(57) Реферат / Формула:
Изобретение относится к способам обратимого изменения гидрологии горной породы в системах, таких как нефтяной пласт, посредством индукции бактерий, осаждающих аутигенные минералы, с получением аутигенного минерала.
9374
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АУТЕНТИЧНОГО ГОРНОГО МИНЕРАЛА ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОЛОГИИ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
ОПИСАНИЕ
ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка заявляет приоритет предварительной заявки США № 61/550,867, поданной 24 октября 2011 г., которая включена в настоящую заявку в полном объеме посредством ссылки.
ПРАВА НА ИЗОБРЕТЕНИЯ УСТАНАВЛИВАЮТСЯ С УЧЕТОМ ТОГО ФАКТА, ЧТО ИЗОБРЕТЕНИЕ СОЗДАНО НА ОСНОВЕ ФЕДЕРАЛЬНО ФИНАНСИРУЕМЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЛИ РАЗРАБОТОК
Настоящее изобретение создано при поддержке правительства согласно контракту № DE-FG02-98ER62689, заключенному между Департаментом США по энергетики и Калифорнийским университетом в Беркли. Правительство имеет определенные права на настоящее изобретение.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к обратимому преобразованию горной породы в системах, таких как нефтяные пласты, посредством индукции обратимого получения аутигенного горного минерала посредством бактерий, осаждающих аутигенный минерал.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При добыче нефти из нефтяных пластов часто возможно получить только часть нефти, содержащейся в подземном пласте посредством, так называемых, способов первичной добычи, в которых применяются естественные силы, присутствующие в пластах. Крайне низкая добыча нефти может быть обусловлен рядом факторов, включая прорыв вышележащего корпуса газа или воду на краю или на дне технологической скважины в результате образования в скважине водяного конуса с отжатием нефти от забоя или канала. Особенно очевидно, что пласт становится гетерогенным, трещины или полоски с высокой проницаемостью приводят к селективному истощению нефти, обеспечивая преждевременный вход соседнего газа или воды в зону получения. В областях тяжелой нефти, относительно низкая вязкость и высокая подвижность водной фазы приводят к такому пробою даже в гомогенных пластах в результате образования в скважине водяного канала или образования языков обводнения воды сквозь относительно неподвижную фазу нефти. Как только образовываются весьма проницаемые водой каналы, возникают потери в производстве тяжелой нефти.
Многообразие методик повышения нормы добычи (например, вторичная и третичная добыча) применялись для того, чтобы повысить добычу нефти из подземных пластов. В одном способе повышения добычи нефти, рабочая жидкость впрыскивается под давлением в нефтяной пласт посредством одной или более нагнетательных скважин, чтобы поддерживать, сохранять или получать пластовое давление. Наиболее широко применяемой рабочей жидкостью является вода, однако, более сложные водные системы, растворители и газы также полезны в качестве рабочих жидкостей. Пар часто применяется доля тяжелых масел. Рабочая жидкость часто вводится в нефтеносный подъемный пласт около дна пласта около или выше пластового давления, чтобы переместить нефть в пласт. Так как жидкости двигаются через пласт, они двигают или смывают нефть через пласт. Повышенная нефтенасыщенность предшествует движению жидкости и наконец, обогащает эксплуатационную скважину или скважины.
В общем, подземная нефтяная залежь будет состоять из различных областей, имеющих различную проницаемость. Движение рабочей жидкости через пласт предпочтительно проходит к или через области более высокой проницаемости, трещины и тому подобное. Рабочие жидкости будут предпочтительно проходить через такие каналы, обходящие области более низкой проницаемости, и. таким образом, обходить нефть, содержащуюся в таких областях более низкой проницаемости, таким образом, уменьшая эффективность вытеснения смещающей среды.
В уровне техники раскрываются методики гомогенизации проницаемости, и, таким образом, повышение эффективности вытеснения часто требует впрыска вредных химических веществ и/или полимеров.
Кроме того, проблемы, связанные с повышением добычи нефти, в частности могут быть особенно значимыми, когда нефть является весьма вязкой, так называемая "тяжелая нефть", которая существует в Лойдминстерском регионе в Канаде и в определенных платах, расположенных на Аляске и в Венесуэле. В таких пластах тяжелой нефти, первичная добыча и заводнение обычной водой иногда оцениваются как обеспечивающие так мало как от 4% до 8% нефти, содержащейся в пласте.
Более того, в то время как в патентах США №. 4,460,043; 4,561,500; и 5,143,155 раскрывается, что добыча нефти может быть повышена посредством применения селективных микробных систем закупоривания, эти микробных заглушки чувствительны к повреждению, вызываемому высокой скоростью течения жидкости или большим падением давления вдоль заглушки, термальным разрушением в случае парового привода и тому подобного, и разрушением материалов биологического закупоривания присущей микробной популяцией. Кроме того, такие заглушки может быть сложно удалять. Как только нефть выдавливается в канал с низкой проницаемостью, это приводит к повышенному противодавлению при впрыске в устье скважины, что повышает риск постоянного
закупоривания местного окружения вокруг нагнетательной скважины и непредсказуемого растрескивания слоя пласта.
Соответственно, существует потребность в улучшенных способах повышения добычи нефти, которые гомогенизируют проницаемость пласта, что приводит к значительному улучшению добычи нефти, независимо от вязкости и/или характеристик масла (т.е, как легкого, так и тяжелого масла); которые не чувствительны к термическому повреждению или разрушению в результате большого падения давления вдоль заглушки; которые не склонны ни к биологическому, ни к химическому разрушению местной микробной популяцией; и которые являются обратимыми, так чтобы обеспечить последующее расширение эффекта гомогенизации проницаемости в пласте, чтобы поддерживать повышенную эффективность вытеснения без риска для целостности пласта.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того чтобы удовлетворить вышеописанные потребности, настоящее изобретение обеспечивает новые способы обратимого осаждения аутигенных горных минералов для изменения гидрологии горной породы, с уменьшением падения давления в нагнетаемой воде в нефтяном пласте, и увеличением добычи нефти из нефтяного пласта, посредством обеспечения композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала, и добавления композиции в систему, содержащую скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутогенные минералы, при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы. Предпочтительно, способы согласно настоящему изобретению применяют бактерии, осаждающие аутогенные минералы, которые являются местными и активными в раскрытых системах, как например нефтяные пласты. Более того, способы согласно настоящему изобретению предпочтительно используют обратимость бактериально-опосредованного осаждения аутигенного минерала для повышения
эффективности вытеснения нагнетаемой воды посредством непрерывного создания каналов низкой проницаемости. Обратимость осаждения аутигенных горных минералов обеспечивает растворение созданных каналов и перенаправление нагнетаемых вод. Новые каналы низкой проницаемости могут затем быть созданы посредством индукции бактерий к осаждению аутигенного горного минерала в другой области системы с поддержанием повышенной эффективности вытеснения нагнетаемой воды.
Соответственно, определенные объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу повышения добычи нефти из нефтяного пласта посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающему: а) обеспечение системы нефтяного пласта, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал изменяет гидрологию нагнетаемой воды, таким образом повышая добычу нефти.
Другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу обратимого осаждения аутигенного минерала, включающему: а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы.
Другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу изменения гидрологии горной породы посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающему: а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь)
обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал изменяет гидрологию горной породы.
Еще другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу уменьшения падения давления в нагнетаемой воде при добычи нефти посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающему: а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал уменьшает падение давления в нагнетаемой воде.
В определенных вариантах выполнения любого из вышеописанных способов, системой является нефтяной пласт.
В определенных вариантах выполнения любого из вышеописанных способов, система дополнительно содержит загрязнитель земли. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения загрязнитель земли выбирается из группы, состоящей из радиоактивного загрязнения, радиоактивных отходов, тяжелых металлов, галогенированных растворителей, пестицидов, гербицидов и красителей.
Другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу образования барьера посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающему: а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы, материалы скелета горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного
минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал образует барьер, и где барьер уменьшает поток материалов горной породы через указанный скелет горной породы. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения материалы горной породы содержат СО2. В других вариантах выполнения настоящего изобретения материалы горной породы содержат один или более загрязнителей. Предпочтительно, один или более загрязнителей выбираются из группы, состоящей из радиоактивного загрязнения, радиоактивных отходов, тяжелых металлов, галогенированных растворителей, пестицидов, гербицидов и красителей.
В определенных вариантах выполнения любого из вышеописанных способов перед стадией а) бактерии, осаждающие аутигенный минерал, добавляются в систему. В определенных вариантах выполнения любого из вышеописанных способов, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, выбираются из группы, состоящей из железо-восстанавливающих бактерий, железо- окисляющих бактерий, нитрат-зависимых Ре(П)-окисляющих бактерий, ферментативных бактерий, фосфит-окисляющих бактерий, перхлорат-восстанавливающих бактерий, хлорат-восстанавливающих бактерий и нитрат-восстанавливающих бактерий. В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, представляют собой железо-окисляющие бактерии или нитрат-зависимые Fe(II)- окисляющие бактерии.
В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов, раствор предшественника аутигенного минерала выбирается из группы, состоящей из раствора Fe (II), раствора Fe(III), раствора наночастиц благородного железа, раствора аммиака, фосфатного раствора, фосфитного раствора, раствора кальция, раствора карбоната, раствора магния и раствора силиката. Предпочтительно, раствор предшественника аутигенного минерала представляет собой раствор Fe(II). В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов индуктор осаждения аутигенного минерала выбирается из группы, состоящей из
нитрата, нитрита, закиси азота, оксида азота, перхлората, хлората, хлорита, диоксида хлора, Fe(III), карбоната и кислорода. Предпочтительно индуктор осаждения аутигенного минерала представляет собой нитрат.
В некоторых вариантах выполнения любого из вышеописанных способов осаждение аутигенного минерала происходит в результате обратимой реакции. В определенных вариантах выполнения настоящего изобретения обратимой реакцией является окислительно-восстановительная реакция. В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов осажденный аутигенный минерал растворяется посредством обращения реакции осаждения аутигенного минерала.
В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов система дополнительно содержит бактерии, растворяющие аутигенный минерал. В определенных вариантах выполнения настоящего изобретения, система контактирует с индуктором растворения аутигенного минерала при условиях, когда индуктор растворения аутигенного минерала индуцирует бактерии, растворяющие аутигенный минерал, к растворению осажденного аутигенного минерала. В других вариантах выполнения настоящего изобретения индуктор растворения аутигенного минерала выбирается из группы, состоящей из нитрата, нитрита, закиси азота, оксида азота, перхлората, хлората, хлорита, диоксида хлора, Fe(III), карбоната, фосфата, фосфита, кислорода, Н2, ацетата, пропионата, бутирата, лактата, бензоата, цитрата, гексозы и фосфита. В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов, бактерии, растворяющие аутигенный минерал, растворяют осажденный аутигенный минерал посредством обращения реакции осаждения аутигенного минерала. В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов способ дополнительно содержит добавление бактерий, растворяющих аутигенный минерал, в систему. В определенных вариантах выполнения любого из вышеописанных способов добавленные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, являются рекомбинантными бактериями. В других вариантах выполнения любого из вышеописанных способов бактерии, растворяющие аутигенный минерал, выбираются из группы, состоящей из железо-восстанавливающих бактерий,
фосфит-восстанавливающих бактерий, перхлорат- восстанавливающих бактерий, хлорат- восстанавливающих бактерий, нитрат- восстанавливающих бактерий и кислота-продуцирующих бактерий. Предпочтительно, бактерии, растворяющие аутигенный минерал, представляют собой железо-восстанавливающие бактерии.
В некоторых вариантах выполнения любого из вышеописанных способов, способ дополнительно содержит добавление в систему бактерий, осаждающий аутигенный минерал. В определенных вариантах выполнения настоящего изобретения, добавленные бактерии, осаждающие аутигенный минерал, представляют собой рекомбинантные бактерии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает в виде диаграммы третичную добычу нефти из нефтяного пласта посредством ввода воды через нагнетательную скважину в нефтяной пласт для поддержания давления в пласте и вытеснения нефти из нагнетательной скважины в направлении эксплуатационной скважины.
Фиг. 2 показывает в виде диаграммы адсорбцию и осаждение урана и кобальта посредством Ре(Ш)-оксидов, биогенно образованных после добавления U(VT) и Со(Ш) растворимых солей
Фиг. 3 показывает MPN исчисление FRC нитрат зависимых Fe(II) окислителей.
Фиг. 4 показывает некорневое филогенетическое дерево ближайшего связывания 16S рРНК генной последовательности из нитрат-зависимых Fe(II) окисляющих бактерий.
Фиг. 5 показывает в виде диаграммы миксотрофное Fe(II) окисление, связанное с восстановлением нитрата, и рост с ацетатом с применением штамма TPSY.
Фиг. 6 показывает в виде диаграммы литоавтотрофный рост с применением штамма Pseudogulbenkiania 2002 и с применением Fe(II) и нитрата в качестве донора и акцептора электронов, соответственно, и ССЬ в качестве единственного источника углерода.
Фиг. 7 показывает в виде диаграммы окисление Fe(II) с применением A. suillum в бескислородной культуральной среде с ацетатом в качестве источника углерода и нитратом в качестве единственного акцептора электронов. Fe(II) окисление происходит только после завершения использования ацетата.
Фиг. 8 показывает разность спектра окисления и восстановления суспензий анаэробных промытых клеток в присутствии Fe(II) изначально и после одного часа инкубации.
Фиг. 9 показывает различные продукты окисления Fe(II) с применением штамма Pseudogulbenkiania 2002 и штамма Diaphorobacter TPSY при миксотрофном росте в идентичных средах при идентичных условиях с ацетатом в качестве источника углерода и FeCb в качестве формы железа. Фиг. 9А показывает штамм Pseudogulbenkiania 2002. Фиг. 9В показывает штамм Diaphorobacter TPSY.
Фиг. 10 показывает результаты рентгеновской флуоресцентной спектроскопии миксотрофного роста Pseudogulbenkiania str. 2002.
Фиг. 11 показывает ТЕМ изображения клеток штамма Pseudogulbenkiania 2002 в ходе окисления Fe(II). ТЕМ изображения получали без окрашивания, и они показывают развитие фракции электронной плотности в периплазматическом пространстве грамотрицательной клетки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Определения
Как применяется в настоящей заявке, термины "аутигенный минерал", "аутигенный горный минерал" и "осадочная горная порода" применяются взаимозаменяемо и относятся к осаждениям минералов, которые развиваются из растворимых химических веществ {например, ионные и органические соединения) в осадках.
Как применяется в настоящей заявке, "бактерии, осаждающие аутигенный минерал" относятся к бактериям, которые способны применять раствор предшественника аутигенного минерала для осаждения аутигенного минерала. Например, нитрат-зависимые Ре(П)-окисляющие бактерии представляют собой тип "бактерий, осаждающих аутигенный минерал", которые окисляют растворимый Fe(II) до Fe(III) осадков.
Как применяется в настоящей заявке, термин "раствор предшественника аутигенного минерала" относится к раствору, который содержит субстрат, такой как растворимые ионы, который используется бактериями, осаждающими аутигенные минералы, с формированием минерального осадка. Например, раствор Fe(II) может использоваться азот-зависимыми Ре(П)-окисляющими бактериями с превращением растворимого Fe(II) в осадок Fe(III).
Как применяется в настоящей заявке, термин "индуктор осаждения аутигенного минерала" относится к композиции, например, химического вещества, ионной соли, донора электронов, акцептора электронов, окислительно-восстановительного реагента и т.д., которая индуцирует в бактериях, осаждающих аутигенный минерал, обратимую реакцию осаждения аутигенного минерала. Например, индуктор осаждения аутигенного минерала может быть окисляющим агентом {т.е., акцептор электронов), который позволяет бактериям
осаждать аутигенный минерал из раствора предшественника аутигенного минерала посредством окисления раствора предшественника.
