遼河原油好氧生物降解模擬過程中化學(xué)組成及其碳同位素值的變化

潘銀華, 廖玉宏, 彭先芝

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

0 引 言

原油的生物降解作用是一種發(fā)生在油藏中的重要的次生蝕變作用, 能夠改變?cè)偷闹T多物理和化學(xué)性質(zhì), 是原油稠化的主要機(jī)制之一[1–2]。世界上絕大多數(shù)原油都遭受了不同程度的生物降解, 包括地表和近地表微生物對(duì)烴類的降解[3–4]。生物降解有機(jī)化合物的難易程度首先取決于微生物本身的特性,同時(shí)也與有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。一般地, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有機(jī)物先降解, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物后降解, 如正構(gòu)烷烴優(yōu)先于異構(gòu)烷烴被降解消耗, 而異構(gòu)烷烴又優(yōu)先于環(huán)烷烴被降解; 并且在同一類化合物中, 低分子量化合物往往優(yōu)先于高分子量化合物被消耗[5–7]。

目前對(duì)原油中的烴類化合物的生物降解機(jī)理的研究已經(jīng)比較多[7–12]。室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于研究原油的生物降解過程和降解機(jī)理[13–18]。一般地,油藏中發(fā)生的主要是厭氧降解[2,11], 而 da-Cruz et al.[18]認(rèn)為油藏中原油的生物降解更可能是好氧菌和厭氧菌共同作用的結(jié)果, 因此原油的好氧降解模擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上能夠還原油藏中原油的生物降解過程。生物降解作用對(duì)原油單體化合物的穩(wěn)定碳同位素組成的影響在近十幾年來都有報(bào)道[19–22]。Sun et al.[22]認(rèn)為在輕度至中度生物降解時(shí)正構(gòu)烷烴沒有發(fā)生明顯的碳同位素分餾; 但在嚴(yán)重生物降解時(shí), 較低分子量的正構(gòu)烷烴(C15～C18)的δ13C值有明顯的變重(～4‰), 而較高分子量的正構(gòu)烷烴(C≥18)沒有發(fā)生明顯的碳同位素分餾。一些原油的生物降解模擬實(shí)驗(yàn)同樣論證了正構(gòu)烷烴的穩(wěn)定碳同位素組成在生物降解過程中并沒有明顯的變化[19,21,23]。因此, 通過生物降解模擬實(shí)驗(yàn)來研究原油的化學(xué)組成和穩(wěn)定碳同位素組成的變化規(guī)律, 能夠?yàn)榻沂驹偷纳锝到膺^程和機(jī)理提供證據(jù), 對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)有關(guān)油氣地球化學(xué)、石油的開采與加工以及石油類污染的修復(fù)等諸多方面的問題都具有十分重要的意義。本研究通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M遼河原油在好氧條件下的生物降解過程, 探討遼河原油在生物降解過程中化學(xué)組成和穩(wěn)定碳同位素值的變化, 試圖揭示原油尤其是正構(gòu)烷烴的生物降解途徑和機(jī)理, 為開展油氣生產(chǎn)和理論研究等相關(guān)工作提供更多的依據(jù)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 原油樣品和菌種來源

原油樣品取自遼河盆地中央凸起南部潛山趙古1井(深度3164～3191 m), 為未遭受生物降解的原油,含蠟量較高, 飽和烴組分含量約78.5%。菌種來自內(nèi)蒙古扎賚特旗的油浸土壤, 以原油為唯一碳源, 經(jīng)富集和選擇性培養(yǎng)獲得原油降解菌。降解菌經(jīng)劃平板分離獲得 3株純菌種, 初步鑒定分別為施氏假單胞菌(Pseudomonas stutzeri), 蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)和伯克霍爾德氏菌屬(Burkholderia sp., 種未明)。菌種富集和選擇性培養(yǎng)所使用的培養(yǎng)基分別如下:

