油田硫酸盐还原菌生态特性及其应用

1.本书作者团队汇集了哈尔滨工业大学、大庆油田等高校和企业的专家，在油田微生物的研究方面积累了丰富的研究成果，本书对于油田硫酸盐还原菌的系统性梳理填补了专业领域的空白。 2.本书内容密切联系油田生产实际情况，结合油田实际工程问题，专门对造成腐蚀问题的硫酸盐还原菌进行了全面、细致的介绍，并结合现场试验阐述了其控制方法，具有很好的参考价值和指导意义。 3.本书给出了硫酸盐还原菌在含油污泥和土壤修复、污水处理中的应用，有助于增进专业读者对硫酸盐还原菌的认识。

能源是我国经济社会发展的重要基础，目前石油安全面临挑战，国内石油勘探投入不足，行业可持续发展受到制约。“十三五”规划中提出目前的重点任务之一是加强勘探开发，保障国内资源供给，加大精细挖潜，强化三次采油。
油田硫酸盐还原菌是油田中一种具有典型代表性的功能菌群，在油田采油、油田污水处理及油田环境保护过程中发挥着巨大的作用。但由于硫酸盐还原菌导致的钢铁腐蚀是石油工业中严重的问题，同时硫酸盐还原菌使石油储层孔隙的渗透率下降，妨碍注水法二次采油，还可导致三次采油中流度控制剂水解聚丙烯酰胺被降解，因此对硫酸盐还原菌的控制刻不容缓。
本书系统地阐述了硫酸盐还原菌的组成分布、硫酸盐还原菌的代谢调控及硫酸盐还原菌在采油、污水处理和环境保护过程中的应用，以硫酸盐还原菌为研究对象，旨在使读者更深入详细地了解硫酸盐还原菌，为油田工作者开展研究提供理论依据和技术支撑。
全书共分11章：第1章绪论，综述了硫酸盐还原菌的生理生化特征、分布、生理学特性、应用，分析了硫酸盐还原菌控制的必要性和控制方法；第2章硫酸盐还原菌的分类，介绍了不同分类标准下的硫酸盐还原菌的分类，以及油藏和地面系统中常见的硫酸盐还原菌属；第3章油田硫酸盐还原菌种群组成及生态分布规律，介绍了油田微生物的研究方法和进展，分析了不同温度油藏下硫酸盐还原菌的分布特征，并以葡萄花油田为例分析其分布特征；第4章油田硫酸盐还原菌的基因组学和蛋白组学研究，介绍了硫酸盐还原菌的基因组学和蛋白质组学的研究进展，并详述了硫酸盐还原菌的氢化酶、电子传递蛋白及参与电子传递的电子传递体；第5章硫酸盐还原菌的硫循环及代谢途径研究，介绍了硫酸盐还原菌的代谢途径、影响因素、代谢过程中的能量储存、参与代谢的膜复合物，以及不同细胞色素含量下硫酸盐还原菌的代谢情况；第6章硫酸盐还原菌的检测技术，介绍了基于不同原理的硫酸盐还原菌检测技术、硫酸盐还原菌快速定量检测方法以及SRB-HX-7新型快速硫酸盐还原菌测试瓶现场试验；第7章硫酸盐还原菌在微生物采油中的应用研究，介绍了微生物采油技术的特点、分类和应用，以及抑制硫酸盐还原菌强化微生物采油的研究；第8章油田硫酸盐还原菌的控制技术，介绍了控制硫酸盐还原菌的不同方法，主要详述了反硝化抑制方法的研究现状，以及葡三联地面污水系统和油田回注水系统中的硫酸盐还原菌生态调控的研究；第9章油田硫酸盐还原菌的腐蚀作用，介绍了硫酸盐还原菌的腐蚀机理、影响腐蚀的因素和腐蚀检测技术；第10章油田硫酸盐还原菌在污水处理中的应用研究，介绍了硫酸盐还原菌在高含铁采出水、油砂废水、工业废水和含聚采油污水中的应用，以及对缺氧海洋沉积物中石油烃的修复作用；第11章硫酸盐还原菌在含油污泥和土壤修复中的应用，介绍了石油污染的来源和危害、参与石油烃污染修复的降解菌和降解机制，以及烃类降解菌修复土壤的研究。
本书由魏利、郝天伟、李春颖、曹振锟等著，具体分工如下：
