① 石油微生物脱硫原理
用于脱硫的微生物及脱硫机理
已从炼油厂污水处理的活性污泥、煤焦油污染的或煤矿附近的土壤、温泉、实验室培养菌中筛选分离出一些可用于脱硫的微生物，其中大多数微生物对脱除无机硫及非杂环硫较有效，对杂环硫的脱除效果甚微. 少数可脱杂环中有机硫的微生物有两种氧化方式: C-C键断裂氧化和C-S键断裂氧化. 在前一途径中, DBT的一个芳香环被氧化降解, 杂环硫不从环中脱除, 而是生成水溶性3-羟基-2-醛基-苯噻吩除去, 导致烃燃烧值降低. 而在后一途径中杂环硫被脱出但不引起芳香环碳骨架的断裂, 这是一个较为理想的途径，因此受到重视.
脱除无机硫的微生物主要是化能自养菌属Thiobacillus sp.以及嗜热硫化裂片菌属Sulfolobus sp.中的一些菌. 这些菌氧化无机硫化物有间接作用和直接作用两种作用机理. 间接作用机理为细菌氧化溶解Fe2+，生成的强氧化剂Fe3+再将硫化物氧化生成S0，然后Fe2+又被氧化，沉积在煤和石油中的硫再被Fe3+氧化生成水溶性硫酸盐. 直接氧化的机理则为细菌直接与硫化物的含硫部位接触, 在细菌生物膜内作用生成还原性谷光甘肽(GSH)的二硫衍生物GSSH，GSSH被一氧化酶氧化并水解成亚硫酸盐，亚硫酸盐又被氧化为硫酸盐，生成的还原性辅酶被细胞色素氧化还原剂中的溶解氧再氧化. 细菌的直接作用着重于还原性硫的酶氧化. 这两种途径作用的产物都是水溶性的，因此，脱硫的同时也脱除了燃料中的金属.
研究较多的脱有机硫菌有以有机硫化物(主要是DBT)作为碳源断C-C键的Pseudomonas sp.和Brevibacterium sp.菌，还有以DBT作为唯一硫源的专一性断CS键的Rhodococcus Strain, Sulfolobus Scidocaldarius., Desulfovibrio desulfuricans M6及Corynebacterium sp.菌\. 微生物脱有机硫有两种途径，由于中间产物和终产物的不同，C-S键专一断裂途径中又可能存在三个不同序列.
② 微生物采油的微生物采油机理
微生物采油是技术含量较高的一种提高采收率技术，不但包括微生物在油层中的生长、繁殖和代谢等生物化学过程，而且包括微生物菌体、微生物营养液、微生物代谢产物在油层中的运移，以及与岩石、油、气、水的相互作用引起的岩石、油、气、水物性的改变，深入研究作用机理显得尤为重要。
武平仓等[6]对原油受实验微生物作用生成的气体进行研究，发现C6以下气态烃的含量增加幅度达90%—100%；气体中烃的总含量由28.090%增加到54.145%，增加幅度接近93%。同时有N2、CO2、H2生成。生成气可改善原油在地层条件下的流动性，大量气体在油藏中生成也会产生驱油效果。大港油田、青海油田重复试验证明微生物作用后原油高碳烃密度减少，原油组成改变[7]。Statman 等[8]等对微生物作用前后油样对比发现作用后油黏度变小。Onyekonwu等[9]对微生物作用前后的油样进行对比分析，发现长链烃含量相对减少，短链烃或中链烃含量明显增加，从而使原油结构中轻质组分含量增加.微生物能作用芳烃可以对芳环上的取代支链发生断链作用.，胶质分子中取代基的平均分子链长也有变化。原油受微生物作用后生成大量的可带羰基的化合物如酸、酯、酮等。这些有机物可以很好改变原油物性，使原油变得容易开采,从而提高产量.何正国等还进行了人造岩心驱替实验，微生物在水驱后的岩心中活动，作用原油，可明显观察到有产气现象出现，对收集到的生物气进行气相色谱成份分析得知，微生物作用原油能够产生短链烷烃气和二氧化碳等。气体有利于产层压力增加从而提高产量。在注微生物于含原油岩心培养72h后，对各岩心进行水驱，没有注微生物的对照试验岩心几乎无油驱出；而注入微生物的岩心均有油驱出，采收率有明显提高，且驱出的油粘度变小。对驱出液进行镜检，有大量球菌和杆菌存在。包木太[10]等对微生物代谢产物进行分析发现采油微生物代谢过程中除了产酸、生物表面活性剂和气体等代谢产物外，还产生物聚合物和有机溶剂等，所有这些代谢产物都能在不同程度上以不同方式作用于地层原油，改善原油的性质,以利于原油的开采。
