摘要：本文主要介紹微生物與電能和石油的聯(lián)系，分析微生物對這兩者利用提高的貢獻，還介紹了一些雖然還不成熟，但還是很有潛力的微生物提供能量給我們的方法。

關鍵詞：本源微生物、剩余油開采、脫硫工藝、微生物發(fā)電

本源微生物：本源微生物是指存在與油藏中較為穩(wěn)定的微生物群落。本源微生物驅油是在注水開采原油過程中周期性地注入氧氣和氮、磷營養(yǎng)物質，激活油藏中原油微生物的一種采油技術。與目前通常采用的外源微生物采油技術相比，本源微生物采油不存在適應性、變異退化等問題，減少了菌種的開發(fā)、生產(chǎn)等步驟。工藝簡單，投資少，成本低。

剩余油：由于技術原因以前開采時不能開采的剩余部分。[1]

革蘭氏陰性菌：細胞壁較薄，厚度為10nm。其結構較復雜，分外壁層和內壁層。[2]

摘要：本文主要介紹微生物與電能和石油的聯(lián)系，分析微生物對這兩者利用提高的貢獻，還介紹了一些雖然還不成熟，但還是很有潛力的微生物提供能量給我們的方法。

今天的世界有一個共同的憂慮，那就是能源危機。

石油、電能、水力、煤炭等老一代能源現(xiàn)在面臨著一個走向枯竭的問題，特別是石油，它是現(xiàn)代工業(yè)的血液，當今社會幾乎都依賴于它而發(fā)展，但是對它的地球上儲藏量的保守估計是最多用到本世紀中葉，圍繞著石油危機，世界經(jīng)濟的走勢幾乎由石油的供應量來決定，為了多爭取擁有一些石油各經(jīng)濟大國使出了渾身解數(shù)，甚至運用了暴力手段。

電能也是相同的，現(xiàn)在中國以燃煤發(fā)電為主，但是煤炭儲量卻加快減少，而且燃煤發(fā)電污染相對比較嚴重；水力發(fā)電污染較少，但先期投資比較大，而且時間長，見效慢；核能發(fā)電優(yōu)點多但技術復雜……

面對已經(jīng)不多的石油我們要如何充分的利用？對于各項發(fā)電技術的優(yōu)點如何整和？都是現(xiàn)代科技研究的重點，而微生物技術給我們打開了一扇新的大門。

石油與微生物

1. 本源微生物采油技術為剩余油開采開路

大慶油田現(xiàn)已進入高含水開發(fā)階段，尋找和開發(fā)剩余油非常重要[3]。最近，一項由長江大學科研人員多年攻關研發(fā)，工藝簡單、成本低廉的剩余油開采技術——本源微生物采油(MEOR)技術，正在日趨成熟并廣泛應用，為剩余油開采提供了新的途徑。

據(jù)了解，俄羅斯采用聚合物驅油，增產(chǎn)1噸原油的額外成本是30美元，而用本源微生物技術采油，增產(chǎn)1噸原油的額外成本是5到10美元，我國大慶油田三次采油，增產(chǎn)1噸原油的額外成本約為200到300元，由此可見本源MEOR在成本上的優(yōu)勢。早在2001年，長江大學科研人員在大港孔店油田首次開展本源微生物驅油礦場應用試驗，同時定期取樣分析研究其生化指標和生產(chǎn)動態(tài)變化情況。發(fā)現(xiàn)本源菌激活后增加了3到5個數(shù)量級，微生物代謝最終產(chǎn)物醋酸根和碳酸氫根濃度增加1到2個數(shù)量級，原油性質及流動性均有改善，生物甲烷氣含量增加。進一步分析研究表明，這些生物化學指標變化與原油產(chǎn)量增加呈現(xiàn)正相關系。2004年擴大應用到3個區(qū)塊。截至目前，這家油田累計增產(chǎn)原油約2.2萬噸，投入產(chǎn)出比為1:13.2，取得了明顯效益。此外，本源微生物采油技術對油藏環(huán)境無二次污染，對人體健康和環(huán)境無毒害，是一種綠色環(huán)保的工藝技術。此項技術的創(chuàng)新點在于，在研究俄羅斯原有技術基礎上，在國際上首次對高溫和低蠟稠油油藏開展本源MEOR技術研究，并用分子生態(tài)學方法對油藏微生物群落結構進行了研究，發(fā)現(xiàn)存在許多未培養(yǎng)微生物資源，它在石油烴共降解中可能起著積極作用。

