CN115612630B - Fe(III)还原菌株、其培养方法、缩膨制剂及应用 - Google Patents
Fe(III)还原菌株、其培养方法、缩膨制剂及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种Fe(III)还原菌株、其培养方法、缩膨制剂及应用。Fe(III)还原菌株属于肠杆菌,拉丁学名为Enterobacter sp.,保藏编号为CGMCCNo.20480。相比于现有的菌株,将上述Fe(III)还原菌株应用于油藏开采领域时,其能够大幅提升水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化的效率,提升缩膨效果,从而能够显著降低地层开采压力,提高油藏的原油采收率。同时上述菌株还具有培养成本低、耐盐、耐酸碱的优点。
Description
技术领域
本发明涉及油藏开采领域,具体而言,涉及一种Fe(III)还原菌株、其培养方法、缩膨制剂及应用。
背景技术
我国石油资源储量多为低渗透油藏,且随着勘探的不断深入,我国已探明的石油储量中低渗透油藏占比不断提高,故而如何高效开发低渗透油藏日益受到重视。
低渗透油藏的储层环境具有以下几点特征:(1)细微裂缝结构的发育;(2)低渗、低孔及复杂多样的孔隙吼道结构;(3)粘土矿物易发生水化膨胀和其它矿物填充堵塞或封喉;(4)存在过高的低渗透油藏启动压力;(5)具有应力敏感性损伤强;(6)微裂缝和低孔隙双重介质的储层渗流环境特点;(7)存在低孔隙孔道压力等。敏感性油藏常规酸化后,虽然能够解除近井地带的污染,但由于没有消除因粘土膨胀、运移造成油层伤害的根本因素,初期效果较好,但注水压力上升快,有效期短。常规的粘土稳定剂虽然可以对油藏中粘土矿物起到抑制粘土膨胀,但是超过一定时间,防膨剂溶液中蒙脱石膨胀率也会对油层造成永久性的损害。
微生物缩膨新技术不仅要解决有效抑制粘土膨胀,还可以解决使收缩粘土膨胀体积,恢复被堵塞的地层孔隙的难题。低渗透油藏开采过程中必需采取水力压裂的方式,而水敏性油藏注水则必需加防膨剂,这一系列的操作导致开发成本过高。通常情况下,储层中水膨胀性粘土矿物(如蒙脱石)含量越高则油藏渗透率越低,水敏性越强。为防止储层发生膨胀,可通过水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化来实现。这一过程在500℃高温、100MPa高压下通常需要4~5个月;但是在异化铁还原菌的作用下,常温常压下生物转化只需2周。异化铁还原菌可将蒙脱石晶体结构中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),从而使其溶解,并生成新的非水化膨胀的黏土矿物伊利石。利用异化铁还原菌实现蒙脱石就地生物转化为伊利石,可从根本上消除由于黏土矿物蒙脱石水化膨胀导致的地层堵塞对低渗透油藏开发的不利影响。
微生物提高原油采收率(Microbial enhanced oil recovery)技术工艺简单、耗时短见效快、时效长且经济环保,已成为近年来的研究热点。在地下油藏储层中始终存在着微生物、流体(油/水)、矿物三者之间的相互作用,地层中丰富的矿物金属离子(如Fe(III))可源源不断的向微生物的生命活动提供电子受体,因此部分微生物还可参与地层矿物的形成和转化。地下深部油藏通常为高温和高岩的极端环境,含有非常丰富的本源嗜热厌氧微生物,按代谢类群可分为发酵细菌、硫酸盐还原菌、产甲烷古菌和铁还原菌。早在1927年异化铁还原作用就被科学界所认识,但直到1987年才从石油油藏中分离出第一株具有异化铁还原活性的希瓦氏菌。
