而成的脂肪酸甘油酯，非極性鏈，一般是C14～C28(C15～C18占優(yōu)勢(shì))的脂肪酸，常見(jiàn)的有以下類型：

a. CH3[CH2]nCOOH

b. CH3CH[CH2]nCOOH

c. CH3CH2CH[CH2]nCOOH

在高溫菌中，發(fā)現(xiàn)了一些常溫菌未曾有的特殊脂肪酸

a. (C6H11)CH2[CH2]9COOH (11-環(huán)己烷十一酸)

b. (C6H11)CH2[CH2]11COOH (13-環(huán)己烷十三酸)

c. (C7H13)CH2[CH2]8CH2COOH (11-環(huán)庚烷十一酸)

CH3

e. HOOC[CH2]11— CH[CH2〗2C|H[CH2]11COOH

(2) 醚酯是古細(xì)菌的特有標(biāo)志。C20和C40植烷醇與甘油通過(guò)醚鍵結(jié)合衍生出兩類基本的醚，即植烷醇甘油和植烷醇甘油四醚(圖2)。

圖2 植烷醇甘油三醚(a)和二植烷醇二甘油四醚(b)Fig.2 Structures of phytanol glycerin triether(a) and diphytanol diglycerin four-ether(b)

4 有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成酶，再轉(zhuǎn)化成石油組分

酶是一種具有催化活性的高分子化合物，微生物的一切生命活動(dòng)都離不開酶。一種酶只能催化一種反應(yīng)或一類反應(yīng)的完成。微生物降解有機(jī)質(zhì)形成烴類有多個(gè)途徑、多個(gè)階段，每個(gè)途徑、階段都有獨(dú)特的微生物菌群，各類細(xì)菌群的有效代謝相互連貫、相互促進(jìn)。成油和成氣[13]都有自己的酶系統(tǒng)，酶在完成專屬代謝途徑后，可轉(zhuǎn)化成石油組分。

產(chǎn)甲烷菌所具有的輔酶F430可能是葉綠素向卟啉轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物，從結(jié)構(gòu)上看，F(xiàn)430同葉綠素和卟啉結(jié)構(gòu)極其相似：

(1) 都是四吡咯結(jié)構(gòu)，再加上各種取代基構(gòu)成；

(2) 在四個(gè)吡咯環(huán)之間絡(luò)合的金屬是鎳和釩；

(3) 取代基中有甲基和氫原子；

(4) 9位取代基為氧，同葉綠素一致。

輔酶是指與酶蛋白不是以共價(jià)鍵連接，彼此結(jié)合松馳，容易將它們分開的一種成分。在沉積物中，只要具備還原條件，產(chǎn)甲烷菌便能從植物中迅速獲取營(yíng)養(yǎng)，合成輔酶。輔酶F430直接參與催化反應(yīng)，起到傳遞電子、氫原子、羧基等化學(xué)基團(tuán)的作用，它的存在有利于天然氣的形成。

釩、鎳是構(gòu)成F430輔酶最重要的金屬，也是卟啉化合物中最常見(jiàn)的成分。鎳、釩金屬元素在微生物機(jī)體中的生理作用主要是參與了酶的組成，構(gòu)成酶的最大活性，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高機(jī)體的代謝能力。產(chǎn)甲烷菌在生長(zhǎng)過(guò)程中，如果缺乏這些元素，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體生理活性的降低。

圖3 卟啉的形成途徑[14]Fig.3 The formation pathway of porphyrin[14]

F430在產(chǎn)甲烷古菌中含量豐富，約為0.23～0.80 μmol/g細(xì)胞干重，大部分F430緊密結(jié)合于產(chǎn)甲烷菌的蛋白質(zhì)部分，產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)的Ni含量高時(shí)，F(xiàn)430含量也高，均大于227 μmol/L，非產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)的Ni含量低，F(xiàn)430含量也低，均<10 μmol/L。當(dāng)產(chǎn)甲烷菌在有Ni存在的條件下生長(zhǎng)時(shí)， Ni中的50%～70%被吸收用于合成F430。

F430輔酶脫羧后的產(chǎn)物是卟啉。卟啉化合物廣泛分布于各時(shí)代的沉積物及石油中，大部分卟啉是以金屬絡(luò)合物的形式存在于地質(zhì)體中，與卟啉絡(luò)合的最常見(jiàn)的金屬除鎳和釩外，極少數(shù)還有鐵、鈷、鋅等。卟啉的金屬絡(luò)合物相當(dāng)穩(wěn)定，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中能夠保存下來(lái)(表4)。

由表4可以看出：

(1) 葉綠素是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，泥質(zhì)沉積物中鎳卟啉和釩卟啉含量均高于砂質(zhì)沉積物和碳酸鹽巖，這同泥質(zhì)沉積物中有機(jī)質(zhì)豐度高有關(guān)。

(2) 卟啉在古生代、中生代、第三紀(jì)地層中普遍存在，說(shuō)明產(chǎn)甲烷菌存在的普遍性，產(chǎn)甲烷菌的生理活動(dòng)不僅形成了天然氣，而且參與了石油的形成。

(3) 鎳卟啉、釩卟啉在前寒武紀(jì)地層中大量存在，說(shuō)明產(chǎn)甲烷菌是地球形成過(guò)程中存在時(shí)間最長(zhǎng)、年代最早的古菌。

