《Science of The Total Environment》：Thermophilic biohydrogen production from reservoir residual hydrocarbons using palm oil mill effluent–derived microbial consortia
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生物氢能制备；高温高压反应器；代谢组学分析；微生物群落优化；枯竭油藏资源化
作者：Chika Umunnawuike、David Abutu、Peter Ikechukwu Nwaichi、Francis Nyah、Augustine Agi
马来西亚彭亨大学Al-Sultan Abdullah化学与过程工程技术学院
地址：Lebuhraya Persiaran Tun Khalil Yaakob, 26300, Kuantan, Pahang, Malaysia
摘要
枯竭油藏中剩余的原油是一种尚未充分利用的碳源，可用于生物制氢。以往的研究主要依赖于油藏中自然存在的细菌，但氢产率较低，因为并非所有油藏微生物都能产氢。因此，在本研究中，使用从棕榈油厂废水（POME）中分离出的混合菌群来降解原油以生产氢气。通过场发射扫描电子显微镜评估了微生物群落的形态变化，并进行了宏基因组分析以鉴定能够产生物氢的主要微生物类群。随后，在一个高温高压（800°C/30 MPa）的不锈钢生物反应器中加入混合菌群，模拟油田环境进行氢气生产。采用Box–Behnken设计系统研究了暴露时间（6–90小时）、原油体积（10–40毫升）和温度（35–70°C）对连续氢气生产的影响。方差分析用于评估模型参数。热处理显著增强了产氢菌株（如Clostridium和Bacillus）的活性，使氢产率相比未经处理的污泥提高了约4倍（从25.68 ± 0.04毫升/升提高到97.40 ± 0.02毫升/升）。在原油存在的情况下，最佳氢产率为50°C时为152.50 ± 0.01毫升/升，而35°C和70°C时分别为125.45 ± 0.03毫升/升和29.95 ± 0.01毫升/升。预测的氢产率与实验结果高度一致（R2值为97.4%），表明该模型具有较高的精确度和可靠性。热力学分析显示，碳氢化合物转化为氢气的过程在所有测试温度下都是能量上有利的。总体而言，实验、统计和热力学分析均证明了在枯竭油藏中利用微生物增强氢回收的技术可行性和经济可行性。
引言
氢作为一种清洁且多用途的能源载体，越来越受到重视，它有助于向低碳能源系统的转型。当氢作为燃料使用时，其氧化主要产生水蒸气；尽管在高温燃烧条件下可能会产生少量氮氧化物（NO?）。当氢来源于可再生或废弃物时，它可以在能源密集型行业中发挥关键作用（Umunnawuike等人，2024a；Manikumar等人，2024；Al-Ani等人，2024）。虽然传统的氢生产方法依赖化石燃料重整，但这种方法能耗高且伴随大量温室气体排放。因此，从可再生原料中生产生物氢已成为一种环保的替代方案。未被充分探索的原料来源之一是枯竭油藏中残留的碳氢化合物（饱和或不饱和）。这些碳氢化合物是厌氧微生物群将其转化为氢的潜在碳源。枯竭油藏中的碳氢化合物与含有微生物代谢所需的基本生物元素（氮、磷、硫和微量元素）的形成水共同存在（Hou等人，2025；Yahya等人，2024；Mahat等人，2025；Nyah等人，2024；Sampaio等人，2025）。就地利用这一资源可以带来双重好处：既可以从废弃的油井中回收能源，又减少与之相关的环境问题。
此外，嗜热生物制氢过程相比中温过程具有热力学和动力学优势，包括更高的反应速率、更低的粘度和更好的传质效果。例如Thermotoga属细菌能够从碳水化合物和生物油中高效产氢。最新研究表明，Pseudothermotoga hypogea DSM-11164和Pseudothermotoga elfii DSM-9442在共底物和表面活性剂存在下能直接从碳氢化合物（如原油和正十六烷）中产氢（Veshareh等人，2022）。石油储层，尤其是枯竭油田，通常具有较高的地下温度，并且在常规开采后仍含有大量未回收的碳氢化合物（Nyah等人，2025a；Nyah等人，2025b；Okoro等人，2023）。
除了微生物途径外，枯竭油田也被认为是生成和储存可再生氢的有前景的场所。Hsia等人（2024）报告称，枯竭油藏中仍有30–80%的原始石油未被回收，为微生物转化提供了丰富的碳源。Alkan等人（2024）进一步提出，现场制氢可以与地质二氧化碳（CO?）储存结合，从而在产生氢的同时减少排放。Sampaio等人（2025）提出了“黄金氢”的概念，即利用枯竭油藏作为天然生物反应器，通过暗发酵途径将残留碳氢化合物转化为氢。相关研究还表明，来自棕榈油厂废水的嗜热菌群在高温条件下可实现持续的氢产率，突显了外部接种剂在扩大应用规模方面的潜力（Ismail等人，2010）。