1987年,Semple等首次从加拿大亚伯达中部5个油田产出液中分离出80株Shewanellaputrefaciens,其能够利用铁离子、硫代硫酸盐和亚硫酸盐作为电子受体进行兼性好氧生长。1997年,Greene等首次从英国北海Beatrice高温高盐油田生产用水中分离出一株嗜热厌氧锰铁还原菌BMAT;能利用酵母提取物、蛋白胨、酪蛋白氨基酸、胰蛋白胨、氢气、苹果酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐、丙酮酸盐、乳酸盐、琥珀酸盐和戊酸盐,能通过还原锰(IV)、铁(III)和硝酸盐获得生长所需的能量。目前已从油田环境分离出的铁还原微生物包括热袍菌目、热厌氧杆菌目、脱铁杆菌目、δ-变形菌纲脱硫单胞菌目、γ-变形菌纲希瓦氏菌属和广古菌门栖热球菌属等。
铁还原菌对温度、盐度和pH等都具有一定程度的耐受性。当油藏粘土矿物含Fe(III)时,铁还原菌利用蛋白胨、H2、Fe(III)、Mn(IV)、硝酸盐、元素硫、氧化三甲胺、各种有机酸、醇类、生物提取物等作为电子供体,无定形Fe(III)氧化物作为电子受体,将Fe(III)还原为Fe(II)获得生命活动所需能量。由于铁还原菌可通过代谢活动将Fe(III)还原为Fe(II),促使水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化,发生缩膨作用,可有效提高低渗透油藏的原油采收率,因此油藏铁还原菌必将成为研究微生物采油技术的热点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种Fe(III)还原菌株、其培养方法、缩膨制剂及应用,以解决Fe(III)还原菌株存在降压增注效果不理想,导致油藏采收率偏低的问题。
为了实现上述目的,本发明一方面提供了一种Fe(III)还原菌株,Fe(III)还原菌株属于肠杆菌,拉丁学名为Enterobacter sp.,保藏编号为CGMCCNo.20480。
本申请的第二方面还提供了一种缩膨制剂,该缩膨制剂包含本申请提供的Fe(III)还原菌株。
本申请的第三方面还提供了一种本申请提供的Fe(III)还原菌株的培养方法,Fe(III)还原菌株的培养方法包括:采用液态培养法对Fe(III)还原菌株进行扩大培养,其中采用的培养基包括:柠檬酸铁0.5~4g/L,NH4Cl 0.5~2g/L,KH2PO4 0.5~3g/L,K2HPO4 0.3~2.0g/L,MgSO4·7H2O 0.1~1.0g/L,CaCl2·2H2O 0.05~0.3g/L,葡萄糖1~20g/L,pH值为7.0~8.0。
在一种优选的实施例中,在扩大培养过程中加入激活剂,其中激活剂包括:0.0~1.8%糖蜜,0.0~0.18%酵母粉,0.0~0.45%氮源或蛋白胨,0.1~0.5mg/L MgSO4·7H2O,0.1~0.4mg/L Na2CO3,FeCl3·6H2O 0.2~10mg/L,pH=7.0~8.0。
在一种优选的实施例中,扩大培养过程中,反应体系的温度为50~75℃。
本申请的第四方面还提供了一种本申请提供的上述提供Fe(III)还原菌株或本申请提供的上述缩膨制剂在油藏开采领域的应用。
在一种优选的实施例中,上述油藏的温度为50~75℃,pH值为7.0~8.0,矿化度为15000~100000mg/L。
在一种优选的实施例中,上述油藏开采过程中,驱替注入速率为0.3~1.2mL/min,Fe(III)还原菌株的添加量为0.1~5%。
应用本发明的技术方案,相比于现有的菌株,将上述Fe(III)还原菌株应用于油藏开采领域时,其能够大幅提升水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化的效率,提升缩膨效果,从而能够显著降低地层开采压力,提高油藏的原油采收率。同时上述菌株还具有培养成本低、耐盐、耐酸碱的优点。
本发明菌株的保藏信息
