油田生產(chǎn)系統(tǒng)中硫酸鹽還原菌的危害及微生物防治研究進(jìn)展

談 濤 馮電穩(wěn) 夏明磊 楊中娜 楊 陽

（1. 中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452；2. 天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司，天津 300452）

0 引言

硫酸鹽還原菌（Sulphate-Reducing Bacteria，SRB）是指在厭氧條件下可把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等硫氧化物及元素硫還原成H2S這一生理特性細(xì)菌的統(tǒng)稱，廣泛存在于油氣井、土壤、淤泥以及金屬輸送管道等石油生產(chǎn)厭氧環(huán)境中。在油田生產(chǎn)系統(tǒng)中，由SRB引起的一連串生產(chǎn)問題如H2S氣體毒性、管道等設(shè)備腐蝕、油藏堵塞、原油泄漏等，都給正常的油田生產(chǎn)作業(yè)帶來了嚴(yán)重的干擾和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此日益引起全世界油田作業(yè)方及相關(guān)研發(fā)人員的重視，嚴(yán)格控制、減少由SRB導(dǎo)致的問題已逐漸成為各油田亟待解決的技術(shù)難題[1-8]。本文即從油田生產(chǎn)系統(tǒng)中SRB導(dǎo)致的危害出發(fā)，綜述了微生物防治方法包括SRB防治有關(guān)的微生物及作用機(jī)理在該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并對(duì)該問題今后的發(fā)展與努力方向進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 硫酸鹽還原菌的危害概述

油田生產(chǎn)系統(tǒng)中由于SRB的活動(dòng)引起的問題越來越被人們的廣泛關(guān)注，主要表現(xiàn)在：SRB在油藏厭氧條件下可以存活很久，遇到合適的環(huán)境會(huì)大量繁殖，產(chǎn)生酸性氣體H2S容易導(dǎo)致作業(yè)人員中毒，增加安全生產(chǎn)隱患；SRB能夠加快金屬腐蝕，導(dǎo)致注水與輸油管線、儲(chǔ)罐等金屬設(shè)備的局部腐蝕穿孔，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]；SRB產(chǎn)生的H2S與鐵離子反應(yīng)會(huì)生成難溶的FeS沉淀物，以及與SRB形成的菌膠團(tuán)的混合物，導(dǎo)致油藏孔隙堵塞，降低了注水井的吸水能力和采油井的導(dǎo)流能力，造成原油產(chǎn)量的下降，并且極易導(dǎo)致電脫水器運(yùn)行不穩(wěn)定或造成電脫水器極板擊穿等危險(xiǎn)事故[1-3,5-8]；SRB的代謝產(chǎn)物H2S能夠溶于原油并與其他化合物反應(yīng)，增加原油中的含硫量，降低了原油與產(chǎn)氣品質(zhì)，同時(shí)含硫原油與天然氣的燃燒對(duì)生態(tài)環(huán)境也有很大影響[3,5-7]；SRB還可以降解聚丙烯酰胺等聚合物，大幅降低驅(qū)油效率或最終導(dǎo)致聚合物驅(qū)失敗[1-3]。

由此可見，SRB的危害是廣泛而多種多樣的，如果不加以控制，必將給油田生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的后果，因此，必須深刻認(rèn)識(shí)和全面評(píng)估SRB帶來的危害，并且研究和采取相應(yīng)的防護(hù)和治理措施。

2 硫酸鹽還原菌的微生物防治方法

物理防治SRB危害的方法主要是通過機(jī)械刮擦、陰極保護(hù)、使用耐蝕涂料和防護(hù)涂層等實(shí)現(xiàn)，但由于操作方法不太適合油田現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，或者僅適于非油田環(huán)境中SRB的控制，甚至是即使使用也只能局部緩解且不一定總是有效[4,9-11]。投加氯、甲醛和季銨鹽等殺菌劑是目前油田上普遍采用的化學(xué)抑制SRB的方法，但由于SRB常與其他微生物共存于多糖膠等粘性附著微生物膜中，殺菌劑穿透性受限，加上外部含H2S的還原性環(huán)境，使得一般的氧化性殺菌劑殺菌效果有限[4,9,12,13]；同時(shí)由于成膜細(xì)菌形成生物膜的存在，使得殺菌劑失去了作用靶標(biāo)而使殺菌效率降低、甚至失效，最終導(dǎo)致產(chǎn)生耐藥菌，并且殺菌劑的大量使用也導(dǎo)致成本不斷升高，引入新的化學(xué)物質(zhì)也易引起油藏地質(zhì)和水質(zhì)的極大變化，特別是有毒殺菌劑的大量投加也給環(huán)境治理帶來了新的負(fù)荷和難題[4,12,14-16]。