第1章由周普林、欧阳嘉（香港科技大学霍英东研究院），魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院），郝天伟（澳门大学）著；第2章由张昕昕、骆尔铭、欧阳嘉（香港科技大学霍英东研究院），郝天伟（澳门大学）著；第3章由魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院），郝天伟（澳门大学），冯英明（中国昆仑工程有限公司）著；第4章由欧阳嘉（香港科技大学霍英东研究院）、郝天伟（澳门大学）、魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院）著；第5章由魏东（哈尔滨工业大学），曹振锟、舒志明、古文革、赵秋实（大庆油田设计院有限公司），李春颖（哈尔滨商业大学）著；第6章由李春颖（哈尔滨商业大学），曹振锟、马骏、孙秀秀、王忠良（大庆油田设计院有限公司）著；第7章由魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院），欧阳嘉、张昕昕（香港科技大学霍英东研究院）著；第8章由欧阳嘉（香港科技大学霍英东研究院）、魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院），曹振锟、范晓刚、马骏、孙秀秀、刘国宇、王忠良（大庆油田设计院有限公司）著；第9章由郝天伟（澳门大学），欧阳嘉、张昕昕（香港科技大学霍英东研究院），魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院），邓海平、李殿杰、刘忠宇、王峰（大庆油田有限责任公司第七采油厂）著；第10章由欧阳嘉、张昕昕（香港科技大学霍英东研究院），魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院）、李春颖（哈尔滨商业大学）著；第11章由魏利（哈尔滨工业大学、香港科技大学霍英东研究院）、魏东（哈尔滨工业大学）、李春颖（哈尔滨商业大学）、欧阳嘉（香港科技大学霍英东研究院）著。全书最后由魏利、郝天伟、李春颖、曹振锟统稿并定稿。
本书的撰写得到了哈尔滨工业大学任南琪院士的关怀，任南琪院士在百忙之中为本书欣然作序，在此表示衷心的感谢！本书的研究内容是笔者多年来依托大庆油田-哈尔滨工业大学环境科学与工程联合实验室在大庆油田展开的研究工作，书中许多的研究得到了大庆油田设计院有限公司陈忠喜教授级高工、大庆油田有限责任公司第七采油厂的马士平总工程师等领导和专家学者多年的支持，在此出版之际表示衷心的感谢。本书在撰写和出版过程中得到了华辰环保能源（广州）有限责任公司的帮助，在此深表谢忱！同时本书得到了广州市羊城创新创业领军人才支持计划（项目编号：2017012）、南沙区高端领军人才支持计划（2020年）、广州市科技厅项目对外科技合作专题（201704030053）、佛山科技专项（FSUST19-FYTRI03）、广州市科技规划项目（201907010005）、广州市基础与应用基础研究项目编号（202002030220）、城市水资源与水环境国家重点实验室开放研究基金(2019TS05)、国家创新群体项目(No.51121062)、澳门科学技术发展基金（0040/2018/A1）和澳门大学MYRG研究项目（MYRG 2019-00045-FST）的资助。
本书在撰写过程中参考了部分该领域的教材、专著以及国内外生产实践相关资料，在此对这些著作的作者表示感谢。
限于著者水平及撰写时间，书中疏漏和不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

