油田生产系统中硫酸盐还原菌的危害及微生物防治研究进展

谈 涛 冯电稳 夏明磊 杨中娜 杨 阳

（1. 中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452；2. 天津北海油人力资源咨询服务有限公司，天津 300452）

0 引言

硫酸盐还原菌（Sulphate-Reducing Bacteria，SRB）是指在厌氧条件下可把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫氧化物及元素硫还原成H2S这一生理特性细菌的统称，广泛存在于油气井、土壤、淤泥以及金属输送管道等石油生产厌氧环境中。在油田生产系统中，由SRB引起的一连串生产问题如H2S气体毒性、管道等设备腐蚀、油藏堵塞、原油泄漏等，都给正常的油田生产作业带来了严重的干扰和巨大的经济损失，因此日益引起全世界油田作业方及相关研发人员的重视，严格控制、减少由SRB导致的问题已逐渐成为各油田亟待解决的技术难题[1-8]。本文即从油田生产系统中SRB导致的危害出发，综述了微生物防治方法包括SRB防治有关的微生物及作用机理在该领域的最新研究进展，并对该问题今后的发展与努力方向进行了总结与展望。

1 硫酸盐还原菌的危害概述

油田生产系统中由于SRB的活动引起的问题越来越被人们的广泛关注，主要表现在：SRB在油藏厌氧条件下可以存活很久，遇到合适的环境会大量繁殖，产生酸性气体H2S容易导致作业人员中毒，增加安全生产隐患；SRB能够加快金属腐蚀，导致注水与输油管线、储罐等金属设备的局部腐蚀穿孔，带来巨大的经济损失[1-4]；SRB产生的H2S与铁离子反应会生成难溶的FeS沉淀物，以及与SRB形成的菌胶团的混合物，导致油藏孔隙堵塞，降低了注水井的吸水能力和采油井的导流能力，造成原油产量的下降，并且极易导致电脱水器运行不稳定或造成电脱水器极板击穿等危险事故[1-3,5-8]；SRB的代谢产物H2S能够溶于原油并与其他化合物反应，增加原油中的含硫量，降低了原油与产气品质，同时含硫原油与天然气的燃烧对生态环境也有很大影响[3,5-7]；SRB还可以降解聚丙烯酰胺等聚合物，大幅降低驱油效率或最终导致聚合物驱失败[1-3]。

由此可见，SRB的危害是广泛而多种多样的，如果不加以控制，必将给油田生产带来严重的后果，因此，必须深刻认识和全面评估SRB带来的危害，并且研究和采取相应的防护和治理措施。

2 硫酸盐还原菌的微生物防治方法

物理防治SRB危害的方法主要是通过机械刮擦、阴极保护、使用耐蚀涂料和防护涂层等实现，但由于操作方法不太适合油田现场环境，或者仅适于非油田环境中SRB的控制，甚至是即使使用也只能局部缓解且不一定总是有效[4,9-11]。投加氯、甲醛和季铵盐等杀菌剂是目前油田上普遍采用的化学抑制SRB的方法，但由于SRB常与其他微生物共存于多糖胶等粘性附着微生物膜中，杀菌剂穿透性受限，加上外部含H2S的还原性环境，使得一般的氧化性杀菌剂杀菌效果有限[4,9,12,13]；同时由于成膜细菌形成生物膜的存在，使得杀菌剂失去了作用靶标而使杀菌效率降低、甚至失效，最终导致产生耐药菌，并且杀菌剂的大量使用也导致成本不断升高，引入新的化学物质也易引起油藏地质和水质的极大变化，特别是有毒杀菌剂的大量投加也给环境治理带来了新的负荷和难题[4,12,14-16]。