(1) 富集培養(yǎng)基 蛋白胨10 g, 牛肉膏10 g,NaCl 5 g, 無菌水1 L, pH 7.0;

(2) 無機(jī)鹽培養(yǎng)基 K2HPO4·3H2O 1.0 g,KH2PO41.0 g, MgSO4·7H2O 0.5 g, NH4NO31.0 g,CaCl20.02 g, FeCl3痕量, 無菌水 1 L, pH 7.0～7.2。所用試劑均為分析純。

1.2 生物降解模擬實(shí)驗(yàn)

降解原油所用的培養(yǎng)基與選擇性培養(yǎng)基一致。每100 mL實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)基中加入未降解原油1.0 g, 菌液2 mL(吸光度OD600nm= 2.2), 放置入恒溫?fù)u床內(nèi)恒溫(30 ℃)培養(yǎng), 轉(zhuǎn)速 180 轉(zhuǎn)/min。降解模擬時(shí)間共 8周, 每隔一周取樣一次, 取出后加入適量二氯甲烷進(jìn)行滅菌處理以及有機(jī)相(原油)的萃取。萃取獲得的降解油旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后收集, 并取部分油樣沉淀瀝青質(zhì), 之后使用氧化鋁-硅膠層析柱分離成飽和烴、芳烴和膠質(zhì)組分。其中, 飽和烴組分用于GC-MS和GC-FID分析, 所有族組分均進(jìn)行穩(wěn)定碳同位素分析。

1.3 GC-MS、GC-FID和GC-IRMS分析

飽和烴的 GC-MS分析采用 Thermo Scientific Trace GC Ultra氣相色譜與DSQ II質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)。色譜條件: 色譜柱為 HP-1型毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm); 升溫程序?yàn)槌跏紲囟?40 ℃, 恒溫2 min, 以4 ℃/min升至290 ℃并恒溫20 min; 載氣為氦氣, 流量 1.2 mL/min。質(zhì)譜條件: 電子轟擊(EI)離子源(70 eV); 離子源溫度260 ℃, 傳輸線溫度280 ℃; 質(zhì)量掃描范圍m/z 50～650, 掃描周期80 ms。

飽和烴組分中的化合物定量使用C15D32作為內(nèi)標(biāo)物, 所用儀器為Thermo Scientific Trace GC Ultra氣相色譜。色譜柱為HP-1型毛細(xì)管色譜柱(60 m ×0.32 mm × 0.25 μm)。柱溫箱升溫程序與 GC-MS 分析一致。載氣為氮?dú)? 流量1.0 mL/min; FID檢測(cè)器溫度295 ℃。

飽和烴組分首先進(jìn)行尿素絡(luò)合以分離出正構(gòu)烷烴, 正構(gòu)烷烴單體碳同位素值測(cè)定采用 Isoprime GC-IRMS型氣相色譜-同位素比值質(zhì)譜儀, 色譜柱采用 DB-1(60 m × 0.32 mm × 0.25 μm); 升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃ , 恒溫2 min, 以4 ℃/min升至290 ℃并恒溫20 min。GC-IRMS測(cè)定的正構(gòu)烷烴單體碳同位素值誤差范圍為±0.3‰。

表1 降解油樣的族組分含量及部分生物標(biāo)志物參數(shù)Table 1 The contents of group fractions and some biomarker parameters

1.4 族組分的穩(wěn)定碳同位素分析

使用Flash 2000型有機(jī)元素分析儀(EA)對(duì)原油各族組分的穩(wěn)定碳同位素值進(jìn)行分析。通過EA-IRMS連線分析技術(shù)測(cè)定碳同位素。用氦氣作為載氣, 燃燒瞬間通入 99.99%的純氧氣, 樣品通過高溫燃燒完全反應(yīng)(氧化管本底溫度950 ℃, 燃燒瞬間可達(dá) 1800 ℃以上), 轉(zhuǎn)變?yōu)?CO2, 分流后(分流比為90)進(jìn)入質(zhì)譜儀測(cè)定。IRMS為 Thermo Scientific Delta V Advantage型同位素比值質(zhì)譜儀。所測(cè)樣品的δ13C值誤差絕對(duì)值小于0.3‰, 穩(wěn)定碳同位素值相對(duì)于V-PDB標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)樣品至少測(cè)試兩次, 誤差范圍內(nèi)取兩次分析結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果和討論

