微生物在石油生成中的作用(二)--氢代谢及多源输入

产氢菌的发现是近代微生物学研究的一大重要进展。地质体中的氢代谢（氢的生成和利用）是微生物降解有机质形成烃类的重要环节。在石油生成过程中,氢是重要的中间产物及主产物。大分子化合物分解为小分子化合物、脱去含氧基团、烯烃成为饱和烃均需要补充氢。没有氢代谢便没有石油的大量生成。产氢菌含有氢化酶,具有生成H₂的能力。一部分微生物在降解有机质的过程中形成H₂,另一部分微生物利用H₂进行生命活动,产氢耗氢一直处于一种稳定的动态平衡,产氢微生物只有在耗氢微生物存在下才能生长。耗氢微生物的耗氢作用又促进了产氢反应的连续进行,这种微生物的互营联合,发生在石油形成过程中的各个阶段。氢转移是厌氧降解有机质区别于有氧降解有机质的最重要特征。微生物生长繁殖受温度、营养及沉积环境的影响,从浅层至深层,微生物种群不断更替,原有的种群因环境改变而死亡,新的种群又会大量繁殖,死亡的微生物输入至沉积层便成为烃类。酶是一种具有催化活性的蛋白质,微生物的一切生命活动都离不开酶。一种酶只能催化一种反应或一类反应的完成,各阶段都有独特的酶系统,酶在完成专属代谢途径后,可转化成石油组分,如叶绿素转化成甲烷菌F430辅酶,再转化成卟啉。地层温度促进了有机质热裂解,使有机质中的C-C键断裂发生得更加频繁;厌氧微生物的降解作用也使有机质发生降解。二者方向相同,互为融合,使有机质的裂解加速。微生物对有机质改造形成烃类,其中脱去含氧官能团、产氢用氢形成饱和烃等作用,对讨论石油和天然气的形成具有重要意义。     

微生物改造有机质不同演化阶段油气的生成

石油是生物地质作用的产物,沉积物中有机质的组成和结构影响着石油天然气的生成。微生物改造有机质形成石油、天然气具有明显的阶段性:1)易溶于水的有机质和分子量小、成分简单的化合物优先参与到成油中形成低熟油。2)成熟油的有机母质主要为来自水生生物、藻类的脂肪和蛋白质,其次为来自陆源有机质中的碳水化合物脂肪分解菌、蛋白质分解菌、产氢菌等;脂肪酸初始阶段不溶于水,只有当环境中不存在占优势的其他碳源物质时,微生物才能利用和分解脂类进行生长。3)高演化阶段生存着大量的嗜热、超嗜热产甲烷菌,来自于陆源植物的纤维素、木质素、高分子聚合物等许多在成熟阶段难以降解的有机质在高演化阶段可以发生降解。成油过程要经过降解有机质、去除含氧基团、产氢菌产氢、耗氢菌用氢等过程,较成气过程更为复杂。     

盐湖相低演化烃源岩的生烃机理及生物标志物演化特征——沥青“A”热模拟

柴达木盆地盐湖相低演化烃源岩沥青“A”的热模拟研究表明:在热作用下其排烃高峰在热模拟温度较低区间220~270℃，且以非烃和沥青质相对丰度最高为特征。沥青“A”在由未熟—低熟—成熟的演化过程中，各系列生物标志物的成熟速率不同，表现为正构烷烃＞藿烷＞甾烷。非烃和沥青质中含杂原子的极性化合物在热模拟温度300℃后开始大量发生脱羟基、脱羧基、脱羰基及链断裂反应。沉积有机质在低演化阶段甾烷C29 ββ/(ββ+αα)值异常高表明该地区细菌微生物发育。柴达木盆地低演化烃源岩在较低温度区间大量排烃，是细菌微生物对沉积有机质改造后其活化能大大降低所致。     