随着当前环境政策要求的不断提高和人们环保意识的日益增强，研究和开发新型高效环保型防治SRB的方法显得日益突出和紧迫，一些研究人员提出SRB的防治应基于环境保护的角度从微生物本身去思考和突破，越来越多的防腐研究学者正努力尝试从生物学的角度去寻找新的出路和方法，并在近年来由于对微生物在腐蚀过程中角色的深度理解也出现了许多振奋人心的新进展[11,17,18]。微生物防治SRB方法在技术实质上是利用微生物（含本源和外源的）之间的共生、竞争以及拮抗关系来防止微生物对金属的腐蚀，其机理主要包括以下几方面[2-4,11,12,18]：一是所用替代微生物细菌在生活习性、生长环境等方面与SRB非常相似，但是不产生H2S，这些细菌和SRB生活在地层的同一环境中，就可与SRB形成生存空间和基质营养等方面的竞争，从而抑制SRB的生长繁殖；二是某些细菌可以生成其他对油田无害的类似抗生素类的产物杀死SRB或者将H2S转化，从而降低SRB的腐蚀作用；三是具有靶标定向裂解作用的噬菌体对宿主细胞SRB的杀菌清除作用。综述已有报道的用于防治SRB的微生物及相关作用机理展开如下：

2.1 硝酸盐还原菌对SRB活性的反硝化抑制作用

硝酸盐还原菌（Nitrate-reducing Bacteria，N R B）是一类可通过反硝化作用还原硝酸盐（NO3-）产生NO2-、NO、N2O、N2、NH3及其他含氮有机物细菌的统称，按其营养和代谢情况可分为异养硝酸盐还原菌（heterotrophic Nitrate-reducing bacteria，hNRB）和自养硝酸盐还原菌（antotrophic Nitrate-reducing Bacteria，aNRB）。油藏内部环境中大都含有NRB，尤其是hNRB，但这些细菌由于缺乏硝酸盐而处于休眠状态，当通过地面系统经由注入向油藏内部注入硝酸盐或亚硝酸盐等物质时，可刺激油藏本源微生物，特别是硝酸盐还原菌NRB的生长，使得NRB对SRB的生长繁殖具有广泛而持久的反硝化抑制作用。利用生物竞争抑制的机理，提高NRB的生态位，降低SRB的生态位，使得SRB失去原有的硫酸盐还原功能而不再产生H2S，使得最初单纯的杀灭SRB转变为以抑制其活性为目的的抑菌策略[12,19]，这也是目前微生物防治SRB腐蚀危害的主要方向，因此对其详细的NRB对SRB的反硝化抑制作用机理进行展开详述如下几个方面：

2.1.1 底物基质竞争

由于同属于厌氧菌的NRB（此处主要指hNRB）与SRB生存环境极为相似，当油藏环境中底物营养基质有限时，它们之间就会发生对营养基质和生存空间的强烈竞争。已有研究表明，NRB在与SRB竞争底物基质过程中存在明显优势，且主要表现在（以乙酸为底物基质的代谢为例）：（1）热力学方面，硝酸盐还原过程比硫酸盐还原过程释放的能量更多，ΔG负值越大，因此NRB硝酸盐还原比SRB硫酸盐还原过程更容易发生[2,13,19]；（2）动力学方面，NRB对乙酸的亲和力要比SRB高的多，且SRB对乙酸的最大比基质降解速率比NRB要高，同时NRB还原硝酸盐的速度要明显快于SRB还原硫酸盐，因此在动力学上更占优势[2,19-21]；（3）NRB生长所需的氧化还原电位比SRB更高，更接近一般的环境条件，因而硝酸盐还原反应一般总是优先发生。基于这些原因，故在油藏中当hNRB与SRB共存时，通过向注水中加注硝酸盐后导入油藏中即可通过竞争底物基质即碳源抑制SRB的生长繁殖，并且这种抑制效果在底物碳源较为缺乏时更为明显和有效[22]。

2.1.2 厌氧硫循环对硫化物的消耗

油田中存在的自养硝酸盐还原菌aNRB亦可称为硝酸盐还原-硫化物氧化菌（Nitrate-reducing Sulfide-Oxidizing Bacteria, NR-SOB），如脱氮硫杆菌，可以硫酸盐还原代谢产物硫化物为电子供体，将其氧化为单质硫或硫酸盐，生成的这些产物又可作为SRB的电子受体，在有氢气、有机酸或碳氢化合物作为电子供体时又被进一步还原为硫化物，从而完成系统内部的硫循环[23-25]。因此，将有活性的NR-SOB如脱氮硫杆菌等加入油田中，或通过加入硝酸盐激活NR-SOB的活性，利用其对硫化物的消耗与清除，可减少由SRB生成的硫化物引起的危害。

