海洋天然气水合物勘查和识别新技术_地质微生物技术

1、第24卷第3期2010年6月现代地质GE OS C I E NCEVol 124No 13Jun 12010海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术苏新1, 陈芳2, 张勇1, 王媛媛1, 焦露1, 蒋宏忱1, 1, 3(11中国地质大学海洋学院, 北京100083; 21广州海洋地质调查局, 广东广州510760; 31迈阿密大学45056收稿日期:2010202226; 改回日期:2010205230; 责任编辑:潘令枝。基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2009CB219502 ; 国土资源部公益性行业科研专项(200811014-02 ; 中国地质调查局基础调查项目(GZ

2、H200200203-02-01 。作者简介:苏新, 女, 教授, 博士生导师, 1957年出生, 微体古生物和海洋地质专业, 主要从事微体古生物、海洋地质和天然气水合物调查与研究。Email:xsucugb1edu 1cn 。摘要:, 这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。物类别及其主要关系, 。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、。介绍了国内外几个地质微生物探测, ”技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法; 另外, 。关键词:; 微生物丰度; 群落结构; 甲烷; 水合物识别技术中图分类号:P73612文献标志码:A 文章编号:1000-85

3、27(2010 03-0409-15Geom i crob i ology a s a Ne w Tool for Explora ti on of M ar i n e Ga s Hydra tesS U Xin 1, CHE N Fang 2, ZHANG Yong 1, WANG Yuan 2yuan 1, J IAO Lu 1,J IANG Hong 2cheng 1, DONG Hai 2liang1, 3(11School of M arine Sciences, China U niversity of Geosciences, B eijing 100083, China; 2

4、1Guangzhou M arine Geological Survey,Guangzhou, Guangdong 510760, China; 31D epart m ent of Geology, M iam i U niversity, O xford, O hio 45056, USA Abstract:For exp l orati on of marine gas hydrates, three maj or techniques were commonly used f or marine geo 2l ogical survey and f or indicati on of

5、existence of gas hydrates:geophysical techniques, geoche m ical techniques, and geol ogical techniques . It is the trend t o e mp l oy advanced and multi 2p r oxy or techniques t o deter m ine and identify the existence and distributi on of marine gas hydrates . This trend p r ovides both of chance

6、and challenge for using geo m icr obi ol ogical techniques in this field . Marine gas hydrates were f or med in deep sea sedi m ents un 2der high p ressure and l o w te mperatures . Abundant and a variety of m icr obes are living in the gas 2hydrate 2bear 2ing sedi m ents and several gr oup s of m i

7、cr obes p lay significant r oles in for mati on and decompositi on of gas hy 2drates . For exa mp le, methanogens p r oduce methane as a metabolic by p r oduct under anoxic conditi ons in deep sedi m ents, p r oviding bi ogenic methane s ources f or f or mati on of gas hydrate; on the other hand, me

8、thanotr ophic m icr obes rely on methane as their s ole carbon and energy s ources, consum ing methane released fr om gas hy 2drates thr ough comp lex p r ocesses of anaer obic methane oxidati on, thus showing very sensitive res ponse t o varia 2ti on of methane flux in sedi m ents . This paper intr

9、 oduced several cases for geom icr obi ol ogical techniques used in exp l orati on of gas and gas hydrates:(1 m icr obial oil survey technique (MOST ; (1 Analysis of abundance of m icr obial cells (m icr obial counts in correlati on t o concentrati on of methane in gas 2hydrate 2bearing sedi m ents;

10、 (3 studies on m icr obial communities (m icr obial community analysis in correlati on t o distributi on of gas hy 2drates in sedi m ents . It is seen that MOST and M icr obial counts can be used as p r os pecting techniques during marine geol ogical survey f or gas hydrates, while techniques of m i

11、cr obial community analysis and bi ogeoche m icalanalysis are of i m portance f or identificati on of existence of gas hydrates in sedi m ents and the s ources of methane in gas hydrates .Key words:geo m icr obi ol ogy; m icr obial abundance; m icr obial co mmunity; methane; identificati on of marin

12、e gas hydrate0引言2007水合物实物样品1-2, 经验3-56, 包括在未来的天。国内外海洋天然气水合物的勘查和识别主要包括3大类方法, 即地球物理勘探、地球化学和地质(包括冷泉大生物 等方法7-15。对钻孔取样, 则还可以用测井方法识别和钻获岩心后使用多学科和多手段的测试分析并给予钻后识别评价16。国内外十多年来的各种海洋天然气水合物勘查和识别方法发展迅速。一方面常规或传统方法技术不断革新, 如地震方法, 早先是一维地震, 目前国外主要使用高分辨率三维地震; 对地震资料的处理和解译方法也在不断提高和进步16-18。另一方面, 新方法不断出现, 尤其体现在水合物钻探方面, 如国际

