在油藏能量受限条件下，硫酸盐还原微生物的代谢策略

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Metabolic strategies of sulfate-reducing microorganisms under energy-limited conditions in oil reservoirs

本研究通过宏基因组组装分析揭示硫酸盐还原微生物（SRMs）在能量受限条件下的代谢多样性，发现其通过硫还原酶和氢化酶维持能量代谢与氧化还原平衡，并具有导电结构，为工业生物腐蚀控制提供新策略。

　　

卢旺|潘青琪|郑爱萍|季楠|周明辉|宋新民|宋东|李思琪|聂勇|吕卫峰|吴晓蕾

中国石油天然气集团公司石油勘探开发研究院，北京，100083，中国

摘要

硫酸盐还原微生物（SRMs，包括细菌和古菌）是导致油藏生物腐蚀和生物酸化的原因。然而，由于营养竞争和代谢抑制，SRMs在能量受限条件下的适应策略对传统控制策略的长期有效性构成了挑战。本研究全面分析了SRMs在这种限制下为维持能量代谢和细胞内氧化还原平衡所采用的代谢策略。从八个油藏区块中重建了752个宏基因组组装基因组（MAGs），并鉴定出60个SRM基因组。系统发育和功能分析显示，氧化型和还原型DsrAB谱系之间存在显著的代谢异质性。除了经典的硫酸盐还原反应外，SRMs还编码多种硫-硫键断裂酶和氢化酶，这些酶有助于在能量受限条件下实现氧化还原平衡和能量保存。此外，未培养SRMs中广泛存在的导电结构（如菌毛和外膜多血红素细胞色素）表明它们具有直接或黄素介导的种间电子转移的潜力。总体而言，这些发现为理解SRMs在能量受限条件下的适应性提供了机制框架。这些基因组见解也为开发针对生物腐蚀和生物酸化的控制策略奠定了基础。

引言

微生物引起的腐蚀（MIC），通常称为生物腐蚀，是由于微生物的代谢活动导致的金属材料降解（Xu等人，2023；Ueki等人，2022）。它涉及多种微生物群落（细菌、真菌、古菌）与金属表面的相互作用，最终使腐蚀速率超过仅通过电化学腐蚀所能预期的速度。MIC在各个行业中都带来了重大挑战。由微生物引起的腐蚀可能导致管道、储罐和海洋结构发生故障，从而造成高昂的维修费用、停机时间以及潜在的安全隐患（Jia等人，2019；Gu等人，2019；Johnson等人，2017；Zeng等人，2020）。

在微生物中，硫酸盐还原微生物（SRMs，包括细菌和古菌）在MIC中起着核心作用（Xu等人，2023；Williamson等人，2020；Kip等人，2015）。SRMs是厌氧微生物，在缺氧环境中使用硫酸盐作为最终电子受体（Chernyh等人，2020；Barbosa等人，2024）。这些厌氧菌在缺氧条件下利用硫酸盐作为最终电子受体，并通过多种途径加速腐蚀。SRMs通过氧化分子氢（H₂）（包括来自Fe⁰氧化的氢）或通过导电的细胞外结构（如菌毛和外膜多血红素细胞色素）直接从金属铁中提取电子（Xu等人，2023；Ouboter等人，2024）。值得注意的是，SRMs也是生物酸化的主导者，这是一种导致油藏中硫化氢（H₂S）积累的平行微生物过程。这种代谢副产物不仅会降低油品质量并增加处理成本，还会通过化学方式攻击金属表面并促进FeS结垢的形成（Xu等人，2023）。全球约80%的常规油藏和40%的天然气藏存在生物酸化现象，估计每年造成的经济损失高达900亿美元（Gaspar等人，2014；Carlson等人，2015）。

生物酸化和生物腐蚀的结合——两者通过SRM活动和H₂S的产生在机制上相互关联——对油田基础设施构成了复合威胁，因为它同时降低了能源产品的价值并破坏了材料的完整性。因此，理解这些过程背后的代谢耦合和共享的微生物生态学对于开发综合缓解策略至关重要。

目前的生物酸化控制方法包括引入硫酸盐类似物氧阴离子以抑制硫酸盐还原过程（Carlson等人，2015，2021）或采用生物竞争性抑制（Qi等人，2022；Voordouw等人，2009），这些方法针对的是硫酸盐还原的细胞内电子传递链（Williamson等人，2020；Carlson等人，2015，2021）。尽管已经做出了持续的努力来减轻生物酸化，但在实现一致和有效的控制方面仍存在挑战（Williamson等人，2020；Kip等人，2015；Voordouw等人，2009），这凸显了深入理解SRMs的生态适应性和开发新的控制策略的必要性。

现有生物酸化控制技术的科学基础旨在创建一个能量受限的环境，即缺乏硫酸盐电子受体或有机电子供体的微环境。然而，尽管这些方法有效，SRMs已经进化出了适应策略来克服能量限制（Marietou等人，2022；Hillesland等人，2010；Deng等人，2018a；Wegener等人，2015），这使它们能够隐秘地持续存在，并增强了生物腐蚀的潜力（Piceno等人，2014；Hu等人，2016）。

在这里，我们通过广泛研究栖息在油藏中的SRMs的基因组，探讨了SRMs在能量受限环境中的潜在适应机制。我们重点关注了SRMs在硫酸盐电子受体或有机电子供体耗尽条件下的代谢功能以及细胞内氧化还原平衡。这项研究阐明了SRMs繁荣发展的潜在机制，为工业废水处理中的生物腐蚀控制提供了新的见解。

采样

为了研究油藏中SRMs的物种和功能多样性，我们从中国八个不同的油藏区块收集了产出液样本。采样井的压力和深度由相应的油田提供。产出水样本的温度、pH值和粘度在现场进行了直接测量。八个油藏区块的环境参数列在表S1中（补充材料）。运输到...

油藏中SRMs的系统发育多样性和代谢异质性

我们从八个不同油藏区块收集的样本中恢复了752个中等和高质量的MAGs（表S1）。其中，60个MAGs被鉴定为编码亚硫酸盐还原酶（DsrAB），因此被称为SRMs。这些SRMs中的大多数（56/60）来自华北油田，该地区正在进行聚合物 flooding以提高采收率，这表明该地区的条件可能特别有利于SRMs的代谢，从而导致...

结论

本研究提供了关于SRMs在硫酸盐和电子供体受限条件下如何维持能量代谢和细胞内氧化还原平衡的新基因组见解。我们的发现有助于阐明传统生物酸化控制策略的实际效果与SRMs的代谢灵活性之间的关系。基因组证据表明，SRMs拥有多种不同的硫还原酶。

CRediT作者贡献声明

卢旺：软件、方法论、研究。潘青琪：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念化。郑爱萍：资源、方法论、数据管理。季楠：资源、方法论、研究、数据管理。周明辉：资源、方法论、研究、数据管理。宋新民：资源、方法论、研究、数据管理。宋东：资源、方法论、研究、数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32400102）、中国博士后科学基金（编号：2023M740097）、中国石油天然气集团公司-北京大学战略合作基础研究项目、国家关键技术研发计划（编号：2025ZD1407504）以及CNPC石油勘探开发研究院增强油气回收国家重点实验室开放研究项目（授权编号：2024-KFKT-27）的资助。