Fe(III)还原菌株,属于肠杆菌,拉丁学名为Enterobacter sp.,保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏地址为:北京市朝阳区北辰路1号院3号,保藏日期为2020年8月3日,保藏编号为CGMCCNo.20480。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
正如背景技术所描述的,现有的Fe(III)还原菌株存在降压增注效果不理想,导致油藏采收率偏低的问题。为了解决上述技术问题,本申请提供了一种Fe(III)还原菌株,Fe(III)还原菌株属于肠杆菌,拉丁学名为Enterobacter sp.,保藏编号为CGMCCNo.20480。
相比于现有的菌株,将上述Fe(III)还原菌株应用于油藏开采领域时,其能够大幅提升水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化的效率,提升缩膨效果,从而能够显著降低地层开采压力,提高油藏的原油采收率。同时上述菌株还具有培养成本低、耐盐、耐酸碱的优点。
本申请的第二方面还提供了一种缩膨制剂,缩膨制剂包含本申请提供的Fe(III)还原菌株。
由于上述Fe(III)还原菌株应用于油藏开采领域时,其能够大幅提升水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化的效率,提升缩膨效果,从而能够显著降低地层开采压力,提高油藏的原油采收率。同时上述菌株还具有培养成本低、耐盐、耐酸碱的优点。因而含有其的缩膨制剂也能获得相同的效果。
上述Fe(III)还原菌株可以采用本领域常用的扩大培养法进行培养。本申请的第三方面还提供了一种本申请提供的Fe(III)还原菌株的培养方法,Fe(III)还原菌株的培养方法包括:采用液态培养法对Fe(III)还原菌株进行扩大培养,其中采用的培养基包括:柠檬酸铁0.5~4g/L,NH4Cl 0.5~2g/L,KH2PO4 0.5~3g/L,K2HPO4 0.3~2.0g/L,MgSO4·7H2O0.1~1.0g/L,CaCl2·2H2O 0.05~0.3g/L,葡萄糖1~20g/L,pH值为7.0~8.0。在液态培养过程中,采用上述组成的培养基不仅能够为菌种生长提供丰富的碳源、氮源及磷源,还能够提供以及适宜的pH及矿化度,相比于其它培养基的组成,采用上述培养基有利于进一步提高菌种的活性和产率。在一种优选的实施例中,上述培养基包括柠檬酸铁3.3g/L,NH4Cl1.0g/L,KH2PO4 1.25g/L,K2HPO4 0.722g/L,MgSO4·7H2O 0.6g/L,CaCl2·2H2O 0.1g/L,葡萄糖10g/L,pH值为7.0~8.0。
菌种在扩大培养的过程中,通常需要加入一定量菌种激活剂。只要能够起到提高菌种的生物活性的物质均可以作为激活剂,因而对其具体种类不做限定。优选地,在菌种培养过程中采用的激活剂包括:0.0~1.8%糖蜜,0.0~0.18%酵母粉,0.0~0.45%氮源或蛋白胨,0.1~0.5mg/L MgSO4·7H2O,0.1~0.4mg/L Na2CO3,FeCl3·6H2O 0.2~10mg/L,pH=7.0~8.0。上述激活剂组成简单,易于配制,因而具有较低的成本。同时在激活剂中加入酵母粉有利于使酵母菌与Fe(III)还原菌株发生协同作用,进而能够进一步提高Fe(III)还原菌株的活性和收率。
为了进一步提高菌种的收率,在一种优选的实施例中,扩大培养过程中,反应体系的温度为50~75℃。
本申请的第四方面还提供了一种本申请提供的Fe(III)还原菌株或缩膨制剂在油藏开采领域的应用。
上述Fe(III)还原菌株应用于油藏开采领域时,能够大幅提升水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化的效率,提升缩膨效果,因而能够显著降低地层开采压力,提高油藏的原油采收率。且上述菌株还具有培养成本低、耐盐、耐酸碱的优点,这有利于降低油藏开采的成本,同时拓宽Fe(III)还原菌株的应用范围。
