地下储氢微生物H2消耗标准化检测技术的建立与多实验室验证

本研究针对地下储氢过程中微生物消耗H2导致储气损失和安全风险的问题，开发了现场卤水采样与实验室富集培养的标准化方案。通过四实验室环形测试验证，该方案能有效捕获微生物产H2S、pH上升等代谢活动趋势，但揭示出19.8-61%的H2消耗量差异主要源于非生物泄漏和分析方法差异。研究成果为地下储氢微生物风险评估提供了可重复的技术框架，对保障能源安全具有重要意义。

　　

随着欧洲绿色能源转型的加速推进，氢能（H₂）作为平衡可再生能源波动性的关键载体，其地下储存技术已成为研究热点。然而，盐穴或多孔介质储层中存在的微生物会通过氧化H₂耦合硝酸盐、铁、硫酸盐、硫或二氧化碳的还原反应，产生氮气、亚铁、硫化氢（H₂S）、乙酸或甲烷（CH₄）。这些微生物活动可能导致储存气体组成改变、H₂S生成引发设备腐蚀、生物膜形成改变储层物性等多重风险。尽管微生物活动对地下储氢（UHS）构成显著威胁，但当前对其消耗H₂的量化仍缺乏标准化方法，不同研究在样品体积、气液比、气体采样技术等方面存在显著差异，导致数据可比性受限。

针对这一技术瓶颈，由捷克Liberec技术大学Katerina Cerná领衔的国际研究团队在《World Journal of Microbiology and Biotechnology》发表了题为《Towards standardized microbial hydrogen consumption testing in the subsurface: harmonized field sampling and enrichment approaches》的研究论文。该研究通过HyLife-CETP项目开发了针对现场操作人员的卤水采样协议和实验室标准化流程，结合气体成分、化学参数和遗传学分析，首次建立了可量化地下环境中微生物H₂消耗率的标准化方案。

研究人员采用多学科交叉方法：1）设计严格厌氧的现场卤水采样规程，使用氮气吹扫和0.22μm过滤保存微生物DNA；2）建立八组平行培养系统（包括活性卤水、灭菌对照、氮气对照等），通过压力监测和气相色谱（GC）跟踪H₂消耗；3）应用数字PCR（dPCR）和微滴数字PCR（ddPCR）定量16S rRNA基因拷贝数；4）采用离子色谱（IC）、高效液相色谱（HPLC）和比色法（Cline法）分析硫酸盐、乙酸和硫化物浓度；5）通过四实验室环形测试（round-robin test）使用人工卤水和模式硫酸盐还原菌Oleidesulfovibrio alaskensis G20（DSM 17464）验证方案重现性。

卤水化学分析显示跨实验室一致性

四实验室对人工卤水的关键参数（硫酸盐、乙酸等）检测差异普遍低于10%，证实基础化学分析的可靠性。但水相硫化物（HS^-）测定呈现高度变异（系数变异值>30%），凸显该指标测量的技术挑战。

微生物氢消耗趋势一致但定量存异

所有实验室均检测到Oleidesulfovibrio alaskensis在含H₂卤水中持续消耗氢气，9日内消耗量介于19.8-61%。其中Lab 4记录最高消耗率（55%）和pH上升幅度（7.0→9.4），Lab 2则显示最低消耗（22%）。非生物H₂损失评估揭示关键误差源：Lab 1因密封问题导致26%的H₂泄漏，经优化针头规格、胶塞预处理和恒温测量后降至5%。

遗传与代谢指标验证微生物活性

dPCR/ddPCR分析显示所有实验室的活性样品中微生物丰度稳定在10⁷ cells/mL水平。硫酸盐浓度在含H₂组下降显著（初始1760 mg/L→终点722 mg/L），而氮气对照组无变化，证实硫酸盐还原代谢途径激活。乙酸浓度保持稳定，表明菌株仅以H₂为电子供体。气相H₂S未检出与高pH条件下硫化物溶解规律相符。

pH变化作为代谢活动可靠指标

含H₂组pH从6.9-7.7升至8.7-9.4，与H₂消耗率显著正相关（Spearman秩相关检验p=3.942e-14）。对照组pH变化仅源于CO₂脱气等物理化学过程，证实pH上升是微生物耗H₂产碱的直接证据。

本研究通过多实验室验证证实，所开发的标准化协议能可靠捕获地下储氢环境中的微生物H₂消耗活动，其中pH监测、硫酸盐还原分析和遗传学指标具有高度重现性。研究首次揭示非生物H₂损失（特别是通过丁基橡胶塞的泄漏）是量化误差的主要来源，通过优化采样针规格、胶塞预处理和恒压测量技术可将其控制在5%以内。尽管环形测试显示出19.8-61%的H₂消耗量差异，但这主要反映了不同实验室在分析方法、样品处理和生物学变异方面的固有差异，而非协议本身缺陷。

该研究的核心意义在于建立了首个跨实验室可比的地下储氢微生物风险评估技术框架，为未来实际储气场所的微生物活性监测提供了关键工具。研究者建议在实际应用中辅以硫酸盐消耗、pH变化和代谢产物（H₂S/乙酸/CH₄）等多参数验证，以更全面评估微生物活动。值得注意的是，协议对生长缓慢或低丰度微生物群的捕获能力仍需完善，且人工卤水体系无法完全复现真实地下环境的复杂性。未来需开展真实卤水样本的对比研究，并拓展至高温高压等原位条件模拟，以进一步提升该标准化方案在实际储氢场景中的应用价值。