一般认为起驱油作用的是微生物产生的气体和表面活性剂，还有产酸作用、对原油的降解作用[11~14]。微生物注入地层后，通过间隙水与临近的油滴结合之后运移，微生物吸附于油滴边界，将烃类分子转化成有机溶剂、表面活性剂、酸、醇，和气体。有机溶剂溶解于石油,降低其粘度，并通过溶解孔喉中重质长链烃类提高有效渗透率；表面活性剂可降低油与岩石和油与水的界面张力，提高驱油效率，改变岩石润湿性,使岩石更加水湿；消除岩石孔壁油膜，提高油相流动能力；分散乳化原油，降低原油粘度。酸能够降低油和孔喉中碳酸盐含量，侵蚀石英和碳酸盐表面以提高有效渗透率，并通过与碳酸盐反应产生CO2降低石油粘度，引起油滴膨胀。气体溶解于油，降低粘度，通过引起油滴膨胀起到物理驱油作用。微生物还产生两种未知醇类，这些都是微生物在发酵原油过程中的代谢产物，它们有利于改善原油粘度，类似轻度酸化，增加岩石孔隙度，从而提高原油产量。新繁殖的细菌不断产生并连续起作用，将以前不能流动的石油变成能流动的石油，从而提高了产量。胜利油田和大港油田都曾应用微观模型研究驱油过程，分析微生物产生的表面活性剂对残余油的增溶、乳化和互溶现象，提出孔隙胶束增溶、孔隙乳化、孔隙两相界面互溶和孔隙隧渗流等机理[15]，但这些机理与化学表面活性剂驱油机理没有太大本质区别。微生物直接驱油机理主要是：①产生的表面活性物质将水驱条件下不能流动的残余油乳化，增加原油流动性。②改变岩石表面润湿性，使油膜从岩石表面剥离，成为流动相。③生物气溶于原油降低其黏度；原油在生物气泡表面向前滑动而降低渗流阻力；大孔隙中的大气泡对液流形成一定阻力，造成”贾敏效应“，具有一定“微观调剖”作用[16]。概括起来，微生物采油的是通过是改变原油组成性质和改变原油的驱油环境，利用气泡和微生物尺寸形成的微观调剖作用，以及微生物附着在岩石表面生长形成生物沉积膜，有利于细菌在空隙中存活与延伸，扩大驱油面积等因素达到提高采油增产目的的。
根据微生物采油作用机理不同，可以对微生物采油的矿场应用类型分为：微生物强化水驱，周期注微生物采油，微生物选择性封堵地层，微生物清蜡和降低重油黏度等[17]。
从已知的采油机理可知微生物提高采油率是一种多用途的技术，应用该技术可以解决原油渗透率低、扫油效率低、流度比不利、气锥进、水锥进、圈闭渍及结蜡结垢等问题， 具体到各种工艺，微生物采油的机理又有所不同，不同的工艺设计可以解决不同领域的问题，这给油田操作者提供了广泛而多样的选择。值得一提的是[18]，不同菌种的代谢产物不尽相同，同一菌种代谢不同营养物的产物也不尽相同，故不同菌种的作用机理有所不同。同一菌种的作用机理往往不止一种。微生物提高原油采收率是多种因素协同作用的结果。目前，微生物提高原油采收率的机理还不十分清楚，还需进一步的研究探讨。
③ 微生物对勘测石油有哪些应用
石油是重要的燃料，在国民经济中起着极其重要的作用。石油都埋在地下很深的地方，为了开采它，人们还得先进行勘探，看它藏在哪块地的下边。勘探时需要打井钻眼，把地下的土样拿来化验。这都需要大量的人力和物力。
随着人们对微生物的了解，利用很简单的培养微生物的方法也能找出石油的藏身之地。原来油田虽然在地下，但油层中有许多烃类物质由于扩散作用能渗透到地壳表面，这就露出了油田的蛛丝马迹。
这些烃类是一些微生物的好食品，烃类越多它们繁殖越快。这时只要从地面找出这些微生物，经过人工培养并测定它们的数量就可以得知这块地下有无油田。1957年国际上用微生物法勘探了16个地区，发现10个地区有油田矿藏。
④ 微生物采油的采油微生物和油藏选择
菌种筛选是微生物采油技术的关键。筛选MEOR菌种所遵循的原则，是所选择的微生物应能适应油层环境条件。首先，所选菌种能在油藏条件下生存、运移并能产生大量对驱油有利的代谢产物；其次，从经济角度出发，所选菌种能以原油为营养源。不同的生物工程目的所需的微生物代谢产物有所不同。MEOR菌种的选择可参考表1[26]。
目前菌种筛选主要向两方面发展[27]，一是提高菌种耐温性，以适合更广的油藏范围；二是只提供部分无机营养物,希望以原油为碳源，降低注入营养物成本。还有的筛选希望得到耐矿化度的菌种。目前已报道的菌种最高可适应85～95℃的油藏条件，耐矿化度高达17g/L[28]，但此条件下活性如何尚无明确报道。大部分油田筛选和应用的菌种是烃类氧化菌系，可降解部分正构烷烃，对原油有一定降黏作用，适合30～60℃温度[29]；也有些工艺不需要筛选菌种，如内源微生物驱油[30]和活性污泥驱油。微生物种类鉴定比较复杂，仅少数油田对其使用的微生物进行了属水平的鉴定和对环境的毒性鉴定。胜利油田初步建立了石油微生物菌种库以及菌种数据库，收录了100多株菌种的微生物学特征、性能参数和应用情况。 MEOR菌种既可以是好氧菌，也可以是厌氧菌。油藏处于缺氧状态,而在油藏处理过程中不能保持绝对无氧状态,故所用菌种最好为兼性厌氧菌。兼性厌氧菌的优势还在于可以在好氧条件下培养，以缩短培养时间。好氧代谢比厌氧代谢快，先进行好氧培养，后进行厌氧培养，以加快筛选速度。另外，混合菌种可能具有协同作用，驱油效果优于单株菌。菌种的配伍性需通过模拟实验确定。
菌种筛选步骤如下：含菌样品 富集好氧培养 单株菌分离纯化 穿刺接种 富集厌氧培养 室内初步模拟实验 生化、代谢产物测试 物理模拟实验 确定菌种组合。