2.1 原油化學(xué)組分的變化

原油的最長降解時(shí)間為 8周, 根據(jù)降解時(shí)間尺度選取了不同降解程度的降解油樣。表1展示了降解油樣族組分的含量及部分生物標(biāo)志物參數(shù)。通過對(duì)比各族組分在生物降解過程中的相對(duì)含量可以發(fā)現(xiàn), 飽和烴組分消耗的速率最快, 導(dǎo)致飽和烴組分的含量逐步下降, 飽和烴組分的相對(duì)含量由降解前的78.5%降至第8周(ZS-8)時(shí)的55.7%; 而其他族組分的含量則相對(duì)增加, 其中芳烴由降解前的 15.2%升至第8周時(shí)的26.4%, 膠質(zhì)由降解前的5.1%升至第8周時(shí)的11.5%, 瀝青質(zhì)由降解前的1.2%升至第8周時(shí)的6.5%。

細(xì)菌在生長代謝過程中利用原油烴類化合物作為電子供體時(shí), 對(duì)飽和烴組分中化合物的分子結(jié)構(gòu)亦有選擇性, 表現(xiàn)為優(yōu)先降解直鏈結(jié)構(gòu)的正烷烴,隨后是支鏈結(jié)構(gòu)的烷烴(如姥鮫烷和植烷), 最后才是復(fù)雜環(huán)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)烷烴(如甾烷和萜烷)。如圖 1所示, 飽和烴組分中正構(gòu)烷烴系列的相對(duì)豐度在第1周后(ZS-1)明顯地下降, 在第 4周(ZS-4)和第 6周(ZS-6)時(shí)C17和C18正構(gòu)烷烴分別與姥鮫烷和植烷含量相當(dāng)(nC17/Pr和nC18/Ph比值分別為0.91和1.49),至第 8周(ZS-8)較低碳數(shù)的正構(gòu)烷烴(C≤18)基本被消耗, 僅較高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴(C＞18)得以部分保留,而支鏈烷烴如姥鮫烷和植烷也部分保留。姥鮫烷和植烷的比值(Pr/Ph)在第 7周前變化較小, 而在第 8周時(shí)由1.98降至1.06, 除此之外, 由于C30藿烷較姥鮫烷和植烷更抗生物降解, 在第 8周時(shí)它們的比值C30H/(Pr+Ph)比值由降解前的0.15增至0.47, 充分說明了姥鮫烷和植烷也遭受了生物降解作用, 并且姥鮫烷較植烷更易降解。這與包建平等[15]和向廷生等[16]對(duì)原油進(jìn)行生物降解模擬實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)論一致,即在生物降解的早期階段, Pr/Ph幾乎不受生物降解作用的影響; 但隨著正構(gòu)烷烴接近消耗完畢, 細(xì)菌便開始降解相對(duì)濃度高得多的Pr和Ph。

圖1 降解油的飽和烴組分的GC-MS譜圖(總離子流圖)Fig.1 Total ion chromatograms of saturated hydrocarbon fractions in the biodegraded oil samples

