北极（俄罗斯）一个海上油田中腐蚀性微生物的分子学与文化学证据

《mSystems》：Molecular and cultural evidence of corrosive microorganisms in an offshore oil field in the Arctic (Russia)

本研究针对北极地区Prirazlomnoye offshore高温油田，通过高通量测序、qPCR及培养实验，分析了生产与注入水中的微生物群落及物化参数，揭示了高温SRB（如Thermacetogenium、Desulfonauticus）与中温SRB（Desulfobacter、Desulfogranum）的转换机制，发现产甲烷古菌Methanolobus与发酵菌（Caminicella、Kosmotoga等）共同作用导致钢设备腐蚀，为优化防腐措施提供了微生物学依据。

　　在石油开采过程中，特别是那些含有硫酸盐的油藏水和注入海水的油田，微生物活动对设备腐蚀和油品质量产生重要影响。这项研究以俄罗斯北极地区唯一的海上油田Prirazlomnoye为对象，探讨了其生产水和注入水的微生物组成以及相关的理化参数，以更好地理解腐蚀性微生物的特性，并为腐蚀控制提供科学依据。

### 微生物的多样性与腐蚀机制

Prirazlomnoye油田的油藏水和注入水均含有高浓度的硫酸盐，这为硫酸盐还原菌（SRB）的生长提供了有利条件。SRB在厌氧条件下通过将硫酸盐还原为硫化物，参与了油井的腐蚀过程。此外，研究发现除了SRB外，发酵细菌和共生细菌也具有产生硫化物的能力，这些微生物可能在腐蚀过程中起到关键作用。特别是，在生产水与海水混合后，温度降低导致嗜温性SRB（如Desulfobacter和Desulfogranum）在水处理系统中大量繁殖，进一步加剧了腐蚀问题。

在水处理系统中，残留的油类化合物和硫化物可以被氧化，其代谢产物则作为电子供体和受体，支持发酵型硫化物生成菌（如Caminicella、Kosmotoga、Petrotoga和Geotoga）的生长。这些细菌通过将氧化的硫化合物（如硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和元素硫）还原为硫化物，间接参与了腐蚀过程。与此同时，一些硫酸盐还原菌和甲烷生成古菌能够直接从金属铁（Fe⁰）获取电子，生成硫化物和甲烷，这可能对局部点蚀腐蚀产生重要影响。

### 硫化物与甲烷的形成机制

在水处理系统中，硫化物和甲烷的形成是微生物活动的直接结果。SRB和甲烷生成古菌能够在缺乏其他氢气来源的情况下，利用Fe⁰作为电子供体，将硫酸盐还原为硫化物，或将二氧化碳还原为甲烷。这种代谢活动不仅影响了油品的“酸化”过程，还导致了钢制设备的腐蚀。通过实验分析，研究发现不同培养基中的微生物在不同条件下能够生成不同浓度的硫化物和甲烷。例如，在含有乳酸和硫酸盐的培养基中，SRB的硫化物生成量达到最高，而在含有铁和二氧化碳的培养基中，甲烷生成量显著增加。这些结果表明，微生物在油藏水和注入水中的代谢活动是腐蚀问题的核心驱动力。

### 水处理系统中的微生物群落

通过对水处理系统中不同采样点的水样进行高通量测序和定量PCR分析，研究人员发现该系统中的微生物群落具有高度的多样性。其中，嗜热性SRB（如Thermacetogenium和Desulfonauticus）在生产水和注入水的早期阶段占主导地位，而在水处理系统中，由于温度下降，嗜温性SRB（如Desulfobacter和Desulfogranum）逐渐成为主要菌群。此外，一些发酵细菌（如Caminicella）和甲烷生成古菌（如Methanolobus）在系统中也发挥了重要作用，尤其是在水样中存在溶解氧的情况下，这些微生物能够促进硫化物的氧化，从而间接影响腐蚀过程。

