聚丙烯酰胺降解菌的研究進展及展望

何天琪（大連工業大學， 遼寧 大連 116034）

1 聚丙烯酰胺在石油工業中的應用現狀

聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺單體經自由基引發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、醫藥等領域，有“萬能產品”和“百業助劑”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后期，現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；殘留在環境中的HPAM會發生緩慢降解，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，對當地環境造成潛在危害[5]。鑒于此，找到環保、高效的解堵劑緩解近井地帶的堵塞和降低污染，具有重大現實意義。

2 聚丙烯酰胺的生物降解法

微生物可以HPAM為營養源，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]。降解產物能夠作為細菌生命活動的營養物質，細菌對營養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，發現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，降解產物對環境無二次污染。李淑芹等從HPAM生產廠區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，產物中酰胺基團被轉化為羧基，無丙烯酰胺單體被發現，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基中生長，降解率為33%。

4 展望

目前，經過諸多學者努力，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，采油井產液量顯著提高[ ]。同時可減少外排污水中的HPAM含量，達到環境友好的目的。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過氣質聯用、核磁共振等技術結合，加強對降解產物的成分分析，深入探討其代謝途徑、代謝產物的種類和毒性等。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、極差分析等統計學手段優化實驗條件，找到降解率高、穩定性好的菌群。③目前大部分菌株都是在實驗室條件下篩得，少有能大規模降解HPAM的菌株，因此篩選出高效穩定的HPAM降解菌將在實際工業生產中大有可為。

[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].中國化工貿易,2011,(9):2080-2086.