2. 新型石油微生物脫硫工藝[4]

石油脫硫是很重要的，含硫量的高低也決定了燃燒后對大氣的污染程度。液化石油氣固體堿脫硫精制新工藝[5]，是目前新研發(fā)的脫硫新技術之一，但是作為化學脫硫方法總是難逃廢渣的處理問題。而我這里介紹的石油微生物脫硫工藝對環(huán)境的影響要小的多。

日前，中國科學院過程工程研究所研究員劉會洲等，利用一種革蘭氏陰性菌--德氏假單胞菌R-8開展石油微生物脫硫研究，發(fā)現(xiàn)它對多種硫化物具有代謝能力，并通過固定化細胞的形式，進一步提高其脫硫活性，具有很好的工業(yè)脫硫應用前景。

汽油、柴油等石油產(chǎn)品，燃燒后排出大量的二氧化硫，是酸雨產(chǎn)生的主要原因之一。機動車尾氣，即光化學煙霧型大氣污染，更是我國城市大氣污染的主要來源。目前，工業(yè)上廣泛采用的加氫脫硫法(HDS)對帶有取代基的二苯并噻吩(DBT)類雜環(huán)化合物的脫硫效率很低。相比催化加氫脫硫，微生物脫硫大幅降低設備投資、運行費用方面的投入，而且廢液排放很少，更符合環(huán)保要求。

在微生物脫硫研究方面，中國科學院過程工程所已開展多年研究工作。為發(fā)展更好的生物脫硫方法，研究人員分別從我國南方和北方地區(qū)的氣田、油田和煤田采集樣品，通過初篩和多次復篩，得到5株高效DBT專一脫硫菌株。分類鑒定發(fā)現(xiàn)，篩選到的德氏假單胞菌R-8，是革蘭氏陰性菌。

劉會洲指出，國際上已報道的專一脫硫微生物，絕大多數(shù)屬于革蘭氏陽性菌。然而研究表明，它們在溶劑耐受能力方面不如革蘭氏陰性菌，因此進行工業(yè)油品脫硫時，革蘭氏陰性菌具有更好的應用前景。初步研究表明，德氏假單胞菌R-8能脫除含硫量為261mg/L的加氫脫硫柴油中72%的硫，對含硫量為1807mg/L的高含硫柴油的脫硫率可以達到77%。

他們又研究了各種環(huán)境條件對微生物活性和脫硫速率的影響，以及分散劑、助溶劑、破乳劑對微生物的毒性，從而優(yōu)化反應條件，提高了脫硫速率。并在生物反應器內實現(xiàn)了對微生物的高密度培養(yǎng)。所建立的工藝，廉價、有效，而且可以大批量培養(yǎng)。最后，劉會洲等采用固定化細胞的形式，進行DBT和高含硫柴油的脫硫實驗；改進固定化方法和條件，進一步提高細胞脫硫活性。模擬實驗顯示，固定化細胞經(jīng)過500小時以上使用，脫硫活性沒有明顯下降。實驗證明，固定化細胞再生方便，是生物脫硫工業(yè)化的最佳選擇。

為深化成果，研究人員從紅平紅球菌LSSE8-1和戈登氏菌LSSEJ-1中成功擴增得到了脫硫相關基因的片斷，并進行了序列測定，目前正展開微生物脫硫工程菌的構建工作。

3. 微生物與電能

電能作為現(xiàn)代能源的支柱性能源，它的產(chǎn)生形式多種多樣，水利發(fā)電，核能發(fā)電都可以說是比較清潔的發(fā)電方式，但是建設時間長，偶發(fā)性事件可能性大。最近先后在日本和俄羅斯發(fā)生了核電站事故，10日，日本關西電力公司承認，該公司位于福井縣的美濱核電站蒸氣泄漏事故的原因是由于發(fā)生破裂事故的配水管自1976年該機組開始投入生產(chǎn)以來的27年中，從未進行過檢查而導致管道老損，管壁過薄，最終在不堪高壓的情況下發(fā)生了破裂事故。[6]

我現(xiàn)在要介紹一種自然界本身所特有的，污染可由環(huán)境自身調節(jié)的方法。

微生物發(fā)電未來供電新模式[7]

