油藏嗜熱微生物及其采油機理研究進展

何 華，喬發東，安明理，何蔚葒，王亞南

（1.河南工業大學生物工程學院，河南鄭州450001；2.河南省微生物工程重點實驗室）

油藏嗜熱微生物及其采油機理研究進展

何 華1，2，喬發東1，安明理2，何蔚葒2，王亞南2

（1.河南工業大學生物工程學院，河南鄭州450001；2.河南省微生物工程重點實驗室）

闡述了嗜熱微生物及其分類，嗜熱微生物在細胞膜結構、嗜熱蛋白與嗜熱酶、遺傳物質方面體現出的嗜熱機制，介紹了嗜熱微生物在原油的降解、產表面活性劑、產酸、產有機溶劑等其它方面應用于提高原油采收率的采油機理及其相關微生物類群的研究進展，最后，針對當今采油形勢，介紹了嗜熱微生物采油的必要性及國內外對于嗜熱微生物采油技術的研究與應用現狀。

微生物采油；嗜熱微生物；采油機理；微生物類群

1926年，美國石油工程師Beckman［1］第一次提出了利用微生物采油的設想，直到1946年，Zobell［2］及其科研小組進行了一系列整體性實驗室研究，他們的研究結果被認為是油藏微生物應用于石油開采新時代的開始，利用微生物采油技術的研究才取得了進一步發展。微生物提高原油采收率具有適用范圍廣、工藝簡單、投資少、見效快、功能多、費用低和無污染等優點，利用微生物的有益活動及代謝產物作用于油藏殘余油，并對原油、巖石、水界面產生作用，通過改善原油流動性來提高原油采收率。

在20世紀60年代以前，世界范圍內的油井主要是淺井，井下溫度并不高，投入使用的采油微生物菌劑大多數是常溫菌，因此，人們對井下油藏嗜熱微生物種群研究較少。進入70年代以后，隨著世界各國油井的加深，井下溫度也不斷升高，大多數油田的井下溫度已在50℃以上，常溫微生物菌劑已不再適合于高溫油井。為了進一步提高原油采收率，需要分離篩選出適合高溫條件下生長，并且能夠有效降低原油黏度，進行高溫油田原油開采實驗的耐高溫優良菌種。

1 嗜熱微生物及其耐熱機制

1.1 嗜熱微生物及其分類

嗜熱微生物（Thermophiles）俗稱高溫菌或嗜熱菌，通常是最低生長溫度45℃左右，最適生長溫度在50～60℃，最高生長溫度在70℃或70℃以上的一類微生物的總稱［3］。它們廣泛分布于草堆、煤堆、溫泉、地熱區土壤、高溫油井以及海底火山口附近。根據嗜熱菌與溫度的關系，可將其細分為五類：耐熱菌，最高生長溫度在45～55℃之間，低于30℃也能生長；兼性嗜熱菌，最高生長溫度在50～65℃之間；專性嗜熱菌，最適生長溫度在65～70℃之間，最低在42℃也能生長；極端嗜熱菌，最高生長溫度為70℃，最適溫度為65～70℃，最低溫度在40℃以上；超嗜熱菌，最高在113℃以上，最適80～110℃，最低在55℃以上。

1.2 嗜熱微生物耐熱機制

嗜熱微生物能夠在高溫環境中生長并繁殖，與其獨特的適應機制，特殊的細胞膜結構、嗜熱蛋白與嗜熱酶、遺傳物質都有著密切的關系。

1.2.1 細胞膜

根據嗜熱菌細胞膜脂的類型和含量的不同，可以將其分為兩大類，即真細菌型膜脂和古細菌型膜脂。真細菌型膜脂為復合脂，主要為甘油脂肪酰二酯，當溫度升高時，通過膜的自動調節作用，復合脂中烷基鏈彼此間隔擴大，而極性部分作為膜的雙層結構卻保持整齊而不透的液晶態，即使是小分子和離子也不能透過。此外，增加磷脂酰烷基鏈的長度，環化支鏈的個數，異構化支鏈的比例或是脂肪酸飽和度都可以維持膜的液晶態。細胞膜中還含有異型脂肪酸，穩定型脂肪酸和環烷型脂肪酸，也為嗜熱菌細胞膜耐受高溫提供了條件［4］。