13、大洋钻探204航次, 仅该航次就同时使用了十多种新方法和技术16。该航次对海底沉积物中水合物存在和判别采用了多种测试或识别方法相互验证, 包括后期利用综合方法对水合物海岭水合物分布和饱和度进行估算等。其后的综合国际大洋钻探311航次、印度、我国、韩国等国家在实施水合物钻探过程中都在不同程度上借鉴了204航次的技术与方法。204航次的后续众多研究还提供了一个新的水合物识别方法微生物方法, 这也是国际大洋钻探计划“海洋深部生物圈”多年研究的一个成果。“海洋深部生物圈”(deep bi os phere 早在国际大洋钻探阶段的“长期科学计划”中就已经提出来,这个方面的研究仍然是目前执行的综合大洋钻探

14、计划(I O DP, 20032013 的一个重点19。从2009年在德国召开的I O DP 大会“I N VEST ”会议白皮书可知, 海洋深部生物圈的研究仍将是未来新国际大洋钻探计划中的一个重要研究领域20。其中有一个重要的方面涉及水合物与微生物研究, 即微生物在天(如自生碳。, 涉及生物地质学、地质微生物学及极端生物、微生物与矿物相互作用等前沿方向21-24。本文将介绍水合物沉积环境中微生物的主要类别及其与水合物的主要关系, 进而介绍目前国内外在油气或水合物勘探中已有应用基础的几类地质微生物探测技术, 包括历史悠久的“微生物油气勘探”技术, 近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志

15、类别法, 以及新露头角的微生物地球化学技术等, 希望地质微生物水合物勘探识别技术这一领域能得到关注和支持并得以发展。1海洋天然气水合物环境中的微生物主要类别111微生物的主要类别天然气水合物是以甲烷为主的烃类气体分子与水分子组成的一种冰状固态物质, 形成于低温、高压和有充足的气体和流体来源的环境中。海洋天然气水合物主要分布在水深大于300m 的海底陆坡沉积物中, 即分布在海底低温高压环境中, 包括了从海底表面(seafl oor surface 至海底底表(subseafl oor 下数百米的沉积物中。微生物学研究中有多种分类方法。现代微生物研究通用的是建立在生物系统发育和分子水平基础上的、由

16、美国Woese 提出的三域学说(Three Domains Theory 。Woese 和其同事多年对大量微生物和其他生物的16S 和18S r RNA 寡核苷酸进行研究, 比较其同源性, 在他们所提出的全生命系统树中, 将地球上的生物分为3个域, 即细菌(或真细菌 域(Domain Bacteria 、古生菌(古细菌 域(Domain A rchaea 和真核生物域(Domain Eu 2karya 25。其中前两个域的生物属原核生物, 细胞内不含具备核仁和核膜的细胞核, 也不具备复杂内膜的细胞器。真核生物中有单细胞为主的真核微生物, 包括了真核单细胞藻类、原生动物以014现代地质2010年

17、及真菌和粘菌等。在地球环境中人们发现不同的“极端环境”, 这些环境中存在某些特有的物理和化学条件, 包括高温、低温、强酸、强碱、高盐、高压、高辐射等24。在这些环境下只有少数生物类别适应了其特殊生态环境而能生长和繁殖, 这些生物被称为嗜极微生物(extre mophile 。按其所适应的极端环境, 又分为嗜酸、嗜碱、嗜盐、嗜压、嗜冷和嗜热等嗜极生物类别又可分为好氧和厌氧生物, , , ; 所以海洋微生物中有不同的嗜极微生物类别。在海洋水合物分布的海底低温高压环境中生活的底栖微生物包含了细菌、古生菌和真核生物域3个域的微生物。目前国内外主要对细菌域(细菌类 和古生菌域(古生菌类 的原核生物开展了

18、与甲烷或水合物有关的研究。这两大类原核生物都有许多嗜极类别, 水合物成藏环境虽然是低温高压环境, 但目前发现的嗜极微生物具有多样性, 有嗜盐、嗜压、嗜冷和嗜热等细菌和古生菌类别26-29。此外, 也有利用属真核原生动物的底栖有孔虫(肉足虫类 等类别展开对冷泉区甲烷渗漏的研究30-31。下文介绍海洋微生物与海底水合物成藏关系、以及微生物技术应用实例, 其间将介绍几个具体的微生物类别及目前已知的示踪机理。112微生物与天然气水合物形成和分解的主要关系海底天然气水合物分布海域沉积物中的生物类别, 包括分解沉积物中有机质而提供生物成因气的微生物, 将天然气水合物中甲烷氧化的微生物以及依靠这些微生物而生

