神秘古菌以“一己之力”產甲烷

傳統原油開採技術，難以驅動地下油藏全部原油的運移，仍然有過半原油開採不出來。科學家相信，能在油藏環境中存活的厭氧微生物有望成為人類的幫手。利用沼氣發酵原理，將液態原油降解成氣態甲烷，形成油氣共採，是科學家探索的一條道路。

12月23日，《自然》線上發表農業農村部沼氣科學研究所（以下簡稱沼科所）能源微生物創新團隊的最新研究成果。該團隊與深圳大學、德國馬克斯·普朗克海洋微生物研究所、中國石化微生物採油重點實驗室等單位研究人員合作，發現了一種來自油藏的新型產甲烷古菌，可在厭氧環境下直接氧化原油中的長鏈烷基烴產生甲烷，突破了產甲烷古菌只能利用簡單化合物生長的傳統認知，拓展了對產甲烷古菌碳代謝功能的認知。

這一研究完善了碳素迴圈的生物地球化學過程，併為枯竭油藏殘餘原油的生物氣化開採——“地下沼氣工程”奠定了科學基礎。

不能“吃”的石油烴

原油的主要成分是由幾十個碳鍊形成的比較複雜的碳氫化合物。

早在上世紀末，德國科學家首次在《自然》報道了石油烴可以被厭氧微生物降解轉化為甲烷。但是，這種生物降解過程與傳統的沼氣發酵類似，需要多種不同型別的細菌和古菌，透過互營代謝來完成。

2008年，加拿大科學家在《自然》報道油藏中也存在類似混合菌群降解原油產甲烷過程。

論文共同通訊作者、深圳大學教授李猛告訴《中國科學報》，互營代謝是指有機質分解降解產生甲烷的時候，需要細菌和產甲烷古菌兩種不同型別的微生物透過彼此依賴、互不可分的方式合作。

“在缺氧環境下，有機質被降解產生甲烷的過程俗稱沼氣發酵。”論文作者、沼科所研究員白麗萍說，過去的觀點認為，產甲烷古菌僅能透過乙酸發酵、二氧化碳還原、甲基裂解和氧甲基轉化等4條途徑產生甲烷。其所能利用的底物非常簡單，主要是一碳或者二碳化合物。

“以前的教科書告訴我們，對於由幾十個碳組成的烷烴和烷基烴這種複雜有機物，產甲烷古菌是不可能直接‘吃’掉它們的。之前，也沒有微生物直接降解石油烴生成甲烷或者二氧化碳的研究報道。”論文通訊作者、沼科所研究員承磊說。

沼科所所長王登山告訴《中國科學報》，40年來，沼科所一直在從事厭氧微生物的基礎研究，並儲存有全國最大的厭氧微生物模式物種近600種（全球有2000多種），是我國沼氣工程標準的主要制定者，開發設計建造了一系列有代表性的戶用和大中型沼氣工程。這為找到可直接降解石油烴的微生物奠定了科研基礎。

論文第一作者、沼科所周卓介紹，厭氧微生物是地球上數量最多、物種最豐富的生物資源。但由於技術原因，目前分離鑑定的厭氧微生物物種不足0。1%，大部分還屬於“微生物暗物質”。科學家知道它們存在，但是不知道它們是一種什麼樣的存在。

產甲烷古菌就是一種獨特的厭氧微生物，對氧氣敏感，通常在空氣中暴露幾分鐘就會死亡。它之所以被稱為“古菌”，是因為這種獨特的生命早在35億年前就存在於地球上。它擁有很多頭銜：地球上最早的生命形式之一、全球大氣甲烷排放主要貢獻者、沼氣發酵過程中的的關鍵功能微生物。

意外發現讓神秘古菌現身

“找到這種新的產甲烷古菌是一個意外的發現。”承磊說，其團隊從2005年開始進行厭氧烴降解產甲烷的研究，但工作開展起來非常難。

“石油烴厭氧降解產甲烷的生長週期一般需要一兩年時間，文獻報道的最長培養時間超過800天。”雖然承磊笑說，可以把培養物放在實驗室慢慢“長”，科研人員出去“玩兩年”回來後再觀察研究都來得及，但實際上，這種“超長待機時間”是非常枯燥的，也極其考驗科研人員的耐心和耐力。