穿刺接种的目的在于初步判断菌种的需氧性，将好氧菌去除，以减轻下一步厌氧筛选的工作量。室内初步模拟实验就是模拟目的油藏的环境条件，检验试验菌能否在该油藏环境下生存[31]。 菌种性能评价对菌种进行性能评价的目的在于筛选有利于微生物采油的菌种。菌种性能研究菌种性能评价包括其生物学特征、代谢产物分析、稳定性及对油藏环境的适应性，混合菌还需要进行菌株复配实验[32]。一般用于评价的指标是：最大菌体浓度，表面张力降低幅度，培养液pH值及粘度的变化，产生气体的量及组成，原油组成变化等。已报道的有以下3类评价方法。
分析原油被微生物发酵前后的变化
将微生物与原油共同培养后分离出原油，测试原油被发酵前后的变化，包括：①测试发酵前后的黏度、凝固点、含蜡量等物性变化。②用恩氏蒸馏法测试组分变化，发酵后轻馏分增加越多，说明微生物作用越好。③用色谱法分析正构烷烃组分变化，姥鲛烷/C17、植烷/C18比值反映原油流动性，发酵后其值上升说明原油流动性得到改善。不少实验通过测定主峰碳的变化[29，33]或咔唑类化合物的变化来确认原油降解程度。④用色谱柱分离法分析各族组分相对含量变化，了解微生物对哪个族组分影响较大，多数实验证明对正构烷烃有明显影响，也有实验证明对胶质、沥青质有影响。
分析菌液的变化
在有原油存在的环境中培养微生物，测试菌液作用前后的酸度、界面张力变化以及产气量[36]。对代谢产物中生物表面活性剂的分析研究较多，包括影响 其产生的因素、对原油的作用效果以及其成分等[37]，但停留在单项成分的定性或定量分析。
岩心微生物驱油试验
应用人造岩心或天然岩心建立微生物驱油的Lazar模型，一般试验过程是：岩心饱和水、饱和油后水驱，水驱到含水98%或100%时注入一定量配制好的菌液，放入恒温箱培养，测试从模型中排出的液体和气体。另一种是高压驱油模型，岩心培养之前先加压，关闭岩心两端阀门在高压条件下培养一段时间,然后再水驱，测试采收率提高情况。岩心驱油试验还用于研究微生物驱的相对渗透率变化[38] 、微生物用量或微生物段塞与采收率的关系。由于条件限制，多数油田最常测试的是微生物作用前后原油黏度变化。
目前国内在菌种评价方面忽视室内实验条件与现场应用条件的不同,因此偏差较大。微生物本身和其代谢产物都受地层条件的影响，温度、压力、矿化度和岩性等因素的影响还存在一些未知的关系，需要通过室内实验了解各自影响程度。建立完整可靠的评价方法是今后菌种性能评价重点攻关的内容之一。 微生物采油的方法及其优点微生物采油基本方法广义地说主要包括两大类：一类是利用微生物产品如生物聚合物和生物表面活性剂作为油田化学剂进行驱油，称为微生物地上发酵提高采油率工艺,即生物工艺法，目前该技术在国内外已趋成熟；另一类是利勇微生物及其代谢产物提高采油率，主要是利用微生物地下发酵和利用油层中固有微生物的活动，称为微生物地下发酵提高采收率方法 狭义地说微生物采油是指利用微生物地下发酵提高采收率方法。对与厚意种方法，油藏微生物生态问题长期注水开发油藏的地下应存在相对稳定的原地微生物生态系统。微生物采油过程中，注入的微生物与原地微生物能否兼容，注入的营养对原地微生物有什么影响，这些问题还没有认真研究。这些问题是微生物采油技术研究的重要组成部分，也可能成为该项技术发展的突破口。
3.2.1微生物采油的地层环境
各种EOR技术适用的油层条件有一定限制。MEOR也不例外,油层条件有一定限制。在此对现在的E
OR应用界限加以论述。
首先，油层岩质以砂岩或碳酸盐岩为对象，它对微生物没有影响[39]。以碳酸盐岩为对象时，可以期待代谢所产生的酸性物质对碳酸盐岩有溶解作用。还必须考虑粘土矿物等对菌体及营养物的吸附。MEOR微生物与营养源必须在岩石孔隙中移动，在油层中扩散。在pH与离子强度适当的条件下，粘土矿物使微生物在表面上吸附，阻碍微生物在孔隙中的移动和扩散。因此，采用目的油层的岩心，通过微生物渗透性测试进行探讨是必要的。孔隙度与渗透率等因素对微生物的移动，增殖及代谢有影响。微生物的形态有球菌，杆菌，螺旋菌等，长0.5—10μm，宽0.5—2.0μm。细菌需要在目的油层中移动，一定程度的增殖空间是必要的，即某种程度的渗透率是必要的。据报道，细菌可在75×10-3μm2以下的岩心中运移，但通常适用下限为150×10-3μm2左右，在300×10-3μm2以上则更合适。
关于油层深度界限，其实是温度及压力界限，深度是受限制的[40]。微生物生长温度上限，最近研究热水矿场等所得到的超嗜热菌为110℃，一般的好热微生物为100℃左右。但是，适应超过70℃油层的事例，至今几乎没有报道。若以70℃为上限温度，深度界限大约为8000英尺(2438.4m)。油藏中的地层水是微生物群体耐于生长和代谢的媒体，地层水的关盐度，活度，pH以及地层水的溶解的物质对微生物群体的生长和代谢起着重要的作用，超过一定上限值而存在的有好盐性、好酸性及好碱性微生物，一般微生物难适应。以上所述的各种条件是目前水平下的限制,如果新发现特异功能微生物，有可能适应超过这些条件的更广泛的油层[41]。
