荧光显微镜照片（CARD-FISH)，绿色代表新古菌Ca. Methanoliparum。承磊供图

传统的原油开采技术，难以驱动地下油藏全部原油的运移，仍然有过半原油开采不出来。app家相信，能在油藏环境中存活的厌氧微生物有可能成为人类的帮手。利用沼气发酵原理，将液态原油降解成气态甲烷，形成油气共采，是app家致力于探索的一条道路。

北京时间12月23日，《自然》（Nature）在线发表农业农村部沼气app研究所（以下简称沼科所）能源微生物创新团队的最新研究成果。该团队与深圳大学、德国马克斯普朗克海洋微生物研究所、中石化微生物采油重点实验室等单位合作，发现一种来自油藏的新型的产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。

这一研究完善了碳素循环的生物地球明升手机过程，并为枯竭油藏残余原油的生物气化开采——“地下沼气工程”奠定了app基础。

不能“吃”的石油烃

原油的主要成分是由几十个碳链形成的比较复杂的碳氢化合物。

早在上世纪末，德国app家首次在《自然》报道了石油烃可以被厌氧微生物降解转化为甲烷。但是，这种生物降解过程与传统的沼气发酵类似，需要多种不同类型的细菌和古菌，通过互营代谢来完成。

2008年，加拿大app家在《自然》报道油藏中也存在这样的混合菌群降解原油产甲烷过程。

论文共同通讯作者、深圳大学教授李猛告诉《明升中国app报》，互营代谢是指有机质分解降解产生甲烷的时候，需要细菌和产甲烷古菌——两种不同类型的微生物——通过彼此依赖、互不可分的方式共同生存。“这是一种紧密的合作，如果分开，它们就没有办法推动食物链的转化。”

“在缺氧环境下，有机质被降解产生甲烷的过程俗称沼气发酵。”论文作者、沼科所研究员白丽萍说，过去的观点认为，产甲烷古菌仅能通过乙酸发酵、CO2还原、甲基裂解和氧甲基转化等四条途径产生甲烷。其所能利用的底物非常简单，主要是一碳或者二碳化合物。

“以前的教科书告诉我们，对于由几十个碳组成的烷烃和烷基烃这种复杂有机物，产甲烷古菌是不可能直接‘吃’掉它们的。之前，也没有微生物直接降解石油烃生成甲烷或者二氧化碳的研究报道。”论文通讯作者、沼科所研究员承磊说。

沼科所所长王登山告诉《明升中国app报》，40年来，沼科所一直在从事厌氧微生物的基础研究，并保存有全国最大的厌氧微生物模式物种近600种（全球有2000多种），是我国沼气工程标准的主要制定者，开发设计建造了一系列有代表性的户用和大中型沼气工程。这为找到可直接降解石油烃的微生物奠定了科研基础。

论文第一作者、沼科所周卓介绍，厌氧微生物是地球上数量最多、物种最丰富的生物资源。但由于技术原因，目前分离鉴定的厌氧微生物物种不足0.1%，大部分还属于“微生物暗物质”。app家知道它们存在，但是不知道它们是一种什么样的存在。

产甲烷古菌就是一种独特的厌氧微生物，对氧气敏感，通常在空气中暴露几分钟就会死亡。它之所以被称为“古菌”，是因为这种独特的明升m88早在35亿年前就存在于地球之上。它拥有很多头衔：地球上最早的明升m88形式之一、全球大气甲烷排放主要贡献者、沼气发酵过程中的的关键功能微生物。

意外发现让神秘古菌现身

“找到这种新的产甲烷古菌是一个意外的发现。”承磊说，他的团队从2005年开始厌氧烃降解产甲烷研究，但工作开展起来非常难。

“石油烃厌氧降解产甲烷的生长周期一般需要一两年时间，文献报道的最长培养时间超过800天。”虽然承磊笑说，可以把培养物放在实验室慢慢“长”，科研人员出去“玩两年”回来后再观察研究都来得及，但实际上，这种“超长待机时间”是非常枯燥的，也极其考验科研人员的耐心和耐力。