19、存的化能异养大生物, 如蠕虫、双壳类等。所有这些生物形成了一种以甲烷为源的低温高压极端生物生态体系。微生物与天然气水合物的主要关系表现在两个方面:提供生物成因来源气体; 对水合物或甲烷进行分解。这两个相反的方面涉及具有不同营养方式的微生物类别、以及它们的生命活动与微生态(包括地质的、物理化学的和生物的相互作用 等一系列复杂过程。国内外已有不少文献给予综述和介绍32-39, 本文摘其要点介绍如下。如果仅从与甲烷的关系来说, 产甲烷古生菌类(Methanogens 属于古生菌域中的广古生菌界的第2亚群。它们是严格厌氧的类别40-41。在海洋沉积物中的产甲烷菌能以沉积物中的CO 2为碳源并利用H 2

20、作为CO 2的还原剂合成有机物(反应式:CO 2+4H 2CH 4+2H 2O , 也可通过醋酸根发酵(CH 3COOH CH 4+CO 2 。而海洋沉积物中CO 2。, (AOM , of , 至42-46:第一(SRB , sulfate 2reduc 2ing bacteria ; 另一类则是甲烷氧化古生菌类(Methanotr ophs , 这是一类十分独特的以甲烷或甲醇等一碳化合物为唯一碳源和能源的类别。甲烷的厌氧氧化作用的大致反应过程为:2CH 4+2H 2O CH 3COOH +4H 2(AOM 氧化作用(1 S O 2-4+4H 2+H +HS -+4H 2O (SRB 还原作

21、用(2 CH 3COOH +S O 2-42HCO -3+HS -+H +(SRB还原作用(3 2CH 4+2S O 2-42HCO -3+2HS-+2H 2O (总反应式(4Suess45最近对全球天然气水合物有关的海底冷泉环境做了进一步的总结, 本文引用其文中1个图来说明有冷泉(或天然气水合物渗漏 环境下, 微生物与甲烷、水合物、流体和大生物的大致关系, 以及上述几个反应在冷泉地质体系中发生的大概范围(图1 。由于有大量的甲烷被氧化, 在海底形成大量的碳酸氢根, 碳酸氢根和海水或流体中丰富的钙离子结合, 沉淀为自生碳酸盐岩(主要矿物为文石和方解石, 呈块状、烟囱状等产出 46-50。在含水

22、合物或冷泉出露的区域, 还有一个十分重要的微生物和地球化学相互作用的界面, 即硫酸根离子和甲烷转换界面51-53。在沉积物顶部的流体富含硫酸盐, 其含量随着沉积物埋深降低; 而另一方面下伏沉积物中甲烷含量向下增加, 图1中绿色(中间红色 点指示的就是这个界面。在该界面上硫酸盐还原形成的硫化氢和剩余的硫酸根离子与孔隙流体中其他元素结合, 形成一系列硫化物类和硫酸盐类自生矿物(如黄铁矿, 通常呈多种集合体状 。目前对具体参与甲烷厌氧反应的不同生物及其相互作用或耦合作用的机制与过程还缺乏了解。114第3期苏新等:海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术 图1海底冷泉生态体系45Fig 11M

23、arine cold seep geol ogical and bi ol ogical syste m45 图2Eel 河盆地冷泉沉积物中获得原核微生物(其中绿色硫酸盐还原球菌集合成层, 围绕ANME 22古细菌核共生, 形成球状集合体; 标尺长度为5m 54Fig 12A largelayered aggregate i m aged by laser scanning con 2f ocal micr oscopy sho wing a core of A rchaeal AN ME 22cells (in red surr ounded by bacteria affiliated w

24、ith sul 2fate 2reducing Desulfosarcina (in green 54不过, 研究已经揭示了它们的几个类别(表1 , 如甲烷厌氧古生菌主要为ANME 22族类别与硫酸盐还原细菌(主要是脱硫八叠球菌属D esulfosarcina 和脱硫球菌属D esulfococcus 细菌 的共栖互养体(Syntr ophis m , 以及少量的ANME 21族的厌氧甲烷氧化古菌54-57。人们还在显微镜下“逮着”了两类生物的生命活动过程中共栖体的“集体照”(图2 , 照片显示绿色硫酸盐还原球菌集合成层, 围绕ANME 22古细菌共生, 形成球状集合体54。对天然气水合物成藏

