微生物与能源开发

微生物与能源开发
——微生物与石油开采
石油常存在于地下的地质沉积岩层中，是一种复杂的烃类混合物。

这些烃类可能以气态、液态或沥青质固态存在。

气态烃常伴随液态烃存在。

气态烃一般是从甲烷到丁烷的小分子饱和烃混合物。

液态烃俗称原油，含有上千种化合物。

原油和天然气存在于地下沉积岩层中，形成贮油岩层。

人们通过多种方法发现油田，开采油田，为人类提供重要的能源。

在发现开采油田的过程中，微生物越来越起着重要的作用。

（一）微生物在石油开采中的作用
1、微生物参与石油的形成
石油等许多燃料是在多种微生物长期直接作用下形成的。

没有众多微生物的改造、分解作用，古代的生物遗体不可能变成今天巨量的化石能源。

2、微生物用于勘探石油
常规石油勘探是采取地球物理法和地球化学法等方法进行。

由于地球地层结构的复杂性常常对石油勘探的结果产生质疑。

为了提高勘探的准确性，在传统方法的基础上，引入了微生物勘探石油的新技术，日益受到人们的重视，并取得良好的效果。

人们发现油区底土中的重烃含量与季节变化有很大的联系，而季节变化的起因与微生物活动密切相关。

在底土中存在着能利用气态烃为碳源的微生物，这些微生物在土壤中的含量和在底土中的烃浓度存在某种对应的关系，因此可用这些微生物作为勘探地下油气田的指标菌。

随着微生物培养技术和测定方法的不断改进，微生物勘探石油技术得到迅速发展，准确率不断提高，在实践中得到很好应用。

目前它已成为石油勘探中一项重要的技术。

用于石油勘探指标微生物主要是以气态烃为唯一碳源和能源的微生物，如甲基单胞菌属、甲基细菌属和分枝杆菌属的菌种。

3、微生物用于二次采油
靠地层压力将原油运到地面，称为一次采油。

由于地层压力下降，一次采油所得的油量一般只占油田总储量的左右，因而要进行二次采油才能获得更多
的石油。

通常采用强化注水法，可提高采油量，从30%提高到40%—50%。

在二次采油中，利用微生物采油也是一项重要的技术。

微生物在油层中生长繁殖，发酵代谢，产生大量酸性物质和H2，CO2，CH4等气体。

产生的气体可增加地层压力，产生的酸性物质溶于原油，降低原油的黏度，可能产生的表面活性剂可降低油水表面张力，把高分子烃类分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油管道，由此而提高石油的开采量。

梭状芽孢杆菌属和磺弧菌属中的许多种可用于二次采油，效果明显。

4、微生物用于三次采油
经过二次采油后，油气田中仍有30% 40—%的油田需要进一步开采，即第三次采油。

在三次采油中，主要选育产气量大的菌种或利用分子生物学技术构建基因工程菌，连同营养培养液一起注入油层中，通过代谢，产酸产气，分泌表面活性剂，增加地层压力，降低表面张力，消除地层堵塞，从而提高采油量，延长油井的寿命。

乳酸杆菌属、肠膜明串珠菌和黄胞杆菌属常用于三次采油中，提高石油开采率。

（二）微生物采油的优点
和其他采油方法相比，微生物采油具有以下优点：
1、施工成本低
微生物采油所需设备少，可方便地利用其他采油方法中的常规设备。

2、施工简单
微生物采油的施工工序简单，操作方便，工程易于上马。

3、适于低产油
微生物采油对低产、枯竭油田特别有吸引力，能提高采收率。

4、不污染环境
微生物采油技术不污染环境，不损害油地层，可在同一油藏区或同一油井中反复使用。

（三）采油微生物的生物学特性
用于油田开采的微生物一般具有以下鲜明的生物学特征：
1、厌氧或兼性厌氧。

在地层无氧条件下能生长繁殖并进行厌氧发酵，在地上有氧条件下也能生长繁殖。

2、在油层高温、高压、高盐等极端环境下能生长繁殖并代谢。

3、多数采油微生物能以烃类作碳源，能以贮油层内的无机盐作氮源或作营养元素。

4、采油微生物必须与其注入油层的环境条件相配伍相适应，要在油层内能运移，能生长繁殖，能产生有机酸、气体、表面活性物质、生物聚合物、有机溶剂等多种代谢产物。

能在50°以上的温度及缺氧条件下生长的中度嗜盐细菌，是微生物采油中最常用的菌种。

（四）微生物采油技术
微生物采油技术是指将筛选的微生物或微生物代谢产物注入油藏，经微生物的代谢活动和产生的代谢产物，作用于原油，改变原油的某些物理化学特性，从而提高原油采收率的技术。