利用微生物發(fā)電其實已不新奇，很多國家都已致力于研發(fā)微生物電池，其原理是將微生物產(chǎn)生的化學能轉換為電能。

目前廣泛使用的沼氣發(fā)電也是微生物發(fā)電原理的間接應用之一(微生物分解垃圾，產(chǎn)生沼氣，再利用沼氣發(fā)電)。利用微生物發(fā)電成本低、對環(huán)境的污染小、可應用的領域十分廣闊。因此也吸引了各國研究人員潛心鉆研這一課題，生物排泄物、白蟻的胃液、牛的胃液都曾被科學家用以探求微生物發(fā)電的可能性。微生物發(fā)電這一令人期待的發(fā)電模式正逐漸顯現(xiàn)出巨大的潛力。

3.1 牛胃液中微生物可產(chǎn)生電能

據(jù)西班牙皇家化學學會新近公布的一項研究報告宣稱，牛胃液中所含的細菌群在分解植物纖維的過程中能夠產(chǎn)生電力，電能約與一節(jié)5號電池相當。 來自俄亥俄州大學的科學家安·克瑞斯提解釋說：“牛的胃液本身不能夠當作電能來源，而是胃液中一種微生物能夠分解產(chǎn)生電能。這種微生物在反芻消化草等飼料中大量的纖維素過程中，就能夠產(chǎn)生大量的電子。”經(jīng)過大量研究，克瑞斯提發(fā)現(xiàn)，半公升牛的瘤胃胃液中含有的微生物能夠產(chǎn)生600毫伏的電能。于是，克瑞斯提設計了一個特殊的實驗器材來深入證明。

牛羊等反芻動物都有兩個胃，牛的第一個胃被稱為瘤胃。瘤胃分泌的胃液中含有大量微生物，當牛進食含有大量植物纖維的食物時，胃液中的微生物便將植物纖維分解，分解過程中便產(chǎn)生了電子?？茖W家利用針頭和玻璃除菌箱將牛的胃液導出，并模擬牛的消化過程，利用胃液中的微生物成功產(chǎn)生了電力。半公升牛的瘤胃胃液中含有的微生物約能產(chǎn)生600毫伏的電能。這種微生物在牛的糞便中也有，而牛的糞便又可以直接給燃料電池提供能量。用牛糞制成的燃料充電電池每節(jié)電池能夠產(chǎn)生300到400毫伏的電能。

如果生物體內的微生物能夠成功地應用于發(fā)電，那無疑將給能源匱乏的人類社會帶來巨大效益。但科學家們也宣稱目前這種利用生物體內微生物發(fā)電的模式能產(chǎn)生的電能還很小，何時能投入商業(yè)運營遙遙無期。

3.2 微生物變太空“糞”為太空“電”

目前載人飛船上天，宇航員在太空飛行中的排泄物要被帶回地球。如果有朝一日人類能踏上火星，那么往返火星與地球之間就需要四年的時間。粗略估算，在此期間，6名宇航員將會“制造”出6噸多的排泄物垃圾。這些廢物垃圾該如何處置呢？

日前科學家正在研究利用“泥菌”[8]屬微生物將這些太空垃圾變廢為寶。即讓“泥菌”屬微生物“吃下”人類的排泄物，產(chǎn)出來電能。

具體做法是將這種“泥菌”屬微生物放在一個特別設計的燃料電池里，這塊電池的燃料不是氫，而是人類的排泄物。“泥菌”吞食下排泄物后，分解出電子，隨后電子被轉移到電池的一極，當電子流向電池另一極時，碰撞出電流。但目前這種理想的太空糞電池還尚未飛上太空，科學家稱目前的困難在于如何讓泥菌產(chǎn)出的電子轉移到電池上去。如果這一設想真的能變?yōu)楝F(xiàn)實，那么受益的將不僅是宇航員，人類的排泄物都可變廢為利了。

3.3 三大難題困擾微生物發(fā)電的應用

不久的將來，微生物發(fā)電能否成為人類社會供電新模式？中科院微生物研究所研究員江寧認為，雖然目前微生物電池的研究很熱，但在可以預見的將來，人類社會利用微生物產(chǎn)生電能的可能性不大。江寧介紹說，目前主要有三大難題困擾著微生物發(fā)電的應用。

如欲將發(fā)電模式投入商業(yè)運營，首先產(chǎn)生的電量要足夠大，而目前利用微生物發(fā)電所產(chǎn)生的電量都微乎其微。其次電能的產(chǎn)生過程要簡單。再次發(fā)電的工作環(huán)境要穩(wěn)定，比如不受溫度的變化。