微生物采油技术的选井条件目前在国内普遍使用的微生物菌液的适用条件为[42]：①油层温度<120℃;②地层水氯离子含量<10×104mg/L；③有毒离子含量(砷，汞，镍，硒)<0～15mg/L；④油层渗透率>50×10-3μm2；⑤原油密度<0.900g/cm3；⑥残余油饱和度>25%；⑦油藏含水率>5%。
3.2.2营养
对于微生物的营养问题涉及两个方面，一个是微生物在注入油井前培养对应的培养基的营养成分，另一个是在井里所需要添加的营养物质。
培养基的筛选虽然在矿场应用中细菌是以原油为营养物质生存繁殖的，但是用于矿场的菌液是在室内用特殊的营养物质精心培养出来的，这些营养物质通常称为培养基，主要由有机物质和微量元素混合而成，不同的细菌所需要的培养基不一定相同，用不同的培养基培养同一种细菌，其具备的功能也可能不同，甚至会相差很大。要使一种培养基既能够同时满足多种微生物繁殖的要求，又能够使它们在较短的时间里繁殖达到最大密度和具有最强的活性，并且使它们完全保持所需要的使用功能，是一项难度很大的研究工作[43]。
微生物菌种在地下需要一定量的营养物以维持其生长、繁殖和代谢。营养物主要是碳源、氮源、磷源，其中碳源为地层原油，无须补给；其他营养成分需要添加。通过不同类型营养剂筛选实验,选出由铵盐、磷酸盐和生长因子等组成，并用矿场注入污水配制的营养溶液。由于地层水或注入水中含有微生物生长所需微量元素，不需要补充。所以地层状况决定了所需要添加的营养物质[44]。配伍、分散原油等实验结果表明，所选营养液与地层水(或污水)配伍性良好，菌的生长能力与油的乳化性也较好。
对注入地层的微生物所需的营养物质应当是在地层条件下具有热稳定性和化学稳定性的，而且不会与地层液体中的无机盐发生反应而沉淀，以免阻塞地层。另外，在含黏土的地层中，营养液应不至于引起地层黏土膨胀和微粒运移。为避免发生这些问题，确保工程成功，应利用地层水样和岩样进行相关这方面的室内实验。
3.2.3化学剂
油田开发的各个环节基本上都要使用化学剂,只是目的不同,使用的化学剂种类不同,如钻井、修井、完井,压裂、堵水、调剖、固砂过程使用的化学剂,生产过程中使用的缓蚀、防垢、除垢、杀菌剂等油田注入水常用处理剂,油田开发后期化学法提高采收率技术使用的大量驱油剂。这些化学剂视浓度的不同对微生物产生不同程度的影响。相对而言,用量较大的化学剂如注入水处理剂和三次采油驱油剂的影响可能更大。
化学剂对微生物的影响主要有两方面。一是化学剂对微生物细胞结构的影响，一些具有表面活性的物质可直接破坏细胞结构，使微生物死亡。二是化学剂与微生物细胞中某些生化物质结合，使其丧失原有的生化性能，不能正常生长代谢，最终导致死亡。无论是哪一种影响，都与化学剂浓度密切相关。只有化学剂浓度超过一定范围，才能对微生物产生影响。如目前油田注入污水处理多用阳离子季铵盐类以及其与氧化剂的复配物，一般加药量在9～10mg/L，当细菌数高于102个/mL时，药剂加量须加大2～3倍[45]才能控制细菌的生长。在实施聚合物驱的区块常出现高细菌腐蚀速率现象[46]，也是注入的驱油剂中聚丙烯酰胺和甲醛共同影响地层中细菌生长造成的。
当化学剂对微生物生长的抑制作用影响到微生物采油工艺的实施时，就必须消除这种抑制作用。要从根本上消除化学剂对微生物生长的抑制作用，必须从微生物菌种筛选及微生物育种着手。(1)在含有化学剂的地层水中，往往存在由于发生自发突变而能抵抗化学剂不利影响的微生物。可以从产出液中筛选这些微生物，经过二次筛选得到的采油用菌种既可以满足微生物采油的需要又能抵抗化学剂的不利影响。(2)工业菌种的培育运用遗传学原理和技术对某个用于特定生物技术目的的菌株进行多方位的改造,以增加新的性状。通过微生物育种，可以获得在不利化学剂存在条件下生长良好的采油菌种，从而消除化学剂对微生物采油的不利影响。用于工业菌种育种的方法主要有诱变和基因重组。
3.2.4本原微生物问题
长期注水开发油藏的地下应存在相对稳定的原地微生物生态系统。对原地微生物生态系统中可以划分为两类[47]，一类是不利于油藏开采的细菌群落,系指消耗存在于海水中或存在于地层水或含水层水中组成能源链的硫基化合物，而又消耗存在于地层中作为细菌食物的单碳化合物的细菌群落。细菌生长所排泄出的废物，包括硫化氢在内，不但对人有毒害，而且还会使管材和地面油罐等设施遭受腐蚀。还有些有害的微生物在井筒周围(泥浆滤饼和地层中)生长和繁殖得很快，以致使岩石孔隙遭受堵塞，从而降低渗透率；但另有一些微生物却能使所添加的因增产增注后失效的化学试剂分解，而延长井筒的寿命。另一类是有利于采油的微生物—有益的细菌群落，由于在其生长繁殖过程中，能产生诸如溶剂、酸类、气体、表面活性剂和生物聚合物等有效化合物，因而可提高石油采收率。这些细菌及其副产物也就在油层中起到了有效的作用。为此,石油微生物学家都在试图寻找既能使不利于采油的细菌得到抑制而又能促使有利于采油的细菌得到生长和繁殖的方法。