隨著當(dāng)前環(huán)境政策要求的不斷提高和人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，研究和開發(fā)新型高效環(huán)保型防治SRB的方法顯得日益突出和緊迫，一些研究人員提出SRB的防治應(yīng)基于環(huán)境保護(hù)的角度從微生物本身去思考和突破，越來越多的防腐研究學(xué)者正努力嘗試從生物學(xué)的角度去尋找新的出路和方法，并在近年來由于對(duì)微生物在腐蝕過程中角色的深度理解也出現(xiàn)了許多振奮人心的新進(jìn)展[11,17,18]。微生物防治SRB方法在技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用微生物（含本源和外源的）之間的共生、競(jìng)爭(zhēng)以及拮抗關(guān)系來防止微生物對(duì)金屬的腐蝕，其機(jī)理主要包括以下幾方面[2-4,11,12,18]：一是所用替代微生物細(xì)菌在生活習(xí)性、生長環(huán)境等方面與SRB非常相似，但是不產(chǎn)生H2S，這些細(xì)菌和SRB生活在地層的同一環(huán)境中，就可與SRB形成生存空間和基質(zhì)營養(yǎng)等方面的競(jìng)爭(zhēng)，從而抑制SRB的生長繁殖；二是某些細(xì)菌可以生成其他對(duì)油田無害的類似抗生素類的產(chǎn)物殺死SRB或者將H2S轉(zhuǎn)化，從而降低SRB的腐蝕作用；三是具有靶標(biāo)定向裂解作用的噬菌體對(duì)宿主細(xì)胞SRB的殺菌清除作用。綜述已有報(bào)道的用于防治SRB的微生物及相關(guān)作用機(jī)理展開如下：

2.1 硝酸鹽還原菌對(duì)SRB活性的反硝化抑制作用

硝酸鹽還原菌（Nitrate-reducing Bacteria，N R B）是一類可通過反硝化作用還原硝酸鹽（NO3-）產(chǎn)生NO2-、NO、N2O、N2、NH3及其他含氮有機(jī)物細(xì)菌的統(tǒng)稱，按其營養(yǎng)和代謝情況可分為異養(yǎng)硝酸鹽還原菌（heterotrophic Nitrate-reducing bacteria，hNRB）和自養(yǎng)硝酸鹽還原菌（antotrophic Nitrate-reducing Bacteria，aNRB）。油藏內(nèi)部環(huán)境中大都含有NRB，尤其是hNRB，但這些細(xì)菌由于缺乏硝酸鹽而處于休眠狀態(tài)，當(dāng)通過地面系統(tǒng)經(jīng)由注入向油藏內(nèi)部注入硝酸鹽或亞硝酸鹽等物質(zhì)時(shí)，可刺激油藏本源微生物，特別是硝酸鹽還原菌NRB的生長，使得NRB對(duì)SRB的生長繁殖具有廣泛而持久的反硝化抑制作用。利用生物競(jìng)爭(zhēng)抑制的機(jī)理，提高NRB的生態(tài)位，降低SRB的生態(tài)位，使得SRB失去原有的硫酸鹽還原功能而不再產(chǎn)生H2S，使得最初單純的殺滅SRB轉(zhuǎn)變?yōu)橐砸种破浠钚詾槟康牡囊志呗訹12,19]，這也是目前微生物防治SRB腐蝕危害的主要方向，因此對(duì)其詳細(xì)的NRB對(duì)SRB的反硝化抑制作用機(jī)理進(jìn)行展開詳述如下幾個(gè)方面：

2.1.1 底物基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)