對(duì)降解油中正構(gòu)烷烴系列化合物的定量分析結(jié)果顯示, 隨著生物降解程度的增加, 不同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴的濃度均逐漸下降(圖2), 總濃度由降解前的276.4 mg/g (ZS-0)最后降至15.0 mg/g (ZS-8), 降解率達(dá)94.6%。從圖2中可以看出, 在降解第1周(ZS-1)和第2周(ZS-2)時(shí)C ＜ 23的低碳數(shù)部分正構(gòu)烷烴大幅度被降解, 隨后降解速率有所減緩; C ≥ 23的高碳數(shù)部分正構(gòu)烷烴在第 2周后才開始快速降解; 在第 8周時(shí), 低碳數(shù)部分幾乎被消耗殆盡, 僅殘余少量高碳數(shù)部分正構(gòu)烷烴。這說明細(xì)菌對(duì)不同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴亦有選擇性, 總體表現(xiàn)為優(yōu)先降解低碳數(shù)部分, 但當(dāng)?shù)吞紨?shù)部分的相對(duì)濃度低于高碳數(shù)部分時(shí), 便開始快速降解高碳數(shù)部分。從第 7周至第 8周正構(gòu)烷烴的整體大幅度降解, 可能與某一高效利用正構(gòu)烷烴的菌種的生物量急劇上升有關(guān), 這種競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象尤其在細(xì)菌生長后期更為明顯。由于混合菌中不同降解菌對(duì)烴類化合物具有不同的降解特性[24–26],并且混合菌對(duì)培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的相互競(jìng)爭(zhēng)會(huì)造成營養(yǎng)短缺, 其新陳代謝和生長的速度減緩, 影響微生物對(duì)原油的降解[27–28]。因此, 當(dāng)環(huán)境中高濃度的正構(gòu)烷烴順應(yīng)某一高效利用正構(gòu)烷烴的菌種的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)時(shí), 其生物量會(huì)迅速上升, 從而加快對(duì)正構(gòu)烷烴的降解。

圖2 降解油中不同碳數(shù)正構(gòu)烷烴的濃度變化Fig.2 Variation in concentrations of the n-alkanes with different carbon numbers in the biodegraded oil samples

圖 3亦展示了隨生物降解程度的加劇, 不同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴在原油中的殘余量, 可以看出, 不同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴的降解速率是隨碳數(shù)而異的。C12正構(gòu)烷烴的消耗最快, 在第 1周(ZS-1)時(shí)僅殘留約20%, 而在第2周(ZS-2)時(shí)已完全被降解消耗; 隨著碳數(shù)的增加, C12～C23正構(gòu)烷烴的降解速率逐漸下降,即正構(gòu)烷烴的抗降解性隨碳數(shù)依次增強(qiáng)(圖 3a)。而C24～C31正構(gòu)烷烴的降解速率則十分接近(圖3b); C31正構(gòu)烷烴降解最慢, 在第 2周后才開始被降解, 至第8周時(shí)殘余量也最多。這說明細(xì)菌優(yōu)先利用較低碳數(shù)正構(gòu)烷烴可能與各正構(gòu)烷烴單體的相對(duì)濃度和鏈的長短有關(guān)。對(duì)于正構(gòu)烷烴的好氧生物降解過程, 一般認(rèn)為主要是末端氧化和次末端氧化, 其降解產(chǎn)物主要是羧酸和醇, 其中醇又可以繼續(xù)氧化成酸[29–33]; 脂肪酸繼而通過β位氧化導(dǎo)致碳鏈不斷縮短[34–37], 而不斷減少的二碳單元(乙酰輔酶a)最終氧化成為CO2。

實(shí)際油藏中, 大多數(shù)原油是圈閉在具有滲透性的沉積巖(如砂巖和灰?guī)r)構(gòu)成的儲(chǔ)層中, 在具有連續(xù)流體相的油柱中, 約 80%的孔隙是由不同鹽度的水填充的; 油水界面提供了微生物活動(dòng)的有利環(huán)境,油柱不斷帶來的烴類化合物提供了大量的電子供體,而溶解于水的無機(jī)鹽則為微生物生長提供了所需的營養(yǎng)鹽[1]。因此油水界面既是適宜微生物生長活動(dòng)的場(chǎng)所, 也是原油遭受生物降解的主要場(chǎng)所。另外,細(xì)菌是生長在水相中而不是油相中, 它們是通過產(chǎn)生表面活性劑而使得自身更容易接近和利用疏水的烴類化合物[7]。Erstad et al.[38]認(rèn)為在油水界面上的表面張力是影響酸類化合物形成的主要因素之一,即正構(gòu)烷烴的疏水性隨分子大小而不同, 低碳數(shù)的正構(gòu)烷烴由于其在油水界面上的表面張力較小而被細(xì)菌產(chǎn)生的表面活性劑優(yōu)先捕獲并被細(xì)菌利用。在這個(gè)過程中, 烴類化合物被降解成相應(yīng)的脂肪酸,更便于被細(xì)菌所利用, 從而導(dǎo)致低碳數(shù)正構(gòu)烷烴比高碳數(shù)正構(gòu)烷烴消耗更快。