(4) 卟啉的形成有一個(gè)過(guò)程。在進(jìn)入?yún)捬鯒l件后，產(chǎn)甲烷菌等微生物群體可迅速將葉綠素轉(zhuǎn)化成F430輔酶。這是產(chǎn)甲烷過(guò)程最活躍的階段，進(jìn)入成巖階段后，F(xiàn)430便轉(zhuǎn)化為石油中的卟啉。

根據(jù)微生物學(xué)家Thaueretal.[16]的發(fā)現(xiàn)，在熱自養(yǎng)甲烷菌中鑒定出了具有卟吩骨架的天然鎳絡(luò)合物，也說(shuō)明了卟啉的微生物成因。

5 地層溫度促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)熱裂解

隨著沉積物埋藏深度的增加，地層溫度增加，溫度促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的熱裂解，它同微生物作用相互促進(jìn)，加速了石油的生成[17]。

從石油聚集的區(qū)域分布來(lái)看，同地溫特征有一定關(guān)聯(lián)。如我國(guó)西部盆地(如新疆)的地溫梯度僅2.0 ℃/100m，而東部諸盆地高達(dá)3.5～4.5 ℃/100m。同一時(shí)代相比，西部成油門限的深度大而東部小。泌陽(yáng)凹陷下第三系生油門限值僅1 800 m，86 ℃；松遼盆地白堊系青一段為1 250 m，60 ℃～65 ℃。這一現(xiàn)象又同源巖母質(zhì)有關(guān)，東部以Ⅰ～Ⅱ型為主，西部Ⅱ～Ⅲ型居多。

將干酪根加熱，可產(chǎn)生各種烴類及可溶性瀝青，這就是干酪根熱降解成油說(shuō)。在干酪根裂解產(chǎn)物的主要系列化合物中，除含有大量的正構(gòu)烷烴外，還含有大量的正構(gòu)烯烴、類異戊間二烯烴和烯烴(圖4)[18]。而一般原油中烯烴含量很低，其模擬實(shí)驗(yàn)的溫度為300 ℃～500 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地質(zhì)體中的實(shí)際溫度。雖然高溫可以彌補(bǔ)時(shí)間的不足，但過(guò)高溫度未必能全面反映地層中生油的實(shí)際情況。

從江漢盆地源巖及甘南泥炭樣品28 ℃～38 ℃時(shí)進(jìn)行富集培養(yǎng)本源菌類發(fā)酵的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)看，發(fā)酵樣品鏈烷烴分布呈明顯變化[19]。正構(gòu)烷烴碳數(shù)范圍拓寬，均為飽和烴，無(wú)烯烴。低碳數(shù)和偶數(shù)正烷烴含量增加，CPI和OEP值接近1(0.93～1.01)，奇偶均勢(shì)。類異戊二烯烴系列被檢出，植烷具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)(圖5)[19]，更近似于石油的生成。

溫度的作用使有機(jī)質(zhì)中C-C鍵斷裂發(fā)生得更加頻繁。厭氧微生物的降解作用也使有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解(使大分子有機(jī)質(zhì)變成小分子有機(jī)質(zhì))，二者方向相同，互為融合，使有機(jī)質(zhì)的裂解加速。微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)改造形成烴類的作用還有去氧作用，脫去含氧官能團(tuán)，產(chǎn)氫菌產(chǎn)氫、用氫形成飽和烴，因而作用更為全面、重要。

表4 不同時(shí)代樣品中卟啉的含量[15]

注：Nip.鎳卟啉；VoP.釩卟啉

圖4 南陽(yáng)凹陷盤里藻腐泥型(Ⅰ1)和Ⅱ2型干酪根熱解氣相色譜[18]a.盤星藻腐泥型(Ⅰ1)；b.Ⅱ2型干酪根Fig.4 Pyrolysis gas chromatographies of sapropelic kerogen (type I1) from discoctaster algae and type II2 kerogen in Nanyang sag, Jianghan Basin[18]

圖5 本源菌發(fā)酵反應(yīng)前后飽和烴總離子流圖[19]Fig.5 Total mass chromatograms of saturated hydrocarbon fraction in original and fermentative samples[19]

厭氧微生物多途徑、多種方式參與了石油的形成。微生物細(xì)胞體積極小，而所面臨的環(huán)境多變，每個(gè)細(xì)胞要在這樣復(fù)雜的環(huán)境條件下求得生存和發(fā)展，就必須具備一套發(fā)達(dá)的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。在生理上具有一定特點(diǎn)，能適應(yīng)高溫、高壓、高鹽等極端環(huán)境，保持膜的功能。氫代謝是厭氧微生物最重要的地質(zhì)特征，沉積物中的氫化反應(yīng)十分豐富，對(duì)地質(zhì)體中的物質(zhì)循環(huán)、石油的形成和演化具有重要意義。沉積物中厭氧微生物發(fā)育著許許多多群體，不同演化階段有不同的微生物，各有不同的作用，新老交替，不斷更新。石油的生成是一個(gè)多元化、長(zhǎng)期的過(guò)程。

致謝 感謝恩師葉連俊先生、黃弟藩教授、黃汝昌教授、王大珍教授；感謝中石油廊坊分院、東北石油大學(xué)、農(nóng)業(yè)部成都沼科所以及準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地、松遼盆地等各盆地各石油勘探開發(fā)研究院、研究所的同事、朋友們，謝謝你們對(duì)我們工作的指導(dǎo)、幫助與支持，尤其是我們?cè)陂_展《石油天然氣形成過(guò)程中微生物地質(zhì)作用》研究時(shí)給予的鼎力協(xié)作，再次表示衷心的感謝。