Как применяется в настоящей заявке, термин "бактерии, растворяющие аутигенный минерал" относится к бактериям, которые способны растворять аутигенные минералы посредством обращения реакции осаждения аутигенного аутигенных минералов, индуцированной бактериями, осаждающими аутигенные минералы, к осаждению аутигенного минерала. Например, бактерии, растворяющие аутигенный минерал, могут восстанавливать компонент аутигенного минерала, который солюбилизирует минерал {например, Fe(III)-восстанавливающие бактерии превращают нерастворимый Fe(III) в растворимый Fe(II)).
Как применяется в настоящей заявке термин "индуктор растворения аутигенных минералов" относится к композиции, например, химического вещества, ионной соли, донора электронов, акцептора электронов, окислительно-восстановительного реагента и т.д., которая индуцирует в бактериях, растворяющих аутигенный минерал, обратимую реакцию осаждения аутигенного минерала. Например, индуктор растворения аутигенных минералов может быть восстанавливающим агентом {т.е., донор электронов), который позволяет бактериям солюбилизировать осадок аутигенного минерала посредством восстановления компонента осадка, такого как ацетат.
Как применяется в настоящей заявке термин "обратимо осаждающийся аутигенный горный минерал" относится к аутигенному горному минералу, который может осаждаться и далее растворяться и/или солюбилизироваться. Предпочтительно, аутигенный горный минерал осаждается бактериями, осаждающими аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению. В общем, осажденный аутигенный горный минерал может растворяться и/или солюбилизироваться посредством обращения реакции, что приводит к образованию аутигенного горного минерала. Например, осажденный аутигенный
горный минерал может растворяться и/или солюбилизироваться бактериями, растворяющими аутигенный минерал, согласно настоящему изобретению.
Обзор
Далее в описании приводятся примерные способы, параметры и тому подобное. Однако должно быть понятно, что такое описание не ограничивает объем настоящего изобретения, и приводится только для описания примерных вариантов выполнения настоящего изобретения.
Ввод воды в нефтяной пласт через одну или более нагнетательные скважины является обычной практикой для повышения получения нефти сверх выходов первичной добычи посредством поддержания давления в пласте и вытеснения нефти из нагнетательных скважин в направлении эксплуатационных скважин (Фиг. 1). Однако с течением времени эффективность вытеснения нагнетательной воды уменьшается, так как падет давление нагнетательной воды. Это падение давления является результатом повышенной проницаемости канала, несущего нагнетательную воду. Настоящее изобретение относится к способам повышения эффективности вытеснения нагнетаемой воды в системах, содержащих скелет горной породы, как например нефтяные пласты, для повышения добычи нефти. Способы согласно настоящему изобретению достигают повышенного вытеснения нагнетаемой воды посредством применения бактерий, осаждающих аутигенные минералы, для изменения гидрологии аутигенной горной породы в системах. Посредством индукции активности осаждения аутигенного минерала этих бактерий, осажденный аутигенный минерал закупоривает каналы высокой проницаемости воды в системах, содержащих скелет горной породы, что приводит к более гомогенной системе каналов в пласте, что приводит к повышенной эффективности вытеснения. Эта повышенная эффективность вытеснения повышает добычу нефти. Предпочтительно, когда вновь затопленные каналы обедняются нефтью {т.е., каналы вымываются), аутигенный минерал может растворяться посредством индукции активности бактерий, растворяющих аутигенный минерал, к обращению реакции осаждения аутигенного минерала,
индуцированной бактериями, осаждающими аутигенный минерал. Таким образом, повышенная эффективность вытеснения нагнетаемой воды может поддерживаться посредством непрерывного перенаправления нагнетаемой воды в зоны низкой проницаемости через матрицу пласта.
Более того, настоящее изобретение основывается, по меньшей мере частично, на новом открытии, что осадки ауигенных горных минералов, полученные посредством нитрат-зависимых Ре(П)-окисляющих бактерий, которые могут образовывать минералы твердофазного железа в результате метаболизма растворимого Fe2+ (Lack, JG et al, Appl. Eviron. Microbiol. 68, 2704-2710, 2002); and Weber, KA et al, Nat Rev Micro 4, 752-764, 2006), могут применяться для изменения гидрологии горной породы и улучшения эффективности вытеснения нагнетаемой воды в ходе третичной добычи нефти. Эти микроорганизмы способны изменять валентное состояние добавленного растворимого двухвалентного железа [Fe(II)], осаждая минералы нерастворимого железа [Fe(III)], приводя к сокращению пор и уменьшению критического диаметра пор, что приводит к образованию каналов низкой проницаемости. Альтернативно, организмы, окисляющие Fe(II), могут также окислять Fe(II) составляющую природной минеральной фазы Fe(II) в скелетах горной породы, таким образом, изменяя первоначальную структуру минерала, приводя к выветриванию горной породы и биогенезу минерала. Предпочтительно, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, являются повсеместными на земле, и являются активными как в умеренных, так и экстремальных окружающих средах. Более того, активность осаждения аутигенных минералов этих бактерий может использоваться посредством добавления раствора предшественника аутигенного минерала и индуктора осаждения аутигенного минерала к нагнетаемой воде в ходе третичной добычи нефти.
Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает способы обратимого осаждения аутигенного минерала, включающие а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с
композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы.
Настоящее изобретение также обеспечивает способы изменения гидрологии горной породы посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающие: а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал изменяет гидрологию горной породы.
Настоящее изобретение также обеспечивает способы уменьшения падения давления в нагнетаемой воде при добычи нефти посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающие: а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал уменьшает падение давления в нагнетаемой воде.
Настоящее изобретение также обеспечивает способы повышения добычи нефти из нефтяного пласта посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающие: а) обеспечение системы нефтяного пласта, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный
аутигенный минерал изменяет гидрологию нагнетаемой воды, таким образом повышая добычу нефти.
Настоящее изобретение также обеспечивает способы образования барьера посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, включающие: а) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы, материалы скелета горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал образует барьер, и где барьер уменьшает поток материалов горной породы через указанный скелет горной породы.
Аутигенные минерал-осаждающие бактерии
Определенные объекты настоящего изобретения относятся к способам обратимого осаждения аутигенного горного ископаемого посредством индукции бактерий, осаждающих аутигенные минералы, которые присутствуют в системах, содержащих скелет горной породы, с обратимым осаждением аутигенного минерала в скелет горной породы. Примеры систем, содержащих скелет горной породы, включают, но без ограничения к этому, нефтяные пласты, месторождения нефти, водоносный пласт и подповерхностные геологические образования.
Бактерии, осаждающие аутигенные минералы, которые подходят для применения
в способах согласно настоящему изобретению включают как архебактерии, так и
эубактерии. Подходящие бактерии, осаждающие аутигенные минералы, также
включают аэробные бактерии и анаэробные бактерии, которые являются
психрофильными, мезофильными, термофильными, галофильные,
галотолерантные, ацидофильные, алкалофильные, барофильные,
баролотолерантные или смеси нескольких или всех этих бактерий и их интермедианты. Предпочтительно бактерии, осаждающие аутигенные минералы,
согласно настоящему изобретению являются анаэробными бактериями, так как анаэробные бактерии имеют подходящую толерантность к ограниченной доступности кислорода, экстремальным температурам, экстремальным значениям рН и солености, которые могут встречаться в окружающих подповерхностях систем, содержащих скелет горной породы, согласно настоящему изобретению.
Более того, ранее было показано, что минерал-осаждающие бактерии являются вездесущими и активными в различных окружающих средах, таких как водные окружающие среды, земляные окружающие среды и подповерхностные окружающие среды. Соответственно, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению способны поддерживать метаболическую активность, что приводит к осаждению аутигенный минералов в подповерхностной окружающей среде систем, содержащих скелет горной породы, согласно настоящему изобретению.
Другие примеры подходящих бактерий, осаждающих аутигенные минералы, включают, но без ограничения к этому, железо-осаждающие бактерии, фосфорсодержащий минерал-осаждающие бактерии, кальций-содержащий минерал-осаждающие бактерии, апатит-осаждающие бактерии, и карбонат аммония-содержащий минерал-осаждающие бактерии, магний-содержащий минерал-осаждающие бактерии и силикатный минерал-осаждающие бактерии, марганец-содержащий минерал-осаждающие бактерии, и сера-содержащий минерал-осаждающие бактерии. Примеры таких бактерий включают, но без ограничения к этому, род Proteobacterial, род Escherichia, род Roseobacter, род Acidovorax, род Thiobacillus, род Pseudogulbenkiania, род Pseudomonas, род Dechloromonas, род Azospira, род Geobacter, род Desulfotignum, род Shewanella, род Rhodanobacter, род Thermomonas, род Aquabacterium, род Comamonas, род Azoarcus, род Dechlorobacter, род Propionivibrio, род Magnetospirillum, род Parvibaculm, род Paracoccus, род Firmicutal, род Desulfitobacterium, род Sporosarcina, род Bacillus, род Acidobacterial, род Geothrix, род Archaeal и род Ferroglobus.
Такие минерал-осаждающие бактерии осаждают различные минералы, включая, но без ограничения к этому, карбонат кальция, сульфат кальция (гипс), карбонат магния, оксид железа, гидроксид железа {например, маггемит, гематит, гетит, и т.д..), железные руды со смешанной валентностью {например, магнетит, зеленая ржавчина и т.д.), фосфат железа, карбонат железа, оксиды марганца и минералы, содержащие марганец смешанной валентности {например, гаусманит и т.д.).
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения бактерии, осаждающие аутигенные минералы, выбираются из железо-восстанавливающих бактерий, железо-окисляющих бактерий, нитрат-зависимых Ре(П)-окисляющих бактерий, ферментативных бактерий, фосфит-окисляющих бактерий, перхлорат-восстанавливающих бактерий, хлорат-восстанавливающих бактерий и нитрат-восстанавливающих бактерий.
В общем, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению используют растворы предшественников аутигенных минералов и индукторы осаждения аутигенных минералов, чтобы индуцировать обратимую реакцию, которая приводит к осаждению аутигенных минералов. В определенных вариантах выполнения настоящего изобретения, обратимой реакцией является окислительно-восстановительная реакция.
Бактерии, осаждающие аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению могут также содержать один или более из следующих генов: ген цитохрома типа Ъ, ген цитохрома типа с, ген цитохрома типа а, и RuBisCo гены.
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения бактерии, осаждающие аутигенные минералы, представляют собой нитрат-зависимые Fe(II)-окисляющие бактерии. Нитрат-зависимые Ре(П)-окисляющие бактерии могут осаждать твердофазные железные руды из метаболизма растворимого Fe2+, которые связывают окисление Fe(II) с восстановлением нитрата. Эти бактерии способны изменять валентное состояние добавленного растворимого двухвалентного железа [Fe(II)], осаждающегося из нерастворимых железных руд
[Fe(III)], что приводит к сокращению пор и уменьшению критического диаметра пор.
Соответственно, в определенных вариантах выполнения способов согласно настоящему изобретению бактерии, осаждающие аутигенные минералы, представляют собой нитрат-зависимые Ре(П)-окисляющие бактерии, которые осаждают железные руды при индукции посредством раствора Fe(II) и нитрата.
Кроме того, Ре(П)-окисляющие бактерии могут окислять Fe(II) составляющую природной минеральной фазы Fe(II) во вмещающей горной породе, таким образом, изменяя первоначальную структуру минерала, что приводит к выветриванию горных пород и биогенезу полезных ископаемых. Например, Ре(П)-окисляющие бактерии могут окислять Fe(II), связанный со структурным железом в минералах, таких как альмандин, силикат железа-алюминия, обеспечивая аморфные и кристаллические минералы на основе оксида железа (III). В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения окисление Fe(II) происходит при значении рН около 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 7.0, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 или выше.
Более того, в дополнение к нитрату, железо-окисляющие бактерии могут также связывать восстановление нитрита, оксида азота, закиси азота; перхлората, хлората, диоксида хлора или кислорода с окислением Fe(II).
Примеры окисляющих железо бактерий, которые могут быть обнаружены в системах, содержащих скелет горной породы, согласно настоящему изобретению включают, но без ограничения к этому, Chlorobium ferrooxidans, Rhodovulum robiginosum, Rhodomicrobium vannielii, Thiodiction sp., Rhodopseudomonas palustris, Rhodovulum sp., Geobacter metallireducens, Diaphorobacter sp. шиамм TPSY и Pseudogulbenkiania sp. штамм 2002, Dechloromonas sp., Dechloromonas aromatica, Dechloromonas agitata, Azospira sp., and Azospira suillum.
Железо-окисляющие бактерии согласно настоящему изобретению могут осаждать различные железные руды. Примеры таких железных руд включают, но без ограничения к этому, оксиды (гидроксиды) железа; карбонаты железа; Fe(III)-оксиды, такие как 2-линейный ферригидрит, гетит, лепидокрокит и гематит; и железные руды со смешанной валентностью, такие как зеленая ржавчина, маггемит, магнетит, вивианит, альмандин, арсенопирит, хромит, сидерит и ставролит.
Ре(П)-окисляющие бактерии согласно настоящему изобретению могут также окислять твердофазное Fe(II), включая, но без ограничения к этому, связанное с поверхностью Fe(II), кристаллические минералы Fe(II) (сидерит, магнетит, пирит, арсенопирит и хромит), и структуральное Fe(II) в незосиликатах (альмандин и ставролит) и филлосиликат (нонтронит). Эта обратимая окислительная трансформация твердофазного Fe(II) в бескислородной окружающей среде обеспечивает дополнительный механизм выветривания горных пород с изменением гидрологии аутигенной горной породы.
Кроме того, железные руды, осаждаемые Ре(П)-окисляющими бактериями, могут также применяться в качестве приемника для тяжелых металлов, металлоидов и радионуклидов в окружающей среде осаждения, и могут регулировать концентрации растворимых металлов, включая металлы из урана, хрома и кобальта, в природных водах посредством адсорбции и совместного осаждения.
Соответственно, в определенных вариантах выполнения настоящего изобретения, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению могут применяться для защиты водоносного слоя грунтовых вод от загрязнения посредством обеспечения барьера из аутигенных минералов, который отделяет водоносный слой от загрязнителя. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, Ре(П)-окисляющие бактерии могут применяться для восстановления земли, загрязненной тяжелыми металлами, посредством осаждения оксидов железа, которые адсорбируют и иммобилизируют тяжелые металлы.
Экзогенно добавляемые бактерии, осаждающие аутигенный минерал,
В способах согласно настоящему изобретению могут применяться бактерии, осаждающие аутигенные минералы, которые являются присущими системам, содержащим скелет горной породы, согласно настоящему изобретению. Однако в системах, в которых присущая популяция бактерий, осаждающих аутигенные минералы, является недостаточной для применения в способах согласно настоящему изобретению, экзогенные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, могут добавляться в систему. Например, экзогенные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, могут вводится в подповерхностный скелет горной породы нефтяного пласта посредством добавления бульона культуры, содержащего экзогенные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, в скважину нагнетания нефтяного пласта. Культуральная среда и способы для культивирования бактерий хорошо известны в данной области техники. Подходящие бактерии, осаждающие аутигенные минералы, которые могут добавляться экзогенно, включают любые бактерии, осаждающие аутигенные минералы, раскрытые в настоящей заявке. Соответственно, в определенных вариантах выполнения любого из способов согласно настоящему изобретению, перед обеспечением системы, такой как нефтяной пласт, содержащий скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, добавляются в систему.