微生物采油过程中，注入的微生物与原地微生物能否兼容，注入的营养对原地微生物有什么影响，这些问题还没有认真研究。这些问题是微生物采油技术研究的重要组成部分，也可能成为该项技术发展的突破口。Yonebayashi[48]在进行境界试验(Halo试验)的同时，采用流体培养基的培养试验到了如下3种结果。①B.subtilisRTC 4126与113菌，只出现竞争对手113菌落，被检菌的增殖受到抑制。②E.CloacaeTU 7 A与113菌，双方都出现菌落，但是没有Halo形成，双方互不影响。③B.licheniformisTRC 182A与118菌，被检菌与竞争菌之间形成典型的境界，被检菌抑制竞争菌。形成透明圈的主要原因，被认为是由于TRC182A所生成的表面活性剂造成了118菌的溶菌。在流体培养试验结果的探讨中，也得到了与境界试验相同的3种类型。
由于本原微生物中本身存在有利于采油的菌种，所以如果利用好这些本原微生物，可以减少微生物菌体对油藏环境的不适应性和与本原微生物的不相容性。所以本原微生物采油技术成为一比较好的研究方向[49]。
由于微生物采油的地层环境对于微生物采油的这些影响，在进行微生物采油前应对油田进行调查。选择矿场试验油田时应了解油层温度、渗透率、孔隙度、原油性质、储层岩性、注水末期等因素的影响。选择一定的注水井和生产井，采集油层水样及注入水样,对这些试样中的微生物种类进行调查，同时采集注入装置处理后的水进行同样的分析作为参考并对存在于油层中的本源微生物进行调查。
值得一提的是，微生物的筛选与油藏微生物生态问题是密不可分的。一定的油藏微生物生态系统决定了微生物菌种的筛选，而已掌握微生物菌种的特性反过来决定了微生物采油的油井选择。
⑤ 微生物如何净化石油污染
石油是多种烃类组成的混合物，仅是一种的细菌不可能完全分解石油。现在科学家们将能降解石油的几种基因，结合转移到一株假单孢菌中，构建“超级微生物”，能够降解掉多种原油成分。在油田、炼油厂、油轮和被石油污染了的海洋、陆地都可以用这种“超级微生物”去消除石油污染。展望21世纪，我们对治理石油污染充满了信心。
⑥ 如何利用微生物勘探石油和提高采油量
微生物采油对低产、枯竭油田特别有吸引力，能提高采收率。
4
、不污染环境
微生物采油技术不污染环境，不损害油地层，可在同一油藏区或同一油井中反复使用。
（三）采油微生物的生物学特性
用于油田开采的微生物一般具有以下鲜明的生物学特征：
1
、厌氧或兼性厌氧。在地层无氧条件下能生长繁殖并进行厌氧发酵，在地上有氧条件下也
能生长繁殖。
2
、在油层高温、高压、高盐等极端环境下能生长繁殖并代谢。
3
、多数采油微生物能以烃类作碳源，能以贮油层
内的无机盐作氮源或作营养元素。
4
、采油微生物必须与其注入油层的环境条件相配伍相适应，要在油层内能运移，能生长繁
殖，能产生有机酸、气体、表面活性物质、生物聚合物、有机溶剂等多种代谢产物。能在
50°
以上的温度及缺氧条件下生长的中度嗜盐细菌，是微生物采油中最常用的菌种。
（四）微生物采油技术
微生物采油技术是指将筛选的微生物或微生物代谢产物注入油藏，
经微生物的代谢活动
和产生的代谢产物，
作用于原油，
改变原油的某些物理化学特性，
从而提高原油采收率的技
术。
根据实施过程与方法的不同，
微生物采油技术可分为地上微生物采油技术和地下微生物
采油技术。
1
、地上微生物采油技术
地上微生物采油技术是指在地上通过微生物发酵、生产微生物的某种代谢产物，如生物
多糖聚合物或生物表面活性剂，
然后将发酵产品注入油藏而提高原油采收率。
该技术的实质
是利用选育的优
良菌种在地上发酵生产采油制剂的技术。
目前，地上微生物采油技术主要是在地上发酵生产采油中广泛应用微生物多糖和微生物
表面活性剂。
（
1
）微生物多糖
据研究，
有百种以上的微生物能产生结构、
性能各异的胞外多糖。
能产胞外多糖的主要
微生物类群是：明串珠菌属、黄单胞菌属、固氮菌属和小核菌属等。
采油工业中应用最广泛的微生物多糖是：
肠膜明串珠菌或葡聚糖明串珠菌产生的右旋糖
酐葡聚糖、
普鲁兰出芽短梗霉产生的普鲁兰糖、
齐整小核菌或葡聚糖小核菌产生的小核菌葡
聚糖。采油中最具开发应用潜力的是野油菜黄单胞菌产生的胞外多糖黄原胶。
（
2
）微生物表面活性剂与乳化剂
以烃为碳源的微生物是生物表面活性剂的重要来源。
因为石油微生物必须分泌表面活性
剂，才能促使烃与水乳化。烃只有均匀地分散在水中，才能被石油微生物吸收利用。所以石