2019年，他们突然发现一份来自于油藏的培养物“待机时间”超短——生长周期大概两到三个月。“比以往的培养周期都要快很多，这个现象让我们非常关注。”承磊说，通过数十年的前期工作，他们获得了一个利用长链石油烃产甲烷的培养物，它可以直接降解碳13到碳34的长链烷烃，以及侧链烷烃大于13的环己烷和环己苯。

“于是我们就想知道这里面可能是什么微生物，通过什么机制如此快速的转化利用石油烃。也就是在这个时候，国外app家提出了自然界中可能存在直接降解烷烃产生甲烷的新古菌，但是没有证据支撑。我们再重新分析这个培养物的时候，的确发现了它的踪迹，而且丰度非常高。”承磊回忆说，但这个培养物中还有很多种微生物，需要提供多个不同维度的证据。

周卓介绍，他们首先通过稳定碳同位素标记试验，证实加入的正构烷烃几乎完全转化为甲烷和二氧化碳。

再通过宏组学分析，他们发现了一种新型的古菌Ca. Methanoliparum。这一古菌具有完整的烃降解与甲烷产生的代谢途径，并且这些途径在培养烃降解产甲烷过程中都是高丰度表达的。

进而，他们采用高分辨率质谱技术，检出了烷烃降解产甲烷过程中的关键中间代谢产物，从而进一步证实了这种新型古菌的碳代谢途径。

结果发现，Ca. Methanoliparum可以直接氧化长链烷基烃，它通过β—氧化、伍德—永达尔（Wood-Ljungdahl）途径进入产甲烷代谢，不需要通过互营代谢来完成。也就是说，这一古菌仅凭“一己之力”就完成了共营代谢中需要多种细菌和古菌联手才能完成的分解“工作”。他们因而提出了第五条甲烷产生途径。

五条产甲烷途径示意图承磊供图。承磊供图

“第五种甲烷产生途径的提出，完善了我们探索全球碳素生物地球明升手机循环的认知。”承磊说。

论文作者、中石化微生物采油重点实验室教授汪卫东告诉《明升中国app报》，这也说明在油藏条件下，还有丰富的未知微生物存在，它们有着不同的功能。其中一些微生物以不同的方式在降解原油，将其转化成甲烷或天然气。

多样化的应用前景

传统的原油开采技术，主要是应用明升手机物质或水压力来驱动地下深层的原油运移。“这种利用物理和明升手机方法采油的技术，仍然有超过一半的原油残留在地下油藏，难以被开采利用。”汪卫东说，基于这项研究成果，将有可能利用地下厌氧微生物的作用，把液态的原油降解变成气态的甲烷，形成油气共采，最终达到比较高效率的原油开采利用率。这也可延长油藏的开发寿命，有望让老油田“复活”。

多年来，承磊团队与胜利油田等一线油气生产单位保持着紧密合作。他们对此项成果非常关注。

从胜利油田分离的一种产甲烷古菌扫描电镜照片。承磊供图

王登山认为，这项由“0”到“1”的基础研究认知，为人们开发“地下沼气工程”奠定了理论基础。“地下的油不用抽出来，可以直接把油变成气，让气体出来，进行甲烷的收集。这相当于我们把沼气池修在了几千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大‘地下沼气池’。”因此，基于该项成果的技术攻关一旦突破，对枯竭油藏进行油气共采，增产的油气总量将达到数亿吨，这将为缓解我国能源对外依赖度，保障国家能源安全提供app支撑。

由于省去了原油开采炼化加工等巨大的排碳过程，代替以绿色可持续的生物转化过程，直接获得甲烷这一清洁能源，减少了碳排放，这是一项绿色环保低碳技术。“当然，这还需要国家作顶层设计，整合全国的优势力量，依靠我们app家和工程技术人员更多的攻关和努力才能完成。”王登山建议。

此外，这种新型产甲烷古菌，将有可能作为一种全新的合成生物学的底盘细胞，具有更广泛的应用前景。

相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-021-04235-2