微生物與能源 環(huán)境工程系專(zhuān)業(yè)

微生物與能源環(huán)境工程系專(zhuān)業(yè)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(duì)這兩者利用提高的貢獻(xiàn)，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(guān)鍵詞：本源微生物、剩余油開(kāi)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(qū)油是在注水開(kāi)采原油過(guò)程中周期性地注入氧氣和氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，激活油藏中原油微生物的一種采油技術(shù)。與目前通常采用的外源微生物采油技術(shù)相比，本源微生物采油不存在適應(yīng)性、變異退化等問(wèn)題，減少了菌種的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)等步驟。工藝簡(jiǎn)單，投資少，成本低。剩余油：由于技術(shù)原因以前開(kāi)采時(shí)不能開(kāi)采的剩余部分。[1]革蘭氏陰性菌：細(xì)胞壁較薄，厚度為10nm。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，分外壁層和內(nèi)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(duì)這兩者利用提高的貢獻(xiàn)，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(gè)共同的憂慮，那就是能源危機(jī)。石油、電能、水力、煤炭等老一代能源現(xiàn)在面臨著一個(gè)走向枯竭的問(wèn)題，特別是石油，它是現(xiàn)代工業(yè)的血液，當(dāng)今社會(huì)幾乎都依賴于它而發(fā)展，但是對(duì)它的地球上儲(chǔ)藏量的保守估計(jì)是最多用到本世紀(jì)中葉，圍繞著石油危機(jī)，世界經(jīng)濟(jì)的走勢(shì)幾乎由石油的供應(yīng)量來(lái)決定，為了多爭(zhēng)取擁有一些石油各經(jīng)濟(jì)大國(guó)使出了渾身解數(shù)，甚至運(yùn)用了暴力手段。電能也是相同的，現(xiàn)在中國(guó)以燃煤發(fā)電為主，但是煤炭?jī)?chǔ)量卻加快減少，而且燃煤發(fā)電污染相對(duì)比較嚴(yán)重；水力發(fā)電污染較少，但先期投資比較大，而且時(shí)間長(zhǎng)，見(jiàn)效慢；核能發(fā)電優(yōu)點(diǎn)多但技術(shù)復(fù)雜……面對(duì)已經(jīng)不多的石油我們要如何充分的利用？對(duì)于各項(xiàng)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如何整和？都是現(xiàn)代科技研究的重點(diǎn)，而微生物技術(shù)給我們打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。石油與微生物1.本源微生物采油技術(shù)為剩余油開(kāi)采開(kāi)路大慶油田現(xiàn)已進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段，尋找和開(kāi)發(fā)剩余油非常重要[3]。最近，一項(xiàng)由長(zhǎng)江大學(xué)科研人員多年攻關(guān)研發(fā)，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的剩余油開(kāi)采技術(shù)——本源微生物采油(MEOR)技術(shù)，正在日趨成熟并廣泛應(yīng)用，為剩余油開(kāi)采提供了新的途徑。據(jù)了解，俄羅斯采用聚合物驅(qū)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(shù)采油，增產(chǎn)1噸原油的額外成本是5到10美元，我國(guó)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(jiàn)本源MEOR在成本上的優(yōu)勢(shì)。早在2001年，長(zhǎng)江大學(xué)科研人員在大港孔店油田首次開(kāi)展本源微生物驅(qū)油礦場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，同時(shí)定期取樣分析研究其生化指標(biāo)和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化情況。發(fā)現(xiàn)本源菌激活后增加了3到5個(gè)數(shù)量級(jí)，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(gè)數(shù)量級(jí)，原油性質(zhì)及流動(dòng)性均有改善，生物甲烷氣含量增加。進(jìn)一步分析研究表明，這些生物化學(xué)指標(biāo)變化與原油產(chǎn)量增加呈現(xiàn)正相關(guān)系。2004年擴(kuò)大應(yīng)用到3個(gè)區(qū)塊。截至目前，這家油田累計(jì)增產(chǎn)原油約2.2萬(wàn)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(shù)對(duì)油藏環(huán)境無(wú)二次污染，對(duì)人體健康和環(huán)境無(wú)毒害，是一種綠色環(huán)保的工藝技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于，在研究俄羅斯原有技術(shù)基礎(chǔ)上，在國(guó)際上首次對(duì)高溫和低蠟稠油油藏開(kāi)展本源MEOR技術(shù)研究，并用分子生態(tài)學(xué)方法對(duì)油藏微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(shù)之一，但是作為化學(xué)脫硫方法總是難逃廢渣的處理問(wèn)題。而我這里介紹的石油微生物脫硫工藝對(duì)環(huán)境的影響要小的多。日前，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員劉會(huì)洲等，利用一種革蘭氏陰性菌--德氏假單胞菌R-8開(kāi)展石油微生物脫硫研究，發(fā)現(xiàn)它對(duì)多種硫化物具有代謝能力，并通過(guò)固定化細(xì)胞的形式，進(jìn)一步提高其脫硫活性，具有很好的工業(yè)脫硫應(yīng)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(jī)動(dòng)車(chē)尾氣，即光化學(xué)煙霧型大氣污染，更是我國(guó)城市大氣污染的主要來(lái)源。