废弃油井中的石油燃料驱动的甲烷生成过程及微生物烃类氧化作用

《Applied Geochemistry》：Petroleum-fuelled methanogenesis and microbial hydrocarbon oxidation at an abandoned oil well

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　　在德国北部，靠近汉诺威的一个废弃油井“Elwerath”附近，科学家们进行了一项关于土壤气体中甲烷排放的研究。这项研究由马丁·布伦贝格、塞巴斯蒂安·乔丹、格奥尔格·施希德、马丁·克吕格和斯蒂芬·施洛默共同完成，他们隶属于德国联邦地质与自然资源研究所（BGR）。研究发现，该地点每小时排放约40毫克甲烷，这表明该油井可能仍在以某种方式释放天然气和石油成分。土壤气体的地球化学分析证实了这种现象，并进一步揭示了甲烷和高碳氢化合物的来源及其在土壤中的变化过程。

甲烷是一种重要的温室气体，其对全球变暖的贡献仅次于二氧化碳。自1750年以来，甲烷在大气中增加了约25%的额外辐射强迫，这使得它成为气候系统中的第二大人为温室气体。尽管湿地等自然来源贡献了大气中约一半的甲烷，但另一半则与人类活动密切相关，例如钻探和开采油井。然而，废弃油井作为甲烷来源的潜力尚未得到充分理解。在一些国家，如美国和加拿大，已经发现大量甲烷泄漏，而这些国家拥有数百万口油井。相比之下，德国的废弃油井数量较少，仅有约25,000口，但其中一些位于有机质丰富的土壤环境中，这可能对甲烷排放产生重要影响。

在德国北部的北海地区，BGR已经对废弃油井的甲烷排放进行了初步研究。研究发现，在一些富含泥炭的地区，甲烷泄漏并不明显，反而可能是由自然形成的浅层生物甲烷所主导。此外，这些区域还显示出较高的微生物甲烷氧化率，这可能有助于减少甚至完全消耗潜在的甲烷排放。然而，在“Elwerath”油井附近的调查中，研究团队发现土壤气体中存在显著的甲烷和乙烷含量，且在某些测量点上，甲烷排放量达到了每平方米每秒约132纳摩尔的水平。这表明该油井的甲烷排放可能与深层的石油和天然气有关。

研究团队进一步扩展了他们的测量策略，不仅关注甲烷排放，还对土壤气体的地球化学特征和微生物活动进行了详细分析。他们发现，甲烷的同位素组成（δ13C值为-47.1‰ VPDB）表明其主要来源于热成因的天然气，而不是生物成因的甲烷。此外，土壤中的石油成分占有机碳的80%以上，这进一步支持了该地点的甲烷和石油泄漏与深层地质结构有关的假设。研究还发现，土壤中的微生物活动对石油和天然气的降解起到了关键作用，尤其是在氧气充足的情况下，微生物能够有效地氧化丙烷等轻质烃类，从而减少石油在土壤中的残留。

与此同时，研究团队注意到土壤中的甲烷排放与二氧化碳排放之间存在某种联系。他们发现，石油污染可能会抑制自然微生物的呼吸作用，从而减少二氧化碳的释放。这一现象在一些深层微生物活动区域可能更为明显，但同时也表明，土壤中的微生物活动对油井周围的碳循环有着重要影响。因此，研究团队认为，在评估废弃油井对环境的影响时，不仅需要考虑甲烷的排放，还应关注其他气体和微生物活动的综合效应。

为了更全面地了解“Elwerath”油井周围的情况，研究团队在2023年4月至5月期间对该地区进行了实地采样。该地点位于下萨克森州的Nienhagen地区，该地区自1861年起就开始了石油勘探和生产，至今仍有约15口油井在运作。该油井位于盐丘附近，石油储存在不同深度的岩层中，从100米到1650米不等。而“Elwerath”油井本身则是在1927年钻探完成，并至少在50年前就被封堵和掩埋。

通过地球化学分析，研究团队发现该地区的土壤气体中存在多种烃类物质，包括甲烷、乙烷和丙烷等。这些物质的组成和同位素特征表明，它们可能来源于深层的石油和天然气。此外，研究团队还发现，甲烷的同位素组成（δ13C值）显示其主要来源于热成因的天然气，而不是生物成因的甲烷。这一发现为理解该油井对环境的影响提供了重要线索。

研究还发现，土壤中的微生物活动对石油和天然气的降解起到了关键作用。在氧气充足的情况下，微生物能够有效地氧化丙烷等轻质烃类，从而减少石油在土壤中的残留。然而，在氧气缺乏的深层土壤中，甲烷的生成可能与厌氧过程有关，例如甲烷化作用。这些过程可能发生在地表以下数米的深度，而不仅仅是地表采样区域。因此，研究团队认为，废弃油井周围的气体和微生物活动可能与深层的地质结构和生物过程密切相关。

此外，研究团队还发现，甲烷的排放与二氧化碳的排放之间存在某种关联。在一些情况下，石油污染可能会抑制自然微生物的呼吸作用，从而减少二氧化碳的释放。这一现象在某些深层微生物活动区域可能更为明显，但同时也表明，土壤中的微生物活动对油井周围的碳循环有着重要影响。因此，在评估废弃油井对环境的影响时，不仅需要考虑甲烷的排放，还应关注其他气体和微生物活动的综合效应。

研究团队还注意到，该地区的土壤气体中存在一些有毒气体，例如硫化氢（H?S）。这些气体可能与石油泄漏有关，并且在某些情况下可能对环境和人体健康造成威胁。因此，在评估废弃油井对环境的影响时，除了关注甲烷的排放，还应考虑其他气体的释放及其潜在的生态影响。

总的来说，这项研究揭示了废弃油井周围复杂的气体和微生物活动。甲烷的排放主要来源于深层的石油和天然气，而微生物活动则在石油和甲烷的降解过程中起到了关键作用。此外，研究还发现，石油污染可能对二氧化碳的释放产生抑制作用，这表明废弃油井对环境的影响不仅仅是甲烷的排放，还包括其他气体和微生物活动的综合效应。因此，在未来的环境评估和管理中，应更加重视废弃油井对碳循环和温室气体排放的潜在影响，并采取相应的措施进行监测和治理。