文明薪火

甲烷菌是细菌的一种，是一种在厌氧条件下以甲烷为特异代谢产物的细菌，其代谢产物为甲烷和二氧化碳。

人类与甲烷菌相识已久

可以生成甲烷的微生物称作产甲烷菌，这些生物都属于原核生物中的古细菌，是厌氧菌，生长繁殖特别缓慢，培养分离比较困难。产甲烷菌只能在完全缺乏氧气的环境中被发现。只有产甲烷和发酵作用能够在只有含碳化合物作为电子受体的情况下发生。通过产甲烷作用，有机废物可以转化成有用的、无色、略带一点酸臭的可燃性气体甲烷（沼气）。产甲烷作用同样在人和动物的肠道中发生。

甲烷菌很古老，大概是地球上最古老的生命体之一。在地球的初始状态下，特殊的环境使得甲烷菌得以诞生。它们不需要氧气仅靠简单的碳酸盐和甲酸盐等物质就可以很方便地呼吸并维持生命。它们具有生命实体——细胞，而且开始自然繁殖，它们就是生物的鼻祖。

古细菌——地球生命的“鼻祖”

今天，地球早已经不比当初，而甲烷菌却依然保持着本性，仍然厌氧。如今的甲烷菌有着广泛的“食物”来源，例如，杂草、秸秆、树叶，食堂里的残羹剩饭，还有动物粪尿，甚至垃圾等，这些都是甲烷菌的最好食物。在沼泽和水草茂密的池塘底部，一般是极为缺氧的，甲烷菌常常躲在这里饱餐，同时呼出气来，这就是所谓的沼气泡。

甲烷细菌生长很缓慢，在人工培养条件下需经过十几天甚至几十天才能长出菌落。有的甲烷细菌需要培养七八十天才能长出菌落，在自然条件下甚至更长。菌落也相当小，特别是甲烷八叠球菌菌落更小，如果不仔细观察很容易遗漏。菌落一般圆形、透明、边缘整齐，在荧光显微镜下发出强的荧光。

甲烷细菌生长缓慢的原因，是它可利用的物质很少，只能利用很简单的物质，如二氧化碳、氢气、甲酸、乙酸和甲基胺等。这些简单物质必须由其他发酵性细菌，把复杂有机物分解后提供给甲烷细菌，所以甲烷细菌一定要等到其他细菌都大量生长后才能生长。同时甲烷细菌世代时间长，有的细菌20分钟繁殖一代，甲烷细菌需几天甚至几十天才能繁殖一代。

甲烷细菌不能在有氧气处生存，它们只能生存在完全缺氧的环境中，比如湿地土壤、动物消化道和水底沉积物等。甲烷作用也可发生在氧气和腐烂有机物都不存在的地方，如地下深处、深海热水口和油库等。

产甲烷细菌是沼气发酵中最终的甲烷产生者，是沼气发酵的关键菌之一。这群细菌的活性如何，它们与参加沼气发酵的其他菌群的协同关系如何，是最终决定沼气发酵正常与否的关键。

老油田“复活”的“点睛”之物

早在20世纪末，德国科学家首次在国际著名期刊《自然》报道了石油烃可以被厌氧微生物降解转化为甲烷。但是，这种生物降解过程与传统的沼气发酵类似，需要多种不同类型的细菌和古菌，通过互营代谢来完成。

2008年，加拿大科学家在《自然》报道了油藏中也存在这样的混合菌群降解原油产甲烷过程。

过去的观点认为，产甲烷古菌仅能通过乙酸发酵、二氧化碳还原、甲基裂解和氧甲基转化等四条途径产生甲烷。其所能利用的底物非常简单，主要是一碳或者二碳化合物。

已经投入的采油技术有很多种，但使用传统的原油开采技术，难以驱动地下油藏全部原油的运移，仍然有过半原油开采不出来。科学家相信，能在油藏环境中存活的厌氧微生物有可能成为人类的帮手。利用沼气发酵原理，将液态原油降解成气态甲烷，形成油气共采，是科学家致力于探索的一条道路。

我国农业农村部沼气科学研究所（简称沼科所）能源微生物创新团队与深圳大学、德国马克斯普朗克海洋微生物研究所、中石化微生物采油重点实验室等单位合作，发现一种来自油藏的新型产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。