2019年，他們突然發現一份來自於油藏的培養物“待機時間”超短——生長週期大概兩到三個月。“比以往的培養週期都要快很多，這個現象讓我們非常關注。”承磊說，透過數十年的前期工作，他們獲得了一個利用長鏈石油烴產甲烷的培養物，它可以直接降解碳13到碳34的長鏈烷烴，以及側鏈烷烴大於13的環己烷和環己苯。

“於是我們就想知道這裡面可能是什麼微生物，透過什麼機制如此快速地轉化利用石油烴。也就是在這個時候，國外科學家提出了自然界中可能存在直接降解烷烴產生甲烷的新古菌，但是沒有證據支撐。我們再重新分析這個培養物的時候，的確發現了它的蹤跡，而且丰度非常高。”承磊回憶說，但這個培養物中還有很多種微生物，需要提供多個不同維度的證據。

周卓介紹，他們首先透過穩定碳同位素標記實驗，證實加入的正構烷烴幾乎完全轉化為甲烷和二氧化碳。

再透過宏組學分析，他們發現了一種新型的古菌Ca。 Methanoliparum。這一古菌具有完整的烴降解與甲烷產生的代謝途徑，並且這些途徑在培養烴降解產甲烷過程中都是高丰度表達的。

進而，他們採用高解析度質譜技術，檢出了烷烴降解產甲烷過程中的關鍵中間代謝產物，從而進一步證實了這種新型古菌的碳代謝途徑。

結果發現，Ca。 Methanoliparum可以直接氧化長鏈烷基烴，它透過β—氧化、伍德—永達爾途徑進入產甲烷代謝，不需要透過互營代謝來完成。也就是說，這一古菌僅憑“一己之力”就完成了互營代謝中需要多種細菌和古菌聯手才能完成的分解“工作”。他們因而提出了第五條甲烷產生途徑。

“第五種甲烷產生途徑的提出，完善了我們探索全球碳素生物地球化學迴圈的認知。”承磊說。

論文作者、中國石化微生物採油重點實驗室教授汪衛東告訴《中國科學報》，這也說明在油藏條件下，還有豐富的未知微生物存在，它們有著不同的功能。其中一些微生物以不同的方式降解原油，將其轉化成甲烷或天然氣。

多樣化的應用前景

傳統的原油開採技術，主要是應用化學物質或水壓力來驅動地下深層的原油運移。“這種利用物理和化學方法採油的技術，導致超過一半的原油殘留在地下油藏，難以被開採利用。”汪衛東說，基於這項研究成果，將有可能利用地下厭氧微生物的作用，把液態的原油降解變成氣態的甲烷，形成油氣共採，最終達到較高的原油開採利用率。這也可延長油藏的開發壽命，有望讓老油田“復活”。

多年來，承磊團隊與勝利油田等一線油氣生產單位保持著緊密合作。他們對此項成果非常關注。

王登山認為，這項由“0”到“1”的基礎研究認知，為人們開發“地下沼氣工程”奠定了理論基礎。

“地下的油不用抽出來，可以直接把油變成氣，讓氣體出來，進行甲烷的收集。這相當於我們把沼氣池修在了幾千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大‘地下沼氣池’。”王登山說，因此，基於該項成果的技術攻關一旦突破，對枯竭油藏進行油氣共採，增產的油氣總量將達到數億噸，這將為緩解我國能源對外依賴度、保障國家能源安全提供科學支撐。

由於省去了原油開採煉化加工等巨大的排碳過程，代之以綠色可持續的生物轉化過程，直接獲得甲烷這一清潔能源，減少了碳排放，是一項綠色環保低碳技術。“當然，這還需要國家作頂層設計，整合全國的優勢力量，依靠我們科學家和工程技術人員更多的攻關和努力才能完成。”王登山建議。

此外，這種新型產甲烷古菌有可能作為一種全新的合成生物學底盤細胞，具有廣泛的應用前景。（記者 李晨）

相關論文資訊：

https：//doi。org/10。1038/s41586-021-04235-2