圖3 不同生物降解程度的降解油中正構(gòu)烷烴的殘余量Fig.3 Residual percentage of individual n-alkanes in various biodegraded oil samples relative to those in the initial oil sample

圖4 降解油中正構(gòu)烷烴單體的穩(wěn)定碳同位素組成Fig.4 The δ13C values of individual n-alkanes in the biodegraded oil samples

表 1展示了隨生物降解程度的增加, 培養(yǎng)基水相的 pH值逐漸下降, 這種變化主要是由細(xì)菌代謝活動(dòng)產(chǎn)生的表面活性劑和代謝產(chǎn)物飽和脂肪酸引起的。已有的研究[10,12,38–39]表明無論是在好氧條件還是厭氧條件下, 原油中酸性化合物的含量都會(huì)隨著生物降解程度的增加而增加, 尤其是羧酸類化合物。與原油中原始的含氧化合物(以酚類為主)所不同的是, 這些新形成的含氧化合物以羧酸類化合物為主, 它們被認(rèn)為是生物降解的產(chǎn)物。在輕度–中度生物降解階段, 這些羧酸類化合物與烴類化合物的降解消耗有著直接的聯(lián)系。Liao et al.[40]的ESI FT-ICR MS研究結(jié)果也顯示, 在輕度–中度生物降解階段, 膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分中的酸性組分主要為飽和脂肪酸。

2.2 生物降解過程中原油δ13C值的變化

由生物降解作用所引起的同位素分餾效應(yīng)一直吸引著地球化學(xué)家的興趣。本研究對(duì)降解油進(jìn)行了正構(gòu)烷烴單體碳同位素分析。圖4展示了隨生物降解程度的增加, C14～C30正構(gòu)烷烴的穩(wěn)定碳同位素值的分布情況。C14～C17正構(gòu)烷烴的 δ13C值在–23.5‰～–24.5‰之間, C18～C30正構(gòu)烷烴的 δ13C 值在–25.0‰～–26.0‰之間; 隨著生物降解程度的增加, 正構(gòu)烷烴的δ13C值變化基本在儀器的測(cè)量誤差范圍內(nèi), 缺乏明顯的變化規(guī)律, 這與彭先芝等[23]在對(duì)正構(gòu)烷烴標(biāo)樣進(jìn)行好氧生物降解模擬實(shí)驗(yàn)中所獲得的結(jié)果是一致的。Mazeas et al.[21]的好氧生物降解模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示飽和烴與多環(huán)芳烴的穩(wěn)定碳同位素組成在生物降解過程中是穩(wěn)定的。因此, 烴類化合物在好氧生物降解過程中不存在碳同位素分餾效應(yīng)。