著者
2021年3月

魏利，哈尔滨工业大学硕士生导师，广州市香港科大霍英东研究院，研究员，中心副主任。2017年度广州市创新领军人才。以厌氧生物技术为核心，开展环境生物技术工业废水的开发及应用研究。参与863项目和“十二五”科技项目，主持自然基金及企业课题38项。黑龙江省科技进步二等奖和三等奖，获中国科学人年度人物奖，中国产学研创新奖（个人），中国产学研创新成果三等奖和二等奖。发表SCI发表70余篇，EI 收录65篇，申请发明专利90项，授权48项。多年来先后开展油田硫酸盐还原菌生态调控开展基础和理论研究，对油田回注水系统中硫酸盐种群组成进行研究。创新的将硫酸盐还原菌分为附着型SRB菌和非附型SRB菌，并发现新种大庆杆菌-MF和大庆杆菌-WL。

本书主要围绕油田硫酸盐还原菌展开，首先介绍了硫酸盐还原菌的分类、组成、生态分布规律及检测方法；其次介绍了硫酸盐还原菌的代谢途径和关键蛋白；再次介绍了硫酸盐还原菌的危害和控制方法；最后介绍了硫酸盐还原菌在微生物采油、污水处理及其他环保领域的应用。
本书内容翔实、重点突出，理论与实践有机结合，具有较强的技术应用性和针对性，可供从事油田环境污染治理、油田污水处理等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、市政工程、生物工程及相关专业师生参阅。

第1章绪论1
1.1原油微生物系统简介1
1.1.1油藏1
1.1.2采油机理3
1.1.3油田中的内源微生物群落5
1.2油田硫酸盐还原菌简介8
1.3硫酸盐还原菌生理生化特征11
1.3.1硫酸盐还原菌的细胞特征11
1.3.2硫酸盐还原菌的可利用底物11
1.3.3硫酸盐还原菌的培养12
1.4硫酸盐还原菌的分布情况14
1.4.1在油井产出液中的分布15
1.4.2在污水站来水中的分布15
1.4.3在污水站出水中的分布15
1.5硫酸盐还原菌的生理学研究17
1.5.1关键蛋白17
1.5.2硫酸盐还原菌的代谢途径17
1.6油田硫酸盐还原菌的危害18
1.6.1对钻井液、完井液和压裂液的危害18
1.6.2对油田污水、注水的污染与危害19
1.6.3对金属的腐蚀21
1.6.4对原油降解的作用21
1.7硫酸盐还原菌的检测技术22
1.7.1检测预处理22
1.7.2测试技术23
1.8控制方法23
1.8.1钻井液、完井液、压裂液中SRB控制技术23
1.8.2油田污水系统中SRB控制技术24
1.9硫酸盐还原菌分子生物学研究现状26
1.9.116S rRNA基因序列分析28
1.9.2变性梯度凝胶电泳28
1.9.3荧光原位杂交29
1.9.4末端限制性片段长度多态性29
1.9.5存在的问题与展望30
1.10油田硫酸盐还原菌的应用30
1.10.1生物修复30
1.10.2硫酸盐还原菌处理有机废水32
1.10.3硫酸盐还原菌在石油开采中的应用33
1.10.4硫酸盐还原菌在燃料脱硫中的应用34
1.11硫酸盐还原菌的概述展望35

第2章硫酸盐还原菌的分类36
2.1传统分类36
2.1.1革兰氏阳性产芽孢硫酸盐还原菌38
2.1.2嗜热硫酸盐还原菌39
2.1.3革兰氏阴性嗜温硫酸盐还原菌41
2.1.4嗜热古细菌硫酸盐还原菌42
2.2依据硫酸盐还原菌对有机物的利用情况分类43
2.3化学分类45
2.4分子分类46
2.5油藏中常见的硫酸盐还原菌属51
2.6地面系统常见的硫酸盐还原菌属51
2.7本章小结51

第3章油田硫酸盐还原菌种群组成及生态分布规律53
3.1微生物群落分析的方法和手段53
3.1.1微生物分子生态学研究方法53
3.1.2微生物蛋白质组学表达谱研究57
3.2石油储层特征58
3.3油田微生物种类及研究进展58
3.3.1常见微生物类群58
3.3.2油田硫酸盐还原菌的分布规律64
3.3.3油田注水系统中的硫酸盐还原菌64
3.3.4铁细菌的危害67
3.3.5腐生菌的危害69
3.4不同温度油藏硫酸盐还原菌的分布特征69
3.4.1总DNA提取70
3.4.2PCR扩增70
3.4.3变性梯度凝胶电泳71
3.4.416S rRNA基因克隆文库的构建74
3.4.5dsrAB功能基因克隆文库的构建75
3.4.6典型对应分析75
3.4.7SRB组成及16S rRNA系统发育学分析75
3.4.8dsrAB功能基因系统发育学分析79
3.4.9典型对应分析80
3.5葡萄花油田地面系统硫酸盐还原菌的分布特征81
3.5.1葡三联井口和地面系统硫酸盐还原菌的分布特征81
3.5.2葡三联地面污水处理系统硫酸盐还原菌的来源与组成分析82
3.5.3葡四联地面污水处理系统硫酸盐还原菌的分布特征83
3.5.4葡四联地面污水处理系统中的微生物群落组成分析84
3.6硫酸盐还原菌在自然界硫循环中的作用85
3.7本章小结86