墨西哥湾含水合物和油气渗漏区海底表层沉积物中有机质饱和烃组成分布特征研究

报道了采自墨西哥湾富含水合物和油气渗漏区6个海底表层沉积物样品中有机质的丰度、组成和分布特征.研究发现,所分析的6个沉积物样品中有机质的丰度和组成变化很大,其中S-1、S-7和S-9样品中饱和烃的组成分布主要反映了现代海洋沉积有机质及其受细菌微生物改造作用的特征,而S-8、S-10和S-11样品中饱和烃组成以特征的石油污染成因的不可分辨的混合物(UCM)为主,相关甾萜类参数也表明沉积物受到原油渗漏或泄露污染;另一方面,S-8和S-11样品中正构烷烃不同程度的缺失表明有机质遭受了较为强烈的的生物降解作用.仅在S-1沉积物中鉴定出了与甲烷古细菌厌氧氧化有关的特征标志物--2,6,10,15,19-五甲基二十烯烃系列化合物(PMI△)并且具有极负的碳同位素组成,这表明S-1样品所在海底可能有天然气水合物的产出.     

海南红树林湿地可培养硫酸盐还原菌的垂直分布特征研究

利用厌氧微生物分离技术,对深度为1.2 m 的海南红树林湿地沉积物钻孔样品进行了分离培养,共获得11 株 厌氧sulfate-reducing bacteria（SRB） 菌株。经显微观察和16S rDNA序列分析,可归纳为6个属,其中已经报道有芽孢杆菌 属（Bacillus）、弧菌属（Vibrio） 和梭状芽胞杆菌属（Clostridium）,另外3个属分别为伯克霍尔德菌属（Burkholderia）、希瓦氏菌属（Shewanella） 和海杆菌属（Marinobacterium）。不同属的细菌对硫酸盐还原的速率最低为14.71%,最高可达 56.78%,并且以上6属11株菌都能将+6价的硫还原生成-2价硫,并与培养基中的Fe2+结合生成黑色FeS沉淀,而这些无定 形FeS沉淀是生成黄铁矿的前体。红树林湿地SRB种群数量随沉积物深度的增加而降低,结合沉积物的地球化学分析测试 结果表明,表层（0 cm） 水界面的沉积物由于处于氧化-还原界面,氧气的周期性输入在一定程度上抑制了SRB的生长;随着 深度增加（10~40 cm）,充足的有机质、偏中性的pH值以及厌氧环境的增强,使得SRB种类和数量明显增加;而60 cm以下 沉积物中因TOC含量降低,减少了微生物可利用的碳源,pH值明显降低,Na+和Ca2+离子浓度明显增加,这些因素都抑制了 SRB的生长,使得深部沉积物中SRB的种类和数量显著减少。     

典型有机硫化合物热演化的加水热解实验研究

14种典型含硫化合物在 200～ 330 ℃温度区间、在有低硫褐煤和硫抑制剂存在条件下的加水热模拟实验结果表明,大多数结构类型的含硫化合物是结构不稳定的化合物,它们的热稳定性差异很大,不同结构类型的含硫化合物所对应的热解温度不同, 它们在不同温度段产物的分布也不尽相同,这表明单个硫化合物的地球化学行为差异很大,而单个有机硫化合物在有机质热成熟过程中的转换特征基本上可以依据其生成硫化氢、二次含硫化合物以及大分子含硫化合物的量来描述.另一方面,硫化氢作为主要热解产物表明硫化合物分解生成硫化氢是有机硫化合物成熟转化的主要机理性过程.在所调查的化合物中,苯并噻吩、二苯并噻吩、二苯硫和噻蒽等在最高热解温度下也不发生任何化学反应,表明这些化合物代表了稳定型结构的硫化合物,这与这些化合物广泛存在于成熟原油和沉积有机质中的状况是一致的.上述结果还显示含硫化合物的种类和结构类型是受有机质的成熟度或演化阶段控制的.     