原油中的烴類化合物尤其是正構(gòu)烷烴系列的生物降解作用不會(huì)發(fā)生明顯的碳同位素分餾, 因而烴類化合物的碳同位素組成可用于示蹤降解產(chǎn)物以及分析降解途徑等, 例如可用于環(huán)境中石油類污染物的來源識(shí)別以及環(huán)境修復(fù)評(píng)價(jià)等[22–23]。圖5展示了本研究中輕度–中度生物降解程度下的原油及其族組分的碳同位素值的變化。未降解原油(ZS-0)的飽和烴和芳烴組分具有相似的較重的 δ13C 值(–26.2‰),而膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分的δ13C值較輕, 分別為–26.8‰和–27.3‰。由于未降解原油中飽和烴組分的含量最高(78.5%), 因此全油的δ13C值(–26.3‰)接近于飽和烴組分的δ13C值。與全油及其飽和烴組分相比, 正構(gòu)烷烴的 δ13C 值較重(–24.0‰～ –26.0‰), 隨著生物降解程度的增加, 正構(gòu)烷烴逐漸被消耗, 造成飽和烴組分的δ13C值逐漸變輕(最終變?yōu)楱C27.5‰, ZS-8),且全油的 δ13C 值也相應(yīng)變輕(最終變?yōu)楱C27.0‰,ZS-8); 由于芳烴的相對(duì)含量在整個(gè)降解過程中變化很小, 因而芳烴組分的δ13C值基本無變化。值得注意的是, 膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分的δ13C值則是逐漸變重的, 與飽和烴的逐漸變輕的趨勢(shì)恰好相反, 這種原油各組分δ13C值的相反變化趨勢(shì)不僅在以往的模擬實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)過[8], 在對(duì)油藏的生物降解油的研究中也有報(bào)道[22,41]。如Sun et al.[22]發(fā)現(xiàn)隨著生物降解程度的增加, 遼河盆地茨榆坨油田原油的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分的δ13C值逐漸變重, 而飽和烴組分的δ13C值逐漸變輕, 變化趨勢(shì)完全相反。Liao et al.[41]也在遼河盆地冷東油田生物降解油砂中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。Barth et al.[39]的研究表明, 未降解的原油中含氧極性化合物以酚為主, 而生物降解油中含氧極性化合物以羧酸類為主。Watson et al.[10]的好氧生物降解模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明, 在輕度–中度生物降解階段正構(gòu)烷烴的消耗非?？? 產(chǎn)生了大量的脂肪酸進(jìn)入膠質(zhì)組分。晏德福模型[42]認(rèn)為原油是一種以瀝青質(zhì)為分散相(即膠束相), 膠質(zhì)為膠溶劑, 油分(即飽和分+芳香分)為分散介質(zhì)的膠體。瀝青質(zhì)處在膠束中心, 膠質(zhì)分子吸附在瀝青質(zhì)表面, 對(duì)瀝青質(zhì)起保護(hù)作用, 膠質(zhì)周圍又吸附相對(duì)芳香性較低的較小分子,并逐漸地過渡到作為分散介質(zhì)的飽和烴類, 中間沒有相界面; 只有當(dāng)瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香烴以及飽和烴的特性和含量相匹配時(shí), 上述這種呈梯度的膠體結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在。作為輕度–中度生物降解階段主要降解產(chǎn)物的脂肪酸, 繼承了正構(gòu)烷烴偏重的 δ13C值。在生物降解過程中, 脂肪酸含量越來越高, 也更多地作為瀝青質(zhì)的膠溶劑, 并與瀝青質(zhì)的核心結(jié)構(gòu)通過形成氫鍵和酯鍵的方式相互結(jié)合[41], 使瀝青質(zhì)的整體δ13C值也發(fā)生相應(yīng)的變化。這種烴類化合物的降解產(chǎn)物如酸、醇和酚類等可以通過各種形式結(jié)合到膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分中, 從而影響瀝青質(zhì)組分的δ13C值的現(xiàn)象被 Liao et al.[41]稱為生物降解產(chǎn)物對(duì)瀝青質(zhì)的 δ13C值的“拉動(dòng)效應(yīng)”。因此, “拉動(dòng)效應(yīng)”既存在于油藏的厭氧降解過程中, 也存在于好氧降解模擬實(shí)驗(yàn)中。此外, 在本模擬實(shí)驗(yàn)中, 全油的δ13C值隨著正構(gòu)烷烴的消耗而逐漸變輕, 說明正構(gòu)烷烴的降解產(chǎn)物并未完全停留在降解油中, 一部分降解產(chǎn)物(如低碳數(shù)烷基酸和 CO2)可能由于水溶性較強(qiáng)而無法被萃取回收, 這從培養(yǎng)基水相 pH值由降解前的7.10逐漸下降至6.11獲得了證實(shí)(表1)。在好氧條件下, 這些通過形成具水溶性的降解產(chǎn)物(如烷基酸和CO2)而造成的含較重δ13C化合物的損失會(huì)導(dǎo)致本模擬實(shí)驗(yàn)中全油的δ13C值隨生物降解程度的增加而逐漸下降。