В других вариантах выполнения настоящего изобретения экзогенно добавленные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, могут быть выделены из широко многообразия окружающих сред, включая водяные окружающие среды, земляные окружающие среды и подповерхностные окружающие среды. Мутанты и варианты таких выделенных бактерий, осаждающих аутигенные минералы, штаммы (родоначальные штаммы), которые сохраняют активность осаждения аутигенных минералов, также могут применяться в заявленных способах. Чтобы получить такие мутанты, родоначальный штамм может быть обработан химическим веществом, таким как М-метил-№-нитро-ГЧ-нитрозогуанидин, этилметансульфон, или посредством облучения с применением гамма-лучей,
рентгеновских лучей или УФ-облучения, или посредством других средств, хорошо известных специалистам в данной области техники.
Термин "мутант штамма", как применяется в настоящей заявке, относится к варианту родоначального штамма. Родоначальный штамм определяется согласно настоящему изобретению как первоначально выделенный штамм до мутагенеза.
Термин "вариант штамма" может идентифицироваться как имеющий геном, который гибридизуется в условиях высокой строгости с геномом родоначального штамма. Термин "гибридизация" относится к реакции, в которой геном реагирует с образованием комплекса с другим геномом, который стабилизируется посредством водородного связывания между основаниями нуклеотидных остатков, которые составляют геном. Водородное связывание может происходить посредством спаривания оснований Уотсона-Крика, связывания Хугстина или любым другим последовательность-специфичным образом. Комплекс может содержать две нити, образующие дуплексную структуру, три или более нитей, образующих мульти-нитиевый комплекс, одну самогибридизующуюся нить или любую комбинацию вышеперечисленного. Реакции гибридизации могут осуществляться в условиях различной "строгости." В общем, реакция гибридизация низкой строгости осуществляется при около 40°С в 10Х SSC или в растворе эквивалентной ионной силы/температуры. Гибридизация умеренной строгости, как правило, осуществляется при около 50°С и 6Х SSC, и реакция гибридизации высокой строгости, как правило, осуществляется при около 60°С в 1XSSC.
В определенных вариантах выполнения настоящего изобретения экзогенно добавленные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, могут быть модифицированы, например, посредством мутагенеза, как описано выше, для улучшения или усиления активности осаждения аутигенных минералов. Например, Ре(П)-окисляющие бактерии могут быть модифицированы для усиления экспрессии эндогенных генов, которые могут положительно регулировать путь, участвующий в окислении Fe(II). Один путь достижения этого
усиления состоит в обеспечении дополнительных экзогенных копий таких генов положительной регуляции. Подобным образом, негативные регуляторы пути, которые являются эндогенным по отношению к клетке, могут быть удалены.
Гены в бактериях, осаждающих аутигенные минералы, кодирующие белки, участвующие в осаждении аутигенных минералов, также могут быть оптимизированы для улучшенной активности осаждения аутигенных минералов. Как применяется в настоящей заявке, термин "оптимизированный" относится к гену, кодирующему белок, имеющий измененную биологическую активность, как например посредством генетического изменения гена, так что кодированный белок имеет улучшенные функциональные характеристики относительно белка дикого типа. Способы оптимизации генов хорошо известны в данной области техники, и включают, но без ограничения к этому, введение точечных мутаций, делеций и гетерологичных последовательностей в ген.
Соответственно, в определенных вариантах выполнения настоящего изобретения, экзогенно добавленные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, являются рекомбинантными бактериями, котоорые могут содержать по меньшей мере одну модификацию, которая улучшает или повышает активность осаждения аутигенных минералов бактерий.
Растворы предшественника аутигенного минерала и индукторы осаждения аутигенного минерала
Осаждение аутигенного минерала осуществляется бактериями, осаждающими аутигенные минералы, посредством контакта бактерий с раствором предшественника аутигенного минерала и индуктором осаждения аутигенного минерала. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала обеспечиваются в одной композиции. Альтернативно, раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала могут вводиться по отдельности.
В вариантах выполнения настоящего изобретения, где система, содержащая скелет горной породы, представляет собой нефтяной пласт, раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала могут вводиться к местным бактериям, осаждающим аутигенные минералы, посредством добавления раствора предшественника аутигенного минерала и индуктора осаждения аутигенного минерала в нагнетательную скважину.
В вариантах выполнения настоящего изобретения, где экзогенные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, добавляются в систему, содержащую скелет горной породы, раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала могут добавляться в систему одновременно с бактериями. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала добавляются после добавления бактерий.
В других вариантах выполнения настоящего изобретения, отношение раствора предшественника аутигенного минерала к индуктору осаждения аутигенного минерала, которое добавляется в систему, содержащую скелет горной породы, составляет по меньшей мере 2:1, по меньшей мере 3:1, по меньшей мере 4:1, по меньшей мере 5:1, по меньшей мере 6:1, по меньшей мере 7:1, по меньшей мере 8:1, по меньшей мере 9:1, по меньшей мере 10:1, или более. В вариантах выполнения настоящего изобретения, где раствор предшественника аутигенного минерала представляет собой раствор Fe(II), и индуктор осаждения аутигенного минерала представляет собой нитрат, отношение раствора Fe(II) к нитрату, которое добавляется в систему, содержащую скелет горной породы, составляет по меньшей мере 2:1, по меньшей мере 3:1, по меньшей мере 4:1, по меньшей мере 5:1, по меньшей мере 6:1, по меньшей мере 7:1, по меньшей мере 8:1, по меньшей мере 9:1, по меньшей мере 10:1, или более. Предпочтительно, отношение раствора Fe(II) к нитрату, которое добавляется в систему, содержащую скелет горной породы, составляет 5:1.
Растворы предшественника аутигенного минерала
Как раскрывается в настоящей заявке, растворы предшественника аутигенного минерала обеспечивают субстрат, который используется бактериями, осаждающими аутигенные минералы, с получением аутигенного минерала. Например, в случае Ре(П)-окисляющих бактерий, раствор Fe(II) обеспечивает растворимый субстрат Fe(II) для формирования осадков минерала оксида железа.
Растворы предшественника аутигенного минерала согласно настоящему изобретению поставляются бактериям, осаждающим аутигенные минералы, при условиях, когда бактерии используют раствор для осаждения аутигенного минерала в систему, содержащую скелет горной породы, согласно настоящему изобретению. В общем, условия будут зависеть от типа бактерий, присутствующих в системе, содержащей скелет горной породы, типа скелета горной породы, присутствующего в системе, и подповерхностных условий системы, содержащей скелет горной породы.
Примеры подходящих раствором предшественника аутигенного минерала включают, но без ограничения к этому, растворы Fe (II), растворы Fe(III), раствор наночасти благородного железа, растворы аммиака, фосфатные растворы, фосфитные растворы, растворы кальция, растворы карбоната, растворы магния и растворы силиката.
Индукторы осаждения аутигенного минерала
Как раскрывается в настоящей заявке, индукторы осаждения аутигенного минерала представляют собой растворы, содержащие, например, химические вещества, ионные соли, хелатирующие агенты, доноры электронов, акцепторы электронов или окислительно-восстановительные реагенты, которые индуцируют активность осаждения аутигенных минералов в бактериях, осаждающих аутигенный минерал. Например, в случае нитрат-зависимых Ре(П)-окисляющих бактерий, нитрат может служить в качестве индуктора, так как его
восстановление связано с окислением Fe(II) в бактериях, что приводит к осаждению оксидов (III).
Индукторы осаждения аутигенного минерала согласно настоящему изобретению подаются к бактериям, осаждающим аутигенные минералы, при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора предшественника аутигенного минерала в систему, содержащую скелет горной породы, согласно настоящему изобретению. В общем, условия будут зависеть от типа бактерий, присутствующих в системе, содержащей скелет горной породы, типа скелета горной породы, присутствующего в системе, и подповерхностных условий системы, содержащей скелет горной породы.
Примеры подходящих индукторов осаждения аутигенного минерала включают, но без ограничения к этому, нитрат, нитрит, закись азота, оксид азота, перхлорат, хлорат, хлорит, диоксид хлора, Fe(III), карбонат и кислород.
Бактерии, растворяющие аутигенные минералы
Другие объекты настоящего изобретения относятся к растворению аутигенных минералов, осажденных, осаждающие аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению. В общем, осажденный аутигенный минерал растворяется посредством обращения реакции, индуцированной бактериями, осаждающими аутигенные минералы. Предпочтительно, реакция осаждения аутигенного минерала обращается посредством бактерий, растворяющих аутигенные минералы.
Как раскрывается в настоящей заявке, бактерии, растворяющие аутигенный минерал, включают активность растворения аутигенного минерала, которая опосредована обратимой реакцией, индуцированной бактериями, осаждающими аутигенный минерал. Обратимая реакция может быть индуцирована в бактериях, растворяющих аутигенный минерал, посредством добавления индуктора растворения аутигенного минерала в систему, содержащую бактерии. В
определенных вариантах выполнения настоящего изобретения, обратимой реакцией, индуцированной бактериями, растворяющими аутигенные минералы, является окислительно-восстановительная реакция. Соответственно, бактерии, растворяющие аутигенный минерал, согласно настоящему изобретению могут обращать любую реакцию осаждения аутигенного минерала, индуцированную бактериями, осаждающими аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению.
Подходящие бактерии, растворяющие аутигенные минералы, включают как архебактерии, так и эубактерии. Более того, бактерии, растворяющие аутигенные минералы, могут включать аэробные бактерии или анаэробные бактерии, которые являются либо мезофильными, либо термофильными. Кроме того, бактерии, растворяющие аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению способны поддерживать метаболическую активность, которая растворяет осадки аутигенных минералов в подповерхностной окружающей среде системы, содержащие скелет горной породы, согласно настоящему изобретению.
Другие примеры подходящих бактерий, растворяющих аутигенные минералы, включают, но без ограничения к этому, бактерии, которые растворяют осадки железных руд, осадки фосфор-содержащих минералов, осадки кальций-содержащих минералов, осадки апатита, осадки карбонат аммония- содержащих минералов, осадки магний- содержащих минералов и осадки силикатных минералов. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения бактерии, растворяющие аутигенные минералы, выбираются из железо-восстанавливающих бактерий, перхлорат- восстанавливающих бактерий, хлорат-восстанавливающих бактерий, нитрат- восстанавливающих бактерий и кислота-продуцирующих бактерий.
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения бактерии, растворяющие аутигенные минералы, растворяют осадки аутигенных минералов посредством производства кислоты, которая в достаточной степени понижает значение рН системы, содержащей скелет горной породы, с растворением осадков
аутигенных минералов. Например, осадок аутигенного минерала может быть растворен при рН около 7.5, 7.0, 6.5, 6.0, 5.5, 5.0, 4.5, 4.0, 3.5, 3.0, 2.5, 2.0, или ниже.
Подходящие бактерии, растворяющие аутигенные минералы, могут включать, без ограничения к этому, род Proteobacterial, род Escherichia, род Shewanella, род Geobacter, род Desulfovibrio, род Desulfuromonas, род Pseudomonas, род Desulfotignum, род Dechlorobacter, род Pelobacter, род Firmicutal, род Thermincola, род Thermoterrabacterium, род Thermovenabulum, род Thermolithobacter, род Thermosinus, род Alicyclobacillus, род Anaerobranca, род Carboxydothermus, род Tepidimicrobium, род Alkaliphilus, род Clostridium, род Desulfitobacterium, род Desulfosporosinus, род Desulfotomaculum, род Sulfobacillus, род Bacillus, род Actinobacterial, род Acidimicrobium, род Cellulomonas, род Ferrithrix, род Ferromicrobium; род Acidobacterial, род Geothrix, род Archaeal и род Ferroglobus.
В одном неограничивающем примере было показано, что Fe(III)-восстанавливающие бактерии Thermincola potens штамм Ж могут восстанавливать нерастворимый Fe(III) до растворимого Fe(II) (смотрите, Wrighton et al, ^4да/. Eviron. Microbiol, 2011).
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения в способах согласно настоящему изобретению применяются бактерии, растворяющие аутигенный минерал, которые присущи система, содержащими скелет горной породы согласно настоящему изобретению. Однако в системах, где местная популяция бактерий, растворяющих аутигенный минерал, не достаточна для применения в способах согласно настоящему изобретению, экзогенные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, могут быть добавлены в систему. Например, экзогенные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, могут вводиться в подповерхностный скелет горной породы нефтяного пласта посредством добавления бульона культуры, содержащего экзогенные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, в нагнетательную скважину нефтяного пласта.
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения бактерии, растворяющие аутигенный минерал, добавляемые экзогенно, могут быть выделены из широкого многообразия окружающих сред, включая водные окружающие среды, наземные окружающие среды и подповерхностные окружающие среды. Мутанты и варианты таких выделенных бактерий, растворяющих аутигенный минерал, штаммы (родоначльные штаммы), которые имеют активность растворения аутигенных минералов, также могут применяться в заявленных способах. Чтобы получить такие мутанты, родоначальный штамм может быть обработан химическим веществом, таким как ТчГ-метил-ГЧ'-нитро-ГЧ-нитрозогуанидин, этилметансульфон, или посредством облучения с применением гамма-лучей, рентгеновских лучей или УФ-облучения, или посредством других средств, хорошо известных специалистам в данной области техники.
В других вариантах выполнения настоящего изобретения экзогенно добавленные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, могут быть модифицированы, например, посредством мутагенеза, как описано выше, для улучшения или усиления активности растворения аутигенных минералов. Например, железо-восстанавливающие бактерии могут быть модифицированы с усилением экспрессии эндогенных генов, которые могут положительно регулировать путь, участвующий в окислении железа. Один путь достижения этого усиления состоит в обеспечении дополнительных экзогенных копий таких генов положительной регуляции. Подобным образом, негативные регуляторы пути, которые являются эндогенным по отношению к клетке, могут быть удалены. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, гены в бактериях, растворяющих аутигенный минерал, кодирующие белки, участвующие в растворении аутигенных минералов, могут быть оптимизированы для улучшенной активности осаждения аутигенных минералов. Способы оптимизации генов хорошо известны в данной области техники и включают, но без ограничения к этому, введение точечных мутаций, делеций или гетерологичных последовательностей в ген.
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения экзогенно добавленные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, являются рекомбинантными бактериями, которые могут содержать по меньшей мере одну
модификацию, которая улучшает или усиливает активность растворения аутигенных минералов бактерий.
Индукторы растворения аутигенных минералов
Активность растворения аутигенных минералов бактерий, растворяющих аутигенный минерал, вводится посредством контакта бактерий с индуктором растворения аутигенных минералов при условиях, когда индуктор растворения аутигенных минералов индуцирует бактерии, растворяющие аутигенные минералы, к растворению осажденных аутигенных минералов. В вариантах выполнения настоящего изобретения, где система, содержащая скелет горной породы, представляет собой нефтяной пласт, индуктор растворения аутигенных минералов может вводиться в местные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, посредством добавления индуктора растворения аутигенных минералов в нагнетательную скважину.
В вариантах выполнения настоящего изобретения, где экзогенные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, добавляется в систему, содержащую скелет горной породы, индуктор растворения аутигенных минералов может быть добавлен в систему одновременно с бактериями. В других вариантах выполнения настоящего изобретения индуктор растворения аутигенных минералов добавляется после добавления бактерий.
Как раскрывается в настоящей заявке, индукторы растворения аутигенных минералов представляют собой растворы, содержащие, например, химические вещества, ионные соли, доноры электронов, акцепторы электронов или окислительно-восстановительные реагенты, которые индуцируют обратимую реакцию осаждения аутигенных минералов в бактериях, растворяющих аутигенные минералы.
Индукторы растворения аутигенных минералов согласно настоящему изобретению вводятся в бактерии, растворяющие аутигенный минерал, при
условиях, когда индуктор растворения аутигенных минералов индуцируют бактерии, растворяющие аутигенные минералы, к растворению осажденных аутигенных минералов в скелете горной породы системы, содержащей скелет горной породы, согласно настоящему изобретению. В общем, условия будут зависеть от типа бактерий, присутствующих в системе, содержащей скелет горной породы, типа скелета аутигенной горной породы, присутствующего в системе, и подповерхностных условий системы, содержащей скелет горной породы.
