深地环境生活着地球上绝大多数的原核生物，是地球上最古老的生命。这些微生物广泛存在于岩石的孔隙与裂缝当中，从矿物中获取营养、从水岩反应中获取能量，无需氧气和阳光。它们物种多样、功能丰富、生长速率极其缓慢。在地球形成的早期，恶劣的地表环境（高温、强紫外线等）无法孕育任何生命，相对温和的深地环境却可以支持微生物的生存繁衍。因此，对地球深地生命的探索不仅有助于揭示地球早期生命的起源、进化，而且对外星生命的探索具有启示意义。然而，由于深地样品的获取难度大、费用高，目前对深地生物圈的认识，特别是地质和水文过程对深地微生物的作用，仍十分匮乏。
美国斯坦福大学地热能源研究中心和地质微生物实验室的Yuran Zhang（张毓然）等人，依托美国能源部资助的增强型地热系统联合实验项目（EGS Collab Project），在美国南达科他州距地表1500米深的金矿巷道中，对导水裂缝网络中的微生物群进行了长达10个月的多点监测，获取了迄今为止持续最久、分辨率最高的深层裂隙含水层微生物群落数据。利用地球物理、地热开发等多学科技术，结合生态学理论，分析了微生物群落随时间的变化规律和机理，并首次揭示了深地生物圈不同于其他环境的特殊构建机制。该研究成果于2022年6月发表在PNAS上。
EGS Collab项目的目的在于通过深地现场实验增进对水力压裂以及岩石取热过程的认识并测试新型储层监测技术。基于EGS Collab裂缝网络长期渗流实验（图1），作者对实验平台的多口产水井进行了每周一次、长达10个月的取样，并通过新一代高通量测序技术，获取了裂隙水微生物群落的相对丰度及其随时间的变化。结果显示，虽然深地微生物的群落组成多数时候极其稳定，本研究的微生物群落却在若干时间点发生了迅速、大幅的变动，且不同产水井的微生物群落存在跨时空的显著关联性（图2）。作者通过生态学零模型的方法量化了群落的绝对系统发育距离与随机系统发育距离的偏离度，发现观测到的群落差异和变化并非由环境选择驱动、而是由随机过程中的均质化运移和运移限制导致（图3）。结合EGS Collab平台丰富的储层表征资料（微地震、示踪剂、分布式光纤传感器数据等），作者提出微生物群落的突变主要由裂缝网络演化引起的裂隙水对流导致，而不像多数地表环境下由环境选择主导。
图1 EGS Collab现场井位布置与裂缝网络
图2 导水裂缝微生物群落的跨时空关联性
图3 微生物群落跨时空关联现象的驱动因素
深地含水层裂缝动态演化在自然界属于普遍现象，可由地震活动、水岩反应、强降雨等过程引起。但在此前，对深地微生物的研究普遍认为地下环境是静止且互不连通的。本研究首次揭示了地质活动及地下水对流对深地生物圈构建的重要影响，不仅为解答深地生物圈众多未知问题提供了新的思路，更在解码地球早期生命进化历程方面具有借鉴意义。除生态学意义外，该成果还在地下储层开发领域具有广阔的应用前景。目前，储层表征的示踪剂技术仅能提供某一时间点流道的整体信息。本研究表明，每个裂缝中的微生物群就如同该裂缝的独特“条形码”、可用作新型的天然示踪剂精确表征地下流体运移路径并揭示裂缝网络演化，从而为储层精细表征和持续监测提供了全新的可能。
主要参考文献
Zhang Y, Horne R N, Hawkins A J, et al. Geological activity shapes the microbiome in deep-subsurface aquifers by advection[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(25): e2113985119. （原文链接）
Zhang Y, Dekas A E, Hawkins A J, et al. Microbial community composition in deep‐subsurface reservoir fluids reveals natural interwell connectivity[J]. Water Resources Research, 2020, 56(2): e2019WR025916.
（撰稿： 黄天明/页岩气与工程室，张毓然/斯坦福大学）
