CN104212431A - 一种石油内源微生物激活体系及其筛选方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油开采领域,具体涉及一种石油内源微生物激活体系及其筛选方法和应用,本发明提供一种石油内源微生物激活体系,包含无机盐溶液和激活剂,其中,激活剂包括碳源、磷源和氮源激活剂,所述碳源激活剂包括糖蜜,所述磷源激活剂包括K2HPO4,所述氮源激活剂选自NaNO3、NH4Cl或NH4NO3的一种或一种以上;还提供一种石油内源微生物激活体系的筛选方法,包括以下步骤:(1)使用无机盐溶液模拟地层水,用单因素实验筛选激活剂组分及浓度范围;(2)用Plackett-Burman、爬坡实验、CCD实验筛选出激活剂中各重要组分及其最佳浓度;还提供石油内源微生物激活体系在石油降解、石油开采领域中的应用;本发明的激活体系低廉高效,筛选方法简单快捷,可有效提高石油采收率。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采领域,尤其是油藏内源微生物的激活领域,具体涉及一种石油内源微生物激活体系及其筛选方法和应用。
背景技术
油藏中内源微生物在种类和数量可能并不多,主要是由于地层中营养的限制,如果提供适当的营养,可激活这些内源微生物,并在油藏中大量繁殖。江汉石油学院研究认为,微生物一般都需要含磷化合物(如各种有机和无机磷酸盐)、含氮化合物(如氯化铵之类的含铵化合物、硝酸钾之类的硝酸盐以及氨基酸和肽之类的有机氮)、含碳化合物(如脂肪、蛋白质、简单的碳水化合物和复杂的碳水化合物)、硫、氢、维生素、CO2和各种微量元素等,而地层中一般会缺乏这些营养物中的一种或几种。
内源微生物驱油技术就是通过注入激活剂来激活油藏内部的有益微生物,一方面利用微生物菌体本身对原油的直接作用,改善原油物性,改善原油的流动性;另一方面利用微生物在油藏中的代谢作用及代谢产物( 如生物表面活性、生物气、生物聚合物、有机酸及有机溶剂等),来提高原油采收率。
微生物能产生表面活性物质,即生物表面活性剂,生物表面活性剂是具有表面活性的两性化合物,与化学合成的表面活性剂相似,它们除具有降低表面张力、稳定乳化液和发泡等特性外,还具有一般化学合成表面活性剂所不具备特性,如:无毒、能生物降解等待性,因而有利于环境保护。
微生物还可产生类似于醇、醛或酮类物质,这些物质相当于有机溶剂,可溶解一些析出的原油组份。细菌产生的溶剂一般为低分子醇、酮,它们在微乳化中作为典型的助表面活性剂;在一定条件下,醇和酮还能降低表面张力和界面张力(IFT),促进乳化,并有助于微乳液的稳定。
程海鹰等通过投加玉米浆为碳源,加入KNO3为氮源,可有效激活原油中微生物生长,油田现场应用可提高残油采收率6%以上。
袁书文模拟胜利油田中一区的油藏环境温度和压力,考察了碳源,如葡萄糖,淀粉水解液,全面淀粉等,均能有效激活油藏内源微生物群落生长,溶氧有利于提高微生物表活物质的含量,从而降低表面张力,提高油水乳化能力。
申请号为03111809.7的发明中研究模拟特定油藏环境进行激活实验,根据现成情况确定激活剂配方,达到内源微生物驱油效果。
申请号为200910247062.1的发明中随注入水向目标油藏注入激活剂、外源菌及空气达到驱油效果,所述乳化激活剂配方为:1~3wt‰糖蜜、40~45wt‰长链烷烃、磷酸氢二钾0.8~1.5wt‰、硝酸铵2~5wt‰。
申请号为201010146472.X的发明中向油藏中注入石油烃降解菌的培养液(溶剂是水,溶质是30g/L 的糖蜜,10g/L 的尿素,8g/L 的磷酸氢二铵,0.2g/L 的酵母膏),达到驱油效果。
上述现有技术的引证文件(包括文献和专利)分别为:
程海鹰, 王修林, 徐登霆, 等. 内源微生物提高采收率实验研究[J]. 石油勘探与开发, 2006, 33(1): 91-95.
