综述：地质CO2封存中的微生物过程：长期碳封存的机理、风险与工程机遇

《Process Safety and Environmental Protection》：Microbial Processes in Geological CO 2 Storage: Mechanisms, Risks, and Engineering Opportunities for Long-Term Carbon Sequestration

　　

## 摘要

地质CO?封存（GCS）是实现大幅减排战略的重要组成部分。然而，其长期性能可能受到深部地质构造中微生物的干扰。本结构化叙述性综述综合了1970年至2026年8月间发表的关于暴露特异性微生物胁迫、渗透性调控、碳转化、碳酸盐矿化和工程控制方面的文献。证据表明，干燥超临界CO?、含水超临界CO?、CO?饱和卤水和缓冲CO?-卤水-岩石系统施加了不同的生物与地球化学约束条件。微生物的持续存在本身不足以证明其具有工程相关性。细胞存活、功能基因检测或群落变化并不能证明存在能够可测量地改变封存性能的速率。现有证据尚不均衡。微生物和地球化学监测以及局部渗透性控制具有最强的现场基础，而储层尺度的微生物矿化和生物甲烷化主要仍由实验室实验和模型支持。生物膜形成和尿素分解型微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）可以降低裂缝导渗率，但非受控生长或偏离目标的沉淀可能损害注入能力。其在持续CO?暴露、高压高温和高盐度条件下的长期耐久性也不确定。碳酸酐酶可加速CO?水合，但不能产生净碱度；因此矿物沉淀仍取决于溶液化学、二价阳离子可用性和矿物饱和度。甲烷生成可显著改变碳和气体平衡，但其压力效应不能仅从CH?产量推断得出，还需考虑H?输入、总气体摩尔数、相分配、回收率和迁移。其他不确定性还包括H?S生成、NH??/NH?释放、腐蚀、痕量金属活化、生态干扰和治理失效。通过整合这些效益和风险，本综述建立了从证据到决策的框架，将暴露条件和可测量过程速率与技术成熟度、生命周期经济性、过程安全性和分阶段监测、建模及运行控制相联系。

## 引言

人为CO?排放的持续增加加剧了全球气候变化，产生了大规模碳减排技术的迫切需求（Chu et al., 2021, Zhao et al., 2022, Chen et al., 2022a, Wei et al., 2022）。碳捕集、利用与封存（CCUS）被广泛认为是减少CO?排放的关键技术途径（Gür, 2022, Chen et al., 2022b）。在各种CCUS方案中，地质CO?封存（GCS）因其巨大的理论容量和将CO?长期隔离于大气之外的潜力而受到特别关注（Leung et al., 2014, Ali et al., 2022）。深部咸水含水层、枯竭油气藏和不可开采煤层通常被认为是主要的CO?封存地质构造。注入后，CO?可通过构造封存、残余封存、溶解度和矿物封存进行固定。这些机制为地质碳封存提供了物理和地球化学基础（De Silva and Ranjith, 2012, Kumar et al., 2020）。

然而，GCS的长期安全性仍然是一个关键挑战。构造封存和残余封存可以在封存早期固定大量CO?，但其有效性强烈依赖于盖层完整性、断层稳定性、井筒密封性能和孔隙尺度毛细管条件（Solomon et al., 2008）。溶解度封存通过将CO?溶解到地层卤水中来提高封存安全性，但该过程通常受限于缓慢的质量传递和储层尺度的流体混合。矿物封存被认为是CO?封存最稳定的形式，因为它将溶解态无机碳转化为碳酸盐矿物。然而，天然矿化反应往往动力学缓慢，可能需要数百年至数千年才能对封存容量做出显著贡献（Kim et al., 2023, Massarweh and Abushaikha, 2024）。此外，CO?注入可导致酸化、压力扰动、卤水置换、矿物溶解和地下水化学变化，所有这些因素都可能影响封存性能和环境安全。

微生物广泛分布于深部地下环境中，包括咸水含水层、油气藏、煤层、玄武岩地层和盖层。这些微生物群落能够耐受高压、高盐度、高温、营养限制和低能量条件（Soares et al., 2023）。尽管深部地质构造中的微生物活动通常缓慢，但微生物可以通过生物膜形成、胞外聚合物产生、氧化还原反应、矿物溶解、碳酸盐沉淀、甲烷生成、硫酸盐还原、铁还原和氮循环强烈影响局部地球化学（Magnabosco et al., 2018, Beaver and Neufeld, 2024）。一旦CO?被注入地层，压力、pH、CO?浓度、盐度和电子供体/受体的可用性变化可能重塑微生物群落结构和代谢功能。敏感的微生物种群可能被抑制或消除，而耐酸、厌氧、自养、产甲烷、硫酸盐还原、铁还原或与矿物相关的微生物可能变得富集。

