【Applied Energy最新原创论文】微生物矿化二氧化碳化学过程机制研究

学术   2024-11-20 18:30   美国  

原文信息

Microbial-Induced Carbon Dioxide (CO2) Mineralization: Investigating the Biomineralization Chemistry Process and the Potential of Storage in Sandstone Reservoir

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924016519


Highlights

(1) 从油藏筛选出适用于矿化CO2的菌株并明确矿化过程化学机制

(2) 通过室内模拟岩心实验进一步揭示矿化化学过程

(3) 明确生物矿物在岩心内部形态及分布情况

Research gap

明确油藏微生物矿化封存CO2潜力

摘要

矿化是一种关键的碳封存技术方法。本研究筛选出一株具有矿化能力的菌株ZL-03,经16SrDNA鉴定为胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus Krassilnikov)。通过FTIR、XRD、拉Raman、SEM和TEM等测试方法,分析该菌株在CO2胁迫下的生长形态、物理化学性质及代谢产物。此外,利用13CO2同位素法,综合阐明微生物胞外诱导CO2封存及生物矿化化学路径。结果表明,菌株ZL-03在CO2胁迫下分泌碳酸酐酶(CA)活性增强,并代谢产生含有氢氧基和羧基等电子供体基团的胞外有机基质。研究揭示了该菌株胞外CO2矿化的两条途径:通过分泌CA促进CO2的溶解和离子化,生成重碳酸根离子,随后与钙离子结合形成矿物;微生物分泌的胞外有机基质与溶液中的钙离子络合,形成矿化基质,随后CO2与该矿化基质(金属络合物)反应生成无定形碳酸钙(CaCO3·H2O)。此外,模拟岩心实验显示所筛微生物能够将油藏渗透率降低63.8%。本研究为在CO2胁迫条件下细菌的生长行为、物理化学特性及复杂的代谢途径提供了一定的见解,对推进微生物介导的生物矿化过程在加速CO2矿化研究领域具有一定贡献,并对环境可持续性及碳利用策略具有深远影响。

更多关于“CO2 Sequestration”的文章请见:https://www.sciencedirect.com/search?qs=CO2%20Sequestration&pub=Applied%20Energy&cid=271429

Abstract

Mineralization represents a crucial technological approach for carbon sequestration. In this study, a strain ZL-03 with carbon mineralization ability was screened and identified as Bacillus mucilaginosus Krassilnikov by 16SrDNA. The growth morphology, physicochemical properties, and metabolic products of the strain under CO2 stress were comprehensively investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM). Furthermore, employing the highly precise 13CO2 isotope, the chemical pathway of microbial extracellular induction for CO2 sequestration and biomineralization was elucidated. The results indicate that strain ZL-03 exhibits increased carbonic anhydrase (CA) activity and secretes extracellular organic matrix containing electron-donating functional groups such as -OH and -COOH under CO2 stress. The study reveals two pathways for strain ZL-03's extracellular mineralization of CO2:the secretion of CA promotes the dissolution and ionization of CO2 into HCO3-, which then combines with Ca2+ to form minerals; the microbial secretion of extracellular organic matrix complexes with Ca2+ in the solution to form a mineralization matrix, and CO2 reacts with the mineralization matrix (metal complex) to generate amorphous calcium carbonate (CaCO3·H2O). Moreover, the research results reveal that the selected microorganisms can reduce reservoir permeability by 63.8%.

The findings provide valuable insights into the growth behavior, physicochemical characteristics, and intricate metabolic pathways of the bacterial under CO2 stress conditions. The research significantly contributes to the understanding and advancement of microbial-mediated biomineralization processes for efficient CO2 mineralization, with implications for environmental sustainability and carbon utilization strategies.

Keywords

CO2 Sequestration

CO2 utilization

Biomineralization

Metabolic products

Chemistry process

Graphics

图1 图形摘要.

图2 A). 微生物的pH值和吸光度值。B). 通过ELISA测定碳酸酐酶活性。C). 在正常条件和补充Ca²⁺/CO₂条件下进行的傅里叶变换红外光谱测试。D). 通过拉曼测试获得的矿物沉淀。E). 矿物沉淀的扫描电子显微镜图像及其X射线衍射测试。F). 碳酸酐酶促进二氧化碳矿化的化学途径.

图3 (G). 透射电子显微镜分析处理过二氧化碳的细菌液体。(H). 有机基质促进二氧化碳矿化的化学途径.

图4 模拟矿化实验后岩心切片.

作者简介

团队介绍:

本研究由西南石油大学、重庆大学、中科院岩土力学研究所共同完成。

通信作者简介:

郑学成,男,博士(后),副教授,硕士生导师,毕业于重庆大学。四川省人社厅专家服务团专家,主要从事三次采油、应用微生物相关研究。第一作者发表SCI论文20余篇,主编  专著一部。主持包括国家自然基金等国家级、省部级项目、以及油田横向项目多项。

第一作者简介:

林小莎,重庆大学-不列颠哥伦比亚大学联合培养博士研究生,主要从事二氧化碳矿化、微生物采油及油气田场地污染处理相关研究。在Applied Energy、Fuel、Energy& Fuels及Industrial & Engineering Chemistry Research等期刊发表多篇论文,曾获西南石油大学十大杰出研究生,重庆大学科技学术先进个人等荣誉称号。

关于Applied Energy

本期小编:赵蕾蕾                            审核人:赵秉旭    

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