微生物介导的CO2咸水层封存过程的生物地球化学行为研究

Recently, CO2 capture and sequestration (CCS) has been widely applied in many counties (including China), and correspondingly the CO2-water-rock reaction mechanism has been investigated. However, the researches on the geochemical mechanisms of CO2-water-rock interaction mediated by microbiology are very few, and the attribute of microbiology in the CO2-water-rock reaction remains unclear. In this study, the Liujiagou and Shiqianfeng saline aquifer will be taken as a case to investigate the biogeochemical mechanism of CO2-water-feldspar interaction. This study aims to identify the attribute of microbiology and to obtain their metagenomic information, further demonstrating the microbial response in the CO2 sequestration. Then, the geochemical kinetics and dynamics of CO2-water-feldspar interaction will be evaluated, as well as the stable carbon- oxygen isotope fractionation. Furthermore, the biogeochemical simulation system of CO2-water-feldspar interaction will be established by TOUGHREACT software. Based on the above investigation, this study will give important empirical and theoretical evidence to reveal biogeochemical mechanism of CO2 sequestration, further providing a broad guide for the design, optimization and run of CCS projects.

目前，多数国家（包括中国）开展了二氧化碳捕获与封存技术（CCS）的工程实践，并进行了CO2-水-岩反应机理研究，但关于微生物介导的CO2-水-岩作用的地球化学行为研究鲜有报道，其微生物学响应机理仍不明确。本项目拟以鄂尔多斯刘家沟组和石千峰组咸水层为研究对象，开展微生物- CO2-水-长石矿物作用的生物地球化学行为研究。明确微生物对CO2地质储存的作用，丰富功能菌群的宏基因组信息，阐明CO2地质储存过程的微生物学响应机理；揭示微生物-CO2-水-长石作用的地球化学反应动力学和热力学，以及稳定碳-氧同位素分馏动力学机理；运用TOUGHREACT软件，构建微生物-CO2-水-长石相互作用的生物地球化学循环模式。综上成果，以期为CO2咸水层地质封存的生物地球化学响应机理研究提供可靠的数据支撑，为实际CCS工程方案设计、优化及运行提供科学的理论指导。

近年来由于化石燃料的过度使用，大气中的CO2水平已经由工业革命前的280ppm上升到400ppm，所引起的全球气候变暖问题不容忽视。因此大力发展CO2减排技术研究是十分必要的。CO2深部咸水层封存技术被认为是现阶段可以大规模减少温室气体排放量的有效技术手段之一。在深部咸水层中土著微生物由于体量巨大尤其是新陈代谢的多样化，因此具有影响地下生物地球化学过程（C、N、S、Fe等循环）的巨大潜能。然而目前关于土著微生物对于CO2咸水层封存过程的影响研究较少，其生物地球化学响应行为尚不明确。本项目以我国在鄂尔多斯盆地开展的首个CO2深部咸水层封存示范工程实际场地的石千峰储层为研究对象，利用高压反应釜模拟土著微生物- CO2-水-砂岩体系的相互作用过程，结合16S rRNA高通量测序、qPCR（实时荧光定量）、稳定同位素以及水化学组分分析等技术手段，分析了CO2对于土著微生物群落结构与多样性变化的影响，阐明了实验中各时期不同优势菌对于CO2封存过程的生物地球化学响应行为，明确了微生物对于CO2咸水层封存的积极作用，为今后进一步开展微生物介导的CO2咸水层封存过程中生物地球化学行为研究提供了一定的理论基础。