CO2咸水层封存过程中土著微生物的生物地球化学行为进展研究

李晨阳，尚永正，王 聪，刘 刚，刘兆煐

1 研究背景

近年来全球经济和工业化快速发展，人类对化石燃料依赖加剧，其燃烧产物CO2等被大量排放到大气中，其中CO2的过度排放导致大气中总碳荷载急剧增大，引发一系列全球气候变化问题，严重威胁人类生存[1]。为实现碳减排目标，各国在2015年巴黎气候大会上通过《巴黎协定》，各国政府力争尽快将本国的碳排放达到控制峰值并限制峰值水平，在21世纪下半叶实现温室气体净零排放。我国积极发展相关的低碳减排技术，但短期内经济发展仍无法摆脱对化石能源的依赖，这对我国CO2减排工作提出了迫切要求。

2 CO2 地质封存

基于超临界CO2独特的理化性质所开发出的CO2地质封存技术（geological CO2sequestration，GCS）被认为是可大规模减少温室气体排放量及应对气候变暖最有效、最直接的技术。GCS 技术将CO2从大规模工业排放源（火电厂、冶炼厂等）末端分离并进行压缩，输送并封存于适合的地质构造中，使其不直接排入大气中，从而达到长期与大气隔绝目的。

到目前为止，满足条件的CO2地质封存场所主要集中在枯竭的油气藏、深部不可开采的煤层以及深部咸水层等。经研究对比，深部咸水层因具有巨大的潜在封存容量以及良好的孔渗性（咸水层上方通常会有一个或者多个孔隙度和渗透率较低的隔水层，可作为良好的盖层阻隔CO2向上迁移，提高CO2地质封存的安全性）而被认为是CO2地质储存的理想储层[3]。

3 微生物介导下的超临界CO2咸水层封存研究

研究统计发现，地下微生物的总量可达到全球总量的1/2～2/3，平均每毫升深层地下水中的微生物数量最高可达108数量级[2]。微生物因为个体微小、体量巨大、新陈代谢具有多样性的特性，对影响地下生物地球化学过程（C、N、S、Fe、能源、营养等循环）具有巨大的潜能。

3.1 CO2气体注入场地后对土著微生物群落及多样性的影响

近几年来，随着GCS 技术广泛应用，其中CO2咸水层封存过程对于微生物的作用与影响这一关键机制，也逐渐引起学者们的关注。

GCS 工程的首要条件是防止CO2的泄漏，但现存技术体系比较难以保证封存的CO2完全密封良好，而一旦CO2通过盖层的裂隙、废气通道运移到浅层地表水甚至浅层土壤时，便会改变其环境的pH，打破水化学组分的平衡，明显影响原有微生物群落及其多样性。因此，微生物在研究初期主要作为CO2泄漏的监测因子或环境风险评估的参考。

此外，CO2注入咸水层后对于土著微生物群落结构与多样性的影响也是研究重点。大量研究表明，CO2-水-岩作用过程中矿物溶解或沉淀过程可以导致离子强度或终端电子受体分布（如三价铁离子）发生变化，进而影响微生物新陈代谢。Fierer 等发现CO2注入后由于碳酸的形成导致pH 降低，从而对咸水层微生物多样性产生显著影响[3]。Wei Li 等采用16S rRNA 测序技术在石油储层中发现了厚壁菌门和拟杆菌门微生物。Andre Mu 等采用16S rRNA 测序技术研究某实际灌注场地高纯CO2注入前后，土著微生物中优势菌种由厚壁菌门转变为变形菌门的变化过程，并指出变形菌门中的丛毛单胞菌与假单胞菌对于超临界CO2流体注入后所带来的地下环境剧烈变化（pH 降低，盐度升高）有较好的耐受性。

3.2 微生物在CO2地质储存过程中的作用

大量实验证明，微生物通过自身代谢的过程和产物会对于岩石风化以及水-岩相互作用过程的演化起到重要作用（见表1）。

表1 部分微生物在水-岩相互作用过程的作用[4-6]

到目前为止，大多数文献报道均是从实验的角度来开展对某几种特定微生物在CO2地质封存中起到的积极作用及其可能机理进行研究。Benzerara 等利用扫描透射 X 射线显微镜对微生物-矿物界面上的溶解现象进行了系统观察，发现溶解产物与微生物活动有密切关系。张凤君等通过实验研究进一步确定了细菌可促进含钙碳酸盐的形成，放线菌可促进含铁碳酸盐的形成；而真菌促进矿物的溶蚀，提升了固碳离子的溶出量。Ferris 等相继研究了巴斯德芽孢杆菌（S.pasteurii）对CO2转化为固碳矿物所起到的积极作用，该菌可在超临界CO2的极端条件下生存。Mitchell 等通过模拟研究发现，在外加营养物质的条件下，巴斯德芽孢杆菌可有效降低盖层的孔渗性，封堵超临界CO2流体向储层上部环境的逃逸通道，从而增强储层的长期安全性。

4 结束语

当CO2注入深部咸水层时会迅速引起咸水层pH、离子强度等的剧烈变化，改变原有环境中水-岩的平衡状态，进而对土著微生物的群落结构、生物多样性以及代谢多样性产生显著影响。此变化又反作用于CO2-咸水-岩石反应体系，这种作用既可能体现在原生矿物的溶蚀过程，也可能表现为促进储层内CO2的矿物捕获。其中可能出现的生物地球化学行为会受到多个因素的影响（如土著微生物种类、注入时间、pH 变化等）。但目前关于CO2对于土著微生物影响及土著微生物反馈于CO2-咸水-岩石反应体系的综合研究报道相对较少，因此开展对微生物-CO2-咸水-岩石相互作用的研究是十分必要的。