研究人員發(fā)現(xiàn)，居住在水力壓裂頁(yè)巖地層的微生物通過(guò)一條知之甚少的途徑產(chǎn)生有毒的腐蝕性硫化物。該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果于本周發(fā)表在美國(guó)微生物學(xué)會(huì)開(kāi)放獲取期刊mSphere上，該研究結(jié)果表明，石油和天然氣行業(yè)可能需要新的方法來(lái)監(jiān)測(cè)和減少裂縫性頁(yè)巖中產(chǎn)生硫化物的細(xì)菌。

“這是一個(gè)非常荒涼的環(huán)境，高壓，鹽度和溫度在地下2000米左右。你會(huì)認(rèn)為在壓裂過(guò)程中引入的微生物會(huì)死亡，但其中一些會(huì)讓自己過(guò)上好日子，”Mike Wilkins說(shuō)道。哥倫布俄亥俄州立大學(xué)的環(huán)境微生物學(xué)家和該研究的高級(jí)研究員。“該行業(yè)花費(fèi)了大量資金試圖將微生物排除在這些系統(tǒng)之外。”

水力壓裂，也稱(chēng)為“壓裂”，涉及將水，砂和化學(xué)品高壓注入頁(yè)巖地層，以形成釋放油和氣的裂縫網(wǎng)絡(luò)，將其泵送回地面并回收。僅在過(guò)去十年中實(shí)踐，對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)中的微生物生態(tài)系統(tǒng)知之甚少。

產(chǎn)生硫化物的微生物導(dǎo)致鉆井作業(yè)的多個(gè)問(wèn)題。氫硫化物可以“酸”的阱，并且必須從油和氣體中的昂貴的工藝分離。硫化物可能對(duì)鉆井墊上的工人有毒，并且還會(huì)腐蝕性地降解金屬管道。微生物本身可以通過(guò)用生物質(zhì)或排泄的沉淀物填充微小裂縫來(lái)破壞提取過(guò)程。

威爾金斯的團(tuán)隊(duì)之前發(fā)現(xiàn)，特別是Halanaerobium的一個(gè)細(xì)菌家族主導(dǎo)了裂縫性井生態(tài)系統(tǒng)。這些細(xì)菌可以將環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的硫代硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物。該團(tuán)隊(duì)與西弗吉尼亞大學(xué)和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作者一起決定跟蹤在俄亥俄州法拉盛附近的Utica頁(yè)巖地層中發(fā)現(xiàn)的微生物群落催化的硫循環(huán)。[俄勒岡州鉆井平臺(tái)的圖像，用于研究。圖片來(lái)源：Rebecca Daly]

威爾金斯說(shuō)：“井不斷地將已經(jīng)存在于裂縫中的液體拉了幾個(gè)月，所以這是一種很好的方法，可以讓化學(xué)和生物學(xué)方法了解那里發(fā)生的情況。”他的團(tuán)隊(duì)在120天內(nèi)收集了液體樣本，以測(cè)量含硫化學(xué)物質(zhì)和存在的細(xì)菌種類(lèi)。

他們發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)始抽取和抽取井液后10天內(nèi)，Halanaerobium達(dá)到了近100%的細(xì)菌群落優(yōu)勢(shì)，并在接下來(lái)的100天內(nèi)保持如此。然后研究小組對(duì)存在的基因進(jìn)行了研究，以尋找能夠催化硫反應(yīng)的酶。他們發(fā)現(xiàn)了多種硫氰酸鹽，一種可以將硫代硫酸鹽還原為亞硫酸鹽和元素硫的酶，以及一種將亞硫酸鹽還原為硫化物的厭氧亞硫酸鹽還原酶。如果Halanaerobium物種將這兩種酶一起使用，微生物可能會(huì)使用環(huán)境硫代硫酸鹽來(lái)生成硫化物。

為了證實(shí)這一點(diǎn)，研究小組培養(yǎng)了從井樣品中分離出的Halanaerobium。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的細(xì)菌產(chǎn)生兩種酶，當(dāng)在培養(yǎng)基中加入硫代硫酸鹽時(shí)，產(chǎn)生硫化物。最后，研究小組測(cè)量了微生物喜歡消耗的特定硫同位素，并發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，樣品中的硫同位素減少了。“這表明這口井中的硫循環(huán)是一種微生物過(guò)程，而不是非生物過(guò)程，”威爾金斯說(shuō)。

目前的工業(yè)測(cè)試僅通過(guò)檢測(cè)硫酸鹽還原活性來(lái)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生硫化物的微生物。“硫酸鹽還原菌在海水和地下水中非常常見(jiàn)，并將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物，”威爾金斯說(shuō)。然而，Halanaerobium將硫代硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物。因此，威爾金斯指出，今天對(duì)這口井的測(cè)試會(huì)錯(cuò)誤地導(dǎo)致油井操作員認(rèn)為沒(méi)有產(chǎn)生硫化物。

“了解哪些微生物正在造成潛在的破壞是非常重要的，以便井操作員可以更好地瞄準(zhǔn)它們，”他說(shuō)。Wilkins說(shuō)，Halanaerobium被發(fā)現(xiàn)在從德克薩斯州到賓夕法尼亞州的裂縫井生態(tài)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，因此改進(jìn)對(duì)硫化物產(chǎn)量的監(jiān)測(cè)可能是全國(guó)井產(chǎn)能的關(guān)鍵。