談 濤 馮電穩(wěn) 夏明磊 楊中娜 楊 陽

（1. 中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452；2. 天津北海油人力資源咨詢服務有限公司，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厭氧環(huán)境中。在油田生產系統(tǒng)中，由SRB引起的一連串生產問題如H2S氣體毒性、管道等設備腐蝕、油藏堵塞、原油泄漏等，都給正常的油田生產作業(yè)帶來了嚴重的干擾和巨大的經濟損失，因此日益引起全世界油田作業(yè)方及相關研發(fā)人員的重視，嚴格控制、減少由SRB導致的問題已逐漸成為各油田亟待解決的技術難題[1-8]。本文即從油田生產系統(tǒng)中SRB導致的危害出發(fā)，綜述了微生物防治方法包括SRB防治有關的微生物及作用機理在該領域的最新研究進展，并對該問題今后的發(fā)展與努力方向進行了總結與展望。

1 硫酸鹽還原菌的危害概述

油田生產系統(tǒng)中由于SRB的活動引起的問題越來越被人們的廣泛關注，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)境會大量繁殖，產生酸性氣體H2S容易導致作業(yè)人員中毒，增加安全生產隱患；SRB能夠加快金屬腐蝕，導致注水與輸油管線、儲罐等金屬設備的局部腐蝕穿孔，帶來巨大的經濟損失[1-4]；SRB產生的H2S與鐵離子反應會生成難溶的FeS沉淀物，以及與SRB形成的菌膠團的混合物，導致油藏孔隙堵塞，降低了注水井的吸水能力和采油井的導流能力，造成原油產量的下降，并且極易導致電脫水器運行不穩(wěn)定或造成電脫水器極板擊穿等危險事故[1-3,5-8]；SRB的代謝產物H2S能夠溶于原油并與其他化合物反應，增加原油中的含硫量，降低了原油與產氣品質，同時含硫原油與天然氣的燃燒對生態(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，大幅降低驅油效率或最終導致聚合物驅失敗[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，必將給油田生產帶來嚴重的后果，因此，必須深刻認識和全面評估SRB帶來的危害，并且研究和采取相應的防護和治理措施。

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械刮擦、陰極保護、使用耐蝕涂料和防護涂層等實現(xiàn)，但由于操作方法不太適合油田現(xiàn)場環(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]；同時由于成膜細菌形成生物膜的存在，使得殺菌劑失去了作用靶標而使殺菌效率降低、甚至失效，最終導致產生耐藥菌，并且殺菌劑的大量使用也導致成本不斷升高，引入新的化學物質也易引起油藏地質和水質的極大變化，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荷和難題[4,12,14-16]。

隨著當前環(huán)境政策要求的不斷提高和人們環(huán)保意識的日益增強，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的防治應基于環(huán)境保護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者正努力嘗試從生物學的角度去尋找新的出路和方法，并在近年來由于對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展[11,17,18]。微生物防治SRB方法在技術實質上是利用微生物（含本源和外源的）之間的共生、競爭以及拮抗關系來防止微生物對金屬的腐蝕，其機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菌在生活習性、生長環(huán)境等方面與SRB非常相似，但是不產生H2S，這些細菌和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營養(yǎng)等方面的競爭，從而抑制SRB的生長繁殖；二是某些細菌可以生成其他對油田無害的類似抗生素類的產物殺死SRB或者將H2S轉化，從而降低SRB的腐蝕作用；三是具有靶標定向裂解作用的噬菌體對宿主細胞SRB的殺菌清除作用。綜述已有報道的用于防治SRB的微生物及相關作用機理展開如下：

2.1 硝酸鹽還原菌對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-）產生NO2-、NO、N2O、N2、NH3及其他含氮有機物細菌的統(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）。油藏內部環(huán)境中大都含有NRB，尤其是hNRB，但這些細菌由于缺乏硝酸鹽而處于休眠狀態(tài)，當通過地面系統(tǒng)經由注入向油藏內部注入硝酸鹽或亞硝酸鹽等物質時，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。利用生物競爭抑制的機理，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生H2S，使得最初單純的殺滅SRB轉變?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，因此對其詳細的NRB對SRB的反硝化抑制作用機理進行展開詳述如下幾個方面：

2.1.1 底物基質競爭

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，當油藏環(huán)境中底物營養(yǎng)基質有限時，它們之間就會發(fā)生對營養(yǎng)基質和生存空間的強烈競爭。已有研究表明，NRB在與SRB競爭底物基質過程中存在明顯優(yōu)勢，且主要表現(xiàn)在（以乙酸為底物基質的代謝為例）：（1）熱力學方面，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）動力學方面，NRB對乙酸的親和力要比SRB高的多，且SRB對乙酸的最大比基質降解速率比NRB要高，同時NRB還原硝酸鹽的速度要明顯快于SRB還原硫酸鹽，因此在動力學上更占優(yōu)勢[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一般總是優(yōu)先發(fā)生?；谶@些原因，故在油藏中當hNRB與SRB共存時，通過向注水中加注硝酸鹽后導入油藏中即可通過競爭底物基質即碳源抑制SRB的生長繁殖，并且這種抑制效果在底物碳源較為缺乏時更為明顯和有效[22]。

2.1.2 厭氧硫循環(huán)對硫化物的消耗

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物硫化物為電子供體，將其氧化為單質硫或硫酸鹽，生成的這些產物又可作為SRB的電子受體，在有氫氣、有機酸或碳氫化合物作為電子供體時又被進一步還原為硫化物，從而完成系統(tǒng)內部的硫循環(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SRB的生長繁殖也具有相應的抑制效果[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產生S2-導致腐蝕的方法，是在當前油田特別是國外油田得到研究和現(xiàn)場試驗證實并日益得到重視、成熟和青睞的方法[6-8,26,27]。