在枯竭油藏中实施微生物增强氢回收（MEHR）具有重要的环境和社会经济优势。从环境角度来看，MEHR可以将被困的碳氢化合物转化为低碳氢，同时减少甲烷排放并降低废弃油井的长期环境负担。从社会角度来看，这项技术可通过现有基础设施生成清洁燃料，从而保障能源安全。从经济角度来看，MEHR为从衰退的石油资产中回收价值提供了途径，实现了碳氢化合物向绿色能源的转化（Alkan等人，2024；Boretti等人，2025；Musa等人，2025；Angelico等人，2025）。这些广泛的影响进一步证明了所提出方法的相关性和可持续性。
基于这些发现，最近的研究致力于提高从原油中提取氢的产率。例如，Yuan等人（2022）利用微波加热启动了原油、水和催化剂在碎岩样品中的反应，从而生成氢气。这表明从石油储层中现场生成氢气是可行的，尽管这一过程受水油比例的显著影响。Abutu等人（2025a）通过数值模拟预测，在模拟系统中每摩尔己烷最多可生成4.34升氢气，纯度为89.6%。Hou等人（2025）进一步指出，地下氢气可以通过热化学和生物途径生成，而Evro等人（2025）强调了枯竭油藏作为经济且可扩展的氢储存场所的潜力。
碳氢化合物在原位转化为氢气是可行的；然而，现有方法存在一些局限性。主要问题是，原位燃烧方法使用热量和氧气将碳氢化合物转化为氢气，但主要用于重油，且能耗较高（Okere和Sheng，2023；Song等人，2023）。此外，这种方法会消耗大量碳氢化合物，导致产率较低。原位生物降解方法利用微生物将储层中的碳氢化合物转化为氢气，但并非所有储层微生物都能进行发酵，从而限制了氢的回收率（Veshareh等人，2022）。尽管如此，使用外部嗜热细菌是一种有前景的替代方案，但目前尚未对此进行充分研究。此外，关于原油体积、暴露时间和温度对氢产率的影响在文献中仍不明确。因此，本研究旨在通过探讨外部嗜热细菌对氢产率优化的影响来填补这些知识空白。
为此，使用外部混合嗜热菌群降解原油以生产氢气。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）评估了微生物群落的形态变化，并进行了宏基因组分析以鉴定能够在热处理条件下产生物氢的主要微生物类群。随后，在一个高温高压（HTHP）不锈钢反应器中加入混合菌群，模拟油田环境。然后应用Box–Behnken设计（BBD）系统研究暴露时间（6–90小时）、原油体积（10–40毫升）和温度（35–70°C）对连续氢气生产的影响。方差分析（ANOVA）用于评估模型参数。研究假设接种前的预处理可以促进孢子形成并抑制氢向甲烷和醋酸的转化，同时提高氢产率。此外，适宜的温度范围有助于维持发酵过程。
化学试剂
氯化钾（KCl）、氯化钡二水合物（BaCl?·2H?O）、氯化锶六水合物（SrCl?·6H?O）、氯化钠（NaCl）、氯化钙二水合物（CaCl?·2H?O）、氯化镁六水合物（MgCl?·6H?O）、碳酸氢钠（NaHCO?）、硫酸钠（Na?SO?）、硫酸铵（(NH?)?SO?）、蛋白胨、葡萄糖（C?H??O?）、硫酸（H?SO?，纯度98%）和氢氧化钠（NaOH）均由Essen-Haus Sdn. Bhd.（马来西亚雪兰莪州Subang Jaya）提供，并按原样使用。
厌氧污泥特性
表1显示了POME污泥的特性。未经处理的污泥pH值为8.47，经热处理的污泥pH值为8.22，均处于微碱性范围内（表1）。这一发现与Woraruthai等人（2024）的报告一致，他们观察到从厌氧污泥中分离出的产氢菌Enterococcus faecalis在微碱性条件下生长最佳。pH值高于9会干扰对代谢至关重要的酶活性。
结论
本研究成功证明了使用可持续且成本效益高的菌群从碳氢化合物中产氢的可行性。根据研究结果，得出以下主要结论：
系统评估操作参数后发现，温度、暴露时间和原油体积对氢产率有显著影响，最佳条件为50°C、暴露时间36小时和原油体积40毫升。
建议
与所有研究一样，这项工作也留下了进一步探索的空间。储层岩石基质可能作为催化剂，为碳氢化合物的发酵过程提供缓冲作用。因此，需要研究不同储层岩石类型对氢产率的影响。未来的工作应关注连续流MEHR系统、对富集菌群降解碳氢化合物的动力学建模以及宏基因组分析，以全面了解其机制。
作者贡献声明
Chika Umunnawuike：撰写初稿、可视化处理、软件开发、方法设计、实验设计、概念构建。
David Abutu：实验设计、数据分析。
Peter Ikechukwu Nwaichi：可视化处理、软件开发。
Francis Nyah：可视化处理、结果验证。
Augustine Agi：撰写、审稿与编辑、项目协调、资金争取、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究由Petronas Research SDN. BHD（PRSB）通过研究项目UIC 240814资助。