25、的研究, 不仅要研究它们在沉积物中的形成与保存以及沉积体中的甲烷通量, 还要了解甲烷的成因。实际上水合物在沉积物中的存在还受到流体的物理和化学属性、以及含水合物岩性(包括不同沉积组分和颗粒大小 的影响。另一方面, 这些因素也构成和影响了生活在含水合物沉积物中微生物的微生态环境。未来通过对原核微生物生物地球化学标志的提取和研究, 将能获得对这些微生物的生活环境及其与甲烷和水合物以及流体等的关系的更深入和更细致认识。表1水合物海岭冷泉沉积物中识别出的几个重要甲烷厌氧古生菌类别56Table 1M ethanotroph i c Archaea i n cold seeps a t Hydra te

26、R i dge56发现的主要类群微生物类别Desulfosarcina 2DesulfococcusS RB of Delta 2proteobacteria (硫酸盐降解细菌Most archaea 古生菌ANME 21广古生菌类ANME 22广古生菌类ANME 22a 广古生菌类ANME 22b 广古生菌类ANME 22c广古生菌类Marine benthic gr oup 2B泉古生菌类2历史悠久的微生物油气勘查技术海洋天然气水合物的成藏往往和下伏或周边油气田有密切的关系, 而在油气勘探方面, 微生物勘查技术却是一个相对“古老的”成熟技术。把微生物技术应用到油气勘查实践的历史可以追寻到2

27、0世纪3040年代欧美微生物学家的创意。通过对油气田表层土壤中氧化烃类气体细菌(HC O,214现代地质2010年hydr ocarbon 2oxidizing bacteria 的探测来识别油气渗漏区58。油气微生物勘探技术的原理是在油气藏压力的驱动下, 油气藏的轻烃气体持续地向地表作垂直扩散和运移; 土壤中的专性微生物以轻烃气体作为其唯一能量来源, 在油藏正上方的地表土壤中非常发育并形成微生物异常。采用微生物油气勘探技术可以检测出这种微生物异常进而预测下伏油气藏的存在59。经过60多年的发展, , :“术”(MOST, oil technique , 由美国人H itz man60, 后由

28、Beghtel 等提出改进61, 并由美国“地质微生物技术公司”应用62; 另一类为“微生物油气勘探技术”(MP OG, m icr obial pr os pecti on f or oil and gas , 由德国人W agner 在20世纪50年代末到60年代初研发和倡导应用63。二者设计原理有所不同, MOST 早期的设计和应用是利用丁烷氧化菌的高抗丁醇的特性来探测烃微渗漏现象; 而MP OG 设计则利用油气田土壤(包括海洋浅表沉积物 中HCO 进行探测, 考虑了油气勘查的差异, 确定出区分指示天然气渗漏和石油渗漏的不同标志。不论是哪种方法, 其基本理论都是“轻烃垂直运移理论”, 即

29、油气藏深部的轻烃通过微渗漏垂直运移到地表, 可通过微生物勘探法圈定微渗漏区(M icr oseepage 。Shumacher (1996 给出了轻烃微渗漏模式(图3 62。在该模式中, 下伏油气藏中心上方浅表形成对应的轻烃微渗漏中心区和围绕中心的晕环带区; 轻烃气体在中心区浅表土壤或沉积物中含量高, 侧向迅速降低。相应的, 中心区浅表土壤或沉积物中微生物丰度高, 显示强指标异常; 在微渗漏晕环带区微生物指标降低; 在没有微渗漏地区则探测不到微生物指标异常。基于验证MP OG 方法的目的, 德国1996年在北海(North Sea 已知油气远景区使用了MP OG 技术, 确定指示油或气的不同微

30、生物标志(表2 。同时也在非远景区块(P11/P15区块 用该技术进行了海底沉积物的勘探。其结果是, 在已知油气区的油井上方出现很强的微生物指标异常, 在干井上方则无异常; 在P11/P15区块也发现了强微生物指标异常63(图4 。据此结果, 于1996年秋天和1997年在显示强微生物指标异常范围布井开发(1996, well P1123; 1997, well P1124 并获得成功63 。图3轻烃微渗漏模式62Fig 13M icr oseepage model of light hydr ocarbon 62表2北海沉积物“油气微生物”标志及范围63Table 2Geo m i crob