非烃地球化学及其应用概述

非烃类生物标志化合物或分子标志化合物是含氧、硫、氮杂原子的有机化合物,每一个饱和烃生物标志化合物可能有多个骨架相似的含氧、硫、氮杂原子的非烃类生物标志化合物,迄今,饱和烃中常见生物标志化合物的非烃类型大都已能被识别.它们被广泛应用于石油成因理论研究和烃类生物标志物的生源研究,近十几年来,它们尚被应用于研究油藏地球化学, 原油的二次运移,古环境、古气候等领域,近年来,非烃中的生物标志化合物还有被用于油 -油对比和用键合在沥青质中生物标志化合物探索严重生物降解油油源的报道,总之,非烃地球化学应用范围不断得到扩展而日益受到重视.     

微生物对绿脱石中有机质利用的研究

为了探索黏土矿物中含有的有机质能否被微生物利用以及微生物利用的效率,本文选取富三价铁的黏土矿物绿脱石NAu-2为还原对象,嗜热菌Thermus scotoductus SA-01,以及常温菌Shewanella putrefaciens CN-32为异化铁还原菌,分别在没有外加碳源的情况下对NAu-2结构铁进行还原。实验选取化学方法来测试Fe3+还原程度与还原速率,利用X射线粉晶衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱分析仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)对黏土矿物还原产物进行矿物学表征,利用总碳/氮分析仪测试黏土矿物释放出来的溶解碳总量以及高效液相色谱仪来分析不同有机组分的含量。实验结果表明相对于常温菌CN-32,嗜热菌SA-01可以有效利用绿脱石中含有的微量有机质作为碳源。由此可知,黏土矿物经微生物作用后发生还原溶解,其吸附的有机质会随着溶解程度的升高不断释放到周围环境中;黏土矿物含有的有机质组分成分复杂,在不同温度环境下释放出来的有机质速率与种类有所不同。     

非烃地球化学及其应用概述

非烃类生物标志化合物或分子标志化合物是含氧、硫、氮杂原子的有机化合物，每一个饱和烃生物标志化合物可能有多个骨架相似的含氧、硫、氮杂原子的非烃类生物标志化合物，迄今，饱和烃中常见生物标志化合物的非烃类型大都已能被识别。它们被广泛应用于石油成因理论研究和烃类生物标志物的生源研究，近十几年来，它们尚被应用于研究油藏地球化学，原油的二次运移，古环境、古气候等领域，近年来，非烃中的生物标志化合物还有被用于油一油对比和用键合在沥青质中生物标志化合物探索严重生物降解油油源的报道，总之，非烃地球化学应用范围不断得到扩展而日益受到重视。     

有机酸盐热模拟产物中芳烃馏分特征及其地质意义

为了研究有机酸盐生烃演化特征,对有机酸盐进行了270℃、320℃、360℃、400℃和430℃一系列温度点的热模拟,实验结果表明,有机酸盐会大量转化为酮系列化合物,酮化合物最大产率阶段为320℃到360℃,其中360℃时产率最高,其转化率可达有机酸盐加入量的39%,400℃后产率急剧下降。这表明脂肪酸镁向酮系列化合物的最大转化温度段稍早或一致于有机质大量生烃阶段,但该类化合物对热较敏感,高温下不易保存,因此酮作为评价有机酸盐生烃贡献强度的指标只能适合于中—低温演化阶段的烃源岩。     

陆架边缘海沉积物有机碳矿化及其对海洋碳循环的影响

边缘海沉积物是海洋重要的碳储库,其内部的碳循环主要是由有机质矿化分解过程来驱动的。有机碳进入边缘海沉积物后,矿化分解为溶解无机碳(DIC)进入沉积物孔隙水并扩散到上层水柱,参与海洋系统碳循环;同时还有部分DIC与钙镁等离子结合形成自生碳酸盐,保存于沉积物碳库。从生物地球化学角度探讨有机质埋藏机制和效率,在此基础上重点综述沉积物硫酸盐还原、产甲烷和甲烷厌氧氧化过程的耦合机制,以及有机质矿化对自生碳酸盐形成的影响等方面的研究进展,以期加深对陆架边缘海沉积物在全球碳循环收支平衡中的作用及其气候环境效应的认识。     