2.2 產生抗生素類物質的芽孢桿菌對SRB的殺菌作用

好養(yǎng)成膜菌短芽孢桿菌（Bacillus sp.）已被證實為石油工業(yè)中生物膜的重要組成成分，同時也有很好的文獻紀錄和研究表明不同Bacillus sp.屬能夠產生對很多種微生物具有抗菌活性的胞外產物，包括各種在結構上高度特異、具有細菌素和胞外酶活性及功能的物質如蛋白酶、RNA降解酶、細胞壁裂解酶和淀粉酶等，并且很多這些物質都具有非常廣泛的抗菌譜，因此利用這些能夠產生抗生素類物質的Bacillus sp.屬并使之與石油生產系統(tǒng)中的SRB相互作用，就能起到很好殺滅SRB的作用或將SRB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，因而認為利用成膜菌來將不希望的微生物驅逐出生物膜的想法是合理的。同時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，由此認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，以上已經證實油田中的好養(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導致的腐蝕方面都能起到很好的積極效果。因此認為，通過優(yōu)化微生物系統(tǒng)來阻止或緩解由SRB導致的微生物腐蝕，如將抗菌基因克隆并使之于更適于在工業(yè)系統(tǒng)中生長的細菌中進行高效表達等，對于抑制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菌的代謝調控

自然界中也存在同時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-的能力要比我們當前的認知要廣泛和普遍地多[19,29-31]。由于異化SRB兼具有SRB還原SO42-產生S2-的功能，同時也具有NRB還原NO3-/NO2-的特性，因此當其主要表現(xiàn)為SRB的功能時，能將SO42-還原產生S2-進而導致嚴重的油藏酸化和腐蝕問題；當主要表現(xiàn)為NRB的功能時，能將NO3-/NO2-還原為N2、NOx或NH3等，因此在此情況下不會因為產生S2-等導致負面影響，即對減少由SRB導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現(xiàn)轉換，產生這些不同功能作用的響應和調控機理可能是由于菌株對不同環(huán)境適應性的結果，甚至是如果細菌群體中不存在維持這種能力的選擇壓力，就會導致產生的這種能力最終消失[29-31]。因此，加強異化SRB代謝規(guī)律的研究和考察，并使之能定向地進行除產生硫化物的硫酸鹽還原之外的其他代謝，將對減少對其他物質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)實意義。

2.4 噬菌體對SRB的裂解殺菌作用

噬菌體是天然的、對微生物宿主具有高度特異性而對包括人類在內的其他生命形式不具有危害性的細菌溶菌性病毒，因其利用寄主細胞內的各個元件控制了宿主細胞的代謝，并最終通過釋放溶菌酶破壞宿主細胞的細胞壁而使宿主細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，因而噬菌體構成的制品被認為是無毒的，其應用不需保護裝置而且在其應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者的關注和興趣[10]。但需要指出的是，由于噬菌體對宿主具有極強的特異性，同時盡管人們期望噬菌體理想的靶標（即宿主）是產生H2S的SRB，但SRB并不是一種同質的細菌組織而是一個表型而非分類學的分類，由此導致了對噬菌體特定微生物靶標的了解和掌握不夠，此外加上對噬菌體不同種間及噬菌體詳細的溶菌、殺菌行為模式缺乏深層次了解，都導致了對研究和開發(fā)基于噬菌體的生物殺菌劑進展不大，盡管已有實驗研究證實了其可行性，但離實際應用還需要相當?shù)墓ぷ鱗10,12]。

2.5 其他微生物菌株的作用

目前，已有研究報道篩選出耐無機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及其導致的腐蝕問題，目前已經取得了很好的效果。但是關于該方法的成功運用還有賴于相關問題的解決：

（1）關于防治SRB及其導致腐蝕危害的防腐菌種的機理研究，還需要進行持續(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)揮反硝化競爭抑制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)各油田的實際情況設計合適的生物抑菌劑配方。同時該方法中投加的NO3-/NO2-導致的腐蝕問題，以及連續(xù)加藥導致的成本問題也是該方法需要解決的技術難題；

（3）利用好養(yǎng)成膜菌形成生物膜分泌的抗菌肽等對SRB的殺菌作用雖然具有很明顯的效果和相當?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和基因工程技術如基因的異源高效表達、蛋白工程技術如對抗菌肽的靶向修飾以增強效應以及生物膜與環(huán)境間信號響應的細胞生物學研究等；

（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致的腐蝕為解決微生物腐蝕提供了一個全新的視角，但由于異化SRB兼具的硝酸鹽還原作用也會導致對投加的NO3-/NO2-的利用，因此異化SRB技術的成功應用還在很大程度上取決于對其利用SO42-和NO3-/NO2-能力的代謝調控，即使代謝流向不產生硫化物途徑的定向調節(jié)、放大與最優(yōu)化，微生物基因工程和代謝工程技術的研究可作為重要的發(fā)力點；

（5）由于油田生產的操作都是在特定的高溫高壓等環(huán)境下進行，因此加強能夠抑制SRB菌株的篩選，特別是能適應這種特殊工況條件的抑制菌株的篩選，并對它們進行進一步的研究和優(yōu)化，最終使之成為能直接應用于現(xiàn)場的微生物菌群，將對微生物治理SRB及其導致的危害具有更為實際的指導意義。

最后，有效防治油田生產系統(tǒng)中SRB及其危害的微生物學方法的尋找，還需要在以上相關問題突破的基礎上將這些防治方法綜合考慮并分工應用于油田系統(tǒng)，現(xiàn)場進行和效果驗證，才能真正找到湊效的實用方法，使之能更好的服務于油田生產，帶來巨大的經濟和社會效益。