31、 i olog i ca l i n dexes for o il and ga s i n sed 2i m en ts of the North Sea63位置天然气标志/Mu石油标志/Mu无碳氢化合物指示的地质构造05<25无游离气气顶的油藏580100有游离气气顶的油藏>20>100气田>3560注:Mu 指每克沉积物中细胞数。关于微生物油气探测技术的历史沿革、基本理论与应用机理、勘探方法流程(从野外到室内分析和综合评价 及应用实例, W agner (德国微生物勘察公司 和美国“地质微生物”科技公司的Shu 2macher 在20世纪末和21世纪初多次给予综述

32、和介绍62-63, 后者还将此技术在21世纪的应用比喻为“老技术的新生(Ne w life f or an old technol o 2gy ”62。国内梅博文等也相继发表文章给予综述和介绍64-68。我国早在20世纪50年代末就引入了这个方法, 并在油田中实践应用, 后来由于缺乏理论和方法的支持而中断。21世纪初以来, 随着我国油气勘查形势的要求以及有关人才的培养和技术的发展, 该技术在我国油田勘探中不断得到应用,并取得一系列的成果59。目前中国石油大学林壬子教授、长江大学梅博文教授以及北京盎亿泰地质微生物技术(北京 有限责任公司(AE &E 梅海博士等利用油气微生物检测技术与传统

33、的二维/三维地震勘探技术相结合, 形成综合勘探模式(MOST +2D /3D或者2D /3D+MOST 并将进行天314第3期苏新等:海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术 图4对北海油气非远景区块(P11/P15区块 用微生物技术勘探识别的油气渗漏异常区和后来在该异常点布井钻探情况(海底表面的中部红色表示微生物石油标志强异常63Fig 14M P OG app lied in the bl ock of P11/P15and the result leading the drilling next year in the North Sea63 图5被动大陆发育的海底冷泉45Fig

34、 15Marine cold seep in the passive margin and shelves45然气水合物的勘探66。3海洋天然气水合物复杂成藏系统对精细微生物识别技术的需求和挑战鉴于国内外大规模天然气水合物勘查仅有约十来年的历史, 国内外利用海洋地质微生物识别天然气水合物技术的研究还处于起步阶段。利用地质微生物对天然气水合物的示踪技术与传统油气地质微生物技术相比, 有相似的机理, 即利用微生物对表层烃类渗漏的示踪。但也有不同的机414现代地质2010年理, 即上文介绍的生物类别不同, 有关技术要求则更精细, 这是由天然气水合物的复杂成藏系统和不同分布类型所决定的。根据Trehu

35、 67等对近年实施的国际大洋钻探水合物航次结果的总结, 把海洋水合物的分布归纳为聚集型(FHF, focused high 2flux gas hydrate 和分散型(DLF, distributed l ow 2flux gas hydrate 。也有学者按水合物和甲烷渗漏等情况, 划分为渗漏型(冷泉发育 、扩散型(冷泉不发育 类68-70。就冷泉来说, 型的冷泉45(图5, 烷转换界面类别和生物地球化学活动。关于水合物成藏系统的复杂性, 有不少文章都已经给予论述, 本文不再赘述。这里举几个例子说明其复杂性, 以及这种复杂性对水合物探测技术(包括微生物技术 提出的需要和挑战。首先是含水合物

36、地区构造和沉积的复杂性。如Suess 45评述了不同冷泉背景, 把冷泉分为主动大陆边缘、被动大陆边缘和陆架等大构造环境下的冷泉系统。从图5可以看到冷泉复杂微渗漏背景和现象。据笔者参加几次海洋水合物调查的经验, 冷泉渗漏区“渗出或出露”露头面积往往不大,多数为数百米或几十米, 这就要求勘查技术能具有较高分辨的空间采样和识别能力。其次, 众所周知, 水合物之所以作为未来具有很大潜力的替代能源, 其中一个原因是其能量密度高, 如每立方米的天然气水合物可释放160180m 3天然气, 因此寻找天然气水合物的关键问题是确定水合物矿体的分布、丰度等资源量参数。目前国内外的钻探实践证明, 在水合物稳定带内水

37、合物矿体分布具有不均匀性; 并且在水合物稳定带内有溶解甲烷和固态甲烷(水合物 的存在。如ODP 204航次的1244站位(图6 72, 甲烷在BSR (约130m 深度 以下以游离气存在, 在BSR 以上以溶解状(灰粗线左侧 和固相(水合物 (灰粗线右上方 两种状态在不同深度赋存。在稳定带下界(或BSR 下还有游离气(甲烷或乙烷丁烷等 。这就给水合物的探测技术提出了开发更精细技术的要求, 以求准确地区分这些以不同相存在的“烃类”分布的复杂情况。另外1个例子是我国南海神狐海域的钻探。该区域钻获的特殊的天然气水合物属于分散型 ,图6ODP 204航次1244站位中用顶空气、保压取心和水合物实物样品

