综述：CO2永久地质封存中的微生物考量

《Environmental Microbiology》：Microbial Considerations for the Permanent Geological Storage of CO2

本综述深入探讨了深部生物圈在碳捕获与封存（CCS）技术中的关键作用，指出微生物活动既可通过对井筒腐蚀、硫化氢生成（硫化作用）和甲烷生成等过程威胁封存安全，也能通过促进碳酸盐矿化等方式增强CO2固定。作者强调，必须将微生物监测纳入CCS项目的设计与运营中，采用全面的生物地球化学工具包进行风险评估，并有望利用微生物活动提升封存效率，为实现安全、有效的规模化CCS部署提供微生物学视角的指导。

　　

2 深部生物圈与地下工程的作用

地球原核生物量的约70%存在于地下。这部分微生物不仅数量巨大，而且具有惊人的系统发育多样性，现代原核生命树的大部分枝叶都源于地下环境。人类的地下工程活动，尤其是碳氢化合物开采，已经深刻影响了深部生物圈，并反过来受到其影响。例如，在石油工业中，微生物通过硫酸盐还原产生的硫化氢（即“酸化”）是一个代价高昂的问题，这在CCS（特别是利用枯竭油气藏封存CO₂时）也可能构成风险。硫化氢会加剧腐蚀，降低石油品质，并对工人健康和环境构成严重威胁。页岩气开采过程中的研究也表明，注入的压裂液添加剂会刺激高盐度页岩层中的发酵细菌活动，导致类似的微生物问题。因此，在CCS大规模实施之前，必须主动了解深部生物圈的潜在风险。

3 CO₂封存目标层及其生物地球化学特征

当前CCS操作主要针对三类地质层：盐碱含水层、枯竭油气藏和玄武岩层。每类层位的微生物活动受地质、地球化学、物理化学条件及成岩历史的影响，其固有微生物组存在差异。

3.1 盐碱含水层

盐碱含水层具有最大的CO₂封存潜力。其流体地球化学组成和物理化学条件差异很大，盐度从数千ppm到超过30万ppm不等，温度范围也可从26°C到100°C以上。盐度是驱动微生物多样性和群落结构的主要因素。借鉴页岩气开采的经验，高盐度环境往往孕育着以耐盐菌属（如Halanaerobium）为主的低多样性、特化群落；而低盐度环境则支持更高多样性的群落。已有案例表明，CO₂注入盐碱含水层后，会导致微生物群落向化能无机营养和氢营养代谢方向转变，并可能刺激产甲烷活动。例如，德国Ketzin含水层和澳大利亚Otway盆地的监测都观察到了群落结构和活性的显著变化。

3.2 枯竭的油气藏

枯竭的油气资产具有封闭性良好的盖层，能适应CO₂注入的高压条件，且现有基础设施和地质模型资料丰富，便于改造利用。这些储层中的微生物群落以厌氧微生物为主，具有硫酸盐还原、产甲烷、发酵、产乙酸等多种代谢能力。残余的碳氢化合物为这些微生物提供了现成的底物，可能驱动硫化作用、微生物腐蚀和生物污损。有研究表明，CO₂注入枯竭油藏会富集与CO₂固定、发酵产氢和产甲烷相关的基因，表明CO₂注入可能刺激微生物介导的CO₂固定（如形成碳酸盐或转化为生物质）。

3.3 玄武岩

玄武岩是颇具吸引力的CO₂封存场所。CO₂可以溶解在水中注入玄武岩层，通过溶解性捕获和盖层封闭 initially 封存，并在中长期（>2年）内通过矿物捕获（形成碳酸盐）实现永久固定。玄武岩中丰富的二价阳离子使得CO₂矿化速率远快于其他层位。冰岛的CarbFix项目和美国的Wallula玄武岩试点项目是代表性案例。研究表明，玄武岩层中存在以代谢一碳化合物（如甲烷）为主的多样化微生物群落。CO₂注入后，会导致群落多样性降低，并富集那些能够利用CO₂、硫和氢的类群，表明CO₂注入对玄武岩中的微生物群落具有刺激作用。此外，超镁铁质岩（如橄榄岩）等环境也为CO₂矿化和氢气生成提供了新的探索方向。

4 CO₂封存中微生物活动的潜在风险与机遇

多种微生物能利用CO₂进行代谢，已知的直接CO₂固定途径至少有七种，其中许多在深部环境中广泛存在。CO₂注入可能刺激而非抑制微生物群落。

最紧迫的风险之一是产甲烷作用。有研究利用同位素分馏和惰性气体分析表明，注入美国路易斯安那州一个枯竭油藏的CO₂，在不到30年的时间里有13%–19%被生物转化为甲烷。这将带来多重风险：甲烷在地下条件下的流动性比CO₂更强；甲烷是更强的温室气体，泄漏会抵消CCS的减排效果；甲烷密度更低，影响储层封存能力；还可能引起储层增压和爆炸风险。

另一方面，CCS也为利用微生物助力实现净零排放提供了机遇。储层中的微生物活动可能通过催化碳酸盐沉淀、增强溶解性捕获、将CO₂和氢气转化为甲烷（生物甲烷化）、或将CO₂转化为生物质等方式来增强CO₂封存。更好地表征深部生物圈的功能潜力，可能发现新的、更高效的微生物介导的CO₂封存模式，并由此开发出新的生物技术。

5 对整体生物地球化学工具包的需求

微生物代谢的潜力取决于目标层位的特征，包括物理（温度、压力、孔隙度）、化学（盐度、pH、有机物和H₂含量、硫铁物种浓度）和生物（本土及引入的微生物区系）因素。大多数目标层位都具有宜居特性。这些属性的组合决定了特定代谢途径是否可能发生。因此，缺乏对目标层位的整体数据集，就无法建立可推广的预测性框架来有效评估风险。

一些CCS操作（如澳大利亚Gorgon项目）会产生大量的采出流体。这些流体携带着储层的地球化学和微生物学指纹，甚至含有有害的微生物副产物或生物成因温室气体（如甲烷、硫化氢）。因此，必须在CO₂注入和封存之前及整个过程中，对目标封存点的井下流体和采出流体进行地球化学和微生物学筛查，以确定储层的本土微生物区系，并预测这些微生物群落对CO₂的响应。

6 结论

在微生物学家拥有前所未有的分子工具来充分评估微生物风险的时代，CCS规模正在不断扩大。然而，实现充分的微生物监测不仅依赖于工具，更需要跨部门合作：能够部署和解读整体生物地球化学工具包结果的科研人员、能够提供相关地下样品访问权限的CCS运营商、以及必须将微生物风险纳入运营要求的立法者。建立和维护此类合作具有挑战性，但目前尚属缺乏，却又至关重要。