Примеры подходящих индукторов растворения аутигенных минералов включают, но без ограничения к этому, нитрат, нитрит, оксид азота, закись азота, перхлорат, хлорат, диоксид хлора Fe(III), карбонат, фосфат, фосфит, кислород, Н2, ацетат, пропионат, бутират, лактат, бензоат, цитрат, гексоза и фосфит.
Применения
Способы обратимого осаждения аутигенного минерала согласно настоящему изобретению находят применения в многообразии промышленных применений. Например, раскрытые способы обратимого осаждения аутигенных минералов находят свое применение в изменении гидрологии аутигенной горной породы изменении падения давления воды при затоплении нефтяного пласта, повышении добычи нефти из нефтяного пласта, формировании барьера в скелете горной породы, предотвращении загрязнений водоносного слоя и восстановлении загрязненных водоносных слоев.
В общем, вода сначала движется через каналы высокой пористости и не проникает в зоны низкой пористости. Как таковая, только небольшая фракция скелета горной породы вытисняется. При гомогенизации пористости горной породы, нагнетаемая вода может двигаться через все каналы с одинаковым распределением и, таким образом, была улучшена эффективность вытеснения, что повышает добычу нефти.
Как раскрывается в настоящей заявке, местные и/или эндогенно добавленные бактерии, осаждающие аутигенные минералы, могут применяться для уменьшения проницаемости каналов нагнетаемой воды посредством индицирования бактерий к осаждению аутигенных минералов, что изменяет гидрологию горной породы посредством гомогенизации пористости скелета горной породы. Эта гомогенизированная пористость скелета горной породы приводит к формированию каналов с низкой проницаемостью, что уменьшает падение давления воды и увеличивает добычу нефти посредством увеличения эффективности вытеснения нагнетаемой воды.
Соответственно, определенные объекты согласно настоящему изобретению обеспечивают способ изменения гидрологии горной породы посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, посредством: а) обеспечения системы, содержащей скелет горной породы, и бактерий, осаждающих аутигенный минерал; Ь) обеспечения композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакта системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенных минералов из раствора в скелет горной породы, где осажденные аутигенные минералы изменяют гидрологию горной породы. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения изменение гидрологии горной породы происходит через по меньшей мере 12 дней, по меньшей мере 11 дней, по меньшей мере 10 дней, по меньшей мере 9 дней, по меньшей мере 8 дней, по меньшей мере 7 дней, по меньшей мере 6 дней, по меньшей мере 5 дней, по меньшей мере 4 дня, по меньшей мере 2 дня, или менее после индицирования бактерий, осаждающих аутигенный минерал.
Другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу уменьшения падения давления воды нагнетаемой воды в нефтяном пласте посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, посредством: а) обеспечения системы, содержащей скелет горной породы, нагнетаемую воду и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечения композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор
осаждения аутигенного минерала; и с) контакта системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал уменьшает падение давления воды в нагнетаемой воде. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения уменьшение давления воды происходит через по меньшей мере 12 дней, по меньшей мере 11 дней, по меньшей мере 10 дней, по меньшей мере 9 дней, по меньшей мере 8 дней, по меньшей мере 7 дней, по меньшей мере 6 дней, по меньшей мере 5 дней, по меньшей мере 4 дня, по меньшей мере 2 дня, или менее после индукции бактерий, осаждающих аутигенный минерал. В других вариантах выполнения настоящего изобретения падение в давлении воды уменьшается на по меньшей мере 5%, по меньшей мере 10%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 45%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 55%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 65%, по меньшей мере 70%, по меньшей мере 75%, по меньшей мере 80%, по меньшей мере 85%, по меньшей мере 90%, по меньшей мере 95%, по меньшей мере 100%, по меньшей мере 200%, по меньшей мере 300%, по меньшей мере 400%, по меньшей мере 500%, или блее процентов по сравнению с падением давления воды нагнетаемой воды в нефтяном пласте системы, содержащей скелет горной породы, нагнетаемую воду и бактерии, осаждающие аутигенный минерал, где бактерии не контактируют с композицией, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, осаждение аутигенного минерала может быть обратимо посредством индукции местных и/или экзогенно добавленных бактерий, растворяющих аутигенный минерал, индуктором растворения аутигенных минералов к удалению заглушек каналов нагнетания воды, причем давление воды нагнетаемой воды сразу начинает увеличиваться. Способ индукции бактерий, осаждающих аутигенные минералы, к осаждению аутигенного минерала может затем быть повторен для изменения гидрологии горной породы в другой области системы.
Кроме того, способы согласно настоящему изобретению могут также применяться для создания барьеров из аутигенных минералов в необъединенных скелетах в
системах, содержащих необъединенный скелет, как например нефтяные пласты, для усиления характеристик потока воды и создания предусмотренного падения давления. Соответственно, определенные варианты выполнения настоящего изобретения согласно настоящему изобретению обеспечивают способ усиления потока воды в системе, содержащей необъединенный скелет посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, посредством: а) осаждения системы, содержащей необъединенный скелет и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечения композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакта системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в необъединенный скелет, где осажденный аутигенный минерал изменяет гидрологию нагнетаемой воды, усиливая поток воды.
Другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу повышения добычи нефти из нефтяного пласта посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, посредством: а) обеспечения системы нефтяного пласта, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечения композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакта системы с композицией при условиях, где индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал изменяет гидрологию нагнетаемой воды, таким образом повышая добычу нефти. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения повышение добычи нефти происходит через по меньшей мере 12 дней, по меньшей мере 11 дней, по меньшей мере 10 дней, по меньшей мере 9 дней, по меньшей мере 8 дней, по меньшей мере 7 дней, по меньшей мере 6 дней, по меньшей мере 5 дней, по меньшей мере 4 дня, по меньшей мере 2 дня или менее после индукции бактерий, осаждающих аутигенный минерал. В других вариантах выполнения настоящего изобретения добыча нефти повышается на по меньшей мере 5%, по меньшей мере 10%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей
мере 45%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 55%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 65%, по меньшей мере 70%, по меньшей мере 75%, по меньшей мере 80%, по меньшей мере 85%, по меньшей мере 90%, по меньшей мере 95%, по меньшей мере 100%, по меньшей мере 200%, по меньшей мере 300%, по меньшей мере 400%, по меньшей мере 500%, или более процентов по сравнению с количеством добычи нефти из нефтяного пласта, содержащего скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал, где бактерии не контактируют с раствором предшественника аутигенного минерала и индуктором осаждения аутигенного минерала. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, осаждение аутигенного минерала может быть обратимо посредством индукции местных и/или эндогенно добавленных бактерий, растворяющих аутигенный минерал, индуктором растворения аутигенных минералов с удалением заглушки каналов нагнетания вода, причем добыча нефти сразу увеличивается. Процесс индукции бактерий, осаждающих аутигенные минералы, к осаждению аутигенных минералов, может затем повторятся с изменением гидрологии горной породы в другой области нефтяного пласта.
Как раскрывается в настоящей заявке, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, согласно настоящему изобретению могут далее применяться для создания барьера аутигенного минерала в системе, содержащей скелет горной породы, с, например, изоляцией С02, изоляцией загрязнений, включением потока загрязнений, и формирования барьера с созданием реакционного сосуда для подземного СО2. Соответственно, определенные объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу формирования барьера посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, посредством: а) обеспечения системы, содержащей скелет горной породы, материалы скелета горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакта системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал формирует барьер, и где барьер уменьшает поток материалов горной породы через скелет горной породы. В некоторых вариантах
выполнения настоящего изобретения материалы горной породы содержат СО2. В других вариантах выполнения настоящего изобретения материалы горной породы содержат один или более загрязнителей, включая, но без ограничения к этому, радиоактивные загрязнения, радиоактивные отходы, тяжелые металлы, галогенированные растворители, пестициды, гербициды и красители.
В других вариантах выполнения настоящего изобретения, бактерии, осаждающие аутигенные минералы, могут применяться для создания барьера из аутигенного минерала в водной системе для предотвращения загрязнения источника грунтовых вод или ограничения подвижности загрязняющих соединений в водоносный слой. Таким образом, другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу предотвращения загрязнения водоносного слоя посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, посредством: а) обеспечения водоносного слоя, содержащего скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечения композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакта системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, таким образом предотвращая загрязнение водоносного слоя.
Кроме того, в вариантах выполнения настоящего изобретения, где бактерии, осаждающие аутигенные минералы, осаждают железо-содержащие минералы, эти бактерии могут применяться для восстановления водоносных слоев, загрязненных растворимыми тяжелыми металлами, так как осажденный железо-содержащий минерал может связываться с тяжелыми металлами и осаждать их из водоносного слоя. Соответственно, другие объекты согласно настоящему изобретению относятся к способу восстановления загрязненного водоносного слоя посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, посредством: а) обеспечения водоносного слоя, содержащего скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал; Ь) обеспечения композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и с) контакта системы с композицией при условиях, когда индуктор
индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, таким образом, восстанавливая загрязненный водоносный слой.
Следующие примеры предназначены для иллюстрации приведенных вариантов выполнения настоящего изобретения и не ограничивают объем настоящего изобретения.
Примеры
Микробиологически усиленное извлечение сжиженных нефтепродуктов (MEHR) обеспечивает преимущества, состоящие в том, что различные микробные метаболизмы увеличивают сжиженные нефтепродукты и выход энергии посредством увеличения потока нефти и вытеснения нагнетаемой воды в пласте в ходе третичной добычи. В приведенных примерах описывается уникальный подход изменения гидрологии и улучшения эффективности вытеснения нагнетаемой воды посредством микробиологического получения осадков аутигенной горной породы. Многие микробиологические процессы, как хорошо известно, участвуют в осаждении твердофазного минерала, который может благоразумно применяться для гомогенизации пористости скелета горной породы с последующим изменением и улучшением вытеснения нагнетаемой воды. Однако на сегодняшний день было лишь немного исследовано применение этих событий осаждения для MEHR стратегий. Такие процессы могут быть опосредованы микроорганизмами, такими как нитрат-зависимые Fe(II)-окисляющие бактерии, которые могут осаждать твердофазные железные руды в результате метаболизма растворимого Fe2+' 1'2. Эти микроорганизмы способны изменять валентное состояние добавленного растворимого двухвалентного железа [Fe(II)] осаждая нерастворимые железные руды [Fe(III)], что может привести к сокращению пор и уменьшению критического диаметра пор. Альтернативно, Ре(П)-окисляющие организмы могут окислять Fe(II) составляющую природной минеральной фазы Fe(II) в скелетах горной породы, таким образом изменяя первоначальную структуру минерала, приводя к
выветриванию горной породы и биогенезу минерала. Предшествующие исследования этих микроорганизмов показали их вездесущность и активность как в экстремальных, так и в умеренных окружающих средах, и многие примеры чистой культуры также доступны. Дополнительные механизмы осаждения аутигенного минерала также могут включать биогенез фосфоритов, который может происходить посредством стимуляции высоких скоростей микробиологического разрушения органических фосфоритов, с высвобождением растворимых реакционноактивных неорганических фосфатов. Такие аутигенные реакции, как хорошо известно, являются важными процессами в морских окружающих средах благодаря высоким концентрациям реакционноактивного кальция в морской воде подобно обнаруживаемым во многих нефтяных пластах. Альтернативно, трехвалентный фосфор и биогенно сформированный диоксид углерода могут реагировать с формированием апатитных минералов, таких как карбонат фторапатит [Cal0(PO4,CO3)6F2].
Микробные загрязнители, как хорошо известно, опосредуют геохимический цикл железа в водных, наземных и подповерхностных экосистемах. Так как железо является четвертым наиболее распространенным элементом в земной коре, окислительно-восстановительные реакции железа имеют потенциал к оказанию значительного влияния на глобальную геохимию, приводя к минерализации органического вещества, растворению минерала и выветриванию, образованию геологически значимых минералов и мобилизации и иммобилизации различных
3 4
анионов и катионов, включая загрязнители ' . Растворимость и реакционноактивность железа особенно важны для рН окружающей среды. Растворимость формы трехвалентного железа [Fe(III)] обратно пропорционально значениям кислотного рН и ниже значения рН 4.0, Fe(III) прежде всего существует в виде водного ионного Fe3+ вида 5. При нейтральном рН, ~рН 7, и более высоких значения рН, таких как обычно обнаруживаемые в нефтяных пластах, железо прежде всего существует в виде нерастворимых, твердофазных минералов в виде окисленного состояния 4 двухвалентного железа [Fe(II)] и трехвалентного железа [Fe(III).
Микробиологически канализируемые окислительно-восстановительные реакции между Fe(II) и Fe(III) валентными состояниями играют фундаментальную роль в современной биогеохимии окружающей среды как в кислородных, так и в бескислородных зонах водных, наземных и подповерхностных экосистемах с от низкого до повышенного уровней рН. Роль микробиологически катализируемого восстановления Fe(III) при сульфидогенном осаждении окружающих сред при нейтральном рН хорошо установлена 6-8. Однако только в последнем десятилетии было обнаружено, что микробиологическое окисление Fe(II) вносит вклад в окислительно-восстановительный цикл железа, но только в кислородных окружающих средах, а также в окружающих средах, обедненных молекулярным кислородом (О2) 9'10.
