人類活動(dòng)對(duì)深地微生物的影響

摘 要：在深地環(huán)境中生活著數(shù)量龐大且種類眾多的微生物， 主要是細(xì)菌和古菌，并包括真菌和病毒.水-巖相互作用產(chǎn)生的氫氣和甲烷是這些微生物主要的能量來源.人類活動(dòng)改變了深地環(huán)境及其微生物群落組成和功能.頁巖氣是存在于深地頁巖中的天然氣，開采頁巖氣所使用的水力壓裂技術(shù)會(huì)對(duì)深地微生物產(chǎn)生顯著影響，目前有關(guān)人類活動(dòng)對(duì)深地微生物的科學(xué)研究均側(cè)重于其短期影響，今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其長(zhǎng)期影響。

一、深地生物圈和深地微生物

深地生物圈這一科學(xué)概念是美國(guó)天體物理學(xué)家Thomas Gold于1992年提出的.他認(rèn)為微生物可能生活在地下數(shù)千米，直至高溫成為抑制微生物生長(zhǎng)的因素.深地微生物氧化還原反應(yīng)的能量來源于水-巖相互作用產(chǎn)生的化學(xué)能，如氫氣和甲烷，而不是光合作用. 他也推測(cè)深地微生物的數(shù)量應(yīng)與地表生物的數(shù)量相當(dāng)， 并且類似的深地微生物也可能廣泛存在于宇宙中的其他星球上。深地微生物主要是細(xì)菌和古菌 ， 此外 ， 真菌也可在深地與細(xì)菌互養(yǎng)共生。除細(xì)菌、古菌和真菌外， 線蟲、扁形動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、輪蟲、節(jié)肢動(dòng)物和原生動(dòng)物， 以及病毒也曾在深地中被發(fā)現(xiàn).

（一）深地微生物氧化還原反應(yīng)的能量來源

雖然早在20世紀(jì)20～30年代就有關(guān)于深地微生物的報(bào)道，但是，由于當(dāng)時(shí)還不能有效控制采樣過程中的地表微生物污染，人們對(duì)這些結(jié)果的可靠性持有懷疑態(tài)度，因此這些報(bào)道并未引起科學(xué)界的重視，1996年， 時(shí)任美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的地質(zhì)學(xué)家Stevens和McKinley在美國(guó)華盛頓州玄武巖地下水中發(fā)現(xiàn)了能夠利用氫氣作為能量來源的自養(yǎng)微生物群落. 玄武巖地下水中含有60 mol/L的氫氣， 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明， 粉碎后的玄武巖和厭氧水反應(yīng). 可產(chǎn)生氫氣并能夠支持微生物生長(zhǎng). 他們將觀察到的這一微生物系統(tǒng)稱為“地下巖石自養(yǎng)微生物生態(tài)系統(tǒng)”.在深地， 甲烷也可作為微生物生長(zhǎng)的電子和能量來源. 甲烷既可經(jīng)水-巖相互作用產(chǎn)生， 也可由深地微生物催化合成。

二、頁巖氣開采對(duì)深地微生物的影響

（一）頁巖氣的開采過程

頁巖氣是指主體位于黑色頁巖中的天然氣聚集，頁巖氣資源儲(chǔ)量豐富， 約占全球天然氣資源的三分之一。我國(guó)頁巖氣資源潛力大， 分布面積廣、發(fā)育層系多，可開采資源潛力大，目前人們對(duì)頁巖微生物的認(rèn)識(shí)還十分有限. 黑色頁巖中富含有機(jī)質(zhì)， 可為微生物生長(zhǎng)提供碳及電子來源. 微生物生活在相互連通的頁巖孔隙和裂縫中. 孔隙大小和孔隙連通性是制約頁巖微生物生存的最重要因素. 目前在頁巖中發(fā)現(xiàn)的微生物包括： 降解有機(jī)質(zhì)的發(fā)酵或互養(yǎng)共生細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌、硫酸鹽還原細(xì)菌、多聚乙酰細(xì)菌和三價(jià)鐵還原微生物。水力壓裂技術(shù)是商業(yè)開發(fā)頁巖氣最常用的技術(shù).采用水力壓裂法， 借助高壓注入大量液體到頁巖層中， 使頁巖破碎形成人工裂縫， 增加并擴(kuò)大天然氣滲流通道，使天然氣以最佳流速進(jìn)入井筒并被采出，因此， 水力壓裂技術(shù)是能大幅度提高油氣產(chǎn)量的一種儲(chǔ)層改造技術(shù)。