而利用微生物發(fā)電的研究還處于實驗室工作環(huán)境中。以牛胃液中微生物發(fā)電為例，牛胃液中的微生物在牛胃這樣一個復雜的環(huán)境中才能生存，此外實驗室中通過龐大的器皿、恒定唯一的條件才將牛胃液中的微生物轉化為電能。如此龐大復雜的過程，如何投入商業(yè)運營，需要做的研究太多了。

小結：微生物對于石油能源各個方面的應用是現(xiàn)在比較熱門的，因為微生物技術相對于傳統(tǒng)的物理化學技術來說，污染小，產(chǎn)生二次污染的可能性也小的多。本源微生物，在我的理解上類似于活性污泥中的特有菌種，水處理中我們對排污口的自然產(chǎn)生的菌種，它對該污水的處理有針對性的，石油工藝中的本源微生物也對該地區(qū)的石油有針對性。而對于這種本源微生物的培養(yǎng)和我們所學的微生物簡單培養(yǎng)是相近的，C、N比也是常規(guī)的比例，這說明我們以前對這種本源微生物在石油方面的結合并不十分緊密，在這個領域內我們對微生物太過忽略了，從這個側面而言微生物的研究可以擴展的更廣一些。

微生物脫硫技術，對于我們而言可能更專業(yè)了一點，但是在大力強調環(huán)境保護的今天這是很有前景的。汽油、柴油等石油產(chǎn)品，燃燒后排出大量的二氧化硫，是酸雨產(chǎn)生的主要原因之一。機動車尾氣，即光化學煙霧型大氣污染，更是我國城市大氣污染的主要來源。通過生物脫硫一方面減少了硫對大氣的污染，另一方面它的產(chǎn)生的廢棄物可以由自然自身凈化，不產(chǎn)生二次污染。

微生物在發(fā)電上的開發(fā)還只是一個起步，而且相對于其它的比較成熟的發(fā)電工藝它的發(fā)電量還是很小的，可實用性也不是很強，但是在一些特殊場合還是有它的價值的，如太空，雖然現(xiàn)在以太陽能電池(太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作 的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段[9])為主，但是它的缺點是使用的太陽能接收板的面積太大，要從地球上帶入太空成本太高，而上面我們所提到的“泥菌”體積也就小的多，在相同體積上產(chǎn)生的電能“泥菌”要多的多，從另一方面來說“泥菌”發(fā)電在地球上的應用還有待提高。

微生物是我們借助顯微鏡才能看到的世界，對他們的了解并不完全，還有很大的空間。解決能源問題現(xiàn)在的科學家對新能源的開發(fā)已經(jīng)是不遺余力，而通過這個小小的餓微生物我們可以看到一個大的世界，通過它我們可以對現(xiàn)有的技術進行改良，也可以由于對微生物的進一步了解而對世界能源問題有新的開發(fā)角度。

參考文獻：

[1] 俞啟泰,關于剩余油研究的探討[J],石油勘探與開發(fā),1997,24(2)：46-50

[2] 周群英,高延耀, 環(huán)境工程微生物學[M],高等教育出版社,北京,2000, p26 ,

[3] 魏紀德,林春明,杜慶龍,張同意,大慶油田剩余油的影響因素及分布,石油與天然氣地質, 2001,22(1):57-59

[4] 張璋,新型石油微生物脫硫工藝,科學網(wǎng)，http://www.sciencetimes.com.cn/col33/col51/article.htm1?id=1788

[5] 段永鋒, 固體堿脫除硫化物性能研究[碩士學位論文],石油大學(華東),山東東營,2004

[6] 劉洪亮,?叢云峰, 電站蒸氣泄漏, http://www.gzepb.gov.cn/gnxw/200408100010.htm

[7] 羅中云,徐笛,牛胃液中微生物可產(chǎn)生電能,北京科技報, 2005-09-26? ?http://bjsn.bjyouth.com/view.jsp?oid=6383798

[8] 諸葛健,王正祥,工業(yè)微生物實驗技術手冊,北京:中國輕工業(yè)出版社,1994, p72

[9] 北京市青年聯(lián)合會,?北京市科學技術協(xié)會,什么是太陽能電池? http://www.bjkp.gov.cn/gkjqy/nykx/k104102.htm