上述Fe(III)还原菌株或缩膨制剂可以在油藏开采领域进行广泛应用。在一种优选的实施例中,油藏的温度为50~75℃,pH值为7.0~8.0,矿化度为15000~100000mg/L。上述Fe(III)还原菌株或缩膨制剂在上述开采条件下具有更优异的菌种活性和原油采收率。
在一种优选的实施例中,油藏开采过程中,驱替注入速率为0.3~1.2mL/min,Fe(III)还原菌株的添加量为0.1~5%。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述,这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
Fe(III)还原菌的富集、生长性能与功能的评价
(1)Fe(III)还原功能菌的富集培养。
Fe(III)还原功能菌的富集培养方法:按照改良后的柠檬酸铁培养基的配方配制实验用培养基,以反应液的颜色变化作为初步考察指标,考察各个样品中Fe(III)还原功能菌的富集程度。实验步骤如下:
①在125mL兼性厌氧反应瓶中加入80mL预先配置好的富集培养基(包括柠檬酸铁铵3.3g/L;NH4Cl 1.0g/L;KH2PO4 0.25g/L;K2HPO4 0.72g/L;MgSO4·7H2O 0.5g/L;CaCl2·2H2O 0.1g/L;葡萄糖10g/L;琼脂粉加量2%)。将分装完毕的厌氧瓶通入氮气驱氧10分钟后密封,将其放置于灭菌锅中灭菌;
②待灭菌后将厌氧瓶取出在超净台中冷却降温至室温后,接入10%的油藏采出油泥(含Fe(III)含量为100~1000mg/L,渗透率在10~50×10-3μm2的低渗透油藏采出泥),每个样品做2~3个平行组。35℃条件下150转/分钟摇床中培养;
③培养5~7天后,待富集培养基溶液颜色由棕黄色变成淡黄色或无色时,取占总量体积10%的悬浊菌液加入新的已灭菌的柠檬酸铁培养基中进行筛选,最少重复3次。
(2)Fe(III)还原功能菌的分离与纯化。
多轮富集培养后取溶液颜色固定由棕黄色变成淡黄色或无色的培养基采用稀释平板法分离单菌。实验步骤如下:
①取最终富集在柠檬酸铁铵固体培养基(柠檬酸铁铵3.3g/L;NH4Cl 1.0g/L;KH2PO4 0.25g/L;K2HPO4 0.72g/L;MgSO4·7H2O 0.5g/L;CaCl2·2H2O 0.1g/L;葡萄糖10g/L;琼脂粉加量2%)中的菌液在柠檬酸铁铵固体培养基上进行划线涂布,选择菌落大小相近、生长潜力好的菌落接种到柠檬酸铁铵液体培养基中。
②将液体培养基的菌液连续划线涂布3次,选择在固体培养基上生长最好的菌株制备菌液,将菌液转移到2.0毫升离心管中,以6000转/分钟离心5分钟,弃去上清液,分离出的菌液在4℃保存备用。
(3)高温油藏条件下直接培养
选择培养温度为55℃,上述步骤(2)分离出的菌液通过稀释平板涂布法接种于营养琼脂固体培养基上,将其培养7天,分离出单菌落(此类单菌落就是能够耐55℃温度的优势菌落)。然后在液体培养基(包括柠檬酸铁铵3.3g/L,NH4Cl 1.0g/L,KH2PO4 0.25g/L,K2HPO4 0.72g/L,MgSO4·7H2O 0.5g/L,CaCl2·2H2O 0.1g/L及葡萄糖10g/L)中培养,测定其菌种浓度及三价铁的还原性能。
(4)在高温油藏55℃条件下对各菌的生长性能进行评价。
具体地,采用分光光度计分别测试步骤3中获得的含上述各菌种的菌液在600nm处的吸收值OD600,以以此作为评价指标,且OD600越大,菌体浓度越高。55℃下,5株菌株生长情况如表1所示。
表1
OD600 | 第0天 | 第1天 | 第3天 | 第5天 |
