油藏环境石油烃厌氧生物降解产甲烷的生物化学过程研究

Anaerobic biodegradation of petroleum hydrocarbons in oil reservoirs is one of the most fundamentals in biogeochemistry, and it has attracted much attention from both scientific and industrial communities due to its great potential application in cost effectively exploitation of oil and gas resources in depleted oil reservoirs: to convert residual crude oil trapped in subsurface petroleum reservoirs into methane, the natural gas of a clean energy . With focusing on the methanogenic biodegradation of petroleum hydrocarbons to methane in oil reservoirs and its biogeochemical processes, the biomarker molecules, initial activation step of anaerobic biodegradation pathways, communities and functions of microorganisms involved in the methanogenic biodegradation of petroleum hydrocarbons will be investigated by using the pyrosequencing, single-cell sequencing, functional gene primers, and mass fingerprints for intermediates of biodegradation of petroleum hydrocarbons. Meanwhile, the chemical kinetics of methanogenic biodegradation of petroleum hydrocarbons to methane and its pattern will be characterized by using the oil reservoir bioreactor simulation system equipped in our laboratory. The significance of the study is to understand the biogeochemical role of the methanogenic biodegradation of petroleum hydrocarbons and the pattern of microbial communities involved in the methanogenic biodegradation of petroleum hydrocarbons in oil reservoirs, which is fundamental in cost effectively exploitation of oil and gas resources in depleted oil reservoirs.

油藏环境中石油烃厌氧生物降解过程是生物地球化学关注的基础问题之一；同时，利用微生物作用将油层中原本难以动用的残余油就地转化为甲烷，以天然气的形式开采，在大幅度提高油气资源利用率方面有着潜在的巨大应用价值，已经受到国际同行高度关注。本项目针对油藏环境石油烃厌氧生物降解产甲烷的生物化学过程，应用高通量测序与单细胞测序、assA和bssA等功能基因、烃厌氧降解中间产物质谱指纹图谱等方法，重点研究石油烃厌生物氧降解产甲烷菌群结构与功能、厌氧降解生物标志物与起始活化步及降解途径；同时，应用油藏生物反应器模拟实验系统，研究烃厌氧生物降解反应动力学特征与功能菌群调控机制，获得烃厌氧降解产甲烷菌群结构演替关系与生物化学过程的基础信息。揭示原油就地厌氧生物降解转化的深层规律，探索和建立残余油就地生物降解功能菌群的调控模式。为残余油就地生物降解转化技术奠定理论基础，为低品位油气资源的有效开发利用提供指导。

油藏环境石油烃厌氧生物降解过程是生物地球化学关注的基础问题之一；同时，利用微生物作用将油层中原本难以动用的残余油就地转化为甲烷，以天然气的形式开采，在大幅度提高油气资源利用率方面有着潜在的巨大应用价值，已经受到国际同行高度关注。然而，由于油藏环境石油烃厌氧生物降解过程的复杂性，目前尚未见到国际上有关工业试验的报道，也没有成型的技术可供借鉴。本项目针对油藏环境石油烃厌氧生物降解过程的关键科学问题，主要开展了油藏环境石油烃厌氧生物降解产甲烷菌群结构与功能、石油烃厌氧生物降解产甲烷降解途径与生物标志物和石油烃厌氧生物降解及产甲烷过程反应动力学特征等方面的研究。项目执行期间，在油藏原位烃降解功能微生物与功能基因、烃降解途径与起始活化机制及生物标志物、模拟油藏条件下石油烃厌氧降解产甲烷途径与表观动力学行为、以及石油烃厌氧生物降解转化功能菌群的调控机制等方面取得了新认识，获得了相关的基础信息。项目开展以来，在学术刊物发表论文43篇，其中SCI论文42篇；参与编写“深部地下生物圈”专著1部；申请发明专利6项，其中授权1项；应邀在国内和国际学术会议大会报告10次；先后开展了与俄罗斯科学院微生物研究所、美国俄克拉荷马大学、英国纽卡斯尔大学、德国亥姆霍兹国家研究中心及德国杜伊斯堡大学、香港大学等等科研机构国内外同行专家的学术合作交流与博士生联合培养，与本项目组在生物采油方面长期合作的俄罗斯科学家伊万诺夫(M.Ivanov)院士荣获2016年上海市国际科技合作奖。3名博士后和28名博士及硕士研究生参加了项目的研究工作，其中，3名博士后完成了研究工作出站，7名博士及12名硕士研究生已经完成学业并获得相应学位；举办“第三届全国石油微生物与生物地球化学研讨会”和“第九届ISBBE-石油微生物”国际学术会议，作为专题负责人连续4次参加全国地质微生物学学术研讨会。本项目中期评估结果为优秀。