根据实施过程与方法的不同，微生物采油技术可分为地上微生物采油技术和地下微生物采油技术。

1、地上微生物采油技术
地上微生物采油技术是指在地上通过微生物发酵、生产微生物的某种代谢产物，如生物多糖聚合物或生物表面活性剂，然后将发酵产品注入油藏而提高原油采收率。

该技术的实质是利用选育的优良菌种在地上发酵生产采油制剂的技术。

目前，地上微生物采油技术主要是在地上发酵生产采油中广泛应用微生物多糖和微生物表面活性剂。

（1）微生物多糖
据研究，有百种以上的微生物能产生结构、性能各异的胞外多糖。

能产胞外多糖的主要微生物类群是：
明串珠菌属、黄单胞菌属、固氮菌属和小核菌属等。

采油工业中应用最广泛的微生物多糖是：
肠膜明串珠菌或葡聚糖明串珠菌产生的右旋糖酐葡聚糖、普鲁兰出芽短梗霉产生的普鲁兰糖、齐整小核菌或葡聚糖小核菌产生的小核菌葡聚糖。

采油中最具开发应用潜力的是野油菜黄单胞菌产生的胞外多糖黄原胶。

（2）微生物表面活性剂与乳化剂
以烃为碳源的微生物是生物表面活性剂的重要来源。

因为石油微生物必须分泌表面活性剂，才能促使烃与水乳化。

烃只有均匀地分散在水中，才能被石油微生物吸收利用。

所以石油微生物是表面活性剂最丰富的基因库。

假单胞菌属、节杆菌属、不动杆菌属和棒杆菌属等是产生生物表面活性剂的主要微生物类群。

微生物产生的生物表面活性剂就其化学组成来分，主要可分为糖脂类和脂肽类。

分子的极性端或是多羟基的糖类或是氨基酸类，非极性端是长链脂肪酸的长链烃部分。

微生物表面活性剂的粗制品或纯品注入贮油岩层，作用于油一岩石一水三相体系，降低油水界面张力，增强油水乳化，提高原油采收率。

2、地下微生物采油技术
地下微生物采油（MEOR）技术是指将在地上模拟油藏条件筛选的微生物菌种与营养物注入油藏，微生物在油藏中运移，生长繁殖，产生多种代谢产物，作用于原油而提高原油采收率；或用生长繁殖的菌体细胞及代谢产物封堵贮油岩层大的孔道，调整水驱油剖面；或只将营养物注入油藏，激活油藏内的原生微生物，靠其生命活动提高原油采收率。

根据单井增产措施的处理方法和提高原油采油率的要求，地下微生物采油可分为6类：
（1）单井周期注人微生物采油
为提高低产油井的原油日产量，在油井高压注入采油微生物，关井，使微生物运移到油井周围直径10m左右的贮油岩层，经微生物的生命活动，疏通被堵塞的油层空隙通道，增加原油的流动性，提高原油采收率。

为了保持高产，需要不间断地、周期性地注入采油微生物。

（2）微生物驱油
采油微生物从注水井注入油层，微生物随注水向油井贮油层深部移动，同时进行生长繁殖，并产生多种代谢产物。

细胞和代谢产物综合作用于原油，降低黏度，增加原油流动性，提高原油采收率。

（3）激活油藏微生物群落驱油
油藏中存在着天然的微生物群落，但由于营养物质贫乏，数量很少。

从注水井将营养物注入油层，激活天然微生物群落，让其生长繁殖，产生多种代谢产物驱油。

（4）微生物选择性封堵
将体形较大且产生表面黏稠物质的微生物菌种从注水井注入，运移到大孔道或有溶洞的贮油岩层部位，用生长繁殖的大菌体细胞和表面黏稠物质形成的生物膜封堵大孔道或溶洞，防止注入水“指状”流动，提高原油采收率。

（5）微生物压裂液压裂
将厌氧条件下大量产生有机酸的微生物及营养物注入空隙度甚小、渗透率很低的贮油层，在高压下用有机酸溶解岩层使之形成缝隙，有利于原油流动，提高原油采收率。

