微生物异养铁还原调节地质二氧化碳封存及机理研究

Geological Carbon Capture and Storage (CCS) has emerged as one of the viable and well-accepted strategies to mitigate the massive emission of greenhouse gas, in which stability of injected CO2 is critical. Although scientists have proposed several mechanisms to apply microbial metabolism to enhance CCS, their feasibility and effectiveness have not been evaluated under CCS-associated environmental conditions. In this proposed project, we will investigate facilitated CCS by the biogeochemical processes catalyzed by dissimilatory iron reduction, regarding the widespread microbially catalyzed iron metabolism in deep subsurface and intimate interactions between microbes, CO2, groundwater and minerals. The study will be based on the microbial consortia enriched from the groundwater of a CCS reservoir in our previous work. By simulating different CCS environmental conditions in the bioreactors, we aim: 1）to assess viability and iron-reducing activity of the microbial consortia under the simulated environmental conditions using physiological analyses; 2) to apply geochemical and mineralogical tools to evaluate transformation of minerals and changes in water chemistry during dissimilatory iron reduction; 3) to apply metagenomic and metatranscriptomic tools to reveal the mechanisms of stress-tolerance and metabolic pathways. The results of this project are critical to understand the fundamental questions about the microbially driven transformation and distribution of different elements (e.g., carbon, iron, calcium, magnesium and others) between gaseous, liquid and solid phases in the CCS systems. The knowledge can also be instructive on microbially aided solidification of CO2, risk assessment and alleviation of leakage.

地质二氧化碳封存（CCS）是解决温室效应的有效途径，CO2在地下环境的稳定性至关重要。尽管科学家提出了利用微生物强化CCS的理论，其可行性尚未在代表性环境体系中得以证实。本项目针对深地环境中广泛存在的微生物铁代谢，聚焦于微生物-CO2-地下水-矿物相互作用，提出利用铁还原微生物参与的生物地球化学过程调节CCS的研究主题。拟基于申请人前期工作从CCS场地地下水中培养的铁还原微生物，在生物反应器中模拟不同环境条件，开展三方面工作：1）利用微生物生理学手段研究环境因子对微生物存活率和铁代谢能力的影响；2）结合地球化学和矿物学手段，探索异养铁代谢过程中的矿物转化和水化学条件改变； 3）使用宏基因组、转录组手段，解析微生物耐受环境压力的机理和代谢途径。本课题潜在成果对CCS体系微生物驱动碳、铁、钙、镁等元素的迁移、转化等基础科学问题具有重要意义，为CO2封存固定化、风险评价和渗漏修复提供科学依据。

地质二氧化碳封存（CCS）是解决温室效应的重要途径之一，CO2在地下环境的稳定性至关重要。尽管科学家提出了利用微生物强化CCS的理论，但是其可行性尚未在代表性环境体系中得以证实。本项目提出利用铁还原微生物参与的生物地球化学过程调节CCS的研究主题，聚焦深地环境中广泛存在的微生物铁代谢驱动的微生物-CO2-地下水-矿物相互作用。项目执行期内基于申请人前期工作从CCS地下水中培养的异养铁还原微生物作为主要研究对象，采用生物反应器模拟实验对微生物调节高浓度CO2的生物地球化学过程和环境效应进行研究，并对CCS相关地下水监测场地的地下微生物组进行监测和分析。已完成主要工作：1）通过模拟CO2渗漏体系中的梯度CO2浓度条件，系统解析微生物-天然矿物共存体系中生物和非生物过程相互作用下的CO2-水-矿物-微生物多界面反应，揭示了微生物和天然矿物的协同作用缓解CO2引起的环境酸化和促进CO2封存的效应；2）建立了适应广泛自然条件的微生物铁还原反应调节铁赋存形式并耦合其他元素分布的概念模型，拓展了与CCS相关环境体系铁还原微生物调节含铁次生矿物的预测精度，尤其是该概念模型显示在酸性条件下有利于碳酸盐型次生矿物的生成，可能促进CO2的封存；3）基于一个百万吨级CCS场地浅层地下水监测网络地下微生物组与其功能基因分析显示它们在空间分布上以及对环境条件变化的响应上的非均质性，建立指示CO2封存场地封存安全的生物监测和分析方法。目前正在开展的工作针对天然矿物的多样性对于微生物参与调节CO2封存的效果和相关机理以及微生物在不同压力条件下适应环境胁迫效应的分子机理。项目执行期内已发表5篇论文，其中SCI论文4篇（2篇ES&T，1篇Water Research和1篇Frontiers in Microbiology），中文核心期刊1篇。