古菌與細菌的一個較大的不同點就在于古菌細胞膜組成。嗜熱古菌的膜脂組成主要為飽和類異戊烯二脂，通常情況下磷脂雙層的一側是完全飽和的C20植烷類異戊烯單醇，有時兩個C20植烷分子會凝聚成C40類異戊二烯雙醇，這些分子以醚鍵的形式連接甘油分子，形成植烷甘油二醚和雙植烷雙甘油四醚。雙植烷雙甘油四醚能形成大小和脂雙分子層相同的單層膜脂，提供一個更高的牢固度，這種典型的結構在古細菌中時常被發現［5］。

1.2.2 嗜熱蛋白與嗜熱酶

研究表明，在蛋白質的一級結構中，個別氨基酸的改變會引起離子鍵、氫鍵、疏水作用的變化，從而大大增加整體的熱穩定性，這就是氨基酸的突變適應［6］。同時嗜熱菌蛋白質中含有大量能夠穩定蛋白質結構的疏水和帶電基團（如Arg），以及少數一些非極性基團，如Ser、Thr、Asn及Gln［7］。其它研究也表明，β－轉角處的脯氨酸基團、α－螺旋N端帶負電氨基酸，金屬離子結合位點導入，縮短表面環的大小以及分子間的相互作用均能提高蛋白質的穩定性［8］。近幾年還發現，二硫鍵在嗜熱蛋白質的熱穩定性中也有著重要的作用［9］。通常情況下酶的穩定性與氨基酸組成有著密切的聯系，一個或幾個氨基酸的取代會導致嗜熱酶轉變成低溫酶衍生物或次生酶［10］。

1.2.3 遺傳物質

通常線性DNA通過鏈的分離很容易變性，但環狀DNA分子卻能夠耐受較高的熱變性溫度，因此DNA雙鏈在高溫條件下維持其二級結構是完全可能的。而且，無論是正超螺旋還是負超螺旋，都能夠進一步增加DNA的解鏈溫度［11］。在細胞外，通過增加金屬鹽類，雙鏈DNA能夠更加穩定，但并不是所有的嗜熱菌都含有高濃度的鐵離子胞內聚合物［12］。長鏈線型聚胺類在嗜熱菌體內發現，它能夠有效維持雙鏈DNA的穩定性，支鏈聚胺類也能夠有效維持單鏈DNA和tRNA的穩定性［13］。極端嗜熱菌中tRNA轉錄后經過相關的修飾有利于適應高溫環境，RNA螺旋側面突起的堿基和近端酯鍵之間的配對也能避免結構上的不穩定性［14］。有資料表明嗜熱古細菌中存在一種特殊的機制對抗熱變性，例如反解旋酶結合在DNA雙螺旋上，使DNA產生更能耐受高溫的正超螺旋結構［15］。

2 嗜熱微生物采油機理及其類群

2.1 微生物的降解作用及類群

2.1.1 嗜熱微生物降解原油機理

原油的主要成分為烴類，通?？煞譃閮纱箢悾猴柡蜔N類（直鏈烷烴、支鏈烷烴、環烷烴）和不飽和烴類（烯烴、炔烴、單環芳烴、多環芳烴、雜環芳烴）。一般認為，不同烴類可被微生物降解的次序如下：小于C10的直鏈烷烴 ＞C10－C24或更長的直鏈烷烴 ＞小于C10的支鏈烷烴＞C10－C24或更長的支鏈烷烴＞ 單環芳烴 ＞ 多環芳烴 ＞ 雜環芳烴［16］。嗜熱微生物對原油中不同烴類化合物的代謝途徑和機理是不同的。根據烴類的化學結構特點，烴類的降解途徑主要可分兩部分：n－烷烴的降解途徑和芳烴類化合物的降解途徑。

一方面，在高溫條件下，原油本身的粘度相對于低溫或常溫下較低，為原油的采收提供了一定的自然條件，另一方面，嗜熱微生物以石油中正構烷為碳源而進行生長和繁殖，從而改變了原油的碳鏈組成，使原油粘度降低而變得容易流動。微生物的不斷生長繁殖改變了烴類其原有的物理性質，影響了原油液固相的平衡，能大大減少儲存、井眼和設備表面原油石蠟的溫度和壓力。微生物生長釋放出的生物酶可降解原油，使原油碳鏈斷裂，高碳鏈原油變為低碳鏈原油，使重組分減少，輕質組成增加，不僅改善原油在油層中的流動性，而且會使原油性質得到改善。

2.1.2 降解原油的嗜熱微生物類群

許多嗜熱微生物能以烴類為唯一碳源和能源生長，且在自然界分布廣泛，目前發現的約有20個屬類100多種的嗜熱微生物能利用烴類，Al－Maghrabi等［17］在阿拉伯一油藏環境中分離到幾株能降解原油的嗜熱芽孢桿菌，最適生長溫度在60～80℃之間，Philips等［18］從北卡羅來納石油污染海域分離到一株能夠降解石油烴的專性嗜熱菌，它能夠以長鏈烷烴、伯醇及酮類為碳源在42～70℃的條件下均能生長。