油微生物是表面活性剂最丰富的基因库。
假单胞菌属、节杆菌属、不动杆菌属和棒杆菌属等是产生生物表面活性剂
的主要微生
物类群。微生物产生的生物表面活性剂就其化学组成来分，主要可分为糖脂类和脂肽类
。
分子的极性端或是多羟基的糖类或是氨基酸类，
非极性端是长链脂肪酸的长链烃部分。
微生
物表面活性剂的粗制品或纯品注入贮油岩层，
作用于油一岩石一水三相体系，
降低油水界面
张力，增强油水乳化，提高原油采收率。
2
、地下微生物采油技术
地下微生物采油（
MEOR
）技术是指将在地上模拟油藏条件筛选的微生物菌种与营养物
注入油藏，
微生物在油藏中运移，生长繁殖，
产生多种代谢产物，
作用于原油而提高原油采
收率；
或用生长繁殖的菌体细胞及代谢产物封堵贮油岩层大的孔道，
调整水驱油剖面；
或只
将营养物注入油藏，激活油藏内的原生微生物，靠其生命活动提高原油采收率。
根据单井增产措施的处理方法和提高原油采油率的要求，地下微生物采油可分为
6
类：
（
1
）单井周期注人微生物采油
为提高低产油井的原油日产量，
在油井高压注入采油微生物，
关井，
使微生物运移到油
井周围直径
10m
左右的贮油岩层，经微生物的生命活动，疏通被堵塞的油层空隙通道，增
加原油的流动性，提高原油采收率。
为了保持高产，需要不间断地、周期性地注入采油微生
物。
（
2
）微生物驱油
采油微生物从注水井注入油层，
微生物随注水向油井贮油层深部移动，
同时进行生长繁
殖，并产生多种代谢产物。细胞和代谢产物综合作用于原油，降低黏度，增加原油流动性，
提高原油采收率。
（
3
）激活油藏微生物群落驱油
油藏中存在着天然的微生物群落，
但由于营养物质贫乏，
数量很少。
从注水井将营养物
注入油层，激活天然微生物群落，让其生长繁殖，产生多种代谢产物驱油。
（
4
）微生物选择性封堵
将体形较大且产生表面黏稠物质的微生物菌种从注水井注入，
运移到大孔道或有溶洞的
贮油岩层部位，用生长繁殖的大菌体细胞和表面黏稠物质形成的生物膜封堵大孔道或溶洞，
防止注入水
“
指状
”
流动，提高原油采收率。
（
5
）微生物压裂液压裂
将厌氧条件下大量产生有机酸的微生物及营养物注入空隙度甚小、渗透率很低的贮油
层，在高压下用有机酸溶解岩层使之形成缝隙，有利于原油流动，提高原油采收率。
（
6
）微生物油井清蜡
原油中含蜡量较高，
会析出蜡晶固着在井壁，
堵塞贮油层通往井壁的空隙通道，
降低原
油流动性，
减少单井原油日产量。
注入产生表面活性剂或溶剂的采油微生物，
用其代谢产物
表面活性剂、乳化剂清洗井壁，溶解固形石蜡，提高原油采收率。
（五）微生物在石油污染中的生物修复作用
1
降解石油的微生物种类及分布
据目前的研究
,
能降解石油的微生物有
70
个属
,
其中
28
个属细菌
, 30
个属丝状真菌
, 12
个属酵母
,
共
200
多种微生物。海洋中最主要的降解细菌有：无色杆菌属
(Achromobacter)
、
不
动
杆
菌
属
(Acinetobacter)
、
产
碱
杆
菌
属
(Alcaligenes)
等
;
真
菌
中
有
金
色
担
子
菌
属
(Aureobasidium)
、假丝酵母属
(Candida)
等。石油降解菌通常生长在油水界面上
,
而不是油液
中。据丁美丽等
[5]
在胶州湾的实验证明
,
胶州湾的石油降解菌在表层水体中的最高值可达
4.6×
102
个
/mL
。
石油降解菌数量仅与海水的石油污染情况有关。
石油降解微生物的种类和
数量对海洋中石油的降解有明显的影响。
一般情况下
,
混合培养的微生物对石油的降解比纯
培养的微生物快
,
但是崔俊华等在实验中筛选出了
7
株高效原油降解菌。
2
石油降解菌的作用
（
1
）作为油污染的生物指示
以往大多数调查结果表明
,
在海洋中石油烃降解细菌的数量或种群与水域受到油类物
质污染的程度有密切关系
,
通常在被油污染的水域中
,
石油烃降解细菌的数量明显地高于非
油污染的水域。
烃类降解菌数和异养细菌数的比值能在一定程度上反映水域受油污染的状
况。
丁美丽等在胶州湾的工作以及史君贤等在浙江省海岛海域的工作都证明了这一点。石
油污染可以诱导石油降解菌的增殖及生长
,
Atlas
报道在正常环境下降解菌一般只占微生物
群落的
1%,
而当环境受到石油污染时
,
降解菌比例可提高到
10%
。说明石油污染可以使降
解菌发生富集
,
降解菌可以作为石油污染的生物指示。
（
2
）通过自身代谢作用降解石油
向水体中投加菌种净化水体的技术是从清除海洋石油污染开始的。
实验室研究表明
,
单
一菌剂除油率为
20%
～
50%,
而混合菌剂除油率可达
71.4%
。
丁明宇等
[8]
从青岛近海海水中
分离、