由于同屬于厭氧菌的NRB（此處主要指hNRB）與SRB生存環(huán)境極為相似，當(dāng)油藏環(huán)境中底物營養(yǎng)基質(zhì)有限時(shí)，它們之間就會(huì)發(fā)生對(duì)營養(yǎng)基質(zhì)和生存空間的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)。已有研究表明，NRB在與SRB競(jìng)爭(zhēng)底物基質(zhì)過程中存在明顯優(yōu)勢(shì)，且主要表現(xiàn)在（以乙酸為底物基質(zhì)的代謝為例）：（1）熱力學(xué)方面，硝酸鹽還原過程比硫酸鹽還原過程釋放的能量更多，ΔG負(fù)值越大，因此NRB硝酸鹽還原比SRB硫酸鹽還原過程更容易發(fā)生[2,13,19]；（2）動(dòng)力學(xué)方面，NRB對(duì)乙酸的親和力要比SRB高的多，且SRB對(duì)乙酸的最大比基質(zhì)降解速率比NRB要高，同時(shí)NRB還原硝酸鹽的速度要明顯快于SRB還原硫酸鹽，因此在動(dòng)力學(xué)上更占優(yōu)勢(shì)[2,19-21]；（3）NRB生長所需的氧化還原電位比SRB更高，更接近一般的環(huán)境條件，因而硝酸鹽還原反應(yīng)一般總是優(yōu)先發(fā)生?；谶@些原因，故在油藏中當(dāng)hNRB與SRB共存時(shí)，通過向注水中加注硝酸鹽后導(dǎo)入油藏中即可通過競(jìng)爭(zhēng)底物基質(zhì)即碳源抑制SRB的生長繁殖，并且這種抑制效果在底物碳源較為缺乏時(shí)更為明顯和有效[22]。

2.1.2 厭氧硫循環(huán)對(duì)硫化物的消耗

油田中存在的自養(yǎng)硝酸鹽還原菌aNRB亦可稱為硝酸鹽還原-硫化物氧化菌（Nitrate-reducing Sulfide-Oxidizing Bacteria, NR-SOB），如脫氮硫桿菌，可以硫酸鹽還原代謝產(chǎn)物硫化物為電子供體，將其氧化為單質(zhì)硫或硫酸鹽，生成的這些產(chǎn)物又可作為SRB的電子受體，在有氫氣、有機(jī)酸或碳?xì)浠衔镒鳛殡娮庸w時(shí)又被進(jìn)一步還原為硫化物，從而完成系統(tǒng)內(nèi)部的硫循環(huán)[23-25]。因此，將有活性的NR-SOB如脫氮硫桿菌等加入油田中，或通過加入硝酸鹽激活NR-SOB的活性，利用其對(duì)硫化物的消耗與清除，可減少由SRB生成的硫化物引起的危害。

2.1.3 干擾SRB代謝酶活性

SRB依靠亞硫酸鹽還原酶的生物催化作用將硫酸鹽（SO42-）還原為硫化物（S2-）從而完成異化硫酸鹽還原過程，但投加的硝酸鹽（NO3-）經(jīng)NRB反硝化代謝后生成的亞硝酸鹽（NO2-）及其他氮氧化物如NO2、NO、N2O等，都對(duì)SRB異化硫酸鹽代謝及其他代謝途徑所需酶的活性具有干擾或抑制作用，因此對(duì)SRB的生長繁殖也具有相應(yīng)的抑制效果[2,12,18,19]。

總之，向油田中投加NO3-或NO2-以激活油藏本源微生物特別是具有反硝化抑制SRB活性作用的NRB，從而緩解由SRB產(chǎn)生S2-導(dǎo)致腐蝕的方法，是在當(dāng)前油田特別是國外油田得到研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)并日益得到重視、成熟和青睞的方法[6-8,26,27]。

2.2 產(chǎn)生抗生素類物質(zhì)的芽孢桿菌對(duì)SRB的殺菌作用

好養(yǎng)成膜菌短芽孢桿菌（Bacillus sp.）已被證實(shí)為石油工業(yè)中生物膜的重要組成成分，同時(shí)也有很好的文獻(xiàn)紀(jì)錄和研究表明不同Bacillus sp.屬能夠產(chǎn)生對(duì)很多種微生物具有抗菌活性的胞外產(chǎn)物，包括各種在結(jié)構(gòu)上高度特異、具有細(xì)菌素和胞外酶活性及功能的物質(zhì)如蛋白酶、RNA降解酶、細(xì)胞壁裂解酶和淀粉酶等，并且很多這些物質(zhì)都具有非常廣泛的抗菌譜，因此利用這些能夠產(chǎn)生抗生素類物質(zhì)的Bacillus sp.屬并使之與石油生產(chǎn)系統(tǒng)中的SRB相互作用，就能起到很好殺滅SRB的作用或?qū)RB直接逐出由Bacillus sp.形成的生物膜中[9,14-16]。

