摘要

研究通过模拟页岩气压裂水循环（地表存储与地下油藏），揭示了Halanaerobium在瓜尔胶降解和油藏酸化中的双重角色。低温（30°C）条件下，Halanaerobium通过编码β-1,4-甘露聚糖酶和α-1,6-半乳糖苷酶的基因分解瓜尔胶，经混合酸发酵生成乙酸、CO₂和H₂；高温（60°C）下，硫酸盐还原菌（如Desulfohalobium retbaense）利用这些代谢物将SO₄^2?还原为H₂S，导致酸化。基因组分析显示，Halanaerobium缺乏硫代硫酸盐还原关键基因，其酸化作用实为间接提供底物而非直接产硫。

引言

页岩气压裂系统是研究极端嗜盐/嗜热微生物的天然实验室。Halanaerobium作为北美页岩中的优势菌，既往研究多聚焦其硫代硫酸盐还原能力，但对其在压裂液聚合物（如瓜尔胶）降解中的作用机制知之甚少。本研究通过模拟压裂水回用周期（地表30°C存储与地下60°C油藏），解析微生物代谢网络如何驱动碳硫循环。

结果

代谢过程

• 低温（30°C）：瓜尔胶添加组中，乙酸浓度升至2.8±0.4 mM，CO₂达1.2±0.1 mM，与Halanaerobium丰度增加（47%）同步；硫代硫酸盐未检出。
• 高温（60°C）：葡萄糖/VFA组中，SO₄^2?从8.7±0.9 mM降至5.4±0.4 mM，H₂S从1.4±0.1 mM升至3.4±0.5 mM，对应Desulfohalobium富集。

微生物群落

• Halanaerobium ASV3在30°C瓜尔胶组占比47%，60°C时未增长；Desulfohalobium在60°C组占比1.9%，与硫酸盐还原活性吻合。

基因组特征

• Halanaerobium MAGs：含甘露糖/半乳糖ABC转运蛋白及磷酸转移酶系统（PTS），但缺乏硫氧化还原酶（SOX）基因簇。
• 硫酸盐还原菌：Desulfohalobium MAG 10含完整乙酰辅酶A途径，可将乙酸氧化耦合SO₄^2?还原。

讨论

低温发酵主导
Halanaerobium在30°C下通过瓜尔胶降解生成发酵产物，而非此前认为的硫代硫酸盐还原。其基因组中仅检出单拷贝硫转移酶基因（如rhodanese），且最适生长温度（39°C–40°C）不支持地下高温活动。

酸化间接机制
压裂水回用将地表发酵产物（如乙酸、H₂）带入地下，为嗜热SRB提供底物。这一“接力代谢”模型解释了页岩系统中H₂S的累积，为控制酸化提供了新靶点——阻断Halanaerobium的发酵而非硫代谢。

材料与方法

实验采用二叠纪盆地采出水，添加瓜尔胶或葡萄糖/VFA，于厌氧条件下孵育42天。通过离子色谱（IC）、高通量测序（Illumina MiSeq）和宏基因组组装（MAGs）分析代谢物及微生物动态。

意义

研究首次阐明Halanaerobium通过“发酵-硫酸盐还原”跨温度协作驱动酸化，为页岩气开发中的微生物管理提供了理论突破。未来需关注地表存储阶段的代谢干预，以阻断酸化链式反应。

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