CO2咸水層封存過(guò)程中土著微生物的生物地球化學(xué)行為進(jìn)展研究

李晨陽(yáng)，尚永正，王 聰，劉 剛，劉兆煐

1 研究背景

近年來(lái)全球經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化快速發(fā)展，人類對(duì)化石燃料依賴加劇，其燃燒產(chǎn)物CO2等被大量排放到大氣中，其中CO2的過(guò)度排放導(dǎo)致大氣中總碳荷載急劇增大，引發(fā)一系列全球氣候變化問(wèn)題，嚴(yán)重威脅人類生存[1]。為實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，各國(guó)在2015年巴黎氣候大會(huì)上通過(guò)《巴黎協(xié)定》，各國(guó)政府力爭(zhēng)盡快將本國(guó)的碳排放達(dá)到控制峰值并限制峰值水平，在21世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放。我國(guó)積極發(fā)展相關(guān)的低碳減排技術(shù)，但短期內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍無(wú)法擺脫對(duì)化石能源的依賴，這對(duì)我國(guó)CO2減排工作提出了迫切要求。

2 CO2 地質(zhì)封存

基于超臨界CO2獨(dú)特的理化性質(zhì)所開(kāi)發(fā)出的CO2地質(zhì)封存技術(shù)（geological CO2sequestration，GCS）被認(rèn)為是可大規(guī)模減少溫室氣體排放量及應(yīng)對(duì)氣候變暖最有效、最直接的技術(shù)。GCS 技術(shù)將CO2從大規(guī)模工業(yè)排放源（火電廠、冶煉廠等）末端分離并進(jìn)行壓縮，輸送并封存于適合的地質(zhì)構(gòu)造中，使其不直接排入大氣中，從而達(dá)到長(zhǎng)期與大氣隔絕目的。

到目前為止，滿足條件的CO2地質(zhì)封存場(chǎng)所主要集中在枯竭的油氣藏、深部不可開(kāi)采的煤層以及深部咸水層等。經(jīng)研究對(duì)比，深部咸水層因具有巨大的潛在封存容量以及良好的孔滲性（咸水層上方通常會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)孔隙度和滲透率較低的隔水層，可作為良好的蓋層阻隔CO2向上遷移，提高CO2地質(zhì)封存的安全性）而被認(rèn)為是CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的理想儲(chǔ)層[3]。

3 微生物介導(dǎo)下的超臨界CO2咸水層封存研究

研究統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，地下微生物的總量可達(dá)到全球總量的1/2～2/3，平均每毫升深層地下水中的微生物數(shù)量最高可達(dá)108數(shù)量級(jí)[2]。微生物因?yàn)閭€(gè)體微小、體量巨大、新陳代謝具有多樣性的特性，對(duì)影響地下生物地球化學(xué)過(guò)程（C、N、S、Fe、能源、營(yíng)養(yǎng)等循環(huán)）具有巨大的潛能。

3.1 CO2氣體注入場(chǎng)地后對(duì)土著微生物群落及多樣性的影響

近幾年來(lái)，隨著GCS 技術(shù)廣泛應(yīng)用，其中CO2咸水層封存過(guò)程對(duì)于微生物的作用與影響這一關(guān)鍵機(jī)制，也逐漸引起學(xué)者們的關(guān)注。

GCS 工程的首要條件是防止CO2的泄漏，但現(xiàn)存技術(shù)體系比較難以保證封存的CO2完全密封良好，而一旦CO2通過(guò)蓋層的裂隙、廢氣通道運(yùn)移到淺層地表水甚至淺層土壤時(shí)，便會(huì)改變其環(huán)境的pH，打破水化學(xué)組分的平衡，明顯影響原有微生物群落及其多樣性。因此，微生物在研究初期主要作為CO2泄漏的監(jiān)測(cè)因子或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參考。

此外，CO2注入咸水層后對(duì)于土著微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的影響也是研究重點(diǎn)。大量研究表明，CO2-水-巖作用過(guò)程中礦物溶解或沉淀過(guò)程可以導(dǎo)致離子強(qiáng)度或終端電子受體分布（如三價(jià)鐵離子）發(fā)生變化，進(jìn)而影響微生物新陳代謝。Fierer 等發(fā)現(xiàn)CO2注入后由于碳酸的形成導(dǎo)致pH 降低，從而對(duì)咸水層微生物多樣性產(chǎn)生顯著影響[3]。Wei Li 等采用16S rRNA 測(cè)序技術(shù)在石油儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)微生物。Andre Mu 等采用16S rRNA 測(cè)序技術(shù)研究某實(shí)際灌注場(chǎng)地高純CO2注入前后，土著微生物中優(yōu)勢(shì)菌種由厚壁菌門(mén)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃尉T(mén)的變化過(guò)程，并指出變形菌門(mén)中的叢毛單胞菌與假單胞菌對(duì)于超臨界CO2流體注入后所帶來(lái)的地下環(huán)境劇烈變化（pH 降低，鹽度升高）有較好的耐受性。

3.2 微生物在CO2地質(zhì)儲(chǔ)存過(guò)程中的作用

大量實(shí)驗(yàn)證明，微生物通過(guò)自身代謝的過(guò)程和產(chǎn)物會(huì)對(duì)于巖石風(fēng)化以及水-巖相互作用過(guò)程的演化起到重要作用（見(jiàn)表1）。

表1 部分微生物在水-巖相互作用過(guò)程的作用[4-6]

到目前為止，大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道均是從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)開(kāi)展對(duì)某幾種特定微生物在CO2地質(zhì)封存中起到的積極作用及其可能機(jī)理進(jìn)行研究。Benzerara 等利用掃描透射 X 射線顯微鏡對(duì)微生物-礦物界面上的溶解現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)觀察，發(fā)現(xiàn)溶解產(chǎn)物與微生物活動(dòng)有密切關(guān)系。張鳳君等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步確定了細(xì)菌可促進(jìn)含鈣碳酸鹽的形成，放線菌可促進(jìn)含鐵碳酸鹽的形成；而真菌促進(jìn)礦物的溶蝕，提升了固碳離子的溶出量。Ferris 等相繼研究了巴斯德芽孢桿菌（S.pasteurii）對(duì)CO2轉(zhuǎn)化為固碳礦物所起到的積極作用，該菌可在超臨界CO2的極端條件下生存。Mitchell 等通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn)，在外加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下，巴斯德芽孢桿菌可有效降低蓋層的孔滲性，封堵超臨界CO2流體向儲(chǔ)層上部環(huán)境的逃逸通道，從而增強(qiáng)儲(chǔ)層的長(zhǎng)期安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)CO2注入深部咸水層時(shí)會(huì)迅速引起咸水層pH、離子強(qiáng)度等的劇烈變化，改變?cè)协h(huán)境中水-巖的平衡狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)土著微生物的群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性以及代謝多樣性產(chǎn)生顯著影響。此變化又反作用于CO2-咸水-巖石反應(yīng)體系，這種作用既可能體現(xiàn)在原生礦物的溶蝕過(guò)程，也可能表現(xiàn)為促進(jìn)儲(chǔ)層內(nèi)CO2的礦物捕獲。其中可能出現(xiàn)的生物地球化學(xué)行為會(huì)受到多個(gè)因素的影響（如土著微生物種類、注入時(shí)間、pH 變化等）。但目前關(guān)于CO2對(duì)于土著微生物影響及土著微生物反饋于CO2-咸水-巖石反應(yīng)體系的綜合研究報(bào)道相對(duì)較少，因此開(kāi)展對(duì)微生物-CO2-咸水-巖石相互作用的研究是十分必要的。