塔里木盆地中央隆起超深层现今地温场特征

塔里木盆地中央隆起是我国的大型油气聚集带。本文借助9口钻井的系统测温数据和86口钻井的试油温度数据，系统研究了该区的0~6000 m地温梯度、大地热流、超深层温度（6000~8000 m和奥陶系—寒武〖JP2〗系烃源岩底界面）分布特征。中央隆起区0~6000 m现今地温梯度介于14. 1~27. 8 ℃/km，平均值为20. 6 ℃/km；〖JP〗大地热流介于34. 4~60. 6 mW/m2，平均值为46. 7 mW/m2；6000 m埋深处温度介于98. 1~180. 2℃，平均值为137. 4℃；7000 m埋深处温度介于107. 4~198. 9℃，平均值为150. 0℃；8000 m埋深处温度介于117. 4~217. 5℃，平均值为162℃，受基底起伏、岩石热物性和构造作用等影响，整体上均具有由西北向东南逐渐增大的趋势。奥陶系—寒武系烃源岩底界面温度介于81. 6~228. 2℃和91. 0~248. 6℃，受到埋藏深度的影响，表现出巴楚凸起温度最低，塔中凸起温度次之，古城低凸起温度最高的特征，一定程度上影响油气的性质和保存。本研究不仅明确了中央隆起超深层温度场分布特征，而且为今后超深层油气勘探提供重要依据。     

贵州红枫湖沉积物有机质的酶及微生物降解

文章通过DNA、α-葡萄糖苷酶和硫酸盐还原菌等的变化,研究了贵州红枫湖沉积物中有机质的酶及微生物降解.有机质在微生物及其分泌的胞外酶的作用下被降解,在沉积物深度11cm以下被降解到相对较低的含量.DNA的分布表明表层9cm的沉积物深度内微生物的活动较为强烈,是微生物降解有机质的主要位置.α-葡萄糖苷酶在悬浮层含量最高,达0.75μmol/min*g干沉积物,提示有机质中的淀粉和糖原等物质在悬浮层降解较为激烈,被大量分解;随着沉积物深度的增加α-葡萄糖苷酶活性减弱,在有机质降解明显开始变缓的11cm沉积物中,α-葡萄糖苷酶活性已降低到0.17μmol/ming干沉积物.分子生物学的研究表明红枫湖沉积物表层7cm是硫酸盐还原菌的主要分布位置,结合有机质和SO_2-4含量的研究结果,提示红枫湖沉积物中SO_2-4不可能成为有机质氧化的主要电子受体,硫酸盐还原的限制因素也不是有机质供应.     

细菌藿多醇的环境指示作用及其在海洋生态环境重建中的应用

细菌藿多醇（Bacteriohopanepolyols,BHPs）是细菌细胞膜中高度结构变异的五环三萜类化合物,易保存且受成岩作用影响较小,广泛分布于陆地和海洋环境中。BHPs作为一种新型微生物标志物,由于其细菌来源专属性和环境专属性,近年来已在示踪有机质来源、环境演变过程以及反演古环境方面表现出巨大的应用潜力。本文系统分析了近年来全球土壤、沉积物和海水中BHPs的组成、分布和来源,发现热带和温带区域中BHPs的多样性和含量通常高于寒带区域,且由土壤、河流、近海到外海海域逐渐降低。探讨了土壤标志物BHPs、细菌霍四醇同分异构体（BHT- Ⅱ）和35- 氨基霍多醇在有机质来源、缺氧环境、厌氧氨氧化和甲烷氧化活动方面的环境指示作用及在海洋生态环境重建中的应用,以期为示踪海洋生态环境变化提供新指标和新途径。     