空白 | 0.076 | 0.056 | 0.069 | 0.075 |
B | 0.134 | 0.215 | 0.219 | 0.219 |
DR | 0.135 | 0.387 | 0.39 | 0.382 |
B-1 | 0.124 | 0.321 | 0.335 | 0.341 |
R1 | 0.156 | 0.334 | 0.357 | 0.36 |
D | 0.154 | 0.216 | 0.228 | 0.226 |
(5)适用于高温油藏的高温70℃环境适应性生长性能评价。
将在冰箱-78℃下保存的5株高温细菌(B、DR、B-1、R1与D)用LB培养基(包括蛋白胨10g/L,酵母粉5g/L,氯化钠10g/L,pH7.0~7.2)进行菌种活化复壮,然后接种到250mL的三角瓶中,其中液体培养基为150mL,接种量为2%。培养条件为70℃,转速为150r/min。培养1天后,培养瓶中出现浑浊或有沉淀物生成,这说明菌体达到一定浓度,由于菌体生长速度快,且高温使锥形瓶中培养基水分挥发迅速,一周要转接一次。
将转接后培养11天的生长速率快、乳化性能好的DR、B-1、R1菌液进行系列稀释涂平板。稀释度选取至10-8,培养基采用完全培养基,平板在高温摇床中,70℃倒置培养,外加膜封口防止杂菌污染。70℃下倒置培养24h后进行平板菌落计数结果(CFU/mL),如表2所示。
表2
同时R1菌的菌体浓度达到了108个/mL,DR和B-1的菌浓较少,菌液浓度只有105个/mL。48h后3株菌在平板上的菌落形态如下:
R1:褐色、湿润、凸起、菌落半径2mm、有油光泽;DR:透明、干燥、平坦、菌落半径3mm;B-1:白色、菌落小、菌落半径1mm。
(6)高温油藏55℃条件下各菌铁还原性能评价。
Fe(Ⅲ)及Fe(Ⅱ)的含量进行测定以量化各菌的铁还原能力。
55℃(目标油藏的实际温度)条件下各菌的铁还原效果如表3所示。
表3
通过表3可以看出,菌株B-1的还原率最高,但是综合考虑菌种浓度和还原率的角度考虑,最优菌株为R1。(该菌株记为本申请所要保护的Fe(III)还原菌株,拉丁学名为Enterobactersp.,保藏编号为CGMCCNo.20480)
Fe(III)还原功能菌缩膨降压增注提高原油采收率物模实验
本实验以外源Fe(III)还原功能菌R1和营养激活后内源通道减阻功能微生物(记为内源菌,其不包含本申请提到的Fe(III)还原功能菌R1)作为试验菌源,考察了外、内源功能菌在不同注入菌浓以及不同驱替速率条件下作用前后岩心的渗透率、注入压力和原油采收率等变化。
1、实验材料和仪器
①实验用培养基
无机盐培养基(g/L)包括:NaNO3 10,NaMo4 0.08,MgSO4 0.2,KH2PO4 1.0,(NH4)3PO41.0,蔗糖添加量为0.2wt%,pH为7.0~7.2。
营养激活剂培养基包括:糖蜜0.9wt%,酵母粉0.15wt%,NH4Cl 0.1wt%,MgSO4·7H2O 0.3mg/L,Na2CO3 0.25mg/L和FeCl3·6H2O 0.6mg/L,pH为7.0~7.2。
②实验用水:取自新疆油田低渗透油藏正常水驱车362注水井注入水,矿化度为14589mg/L,pH为7.0~7.2。
③实验用岩心为渗透率分别是10-50mD与1-10mD的人造岩心(岩心中蒙脱石矿物的含量为8%-10%)。岩心参数:直径为2.5cm,长度为10cm。
④实验用油:取自新疆采油一厂车362区块,车CH3695采出液分离出的原油密度小于0.86),原油在10000转/分钟的条件下,离心8分钟进行脱水处理。
⑤实验菌源:
外源Fe(III)还原菌:取2.0mL R1菌(已筛选出Fe(III)还原效果最优菌种)的保存菌种液在100mL的LB培养基(与上述组成相同)中活化培养12h。取1.0mL活化后的菌液注入100mL上述无机盐培养基中培养24h。经无机盐培养基培养后,CA菌达到生长对数期,此时菌液作为实验用菌液。