38、确定的甲烷赋存状态72Fig 16Methane concentrati on in sedi m ents at site 1244of ODPLeg 204based on the data of heads pace, p ressure coresa mp ler and gas hydrate72在BSR 以上的沉积物中以十分细小的颗粒状分散存在, 肉眼无法判断1-2。目前已有的识别技术, 如测井、红外扫描、顶空气甲烷和孔隙水测试等技术只能在沉积物中水合物矿体达到一定体积或有较大富集程度时才能识别, 而对薄层或不均匀小结核状分布的水合物矿体的识别程度低, 影响了对钻区水合物矿体分布及

39、其资源量的估计。概括起来, 对于水合物的不同成藏系统或不同的渗漏系统的勘探, 需要辅以多种手段识别,这就要求有更多手段的辅助, 微生物技术正好是一个来自生物方面的技术和佐证。而针对沉积物中水合物的不均匀分布(包括薄层分布或小结核状分布 情况, 以及甲烷不同相态的识别等情况, 除了提高现有技术的分辨率外, 也到了增加微生物技术新手段的时代了。当代生物学尤其是微生物学和分子生物学的迅速发展, 为充分利用微生物与甲烷和流体之间的相应关系来开展更精细的识别提供了强大的技术支持。国内外最近几年的微生物探测技术实践证明(见后面实例分析 , 微生物对天然气水合物的示踪技术的研发和应用为未来更精确的水合物勘查

40、提供一个新的、更灵敏的技术手段, 有助于提高对水合物矿体的识别精度。4微生物对天然气水合物的探测实例和讨论411沉积物中原核微生物丰度变化及意义统计沉积物中的微生物数量可以直接显示微514第3期苏新等:海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术生物丰度的变化。常用的计数方法是荧光显微镜计数法, 使用吖啶橙(Acridine orange 或者DAP I (4, 62dia m idino 222phenylindole 等荧光染料染色计数。AODC (Acridine orange direct count 的基本原理是吖啶橙透过细胞膜进入细胞, 镶嵌于DNA 双螺旋的大沟, 在一定波长

41、的光激发下产生荧光, 通过荧光显微镜统计细胞数量。该方法快速、简便且样品易于保存。另一种方法是荧光原位杂交(F I SH, fluorescence in situ hybridizati on , , 基互补的原则, 。由于DNA 性排列, 因而可以将探针直接与染色体进行杂交从而将特定的基因在染色体上定位。与传统的放射性标记原位杂交相比, 荧光原位杂交具有快速、检测信号强、杂交特性高和可以多重染色等特点, 但难点是寻找特异性探针相对困难。AODC 统计的太平洋表层沉积物中微生物(包括细菌和古菌 丰度为108109个/c m 326, 有活性的微生物丰度约为108个/c m327。南海琼东南海

42、域表层沉积物中的微生物丰度约为107个/g 73。使用F I SH 方法统计的南海南部陆坡表层沉积物微生物丰度约为1010个/cm329 。由于不同海域影响图7ODP 164航次994站位(a 、995站位(b 和997站位(c 微生物丰度与甲烷浓度对比图74(N 为细胞丰度, 个/mLFig 17Correlati on bet w een bacteria (open circles and dividing and divided cells (s olid circles and potential rate of bacterial metha 2nogenesis fr o m H

43、 2C O 2(s olid circles and heads pace methane (open circles fr o m sites of 994(a , 995(b and 997(c 74微生物丰度参数的差异, 微生物丰度变化较大,有研究表明海洋沉积物中微生物丰度可能与沉积物中有机碳含量有关32。在含有天然气水合物的沉积物中, 丰富的碳源为微生物提供了充足的营养74-75统计的ODP 、995和(图7 可知, , 微生物丰度大, 甲烷浓度基本保持不变, 微生物丰度也比较平衡。太平洋东海岸秘鲁和喀斯喀特外海含有天然气水合物的1230、1244、1245和1251站位的微生物丰度随

44、深度变化如图8所示77。这些站位中微生物以细菌为主, 在表层古菌的含量可以达到30%, 比不含水合物的1227站位高。I nagaki 推测这可能是由于水合物稳定带下伏的甲烷或碳氢化合物流体上升, 为表层的古菌提供了充足的氧化剂和营养物质, 使得古菌的丰度增加77。笔者利用南海东沙海域水合物调查区的冷泉沉积物也展开了研究, 获得了DSH1柱状样中微生物丰度与甲烷浓度变化关系(图9 76。根据以上实例可以看出不同海域含有天然气水合物的沉积物中的微生物丰度与水合物气源之614现代地质2010年 图8太平洋东海岸秘鲁和喀斯喀特外海微生物的丰度( 和古菌( 所占的比例(HSZ 为水合物稳定带 76Fi