石油烴降解基因方面的研究近幾年來主要以假單胞菌屬、紅球菌屬和不動桿菌屬的相關能功序列為研究材料。有研究發現在假單胞菌屬和紅球菌屬的菌株中存在［19］基因，其為微生物細胞的細胞膜上的烴羥基化酶，另外還有不同形式的類似基因alkB1、alkB2和alkB870G［20］。

2.2 產表面活性劑采油機理及其類群

2.2.1 表面活性劑采油機理

表面活性劑具有一些共性：由一個疏水基團和一個親水基團構成，具有兩親性質。其疏水基團為飽和、不飽和或羥化的脂肪酸，其親水基團更加多樣化，可簡單如脂肪酸的羧基，也可復雜如糖脂的多聚糖基。生物表面活性劑根據親水基團的性質可分為糖脂、脂蛋白、脂肪酸、磷脂和中性脂等。

表面活性劑采油主要借助以下三個方面的作用：一是降低水油界面張力，二是減少原油在巖石表面的粘附力，三是影響原油／水（或巖石）間的界面膜。向水中加入表面活性劑可使油水界面的張力降低，在低界面張力的條件下，油滴容易變形，這樣可以降低流經孔隙管道排出時所作的功，便于原油的采出；表面活性劑吸附于油水界面使原油與巖石的接觸面積減小，使油滴容易被水帶走，從而提高采收效率。表面活性劑還能對巖石上油膜起到洗滌作用。

2.2.2 表面活性劑采油功能微生物類群

許多降解烴類的微生物能產生生物表面活性劑，有的微生物只在利用烴類等疏水性碳源時才能形成生物表面活性劑，有一些微生物則只在利用水溶性碳源時才形成生物表面活性劑，還有一些微生物則在兩類碳源上都可合成同樣的表面活性劑。關于微生物產表面活性劑基因調控方面的研究，也有大量的報道［21－22］。

2.3 其它嗜熱微生物采油機理及類群

2.3.1 微生物的直接作用與代謝產物影響

一方面微生物利用特異性附著機制，通過菌毛或細胞膜表面的脂類或蛋白使細胞形成疏水表面，提高微生物細胞表面的疏水性，降低了細胞與石油烴油滴界面之間的張力，從而附著于石油烴表面，將可利用的石油烴分子運移至菌體細胞內部，參與細胞代謝，進行降解。另一方面，微生物在油藏高滲透區的生長、繁殖及產生聚合物，當水相注入油井后，微生物伴隨水相優先流入高滲透層，流入低滲透層的水相也隨時可能向高滲透層轉移，生長繁殖的菌體和代謝產物與重金屬形成沉淀物，有選擇地堵塞大孔道，增大掃油系數和降低水油比，從而通過提高滲透率降低容積驅掃效率來提高采收率。

此外，大多數微生物在代謝過程中都可產生氣體，如CO2、CH4和N2等。這些氣體能夠使油層部分增壓并降低原油粘度，提高原油流動能力；同時氣泡的賈敏效應還會增加水流阻力，提高注入水波及體積。微生物還可以產酸，產生的酸主要是低相對分子質量的有機酸（乙酸、丙酸），也有部分無機酸（硫酸）。它們能溶解巖石中的碳酸鹽，一方面增加孔隙度，提高滲透率；另一方面，釋放二氧化碳，提高油層壓力，改善原油粘度，提高原油流動能力。微生物還產生醇、有機酯等有機溶劑，這些都是微生物在發酵原油過程中的代謝產物，它們有利于改善原油粘度，類似輕度酸化，增加巖石孔隙度，使吸附在孔隙巖石表面的原油被釋放出來，從而提高原油采收量。

2.3.2 其它嗜熱微生物采油類群

高溫油井下還存在一類產酸、產氣、產有機溶劑的嗜熱微生物類群。黎霞等［23］從我國勝利油田羅801區塊地層溫度75～80℃的油層采出水中分離到一株嗜熱、耐鹽的厭氧菌SC－2，能夠利用葡萄糖產生乙醇、乙酸、丙酸、H2、CO2及少量的乳酸等代謝產物。Melike等［24］在高溫厭氧條件下分離出一棲熱袍菌Thermotoga lettingae，它能夠以甲醇為唯一碳源，在65℃條件下發酵甲醇生成CO2和H2。另外，在油藏環境中還有一類硝酸鹽還原菌，它們也為提高原油采收率提供了保證。