第4章油田硫酸盐还原菌的基因组学和蛋白组学研究87
4.1基因组学的研究87
4.1.1硫酸盐的新陈代谢88
4.1.2氢化酶89
4.1.3跨膜电子导电复合物90
4.2硫酸盐还原菌蛋白质组学研究93
4.3SRB的氢化酶93
4.4SRB的电子传递蛋白94
4.4.1细胞色素类94
4.4.2黄素蛋白类95
4.4.3铁硫蛋白类95
4.4.4其他可溶的氧化还原蛋白和电子载体96
4.4.5整合在膜上的电子传递体97
4.5本章小结99

第5章硫酸盐还原菌的硫循环及代谢途径研究101
5.1硫酸盐还原途径101
5.1.1硫酸盐的运输102
5.1.2硫酸盐的激活102
5.1.3APS的还原102
5.1.4亚硫酸盐的还原104
5.2能量储存与膜复合物105
5.2.1QmoABC和DsrMKJOP膜复合物105
5.2.2其他储能复合物106
5.2.3可溶性途径和电子分岔112
5.3富含细胞色素与缺乏细胞色素的硫酸盐还原菌114
5.3.1氢和甲酸酯循环116
5.3.2周质、细胞质氢化酶和甲酸脱氢酶117
5.3.3细胞色素c和相关的膜复合物118
5.4其他硫循环过程120
5.4.1硫代硫酸盐的还原120
5.4.2硫化合物的歧化120
5.4.3其他电子受体121
5.4.4发酵和间质代谢122
5.4.5氧还原和氧化应激反应123
5.5硫酸盐还原菌代谢过程的影响因素125
5.5.1不同初始pH值对硫酸盐还原的影响126
5.5.2不同COD/SO2-4值对硫酸盐还原的影响127
5.5.3Fe2+投加量对硫酸盐还原的影响128
5.5.4不同NO-3/SO2-4值对硫酸盐还原的影响129
5.6本章小结130

第6章硫酸盐还原菌的检测技术131
6.1硫酸盐还原菌检测技术分类131
6.1.1传统检测技术131
6.1.2基于SRB特征物质的检测方法132
6.1.3基于SRB细胞的检测方法133
6.1.4基于SRB遗传标志的检测方法134
6.2硫酸盐还原菌快速定量检测方法135
6.2.1管壁和罐壁附着型SRB定量检测136
6.2.2厌氧全过程的倍比稀释纯培养计数工艺138
6.2.3MPN-PCR定量检测方法143
6.2.4基于real time-PCR定量检测研究151
6.3SRB-HX-7新型快速硫酸盐还原菌测试瓶现场试验164
6.3.1先期硫酸盐还原菌检测试验情况164
6.3.2全面硫酸盐还原菌检测试验情况165
6.3.3试验结果分析166
6.4本章小结167

第7章硫酸盐还原菌在微生物采油中的应用研究169
7.1微生物采油技术的特点169
7.1.1微生物采油的作用机理169
7.1.2微生物采油技术的优缺点170
7.2微生物采油应用现状170
7.3本源微生物采油技术171
7.3.1基本原理171
7.3.2本源微生物采油技术的特点172
7.3.3本源微生物采油技术的发展趋势172
7.3.4本源微生物驱矿场试验173
7.4外源微生物采油技术177
7.5微生物强化采油及抑制SRB的研究178
7.5.1油田水驱过程中SRB的组成和群落动态变化178
7.5.2重组施氏假单胞菌抑制SRB的研究181
7.5.3地衣芽孢杆菌抑制SRB的研究186
7.5.4土著铜绿假单胞菌的生物强化采油及微生物群落分析188
7.6SRB和NRB竞争排斥试验研究191
7.6.1试验部分192
7.6.2结果及分析192
7.7本章小结194