研究还发现，某些微生物（如Desulfonauticus和Caminicella）能够在高盐度和高温环境下生存，并且它们的代谢活动与油藏的腐蚀特性密切相关。例如，Desulfonauticus菌株能够在20–60°C的温度范围内生长，并且能够利用氢气和二氧化碳作为电子供体，将硫酸盐还原为硫化物。而Caminicella菌株则能够发酵多种有机底物，如氨基酸、蛋白质和碳水化合物，并产生氢气、二氧化碳、丁酸、乙醇、乙酸、甲酸和L-丙氨酸。这些代谢产物不仅影响了水的化学性质，还可能作为其他微生物的营养来源，促进整个水处理系统中微生物群落的复杂性。

### 微生物的生态功能与腐蚀控制

水处理系统中的微生物群落不仅参与了硫化物的生成和氧化，还影响了整个系统的代谢活动。例如，一些好氧细菌（如Colwellia、Pseudomonas、Marinobacter、Cycloclasticus和Parasphingorhabdus）能够氧化残余油中的碳氢化合物，这些氧化产物可能成为厌氧微生物的营养来源，进而促进硫化物的生成。此外，一些铁还原细菌（如Deferribacteraceae家族中的菌株）能够将铁氧化为Fe²⁺，并直接参与腐蚀过程。

研究还指出，目前使用的生物杀菌剂（如甲醛和甲醇混合物）在抑制SRB方面效果有限，这可能与这些微生物在生物膜中的高耐药性有关。生物膜由复杂的胞外聚合物构成，能够保护微生物免受杀菌剂的影响，从而导致SRB的持续生长。因此，针对水处理系统中微生物的腐蚀控制需要更加精细的方法，例如通过优化杀菌剂的选择，或采用能够破坏生物膜的物理手段。

### 对油田运营的启示

Prirazlomnoye油田的运营模式为研究提供了独特的视角。由于该油田位于北极地区，其环境条件（如低温、高盐度）对微生物群落的结构和功能产生了显著影响。例如，当生产水与海水混合后，温度的降低使得嗜温性SRB在水处理系统中占据主导地位，而嗜热性SRB则主要存在于生产水和注入水中。这种微生物群落的变化对腐蚀控制策略提出了新的挑战，因为不同温度和盐度条件下，主要的腐蚀微生物可能发生变化。

此外，研究还揭示了微生物在不同水样中的分布规律。例如，生产水中的微生物群落主要由嗜热性SRB和发酵细菌组成，而在水处理系统中，由于水样与海水和污水的混合，微生物群落变得更加多样化。这种多样性可能增加了腐蚀的复杂性，因为不同的微生物可能通过不同的代谢途径影响腐蚀过程。例如，某些微生物可能通过直接从金属铁获取电子来促进腐蚀，而另一些则可能通过间接途径（如代谢产物的积累）间接影响设备的稳定性。

### 未来研究方向与应用前景

尽管这项研究已经揭示了Prirazlomnoye油田水处理系统中微生物的多样性及其对腐蚀的影响，但仍有许多问题需要进一步探讨。例如，不同微生物之间的相互作用如何影响腐蚀速率？在何种条件下，某些微生物可能成为主要的腐蚀因子？此外，水处理系统中微生物的动态变化是否可以通过调整水处理流程来控制？

未来的研究可以结合更多的环境参数（如pH值、溶解氧浓度、金属离子含量等）来更全面地理解微生物群落的分布和功能。同时，开发针对不同微生物群落的生物杀菌剂和腐蚀抑制剂也是重要的研究方向。通过精准识别主要的腐蚀微生物，并结合其生理特性和代谢途径，可以设计出更加有效的腐蚀控制方案，从而提高油田的运营效率和安全性。

### 结论

Prirazlomnoye油田的水处理系统中存在多种与腐蚀相关的微生物，包括SRB、发酵细菌和甲烷生成古菌。这些微生物通过不同的代谢途径影响了油藏水和注入水的化学性质，并在不同程度上参与了钢制设备的腐蚀过程。研究结果表明，控制这些微生物的关键在于理解其生态行为，并采取针对性的措施来抑制其生长。同时，水处理系统中的微生物群落具有高度的动态性，这需要持续的监测和调控，以确保油田的稳定运行。