人类活动对深地微生物的影响

摘 要：在深地环境中生活着数量庞大且种类众多的微生物， 主要是细菌和古菌，并包括真菌和病毒.水-岩相互作用产生的氢气和甲烷是这些微生物主要的能量来源.人类活动改变了深地环境及其微生物群落组成和功能.页岩气是存在于深地页岩中的天然气，开采页岩气所使用的水力压裂技术会对深地微生物产生显著影响，目前有关人类活动对深地微生物的科学研究均侧重于其短期影响，今后的研究应重点关注其长期影响。

一、深地生物圈和深地微生物

深地生物圈这一科学概念是美国天体物理学家Thomas Gold于1992年提出的.他认为微生物可能生活在地下数千米，直至高温成为抑制微生物生长的因素.深地微生物氧化还原反应的能量来源于水-岩相互作用产生的化学能，如氢气和甲烷，而不是光合作用. 他也推测深地微生物的数量应与地表生物的数量相当， 并且类似的深地微生物也可能广泛存在于宇宙中的其他星球上。深地微生物主要是细菌和古菌 ， 此外 ， 真菌也可在深地与细菌互养共生。除细菌、古菌和真菌外， 线虫、扁形动物、环节动物、轮虫、节肢动物和原生动物， 以及病毒也曾在深地中被发现.

（一）深地微生物氧化还原反应的能量来源

虽然早在20世纪20～30年代就有关于深地微生物的报道，但是，由于当时还不能有效控制采样过程中的地表微生物污染，人们对这些结果的可靠性持有怀疑态度，因此这些报道并未引起科学界的重视，1996年， 时任美国能源部西北太平洋国家实验室的地质学家Stevens和McKinley在美国华盛顿州玄武岩地下水中发现了能够利用氢气作为能量来源的自养微生物群落. 玄武岩地下水中含有60 mol/L的氢气， 室内实验证明， 粉碎后的玄武岩和厌氧水反应. 可产生氢气并能够支持微生物生长. 他们将观察到的这一微生物系统称为“地下岩石自养微生物生态系统”.在深地， 甲烷也可作为微生物生长的电子和能量来源. 甲烷既可经水-岩相互作用产生， 也可由深地微生物催化合成。

二、页岩气开采对深地微生物的影响

（一）页岩气的开采过程

页岩气是指主体位于黑色页岩中的天然气聚集，页岩气资源储量丰富， 约占全球天然气资源的三分之一。我国页岩气资源潜力大， 分布面积广、发育层系多，可开采资源潜力大，目前人们对页岩微生物的认识还十分有限. 黑色页岩中富含有机质， 可为微生物生长提供碳及电子来源. 微生物生活在相互连通的页岩孔隙和裂缝中. 孔隙大小和孔隙连通性是制约页岩微生物生存的最重要因素. 目前在页岩中发现的微生物包括： 降解有机质的发酵或互养共生细菌、产甲烷古菌、硫酸盐还原细菌、多聚乙酰细菌和三价铁还原微生物。水力压裂技术是商业开发页岩气最常用的技术.采用水力压裂法， 借助高压注入大量液体到页岩层中， 使页岩破碎形成人工裂缝， 增加并扩大天然气渗流通道，使天然气以最佳流速进入井筒并被采出，因此， 水力压裂技术是能大幅度提高油气产量的一种储层改造技术。