目前，工業(yè)上廣泛采用的加氫脫硫法(HDS)對(duì)帶有取代基的二苯并噻吩(DBT)類(lèi)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(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)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(guó)科學(xué)院過(guò)程工程所已開(kāi)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(guó)南方和北方地區(qū)的氣田、油田和煤田采集樣品，通過(guò)初篩和多次復(fù)篩，得到5株高效DBT專(zhuān)一脫硫菌株。分類(lèi)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(huì)洲指出，國(guó)際上已報(bào)道的專(zhuān)一脫硫微生物，絕大多數(shù)屬于革蘭氏陽(yáng)性菌。然而研究表明，它們?cè)谌軇┠褪苣芰Ψ矫娌蝗绺锾m氏陰性菌，因此進(jìn)行工業(yè)油品脫硫時(shí)，革蘭氏陰性菌具有更好的應(yīng)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(duì)含硫量為1807mg/L的高含硫柴油的脫硫率可以達(dá)到77%。他們又研究了各種環(huán)境條件對(duì)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(duì)微生物的毒性，從而優(yōu)化反應(yīng)條件，提高了脫硫速率。并在生物反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微生物的高密度培養(yǎng)。所建立的工藝，廉價(jià)、有效，而且可以大批量培養(yǎng)。最后，劉會(huì)洲等采用固定化細(xì)胞的形式，進(jìn)行DBT和高含硫柴油的脫硫?qū)嶒?yàn)；改進(jìn)固定化方法和條件，進(jìn)一步提高細(xì)胞脫硫活性。模擬實(shí)驗(yàn)顯示，固定化細(xì)胞經(jīng)過(guò)500小時(shí)以上使用，脫硫活性沒(méi)有明顯下降。實(shí)驗(yàn)證明，固定化細(xì)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(kuò)增得到了脫硫相關(guān)基因的片斷，并進(jìn)行了序列測(cè)定，目前正展開(kāi)微生物脫硫工程菌的構(gòu)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(shuō)是比較清潔的發(fā)電方式，但是建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，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(guān)西電力公司承認(rèn)，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(jī)組開(kāi)始投入生產(chǎn)以來(lái)的27年中，從未進(jìn)行過(guò)檢查而導(dǎo)致管道老損，管壁過(guò)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(diào)節(jié)的方法。微生物發(fā)電未來(lái)供電新模式[7]利用微生物發(fā)電其實(shí)已不新奇，很多國(guó)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(xué)能轉(zhuǎn)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(yīng)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(duì)環(huán)境的污染小、可應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣闊。因此也吸引了各國(guó)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(xué)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(xué)學(xué)會(huì)新近公布的一項(xiàng)研究報(bào)告宣稱(chēng)，牛胃液中所含的細(xì)菌群在分解植物纖維的過(guò)程中能夠產(chǎn)生電力，電能約與一節(jié)5號(hào)電池相當(dāng)。來(lái)自俄亥俄州大學(xué)的科學(xué)家安·克瑞斯提解釋說(shuō)：“牛的胃液本身不能夠當(dāng)作電能來(lái)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(guò)程中，就能夠產(chǎn)生大量的電子。”經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)器材來(lái)深入證明。牛羊等反芻動(dòng)物都有兩個(gè)胃，牛的第一個(gè)胃被稱(chēng)為瘤胃。瘤胃分泌的胃液中含有大量微生物，當(dāng)牛進(jìn)食含有大量植物纖維的食物時(shí)，胃液中的微生物便將植物纖維分解，分解過(guò)程中便產(chǎn)生了電子。科學(xué)家利用針頭和玻璃除菌箱將牛的胃液導(dǎo)出，并模擬牛的消化過(guò)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(nèi)的微生物能夠成功地應(yīng)用于發(fā)電，那無(wú)疑將給能源匱乏的人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大效益。但科學(xué)家們也宣稱(chēng)目前這種利用生物體內(nèi)微生物發(fā)電的模式能產(chǎn)生的電能還很小，何時(shí)能投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)遙遙無(wú)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(lèi)能踏上火星，那么往返火星與地球之間就需要四年的時(shí)間。