文章前言
人们对近年来越来越热的气候似乎已经见怪不怪了，科学家们也不断地发出“地球温室效应”的警告。人们已经公认，由于人类活动的影响，大气层中CO₂发生的变化已经超出了自然界变动的界限，南极沃斯托克冰川取到的冰芯分析结果表明，目前大气中CO₂浓度已经上升到了一个地球历史中从未有过的高度。由此引发了一系列环境问题。
全球变暖威胁地球和人类
各国的科技工作者都尝试用各种方式对CO₂进行固定，以最大限度地消除它对气候变暖的消极影响。森林固定受土地应用变化和其本身吸收能力的影响，比如：木材生产的可变性，天气、气候、以CO₂为肥料的影响，集中造林的方式都使木材的生产充满了不确定性等。人们经过尝试，认为利用废弃天然气储层储存CO₂的容量仅小于海洋的储存量，而海洋储存可能对海洋生态产生影响，而且，海洋储存CO₂不适合那些CO₂产量很大但是距离海洋很远的国家和地区。科学家们认为，将CO₂储存于生物成因天然气田中，可以利用气田中固有的厌氧古细菌－产甲烷菌，将CO₂转化为甲烷，实现能源再生。可以称得上一举多得。
甲烷菌的高倍显微照片
产甲烷菌固定CO₂的应用研究
1999年日本科学家提出，将CO₂注入气体水合物层下或是注入永久冻土层位之下，深的低温的含水层会将CO₂自动封闭，从而可以实现将CO₂存储于地下。
自养菌将CO₂固定于深水、没有阳光的环境中。产甲烷菌可以在深水无氧的条件下将CO₂转化成甲烷。在CO₂注入几十或几百年后就可望形成由生物起源的地下碳氢化合物层。
天然气水合物经常存在于高压和低温的深海洋壳之下，天然气可能聚集在气体水合物层之下或永久冻土层之下，这些层位是天然的气体隔离体。令人担心的是，全球气候变暖会引起永久冻土层融化和水合物变暖，从而加速此处聚集的甲烷的释放。将CO₂注入永久冻土层和甲烷水合物封盖之下，可以抽取出聚集的甲烷，阻止全球的加速变暖，因为注入的CO₂会加固永久冻土层和甲烷水合物封盖，CO₂水合物在高温下比冰还要稳固，在高压下比甲烷水合物稳固。所以从理论上讲，这是有效的方法。
二氧化碳的地下储存
如果将CO₂注入含水层，溶于存在有活性的产甲烷菌的地下水中，只要H₂存在，产甲烷菌就会将CO₂转化为甲烷。而且，甲烷倾向于从水中分离出且向上运移。因此甲烷常聚集于储层顶部。由于地下微生物和环境的多样性，如果对CO₂进行微生物固定和循环，就要对适合的菌种和生态环境进行广泛和仔细的研究。
美国能源部2000年提出，自然界中有很多产甲烷菌，可以将CO₂转化为CH₄。一些甲烷生存在高温和高压的极端环境中。因此应该培育选择并挑选有用的甲烷菌种，通过生物学、化学、和地球物理学等学科的交叉，建立微生物设计或生物模拟系统。在此系统中，CO₂的地质储藏可以转化为CH₄。
很多证据表明，生物成因生物气可以成为是一个气田的主体，如东爪哇海的Terang－Sirusan气田，我国的柴达木盆地生物气田、云南陆良盆地生物气田等。据统计，地球上的天然气中有20％由产甲烷菌产生，其中2/3由醋酸盐发酵，1/3由CO₂固定形成。
发展遗传解码，基因排序，识别新的酶，和挑选可用的特性的甲烷菌对提高CO₂向CH₄的转化过程将有很大的潜在的作用。科学家从深海海洋烟囱中分离出一些生活于高温高压环境的极端的生物体，然后投入适合石油、天然气产生层位，试图使它们进一步产生天然气。
在加拿大，科学家们将CO₂用于提高原油回采率、将CO₂注入深的含水层、或将CO₂注入废弃的油、气井中已经是一个比较成熟的技术，尽管以这些方式沉积的CO₂量非常巨大，但是它没有产生任何的经济效益。而且，通过注入CO₂的提高回收技术获得煤层甲烷产品，还在研究阶段。