（二）回流水中微生物的功能

注入液的化學(xué)物質(zhì)包括甲胺、乙二醇、甲醇、膽堿、二甲胺和蔗糖. 宏基因測(cè)序分析推測(cè)頁巖中海桿菌的主要功能是降解烷類、苯、甲苯、乙苯、二甲苯和鄰苯二酚， 并可通過氧化葡萄糖、果糖、蔗糖、乳酸鹽和乙酸鹽還原硝酸鹽和氧氣. 而鹽單胞菌則能降解烷類、安息香酸鹽和鄰苯二酚， 并通過氧化纖維素、葡萄糖和乙酸鹽還原硝酸鹽和氧氣. 鹽單胞菌和鹽厭氧菌可將硫代硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽和硫化物， 進(jìn)而引起金屬銹蝕和儲(chǔ)層酸化， 降低頁巖氣開采效益。鹽厭氧菌也可將甘氨酸三甲胺內(nèi)鹽、 乙二醇、氨基酸、蛋白胨、果糖、葡萄糖、甘露糖和麥芽糖等底物發(fā)酵成乙醇、氫氣和乙酸鹽. 壓裂桿菌除了能利用氫氣將CO2固定成乙酸鹽外， 也可將甘氨酸三甲胺內(nèi)鹽發(fā)酵成乙酸鹽. 產(chǎn)甲烷古菌甲烷嗜鹽菌和甲烷葉菌能利用其他微生物產(chǎn)生的乙酸鹽和注入液中的甲醇、二甲胺和甲胺合成甲烷， 達(dá)到促進(jìn)頁巖氣產(chǎn)出的目的.此外，微生物也可在頁巖裂隙內(nèi)形成生物膜，堵塞裂隙，對(duì)頁巖氣的產(chǎn)出造成負(fù)面影響.在馬塞勒斯頁巖區(qū)有超過15000個(gè)頁巖井， 這些頁巖井的產(chǎn)氣壽命最短也有30年.Lipus等人分析了從18個(gè)頁巖井收集的42份產(chǎn)出液樣品發(fā)現(xiàn)， 每毫升產(chǎn)出液含有1.5×105～2.1×108個(gè)微生物16S rRNA基因拷貝. 相關(guān)性分析表明產(chǎn)出液微生物的豐度與頁巖井的年齡成正相關(guān)， 即頁巖井開采時(shí)間越長(zhǎng)， 產(chǎn)出液微生物的豐度越高， 而微生物豐度與產(chǎn)出液的含鹽量和殺菌劑濃度則無相關(guān)性. 進(jìn)一步分析表明產(chǎn)出液微生物主要屬于厚壁菌門的鹽厭氧菌目和梭菌目（Clostridiales）. 其中鹽厭氧菌在所有產(chǎn)出液中均能檢測(cè)到， 并且是40個(gè)樣品中豐度最高的微生物. 梭菌也能夠在所有產(chǎn)出液中檢測(cè)到， 其豐度僅次于鹽厭氧菌. 宏基因組測(cè)序表明鹽厭氧菌擁有將丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸鹽的乳酸脫氫酶基因ldh、將丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化為醋酸鹽的磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶基因ptaA、 將單糖發(fā)酵為乙醇的醇脫氫酶基因adh、以及將丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化為氫氣和CO2的丙酮酸甲酸裂解酶基因pfl， 這些基因證明鹽厭氧菌具有發(fā)酵產(chǎn)酸的潛力. 測(cè)序結(jié)果還顯示鹽厭氧菌基因組擁有還原硫代硫酸鹽的基因， 具有硫代硫酸鹽還原和產(chǎn)生硫化物的能力; 擁有與生物膜形成有關(guān)的基因， 如調(diào)控孢子形成的雙組分反應(yīng)調(diào)控基因（two-component response regulator） spo0A及參與胞外多糖產(chǎn)生的基因glt2和adrA， 以及鞭毛蛋白基因fliC， flhA， motA和motB. 鞭毛蛋白基因在細(xì)胞附著和生物膜形成的初期階段起著重要作用， 因此， 推測(cè)鹽厭氧菌可以形成生物膜。與上述測(cè)序分析相一致， 蛋白質(zhì)組學(xué)分析也證實(shí)馬塞勒斯頁巖井產(chǎn)出液中的鹽厭氧菌在產(chǎn)出液條件下能夠表達(dá)硫代硫酸鹽還原基因. 實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的鹽厭氧菌分離株也能夠?qū)⒘虼蛩猁}還原成硫化物， 同時(shí)生成醋酸鹽 。分離的鹽厭氧菌菌株還可以降解瓜爾膠， 瓜爾膠是一種經(jīng)常添加在壓裂液里的多糖聚合物. 所以， 深地微生物可以分解注入液中的有機(jī)質(zhì)， 一方面通過發(fā)酵產(chǎn)酸或還原硫酸鹽產(chǎn)生硫化物的形式引起儲(chǔ)層酸化和金屬管道銹蝕， 其形成的生物膜也會(huì)堵塞頁巖中的 裂 隙 ， 從 而 影 響 頁 巖 氣 的 產(chǎn) 出 ， 降 低 開 采 效益，但是， 有些產(chǎn)甲烷古菌，如甲烷嗜鹽菌和甲烷葉菌， 均能利用注入液中的添加劑， 如甲醇、二甲胺和甲胺合成甲烷， 或者利用其他微生物（如鹽厭氧菌）產(chǎn)生的醋酸鹽合成甲烷， 促進(jìn)頁巖氣的生產(chǎn)。

三、結(jié)語

21世紀(jì)也是人類全面開發(fā)利用深地資源和空間的世紀(jì)， 目前預(yù)測(cè)到21世紀(jì)末將有1/3的人工作生活在地下空間. 向深地進(jìn)軍， 綜合開發(fā)地下生態(tài)城市新型空間資源是解決當(dāng)今城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)， 維持城市可持續(xù)發(fā)展和支撐國(guó)家核心戰(zhàn)略的重要舉措。因此，開展深地生物圈的研究， 特別是人類活動(dòng)對(duì)深地微生物長(zhǎng)期影響研究不僅對(duì)頁巖氣開采、核廢料地質(zhì)處置和scCO2深地封存至關(guān)重要，同樣也對(duì)綜合開發(fā)地下生態(tài)城市空間、油田和其他深地資源至關(guān)重要。

作者簡(jiǎn)介：張妍玉（ 1998- ），單位：河北大學(xué)，研究方向：生物技術(shù)專業(yè)。