微生物过程被评估为影响封存性能的上下文依赖性控制因素，其净效应受空间分布、反应程度和运行控制的支配。在适当约束的条件下，它们可以增强局部密封；然而，当这些过程发生在预期处理区间之外或以不受控的速率发生时，同样的过程可能损害注入能力、促进腐蚀和不希望的气体产生，或不利影响地层水水质。

这些耦合效应直接关系到过程安全和环境保护。不受控的微生物活动可能改变注入能力和储层压力，损害井筒和材料完整性，产生有毒或影响气候的气体，并活化溶解态污染物；相反，空间受控的微生物过程可能支持泄漏修复、流动管理和早期预警监测。

近期的综述研究了地质CO?封存中微生物活动的重要但部分独立的不同方面。Xiong et al. (2023) 综述了地下CO?甲烷化和枯竭油藏中的可再生天然气储存，而Ni et al. (2023) 则聚焦于储层系统中微生物辅助的CO?矿化。Mwandira et al. (2023) 系统评估了碳酸酐酶介导的碳捕集和生物胶结。随后的综述研究了永久GCS中有益和有害的微生物效应（Nixon et al., 2025）、通过微生物碳酸盐沉淀和MICP实现生物矿物碳化（Wilcox et al., 2025），以及作为储层压力管理方法的原生生物甲烷化（Younas et al., 2026）。最新的综述进一步扩大了该领域的范围，评估了目标和非目标地层中的CO?生物转化（Molofsky et al., 2026）、深部地下碳酸盐生物矿化与甲烷生成风险（Hussain et al., 2026），以及微生物GCS的机制、分析方法和工程意义（Huang et al., 2026）。

这些研究确立了地下微生物学的重要性，但并未提供一个将暴露特异性微生物胁迫、储层尺度传输、竞争性代谢、渗透性变化、碳命运、矿物稳定性和运行风险连接起来的共同框架。表1将本综述相对于这些贡献进行了定位。

因此，本综述的独特贡献是一个从证据到决策的框架，将地质CO?封存中的微生物过程从储层暴露连接到运行控制。它区分了干燥超临界CO?、溶解CO?和CO?-卤水-岩石系统，并系统评估了压力、温度、盐度、pH、暴露时间和群落演替的耦合作用。生物膜发育、碳转化、生物表面活性剂产生和碳酸盐矿化得到了考察。有益和有害效应均被考虑，包括局部密封、改善流度、CO?转化和矿物稳定化，以及注入能力降低、H?S/CH?生成、铵释放、腐蚀和痕量金属活化。它还进一步区分了实验室可行性和现场规模化就绪程度，并将原生和外加干预、营养物质输送和功能竞争与技术就绪度、经济表现和过程安全约束联系起来。最后，将分阶段监测与不确定性感知的反应性传输建模相结合，以定义场地特异性指标、应急响应和负责任规模化的要求。

本文是一篇结构化叙述性综述。文献检索在Web of Science核心合集、Scopus、PubMed和Google Scholar中进行，涵盖1970年1月至2026年8月的出版物。核心检索将（"geological CO? storage"或"geological carbon storage"或"CO? geosequestration"）与（microb*或biofilm或biomineralization或"microbially induced carbonate precipitation"或urease或"carbonic anhydrase"或methanogenesis或acetogenesis或"sulfate reduction"或"iron reduction"）以及（reservoir或saline aquifer或caprock或wellbore或"supercritical CO?"）结合。补充检索使用压力、盐度、温度、注入能力、泄漏、监测、反应性传输和风险作为附加术语。