由于暴露于自然環(huán)境表面的生物膜的形成不可避免，因而認(rèn)為利用成膜菌來將不希望的微生物驅(qū)逐出生物膜的想法是合理的。同時(shí)由于肽類抗菌劑通常較小，不像其他傳統(tǒng)的抗生素一樣需要克隆較大的操縱子或途徑來獲得表達(dá)，由此認(rèn)為克隆這些小分子的多肽類抗菌劑是可行的[14]。更為重要的是，以上已經(jīng)證實(shí)油田中的好養(yǎng)成膜菌Bacillus sp.能夠有效分泌一些具有有效抗菌活性的肽類抗菌劑，如Gramcidin S（來源于B.brevis）、Gramcidin D（來源于B. brevis）、Polymyxin（來源于B. subtilis）等，并在防治由SRB導(dǎo)致的腐蝕方面都能起到很好的積極效果。因此認(rèn)為，通過優(yōu)化微生物系統(tǒng)來阻止或緩解由SRB導(dǎo)致的微生物腐蝕，如將抗菌基因克隆并使之于更適于在工業(yè)系統(tǒng)中生長的細(xì)菌中進(jìn)行高效表達(dá)等，對(duì)于抑制SRB并解決由此帶來的腐蝕問題是完全可行并具有極大發(fā)展?jié)摿臀Φ姆较騕9,14-16]。

2.3 兼具硫酸鹽還原和反硝化功能細(xì)菌的代謝調(diào)控

自然界中也存在同時(shí)具有硫酸鹽還原和反硝化功能的菌株（作者在此稱為異化SRB），并且這種異化SRB代謝還原NO3-的能力要比我們當(dāng)前的認(rèn)知要廣泛和普遍地多[19,29-31]。由于異化SRB兼具有SRB還原SO42-產(chǎn)生S2-的功能，同時(shí)也具有NRB還原NO3-/NO2-的特性，因此當(dāng)其主要表現(xiàn)為SRB的功能時(shí)，能將SO42-還原產(chǎn)生S2-進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的油藏酸化和腐蝕問題；當(dāng)主要表現(xiàn)為NRB的功能時(shí)，能將NO3-/NO2-還原為N2、NOx或NH3等，因此在此情況下不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生S2-等導(dǎo)致負(fù)面影響，即對(duì)減少由SRB導(dǎo)致的危害有一定的積極作用。

已有研究證明，在特定的環(huán)境條件下異化SRB硫酸鹽還原能力和反硝化功能可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生這些不同功能作用的響應(yīng)和調(diào)控機(jī)理可能是由于菌株對(duì)不同環(huán)境適應(yīng)性的結(jié)果，甚至是如果細(xì)菌群體中不存在維持這種能力的選擇壓力，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的這種能力最終消失[29-31]。因此，加強(qiáng)異化SRB代謝規(guī)律的研究和考察，并使之能定向地進(jìn)行除產(chǎn)生硫化物的硫酸鹽還原之外的其他代謝，將對(duì)減少對(duì)其他物質(zhì)和方法的依賴和緩解由其本身帶來的腐蝕危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.4 噬菌體對(duì)SRB的裂解殺菌作用

噬菌體是天然的、對(duì)微生物宿主具有高度特異性而對(duì)包括人類在內(nèi)的其他生命形式不具有危害性的細(xì)菌溶菌性病毒，因其利用寄主細(xì)胞內(nèi)的各個(gè)元件控制了宿主細(xì)胞的代謝，并最終通過釋放溶菌酶破壞宿主細(xì)胞的細(xì)胞壁而使宿主細(xì)菌裂解而死亡直至徹底清除；另一方面，噬菌體是廣泛存在而且多種多樣的，更為重要的是，由于噬菌體在脫離宿主的條件下是難以生長而存活的，因而噬菌體構(gòu)成的制品被認(rèn)為是無毒的，其應(yīng)用不需保護(hù)裝置而且在其應(yīng)用后無需其他特殊的處理，因此開發(fā)基于溶菌性噬菌體的新型生物殺菌劑已日益引起研究學(xué)者的關(guān)注和興趣[10]。但需要指出的是，由于噬菌體對(duì)宿主具有極強(qiáng)的特異性，同時(shí)盡管人們期望噬菌體理想的靶標(biāo)（即宿主）是產(chǎn)生H2S的SRB，但SRB并不是一種同質(zhì)的細(xì)菌組織而是一個(gè)表型而非分類學(xué)的分類，由此導(dǎo)致了對(duì)噬菌體特定微生物靶標(biāo)的了解和掌握不夠，此外加上對(duì)噬菌體不同種間及噬菌體詳細(xì)的溶菌、殺菌行為模式缺乏深層次了解，都導(dǎo)致了對(duì)研究和開發(fā)基于噬菌體的生物殺菌劑進(jìn)展不大，盡管已有實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了其可行性，但離實(shí)際應(yīng)用還需要相當(dāng)?shù)墓ぷ鱗10,12]。