45、g 18Relative abundances of A rchaeal 16S r RNA genes ( and t otal p r okaryotic cells ( in sedi m ent coresfr om the Peru and Cascadia margins of the Pacific Ocean76 图9南海DSH -1站位甲烷浓度变化与微生物丰度变化的比较77Fig 19Correlati on bet w een micr obial abundance and methaneconcentrati on in the do wncore at site DS

46、 H 21of the S outh China Sea77间存在一定的相关性。特别是南海天然气水合物调查区微生物丰度变化与甲烷浓度变化非常吻合, 甲烷浓度高, 微生物丰度大, 反之亦然。在本文412节中有关微生物多样性和群落结构的介绍中,可看到在甲烷浓度高层段中的优势或主要类群。沉积物中原核微生物细胞计数法的最大优点是能够简易和快速得到结果。如果考察船上有一个适当装备的微生物实验室(如提供上述有关实验的操作台面以及小型仪器和荧光显微镜 , 在获得沉积物数个小时后就可以得到数据。如在国际大洋钻探众多航次中, 微生物细胞计数法已成为一个例行的船上分析项目。每个钻孔取心完毕23d 内, 船上的微生

47、物学家就可完成该钻孔岩心细胞丰度变化曲线以及结合钻孔地球化学等参数对比讨论的报告。412原核微生物群落结构特征和水合物标志类群研究天然气水合物的形成过程中微生物的作用, 最直接的方法就是选择培养与之相关的微生物。但是由于分离培养技术的限制, 加上海洋沉积物中的微生物对营养、培养条件等要求比较苛刻, 而且常规的培养方法分离培养环境中的微生物也仅占0101%10%79, 因此分离培养目前只能作为辅助手段来研究天然气水合物的形成。原核生物的16S r RNA 的分子量较大, 携带信714第3期苏新等:海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术 图10ODP 201和204航次岩心沉积物中微生物

48、基于16S r RNA 基因的古菌(a 和细菌(b 系统发育群落结构76Fig 110Phyl ogenetic community structures based on 16S r RNA gene cl one libraries of domains A rchaea (a and Bacteria (b fr om ODP Leg 201and Leg 204sedi m ents core sa mp les76814现代地质2010年息量多, 在生物进化中分子序列变化缓慢, 又有一些足以反映物种特异性的特异基因序列, 因此经常被用来作为原核生物系统发育以及多样性研究的标志性基因2

49、5。通过提取沉积物中微生物总DNA , 扩增16S r RNA 基因序列, 构建克隆文库, 可以分析沉积物中微生物多样性, 寻找与天然气水合物相关的微生物类群。含有天然气水合物的太平洋东海岸秘鲁外海1230站位和喀斯喀特外海1244、1245和位沉积物岩心中, 古菌以DS (2A Gr oup 为主要类群 , 要类群( , 。而在其他不含水合物的沉积物岩心中, 微生物的优势类群没有明显的规律可循76。笔者对南海东沙海域水合物调查区的冷泉沉积物DSH1柱状样中的微生物多样性进行了分析, 发现细菌优势类群以JS1为主, 随深度的增加在文库中所占的比例增加到70%(图11(a ; 古菌以MBG 2B

50、 (Marine Benthic Gr oup 2B , 也叫做DS AG 为主要类群, 随深度增加所占的比例达到63%(图11(b 。MBG 2B 古菌类群占优势的现象, 只见于大洋钻探水合物钻探岩心(图10 中含水合物的井位, 尤其出现在含水合物的层段中。这2类群在DSH1下部以优势类群出现, 表明DSH1岩心下部很有可能含水合物, 同时支持了2005年太阳号GC10岩心可能含水合物的发现78。以上结果表明, 微生物计数法和微生物多样性分析的结合应用具有明显优势。首先可以用类似“地球化学勘探”或“微生物油气勘探”技术开展海洋水合物的“区探”; 更具优势的一个方面是, 可以用群落结构特征等更

