聚丙烯酰胺降解菌的研究進展及展望

何天琪（大連工業(yè)大學， 遼寧 大連 116034）

1 聚丙烯酰胺在石油工業(yè)中的應用現(xiàn)狀

聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺單體經(jīng)自由基引發(fā)聚合而成的水溶性線性高分子聚合物。具有良好的絮凝性、增稠性、降阻性、耐剪切性[1]，被廣泛用于石油開采、水處理、醫(yī)藥等領域，有“萬能產(chǎn)品”和“百業(yè)助劑”之稱[2]。

隨著石化能源的日趨緊張，提高油田采油率已成為石油領域的當務之急。但油田進入高含水的開發(fā)后期，現(xiàn)有技術難以滿足需求。聚合物驅油三次采油技術逐漸成為提高原油采收率的重要方法之一[3]，部分水解聚丙烯酰胺(Hydrolyzed polyacrylamide，HPAM)因其高相對分子量和低濃度水溶液的高粘性，在油田的勘探開發(fā)中廣泛用于鉆井液的添加劑[4]。隨著油田聚合物驅技術的日趨推廣，大量聚合物在注入井附近的滯留，造成注入能力下降，降低采油率；殘留在環(huán)境中的HPAM會發(fā)生緩慢降解，釋放出有毒的丙烯酰胺單體，在地面水體和地下水中長期滯留，對當?shù)丨h(huán)境造成潛在危害[5]。鑒于此，找到環(huán)保、高效的解堵劑緩解近井地帶的堵塞和降低污染，具有重大現(xiàn)實意義。

2 聚丙烯酰胺的生物降解法

微生物可以HPAM為營養(yǎng)源，生長代謝過程中通過一系列由各種微生物酶參與的反應，長鏈HPAM被斷裂成可被微生物利用的短鏈小分子有機物[6]。降解產(chǎn)物能夠作為細菌生命活動的營養(yǎng)物質，細菌對營養(yǎng)物質的消耗又能促進HPAM的降解和液體粘度的降低。因此，采用微生物降解菌對滯留近井壁地層空隙中的HPAM進行降解以解除對儲層造成的傷害，是解決采油過程中由HPAM引起的堵塞和環(huán)境污染問題的有效手段。

3 微生物降解聚丙烯酰胺的研究進展

3.1 聚丙烯酰胺降解菌初探

對微生物降解HPAM的最早研究是1978年由Suzuki等針對其能否被降解、作為碳源還是氮源被利用等方面，研究認為HPAM不能被完全降解。Kunichika等從活性污泥中分離得到能以HPAM為唯一碳源和氮源的兩株降解菌，可使培養(yǎng)液中HPAM的分子量降低，但微生物不能利用其中的酰胺部分，HPAM不能完全被降解。Kay-Shoemake等研究土壤中固氮菌對HPAM的降解，發(fā)現(xiàn)有些微生物能分泌出胞外酰胺酶，催化水解聚合物骨架中的碳氮部分。

3.2 硫酸鹽還原菌對聚丙烯酰胺的降解

后續(xù)研究表明，硫酸鹽還原菌在HPAM體系中的生長能力最強，對HPAM黏度影響也最大。該菌能以HPAM為碳源，以硫酸根為最終電子受體生長繁殖，對HPAM進行分解代謝。黃峰等從油田采出水中培養(yǎng)的硫酸鹽還原菌可降解HPAM，且菌體接種量、溶液p H值等對降解都有影響。張興福等應用厭氧Hungate技術，分離到以HPAM為惟一碳源的降解菌，菌株作用前后HPAM分子鏈上的酰胺基水解成羧基，側鏈降解，溶液黏度發(fā)生顯著下降。趙敏以Hungate滾管法從含聚污水中分離出一株能在無碳源含聚培養(yǎng)基中生長的菌，最佳條件為40℃、pH8.0，10d降解率為24%。魏利等采用厭氧Hungate技術，從油田采出液中分離出硫酸鹽還原性HPAM降解菌，最佳條件為38℃、pH 8.0，20d降解率為61.2%，溶液粘度顯著下降。

3.3 芽孢桿菌和不動桿菌對聚丙烯酰胺的降解

包木太等從油田采出液中篩選的芽孢桿菌在35℃、p H 7.5時，HPAM降解率為38.4%，且聚合物斷鏈生成低分子化合物碎片，降解產(chǎn)物對環(huán)境無二次污染。李淑芹等從HPAM生產(chǎn)廠區(qū)土壤中采用平板脅迫馴化法篩選出一株枯草芽孢桿菌，在30℃、p H9.0時，HPAM降解率達45.04 %。陳慶國等從勝坨含聚污水中得到的好氧HPAM降解菌，產(chǎn)物中酰胺基團被轉化為羧基，無丙烯酰胺單體被發(fā)現(xiàn)，鑒定知是蠟樣芽胞桿菌和枯草芽孢桿菌。任國領從油藏采出水中得出一株不動桿菌，能在以HPAM為惟一碳源的無機鹽培養(yǎng)基中生長，降解率為33%。

4 展望

目前，經(jīng)過諸多學者努力，對HPAM降解菌的研究已取得了相當大進展。上述研究結果表明，HPAM降解菌可降解長鏈大分子聚合物，解除近井堵塞，采油井產(chǎn)液量顯著提高[ ]。同時可減少外排污水中的HPAM含量，達到環(huán)境友好的目的。微生物降解法在油田解堵和含聚污水處理領域具有獨特的優(yōu)勢，應用前景廣闊，但諸多問題仍有待解決。

下一步研究可針對：①過氣質聯(lián)用、核磁共振等技術結合，加強對降解產(chǎn)物的成分分析，深入探討其代謝途徑、代謝產(chǎn)物的種類和毒性等。②因油田采出液的成分較為復雜，復合菌具有協(xié)調機制，可能具有較高降解效果。但具體機制尚不清晰，降解菌之間底物的利用關系、協(xié)同生長作用機理等仍有待進一步的研究。需建立一套有效的篩選方法，通過方差、極差分析等統(tǒng)計學手段優(yōu)化實驗條件，找到降解率高、穩(wěn)定性好的菌群。③目前大部分菌株都是在實驗室條件下篩得，少有能大規(guī)模降解HPAM的菌株，因此篩選出高效穩(wěn)定的HPAM降解菌將在實際工業(yè)生產(chǎn)中大有可為。

[1]劉鵬程.丙烯酰胺類單體的可控自由基聚合研究[D].北京化工大學,2013.

[2]詹亞力，郭紹輝，閏光緒．部分水解聚丙烯酰胺降解研究進展[J]．高分子通報，2004，2 ：70．7.

[3]李振泉．勝利油田勝坨二區(qū)聚合物驅油的試驗進展[J]．石油煉制與化工，2004，35(10) ：56．59．

[4]呂松濤．勝利油田微生物法丙烯酰胺及聚丙烯酰胺工藝設計[J]．石油規(guī)劃設計，2003，14(3) ：17—20．

[5]Liu J, Xu R, Pan Y, et al. Biochemical Treatment of Wastewat er Containing Part ial l y Hydrol yzed Pol yacryl amide[J]. ASIAN JOURNAL OF CHEMISTRY, 2013, 25(12): 6939-6942.

[6]包木太,彭杰,陳慶國.微生物對聚丙烯酰胺降解作用的研究進展[J].中國化工貿(mào)易,2011,(9):2080-2086.