不同种类微生物对碳酸盐岩溶蚀普遍性

2021-02-24齐义彬朱东亚何治亮

科学技术与工程 2021年3期

齐义彬，丁茜，朱东亚，何治亮

(1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油化工股份有限公司，北京 100728)

碳酸盐岩在地壳中分布十分广泛，约占沉积岩总面积的20%。据统计，世界上超过60%的油气产量都是来自碳酸盐岩储层[1]。中国的海相碳酸盐岩地层分布面积达300×105km2，具有良好的油气勘探潜力[2]。而现阶段油气勘探实践已经表明，优质碳酸盐岩储层的形成是发育在有利沉积相带的基础上，受表生溶蚀、埋藏溶蚀和构造运动等多种因素共同作用的结果[3]。

随着研究的深入和发展，表生溶蚀中的生物岩溶在岩溶发育过程中的作用逐渐得到了重视。生物岩溶指的是生物参与的喀斯特作用，加速溶蚀或沉积过程与现象的总称[4]。这一现象在岩溶区普遍发生，因生物活动生成大量二氧化碳，源源不断地进入溶蚀作用系统，打破化学平衡，使溶蚀继续，此外，生物活动还可以生成有机酸，增加溶蚀。国内外研究者对生物岩溶的研究多集中在高等植物、地衣、藻类等方面，聂磊等[5]研究了表面蓝藻对石灰岩的岩溶侵蚀能力，王奇岗等[6]研究水生植物对碳酸盐的岩溶作用。诸多研究揭示出地衣、藻类或高等植物覆盖处的岩溶作用强烈，土壤持水性、土壤肥力、酶活性均好于裸露岩石。

而有关微生物的岩溶作用研究主要集中在沉积作用方面，宁卓等[7]研究了自养微生物代谢及诱导产生碳酸盐岩沉淀作用，钟福平等[8]研究了微生物和生物膜的钙化引起碳酸盐岩的沉淀作用。总体上，目前关于微生物对矿物的溶蚀研究虽然较多，但对碳酸盐岩的溶蚀作用的研究较少，仅有少部分细菌对碳酸盐溶蚀作用的研究[9]。而对于真菌和放线菌的溶蚀动态研究尚未见报道，而比较不同类群微生物(细菌、真菌和放线菌)的溶蚀作用效果将有助于评价不同种类微生物在生物岩溶中的作用和地位，为探索它们的溶蚀作用机理提供依据。

因此，研究注重从自然环境中筛选到3种不同类型的最具代表性的微生物(细菌、放线菌和真菌)，通过对其培养研究不同类型微生物对碳酸盐岩溶蚀作用的普遍性，比较不同种类微生物溶蚀作用效果，并探讨微生物在多孔介质中的溶蚀作用，初步研究微生物溶蚀在表生岩溶中的作用。

1 实验材料和方法

1.1 菌株

从自然环境的岩石表面中筛选到实验用的细菌、放线菌和真菌，分别编号为Q1、Q2和Q3，经鉴定，细菌Q1属于芽孢杆菌属，放线菌Q2属于链霉菌属，真菌Q3属于曲霉菌属。从生长代谢特点可以得知，这三种微生物均能够在较为恶劣的岩溶环境中生长代谢[10-11]。

1.2 培养基

无机盐+蔗糖培养基(g/L)：蔗糖 2，Na2HPO41，KH2PO41，NaNO33，NH4Cl 1，MgSO4·7H2O 0.5，FeSO4·7H2O 0.1，CaCl20.1。pH 7.2。

高氏1号培养基(g/L)：可溶性淀粉 20，KNO31，K2HPO40.5，MgSO4·7H2O 0.5，CaCl20.1，FeSO4·7H2O 0.01。pH 7.6。

以上培养基均溶于1 000 mL水中，121 ℃灭菌20 min。

马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基(g/L)：称取200 g马铃薯，洗净去皮切碎，加1 000 mL水煮沸 30 min，再加20 g葡萄糖，纱布过滤，115 ℃灭菌15 min。

1.3 菌株培养

芽孢杆菌属Q1、链霉菌属Q2和曲霉菌属Q3的发酵时间均为48 h，培养温度为30 ℃，3种菌均以120 r/min振荡培养，接种量为5%[12]。

将芽孢杆菌属Q1、链霉菌属Q2和曲霉菌属Q3在斜面上划线培养(30 ℃)24 h后，用无菌水将菌体洗下，调整菌体浓度值1×106CFU/mL的发酵液作为种子液备用。

1.4 碳酸盐岩样品

实验所用方解岩和白云岩采自四川盆地野外剖面的纯净样品，做成长0.5 cm、宽0.5 cm、高 0.5 cm 的正方形样品，经双蒸水洗涤后烘干，灭菌备用。

1.5 微生物产酸能力分析方法

测定芽孢杆菌Q1、链霉菌Q2和曲霉菌Q3的产酸能力，分别配制无机盐+蔗糖、高氏1号和PDA培养基，调整pH 7。将120 mL培养基置于250 mL三角瓶中，然后按照5%的比例分别接种Q1、Q2和Q3种子液，以120 r/min振荡培养5 d，分别在不同时间检测培养体系中pH变化。相同条件下不接种培养基为对照组[13]。

