顶刊《Nature》发文！吃掉原油产生甲烷，一种全新的碳代谢途径被发现，有望再造一个“大庆油田”

四川在线记者 史晓露

北京时间12月23日，国际顶尖学术期刊《Nature》在线发表了农业农村部沼气科学研究所能源微生物创新团队的最新研究成果《Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species》（非互营降解石油烃产甲烷的古菌）。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，发现一种新型的产甲烷古菌，这种古菌可以直接将复杂有机物降解生成甲烷，突破了传统认知，未来有望应用在地下枯竭油藏残余原油的开采中。初步测算，这相当于利用地下低品位油田再造一个大庆油田，对国家能源安全具有重大意义。

了解这项成果之前，先来认识几个概念。

什么是产甲烷古菌？

先从字面上看，产甲烷古菌就是一种古菌，它是地球上生命起源最早的一类生命形式，其作用很了不起，它参与了全球碳循环的关键环节，简单来说，就是在厌氧环境下分解有机质，产生甲烷。这一过程其实就是我们俗称的沼气发酵。

农业部沼气科学研究所的白丽萍博士介绍到，地球上有各种各样的生命形式，大体可以分为三类：真核生物、细菌和古菌，其中人类和动植物都属于真核生物。古菌是单细胞微生物，在显微镜下才能观察到。据推测，在35亿年以前，产甲烷古菌就在地球上存在，而地球形成是在42亿年以前，人类的历史只有百万年。

碳是生命之源，是组成生命的最基本元素。地球上的碳循环过程由生产者、利用者和分解者三大循环构成。光合作用生成的碳水化合物，比如我们吃的米饭、水果，最终被降解成二氧化碳或甲烷，然后又返回到大气中，形成整个碳元素的有效循环。产甲烷古菌就是重要的分解者。

甲烷直接排放的话，是一种温室气体，但收集起来，又是非常好的可再生能源。它是天然气、沼气等的主要成分，主要作为燃料使用，广泛应用于民用和工业中。

但在过去的观点中，甲烷的产生只有四种途径，即古菌通过乙酸发酵、CO2还原、甲基裂解和氧甲基转化等四种方式产生甲烷。而且在这一过程，需要细菌和古菌的互营代谢，才能协同完成复杂有机质的降解与甲烷的产生。

“互营代谢，就是说将有机质降解产生甲烷时，需要厌氧细菌和产甲烷古菌紧密合作，彼此依赖，如果分开，它们就无法完成这一代谢过程。”深圳大学李猛教授介绍。因此，传统认知中，产甲烷古菌只能利用非常简单的一碳和两碳化合物（即小分子化合物），像油藏中几十个碳的烷烃（即复杂有机物）是不能直接降解的，“通俗地说，以前我们认为产甲烷古菌是不可能吃复杂有机物的。”

不过，现在这种传统认知被打破了。

“我们在地下油藏环境中发现了一类能够直接能够吃掉原油、产生甲烷的古菌。”农业农村部沼气科学研究所所长王登山研究员说，该所联合国内外多家机构合作，发现一种新型的产甲烷古菌，并证实其可以直接氧化长链烷基烃（复杂有机物）产生甲烷，不需要通过互营代谢来完成，这个发现拓展了我们对碳循环的认知，是一项重要的理论突破。

据了解，该项目得到国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项等项目资助。

“这项研究成果有望应用在能源领域，通过产甲烷古菌的作用，将枯竭油藏难以开发利用的原油，转化为甲烷，进行天然气开采。这相当于把传统的沼气工程建在的地下深部油藏中。我们初步测算了下，这相当于利用地下枯竭油田再造一个大庆油田，这对我们国家的能源革命、能源战略和能源安全非常有价值。”谈及应用前景，王登山颇为振奋。

我国的化石能源对外依存度非常高，原油和天然气的对外依存度已经超过70%和45%，“这对于国家能源安全来说是一个非常不利的局面。”王登山说。

传统的原油开采技术，主要是通过水驱和化学驱，来驱动地下深层的原油运移。利用这种驱油技术下，超过一半的原油还是开采不出来。“未来，如果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，最终将达到比较高的原油开采利用率。”胜利油田高级专家汪卫东博士说，这项成果将为延长低品质油藏的生命开发周期提供了科学依据。

不过从基础研究到产业化应用还有很长一段距离。“我们与胜利油田合作了近三十年，下一步我们将聚焦关键核心技术的攻关，努力把 ‘地下沼气工程 ’的概念变为现实。”农业部沼气科学研究所的承磊研究员说。

此外，这项成果对于减碳也有重要意义。“采用传统的技术去开采原油，进行炼化加工等系列过程，碳排放非常高。但如果在地下通过生物转化，直接把甲烷提取出来了，减碳减排明显。”承磊也坦言，不过，目前的研究只介绍了一种生物学可能性，要把这种碳减排技术应用到油田开采领域，还需要科学家和工程技术人员做更多的技术攻关。

据悉，农业农村部沼气科学研究所已在厌氧微生物领域深耕40年，建成了全国最大的厌氧微生物模式菌种保藏库，开发了先进的厌氧微生物菌种分离、保藏、鉴定和评价技术，打造了一流的基础研究和应用转化平台，未来还将推动厌氧微生物领域的核心技术在农业、健康等领域广泛应用。

（受访者供图）