内源通道减阻功能微生物的激活:向500mL实验用水中加入营养激活剂(用量为实验用水体积的30%),在55±2℃,150r/min的恒温摇床中培养48h。富集培养后的反应液作为岩石试验中微生物注入液。
实验周期:前期注入原油和微生物为8~10天;中期“闷井”20~30天;后期测定微生物驱油实验为3~4天。
1~10mD岩心在不同菌浓和驱替速率下水驱压力值变化见表4。
10~50mD与岩心1~10mD岩心驱替提高原油采收率的结果见表5,MEOR%表示微生物强化采油的采收率。
表4
表5
由表4可知,1~10mD岩心在不同的驱替速度和不同的菌种浓度下,加入外源菌后,水驱压力值的下降幅度明显增大。10~50mD岩心在不同菌种浓度和驱替速率下水驱压力值变化趋势与上述变化趋势保持一致。
由表5可知,无论是1~10mD驱替还是10~50mD驱替的采收率结果,相比于内源菌,加入外源菌后,稠油采收率均明显提升。
从以上的描述中,可以看出,本发明上述的实施例实现了如下技术效果:相比于现有的菌株,将上述Fe(III)还原菌株应用于油藏开采领域时,其能够大幅提升水膨胀性粘土矿物(蒙脱石)向非水膨胀性黏土矿物(伊利石)转化的效率,提升缩膨效果,从而能够显著降低地层开采压力,提高油藏的原油采收率。同时上述菌株还具有培养成本低、耐盐、耐酸碱的优点。
需要说明的是,本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种Fe(III)还原菌株,其特征在于,所述Fe(III)还原菌株属于肠杆菌,拉丁学名为Enterobacter sp.,保藏编号为CGMCCNo. 20480。
2.一种缩膨制剂,其特征在于,所述缩膨制剂包含权利要求1所述的Fe(III)还原菌株。
3.一种权利要求1所述的Fe(III)还原菌株的培养方法,其特征在于,所述Fe(III)还原菌株的培养方法包括:采用液态培养法对所述Fe(III)还原菌株进行扩大培养,其中采用的培养基包括:柠檬酸铁0.5~4g/L,NH4Cl 0.5~2g/L, KH2PO4 0.5~3g/L,K2HPO4 0.3~2.0g/L, MgSO4·7H2O 0.1~1.0g/L, CaCl2·2H2O 0.05~0.3g/L,葡萄糖1~20g/L,pH值为7.0~8.0。
4.根据权利要求3所述的Fe(III)还原菌株的培养方法,其特征在于,在所述扩大培养过程中加入激活剂,其中所述激活剂包括:0.0~1.8%糖蜜,0.0~0.18%酵母粉,0.0~0.45%蛋白胨,0.1~0.5mg/L MgSO4·7H2O,0.1~0.4 mg/L Na2CO3,FeCl3·6H2O 0.2~10 mg/L,pH=7.0~8.0。
5.根据权利要求3或4所述的Fe(III)还原菌株的培养方法,其特征在于,所述扩大培养过程中,反应体系的温度为50~75℃。
6.一种权利要求1所述的Fe(III)还原菌株或权利要求2所述的缩膨制剂在油藏开采领域的应用,其特征在于,所述应用为提升水膨胀性粘土矿物向非水膨胀性黏土矿物转化、提升缩膨效果、降低地层开采压力或提高油藏的原油采收率。
7.根据权利要求6所述的Fe(III)还原菌株或缩膨制剂在油藏开采领域的应用,其特征在于,油藏开采过程中,驱替注入速率为0.3~1.2mL/min,所述Fe(III)还原菌株的添加量为0.1~5%。
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一株具有铁还原与脱氯活性的产气肠杆菌;李晓敏等;第四次全国土壤生物和生物化学学术研讨会;全文 * |
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