Пример 1: Окислительно-восстановительный цикл железа при нейтральном рН: Роль микробиологического окисления Fe(II)
Абиотическое окисление Fe(II)
Перенос Fe(II)aq через бескислотные/кислотные зоны перехода окружающей среды посредством механизмов диффузии или активного транспорта и последующей быстрой абиотической реакции с растворенным О2, было описано как возможный механизм повторного окисления Fe(II) в естественной окружающей среде 12. Бескислородные окислительно-восстановительные процессы могут также вносить вклад в биогеохимический цикл железа при нейтральном рН посредством абиотических реакций с окисленным марганцем [Mn(IV)] 13'14, или оксианионами азота [нитрат (NO3) или нитрит (NO2")] 5'15"18. Абиотическая реакция Fe(II) с нитратом может происходить посредством нескольких механизмов. При высоких температурах (75°С) окисление Fe(II), связанное с восстановлением нитрата до аммония (NH4+), происходит спонтанно 19. Альтернативно, при более низких температурах, Fe(II) составляющая высоко реакционноактивных кристаллических железных руд со смешанной валентностью, таких как зеленая ржавчина, будет абиотически реагировать с нитратом с формированием магнетита и аммиака в качестве единственных
конечных продуктов . Реакция между Fe(II) и нитратом может быть усилена
2+, 16,20
посредством катализа рассеянными металлами, такими как Си , посредством ХИМИИ поверхностных реакций на поверхностях кристаллического оксида железа (лепидокрокит и гетит) при повышенных рН (> 8.0) 18, или посредством реакции с осадками оксида Fe(III), образованными в ходе растворения силиката железа 21. Однако, относительно экстремальные специфические условия требуются {т.е., высокая температура, высокое рН, или посредством реакции с катализаторами) для абиотического окисления Fe(II), связанно с восстановлением NO3", что показывает, что эти реакции могут не быть доминантными окислительными механизмами в типичных нейтральных окружающих средах. Альтернативно, нитрит, полученный в качестве промежуточного соединения или конечного продукта органотрофного восстановления или нитрификации NO3", также может химически окислять Fe(II) 13. За исключением NO2", реакции абиотического окисления Fe(II) окисленным видом азота считаются относительно незначительными при геохимических условиях в соответствии с типичными обогащенными железом осадочными окружающими средами при нейтральном рН
22,23
Биологическое окисление Fe(II)
В отличие от абиотического окисления Fe(II), недавние исследования показали, что биологические реакции могут вносить существенный вклад в окисление Fe(II) в окружающей среде. Хотя количественная роль аэробных окислительных биологических механизмов не была установлена 24'25, недавние исследования продемонстрировали, что бактерии в зонах низкого давления кислорода {т.е., микроаэрофильные) способны конкурировать с абиотическими реакциями, связывая окисление Fe(II) с аэробным дыханием 26-28. Конечные продукты этих метаболизмов создают нерастворимые слабо кристаллические биогенные оксиды Fe(III), которые осаждаются из раствора 25'29. В отличие от первых нейтрофильных аэробных железо-окисляющих бактерий, Gallionella ferruginea, описанные почти сто лет назад 30'31, анаэробное биоокисление Fe(II) было только недавно идентифицировано, и необходимо дополнительно исследование для определения степени вездесущности и многообразия организмов, способных к
этому метаболизму 9'10'32 Идентификация свето-зависимых фотоавтотрофных, анаэробных железо-окисляющих бактерий показала важную роль микробиологически катализируемого Fe(II) окисления в бескислоордных окружающих средах 9. В фотической зоне, Fe(II) -окисляющие фототрофные бактерии способны окислять Fe(II), создавая оксиды Fe(III), включая минералы с фазами смешанной валентности, как например магнетит 33. Последующая идентификация нитрата, служащего в качестве терминального акцептора электронов для свето-зависимых железо-окисляющих метаболитов 10, закрыла пропуски в окислительно-восстановительном цикле железа. В бескислородных окружающих средах, микробиологическое окисление Fe(II), связанное с восстановлением нитрата, перхлората и хлората, было продемонстрировано 10'32. Недавние исследования, показывающие вездесущность и многообразие этих анаэробных Ре(П)-окисляющих микроорганизмов (FOM), позволили полагать, что эти метаболические, свето-независиые реакции, такие как нитрат-зависимое окисление Fe(II), вносят потенциальный вклад в бескислородные окислительные процессы Fe(II) в глобальном масштабе, при условии что адекватные концентрации акцептора электронов легко доступны 34. Эти FOM способны к
23 35 37
окислению твердофазного Fe(II) ' " , а также Fe(II), связанного со структуральным железом в минералах, таких как альмандин, алюмосиликат
35 38 39
железа ' ' , обеспечивая аморфные и кристаллические минералы оксида Fe(III). Образование этих биогенно сформированных оксидов Fe(III) может служить в качестве акцептора электронов для Ре(Ш)-восстанавливающих микроорганизмов,
г г 40-42
сохраняя динамичный микробиологически-опосредованный цикл Fe в дополнение к биогеохимии земли и осадочных отложений, минералогии и иммобилизации тяжелых металлов и радионуклеотидов 23> 35'42'43
Пример 2: эффекты железных руд на подвижность металла
Оксиды (гидроксиды) железа могут быть как абиотически, так и биогенно сформированы посредством окисления Fe(II) при нейтральном рН. Абиотическое окисление растворимого Fe(II)aq может быть опосредовано реакцией с окисленным видом марганца [Mn(IV)] или диффузией Fe(II) в кислородной окружающей среде после реакции с молекулярным кислородом (О2).
Биологическое окисление Fe(II) и образование оксидов (гидроксидов) железа могут косвенно опосредоваться бентической биотурбацией макрофитами и макрофауной, приводя к смешению частиц и аэрации, вызывая последующее окисление Fe(II)44"49. Альтернативно, биогенное образование оксида (гидроксида) железа может прямо опосредоваться активностью либо аэробных, либо анаэробных микроорганизмов2. Микроаэрофильные Ре(П)-окисляющие бактерии способны конкурировать с кинетикой абиотического окисления между О2 и Fe(II), и связывают этот метаболизм с ростом 26'50"53 Альтернативно, анаэробное Fe(II) биоокисление респираторными или фототрофными микроорганизмами может представлять собой первичный путь биологического образования оксида (гидроксида) железа во многих окружающих средах 2> 9> 10> 35> 36^ непосредственно влияющий на биогеохимию земли и осадочных отложений, минералогию и иммобилизацию тяжелых металлов и радионуклеотидов в отсутствии кислорода
35,54-56
Тогда как фототрофное окисление Fe(II) вероятно важно в окружающих средах с подходящим проникновением света, оно может преобладать в почвах и водных системах. Напротив, хемотрофные Ре(П)-окисляющие бактерии, как было показано, являются местными в анаэробных почвах и осадочных окружающих средах 2'56'57 Эти организмы продуцируют широкий ряд нерастворимых форм железа в качестве конечных продуктов, включая аморфные гидратированные оксиды Fe(III) и железные руды смешанной валентности, как например зеленая ржавчина, маггемит и магнетит 2'35'36 Эти железные руды представляют собой первичное вместилище тяжелых металлов и металлоидов в осадочных окружающих средах, и они контролируют концентрации растворимых металлов, включая уран, хром и кобальт, в нейтральных водах через адсорбцию и совместное осаждение 55> 58'59 Абиотические исследования показали, что металлы, такие как кобальт, хром, кадмий, свинец, уран и радий, быстро адсорбируются
55,58,60-62 г
железными рудами , и некоторые из этих металлов с более низким ионным
радиусом (например, Со2+, Cd2+) встраиваются в структуру оксида Fe(III), так как он кристаллизуется со временем. Эти металлы становятся тесно связанными с кристаллом оксида Fe(III)58 и, таким образом, перманентно иммобилизуются. Наши предшествующие исследования показали, что металлы, такие как кобальт,
кадмий и уран также быстро адсорбируются биогенными гидратированными оксидами железа, полученными посредством активности нитрат-зависимых Fe(II)-окисляющих бактерий (Фиг. 2). В этих исследованиях микроорганизмы продуцировали минералы Fe(II)-Fe(III) со смешанной валентностью, которые быстро кристаллизовались со временем 55. В случае U(VI), он предпочтительно связывается (> 80%) с наиболее кристаллической фазой и формирует стабильные нерастворимые бидентантные и тридентатные внутрисферные комплексы 55. Как таковые, эти нормально растворимые металлы становятся тесно связанными в наиболее стабильной форме железной руды и перманентно иммобилизуются.
Пример 3: Биогеохимия окисления Fe(II)
При значения рН равных или выше нейтрального (~рН 7), железо окружающей среды существует прежде всего в виде нерастворимых твердофазных минералов в двухвалентных [Fe(II)] или трехвалентных [Fe(III)] состояниях окисления 4. Растворимость железа повышается с уменьшением значений рН5, и при значении ниже рН 4.0 Fe(II) прежде всего существует в водной форме, даже в присутствии кислорода. Биогеохимическая роль Fe-окисляющих микроорганизмов в кислотных окружающих средах была хорошо установлена 63. Подобным образом, при нейтральном значении рН, микробиологический окислительно-восстановительный цикл Fe может значительно влиять на геохимию гидроморфных почв и осадков, приводя к образованию геологически значимых минералов, выветриванию минералов и иммобилизации различных анионов и катионов 4> 35> 55 jЈaK таковой, микробиологический окислительно-восстановительных переход между валентными состояниями Fe(II) и Fe(III), как сейчас обнаружено, играет фундаментальную роль в биогеохимии земли и осадочных отложений глобального базиса.
Тогда как аэробное микробиологическое окисление Fe(II) было известно десятилетия, идентификация анаэробного биоокисления Fe(II) в 1993 закрыла пробелы в окислительно-восстановительном цикле железа2'9'10. Кроме того, было продемонстрировано, что анаэробные Ре(П)-окисляющие микроорганизмы
являются местными и были идентифицированы в большом многообразии
65 о
окружающих сред . В дополнение к его значению в новых окружающих средах, анаэробное микробиологическое окисление Fe(II), как предполагается, развивалось как первый респираторный механизм на Земле, способствуя осаждению минералов оксида железа, включая маггемит и магнетит, до того как
9 35 66 67
О2 был доступен в Ре(П)-богатой докембрийской окружающей среде ' ' ' . Различные исследования показали, что Fe(II) в общем окисляется до осадка в виде нерастворимого аморфного оксида Fe(III) посредством активности этих микроорганизмов 36'68'69з которые со временем образуют более кристаллический
35 36 55 68 69
вид ' ' ' ' . Аморфный Ре(Ш)-оксид [Fe203.H20(am)], или ферригидрит, часто применяется для изучения адсорбции рассеянных металлов, потому что он является однородным материалом с хорошо известными поверхностными способами, то есть легко воспроизводится 58. Он является представителем оксидов металлов в существующих окружающих средах и является предшественником многих природных форм кристаллических оксидов Fe(III), таких как гетит и гематит 70-72. Металлы, такие как свинец и радий быстро адсорбируются этой формой железа 55> 58> 60> 61 Наши предшествующие исследования показали, что тяжелые металлы и радионуклеотиды быстро адсорбируются и иммобилизуются биогенными гидратированными оксидами железа, полученными посредством Ре(П)-окисляющих бактерий55.
Пример 4: Анаэробные Ре(П)-окисляющие микроорганизмы
Открытие фотоавтотрофного анаэробного Fe(II) окисления в 1993 было сначала продемонстрировано на микробиологически опосредованном окислении Fe(II) в бескислордных окружающих средах 9. Ре(П)-окисляющие микроорганизмы участвовали в этом процессе окисления растворимого Fe(II), применяя энергию света для фиксации СО2 в биомассе. Хотя фототрофные Ре(П)-окисляющие микроорганизмы в домене бактерий являются филогенетически обратимыми, включая Chlorobium ferrooxidans, Rhodovulum robiginosum, Rhodomicrobium vannielii, Thiodiction sp., Rhodopseudomonas palustris, и Rhodovulum sp., влияние этого метаболизма в нейтральных наземных окружающих средах ограничено максимальным проникновением света на глубину 200 мм в почве и осадочных
отложениях . Кроме того, недавние исследования показывают, что фототрофные Ре(П)-окисляющие микроорганизмы не способны способствовать растворению минерала Fe(II) и ограничиваются минеральной растворимостью74. Поэтому, влияние этого микробиологического процесса на окислительно-восстановительный цикл железа, выветривание минералов имеет вероятно малозначительные последствия в наземных и осадочных окружающих средах.
Напротив, хемолитотрофное анаэробное окисление Fe(II) не ограничивается окружающими средами, на которые воздействует свет. При нейтральном рН, свето-независимо микробиологически опосредованное окисление как растворимого, так и нерастворимого Fe(II), связанное с восстановлением нитрата, было продемонстрировано в многообразии пресной воды и соляных окружающих сред, включая почву рисовых полей, пруд, реку, канал, лагуну с солоноватой водой, озеро, заболоченное место, водоносный слой, гидротермальные и глубокие морские осадочные породы 10> 35> 53> 54> 56> 57> 66> 75-79 зти системы окружающих сред обогащены нитрат-зависимыми Ре(П)-окисляющими микробиологическими системами порядка 1x103 - 5x108 клеток/г осадочной породы 65. Исследования исчисления наиболее вероятного числа (MPN) с применением поверхностных осадочных пород и образцов грунтовой воды показало подобные размеры популяции анаэробных нитрат-зависимых Ре(П)-окисляющих организмов порядка 0-2.4x103 клеток.см"3 (Фиг. 3).
Исследования измерения MPN осуществлялись посредством серийного разбавления 1г осадочной породы из каждого интервала пробы осадочной породы трижды в 9 мл бескислородного (80:20 N2:C02 головное пространство) бикарбонатно буферизированной базальной среды пресной воды (рН 6.8) и содержащей 5 мМ нитрат и 0.1 мМ ацетат в качестве акцептора электронов и дополнительный источник углерода, соответственно. Хлорид железа добавили в качестве донора электронов из бескислородного (100% N2 атмосфера), стерилизованного фильтром (0.22 мкл стерильной мембраны полиамидного фильтра) сток-раствора (1 М) с достижением конечной концентрации 10 мМ. После добавления 1 г осадочной породы, пирофосфат натрия (конечная концентрация, 0.1%) добавлялся в суспензию осадочной породы, которую
равномерно перемешивали при комнатной температуре в течение 1часа. Суспензию осадочной породы затем серийно разбавили в базальной среде, полученной как описано выше. Через 8 недель инкубации в темноте при 30°С, пробирки положительные на окисление железа идентифицировали посредством присутствия коричневато-красного или коричневато-зеленого осадка. Most Probable Number Calculator version 4.05 (Albert J. Klee, Risk Reduction Engineering Laboratory, U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, Ohio, 1996; свободный доступ на сайте ЕРА) применялся для оценки нитрат-зависимой Fe(II)-окисляющей микробиологической группы и вычисления доверительных границ.
Анаэробные Ее(П)-окисляющие микроорганизмы, как было показано, применяют
благоприятную термодинамику между Fe(OH3)/Fe(II) и окислительно-
восстановительными парами восстановления нитрата
(NO37V2N2, N03"/N02", N03"/NH4+)10'57'66'68, а также перхлората (С1047СГ), и
хлората (СЮзУСГ)68. В общем, нитрит (MV) и газ азот (N2) рассматриваются как
10,35,66
единственные конечные продукты восстановления нитрата . Однако это
может происходить не всегда, так как недавно было продемонстрировано, нитрат-зависимые Fe(II) окисление модельным Ре(Ш)-восстанавливающим организмом Geobacter metallireducens приводит к продуцированию аммония 56.
Как показано на Фиг. 4, нитрат-зависимые Fe(II) окисляющие микроорганизмы являются филогенетически различными с представителями как среди архебактерий, так и среди бактерий. В отличие от филогенетического дерева, как показано на Фиг. 4, генные последовательности 16s pPFIK доступного качества выравнивали с помощью MUSCLE (Edgar, 2004), и филогенетика вычислялась с помощью MrBayes 3.2 (Ronquist and Huelsenbeck, 2003). Масштабная линейка на Фиг.4 показывает изменения 0.2 на положение.
Эти изоляты также являются физиологически разнообразными и представляют ряд оптимальных условий термального роста от психрофильных через мезофильные до гипертермофильных 65. Вездесущность и многообразие этих
организмов позволяет предположить, что нитрат-зависимое Fe(II) окисление является важным метаболизмом в глобальном масштабе.
Хотя некоторые вездесущие в окружающих средах и филогенетически многообразные мезофилы были описаны как способные к нитрат-зависимому Fe(II) окислению65, в большинстве случаев, рост, как было показано, не связан с этим метаболизмом или не был показан в отсутствии дополнительного донора электронов или органического углерода в качестве источника энергии при нейтральном рН10'35'68'79. Для того, чтобы идентифицировать дополнительные известные мезофилы, которые могут расти посредством этого метаболизма, мы разработали простой пластинчатый метод наложения для обогащения и выделения Ре(П)-окисляющих организмов. В этой методике, образцы нанесли на R2A агаровые пластины (Difco catalog no. 218263), неопределенные низкопитательные среды, и добавили 10 мМ нитрата в анаэробную сумку (95:5 N2:H2 атмосфера). Пластины инкубировали в анаэростате при 30°С в течение 120 часов для развития гетеротрофной колонии. Внешний слой Fe(II) (5 мл R2A агара, содержащего 2 мМ FeCb) наливали на каждую пластину после развития колонии, и инкубация имеет место в бескислородной атмосфере. Колонии, которые показывают окисление Fe(II), как показано развитием коричневато-красных осадков оксида Fe(III), отбирались и переносились в бескислородную буферизированную бикарбонатом базальную среду пресной воды, содержащую 10 мМ нитрата, 10 мМ Fe(II) и 0.1 мМ ацетата. Через 1 неделю инкубации в темноте при 30°С, положительные культуры переносили в свежую бескислородную бикарбонат-буфферизованную базальную среду, содержащую 10 мМ Fe(II) и 5 мМ нитрата с СО2 в качестве единственного источника углерода.
