南開大學重大發現為今後石油開採帶來新原動力———
「破譯它的密碼並不難,難的是我們一直試圖尋找它『吃』石油的原因。現在我們發現了它含有一般微生物所不具備的特殊酶,可以幫助降解重油。這在世界上也是首次重大突破!」昨天,南開大學泰達生物技術學院院長、長江學者王磊接受本報記者專訪時表示,南開大學在世界上首次揭開可以降解重油的細菌的奧秘,破譯了這一細菌的全基因組密碼,揭示了其遺傳信息並首次發現重要的代謝途徑,為今後石油開採、石油運輸和解決石油汙染等難題帶來新的原動力。
王磊向記者透露,有關這一發現的成果以論文的形式發表在國際頂級學術刊物《美國科學院院刊》(英文簡稱PNAS)上作為石油微生物研究領域的重要發現,南開大學目前已對「吃」石油細菌的關鍵發現申請國際專利保護。
「吃」石油細菌含有特殊酶
「為何只有它能『吃』石油?為什麼別的菌類不能降解重油?我們發現它具有一種特殊的酶,可以幫助降解重油。這是其他任何微生物和植物都不具備的特性!」王磊告訴記者,在顯微鏡下看,這些短杆狀的「小傢伙」具有很強的降解能力,同樣是完全不能與水混合的重油,能「吃」石油的細菌很快會將重油降解成輕油,幾天後用肉眼就可以看見原來「格格不入」的重油與水已經變成水油狀的液體了,「速度非常快」。
所謂能「吃」石油的微生物,並非將石油資源「消滅」掉,而是擁有降解石油的特性,可以用於處理石油汙染,幫助石油開採和運輸。在自然界中,很多細菌能降解輕油,但重油卻不易被降解,因此造成長期汙染,一直以來治理石油汙染面臨很大挑戰。目前,全球探明儲量的石油中,超過60%的部分採用現有技術無法開採,主要是黏度高、流動性差的重油。
記者了解到,上個世紀80年代南開大學就開始著手石油微生物的分類與應用方面的工作。「我們從不同的地方篩選了紅球菌、假單孢菌、芽孢桿菌等大量石油微生物,部分菌杆應用於油田的現場開採試驗並取得了較好的效果。」
上個世紀90年代,這篇論文作者之一、南開大學生命科學學院教授劉如林等科研人員在天津大港油田發現了一種嗜熱脫氮土壤芽孢桿菌,師生為它取名「NG80-2」。它在45攝氏度至73攝氏度的條件下存活,能以原油為唯一的「食物」,具有獨特的降解重油和產生表面活性劑的能力。但10多年來,它的基因「密碼」始終是難解之謎。
四年破譯LadA吃油密碼
從2003年開始,由王磊領導的科研小組開始對這株細菌的基因組進行破譯,值得關注的是,論文的共同第一作者為南開大學青年教師馮露和王威,整個項目研究成員全部為南開師生。這一課題得到了「十五」國家863計劃和天津市科技創新專項資金的資助。
2005年,王磊領導的科研小組成功破譯了「吃」石油細菌的全基因組密碼,「但我們沒有公布這一消息。」王磊表示,「我們只知道它能幹這事,但一直不知道為什麼它能這樣的原因。」隨後,課題組綜合運用功能基因組學和蛋白組學方法,對NG80-2進行深入系統的研究,最終在國際上首次鑑定了長鏈烷烴(俗稱「重烴」)的微生物降解途徑。正是一種關鍵的生化酶,能幫助這種細菌將重油的主要成分——長鏈烷烴降解為小分子。
「關鍵是以前我們利用微生物處理石油汙染往往只適用於輕油。特別是人們對於微生物如何處理石油汙染的分子機理尚未形成確定的認識。對LadA進行鑑定後,我們就可以改良細菌品種,擴大到石油開採、運輸和治理石油汙染等多方面領域。」王磊說。
降解重油提高開採率
王磊向記者介紹,發現了NG80-2的奧妙,可以將之應用於石油開採、石油運輸和治理石油汙染中。由於可將重油中的分子量變小,使之轉變為輕油。在石油開採中,一旦上層的輕油被開採後,附著在地下深處巖石的重油在NG80-2的降解下,可有效降低黏稠度,方便石油的進一步開採。早在上世紀80年代,大港油田的現場試驗就表明NG80-2可有效提高採油率達6.6%。
而在石油管道運輸過程中,重油因黏稠度高容易附著在管壁上,不利於石油的順利流動甚至會造成淤堵。用NG80-2可降低黏稠度,石油也會「跑」得快了。發現NG80-2「吃」石油的奧秘後,對付石油汙染迎刃而解,對於不容易降解的重油先用NG80-2將之分解為輕油,然後進行清潔工作。
據了解,微生物採油技術主要是通過微生物在惡劣的油藏環境中生長代謝,降解油烴分子,產生表面活性劑、有機酸、氣體、溶劑和聚合物等物質,有效地降低巖石、油、水系統的界面張力,降低黏度,增加壓力,疏通巖孔,增加流動性,提高採油率。
記者了解到,南開大學課題組對NG80-2的破譯,是中國科研人員的一項突破。南開校長饒子和院士領導的課題組已經著手研究LadA的三維結構,並採用基因操作手段改造蛋白,預期未來兩三年內將實現其在野外的石油降解試驗。
吃油細菌不怕熱
究竟在何種環境下可以獲得這種「吃」油細菌呢?王磊告訴記者,根據基因組破譯得到的信息還發現,NG80-2具有多種特殊的代謝途徑,表明它能夠適應很多不同的環境、具有較強的生存能力,因此潛在的應用領域很廣。此外,由於這種細菌喜歡在高溫、潮溼的環境中生活,因此正對地下高溫採油工作的「胃口」。
據透露,課題組同時還開始了對另一種採油微生物的基因組破譯工作。與NG80-2不同,這是一株低溫採油菌,可在8攝氏度至20攝氏度的條件下存活。