袁书文. 模拟油藏条件下内源微生物菌群变化与驱油效能研究[D]. 中国海洋大学, 2011.
一种利用油藏内源微生物驱油的方法, 申请号: 03111809.7, 发明(设计)人: 汪卫东等.
利用共生繁殖与复合代谢提高石油采收率的方法及微生物制剂, 申请号: 200910247062.1, 发明(设计)人: 王新民.
一种微生物采油方法, 申请号: 201010146472.X, 发明(设计)人: 吴晓磊等。
发明内容
本发明解决的技术问题是:现有技术中存在成本高,培养时间长,对于激活物质配比不合适,激活物质的加入造成环境污染,一些试剂不易得到或其存放有一定的危险性等问题。
与现有技术相比,本方法所涉及激活剂,微生物生长迅速,活性高,能产生表面活性物质,改变石油物性,降低油水界面张力,可以明显降低稠油的粘度,有利于石油的乳化。且激活剂可生物降解,无毒性,有利于环境。
本发明提供一种有效的方法,可以激活原油中的微生物,从而达到改变石油物性,提高乳化能力的目的。本方法有效地激活了原油中的假单胞菌属,芽孢杆菌菌属等,其中芽孢杆菌对石油有明显乳化效果,本方法利用培养基对菌种进行分离钝化,可以有效地保存菌种。
人工培养基对不同微生物富集效果不完全相同,从而导致所培养富集的各种微生物的相对数量与实际环境中的相对数量出现偏差,本方法采用PCR-DGGE可以有效的确定微生物群落的结构组成。
该方法工序简单,适用范围广,易操作,不污染环境,投入费用低,无能耗,可用于微生物采油,特别适用于油田的后期采油,拥有广泛的应用前景。
本发明开发出这样一种方法,该方法筛选出针对石油起到影响因素的激活物质,通过配比因子实验,筛选出最优的浓度范围,组成合适的激活体系,可以成功的激活油藏内源微生物,并且通过这些微生物本身及其代谢作用于油藏,可以有效的提高原油采收率,具体技术方案如下:
本发明提供一种石油内源微生物激活体系,包含无机盐溶液和激活剂,其中,激活剂包括碳源、磷源和氮源激活剂,所述碳源激活剂包括糖蜜,所述磷源激活剂包括K2HPO4,所述氮源激活剂选自NaNO3、NH4Cl或NH4NO3的一种或一种以上。
优选的,上述激活体系中,激活剂包括以下组分(g/L):糖蜜:1~5,K2HPO4:2~5,NaNO3:0.5~2.5和NH4Cl:0.5~4.5。
优选的,上述激活体系中,激活剂包括以下组分(g/L):糖蜜:1~5,K2HPO4:2~5和NH4NO3:0.7-6.7。
优选的,上述激活体系中,激活剂包括以下组分(g/L):糖蜜:2~4,K2HPO4:3.32~4.60和NH4Cl:2.54~3.10。
优选的,上述激活体系中,所述无机盐溶液含有氯化钠、CaCl2和MgCl2。且其用量分别根据地层水的矿化度、钙离子含量和镁离子含量确定。
本发明还提供上述激活体系的筛选方法,包括以下步骤:
(1)使用无机盐溶液模拟地层水,用单因素实验筛选激活剂组分及浓度范围;(2)用Plackett-Burman、爬坡实验、CCD实验筛选出激活剂中各重要组分及其最佳浓度。
优选的,上述筛选方法中,模拟地层水的无机盐包括氯化钠、CaCl2和MgCl2,根据地层水的矿化度确定氯化钠的用量,根据地层水的钙离子含量确定CaCl2的用量,根据地层水的镁离子含量确定MgCl2的用量。
优选的,上述筛选方法中,单因素实验所选碳源选自玉米浆干粉,糖蜜或蔗糖。
优选的,上述筛选方法中,单因素实验所选磷源选自Na2HPO4、K2HPO4或(NH4)2HPO4。
优选的,上述筛选方法中,单因素实验所选氮源选自NaNO3、KNO3、NH4Cl或NH4NO3中的一种或一种以上。
本发明还提供根据上述筛选方法筛选出的激活体系。
本发明还提供上述内源微生物激活体系在石油降解和石油开采领域中的应用。