Применяя этот пластинчатый метод наложения были выделены две новые бактерии Diaphorobacter sp. штамм TPSY и Pseudogulbenkiania sp. штамм 2002.
Diaphorobacter sp. TPSY штамм является членом подкласса бета Proteobacteria, тесно связанным с Diaphorobacter nitroreducens в семействе Comamonadaceae. Более того, Diaphorobacter sp. TPSY штамм является первым примером
анаэробного Ре(П)-окислителя из этого семейства. Этот организм, как было показано, миксотрофно растет с Fe(II) в качестве донора электронов, ацетатом (0.1 мМ) в качестве источника углерода, и нитратом в качестве единственного акцептора электронов (Фиг. 5).
Pseudogulbenkiania sp. штамм 2002 является членом недавно описанного рода, Pseudogulbenkiania, бета класса Proteobacteria80. Его характеристики полностью совпадают с Chromobacterium violaceum, известным HCN-продуцирующим патогеном. В отличие от С. violaceum, Pseudogulbenkiania str. 2002 является неферментативным и не продуцирует свободный цианид (CN-) или пурпурные/фиолетовые пигменты, показывающие продуцирование виолацеина, характеристика рода Chromobacterium. Хотя при тестировании, С. violaceum были способны к окислению Fe(II), связанному с неполным восстановлением нитрата (нитрат в нитрит), но не способны к росту посредством этого метаболизма 57.
Напротив, Pseudogulbenkiania str. 2002, как бвло показано, легко растет посредством нитрат-зависимого окисления Fe(II) (Фиг. 6). Кроме того, в дополнение к его способности миксотрофно расти на Fe(II) с ацетатом в качестве источника углерода, Pseudogulbenkiania str. 2002 также были способны к литоавтотрофному росту на Fe(II) с СО2 в качестве единственного источника углерода (Фиг. б)57.
Клетки Pseudogulbenkiania str. 2002, анаэробно выращенные на ацетате (10 мМ) и нитрате (10 мМ), собирали посредством центрифугирования (6,000 г, 10 минут), дважды промыли анаэробным (100% N2 атмосфера) PIPES [nHnea3HH-N,N'-6nc(2-этансульфоновая кислота)] буфером (10 мМ, рН 7.0), и ресуспендировали для использования в качестве инокулята для неростовых экспериментов. Суспензия промытых клеток С. violaceum была получена с клетками, выращенными анаэробно (100% N2 атмосфера) на питательном бульоне, глюкоза (10 мМ) и нитрат (5 мМ).
Полученные суспензии промытых клеток (штамм 2002 или С. violaceum) добавляли к анаэробному PIPES (10 мМ, рН 7.0) буферу с добавлением Fe(II) (10 мМ) в качестве единственного донора электронов и нитрат (4 мМ или 2.5 мМ) или нитрит (2.5 мМ) в качестве акцептора электронов. Убитые теплом контроли получили посредством пастеризации (80°С, 10 мин) инокулята в горячей водяной бане. Все инкубации клеточных суспензий осуществляли при 30°С в темноте, и образцы собрали для контроля концентраций Fe(II), нитрата и нитрита.
Рост Pseudogulbenkiania str. 2002 при нитрат-зависимых Ре(П)-окисляющих условиях проверяли в базальной среде пресной воды, содержащей 10 мМ Fe(II) и 2.2 мМ нитрата с или без добавления 0.1 мМ ацетата. Базальная среда пресной воды, содержащая 2.2 мМ нитрата без источника Fe(II) служила в качестве отрицательного контроля. Инокулят штамма 2002 рос при гетеротрофных восстанавливающих нитрат условиях в среде, стехиометрически сбалансированной для нитрата (10 мМ) и ацетата (6.25 мМ), чтобы исключить перенос эквивалентов восстановления [Fe(II)] в отрицательный контроль.
Соединение углерода, требуемое для роста Pseudogulbenkiania str. 2002 при условиях нитрат-зависимого Ре(П)-окисления, было определено посредством инокуляции анаэробной, СОг-свободной (100% N2 атмосфера), PIPES-буферизованной (20 мМ, рН 7.0) культуральной среды, содержащей 1 мМ Fe(II)-нитрилтрехуксусной кислоты (NTA) и 0.25 мМ нитрата с или без улучшения источником углерода (1.0 мМ НСОЗ" или 0.5 мМ ацетата). Штамм 2002 рос, как описано выше, в анаэробной, PIPES-буферизованной культуральной среде. Головное пространство инокулята асептически орошалось в течение 15 минут 100% N2 для удаления СОг непосредственно перед началом эксперимента.
Способность Pseudogulbenkiania str. 2002 ассимилировать СОг в биомассу была оценена посредством добавления в культуральную среду нитрат-зависимого Ре(П)-окисления (базальная PIPES-буферизированная среда пресной воды, 5 мМ FeC12, 2 мМ нитрата, 1 мМ бикарбоната; 100% Не атмосфера) с Н14СОз" (конечная концентрация, 1 мкмоль). Rhodospirillum rubrum, выращенные
фотолитоавтотрофно в бескислородной атмосфере (50:50 Не:Н2 атмосфера), служили в качестве положительной контрольной культуры. Культуры в трех экземплярах инкубировались статически в темноте в течение 60 часов. Подобразец (5 ил) был сконцентрирован до конечного объема 0.5 мл посредством центрифугирования (6,000 г, 10 минут). Клеточный экстракт получили из сконцентрированного образца посредством трех импульсов по 30 секунд в шариковой мельнице (Mini-Bead-Beater-8; Biospec Products, Bartlesville, OK) с шариками диоксида кремния 0.1-мм (Lysing Matrix В, Qbiogene продукт № 6911100). Лизат охлаждали в ледяной бане в течение 1 минуты после каждого импульса. Образец затем центрифугировали (10,000 г, 10 минут) для удаления нерастворимого клеточного дебриса, и растворимый клеточный экстракт взяли, чтобы определить концентрацию белка и 14С-меченное содержимое.
Замещение N2 в головном пространстве Fe(II) окисляющих культур на Не не повысило выход клеток. Нормализация выхода клеток на перенесенный электрон, показала, что выход клеток в ходе аутотрофного роста (1.45х10"п клеток мл"1 на перенесенный электрон) составлял около 63% относительно миксотрофно го роста (Ре(П)-окисление 0.25 мМ ацетата в качестве источника углерода) (2.3 хЮ"11 клеток мл"1 на перенесенный электрон)57. На сегодняшний день, аутотрофный рост в условиях нитрат-зависимого окисления Fe(II) был продемонстрирован только в одном другом организме; hyperthermophilic archaeon, Ferroglobus placidus66. Как таковой, Pseudogulbenkiania str. 2002 является первым мезофильным аутотрофным нитрат-зависимым окислителем Fe(II) проточной воды, как описано для чистой культуры.
A. suillum легко окисляли (10 мМ) Fe(II) в форме FeCb с нитратом в качестве акцептора электронов при строгих анаэробных условиях (Фиг. 7). С 10 мМ ацетата в качестве сосубстрата, более 70% добавленного железа было окислено в течение 7 дней. Fe(II) не окислялся в отсутствии клеток, или если нитрат был исключен (данные не показаны). Окисление Fe(II) инициировалось после завершения минерализации ацетата до СО2, и рост не был связан с этим метаболизмом. Восстановление нитрата конкурировало с окислением Fe(II) в ходе инкубации, и окисление 4.2 мМ Fe(II) приводило к восстановлению 0.8 мМ
нитрата, что составляет 95% от теоретической стехиометрии восстановления нитрата, связанного с окислением Fe(II) согласно уравнению.
Тогда как A. suillum быстро окисляет Fe(II) в культурах бескислородного роста с нитратом в качестве акцептора электронов и Fe(II) в качестве единственного донора электронов, повышение плотности клеток не наблюдалось в ходе инкубации, показывая что организмы не росли посредством этого метаболизма 35'36. Когда ацетат добавляется в качестве дополнительно источника углерода и энергии, плотность клеток усиливала конкуренцию с окислением ацетата. Окисление Fe(II) происходило после истощения ацетата, и культура обогащала неподвижную фазу (Фиг. 7). Восстановление нитрата конкурировало с окислением Fe(II) посредством инкубации (Фиг. 7), и окисление 4.2 мМ Fe(II) привело к восстановлению 0.8 мМ нитрата, что составляет 95% от теоретической стехиометрии восстановления нитрата, связанного с окислением Fe(II) согласно Формуле (I):
10Fe2+ + 12Н+ + 2N03" D 10Fe3+ + N2 + 6Н20
Хотя перхлорат и хлорат не рассматриваются в качестве природных обильных соединений, их потенциал служить в качестве акцепторов электронов в системах
81 ту-
окружающеи среды нельзя игнорировать . Кроме того, недавние очевидные предположения, что природный перхлорат может быть намного более преобладающим, чем сначала рассматривалось, принимая во внимание его недавнее обнаружение на Марсе. Более того, загрузка перхлората в нейтральные
воды привела к распространенному антропогенному загрязнению в США . Учитывая вездесущность перхлорат-восстанавливающих бактерий81 и способность этих микроорганизмов, особенно доминирующих в окружающей среде Azospira sp. и Dechloromonas sp.82, окислять Fe(II), анаэробное (перхлорат-зависимое окисление Fe(II) может влиять на биогеохимический цикл железа в окружающих средах, подверженных загрязненной воде.
Пример 5: Микробиологическое твердофазное окисление Fe(II)
В отличие от реакции, осуществляемой фототрофными Ре(П)-окисляющими микроорганизмами, твердая фаза Fe(II), включая поверхностно-связанное Fe(II)54'56, кристаллические минералы Fe(II) (сидерит, магнетит, пирит, арсенопирит и хромит)35'54, и структуральное Fe(II) в незосиликате (альмандин и ставролит)35 и филлосиликат (нонтронит)79, как известно, подвергаются прямому нитрат-зависимому микробиологическому окислению. Ранее уже было продемонстрировано, что промытые анаэробные цельноклеточные суспензии А. suillum быстро окисляли Fe(II) содержимое в различных природных железных рудах, включая силикаты альмандин и ставролит35 (Таблица 1).
Как скорость, так и степень окисления Fe(II) были различными для различных минералов, что, как полагают, обусловлено разностями в биодоступностью Fe(II) в матрицах минералов. Окисление Fe(II) не наблюдалось в абиотических контролях или в отсутствии подходящего акцептора электронов.
Хотя известно, что нитрат-зависимые Ре(П)-окисляющие микроорганизмы играют роль в окислении Fe(II), то есть включены в структуру силикатных минералов, а также вносят вклад в растворение минерала Fe(II), дополнительное исследование полностью показало сформированную структуру минерала и стабильность остаточного материала. Окислительная трансформация твердой фазы Fe(II) в бескислородной окружающей среде представляет собой дополнительный механизм выветривания горной породы и осаждения минерала оксида Fe(III) в бескислородных почвах и осадочных горных породах, создавая новые реакционно-активные поверхности. На сегодняшний день, были охарактеризованы несколько продуктов биоокисления водного Fe(II) и аморфного твердофазного Fe(II). Многообразие минералов биогенного оксида Fe(III),
о " 1 36,75 56 35
включая 2-линеиныи ферригидрит , гетит , лепидокрокит и гематит , а также минералы Fe(II)-Fe(III) смешанной фазы, магнетит, маггемит и зеленая ржавчина 35 были идентифицированы как продукты окисления. В результате этого биогенного образования магнетита и гематита, нитрат-зависимое Fe(II) окисление участвует как играющее прямую роль в генезисе образований связанного железа в
г " 35,66
докембриискои земле
Пример 6: Биохимическое и генетическое нитрат-зависимое окисление Fe(II)
Немногое известно в отношении биохимической или генетической регуляции анаэробного нитрат-зависимого окисления Fe(II) при нейтральном рН. Восстановительный потенциал возможной Fe(III)/Fe(II) окислительно-восстановительной пары находится в интервале от -0.314 В до +0.014 В предполагает, что электроны могут легко передаваться более электроположительному типу Ъ, с, или а цитохромных компонентов электрон-транспортной цепи. В поддержку этого, исследования различного спектра осуществили с известными Те(П)-окисляющими микроорганизмами (Dechloromonas aromatica штамм RCB, D. agitata штамм СКВ, A. suillum штамм PS, Diaphorobacter штамм TPSY, и Pseudogulbenkiania str. 2002), которые продемонстрировали улучшение цитохрома типа с (цитохромов) в переносе электронов хлорату или нитрату соответственно в условиях окисления Fe(II)35'68 (Фиг. 8). Цитохромы типа с являются обычными окислительно
восстановительными активными соединениями, которые участвуют в переносе электронов в респираторную электрон-транспортную цепь многих организмов. Эти соединения различно абсорбируют свет в окисленном и восстановленном состоянии. Вычитание спектра поглощения окисленных цитохромов типа с из спектра восстановленных цитохромов типа с дает характеристики максимума поглощения при 425, 525 и 552 нм. Спектр разности может подобным образом демонстрироваться на целых клетках, которые ранее были подвержены 02 (окисленные) или дегазированы посредством Н2 (восстановленные). При анаэробных условиях, реакция окисления-востановления Н2-восстановленноых цитохромов типа с промытых целых клеток в присутствии физиологических акцепторов электронов, таких как перхлорат, показывает роль цитохромов в переносе электронов этому акцептору электронов.
Продемонстрированная способность некоторых Те(П)-окисляющих микроорганизмов применять С02 в качестве единственного источника углерода требует пути С02-фиксации В случае archaeon Ferroglobus placidus, выращенных на С02, восстановительный путь ацетил коэнзима А экспрессируется, подразумевает их влияние на ассимиляцию углерода83. Неожиданно были обнаружены гены, связанные с пентозофосфатным восстановительным циклом, RuBisCo, в конечной последовательности генома Dechloromonas aromatica5''. Однако аутотрофный рост, связанный с окислением Fe(II), не может быть продемонстрирован, и условия, при которых эти гены экспрессируются, были не идентифицированы. Напротив, ПЦР амплификация с применением дегенеративных праймеров RuBisCo геномной ДНК из Pseudogulbenkiania str.
2002 не дает выход ПЦР продукта
Пример 7: Конечные продукты окисления Fe(II)
Эксперименты, проведенные с Pseudogulbenkiania str. 2002 и Diaphorobacter штамм TPSY, показали, что эти организмы продуцируют идентичные красновато-желтые осадки типичного аморфного оксигидроксида Fe(III) при неростовых нитрат-восстанавливающих условиях.
Однако не на интуитивном уровне миксотрофный рост этих организмов в идентичных средах при идентичных условиях показал образование двух существенно различных конечных продуктов железа (Фиг. 9). Для определения конечных продуктов железа организмы культивировали в анаэробной базальной среде с нитратом в качестве единственного акцептора электронов и как Fe(II) (добавлялся в виде FeCb), так и ацетатом в качестве объединенных доноров электронов. При этих условиях, обе культуры показали первоначальное продуцирование зеленовато-синих гидроксильных солей Fe(II)-Fe(III) смешанной валентности (Зеленая ржавчина II) и РО43" несущие Fe(II) фазы (например, вивианит [Тез(Р04)2. 8Н2О)]). Однако в случае Diaphorobacter sp. штамма TPSY, эти первоначальные синевато-зеленые продукты постепенно трансформировались в коричневато-красные осаждения (Фиг. 9В). Осаждение вивианита в исследования роста культуры, как видно, обусловлено присутствием 5мМ NaH2P04 в базальной среде проточной воды, применяемой для ростовых культур.