2.1.3 干扰SRB代谢酶活性

SRB依靠亚硫酸盐还原酶的生物催化作用将硫酸盐（SO42-）还原为硫化物（S2-）从而完成异化硫酸盐还原过程，但投加的硝酸盐（NO3-）经NRB反硝化代谢后生成的亚硝酸盐（NO2-）及其他氮氧化物如NO2、NO、N2O等，都对SRB异化硫酸盐代谢及其他代谢途径所需酶的活性具有干扰或抑制作用，因此对SRB的生长繁殖也具有相应的抑制效果[2,12,18,19]。

总之，向油田中投加NO3-或NO2-以激活油藏本源微生物特别是具有反硝化抑制SRB活性作用的NRB，从而缓解由SRB产生S2-导致腐蚀的方法，是在当前油田特别是国外油田得到研究和现场试验证实并日益得到重视、成熟和青睐的方法[6-8,26,27]。

2.2 产生抗生素类物质的芽孢杆菌对SRB的杀菌作用

好养成膜菌短芽孢杆菌（Bacillus sp.）已被证实为石油工业中生物膜的重要组成成分，同时也有很好的文献纪录和研究表明不同Bacillus sp.属能够产生对很多种微生物具有抗菌活性的胞外产物，包括各种在结构上高度特异、具有细菌素和胞外酶活性及功能的物质如蛋白酶、RNA降解酶、细胞壁裂解酶和淀粉酶等，并且很多这些物质都具有非常广泛的抗菌谱，因此利用这些能够产生抗生素类物质的Bacillus sp.属并使之与石油生产系统中的SRB相互作用，就能起到很好杀灭SRB的作用或将SRB直接逐出由Bacillus sp.形成的生物膜中[9,14-16]。

由于暴露于自然环境表面的生物膜的形成不可避免，因而认为利用成膜菌来将不希望的微生物驱逐出生物膜的想法是合理的。同时由于肽类抗菌剂通常较小，不像其他传统的抗生素一样需要克隆较大的操纵子或途径来获得表达，由此认为克隆这些小分子的多肽类抗菌剂是可行的[14]。更为重要的是，以上已经证实油田中的好养成膜菌Bacillus sp.能够有效分泌一些具有有效抗菌活性的肽类抗菌剂，如Gramcidin S（来源于B.brevis）、Gramcidin D（来源于B. brevis）、Polymyxin（来源于B. subtilis）等，并在防治由SRB导致的腐蚀方面都能起到很好的积极效果。因此认为，通过优化微生物系统来阻止或缓解由SRB导致的微生物腐蚀，如将抗菌基因克隆并使之于更适于在工业系统中生长的细菌中进行高效表达等，对于抑制SRB并解决由此带来的腐蚀问题是完全可行并具有极大发展潜力和吸引力的方向[9,14-16]。

2.3 兼具硫酸盐还原和反硝化功能细菌的代谢调控

自然界中也存在同时具有硫酸盐还原和反硝化功能的菌株（作者在此称为异化SRB），并且这种异化SRB代谢还原NO3-的能力要比我们当前的认知要广泛和普遍地多[19,29-31]。由于异化SRB兼具有SRB还原SO42-产生S2-的功能，同时也具有NRB还原NO3-/NO2-的特性，因此当其主要表现为SRB的功能时，能将SO42-还原产生S2-进而导致严重的油藏酸化和腐蚀问题；当主要表现为NRB的功能时，能将NO3-/NO2-还原为N2、NOx或NH3等，因此在此情况下不会因为产生S2-等导致负面影响，即对减少由SRB导致的危害有一定的积极作用。

已有研究证明，在特定的环境条件下异化SRB硫酸盐还原能力和反硝化功能可以实现转换，产生这些不同功能作用的响应和调控机理可能是由于菌株对不同环境适应性的结果，甚至是如果细菌群体中不存在维持这种能力的选择压力，就会导致产生的这种能力最终消失[29-31]。因此，加强异化SRB代谢规律的研究和考察，并使之能定向地进行除产生硫化物的硫酸盐还原之外的其他代谢，将对减少对其他物质和方法的依赖和缓解由其本身带来的腐蚀危害具有重要的现实意义。