海洋环境中乙烷和丙烷的分布及生物转化

海洋沉积物中蕴含着大量以甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）和丙烷（C₃H₈）为主要成分的烷烃化合物,与甲烷类似,乙烷与丙烷也是重要的温室气体。水合物分解和油气渗漏会释放这些烷烃化合物到海水及大气中,对海洋生态环境及全球气候产生重要影响。海洋环境中的微生物对烷烃的氧化作用有效降低了海洋烷烃气体的排放通量。系统综述了海洋环境中乙烷和丙烷的分布及生物转化机制的最新研究进展,归纳出以下认识：（1）海水中乙烷与丙烷的分布特征明显,主要受到水文、化学及生物等环境参数的影响;（2）海洋环境中乙烷与丙烷的生物来源主要有海水中浮游植物生产释放和沉积物中厌氧微生物生成,产甲烷菌可以利用多种底物生成乙烷与丙烷;（3）乙烷和丙烷的好氧氧化主要由烷烃氧化菌完成,并且该过程中伴随一定程度的碳氢同位素分馏;（4）沉积物中乙烷与丙烷的厌氧氧化通常与硫酸盐还原耦合,目前已对参与氧化乙烷与丙烷的硫酸盐还原菌及厌氧氧化机制有了初步认识。总结和回顾了海洋环境中乙烷和丙烷的来源、分布及微生物代谢过程,可为未来深入理解碳氢...     

海洋环境中乙烷和丙烷的分布及生物转化

海洋沉积物中蕴含着大量以甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）和丙烷（C₃H₈）为主要成分的烷烃化合物,与甲烷类似,乙烷与丙烷也是重要的温室气体。水合物分解和油气渗漏会释放这些烷烃化合物到海水及大气中,对海洋生态环境及全球气候产生重要影响。海洋环境中的微生物对烷烃的氧化作用有效降低了海洋烷烃气体的排放通量。系统综述了海洋环境中乙烷和丙烷的分布及生物转化机制的最新研究进展,归纳出以下认识：（1）海水中乙烷与丙烷的分布特征明显,主要受到水文、化学及生物等环境参数的影响;（2）海洋环境中乙烷与丙烷的生物来源主要有海水中浮游植物生产释放和沉积物中厌氧微生物生成,产甲烷菌可以利用多种底物生成乙烷与丙烷;（3）乙烷和丙烷的好氧氧化主要由烷烃氧化菌完成,并且该过程中伴随一定程度的碳氢同位素分馏;（4）沉积物中乙烷与丙烷的厌氧氧化通常与硫酸盐还原耦合,目前已对参与氧化乙烷与丙烷的硫酸盐还原菌及厌氧氧化机制有了初步认识。总结和回顾了海洋环境中乙烷和丙烷的来源、分布及微生物代谢过程,可为未来深入理解碳氢...     

松辽盆地白垩纪湖泊水体温度与古气候温度估算

湖泊沉积物沉积的第一场所是湖底,湖底温度的高低影响沉积有机质的保存,也影响湖底下部地层的温度。了解古水体温度尤其是古水底温度情况成为评估松辽盆地白垩系生物气勘探前景的必要研究内容之一。根据已有的古气候研究成果与现今气候对比,得出白垩纪松辽盆地年平均气温约为14~24℃。再根据水库温度的计算方法和利用已有的古纬度及古水深的研究成果计算得出,白垩纪松辽盆地古湖盆水体表面温度为17~25℃;水深大于20 m的深湖区,水底温度为6.2~12.5℃;湖底最深处温度为4.0~11.3℃;青山口组和嫩江组沉积时期,湖水分层明显,湖底温度季节性变化很小且温度较低,约为8℃。湖底的低温对松辽盆地白垩纪生物气勘探是有利的。     