筛选到
73
株细菌和
10
株真菌
,
并对其降解石油的能力进行了研究
,
结果表明
,
多
数菌具有明显的降解石油的能力
,
其中
,
有
3
个菌株对石油的生物降解率分别高达
58.35%
、
62.75%
、
71.06%
。史君贤等
[9]
在浙江沿海海水中分离石油烃降解细菌
,
并实验
证明降解菌对正烷烃有明显的降解作用
,
混合菌株的降解率明显高于单菌株的降解率。在
20
℃的条件下
,
经过
21d
后
,
绝大部分的正烷烃被降解
,
总的降解率为
94.93%,
其中细菌
的降解率为
75.67%,
理化降解率为
19.26%
。在实施接种的现场生物修复处理中
, 1990
年在
墨西哥湾和
1991
年在得克萨斯海岸都获得了成功
,
现场观察表明
,
在开放水体中添加降解
菌是有效的。
（
3
）合成生物表面活性剂
,
加速石油的降解
生物表面活性剂
(Biosurfactants,
简称
BS)
是细菌、
真菌和酵母在某一特定条件下
(
如合
适的碳源、
氮源、
有机营养物、
pH
值以及温度
) ,
在其生长过程中分泌出的具有表面活
性的代谢产物。
生物表面活性剂可以强化生物修复
,
它能将烃类物质乳化
,
进而促进其降解
,
尤其适合处理海上溢油。
Chabrabarty
曾报道
,
由
Pscndomona
acruginosa
(
铜绿假单胞菌
)
生成的一种生物表面活性剂
(
海藻糖酯
)
由于能有效地将石油分散成水液滴
,
因而可促进石油
污染海岸的生物修复
,
大大提高了
Exxon
Valdez
原油泄漏造成的阿拉斯加污染区域石油烃
的降解速度。
（
4
）基因工程菌
基因工程菌是将不同细菌的降解基因进行重组
,
将分属于不同细菌个体中的污染物代
谢途径组合起来以构建具有特殊降解功能的超级降解菌
,
可以有效地提高微生物的降解能
力
,
从而提高生物修复效果。
通常石油降解菌只能降解某一种石油成分
,
并且由于石油的种类不同
,
所需降解菌也不
相同
,
天然环境中存在的石油降解菌不能高效地降解多种石油成分
,
使基因工程菌的出现成
为必然。同时
,
复杂的烃类化合物混合物的降解需要有混合菌株的参与
,
但不同菌株之间可
能会产生竞争或拮抗作用
,
从而对降解产生负面影响。使用基因工程菌可以避免此类问题。
目前
,
已有人在实验室条件下获得基因工程菌并在实验室取得满意的降解效果。
例如美
国的
Chakrabaty
等使用具有
CAM
、
OCT
、
XAL
和
NAH4
种降解质粒的
“
多质粒超级
菌
”
,
可以使海上浮油在几个小时内降解
,
而在自然条件下这些浮油需要
1a
时间才能被降
解。这项技术取得了美国的专利权。但是考虑到在开放环境中使用基因工程菌的安全问题
,
目前基因工程菌的使用仅限于实验室
,
尚不能大规模使用。
另外
,
目前在研制基因工程菌时
,
都采用给细胞增加某些遗传缺陷的方法或是使用携带一段
“
自杀基因
”
,
使该工程菌。在非
指定底物或非指定环境中不易生存或发生降解作用。
3
微生物降解石油的方式
石油烃化合物可分为
4
类
:
饱和烃、
芳香族烃类化合物、树脂及沥青质。其中
,
短链
的饱和烃在溢油发生初期通过挥发等作用进入大气
,
其他的石油烃中
,
饱和正烷烃最易降解
,
其次是分支烷烃
,
再次是低分子量芳香烃
,
多环芳烃很难降解
,
树脂和沥青质极难被降解。
直链烷烃的降解方式主要有
3
种
:
末端氧化、
亚末端氧化和氧化。
芳香烃在好氧条件
下先被转化为儿茶酚或其衍生物
,
然后再进一步被降解。
高分子量多环芳烃降解菌报道很少
,
许多四环或多环高分子量多环芳烃的降解是以共代谢
(Cometabolism)
的方式进行的。但是共
代谢完全是间接或偶然的事件
,
并且风险较大
,
可能会产生比母体毒性更大的化学物质。
树
脂和沥青质极难被降解
,
但是有报道称
,
有着复杂构造的树脂和沥青质也能受到某种程度的
分解
[14]
。
冷凯良等的实验表明
,
微生物降解原油代谢产物主要是乙酸和棕榈酸为主的脂肪酸与
鼠李糖形成的糖脂类表面活性剂。
4
石油降解菌的获得
由于天然海洋环境中石油降解菌数量较少
,
一旦发生溢油
,
不能及时对石油进行降解
,
所以
在溢油发生后一般要向环境中添加石油降解菌以保证石油的高效降解
,
但是考虑到安全等
方面的问题
,
菌种不能盲目投加。
一般来说
,
可以把取自自然界的微生物
,
经人工培养后再
投入到污染环境中去治理污染。
具体到海洋石油降解菌的获得
,
一般为
:
首先选择油污染环
境
,
从中分离出适应性菌株
,
并将其中的石油降解菌富集培养
,
通过反复适应和驯化或遗传
修饰进行进一步筛选
,
从而培养出高效降解的菌株