3 嗜熱微生物采油技術

3.1 嗜熱微生物采油研究概況

目前，世界上關于油藏嗜熱微生物采油技術的研究報道較少，嗜熱微生物開采現場應用曾有成功報道，但也為數不多。然而，關于油藏嗜熱微生物分離和應用研究卻在不斷的展開，分離出的嗜熱微生物種類多樣。值得慶祝的是，我國作為石油消耗大國，在嗜熱微生物采油的研究與應用方面已經走到了世界的前列，如Wang等［25］從我國華北油田分離到一株耐受73℃高溫的熱反硝化地芽孢桿菌Geobacillus thermodenitrificans NG80－2，它能以原油或液體石蠟為唯一碳源產生乳化劑，實驗表明其能夠有效利用C15－C36的長鏈烷烴。Liu等在我國大港油田73℃高溫油田原油樣品中分離到三株嗜熱菌，分別為Arthrobacter sp（A02）、Pseudomonas sp（P15）和Bacillus sp（B24），菌株A02、P15能夠有效的降解原油，而B24能夠發酵原油產生表面活性劑，有效地降低原油表面張力，將這些菌劑接種到7口產出井后，通過6個月的培養，原油采收量與對照井相比增加了近8 700 t［26］。

3.2 國外嗜熱微生物采油應用現狀

在嗜熱微生物采油應用研究方面，世界上處于領先地位的國家主要是美國和俄羅斯。采油方法主要分兩種途徑，其一是以培養篩選嗜熱菌種注入油藏，其二則是利用營養物激活高溫油藏環境內部的本源微生物，二者都是利用嗜熱微生物及其代謝產物作為驅油劑提高原油采收率。在外源微生物驅油研究和應用方面，美國的發展現狀基本上代表著世界微生物采油技術的水平。而今，美國已有1000多口井正在利用這項技術增加油田產量，結果表明78%的微生物采油項目是成功的。本源微生物采油技術的室內研究和礦場應用，首屬俄羅斯。近20年來，俄羅斯在這方面取得了長足的進展，20世紀90年代先后在韃靼、西西伯利亞、巴什基爾等多個高溫油田開展了大量的礦場試驗，效果十分顯著。

3.3 國內嗜熱微生物采油應用現狀

我國對微生物采油技術的研究始于20世紀60年代，發展十分緩慢，對嗜熱微生物采油技術的研究更極為少見。中國科學院、山東大學、長江大學等多所機構開展了有組織的合作，在提高原油采收率機理和技術研究方面，進行了探索性實驗，在微生物采油技術從實驗研究到現場應用的展開中起到了關鍵性作用。1994年開始，大港油田與南開大學合作，成功培育了一系列嗜熱采油微生物，該微生物以原油和無機鹽為營養，具有降低蠟質和膠質含量功能，并在菌種選育與評價、菌劑產品的生產、礦場應用設計施工與檢測等諸方面取得了顯著成績。2000年底，勝利油田東辛采油廠引進了美國NPC公司的耐高溫菌種，在Y6－16井組進行了耐高溫微生物驅油提高采收率研究和現場試驗，結果采收率達到43.41%，增加可采出量1.81×104t，施工后當年增油615.5 t［27］。

4 展望

微生物提高原油采收率技術經過一個多世紀的研究與發展，無論是在優良菌種的篩選還是在采油現場試驗上都取得了輝煌的成就，已成為一種具有強大潛力的采油技術。隨著世界油井的不斷加深和井下溫度的逐漸升高，原油采收的難度也不斷增大，嗜熱微生物采油便是應對油藏高溫環境而展開的一項新型技術，它克服了傳統的常溫菌無法應用于高溫油井的缺點，有著其更加廣泛的適用價值。然而，利用微生物采油的影響因素眾多，除溫度外，還包括壓力、含鹽量、酸堿度等。因此，為了進一步提高原油采收率，必須拓寬研究領域和加大投資力度，以滿足不同油藏條件下的微生物菌種的需要。隨著人們研究的深入和實踐的不斷積累，相信更多新型適用微生物菌劑將被開發與應用，為世界石油工業的發展發揮更大的作用。

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TE357

A

1673－8217（2012）02－0118－04

2011－09－06

何華，碩士研究生，1985年生，目前主要從事環境微生物菌種資源開發與應用。

河南省基礎與前沿技術研究計劃項目（102300413217）；河南省科技攻關計劃項目（102102210280）。

李金華