2.5 其他微生物菌株的作用

目前，已有研究報(bào)道篩選出耐無機(jī)硫化物和殺菌劑作用的F菌株，不僅能夠影響和改變地層特性（如孔隙度、滲透率等），降低硫化物的危害，減少對(duì)原油的降解，而且能夠起到有效抑制或殺滅SRB的作用[2,4]。

3 結(jié)語與展望

硫酸鹽還原菌危害的微生物防治方法雖然是一種高效環(huán)保型方法，且能從源頭上解決SRB及其導(dǎo)致的腐蝕問題，目前已經(jīng)取得了很好的效果。但是關(guān)于該方法的成功運(yùn)用還有賴于相關(guān)問題的解決：

（1）關(guān)于防治SRB及其導(dǎo)致腐蝕危害的防腐菌種的機(jī)理研究，還需要進(jìn)行持續(xù)、大量深入的研究和探索工作；

（2）通過注水向油藏中投加NO3-/NO2-的方法，雖然可以發(fā)揮反硝化競(jìng)爭(zhēng)抑制SRB的作用，但由于各油田微生物非常豐富且變異迅速，尚沒有一種統(tǒng)一的生物抑菌劑配方對(duì)各油田均有效果，因此需要具體問題具體分析，即根據(jù)各油田的實(shí)際情況設(shè)計(jì)合適的生物抑菌劑配方。同時(shí)該方法中投加的NO3-/NO2-導(dǎo)致的腐蝕問題，以及連續(xù)加藥導(dǎo)致的成本問題也是該方法需要解決的技術(shù)難題；

（3）利用好養(yǎng)成膜菌形成生物膜分泌的抗菌肽等對(duì)SRB的殺菌作用雖然具有很明顯的效果和相當(dāng)?shù)男路f性，但是該方法的突破與湊效還需要借助于分子遺傳學(xué)和基因工程技術(shù)如基因的異源高效表達(dá)、蛋白工程技術(shù)如對(duì)抗菌肽的靶向修飾以增強(qiáng)效應(yīng)以及生物膜與環(huán)境間信號(hào)響應(yīng)的細(xì)胞生物學(xué)研究等；

（4）利用異化SRB治理或緩解由其硫酸鹽還原作用生成硫化物導(dǎo)致的腐蝕為解決微生物腐蝕提供了一個(gè)全新的視角，但由于異化SRB兼具的硝酸鹽還原作用也會(huì)導(dǎo)致對(duì)投加的NO3-/NO2-的利用，因此異化SRB技術(shù)的成功應(yīng)用還在很大程度上取決于對(duì)其利用SO42-和NO3-/NO2-能力的代謝調(diào)控，即使代謝流向不產(chǎn)生硫化物途徑的定向調(diào)節(jié)、放大與最優(yōu)化，微生物基因工程和代謝工程技術(shù)的研究可作為重要的發(fā)力點(diǎn)；

（5）由于油田生產(chǎn)的操作都是在特定的高溫高壓等環(huán)境下進(jìn)行，因此加強(qiáng)能夠抑制SRB菌株的篩選，特別是能適應(yīng)這種特殊工況條件的抑制菌株的篩選，并對(duì)它們進(jìn)行進(jìn)一步的研究和優(yōu)化，最終使之成為能直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的微生物菌群，將對(duì)微生物治理SRB及其導(dǎo)致的危害具有更為實(shí)際的指導(dǎo)意義。

最后，有效防治油田生產(chǎn)系統(tǒng)中SRB及其危害的微生物學(xué)方法的尋找，還需要在以上相關(guān)問題突破的基礎(chǔ)上將這些防治方法綜合考慮并分工應(yīng)用于油田系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行和效果驗(yàn)證，才能真正找到湊效的實(shí)用方法，使之能更好的服務(wù)于油田生產(chǎn)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。