（二）回流水中微生物的功能

注入液的化学物质包括甲胺、乙二醇、甲醇、胆碱、二甲胺和蔗糖. 宏基因测序分析推测页岩中海杆菌的主要功能是降解烷类、苯、甲苯、乙苯、二甲苯和邻苯二酚， 并可通过氧化葡萄糖、果糖、蔗糖、乳酸盐和乙酸盐还原硝酸盐和氧气. 而盐单胞菌则能降解烷类、安息香酸盐和邻苯二酚， 并通过氧化纤维素、葡萄糖和乙酸盐还原硝酸盐和氧气. 盐单胞菌和盐厌氧菌可将硫代硫酸盐分别转化为亚硫酸盐和硫化物， 进而引起金属锈蚀和储层酸化， 降低页岩气开采效益。盐厌氧菌也可将甘氨酸三甲胺内盐、 乙二醇、氨基酸、蛋白胨、果糖、葡萄糖、甘露糖和麦芽糖等底物发酵成乙醇、氢气和乙酸盐. 压裂杆菌除了能利用氢气将CO2固定成乙酸盐外， 也可将甘氨酸三甲胺内盐发酵成乙酸盐. 产甲烷古菌甲烷嗜盐菌和甲烷叶菌能利用其他微生物产生的乙酸盐和注入液中的甲醇、二甲胺和甲胺合成甲烷， 达到促进页岩气产出的目的.此外，微生物也可在页岩裂隙内形成生物膜，堵塞裂隙，对页岩气的产出造成负面影响.在马塞勒斯页岩区有超过15000个页岩井， 这些页岩井的产气寿命最短也有30年.Lipus等人分析了从18个页岩井收集的42份产出液样品发现， 每毫升产出液含有1.5×105～2.1×108個微生物16S rRNA基因拷贝. 相关性分析表明产出液微生物的丰度与页岩井的年龄成正相关， 即页岩井开采时间越长， 产出液微生物的丰度越高， 而微生物丰度与产出液的含盐量和杀菌剂浓度则无相关性. 进一步分析表明产出液微生物主要属于厚壁菌门的盐厌氧菌目和梭菌目（Clostridiales）. 其中盐厌氧菌在所有产出液中均能检测到， 并且是40个样品中丰度最高的微生物. 梭菌也能够在所有产出液中检测到， 其丰度仅次于盐厌氧菌. 宏基因组测序表明盐厌氧菌拥有将丙酮酸盐转化为乳酸盐的乳酸脱氢酶基因ldh、将丙酮酸盐转化为醋酸盐的磷酸转乙酰酶基因ptaA、 将单糖发酵为乙醇的醇脱氢酶基因adh、以及将丙酮酸盐转化为氢气和CO2的丙酮酸甲酸裂解酶基因pfl， 这些基因证明盐厌氧菌具有发酵产酸的潜力. 测序结果还显示盐厌氧菌基因组拥有还原硫代硫酸盐的基因， 具有硫代硫酸盐还原和产生硫化物的能力; 拥有与生物膜形成有关的基因， 如调控孢子形成的双组分反应调控基因（two-component response regulator） spo0A及参与胞外多糖产生的基因glt2和adrA， 以及鞭毛蛋白基因fliC， flhA， motA和motB. 鞭毛蛋白基因在细胞附着和生物膜形成的初期阶段起着重要作用， 因此， 推测盐厌氧菌可以形成生物膜。与上述测序分析相一致， 蛋白质组学分析也证实马塞勒斯页岩井产出液中的盐厌氧菌在产出液条件下能够表达硫代硫酸盐还原基因. 实验室培养的盐厌氧菌分离株也能够将硫代硫酸盐还原成硫化物， 同时生成醋酸盐 。分离的盐厌氧菌菌株还可以降解瓜尔胶， 瓜尔胶是一种经常添加在压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机质， 一方面通过发酵产酸或还原硫酸盐产生硫化物的形式引起储层酸化和金属管道锈蚀， 其形成的生物膜也会堵塞页岩中的 裂 隙 ， 从 而 影 响 页 岩 气 的 产 出 ， 降 低 开 采 效益，但是， 有些产甲烷古菌，如甲烷嗜盐菌和甲烷叶菌， 均能利用注入液中的添加剂， 如甲醇、二甲胺和甲胺合成甲烷， 或者利用其他微生物（如盐厌氧菌）产生的醋酸盐合成甲烷， 促进页岩气的生产。

三、结语

21世纪也是人类全面开发利用深地资源和空间的世纪， 目前预测到21世纪末将有1/3的人工作生活在地下空间. 向深地进军， 综合开发地下生态城市新型空间资源是解决当今城市人口、资源、环境三大危机， 维持城市可持续发展和支撑国家核心战略的重要举措。因此，开展深地生物圈的研究， 特别是人类活动对深地微生物长期影响研究不仅对页岩气开采、核废料地质处置和scCO2深地封存至关重要，同样也对综合开发地下生态城市空间、油田和其他深地资源至关重要。

作者简介：张妍玉（ 1998- ），单位：河北大学，研究方向：生物技术专业。