（6）微生物油井清蜡
原油中含蜡量较高，会析出蜡晶固着在井壁，堵塞贮油层通往井壁的空隙通道，降低原油流动性，减少单井原油日产量。

注入产生表面活性剂或溶剂的采油微生物，用其代谢产物表面活性剂、乳化剂清洗井壁，溶解固形石蜡，提高原油采收率。

微生物与氢气制造
H2是最理想的新能源之一。

其原因是H2在燃烧时，除了能量释放是汽油的3倍以外，其他燃烧物均为水，不会造成环境污染，堪称绿色燃料。

氢气已成为导弹和航天飞机的主要燃料。

过去H2可通过水的电解法、光电化学反应法、水煤气转化法和甲烷裂解法等方法制造，但无法获得廉价的H2，因此需要寻找价廉物美的制造H2的新方法。

而利用微生物制造H2的方法正好满足这方面的要求，这充分显示出它的优越性。

（一）由光合微生物生成氢气
光合微生物在光照条件下，其代谢中的固氮酶在缺少N2或产物NH4时，能还原质子放出H2。

能产氢的光合微生物主要有红螺菌属、红硫细菌属和绿硫细菌属等。

（二）由非光合微生物生成氢气
某些非光合微生物能够利用多种代谢产生的有机酸，在无氧条件下发酵转化为H2。

能产氢的非光合微生物可分为专性厌氧微生物和兼性厌氧微生物。

在专性厌氧微生物中，主要有含细胞色素的梭状芽孢杆菌属、微球菌属、产甲烷菌等，不含细胞色素的脱硫弧菌、大肠埃希氏菌和芽孢杆菌属等。

微生物与沼气发酵—沼气发酵的原料
沼气是产生在沼泽里的气体，其主要成分为CH4和CO2。

沼气是厌氧微生物利用含碳有机物发酵产生的以CH4和CO2为主的混合气体。

它是一种高热值燃气能源，既可作为生活用燃气又可作为工业用燃气，同时又是重要的化工原料。

（一）沼气发酵的原料
各种有机物可用作沼气发酵的原料。

其主要有：
1、农作物秸秆
各种农作物秸秆，如玉米秆、稻草等以及树叶杂草。

2、xx垃圾
城市垃圾中除无机物外，主要是有机物，如淀粉、纤维素和蛋白质等。

3、人畜粪便
人畜粪便中含有许多未被分解的大分子有机化合物。

4、有机废水
造纸、酿造、饮食、发酵、皮革和屠宰等行业的有机废水，其中含有大量的有机物。

5、污泥
污泥中富含各种有机物，如木质素、纤维素、腐殖质等。

1、沼气发酵中的微生物
沼气发酵中的微生物都是厌氧和兼性厌氧微生物，主要包括分解有机物的微生物和产甲烷的微生物两大类。

分解有机物的微生物包括芽孢杆菌属、假单胞菌属和变形杆菌属等微生物。

产甲烷的微生物专性厌氧，不生孢子，范围比较广泛。

迄今为止，已经分离鉴定的产甲烷微生物超过70种。

在分类学上，它们属于古生菌。

主要分布在甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷球菌属、甲烷螺菌属和甲烷丝菌属等19属中。

2、沼气发酵的原理
沼气发酵是由混合的厌氧微生物利用有机碳化物发酵产生沼气的发酵。

整个发酵过程可分为3期：
1、液化期
沼气发酵原料中的有机物质，被一些不产甲烷的微生物分解。

纤维素、半纤维素、淀粉等分解为双糖或单糖，蛋白质分解为多肽或氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸。

2、产酸期
产酸微生物分解糖类及淀粉类化合物，生成小分子挥发性的有机酸，如乙酸等。

3、产气期
在严格厌氧条件下，产甲烷微生物利用小分子挥发性的有机酸转化分解为CH4和CO2等气体。

微生物与乙醇发酵
石油是当今世界最主要的能源，但是它是一种不可再生的化石燃料。

随着不可再生能源不断地被消耗，寻找新能源和替代物已迫在眉睫。

从目前人类正在开发的许多产能技术和效益来看，乙醇很可能是未来的石油替代物。

乙醇用作燃料，具有许多优点，主要是：
①产能效率高。

②污染程度轻，在燃烧期间
不产生有毒的CO。

③可通过微生物发酵大量生产，成本相对较低。

④用作发酵的原料较多，而且可以废物利用，如农作物秸秆、玉米芯、稻草、纤维素、蔗渣、树叶和杂草等。

利用蔗糖、淀粉类原料进行乙醇发酵的微生物主要是酵母菌。

酵母菌含有丰富的胞外酶蔗糖水解酶和胞内酶酒化酶。

蔗糖水解酶将双糖水解为单糖，酒化酶是参与乙醇发酵的多种酶的总称。

葡萄糖进入细胞内，在酒化酶的作用下，进行厌氧发酵生成乙醇和CO2。

如用淀粉类作原料，须先经黑曲霉或米曲霉糖化后，再接种酵母菌进行乙醇发酵。

如利用纤维素作为原料进行乙醇发酵，目前较好的方法是进行混合接种发酵，首先利用能分解纤维素的微生物将纤维素分解为另一些能进行乙醇发酵的微生物利用的原料，然后能进行乙醇发酵的微生物利用已被分解的糖类进行发酵，生成乙醇。

热纤梭菌能分解纤维
素，但乙醇产量低，而热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但发酵生成乙醇产量高，将两者混合接种发酵，可提高产率。