油藏环境CO2生物固定与转化的菌群结构及生物化学过程

Biological fixation and conversion of CO2 stored in petroleum reservoirs has become a forefront research theme in the field of biogeochemistry. Based on geological sequestration of CO2 in depleted oil and gas reservoirs, this project aims at studying the influence of CO2 on microbial ecology and the fate of CO2 in petroleum reservoirs. Bioreactor mimicking reservoir conditions combined with isotope cultivation experiments will be applied in the research. The proposal will investigate microbial community and its function, the fate of CO2 as well as the impact of CO2 on hydrocarbon-dependent methanogenesis in depleted reservoirs. Mechanisms involved in the conversion of CO2 and oil hydrocarbons will be built up from information acquired through metabolite profiling, microbial community composition and functionality. This project will unveil the inherent law of the behavior and biochemical process of CO2 during carbon sequestration in depleted petroleum reservoirs, and also provide inspiration and guidance for CO2 emission reduction, bioconversion and safety monitoring of long-term carbon storage.

油藏环境埋存CO2的生物固定与转化是当前国际上生物地球化学研究领域的前沿课题。本项目以枯竭油气藏等相关地质环境中CO2的封存为背景，针对油藏中注入CO2对油藏微生物生态的影响以及CO2生物固定与转化的关键问题，利用油藏生物模拟反应器并结合同位素培养实验，重点研究枯竭油藏中微生物的群落结构与功能、油藏注入CO2生物固定的转化规律，并考察CO2对油藏中石油烃厌氧降解产甲烷过程的影响。在分子和基因水平获得菌群组成和功能的演变信息，在物质水平追踪油藏内部CO2的转化和去向，解析CO2参与或影响石油烃厌氧生物降解产甲烷过程的代谢机制，揭示地下枯竭油藏碳封存中CO2的行为以及经历的生化反应过程，为CO2的封存减排、生物转化利用以及长期封存的安全性监测奠定理论基础并提供启示和指导。

油藏环境埋存CO2的生物固定与转化是当前国际上生物地球化学研究领域的前沿课题。将CO2封存于枯竭油藏等地质构造是碳减排的重要策略之一，同时利用微生物将CO2就地实现资源转化，具有重要的现实意义和实用价值。然而，油藏是极其复杂的极端环境，对于注入CO2所经历的生物化学过程、及其对油藏微生物生态产生的影响目前认识不足，是影响理论研究和技术开发的关键。本项目针对高含水的注水油藏和长期注入CO2的油藏，获得了油藏微生物组成与功能的基础信息，并对目前已报导的油藏微生物数据进行了统计学分析。研究发现：油藏微生物的组成分布与油藏环境因子直接相关；油藏环境中普遍存在着多种类型的CO2转化功能菌，具有实现CO2资源化的生物学基础。在上述油藏产出液的基础上，利用模拟油藏生物反应器并结合同位素培养实验，构建了多个加载CO2的厌氧油藏生物模拟体系，获得了动力学数据。结果表明：在模拟注入CO2的油藏条件下，CO2可以在关键微生物作用下转化为甲烷或者短链脂肪酸，但CO2的生物转化速率较低，电子/氢来源是影响转化的主要限制性因素；添加不同类型电子供体物质可以有效地提高CO2的生物转化速率，使得菌群向着更利于CO2转化的方向演替，探索建立适当的调控措施。设计并尝试建立了CO2生物转化装置。分析了注入CO2对石油烃厌氧降解产甲烷菌系组成、功能和代谢途径的影响，并针对CO2参与的烷烃羧化/羟基化途径，建立了生物标志物的合成和检测方法，获得了质谱特征，并在油藏产出液中检测到了特征代谢产物，证明了油藏中可能存在着此类途径。以上结果不仅深化了对油藏环境CO2的生物转化菌群及生物化学过程的认识，同时，也为枯竭油藏碳封存及资源化利用提供了依据和指导。本项目执行期间，在国内外重要学术刊物上发表论文7篇（SCI收录6篇），5人次参加本领域学术会议报告交流，申请发明专利1项，在该方向上培养研究生3名。