1.6 微生物对碳酸盐岩溶蚀速率的分析方法

测定芽孢杆菌Q1、链霉菌Q2和曲霉菌Q3对方解岩和白云岩的溶蚀速率，分别配制无机盐+蔗糖、高氏1号和PDA培养基，调整pH 7，将120 mL培养基置于250 mL三角瓶中，每瓶培养基中额外加入4块方解岩或白云岩样品，然后按照5%的比例分别接种Q1、Q2和Q3种子液，以120 r/min振荡培养5 d，分别在不同时间收集样品测定Ca2+浓度，计算白云石/方解石溶蚀速率，相同条件下不接种培养基为对照组[14-15]。

1.7 多孔介质条件下微生物对碳酸盐岩溶蚀分析方法

利用微生物物理驱油模型研究不同微生物在多孔介质条件下对白云岩的溶蚀情况，将白云石粉末(100目)装入填砂管中制作填砂管模型，岩心驱替模拟实验装置和岩心参数如图1和表1所示。首先在岩心中注入菌株对应的培养基，直到岩心中充满营养，随后分别向岩心中注入30%空隙体积(pore volume, PV)的微生物种子液，然后在30 ℃下培养28 d。最后测定岩心中Ca2+浓度和岩心渗透率的变化，对照组在相同的条件下用无机盐培养基代替微生物悬浮液[16-17]。

表1 岩心参数表

图1 岩心驱替模拟实验装置示意图Fig.1 Core displacement experiment device

1.8 分析方法

分别用pH 4.0和pH 7.0的标准样品校正雷磁

PHSJ-5型pH计，然后测定各培养体系的pH，每个样品测3次，取平均值。采用离子色谱技术和电感耦合等离子体发射光谱技术分析各培养体系中Ca2+浓度[18-19]。

2 结果与讨论

2.1 不同种类微生物产酸的动态变化

各试验组和对照组pH的变化如图2所示，可以看出，各实验体系中pH的变化呈现逐渐降低的趋势，对照组的pH呈现轻微降低的趋势是因为在振荡的过程中溶解了空气中的二氧化碳，而实验组pH降低的特别明显说明实验中所使用的各种类型的微生物在生长代谢的过程产生了酸性物质，但是不同种类的微生物对体系pH的影响程度明显不同[20]。培养后芽孢杆菌Q1的菌浓达到了8.96×108CFU/mL，培养体系的pH降低了1.64；链霉菌Q2的菌浓达到了6.89×109CFU/mL，培养体系的pH降低了2.23；曲霉菌Q3的菌浓达到了9.83×109CFU/mL，培养体系的pH降低了2.69。由此可见，真菌在生长代谢过程中生长速率最快，产生的酸性物质也最多，其次是放线菌，细菌最后。以上结果说明，自然与岩溶环境中的微生物在其生长代谢过程中能够产生酸性物质。这些酸性物质一部分是微生物代谢产生的碳酸酐酶(CA)将代谢产生的二氧化碳转化成碳酸[21]，另一部分是微生物在代谢循环过程中会形成有机酸(丙酮酸、延胡索酸等)[22]。

图2 微生物培养过程中pH变化Fig.2 Change of pH in microbial system culture

2.2 不同种类微生物对碳酸盐岩溶蚀的动态变化

各实验组和对照组Ca2+浓度的动态变化如图3所示，可以看出，培养120 h后，芽孢杆菌Q1-方解岩和芽孢杆菌Q1-白云岩培养体系中Ca2+浓度分别达到了171 mg/L和133 mg/L；链霉菌Q2-方解岩和链霉菌Q2-白云岩培养体系中Ca2+浓度分别达到了198 mg/L和166 mg/L；曲霉菌Q3-方解岩和曲霉菌Q3-白云岩培养体系中Ca2+浓度分别达到了 327 mg/mL 和258 mg/L；这说明实验所用的典型细菌、真菌和放线菌均对方解岩和白云岩有明显溶蚀作用，其中真菌的溶蚀效果最显著，明显高于链霉菌和细菌培养体系。而这些结果又与3种微生物产酸动态情况相符[23]。

图3 微生物-碳酸盐岩培养体系中Ca2+浓度变化Fig.3 Changes of Ca2+ concentration in microbial-carbonatite culture system

对于不同类型碳酸盐岩，微生物对其溶蚀速率也有所不同，微生物对方解石的溶蚀比对白云岩溶蚀释放出更多的Ca2+，以上结果说明在相同的微生物培养条件下，方解岩的溶蚀速率明显要快于白云岩[24]。

2.3 微生物岩心驱替溶蚀实验结果

多孔介质条件下微生物对碳酸盐岩溶蚀情况结果如表2所示，可以看出，在选用的白云岩岩心的孔隙度和渗透率都接近的条件下，微生物在多孔介质中培养后，渗透率均明显增加了，而且溶液中Ca2+浓度明显升高。具体来看，芽孢杆菌Q1的岩心渗透率增加了51.7×10-3μm2，链霉菌Q2的岩心渗透率增加了66.2×10-3μm2，曲霉菌的岩心渗透率增加了89.1×10-3μm2。同时各实验组中Ca2+浓度也明显升高，分别达到了132.4、154.5、207.4 mg/L。以上结果说明，这3种微生物均能够在多孔介质中代谢酸性物质溶蚀白云岩，真菌Q3溶蚀速率最快，放线菌Q2次之，细菌Q1溶蚀速率较慢；同时，微生物除了在岩石表面产生溶蚀作用，在合适的多孔介质岩心中也能够对碳酸盐岩等产生溶蚀作用。这表明，微生物岩溶很有可能发生在较大表层岩石范围内，微生物岩溶在表生岩溶中起重要作用[25]。