当研究涉及与封存相关的CO?暴露下的微生物响应、深部储层胁迫、生物膜发育、碳酸盐沉淀、碳酸酐酶、甲烷生成、乙酸生成、硫酸盐或铁还原、微生物腐蚀、监测或反应性传输建模时，纳入研究论文和综述。涉及咸水含水层、枯竭碳氢化合物储层、煤层、玄武岩地层、盖层、裂缝和井筒材料的研究均符合条件。权威标准和技术报告仅在支持工程、监测、技术就绪度或风险管理分析时保留。当研究涉及没有直接地质封存联系的表面、海洋、农业或工业碳过程；仅涉及不含地下封存的CO?捕集；仅以摘要形式可用；或未提供可识别的微生物机制、储层条件或工程结果时，则予以排除。

证据质量从五个维度进行评估：压力-温度-盐度-pH条件的代表性；由匹配的非生物对照支持的因果归因；动力学、水力学、气体或碳质量平衡的完整性；重复性和分析的独立性；以及对不确定性的明确处理。当储层相关条件、定量终点、适当对照和可重复性均得到证明时，信心等级定为高；当定量证据具有参考价值但不完整或设置有限时，定为中等；当结论主要是定性的、概念性的或基于从一个环境向另一个环境的约束不足的迁移时，定为低。

## 段落摘录

### 地质CO?封存与深部地下微生物系统

GCS涉及将捕集的CO?注入深部地下地层，包括咸水含水层、枯竭油气藏、不可开采煤层和玄武岩（Emami-Meybodi et al., 2015, Kalam et al., 2021）。这些地层提供巨大的孔隙体积和长期隔离时间，同时CO?通常以稠密超临界相注入，具有类液的储存密度和类气的流动性（Chiquet et al., 2007, Lin et al., 2024）。通过构造等方式实现封存。

### 微生物对CO?注入的响应

将CO?注入深部地质构造对原生微生物群落造成强烈的环境扰动（Fuhrman, 2009）。CO?注入使微生物暴露于多种相互作用的压力，而非单一的pH变化。升高的CO?分压、酸化、压力增加、盐度变化、卤水置换、矿物溶解和营养物质再分配可共同重塑微生物栖息地（Xiong et al., 2025, Satpute et al., 2010）。

### 生物膜介导的渗透性降低与矿物密封

微生物渗透性控制最相关的领域是已被诊断的裂缝、断层、盖层或井筒界面中的泄漏通道，在这些区域中，处理必须在改善封存的同时不损害活跃的注入区间。

生物膜形成为修改孔隙结构和降低渗透性提供了一种生物介导的机制（Mitchell et al., 2009）。生物膜由嵌入胞外聚合物（EPS）基质中的微生物细胞组成，其中包含多糖等。

### 微生物碳转化

在地质CO?封存中，微生物介导的碳转化是一个相互关联的过程，而非独立的过程。如图3所示，注入或溶解的CO?可能被分配至乙酸、CH?和生物质库中，通过水合和氧化转化为HCO??，或最终通过碳酸盐矿物沉淀稳定化。乙酸、CH?和生物质代表瞬时碳储库，而非内在永久汇。其对封存容量的贡献。

### 微生物碳酸盐沉淀

深部地质构造中包含能够改变pH、碱度、氧化还原条件、金属离子可用性和矿物成核行为的原生微生物。这些效应可能通过硫酸盐还原、铁还原、甲烷氧化、尿素分解、碳酸酐酶（CA）活性以及胞外聚合物（EPS）与溶解阳离子之间的相互作用促进碳酸盐沉淀。其工程贡献取决于沉淀物的碳源。

### 微生物介导的地质CO?封存的工程可行性与风险

工程评估应将微生物增强视为一个受控的地下过程，其效益、不利结果、监测要求和恢复选项应一并评估。

### 结论与展望

本综述表明，微生物过程对地质CO?封存既非内在有益也非内在有害。其净工程效应取决于CO?暴露机制、过程速率和持续时间、与注入井和泄漏通道的空间关系，以及所产生的水力学、地球化学或矿物学变化的持久性。

技术就绪程度仍然不均衡。微生物和地球化学监测目前具有最强的现场基础，而。

## CRediT作者贡献声明

葛玉华：可视化、方法论。钱春祥：可视化、验证、监督、方法论、资金获取。袁亚亚：写作-审阅与编辑、写作-初稿、可视化、方法论、调查。金德祥：资源、调查、数据管理。王布康：正式分析、数据管理。

## 利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

## 致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：U22B20146）的资助。

## 致谢

本研究由国家自然科学基金（编号：U22B20146）资助。

袁亚亚 | 金德祥 | 王布康 | 葛玉华 | 钱春祥