粗略估算，在此期間，6名宇航員將會(huì)“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(xué)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(lèi)的排泄物，產(chǎn)出來(lái)電能。具體做法是將這種“泥菌”屬微生物放在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的燃料電池里，這塊電池的燃料不是氫，而是人類(lèi)的排泄物。“泥菌”吞食下排泄物后，分解出電子，隨后電子被轉(zhuǎn)移到電池的一極，當(dāng)電子流向電池另一極時(shí)，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(xué)家稱(chēng)目前的困難在于如何讓泥菌產(chǎn)出的電子轉(zhuǎn)移到電池上去。如果這一設(shè)想真的能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，那么受益的將不僅是宇航員，人類(lèi)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(yīng)用不久的將來(lái)，微生物發(fā)電能否成為人類(lèi)社會(huì)供電新模式？中科院微生物研究所研究員江寧認(rèn)為，雖然目前微生物電池的研究很熱，但在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，人類(lèi)社會(huì)利用微生物產(chǎn)生電能的可能性不大。江寧介紹說(shuō)，目前主要有三大難題困擾著微生物發(fā)電的應(yīng)用。如欲將發(fā)電模式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，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(guò)程要簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(gè)復(fù)雜的環(huán)境中才能生存，此外實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)龐大的器皿、恒定唯一的條件才將牛胃液中的微生物轉(zhuǎn)化為電能。如此龐大復(fù)雜的過(guò)程，如何投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，需要做的研究太多了。小結(jié)：微生物對(duì)于石油能源各個(gè)方面的應(yīng)用是現(xiàn)在比較熱門(mén)的，因?yàn)槲⑸锛夹g(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的物理化學(xué)技術(shù)來(lái)說(shuō)，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(lèi)似于活性污泥中的特有菌種，水處理中我們對(duì)排污口的自然產(chǎn)生的菌種，它對(duì)該污水的處理有針對(duì)性的，石油工藝中的本源微生物也對(duì)該地區(qū)的石油有針對(duì)性。而對(duì)于這種本源微生物的培養(yǎng)和我們所學(xué)的微生物簡(jiǎn)單培養(yǎng)是相近的，C、N比也是常規(guī)的比例，這說(shuō)明我們以前對(duì)這種本源微生物在石油方面的結(jié)合并不十分緊密，在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)我們對(duì)微生物太過(guò)忽略了，從這個(gè)側(cè)面而言微生物的研究可以擴(kuò)展的更廣一些。微生物脫硫技術(shù)，對(duì)于我們而言可能更專(zhuān)業(yè)了一點(diǎn)，但是在大力強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)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(jī)動(dòng)車(chē)尾氣，即光化學(xué)煙霧型大氣污染，更是我國(guó)城市大氣污染的主要來(lái)源。通過(guò)生物脫硫一方面減少了硫?qū)Υ髿獾奈廴荆硪环矫嫠漠a(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(kāi)發(fā)還只是一個(gè)起步，而且相對(duì)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(shí)用性也不是很強(qiáng)，但是在一些特殊場(chǎng)合還是有它的價(jià)值的，如太空，雖然現(xiàn)在以太陽(yáng)能電池(太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段[9])為主，但是它的缺點(diǎn)是使用的太陽(yáng)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(lái)說(shuō)“泥菌”發(fā)電在地球上的應(yīng)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(duì)他們的了解并不完全，還有很大的空間。解決能源問(wèn)題現(xiàn)在的科學(xué)家對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)是不遺余力，而通過(guò)這個(gè)小小的餓微生物我們可以看到一個(gè)大的世界，通過(guò)它我們可以對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改良，也可以由于對(duì)微生物的進(jìn)一步了解而對(duì)世界能源問(wèn)題有新的開(kāi)發(fā)角度。參考文獻(xiàn)：[1]俞啟泰,關(guān)于剩余油研究的探討[J],石油勘探與開(kāi)發(fā),1997,24(2)：46-50[2]周群英,高延耀,環(huán)境工程微生物學(xué)[M],高等教育出版社,北京,2000,p26,[3]魏紀(jì)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(zhì),2001,22(1):57-59[4]張璋,新型石油微生物脫硫工藝,科學(xué)網(wǎng)，/col33/col51/articl