CO2咸水層封存過程中土著微生物的生物地球化學(xué)行為進展研究

李晨陽，尚永正，王 聰，劉 剛，劉兆煐

1 研究背景

近年來全球經(jīng)濟和工業(yè)化快速發(fā)展，人類對化石燃料依賴加劇，其燃燒產(chǎn)物CO2等被大量排放到大氣中，其中CO2的過度排放導(dǎo)致大氣中總碳荷載急劇增大，引發(fā)一系列全球氣候變化問題，嚴重威脅人類生存[1]。為實現(xiàn)碳減排目標，各國在2015年巴黎氣候大會上通過《巴黎協(xié)定》，各國政府力爭盡快將本國的碳排放達到控制峰值并限制峰值水平，在21世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放。我國積極發(fā)展相關(guān)的低碳減排技術(shù)，但短期內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展仍無法擺脫對化石能源的依賴，這對我國CO2減排工作提出了迫切要求。

2 CO2 地質(zhì)封存

基于超臨界CO2獨特的理化性質(zhì)所開發(fā)出的CO2地質(zhì)封存技術(shù)（geological CO2sequestration，GCS）被認為是可大規(guī)模減少溫室氣體排放量及應(yīng)對氣候變暖最有效、最直接的技術(shù)。GCS 技術(shù)將CO2從大規(guī)模工業(yè)排放源（火電廠、冶煉廠等）末端分離并進行壓縮，輸送并封存于適合的地質(zhì)構(gòu)造中，使其不直接排入大氣中，從而達到長期與大氣隔絕目的。

到目前為止，滿足條件的CO2地質(zhì)封存場所主要集中在枯竭的油氣藏、深部不可開采的煤層以及深部咸水層等。經(jīng)研究對比，深部咸水層因具有巨大的潛在封存容量以及良好的孔滲性（咸水層上方通常會有一個或者多個孔隙度和滲透率較低的隔水層，可作為良好的蓋層阻隔CO2向上遷移，提高CO2地質(zhì)封存的安全性）而被認為是CO2地質(zhì)儲存的理想儲層[3]。

3 微生物介導(dǎo)下的超臨界CO2咸水層封存研究

研究統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，地下微生物的總量可達到全球總量的1/2～2/3，平均每毫升深層地下水中的微生物數(shù)量最高可達108數(shù)量級[2]。微生物因為個體微小、體量巨大、新陳代謝具有多樣性的特性，對影響地下生物地球化學(xué)過程（C、N、S、Fe、能源、營養(yǎng)等循環(huán)）具有巨大的潛能。

3.1 CO2氣體注入場地后對土著微生物群落及多樣性的影響

近幾年來，隨著GCS 技術(shù)廣泛應(yīng)用，其中CO2咸水層封存過程對于微生物的作用與影響這一關(guān)鍵機制，也逐漸引起學(xué)者們的關(guān)注。

GCS 工程的首要條件是防止CO2的泄漏，但現(xiàn)存技術(shù)體系比較難以保證封存的CO2完全密封良好，而一旦CO2通過蓋層的裂隙、廢氣通道運移到淺層地表水甚至淺層土壤時，便會改變其環(huán)境的pH，打破水化學(xué)組分的平衡，明顯影響原有微生物群落及其多樣性。因此，微生物在研究初期主要作為CO2泄漏的監(jiān)測因子或環(huán)境風(fēng)險評估的參考。

此外，CO2注入咸水層后對于土著微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的影響也是研究重點。大量研究表明，CO2-水-巖作用過程中礦物溶解或沉淀過程可以導(dǎo)致離子強度或終端電子受體分布（如三價鐵離子）發(fā)生變化，進而影響微生物新陳代謝。Fierer 等發(fā)現(xiàn)CO2注入后由于碳酸的形成導(dǎo)致pH 降低，從而對咸水層微生物多樣性產(chǎn)生顯著影響[3]。Wei Li 等采用16S rRNA 測序技術(shù)在石油儲層中發(fā)現(xiàn)了厚壁菌門和擬桿菌門微生物。Andre Mu 等采用16S rRNA 測序技術(shù)研究某實際灌注場地高純CO2注入前后，土著微生物中優(yōu)勢菌種由厚壁菌門轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃尉T的變化過程，并指出變形菌門中的叢毛單胞菌與假單胞菌對于超臨界CO2流體注入后所帶來的地下環(huán)境劇烈變化（pH 降低，鹽度升高）有較好的耐受性。

3.2 微生物在CO2地質(zhì)儲存過程中的作用

大量實驗證明，微生物通過自身代謝的過程和產(chǎn)物會對于巖石風(fēng)化以及水-巖相互作用過程的演化起到重要作用（見表1）。

表1 部分微生物在水-巖相互作用過程的作用[4-6]

到目前為止，大多數(shù)文獻報道均是從實驗的角度來開展對某幾種特定微生物在CO2地質(zhì)封存中起到的積極作用及其可能機理進行研究。Benzerara 等利用掃描透射 X 射線顯微鏡對微生物-礦物界面上的溶解現(xiàn)象進行了系統(tǒng)觀察，發(fā)現(xiàn)溶解產(chǎn)物與微生物活動有密切關(guān)系。張鳳君等通過實驗研究進一步確定了細菌可促進含鈣碳酸鹽的形成，放線菌可促進含鐵碳酸鹽的形成；而真菌促進礦物的溶蝕，提升了固碳離子的溶出量。Ferris 等相繼研究了巴斯德芽孢桿菌（S.pasteurii）對CO2轉(zhuǎn)化為固碳礦物所起到的積極作用，該菌可在超臨界CO2的極端條件下生存。Mitchell 等通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，在外加營養(yǎng)物質(zhì)的條件下，巴斯德芽孢桿菌可有效降低蓋層的孔滲性，封堵超臨界CO2流體向儲層上部環(huán)境的逃逸通道，從而增強儲層的長期安全性。

4 結(jié)束語

當CO2注入深部咸水層時會迅速引起咸水層pH、離子強度等的劇烈變化，改變原有環(huán)境中水-巖的平衡狀態(tài)，進而對土著微生物的群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性以及代謝多樣性產(chǎn)生顯著影響。此變化又反作用于CO2-咸水-巖石反應(yīng)體系，這種作用既可能體現(xiàn)在原生礦物的溶蝕過程，也可能表現(xiàn)為促進儲層內(nèi)CO2的礦物捕獲。其中可能出現(xiàn)的生物地球化學(xué)行為會受到多個因素的影響（如土著微生物種類、注入時間、pH 變化等）。但目前關(guān)于CO2對于土著微生物影響及土著微生物反饋于CO2-咸水-巖石反應(yīng)體系的綜合研究報道相對較少，因此開展對微生物-CO2-咸水-巖石相互作用的研究是十分必要的。