Трехмерный межслойный анион для биогенных зеленых ржавчин может представлять собой либо SO42" , либо РО43", как показано предшествующем исследованием рентгеновской порошковой дифрактометрии (XPRD). Однако анализ рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (XRF) (Фиг. 10), стехиометрические вычисления и новые данные Мессбауэра предполагают, что РО43" может быть межслойным анионом. Объединение Fe(II) и Fe(II)-Fe(III) фаз, как оказалось, является термодинамически стабильным конечным продуктом для Pseudogulbenkiania str. 2002 ростовых культур, так как несколько месяцев старения не показали изменения в осадке. Осталось установить, почему конечные продукты окисления Fe(II) Pseudogulbenkiania str. 2002 не трансформируются посредством абиотического окисления GRII фазы до более кристаллических гидроксидов Fe(III), связанного с восстановлением NO2"/ NO3", как сообщалось ранее 84-87. Это особенно верно в свете того факта, что весьма реакционноактивный нитрит временно продуцируется Pseudogulbenkiania str. 2002 в ходе гетеротрофного и миксотрофного роста при анаэробных условиях восстановления нитрата 57'88, что должно обеспечивать абиотическую трансформацию GRII фазы в более кристаллические оксигидроксиды Fe(III) со временем.
Пример 8: Клеточное расположение Fe(II) окисляющей активности
Наши результаты показали, что, в отличие от Diaphorobacter sp. штамма TPSY, ростовые культуры Pseudogulbenkiania str. 2002 не полностью окисляли Fe(II) составляющую среды независимо от присутствия избыточных количеств нитрата или ацетата. Степень окисления зависит от первоначальной концентрации Fe(II) и общего числа клеток, которые присутствуют. Кроме того, анализ просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) Pseudogulbenkiania str. 2002 в ходе окисления Fe(II) показал, что игольчатые биогенные конечные продукты окисления растворимого Fe(II) осаждались в клеточной периплазме (Фиг. 11).
Для определение клеточного осаждения конечных продуктов окисления Fe(II), клетки выращивали в базальной биокарбанатной среде с нитратом в качестве единственного акцептора электронов. В среду добавили различные количества Fe(II) в форме FeCb (1-13мМ) и инокулировали с активной культурой Pseudogulbenkiania str. 2002. Окисление Fe(II) контролировали во времени при каждой обработке путем анализа феррозина до завершения, и степень окисления Fe(II) представили по отношению к первоначальной концентрации Fe(II).
Эти результаты показали, что биогенные минералы, продуцированные Pseudogulbenkiania str. 2002, инкапсулируют организм посредством осаждения в периплазматическом пространстве и ингибируют дальнейшую активность. Это отличается от наших обнаружений в ходе подобных исследований с другими Ре(П)-окисляющими организмами, такими как штаммы PS или TPSY, которые полностью окисляют Fe(II) составляющую среды.
Абиотическое восстановление NO2" и NO3" посредством Fe(II), сорбированного на поверхности клеток и минералов, которые действуют в качестве катализаторов, может также приводить к последующему продуцированию минералов оксидов (гидроксидов) Fe(III) на поверхности клеток и может оказывать дополнительный ингибиторный эффект на транспорт растворимых акцепторов электронов в клетке, как предполагается Coby and Picardal89. Это может далее влиять на степень
окисления Fe(II) и помогает объяснить ограниченную степень окисления Fe(II) для Pseudogulbenkiania str. 2002. Эти исследования предполагают, что этот организм эволюционно не адаптирован к применению больших количеств Fe2+ , применяемых в этих исследованиях, но может скорее быть адаптирован к применению нерастворимой минеральной фазы Fe(II) при более контролируемой скорости. Кроме того, полагают, что эти наблюдения предполагают существование различий в механизмах, применяемых Pseudogulbenkiania str. 2002 и Diaphorobacter sp. штамм TPSY для экспорта окисленных конечных продуктов их метаболизма.
ССЫЛКИ
1 Lack, J. G. et al. Immobilization of radionuclides and heavy metals through anaerobic bio-oxidation of Fe(II). Appl. Environ. Microbiol. 68, 2704-2710 (2002).
2 Weber, K. A., Achenbach, L. A. & Coates, J. D. Microorganisms pumping iron: anaerobic microbial iron oxidation and reduction. Nat Rev Micro 4, 752-764 (2006).
3 Stumm, W. & Sulzberger, B. The cycling of iron in natural environments -considerations based on laboratory studies of heterogeneous redox processes. Geochim. Cosmochim. Acta 56, 3233-3257 (1992).
4 Cornell, R. M. & Schwertmann, U. The iron oxides: Structure, properties, reactions, occurrences and uses. 2 edn, (WILEY-VCH, 2003).
5 Stumm, W. & Morgan, J. J. Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters. 3rd edn, (John Wiley & Sons, 1996).
6 Lovley, D. R. Dissimalatory Metal Reduction. Annu. Rev. Microbiol. 47, 263-290 (1993).
7 Nealson, К. H. & Saffarini, D. Iron and Manganese in Anaerobic Respiration: Environmental Significance, Physiology, and Regulation. Annu. Rev. Microbiol. 48, 311-348 (1994).
8 Lovley, D. R., Holmes, D. E. & Nevin, K. P. Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) Reduction. Advances in Microbial Physiology 49, 219-286 (2004).
9 Widdel, F. et al. Ferrous iron oxidation by anoxygenic phototrophic bacteria. Nature 362, 834-836 (1993).
10 Straub, K. L., Benz, M., Schink, B. & Widdel, F. Anaerobic, nitrate-dependent microbial oxidation of ferrous iron. Appl. Environ. Microbiol. 62, 1458-1460 (1996).
11 Thamdrup, B. in Adv. Micro. Ecol. Vol. 16 (ed Schink B.) 41-84 (Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2000).
12 Davison, W. & Seed, G. The kinetics of the oxidation of ferrous iron in synthetic and natural waters. Geochim. Cosmochim Acta 47, 67-79 (1983).
13 Einsele, W. Versuch einer Theorie der Dynamik der Mangan und Eisenschichtung in eutrophen See. Naturwissenschaften 28, 257-264, 280-285 (1940).
14 Postma, D. Concentration of Mn and Separation from Fe in Sediments--! Kinetics and Stoichiometry of the Reaction Between Birnessite and Dissolved Fe(II) at IOC. Geochim. Cosmochim. Acta 49, 1023-1033 (1985).
15 Sorensen, J. & Thorling, L. Stimulation by Lepidocrocite (g-FeOOH) of Fe(II)-dependent nitrite reduction. Geochimica et Cosmochimica Acta 55, 1289-1294 (1991).
16 Buresh, R. J. & Moraghan, J. T. Chemical Reduction of Nitrate by Ferrous Iron. J Environ Qual 5, 320-325 (1976).
17 Hansen, H. С. В., Koch, С. В., Nancke-Krogh, H., Borggaard, О. K. & Srensen, J. Abiotic Nitrate Reduction to Ammonium: Key Role of Green Rust. Environmental Science and Technology 30, 2053 -2056 (1996).
18 Ottley, C. J., Davison, W. & Edmunds, W. M. Chemical catalysis of nitrate reduction by iron (II). Geochimica et Cosmochimica Acta 61, 1819-1828 (1997).
19 Petersen, H. J. S. Reduction of Nitrate by Iron(II). Acta Chem Scand A33, 795-796 (1979).
20 Van Hecke, K., Van Cleemput, O. & Baert, L. Chemo-denitrification of Nitrate-Polluted Water. Environmental Pollution 63, 261-274 (1990).
21 Postma, D. Kinetics of Nitrate Reduction by Detrital Fe(II)-silicates. Geochimica et Cosmochimica Acta 54, 903-908 (1990).
22 Kluber, H. D. & Conrad, R. Effects of Nitrate, Nitrite, NO and N20 on Methanogenesis and Other redox Processes in Anoxic Rice Field Soil. FEMSMicrobiol Ecol 25, 301-318 (1998).
23 Weber, K. A., Picardal, F. W. & Roden, E. E. Microbially Catalyzed Nitrate-Dependent Oxidation of Biogenic Solid-Phase Fe(II) Compounds. Environmental Science and Technology 35, 1644-1650 (2001).
24 Emerson, D. & Weiss, J. V. Bacterial iron oxidation in circumneutral freshwater habitats: Findings from the field and the laboratory. Geomicrobiology J. 21, 405-414 (2004).
25 Roden, E. E., Sobolev, D., Glazer, B. & Luther, G. W. Potential for Microscale Bacterial Fe Redox Cycling at the Aerobic-Anaerobic Interface. Geomicrobiology Journal 21, 379 - 391 (2004).
26 Emerson, D. & Moyer, C. L. Isolation and characterization of novel iron-oxidizing bacteria that grow at circumneutral pH. Applied and Environmental Microbiology 63, 4784-4792 (1997).
27 Edwards, K. J., Rogers, D. R., Wirsen, С. O. & McCollom, Т. M. Isolation and Characterization of Novel Psychrophilic, Neutrophilic, Fe-Oxidizing, Chemolithoautotrohic a- and g-Proteobacteria from the Deep Sea. Appl Environ Microbiol 69, 2906-2913 (2003).
28 Sobolev, D. & Roden, E. E. Characterization of a Neutrophilic, Chemolithoautotrophic Fe(II)-Oxidizing b-Proteobacterium from Freshwater Wetland Sediments. Geomicrobiology Journal 21, 1-10 (2004).
29 Sobolev, D. & Roden, E. E. Evidence for rapid microscale bacterial redox cycling of iron in circumneutral environments. Anton van Leeuw 81, 587-597 (2002).
30 Ehrenberg, C. G. Vorlaufige mitteilungen uber das wirkliche vokommen fossiler infusorien und ihre grosse vergreitung. Ann. Phys. Chem. 38 (1836).
31 Winogradsky, S. Eisenbakterien als anorgoxydanten. Zentralblattfur Bakteriologie 57, 1-21 (1922).
32 Bruce, R. A., Achenback, L. A. & Coates, J. D. Reduction of (per)chlorate by a novel organism isolated from paper mill waste. Environ Microbiol 1, 319-329 (1999).
33 Jiao, Y. Y. Q., Kappler, A., Croal, L. R. & Newman, D. K. Isolation and
characterization of a genetically tractable photo autotrophic Fe(II)-oxidizing bacterium,
Rxiodopseudomonas palustris strain TIE-1. Appl. Envir. Microbiol. 71, 4487-4496
(2005) .
34 Weber, K. A., Achenbach, L. A. & Coates, J. D. Microbes Pumping Iron:
Anaerobic Microbial Iron Oxidation and Reduction. Nature Microbiology Reviews
(2006) .
35 Chaudhuri, S. K., Lack, J. G. & Coates, J. D. Biogenic magnetite formation through anaerobic biooxidation of Fe(II). Appl. Environ. Microbiol. 67, 2844-2848 (2001).
36 Lack, J. G., Chaudhuri, S. K., Chakraborty, R., Achenbach, L. A. & Coates, J. D. Anaerobic biooxidation of Fe(II) by Dechlorosoma suillum. Microb Ecol 43, 424431 (2002).
37 Senko, J. M., Dewers, T. A. & Krumholz, L. R. Effect of oxidation rate and Fe(II) state on microbial nitrate-dependent Fe(III) mineral formation. Appl. Environ. Microbiol. 71, 7172-7177 (2005).
38 Sheloblina, E. S., VanPraagy, C. G. & Lovley, D. R. Use of Ferric and Ferrous Iron Containing Minerals for Respiration by Desulfitobacterium frappieri. Geomicrobiology Journal 20, 143-156 (2003).
39 Shelobolina, E., Pickering, S. & Lovely, D. Fe-CYCLE bacteria from industrial clays mined in Georgia, USA. CLAYS AND CLAY MINERALS 53, 580-586 (2005).
40 Senn, D. B. & Hemond, H. F. Nitrate controls on iron and arsenic in an
urban lake. Science 296, 2373-2376 (2002).
41 Straub, К. L., Schonhuber, W., Buchholz-Cleven, B. & Schink, B. Diversity of Ferrous Iron-Oxidizing, Nitrate-Reducing Bacteria and their Involvement in Oxygen-Independent Iron Cycling. Geomicrobiol. J. 21, 371 - 378 (2004).
42 Weber, K. A., Urrutia, M. M, Churchill, P. F., Kukkadapu, R. K. & Roden, E. E. Anaerobic Redox Cycling of Iron by Freshwater Sediment Microorganisms. Environ Microbiol 8, 100-113 (2006).
43 Lack, J. G. et al. Immobilization of Radionuclides and Heavy Metals through Anaerobic Bio-Oxidation of Fe(II). Appl Environ Microbiol 68, 2704-2710
(2002) .
44 Armstrong, W. Oxygen diffusion from the roots of some British bog plants. Nature 204, 801-802 (1964).
45 Mendelssohn, I. A., Kleiss, B. A. & Wakeley, J. S. Factors controlling the formation of oxidized root channels-a review. Wetlands 15, 37-46 (1995).
46 Kostka, J. E., Roychoudhury, A. & Van Cappellen, P. Rates and controls of anaerobic microbial respiration across spatial and temporal gradients in saltmarsh sediments. Biogeochemistry 60, 49-76 (2002).
47 Colmer, T. D. Long-distance transport of gases in plants: a perspective on internal aeration and radial oxygen loss from roots. Plant Cell Environ. 26, 17-36
(2003) .
48 Ferro, I., Van Nugteren, P., Middelburg, J. J., Herman, P. M. J. & Heip, C.
H. R. Effect of macrofauna, oxygen exchange and particle reworking on iron and
manganese sediment biogeochemistry: A laboratory experiment. Vie Miliue 53, 211-220
(2003).
49 Furukawa, Y., Smith, A. C, Kostka, J. E., Watkins, J. & Alexander, C. R. Quantification of macrobenthic effects on diagenesis using a multicomponent inverse model in salt marsh sediments. Limnol. Oceanogr. 49, 2058-2072 (2004).
50 Ghiorse, W. C. Biology of iron-depositing and manganese-depositing bacteria. Ann. Rev. Microbiol. 38, 515-550 (1984).
51 Sobolev, D. & Roden, E. E. Suboxic deposition if ferric iron by bacteria in opposing gradients of Fe(II) and oxygen at circumneutral pH. Appl. Environ. Microbiol, 1328-1334(2001).
52 Neubauer, S. C, Emerson, D. & Megonigal, J. P. Life at the energetic edge: Kinetics of circumneutral iron oxidation by lithotrophic iron-oxidizing bacteria isolated from the wetland-plant rhizosphere. Appl. Environ. Microbiol. 68, 3988-3995 (2002).
53 Edwards, K. J., Rogers, D. R., Wirsen, С. O. & McCollom, Т. M. Isolation and characterization of novel psychrophilic, neutrophilic, Fe-oxidizing, chemolithoautotrohic a- and g-Proteobacteria from the deep sea. Appl. Environ. Microbiol. 69, 2906-2913 (2003).
54 Weber, K. A., Picardal, F. W. & Roden, E. E. Microbially catalyzed nitrate-dependent oxidation of biogenic solid-phase Fe(II) compounds. Environ. Sci. Technol. 35, 1644-1650(2001).
55 Lack, J. G. Immobilization of radionuclides and heavy metals through anaerobic biooxidation of Fe(II). Appl. Environ. Microbiol. 68, 2704-2710 (2002).
56 Weber, K. A., Urrutia, M. M., Churchill, P. F., Kukkadapu, R. K. & Roden, E. E. Anaerobic redox cycling of iron by freshwater sediment microorganisms. Environ. Microbiol. 8, 100-113 (2006).
57 Weber, К. A. et al. Anaerobic nitrate-dependent iron(II) bio-oxidation by a novel, lithoautotrophic, Betaproteobacterium, Strain 2002. Appl. Environ. Microbiol. 72, 686-694 (2006).
58 Ainsworth, C, Pilon, J., Gassman, P. & Van der Sluys, W. Cobalt, cadmium, and lead sorption to hydrous iron oxide: residence time effect. Soil Sci Soc Am J 58, 1615-1623 (1994).