第8章油田硫酸盐还原菌的控制技术195
8.1油田硫酸盐还原菌的控制方法195
8.1.1物理法控制195
8.1.2化学法控制198
8.1.3生物法控制203
8.2生物法控制SRB的作用机理206
8.2.1光自养硫氧化作用机理206
8.2.2化能自养硫氧化作用机理207
8.2.3硫生物氧化动力学209
8.2.4间接生物法抑制机理212
8.3反硝化抑制SRB的研究现状212
8.3.1油田硫循环机理212
8.3.2抑制机理213
8.3.3SRB控制技术思路及策略216
8.4葡三联地面污水系统中SRB生态抑制研究218
8.4.1SRB生态抑制现场试验218
8.4.2微生物群落组成分析225
8.5油田回注水系统SRB活性生态调控研究228
8.5.1反硝化抑制SRB活性生态调控及种群动态演替研究229
8.5.2原水反硝化抑制试验效果241
8.5.3SRB生态抑菌剂的研制250
8.5.4生态抑菌剂和抑菌陶粒联合抑制室内连续流试验252
8.5.5联合抑制SRB活性现场水抑制效果269
8.5.6回注水系统SRB活性生态抑制调控策略及技术经济分析274
8.6本章小结283

第9章油田硫酸盐还原菌的腐蚀作用284
9.1SRB腐蚀的理论机理285
9.1.1SRB腐蚀的理论分类285
9.1.2SRB对金属的腐蚀行为290
9.2腐蚀的影响因素297
9.2.1流速对腐蚀的影响298
9.2.2pH值对腐蚀的影响300
9.2.3温度对腐蚀的影响301
9.2.4溶解氧对腐蚀的影响302
9.2.5CO2对腐蚀的影响303
9.2.6H2S对腐蚀的影响305
9.2.7Cl-对腐蚀的影响305
9.2.8细菌对腐蚀的影响306
9.2.9其他影响307
9.3腐蚀检测技术308
9.3.1国外套管腐蚀检测技术309
9.3.2国外套管腐蚀检测技术发展趋势313
9.3.3国外管道内腐蚀检测技术的发展314
9.4本章小结317

第10章油田硫酸盐还原菌在污水处理中的应用研究319
10.1硫酸盐还原菌应用于污水处理的基础原理319
10.1.1硫酸盐还原菌319
10.1.2硫酸盐还原和生物反应器构型的生物动力学321
10.1.3硫酸盐还原菌在环境工程技术中的应用325
10.2硫酸盐还原菌对油田高含铁采出水的净化作用326
10.2.1硫酸盐还原菌除铁原理326
10.2.2硫酸盐还原菌的净化作用326
10.3硫酸盐还原菌降解采油污水中聚丙烯酰胺的试验研究328
10.3.1pH值对PAM降解效果的影响329
10.3.2温度对PAM降解效果的影响330
10.3.3PAM质量浓度对PAM降解效果的影响330
10.3.4接种量对PAM降解效果的影响331
10.3.5培养时间对PAM降解效果的影响331
10.4油砂废水生物处理过程中硫酸盐还原菌及其活性的研究333
10.4.1生物反应器的COD和硫酸盐及氮的去除334
10.4.2OSPW生物膜中SRB的电位活性335
10.4.3SRB的功能多样性336
10.5石油废水中重金属生物沉淀和石油生物降解集成技术337
10.5.1用于重金属沉淀和石油降解的集成系统338
10.5.2集成系统运行情况338
10.6缺氧海洋沉积物中石油烃的生物修复341
10.6.1沉积物特征342
10.6.2生物修复试验342
10.7微生物系统工艺处理强碱三元采出水现场中试试验345
10.7.1试验目的345
10.7.2强碱三元采出水微生物系统工艺，达到大庆油田聚驱高渗透注水水质现场试验345
10.7.3强碱三元采出水微生物系统工艺，达到大庆油田聚驱低渗透注水水质现场试验349
10.7.4BESI微生物一体化反应器有机物降解分析351
10.7.5BESI微生物一体化反应器群落演替分析355
10.8本章小结357

第11章硫酸盐还原菌在含油污泥和土壤修复中的应用358
11.1石油烃降解的研究358
11.1.1石油污染的产生和危害358
11.1.2石油烃污染的厌氧生物修复技术研究359
11.1.3石油烃厌氧降解菌360
11.1.4石油烃的微生物厌氧降解机制361
11.2厌氧降解混合菌KLA14-2修复石油污染土壤的研究367
11.2.1主要设备与试剂367
11.2.2厌氧降解混合菌KLA14-2降解原油的影响因素368
11.2.3厌氧降解混合菌KLA14-2对原油的降解特性分析373
11.3江汉油田区典型农田土壤烃类降解微生物的研究375
11.3.1土壤PAHs含量及理化性质376
11.3.2混合克隆文库中bssA序列及其末端限制性片段组成376
11.4本章小结377

参考文献378