微生物降解蒙脱石层间吸附有机质的实验研究

近年来,国内外学者意识到,有机质在蒙脱石结构层间的吸附是有机质保存的重要机理之一,然而,目前关于微生物能否降解蒙脱石层间吸附有机质以及降解的程度等尚没有任何实验数据的支撑。本文试图通过人工合成含有层间吸附有机质的蒙脱石,利用海洋和湖泊沉积物中常见的降解有机质的微生物对其进行降解实验,据此探讨有机质的蒙脱石层间吸附在沉积物埋藏过程中对有机质保存的贡献。有机质选择半胱氨酸和甲苯,前者是生物生长所需的一种重要氨基酸,后者大量存在于土壤和沉积物中,多种细菌可以在有碳氢化合物的环境下将其降解。实验菌种选择恶臭假单胞杆菌(Pseudomonas putida)和腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens CN32)2种细菌,它们均为海洋和湖泊沉积物中的主导微生物,前者有较强的有机质降解能力,后者为铁的还原菌,厌氧代谢过程中能将蒙脱石结构中的Fe(III)还原为Fe(II)。通过上述不同菌种对蒙脱石层间吸附不同性质有机质的降解实验,结果显示,微生物对蒙脱石层间吸附的有机质的降解方式主要有分泌有机酸直接降解和破坏层间结构释放有机物从而进行降解。代表菌种假单胞菌和希瓦氏菌对半胱氨酸绿脱石及甲苯绿脱石的作用表明,微生物通过分泌有机酸的形式对蒙脱石层间吸附的有机质降解作用很有限,该结构在恒定的有氧和无氧条件下对保存有机质有利;希瓦氏菌在严格无氧条件下通过还原Fe(III)进行代谢,实验表明,无氧条件下,希瓦氏菌可以一定程度破坏矿物结构,释放并消耗有机物,因此,铁还原微生物对蒙脱石层间吸附有机质的保存有一定的影响,但由于微生物对矿物晶体结构的破坏能力有限,故其对层间吸附有机质降解的能力也有限;不同有机物对生物降解过程也有影响,这些影响取决于有机质的特性及有机质与细菌之间的相互作用。绿脱石层间吸附的半胱氨酸对生物生长有利,从而可能促进生物还原Fe(III)作用。相反,甲苯却很明显的抑制了Fe(III)的还原。由此可见,有机质的蒙脱石层间吸附是有机质保存的重要方式之一。     

华北克拉通北缘乌兰地区石墨矿地质特征及成因分析

为了解华北克拉通北缘乌兰晶质石墨矿成矿条件及成因类型,在详细野外地质调查的基础上,利用~(13)C同位素分析、差热分析等手段进行测定。石墨δ~(13)C含量平均为-2 7.17‰,略高于世界各地不同时代有机质δ~(13)C平均值(-26‰)。石墨最大放热峰值为726～1 030℃,主要分布于900～1030℃,证实石墨矿区域变质程度达角闪岩相和麻粒岩相;碳质来源于同源生物有机质,结合矿床地质特征及矿物组合特征,判断石墨矿的含矿建造为一套典型的高温变质富铝沉积岩组合;含有机质沉积物经区域变质作用,有机质被分解重结晶形成石墨矿源层;华力西期侵入体提供热源促使石墨片度增大,后期遭受韧性剪切造成石墨富集而成矿。     

西藏搭格架铯硅华区热泉高温菌株的分离及特征研究

从西藏搭格架铯硅华矿床区热泉中分离培养高温菌T4-1,并进行了格兰氏染色、显微镜观察、室内温度实验、16SrRNA基因分析等。结果表明,T4-1为杆状菌,格兰氏染色阳性,其生长范围为45~80℃,最适生长温度70℃。16SrRNA基因分析结果表明,该菌株属于地芽孢杆菌属(Geobacillus),在发育树上,T4-1菌株与高温烷烃地芽孢杆菌(Geobacillus the rmoleovorans)非常近。本研究为进一步开展西藏高温微生物资源以及微生物参与成矿作用的研究提供了首例。