本发明筛选出的激活体系可成功激活油藏内源微生物,激活后的原油内源微生物由3个属增加到8个属,其中,芽孢杆菌的含量显著增加,激活效果明显,由于芽孢杆菌能消耗石油中分子量较高的烃类,可降低石油粘度,提高采收率,因此,本发明在不造成环境污染的前提下,提供了一种快捷的激活剂筛选方法及高效的石油内源微生物激活体系。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中不同活性发酵液排油圈大小的效果图。
图2-a~图2-f是本发明具体实施方式中表1中观察法标定原油乳化分散效果标准的参照图,其中图2-a是等级为--的参照图,图2-b是等级为-的参照图,图2-c是等级为+的参照图,图2-d是等级为++的参照图,图2-e是等级为+++的参照图,图2-f是等级为++++的参照图。
图3是本发明实施例二中爬坡实验结果图。
图4是本发明实施例四中不同类型培养基从原油中分离的细菌类群组成图,其中,1为柠檬酸杆菌属,2为希瓦氏菌属,3为短波单胞菌属。
图5是本发明实施例四中不同类型培养基从添加激活剂的培养液中分离的细菌类群组成图,其中,1为柠檬酸杆菌属,4为假单胞菌属,5为葡糖球菌属,6为盐单胞菌属,7为肠杆菌属,8为埃希菌属,9为拉乌尔菌属,10为芽孢杆菌属。
具体实施方式
本发明中石油内源微生物的筛选方法为:(1)使用无机盐溶液模拟地层水,用单因素实验筛选激活剂组分及浓度范围;(2)用Plackett-Burman、爬坡实验、CCD实验筛选出激活剂中各重要组分及其最佳浓度。
在本发明的一种优选筛选方法中,具体实施方法为:
1. 石油乳化考察指标
(1) 菌种生长浓度测定指标
在没有实际地层水条件下,根据油田之前测定的地层水中的矿化度及钙镁含量,在清水中添加适量的NaCl、CaCl2、MgCl2用于配置模拟地层水。选取玉米浆干粉、糖蜜或蔗糖为碳源,Na2HPO4、K2HPO4或(NH4)2HPO4为磷源,NaNO3、KNO3、NH4NO3或NH4Cl为氮源,分别进行单因素实验。以油藏地层实际温度进行培养。利用紫外分光光度计测定OD600,从而确定微生物的生长情况。
测定方法:取1mL培养液样品,5000r/min,3min离心,去除上清培养基和油层,收集菌体,用无菌水重悬菌体,再次离心,收集菌体,用1mL无菌水定容,用振荡器充分振荡重悬菌体。将洗涤重悬菌体稀释三倍于紫外分光光度仪600nm波长下测量OD值,记录数据。
(2)原油乳化分散效果测定指标
微生物代谢过程中产生的表面活性剂可以降低油水界面张力,降低原油粘度,促进水油互溶。因此,微生物对原油的乳化分散是评价激活剂激活效果的一种快速有效指标。
检测方法:在一个直径9cm的玻璃平皿中加入200mL蒸馏水,在中心位置加入200μL由苏丹红染红的液体石蜡,静置30min,待液体石蜡均匀分布于水面中央后,再在石蜡中心加入10μL发酵液,静置30s,设置对照组发酵液作为阴性对照。如产生排油圈,则证明培养液中存在生物表面活性物质,根据坐标纸测量发酵液产生排油圈的大小。不同排油圈活性发酵液排油圈大小的效果图如图1所示。
(3)表观指标
本试验采用观察法对发酵液中原油乳化分散效果进行评价,将原油乳化分散效果分为“----”到“++++”六个等级,标定标准如表1,观察法标定原油乳化分散效果标准参照图如图2-a~2-f。
表1 观察法标定原油乳化分散效果标定标准
2. 激活剂组分及浓度范围的确定
采用单因素实验,向原油中加入模拟地表水的无机盐溶液和待考察影响因子,进行培养,测定菌种生长浓度和原油乳化分散效果,确定最佳碳源、磷源和氮源其影响浓度范围。
3. 激活剂各组分最佳浓度的确定
(1)Plackett-Burman 实验及爬坡实验
Plackett-Burman 实验以内源菌菌群菌浓度OD600为检测指标,考察不同激活剂对内源菌菌群生长激活情况,利用Design experts 设计分析软件进行数据处理与分析,得到考察因素对考察指标影响的显著性情况。根据结果确定重要因素的最低浓度范围及步长,进行爬坡实验,确定最佳浓度。
(2)CCD实验