,
将其进一步繁殖后投加至受污染环境中
或分类保存。
根据微生物与石油的作用机制
,
选择高效降解微生物的标准包括：
( 1)
对石油有较高的耐性。
( 2)
对海洋环境的适应性较强。
( 3)
对石油的降解效率高
,
专一性强。
( 4)
不影响海洋环境中原有的生物多样性。
虽然微生物修复主要是依靠微生物的降解能力降解污染物
,
但是微生物对污染物的分
解、转化也是需要条件的
,
所以除了投加高效降解菌之外
,
还要为这些降解菌创造必要的生
存、
降解条件。这样才能有效地进行石油污染修复。
5
影响微生物降解石油污染物的因素
微生物在降解石油污染物的过程会受到营养元素、表面活性剂、
O
2
通量、温度、
pH
值
等外界因素的影响。其中
,
营养元素对降解率的影响较大，尤其是
N
、
P
元素。
何良菊等专门
对石油烃微生物降解的营养平衡进行了研究，
表明氮、
磷营养物质的缺乏直接限制了石油烃
的微生物降解
,
但添加过量反而有抑制作用
,
因而存在一个经济合理的添加量及添加比例，实
验表明氮磷比在
5
∶
1~6
∶
1
比较适宜，
,
无机氮源比有机氮源好，硝酸盐形式的氮比铵态的
氮更合适。而国内有其他研究却更倾向于氮磷比为
1
：
1
，且最佳氮源为氯化铵，最佳磷源
为磷酸氢二钾和磷酸二氢钾。两种研究得出的结果不一致。
表面活性剂是影响降解效率的又一重要因素。表面活性剂对石油烃具有一定的增溶和
分散作用，
从而对石油降解菌的降解效率有重要作用，
而有研究则指出表面活性剂对微生物
存在一定毒害作用。
刘庆新等通过研究，
表明表面活性剂的加量多少对石油烃降解菌的影响
比较复杂：
加少量的表面活性剂会促进石油烃降解菌的生长，
但随着表面活性剂加量的增加
,
菌量反而减少，证实了上述论断。
在自然环境中，大多数的石油烃类是在好氧条件下被降解的，但是微生物对石油烃的
降解在有氧及缺氧两种情况下都会进行，
最近有研究表明厌氧降解对饱和烃及芳香烃有着极
为重要的作用。
能降解石油的微生物有嗜冷菌、嗜热菌和嗜中温菌，因此在温度低于
0
℃和在
70
℃左
右的环境中均有能降解石油的微生物，大多数石油降解菌属嗜中温菌，最适温度在
30
℃上
下，温度过高过低都会对降解效率产生抑制。
普遍认为石油降解菌是产酸菌，且适宜生长于中碱性环境中。刘庆新等研究得最佳
pH
值为
8.0
，而其文章中也指出与一般认为的
7.0
不符。而
Stapleton
[20]
等发现在
pH 2.0
的一处
土样中，萘和甲苯仍然被降解为
CO
2
和
H
2
O
。
6
生物降解石油烃污染物的应用
利用生物降解石油烃类污染物最早见于
20
世纪
80
年代末美国在
Exxon
Vadez
油轮
石油泄露的生物修复项目中，
该项目在短时间内清除了污染，
治理了环境，
是生物修复成功
应用的开端，同时也开创了生物修复在治理海洋污染中的应用。
20
世纪
90
年代以来，生物
修复技术在石油污染治理方面逐渐成为核心，
取得了理论突破和重要成果。
国内学者也做了
大量工作，但主要为石油污染土壤和地下水的生物修复研究
[38]
，对海洋石油污染的生物修
复研究相对较少，
而且研究工作也大多停留在实验室模拟实验的水平上。
闫毓霞利用土着微
生物对胜利油田含油污泥进行修复实验；黄廷林等
[40]
对黄土地区石油污染土壤进行了室内
模拟生物修复研究。
石油降解菌在实际应用中存在着很多问题，集中表现在投加高效石油降解菌来处理污
染时：投加菌面临与土着微生物的竞争作用；投加菌需要适应新的生长环境；
投加菌要经
受环境污染物的毒性影响。这些压力使接种的外源微生物的存活率很低或者活性较弱
,
限制
了它的实际应用。
7
展望
石油降解菌降解石油烃类污染物具有物理、化学方法所不具备的优点，它高效、经济、
安全、
无二次污染，
在机械装置无法清除的薄油层而且化学药剂被限制使用时，
生物法处理
溢油的优越性便更加显着，
具有广阔的研究及应用前景。
目前国内外对石油降解菌的研究呈
现出一定特点：
(1)
对一般性降解菌研究多，对极端环境下的石油降解微生物研究少，尤其是对低温、
耐盐的石油降解菌。中国北方的大部分湿地，盐碱程度比较高，常年气温（尤其冬季）气温
较低，
而无论是来源海上还是来源于石油化工的污染都比较严重。
在这种条件下的石油降解
菌研究具有很广阔的前景。
(2)
对石油降解菌的研究多而应用少。
对石油降解菌的所有研究到最终肯定要归结到实
际应用中去，
目前国内很多学者都对石油降解菌的单纯研究感兴趣，
同时出现了大量的重复
研究。国外已有成功应用先例，证明石油降解菌可以用来修复实际污染，国内仍止步不前，
难于踏出实际应用的第一步。
随着大量学者的不断研究，对石油降解菌的认识肯定会不断深化，其应用也会逐渐成熟