二氧化碳采油模式图
将CO₂注入深的煤层，在沉积CO₂的同时提高煤层甲烷回收率，从煤层甲烷燃烧发电厂产出的CO₂废气可以再注入煤层甲烷储层，产生更多的甲烷供应发电厂，可以大大提高工业附加值。
已经成功的典范
2002年欧洲共同体为了符合《京都关于气候变化议定书》要求，已经计划在2008~2012年将欧洲温室效应气的排放减少8%。这需要年平均减少600百万吨的CO₂排放量。短期内的措施是提高能源利用效率和从化石燃料转向可再生的燃料。但是，联合国的稳定大气中温室效应气浓度的长期目标，必须进一步削减CO₂的排放。
欧洲成立了相关的主题网站，致力于协调各个企业及科研机构等部门减少大气中CO₂浓度，该机构于2003年1月启动。其资金部分来源于它的最初3年规划（1.4百万）的第五框架计划，其中100万欧元由现在网上的47个成员资助。它们分别是欧洲各地的石油公司、承包商、地质科学和其它专业技术学院。
这项规划的目的是：
1． 推动联合性的研究、支持欧洲大陆的将CO₂储存、捕获、减少计划的实施；
2． 评估和精练石油勘探开发的战略；
3． 为欧洲和各个国家的政策制定提供相关信息；
4． 通过技术活动、会议和网站发布结果，增加公众对不同CO₂捕获和储存技术的关注和认同。
将CO₂注入盐水层示意图
根据欧洲委员会的第五框架计划，6个方案已经即将启动，评估CO₂储存的安全性和环境影响。包括在海面上将CO₂注入地下盐水层；注入煤层裂隙；注入废弃油田、注入地质储层及分析地层中天然聚集的CO₂的成因。此外，还支持研究CO₂注入加拿大萨斯喀彻温省Weyburn油田的结果，科学家们正致力于地球化学的分析和建模，以求更加深入地理解这项研究的结果和意义。
产甲烷菌的作用
产甲烷菌是一类严格厌氧古细菌，可以在高温、高盐、高压等条件生存，具有利用CO₂为基质产生CH₄的特性，位于自然界碳循环厌氧食物链的末端，对自然界物质循环起着重要作用。它们有别于各种宏观与微观生物，生物学界曾将其称为“第三生物”。大多数产甲烷菌能利用H₂作为CO₂的还原剂以合成有机物，同时它们还利用特殊的厌氧呼吸，甲烷发酵和碳酸盐呼吸来取得生命活动所需的能量。产甲烷菌是一类严格的厌氧菌，它们在Eh低于－330mv时才能形成甲烷。
1997年农业部厌氧微生物重点开放实验室认为，可以粗略地把产甲烷细菌的生态环境分为三类：
（1）如我国农村式沼气池和厌氧污水处理系统，经历甲烷发酵地全部四个阶段，即：复杂有机物地水解发酵，产氢产乙酸，产甲烷和同型产乙酸阶段。
（2）代表为反刍动物瘤胃，只经历水解发酵和产甲烷两个阶段。瘤胃中发酵生成各种脂肪酸迅速胃肠道内壁吸收。因此，缺乏产氢产乙酸阶段。
（3）代表为温泉和海底火山热水口，这里主要通过地质化学过程产生H₂和CO₂。甲烷的生成至包括同型产乙酸阶段和产甲烷阶段。
甲烷菌的产生示意图
利用产甲烷菌进行CO₂地质固定，可以从两个方面进行：利用产甲烷菌的特性及多样性，挑选适宜的菌种进行培养，发展适于应用的特性；另一种方法是给地下生态环境中已经存在的菌种提供适宜的条件，保持原有生态环境。该方法已经引起世界各国的关注，渐渐成为一门新的科学。我国北京大学的地球科学工作者在著名的柴达木盆地进行了初步的实验研究，取得了相当满意的成果，为这种方法的工业化推广打下了良好的基础。
转载自《石油科学传播》公众号