以上述最佳浓度为中心,设计一组实验对激活剂浓度变化范围,对各因素间的影响进行考察,利用拟合值与实测值进行比较,确定最优化结果。
3. 所激活微生物群落结构分析
选取不同的培养基,培养激活前后的菌液,保存菌种后,挑取一定数量菌落,提取DNA,进行PCR扩增并测序,根据测序结果鉴定种属。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的激活体系及筛选方法。
在下面的实施例中,所用的各试剂和仪器的型号和来源如表2和表3所示,表2中所述有效含量为所述提供元素占所述激活剂成分的质量分数。
表2 实施例中所用试剂信息表
表3 实施例中所用设备信息表
实施例一
本发明通过单因素实验来筛选激活剂组分,并且确定激活剂的适宜浓度范围,具体实验过程如下:
针对石油内源微生物的激活剂种类确定实验,选取玉米浆干粉、糖蜜或蔗糖为碳源,Na2HPO4、K2HPO4或(NH4)2HPO4为磷源,NaNO3、KNO3或NH4NO3为氮源(同时作为硫酸盐还原菌抑制剂),分别进行单因素试验,确定最佳碳源、磷源和氮源其影响浓度范围。
测定方法:向150ml三角瓶中加入100mL无机盐溶液和待考察影响因子,做三平行样,121℃灭菌30min后,加入4g长庆油田原油,于30℃,摇床120rpm/min,振荡培养15天,激活体系为无机盐溶液+相应激活剂,其中无机盐溶液根据长庆油田之前的地层水的矿化度及钙镁含量选择NaCl添加量为40g/L,CaCl2添加量为1g/L,MgCl2添加量为2g/L。
根据激活剂种类单因素试验结果,以糖蜜为碳源的实验样品,石油乳化分散性较好,排油圈直径为2.0mm,表观效果为+++,菌体浓度与糖蜜浓度正相关;磷源以K2HPO4效果较好,排油圈直径为2.7mm,表观效果为++;氮源以NH4NO3效果较好,排油圈直径为1.8mm,表观效果为++其中有双重有效成分NO3 -和NH4+,但考虑到到其经济效益,所以选择NaNO3和NH4Cl来替代。确定各激活剂浓度影响范围,K2HPO4:2~5g/L;糖蜜:1~5g/L;NaNO3:0.5~2.5 g/L;NH4Cl:0.5~4.5 g/L。
实施例二
本发明通过Plackett-Burman实验来测定不同激活体系的组分对菌浓度的影响情况,确定对菌浓度影响最显著的激活剂,并且确定产生影响的最适浓度,具体实验过程如下:
Plackett-Burman实验以内源菌菌群菌浓度OD600为检测指标,采用来自长庆油田的原油,考察不同激活剂对内源菌菌群生长激活情况,利用Design experts V8.0设计分析软件进行数据处理与分析,得到考察因素对考察指标影响的显著性情况。
实验对糖蜜、K2HPO4、NH4Cl、NaNO3、MgCl2、CaCl2六种因素作为激活剂成分进行全面的考察,另外还包括5个空项作为误差分析。采用实验次数N=12的实验设计法,在上述确定的范围中每个因素取高、低两个水平。
结果表明,在试验设计的水平范围内,糖蜜、K2HPO4、NH4Cl对菌群生长激活作用均有显著的影响,其影响表现为高水平正影响。
根据上述结果,确定起始点,并确定步长,根据步长进行爬坡实验。根据该方法确定激活剂最适的浓度范围。根据Plackett-Burman实验得到糖蜜、K2HPO4、NH4Cl的起始量分别为1.5 g/L,3.00 g/L,2.40 g/L。取基本步长分别为0.5 g/L,0.32 g/L,0.14 g/L,设计了8组实验,由爬坡实验的结果可知,最佳浓度范围为糖蜜:2~4,K2HPO4:3.32~4.60,NH4Cl:2.54~3.10。其中第4个实验点的排油圈最大,此时,糖蜜、K2HPO4、NH4Cl的最佳浓度分别为3.0g/L、3.96g/L、2.82g/L。爬坡实验结果如图3所示。
实施例三
本发明通过CCD实验确定并验证最优化结果,具体实验过程如下:
选择以上爬坡实验第4实验点(糖蜜:3.0g/L;K2HPO4:3.96g/L;NH4Cl:2.82g/L)为中心点,设计一组实验对激活剂最佳浓度及各因素间的影响进行考察,利用拟合值与实测值进行比较,确定最优化结果为,最佳激活体系各组分的浓度为:糖蜜含量为3g/L,K2HPO4为4g/L和NH4Cl为2.5 g/L。
向150mL三角瓶中加入100mL激活体系,其中糖蜜含量为3g/L,K2HPO4为4g/L;NH4Cl为2.5 g/L,做三个平行样,121℃灭菌30min后,加入4g长庆油田原油。30℃,120rpm/min,振荡培养。与15天后取样,测得其菌浓平均值为0.62,排油圈平均直径为10.3mm,观测结果分别为++,++++,++。
也就是说,上述实验表明本发明最终确定的最佳激活体系激活原油中的微生物后,能够很好地使原油溶于发酵液,可以达到如图2-f所示的最佳等级++++分散效果。
实施例四
本发明采用PCR-DGGE方法确定微生物群落结构组成,具体实施方案如下:
(1)激活前石油内源微生物考察
1)在超净实验台中,用涂布棒,取0.1g长庆油田原油,分别在LB固体培养基、人工海水固体培养基和基础无机盐固体培养基配置的平板上涂至均匀,30℃温箱,静置培养,至平板上长出菌落,将所有单菌,转接到LB液体培养基中培养,待浑浊后利用甘油保存菌种,取750微升菌液、750微升40%甘油,于冷存管中吹吸混匀,每株菌保藏2管,放入-80℃冰箱保藏。其中LB固体培养基:NaCl 10.0g,Peptone 10.0g,Yeast extract 5.0g,琼脂粉17g,加去离子水定容至1L。人工海水固体培养基:NaCl 24g,Na2SO4 4g,KCl 0.68g,KBr 0.1g,MgCl2H2O 5.4g, CaCl22H2O 1.5g,NH4Cl 0.5g,NaHCO3 0.2g, H3BO3 0.025g, SrCl26H2O 0.024 g, Na2HPO4 0.04g, NaF 0.002g,Peptone 5g,Yeast extract 1g,琼脂粉17g,加去离子水定容至1L。基础无机盐固体培养基:5 g NaCl, 1 g NH4H2PO4, 1 g (NH4)2SO4, 1 g K2HPO4, 3 g KNO3,琼脂粉17g,加去离子水定容至1L。LB液体培养基:NaCl 10.0g,胰蛋白胨 10.0g,酵母提取物 5.0g,加去离子水定容至1L。以上除Peptone、Yeast extract和琼脂粉购买自北京拜耳迪外,NaCl等其它试剂均购买自国药集团。
2)根据上述所有菌落信息进行分类,每类挑取一定数量菌落,提取其DNA,进行PCR扩增并测序,根据测序结构鉴定种属。
(2)激活后石油内源微生物考察
1)在超净实验台中,取激活后菌液,经稀释后,分别在LB固体培养基、人工海水固体培养基和基础无机盐固体培养基配制的平板上涂至均匀,30℃温箱,静置培养,至平板上长出菌落,将所有单菌,转接到LB液体培养基中培养,待浑浊后利用甘油保存菌种,取750微升菌液、750微升40%甘油,于冷存管中吹吸混匀,每株菌保藏2管,放入-80℃冰箱保藏。
2)根据上述所有菌落信息进行分类,每类挑取一定数量菌落,提取其DNA,进行PCR扩增并测序,根据测序结构鉴定种属。
采用LB固体培养基、人工海水固体培养基和基础无机盐固体培养基这3种不同的培养基分离激活前后的细菌,激活前为3个属,柠檬杆菌属(Citrobacter)、希瓦氏菌属(Shewanella)和短波单胞菌属(Brevundimonas),其中,希瓦氏菌属为优势菌群。激活后增加到8个属,分别是芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、盐单胞菌属(Halomonas)、葡糖球菌属(Staphylococcus)、肠杆菌属(Enterobacter)、拉乌尔菌属(Raoultella)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter)和埃希菌属(Escherichia),其中芽孢杆菌属为优势菌群,图4和图5(纵坐标所指的百分含量为各菌属的数量百分数)分别为激活前后在不同培养基中的群落组成。