这一研究完善了碳素循环的生物地球化学过程，并为枯竭油藏残余原油的生物气化开采——“地下沼气工程”奠定了科学基础。

氧微生物是地球上数量最多、物种最丰富的生物资源。但由于技术原因，目前分离鉴定的厌氧微生物物种不足0.1%，大部分还属于“微生物暗物质”。科学家知道它们存在，但是不知道它们是一种什么样的存在。

我国沼科所一直从事厌氧微生物的基础和应用研究，几十年以来，保存有全国最大的厌氧微生物模式物种近600种（全球有2000多种），是我国沼气工程标准的主要制定者，开发设计建造了一系列有代表性的户用和大中型沼气工程。这为找到可直接降解石油烃的微生物奠定了科研基础，也为老油田的“复活”奠定了基础。

意外发现的神秘古菌

产甲烷古菌是一种独特的厌氧微生物，对氧气敏感，通常在空气中暴露几分钟就会死亡。它之所以被称为“古菌”，是因为这种独特的生命早在35亿年前就存在于地球之上。它拥有很多头衔：地球上最早的生命形式之一、全球大气甲烷排放主要贡献者、沼气发酵过程中的关键功能微生物。

2019年，我国沼科所的科研人员通过数十年的前期工作，获得了一个利用长链石油烃产甲烷的培养物，它可以直接降解C13到碳C34的长链烷烃，以及侧链烷烃大于13的环己烷和环己苯。

几乎在同时，国外科学家提出了自然界中可能存在直接降解烷烃产生甲烷的新古菌的观点，但是没有证据支撑。我国科学家在重新分析2019年发现的培养物的时候，的确发现了它的踪迹，而且丰度非常高。但这个培养物中还有多种微生物，需要提供多个不同维度的证据。

科学家首先通过稳定碳同位素标记试验，证实加入的正构烷烃几乎完全转化为甲烷和二氧化碳。再通过进一步的微生物学分析，发现了一种新型的古菌具有完整的烃降解与甲烷产生的代谢途径，而且产生甲烷的能力相当高，不需要通过互营代谢来完成。这一类古菌仅凭“一己之力”就完成了互营代谢中需要多种细菌和古菌联手才能完成的分解“工作”。研究人员因而提出了第五种甲烷产生途径。

我国微生物学家认为：“第五种甲烷产生途径的提出，完善了我们探索全球碳素生物地球化学循环的认知。”这也说明在油藏条件下，还有丰富的未知微生物存在，它们有着不同的功能。其中一些微生物以不同的方式在降解原油，将其转化成甲烷或天然气。

多样化的应用前景

传统的原油开采技术，主要是应用化学物质或水压力来驱动地下深层的原油运移。这种利用物理和化学方法采油的技术，仍然有超过一半的原油残留在地下油藏，难以被开采利用。基于这项与甲烷菌有关的研究成果，将有可能利用地下厌氧微生物的作用，把液态的原油降解成气态的甲烷，形成油气共采，最终达到比较高的原油开采利用率。也可延长油藏的开发寿命，有望让老油田“复活”。

这项由“0”到“1”的基础研究认知，为人们开发“地下沼气工程”奠定了理论基础。地下的油不用抽出来，可以直接把油变成气，让气体出来，进行甲烷的收集。这相当于我们把沼气池修在了几千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大“地下沼气池”。基于该项成果的技术攻关一旦突破，对枯竭油藏进行油气共采，增产的油气总量将达到数亿吨，将为缓解我国能源对外依赖度，保障国家能源安全提供科学支撑。

由于省去了原油开采炼化加工等巨大的排碳过程，代替以绿色可持续的生物转化过程，直接获得甲烷这一清洁能源，减少了碳排放，这是一项绿色环保低碳技术。当然，这还需要国家作顶层设计，整合全国的优势力量，依靠科学家和工程技术人员更多的攻关和努力才能完成。这种新型产甲烷古菌，将有可能作为一种全新的合成生物学的基础性细胞，具有更广泛的应用前景。

作者：王大锐（中国石油勘探开发研究院）

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