59 Hansel, С. M., La Force, M. J., Fendorf, S. & S., S. Spatial and temporal association of As and Fe species on aquatic plant roots. Environ Sci Technol. 36, 19881994. (2002).
60 Ames, L., McGarrah, J., Walker, B. & Salter, P. Uranium and radium sorption on amorphous ferric oxyhydroxide. Chemical Geology 40, 135-148 (1983).
61 Salomons, W. & Forstner, U. Metals in the Hydrocycle. (Springer-Verlag, 1984).
62 Charlet, L. & Manceau, A. X-ray Absorption Spectroscopic Study of the Sorption of Cr(III) at the Oxide-Water Interface. Journal of colloid and Interface Science 148, 443-457 (1992).
63 Baker, B. J. & Banfield, J. F. Microbial communities in acid mine drainage. FEMSMicrobiol. Ecol. 44, 139-152 (2003).
64 Straub, K. L., Schonhuber, W., Buchholz-Cleven, B. & Schink, B. Diversity of ferrous iron-oxidizing, nitrate-reducing bacteria and their involvement in oxygen-independent iron cycling. Geomicrobiol. J. 21, 371-378 (2004).
65 Weber, K. A., Achenbach, L. A. & Coates, J. D. Microbes Pumping Iron: Anaerobic Microbial Iron Oxidation and Reduction. Nature Rev. Microbiol. (2006).
66 Hafenbradl, D. et al. Ferroglobusplacidus gen. nov., sp. nov. a novel hyperthermophilic archaeum that oxidizes Fe2+ at neutral pH under anoxic conditions. Arch. Microbiol. 166, 308-314 (1996).
67 Jiao, Y., Kappler, A., Croal, L. R. & Newman, D. K. Isolation and characterization of a genetically tractable photoautotrophic Fe(II)-oxidizing bacterium, Rhodopseudomonas palustris strain TIE-1. Appl. Environ. Microbiol. 71 (2005).
68 Bruce, R. A., Achenbach, L. A. & Coates, J. D. Reduction of (per)chlorate by a novel organism isolated from a paper mill waste. Environ Microbiol 1, 319-331 (1999).
69 Coates, J. D., Michaelidou, U., O'Connor, S. M., Bruce, R. A. & Achenbach, L. A. in Per-chlorate in the Environment (ed E.D. Urbansky) 257-270 (Kluwer Academic/ Plenum, 2000).
70 Cowan, С. E., Zachara, J. M. & Resch, С. T. Cadmium adsorption on iron oxides in the presence of alkaline-earth elements. Environ Sci Technol 25, 437-446 (1991).
71 Schwertmann, U. & Taylor, R. M. in Minerals in the soil environment Vol. 1 (eds J.B. Dixon & S.B. Weed) 379-438 (Soil Science Society of America, 1989).
72 Zachara, J. M., Girvin, R. L., Schmidt, R. L. & Resch, С. T. Chromate adsorption on amorphous iron oxyhydroxide in the presence of major groundwater ions. Environ. Sci. Technol. 21, 589-594 (1987).
73 Ciania, A., Gossa, K.-U. & Schwarzenbach, R. P. Light penetration in soil and particulate minerals. Eur. J. Soil Sci. 0, doi: 10.1111/j. 1365-2389.2005.00688.x (2005).
74 Kappler, A. & Newman, D. K. Formation of Fe(III)-minerals by Fe(II)-oxidizing photoautotrophic bacteria. Geochim. Cosmochim. Acta 68, 1217-1226 (2004).
75 Straub, K. L. & Buchholz-Cleven, В. E. E. Enumeration and detection of anaerobic ferrous iron-oxidizing, nitrate-reducing bacteria from diverse European sediments. Appl. Envir. Microbiol. 64, 4846-4856 (1998).
76 Kluber, H. D. & Conrad, R. Effects of nitrate, nitrite, NO and N20 on methanogenesis and other redox processes in anoxic rice field soil. FEMSMicrobiol. Ecol. 25, 301-318 (1998).
77 Ratering, S. & Schnell, S. Nitrate-dependent Iron(II) oxidation in paddy soil. Environ. Microbiol. 3,100-109 (2001).
78 Finneran, К. Т., Housewright, M. E. & Lovley, D. R. Multiple influences of nitrate on uranium solubility during bioremediation of uranium-contaminated subsurface sediments. Environ. Microbiol. 4, 510-516 (2002).
79 Shelobolina, E. S., VanPraagy, C. G. & Lovley, D. R. Use of ferric and ferrous iron containing minerals for respiration by Desulfitobacterium frappieri. Geomicrobiol. J. 20, 143-156 (2003).
80 Weber, K. A. et al. Physiological and taxonomic description of the novel autotrophic, metal oxidizing bacterium, Pseudogulbenkiania sp. strain 2002. Appl. Microbiol Biotechnol. (in press) (2009).
81 Coates, J. D. & Achenbach, L. A. Microbial perchlorate reduction: Rocket-fuelled metabolism. Nature Rev. Microbiol. 2, 569-580 (2004).
82 Coates, J. D. et al. The ubiquity and diversity of dissimilatory (per)chlorate-reducing bacteria. Applied and Environmental Microbiology 65, 5234-5241 (1999).
83 Vorholt, J. A., Hafenbradl, D., Stetter, К. O. & Thauer, R. K. Pathways of autotrophic CO2 fixation and dissimilatory nitrate reduction to N2O in Ferroglobus placidus. Arch. Microbiol. 167, 19-23 (1997).
84 Hansen, H. С. В., Koch, С. В., NanckeKrogh, H., Borggaard, О. K. & Sorensen, J. Abiotic nitrate reduction to ammonium: Key role of green rust. Jun 30, 2053-2056 (1996).
85 Hansen, H. С. B. & Koch, С. B. Reduction of nitrate to ammonium by sulphate green rust: activation energy and reaction mechanism. Mar 33, 87-101 (1998).
86 Hansen, H. С. В., Guldberg, S., Erbs, M. & Koch, С. B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts - effects of interlayer anion and Fe(II): Fe(III) ratio. Jan 18, 8191 (2001).
87 Hansen, H. С. В., Borggaard, О. K. & Sorensen, J. Evaluation of the Free-Energy of Formation of Fe(II)-Fe(III) Hydroxide-Sulfate (Green Rust) and Its Reduction of Nitrite. Geochimica Et Cosmochimica Acta 58, 2599-2608 (1994).
88 Prietzel, J., Thieme, J., Eusterhues, K. & Eichert, D. Iron speciation in soils and soil aggregates by synchrotron-based X-ray microspectroscopy (XANES, mu-XANES). European Journal of Soil Science 58, 1027-1041 (2007).
89 Coby, A. J. & Picardal, F. W. Inhibition of N03- and N02- reduction by
microbial Fe(III) reduction: Evidence of a reaction between N02- and cell surface-
bound Fe2+. Applied and Environmental Microbiology 71, 5267-5274 (2005).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ повышения добычи нефти из нефтяного пласта посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, отличающийся тем, что указанный способ содержит:
a) обеспечение системы нефтяного пласта, содержащей скелет горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал;
b) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и
c) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал изменяет гидрологию нагнетаемой воды, таким образом повышая добычу нефти.
2. Способ обратимого осаждения аутигенного минерала, отличающийся тем, что способ содержит:
a) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии,
осаждающие аутигенный минерал;
b) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и
c) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы.
3. Способ изменения гидрологии горной породы посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, отлучающийся тем, что способ содержит:
a) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии,
осаждающие аутигенный минерал;
b) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и
c) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал изменяет гидрологию горной породы.
4. Способ уменьшения падения давления в нагнетаемой воде при добычи нефти посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, отличающийся тем, что способ содержит:
a) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы и бактерии,
осаждающие аутигенный минерал;
b) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и
c) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал уменьшает падение давления в нагнетаемой воде.
5. Способ по любому из п.п. 2-4, где системой является нефтяной пласт.
6. Способ по любому из п.п. 1-5, где система дополнительно содержит загрязнитель земли.
7. Способ по п. 6, где загрязнитель земли выбирается из группы, состоящей из радиоактивного загрязнения, радиоактивных отходов, тяжелых металлов, галогенированных растворителей, пестицидов, гербицидов и красителей.
8. Способ образования барьера посредством обратимого осаждения аутигенного минерала, отличающийся тем, что способ содержит:
a) обеспечение системы, содержащей скелет горной породы, материалы скелета горной породы и бактерии, осаждающие аутигенный минерал;
b) обеспечение композиции, содержащей раствор предшественника аутигенного минерала и индуктор осаждения аутигенного минерала; и
c) контакт системы с композицией при условиях, когда индуктор индуцирует бактерии к обратимому осаждению аутигенного минерала из раствора в скелет горной породы, где осажденный аутигенный минерал образует барьер, и где барьер уменьшает поток материалов горной породы через указанный скелет горной породы.
9. Способ по п. 8, где материалы горной породы содержат ССЬ.
10. Способ по п. 8, где материалы горной породы содержат один или более загрязнителей.
11. Способ по п. 10, где один или более загрязнителей выбираются из группы, состоящей из радиоактивного загрязнения, радиоактивных отходов, тяжелых
металлов, галогенированных растворителей, пестицидов, гербицидов и красителей.
12. Способ по любому из п.п. 1-11, где перед стадией а) бактерии, осаждающие аутигенный минерал, добавляются в систему.
13. Способ по любому из п.п. 1-12, где бактерии, осаждающие аутигенный минерал, выбираются из группы, состоящей из железо-восстанавливающих бактерий, железо- окисляющих бактерий, нитрат-зависимых Ре(П)-окисляющих бактерий, ферментативных бактерий, фосфит-окисляющих бактерий, перхлорат-восстанавливающих бактерий, хлорат-восстанавливающих бактерий и нитрат-восстанавливающих бактерий.
14. Способ по любому из п.п. 1-12, где бактерии, осаждающие аутигенный минерал, представляют собой железо-окисляющие бактерии или нитрат-зависимые Fe(II)- окисляющие бактерии.
15. Способ по любому из п.п. 1-14, где раствор предшественника аутигенного минерала выбирается из группы, состоящей из раствора Fe (II), раствора Fe(III), раствора наночастиц благородного железа, раствора аммиака, фосфатного раствора, фосфитного раствора, раствора кальция, раствора карбоната, раствора магния и раствора силиката.
16. Способ по любому из п.п. 1-14, где раствор предшественника аутигенного минерала представляет собой раствор Fe(II).
17. Способ по любому из п.п. 1-16, где индуктор осаждения аутигенного минерала выбирается из группы, состоящей из нитрата, нитрита, закиси азота, оксида азота, перхлората, хлората, хлорита, диоксида хлора, Fe(III), карбоната и кислорода.
18. Способ по любому из п.п. 1-16, где индуктор осаждения аутигенного минерала представляет собой нитрат.
12.
19. Способ по любому из п.п. 1-18, где осаждение аутигенного минерала происходит в результате обратимой реакции.
20. Способ по п. 19, где обратимой реакцией является окислительно-восстановительная реакция.
21. Способ по любому из п.п. 1-20, где осажденный аутигенный минерал растворяется посредством обращения реакции осаждения аутигенного минерала.
22. Способ по любому из п.п. 1-21, где система дополнительно содержит бактерии, растворяющие аутигенный минерал.
23. Способ по п. 22, где система контактирует с индуктором растворения аутигенного минерала при условиях, когда индуктор растворения аутигенного минерала индуцирует бактерии, растворяющие аутигенный минерал, к растворению осажденного аутигенного минерала.
24. Способ по п. 23, где индуктор растворения аутигенного минерала выбирается из группы, состоящей из нитрата, нитрита, закиси азота, оксида азота, перхлората, хлората, хлорита, диоксида хлора, Fe(III), карбоната, фосфата, фосфита, кислорода, Н2, ацетата, пропионата, бутирата, лактата, бензоата, цитрата, гексозы и фосфита.
25. Способ по п. 23 или 24, где бактерии, растворяющие аутигенный минерал, растворяют осажденный аутигенный минерал посредством обращения реакции осаждения аутигенного минерала.
26. Способ по любому из п.п. 22-25, где способ дополнительно содержит добавление бактерий, растворяющих аутигенный минерал, в систему.
27. Способ по п. 26, где добавленные бактерии, растворяющие аутигенный минерал, являются рекомбинантными бактериями.
12.
28. Способ по любому из п.п. 22-27, где бактерии, растворяющие аутигенный минерал, выбираются из группы, состоящей из железо-восстанавливающих бактерий, фосфит-восстанавливающих бактерий, перхлорат- восстанавливающих бактерий, хлорат- восстанавливающих бактерий, нитрат-восстанавливающих бактерий и кислота-продуцирующих бактерий.
29. Способ по любому из п.п. 2-27, где бактерии, растворяющие аутигенный минерал, представляют собой железо-восстанавливающие бактерии.
30. Способ по любому из п.п. 1-29, где способ дополнительно содержит добавление в систему бактерий, осаждающий аутигенный минерал.
31. Способ по п. 30, где добавленные бактерии, осаждающие аутигенный минерал, представляют собой рекомбинантные бактерии.
12.
Заводнение для вытеснения масла
Впрыск воды Вытеснение масла
.v. :о: "?: "о:"о:¦
Течение потока воды
Идеальное замещение содержимого нефтяного пласта
Образование каналов в результате гидрологической t гетерогенной природы водой
Впрыск воды
Вытеснение масла
клетки см
о о
Фон"
Грунтовые воды
Область 1. Грунтовые воды
Область 1 Осадочные породы
Область 1 осадочные породы
Область 2 Осадочные породы
Область2осадочные породы
Фиг.4
¦g 'о _го о. со
Х> * О
О) О
S_ S_
+-¦
ГО -Q
О ч- <
-I-"
-Q О Ф
4-'
Ф 03 о "=
о ф
о а" аз
s_ 03
го 02 л о
о. го о-
< со
2 8 ? о
О. ГО
? ?- Б ? Я й го Ф .9. ООО
0О(c)О(c)О
Ф,_
оса "> .
Е to Л х Ф2 tag
см о: m g
cL^= го ел Ь Ф
с с.Е ^ Ф О)
-23 §Ф?
О =ч~ з
га ГО"Ф^
го*= .-*=: го
о> ?
(О J=
го т с: со о го
"¦с *-о о
.ш.х: о
, ^ О
со го
ф со _ф
о ф го
сг го
'о. о. го
о го
со ф
о "О
-I-'
ф Е
-I-'
о го хг о Ф
О Ф
ч- СО
о о о о аз
ГО 0_
со го с о
? о
? Ф з о.
ф с го
ю со
-?>
о _го
'со XI
9.00Е+08 8.00Е+08 7.00Е+08 6.00Е+08 5.00Е+08 4.00Е+08 3.00Е+08 2.00Е+08 1.00Е+08 О.ООЕ+00
-о- TPSY FAN TPSY AN
12 24 36
Время (часы)
-о- TPSY FAN TPSY AN
О 12 24 36 48 60
Время (часы)
Фиг.5
I I I I I I
0 12 24 36 48 60
Время (часы)
о 1 I с
г 1 0 час инкубации
s I
Фиг. 8
Длина волны (нм)
Рентгенофлюоресцентная спектрометрия
. >
Зеленая ржавчина и
anoxic < &N Н20
4; SJ
а о ^.
о о -в
<и о о
ч с "
н о ей
Энергия /ЭВ
35*
2 4 6
8 10 12 14 16 Щ 20 Время (часы)
ТО Fc(ll) нитрат без красителя
Т18 Fe(II) нитрат без красителя
-i I
1/9
Фиг.1
1/9
Фиг.1
1/9
Фиг.1
1/9
Фиг.1
1/9
Фиг.1
3/9
3/9
4/9
4/9
4/9
5/9
6/9
Фиг.7
7/9
Фиг. 9
7/9
Фиг. 9
8/9
8/9
8/9
9/9
9/9
9/9
9/9