2.4 噬菌体对SRB的裂解杀菌作用

噬菌体是天然的、对微生物宿主具有高度特异性而对包括人类在内的其他生命形式不具有危害性的细菌溶菌性病毒，因其利用寄主细胞内的各个元件控制了宿主细胞的代谢，并最终通过释放溶菌酶破坏宿主细胞的细胞壁而使宿主细菌裂解而死亡直至彻底清除；另一方面，噬菌体是广泛存在而且多种多样的，更为重要的是，由于噬菌体在脱离宿主的条件下是难以生长而存活的，因而噬菌体构成的制品被认为是无毒的，其应用不需保护装置而且在其应用后无需其他特殊的处理，因此开发基于溶菌性噬菌体的新型生物杀菌剂已日益引起研究学者的关注和兴趣[10]。但需要指出的是，由于噬菌体对宿主具有极强的特异性，同时尽管人们期望噬菌体理想的靶标（即宿主）是产生H2S的SRB，但SRB并不是一种同质的细菌组织而是一个表型而非分类学的分类，由此导致了对噬菌体特定微生物靶标的了解和掌握不够，此外加上对噬菌体不同种间及噬菌体详细的溶菌、杀菌行为模式缺乏深层次了解，都导致了对研究和开发基于噬菌体的生物杀菌剂进展不大，尽管已有实验研究证实了其可行性，但离实际应用还需要相当的工作[10,12]。

2.5 其他微生物菌株的作用

目前，已有研究报道筛选出耐无机硫化物和杀菌剂作用的F菌株，不仅能够影响和改变地层特性（如孔隙度、渗透率等），降低硫化物的危害，减少对原油的降解，而且能够起到有效抑制或杀灭SRB的作用[2,4]。

3 结语与展望

硫酸盐还原菌危害的微生物防治方法虽然是一种高效环保型方法，且能从源头上解决SRB及其导致的腐蚀问题，目前已经取得了很好的效果。但是关于该方法的成功运用还有赖于相关问题的解决：

（1）关于防治SRB及其导致腐蚀危害的防腐菌种的机理研究，还需要进行持续、大量深入的研究和探索工作；

（2）通过注水向油藏中投加NO3-/NO2-的方法，虽然可以发挥反硝化竞争抑制SRB的作用，但由于各油田微生物非常丰富且变异迅速，尚没有一种统一的生物抑菌剂配方对各油田均有效果，因此需要具体问题具体分析，即根据各油田的实际情况设计合适的生物抑菌剂配方。同时该方法中投加的NO3-/NO2-导致的腐蚀问题，以及连续加药导致的成本问题也是该方法需要解决的技术难题；

（3）利用好养成膜菌形成生物膜分泌的抗菌肽等对SRB的杀菌作用虽然具有很明显的效果和相当的新颖性，但是该方法的突破与凑效还需要借助于分子遗传学和基因工程技术如基因的异源高效表达、蛋白工程技术如对抗菌肽的靶向修饰以增强效应以及生物膜与环境间信号响应的细胞生物学研究等；

（4）利用异化SRB治理或缓解由其硫酸盐还原作用生成硫化物导致的腐蚀为解决微生物腐蚀提供了一个全新的视角，但由于异化SRB兼具的硝酸盐还原作用也会导致对投加的NO3-/NO2-的利用，因此异化SRB技术的成功应用还在很大程度上取决于对其利用SO42-和NO3-/NO2-能力的代谢调控，即使代谢流向不产生硫化物途径的定向调节、放大与最优化，微生物基因工程和代谢工程技术的研究可作为重要的发力点；

（5）由于油田生产的操作都是在特定的高温高压等环境下进行，因此加强能够抑制SRB菌株的筛选，特别是能适应这种特殊工况条件的抑制菌株的筛选，并对它们进行进一步的研究和优化，最终使之成为能直接应用于现场的微生物菌群，将对微生物治理SRB及其导致的危害具有更为实际的指导意义。

最后，有效防治油田生产系统中SRB及其危害的微生物学方法的寻找，还需要在以上相关问题突破的基础上将这些防治方法综合考虑并分工应用于油田系统，现场进行和效果验证，才能真正找到凑效的实用方法，使之能更好的服务于油田生产，带来巨大的经济和社会效益。