由此可见,采用本发明的激活体系可以有效激活以下菌属的菌株生长:芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、盐单胞菌属(Halomonas)、葡糖球菌属(Staphylococcus)、肠杆菌属(Enterobacter)、拉乌尔菌属(Raoultella)和埃希菌属(Escherichia)。
采用Shannon-Wiener指数(H)考察石油激活体系微生物群落多样性,结果如表4所示,其中MBM指基础无机盐固体培养基,ASW为人工海水固体培养基。经过香浓维纳指数可以看出,激活后每一对应类型的培养基分离所得菌的多样性都显著增加。
表4 激活前后不同培养基多样性对比
本领域已知的是,有些微生物如假单胞菌,可能产生有机酸、表面活性剂等,有助于提高石油乳化效率;芽孢杆菌能消耗分子量较高的烃类,有助于降低石油粘度,增强其流动性。由本发明的实施例四可知,本发明所选用的激活体系可有效激活原油中的芽孢杆菌(激活后芽孢杆菌在海水培养基、无机盐培养基和LB培养基中所占的数量比例分别为68%、50%和88%),从而提高采油效率。
因此,由上述的实施例可得出:本发明的激活体系选用成本较低的原料,可有效激活原油内源微生物,增强对石油的降解能力,提高采油效率;本发明的筛选方法简单有效,可在保证激活剂效率的前提下,节约原料,降低成本。
Claims (12)
1.一种石油内源微生物激活体系,包含无机盐溶液和激活剂,其中,激活剂包括碳源、磷源和氮源激活剂,所述碳源激活剂包括糖蜜,所述磷源激活剂包括K2HPO4,所述氮源激活剂选自NaNO3、NH4Cl或NH4NO3的一种或一种以上。
2.根据权利要求1所述的激活体系,其中,激活剂包括以下组分(g/L):糖蜜:1~5,K2HPO4:2~5,NaNO3:0.5~2.5和NH4Cl:0.5~4.5。
3.根据权利要求1所述的激活体系,其中,激活剂包括以下组分(g/L):糖蜜:1~5,K2HPO4:2~5和NH4NO3:0.7-6.7。
4.根据权利要求1所述的激活体系,其中,激活剂包括以下组分(g/L):糖蜜:2~4,K2HPO4:3.32~4.60和NH4Cl:2.54~3.10。
5.根据权利要求1~4任一项所述的激活体系,其中,所述无机盐溶液含有氯化钠、CaCl2和MgCl2。
6.根据权利要求1~5任一项所述的激活体系的筛选方法,包括以下步骤:
(1)使用无机盐溶液模拟地层水,用单因素实验筛选激活剂组分及浓度范围;(2)用Plackett-Burman、爬坡实验、CCD实验筛选出激活剂中各重要组分及其最佳浓度。
7.根据权利要求6所述的筛选方法,其中,模拟地层水的无机盐包括氯化钠、CaCl2和MgCl2,根据地层水的矿化度确定氯化钠的用量,根据地层水的钙离子含量确定CaCl2的用量,根据地层水的镁离子含量确定MgCl2的用量。
8.根据权利要求6或7所述的筛选方法,其中,单因素实验所选碳源选自玉米浆干粉,糖蜜或蔗糖。
9.根据权利要求6~8任一项所述的筛选方法,其中,单因素实验所选磷源选自Na2HPO4、K2HPO4或(NH4)2HPO4。
10.根据权利要求6~9任一项所述的筛选方法,其中,单因素实验所选氮源选自NaNO3、KNO3、NH4Cl或NH4NO3中的一种或一种以上。
11.根据权利要求6~10任一项所述筛选方法筛选出的激活体系。
12.权利要求1~5或权利要求11任一项所述的内源微生物激活体系在石油降解和石油开采领域中的应用。
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