圖5 降解油全油及其族組分的穩(wěn)定碳同位素組成Fig.5 The δ13C values of bulk oils and oil groups for the biodegraded oils ZS-4降解油樣瀝青質(zhì)組分樣品量過低, 無法分析。

綜上所述, 原油中正構(gòu)烷烴的生物降解產(chǎn)物的賦存狀態(tài)推測(cè)起來至少有如下3種形式(圖6): 正構(gòu)烷烴的好氧降解產(chǎn)物中一部分較高碳數(shù)的酸和醇由于水溶性較弱而進(jìn)入降解油的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分中;一部分較低碳數(shù)的酸和醇, 包括通過脂肪酸的 β位氧化形成的低碳數(shù)脂肪酸, 由于水溶性較強(qiáng)而進(jìn)入水相中; 另外, 在脂肪酸的β位氧化過程中, 不斷減少的二碳單元(乙酰輔酶a)最終氧化成為CO2。由于正構(gòu)烷烴的δ13C值較其他組分偏重, 通過形成水溶性降解產(chǎn)物和揮發(fā)性的CO2而造成的損失會(huì)造成全油的δ13C值變輕, 而其形成的酸和醇進(jìn)入到膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分中則會(huì)造成膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分的δ13C值逐漸變重, 即具有相對(duì)較重的δ13C值的酸和醇會(huì)對(duì)膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的δ13C值形成“拉動(dòng)效應(yīng)”[41], 但這部分酸和醇不會(huì)改變?nèi)偷摩?3C值。

圖6 原油的好氧生物降解過程中正構(gòu)烷烴的可能的降解途徑和產(chǎn)物去處Fig.6 Possible biodegradation pathway and products of n-alkanes during the aerobic biodegradation of crude oil

3 結(jié) 論

(1) 好氧條件下, 原油的飽和烴組分要先于其他組分發(fā)生生物降解, 飽和烴組分的優(yōu)先降解消耗會(huì)造成其他原油組分(芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì))的相對(duì)含量逐漸增加; 正構(gòu)烷烴先于異構(gòu)烷烴被降解, C12+正構(gòu)烷烴的抗降解性隨碳數(shù)的增加而依次增強(qiáng), 低碳數(shù)的正構(gòu)烷烴先于高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴被降解。

(2) 好氧生物降解過程中, 正構(gòu)烷烴(C14～C30)未發(fā)生明顯的碳同位素分餾。因此, 微生物選擇性地好氧降解正構(gòu)烷烴可能更依據(jù)其相對(duì)濃度和疏水程度, 而并非不同的碳核素組成。

(3) 在正構(gòu)烷烴系列的好氧生物降解產(chǎn)物一部分具水溶性的酸、醇和 CO2溶入水相中, 使原油的δ13C值發(fā)生變化; 降解產(chǎn)物中大量水溶性較差的高碳數(shù)酸和醇進(jìn)入到膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分中, 部分化合物通過氫鍵締合和形成氫鍵等方式結(jié)合到瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)中而對(duì)瀝青質(zhì)組分的δ13C值產(chǎn)生“拉動(dòng)效應(yīng)”。

由衷感謝中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所陳華山高級(jí)工程師和鄭益軍博士在模擬實(shí)驗(yàn)和分析中給予的幫助。

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