51、精细分析技术识别含水合物层, 为未来水合物的调查和勘查提供了一个有力的微生物技术手段。在未来工作中, 要进一步探索有关规律, 通过有关规律的研究, 提升和优化可以指示水合物的替代指标。413其他新兴微生物示踪技术简介除了上述从微生物丰度和群落特征来研究对甲烷和水合物存在的示踪外, 还有原核生物的生物地球化学示踪、原生动物中底栖有孔虫的示踪、原核生物的功能基因示踪、化石古细菌(包括古DNA 及其地球化学的示踪等新方向和技术。限于笔者知识和文章篇幅所限, 这里列举少数几个例子进行介绍 。图11南海东沙海域冷泉沉积物中古菌(a 和细菌(b 文库中各类群的相对比例Fig 111Relative abu

52、ndance of main taxono m ic gr oup s of 16Sr RNA gene identified in archaeal (a and bacterial libraries (b fr om the Dongsha A rea of the South China Sea(1 原核微生物的生物地球化学标志对甲烷和天然气水合物示踪。前期研究表明, 原核微生物的生物地球化学标志能指示甲烷气体的来源。其中最关键的是原核微生物的“脂类”(li p ids 地球化学(包括同位素 研究。古生菌的细胞膜有特殊的醚键脂和支链烃, 而细菌的细胞膜上有酯键脂和直链脂肪酸。这些生物在

53、新陈代谢的生命过程中能记录当时的环境变化80-83, 虽然它们不具备类似有孔虫等具有能保存化石的外骨骼, 但是这些信息可以保存在相对不易被分解的细胞膜脂类物质中。海洋地球科学研究中普遍周知, 可利用有孔虫壳体来展开地球化学和氧碳同位素地球化学研究, 以恢复古水温、生产力和进行碳同位素测年等许多方面的研究。同样, 利用原核微生物细胞膜脂类的地球化学和同位素研究对水合物的示踪和气体来源等方面研究有着十分宽广的前景。目前与水合物有关的研究主要集中在墨西哥湾冷泉区81, 84-85, 如宋之光等85检测到的化合物具有914第3期苏新等:海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术极负的碳同位素组成

54、(13C 比值为-8617-11515 , 是海底厌氧甲烷古细菌氧化活动所产生的特征生物标志物, 指示着海底存在天然气渗漏或有天然气水合物的产出。(2 真核微生物中底栖有孔虫的示踪。利用冷泉区的底栖有孔虫的壳体氧碳同位素来推测冷泉流体和温度及碳(包括与甲烷有关 的来源, 国内外都有少量研究和报道30, 86。(3 化石古细菌(包括古DNA 的示踪。了化石古细菌, 87-89。5国内外海洋天然气水合物的勘查和识别主要包括3大类方法, 即地球物理勘探、地球化学和地质(包括冷泉大生物 等方法7-15。对钻孔取样, 则还可以用测井方法识别和钻获岩心后使用多学科和多手段的测试分析并给予钻后识别评价16。

55、当前我国天然气水合物的勘查到了一个新的阶段, 水合物的勘查本身就涉及高科技技术和手段, 未来要求有更精细和更综合的精细勘探。除了对海区较大面积的勘探, 还涉及对冷泉分布的高分辨勘探, 以及对冷泉柱状样和钻孔岩心中复杂分布的水合物或甲烷的精确识别。这就给已有的地球物理、地球化学以及地质等技术和方法提出了更高的要求和挑战。微生物技术的加入, 无疑将有助于适应这个要求。另一方面, 近30年来, 微生物学在基础理论和科技手段上的快速发展, 为微生物技术探测水合物提供了良好的生物技术基础。传统的地质微生物油气探测技术(如MP OG, MOST , 建立在烃类微渗漏理论基础上, 利用检测土壤或沉积物中氧化

56、烃类气体细菌(HCO 方法识别微渗漏区。通过60多年的发展, 有了成熟的理论和方法, 如MP OG 法有区分油渗漏或天然气渗漏的不同定量替代指标。其实质是对沉积物中氧化甲烷(天然气 和氧化二碳以上烃类(石油 微生物培养计数结果。有报道指出, 这个方法即将用在我国水合物的勘探中。如Schumacher 评论的那样, 期待这个“古老技术”在水合物领域也得到新生。我们目前还远不了解水合物复杂的成藏系统,包括给这个系统提供气源或消耗气源的微生物和它们参与的复杂生物地球化学过程。这些微生物是一个庞大的类别, 在目前已知的3大生物域都有代表, 以细菌和古生菌原核生物为主要类别。(流体的物理, , 。, 沉积物中微。微生物计数法简易快速, 在稍有条件的船只上就可进行, 可以作为区域勘探的一个有效手段。但是, 也需要通过较丰富的实践, 摸索出类似“微生物油气勘探”法那样的定量替代指标。国内外利用微生物群落结构和标志类群识别