（微生物学专业论文）聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解特性研究.pdf

聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解特性研究 捅要 部分水解聚丙烯酰胺( h y d r o l y z e dp o l y a c r y l a m i d e ，h p a m ) ，是一种油田采油广泛 使用的添加剂。在三次采油的过程中，h p a m 作为驱油用的聚合物在采油过程中注入油 层，使原油与水溶液之间流度比下降，降低水的粘性指数，从而提高原油采收率。但污 水中含有的h p a m 会改变水的理化性质，使原油乳化导致水中含油量增高，粘度增大 且成分复杂难以降解；同时h p a m 降解后产生的单体丙烯酰胺也会对人和动物的周围 神经系统产生不可修复的损害。如何降解h p a m 是油田在聚丙烯酰胺驱油中非常关注 的问题。 聚丙烯酰胺在自然条件下自发降解缓慢，目前认为生物降解是聚合物无害化长效处 理的新途径。近年来有关微生物降解h p a m 的机理的研究主要集中在水解酶和胞外物质 等方面，有研究认为微生物具有产生水解h p a m 中酰胺基的还原酶类，参与氧化反应， 同时可以使长链h p a m 断裂成短链的、可被微生物吸收的小分子有机物，从而用于合成 蛋白质等微生物生长必需物质；其他研究还表明一部分微生物能释放非蛋白类还原性物 质，这些非蛋白类还原物质作用于聚合物，可以引发氧化反应导致聚合物链断裂；目前 关于混合微生物的降解机制研究认为，混合生长的微生物可能是由于构成了某种微生态 系统，各类微生物在系统中相互配合共同作用，而混合菌在微生物生态系统中具体协同 机制有待研究。 本文从由陕西长庆油田泥浆池废液和油田废弃泥浆池周围土壤中分别分离筛选出 两株对h p a m 具有良好降解能力的菌株，对其进行了生理生化检测，初步确定编号c j 4 1 9 为假单胞菌，f a l 6 为枯草芽孢杆菌；以h p a m 作为微生物生长的唯一碳源和氮源配置 h p a m 培养基，对两株菌分别降解h p a m 的效果，以及同时作用于h p a m 的降解效果进 行了研究，重点检测两种菌协同降解时的生长情况和联合降解能力，初步探讨了两种菌 协同降解聚合物的机理；对两株菌共同降解时的p h 、温度、接种量、活化次数等参数进 行了优化探讨；利用发酵手段制备了固体菌剂，模拟了扩大化试验，并利用正交手段对 固体菌剂复配比例和扩大化试验中各参数进行了研究的并确定了最优值。 聚丙烯酰胺已成为石油开采后采出水中的主要污染物，对聚丙烯酰胺的降解研究已 成为进年来的研究热点。本论文对聚丙烯酰胺的降解做了初步的探讨，对他人研究和扩 大化处理有一定的指导意义。 关键词：部分水解聚丙烯酰胺；菌种筛选；生物降解机理；降解因素研究；扩大化实验 s t u d yo fp o l y a c r y l a m i d ed e g r a d i n gb a c t e r i aa n dd e g r a d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t p a r t i a l l yh y d r o l y z e dp o l y a c r y l a m i d e ( h y d r o l y z e dp o l y a c r y l a m i d e ，h p a m ) ，i s a l la d d i t i v e w i d e l yu s e di no i l f i e l d s i ne n h a n c e do i lr e c o v e r yp r o c e s s ，h p a mw a su s e da sap o l y m e r f l o o d i n gp r o c e s si nt h eo 订i n t ot h er e s e r v o i rs ot h a to i la n d w a t e rs o l u t i o nm o b i l i t yr a t i o d e c r e a s e dt or e d u c et h ev i s c o s i t yi n d e xo f w a t e ra n de n h a n c eo i lr e c o v e r y b u tt h ew a t e rc o n t a i n e d i nh p a mw i l lc h a n g et h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fw a t e r , w h i l eh p a m d e g r a d a t i o nr e s u l t i n gf r o mt h em o n o m e ra c r y l a m i d eo nh u m a n sa n da n i m a l sw i l lb ea r o u n d n e r v o u ss y s t e mc a nn o tr e p a i rt h ed a m a g e h o wt od e g r a d a t i o ni nt h ep o l y a c r y l a m i d eh p a m i sv e r yc o n c e r n e da b o u tt h ef l o o d i n gp r o b l e m s p o l y a c r y l a m i d ed e g r a d a t i o nu n d e r n a t u r a lc o n d i t i o n si ss p o n t a n e o u ss l o w t h e b i o - d e g r a d a t i o ni sah a r m l e s sw a y t ol o n g t e r md e a lw i mt h ep o l l u t i o n i nr e c e n ty e a r s t h e m e c h a n i s mh p a md e g r a d a t i o nm a i n l ye x t r a c e l l u l a rh y d r o l y t i ce n z y m e sa n ds u b s t a n c e s ， s o m es t u d i e ss h o w e dt h a tt h em i c r o o r g a n i s mc a l lp r o d u c ei nh y d r o l i s i sh p a mt h ea m i d or e d u c t a s e s ， o x i d a t i o na n dr e a c t i o n ，a l s oc a nm a k el o n g - c h a i nh p a mb r e a ki n t os h o r tc h a i n s ，w h i c hc a nb e a b s o r b e di nt h es m a l lm o l e c u l a ro r g a n i cm i c r o o r g a n i s m s ，m i c r o b i a lg r o w t hf o r t h es y n t h e s i s o fp r o t e i na n do t h e re s s e n t i a ls u b s t a n c e s o t h e rs t u d i e sa l s os h o w e dt h a ts o m e m i c r o o r g a n i s m sc a nr e l e a s en o n - p r o t e i nc l a s so fr e d u c i n gs u b s t a n c e s ，r e d u c i n gs u b s t a n c e si n t h en o n - p r o t e i n sa c t i n go nt h ep o l y m e r , l e a d i n gt op o l y m e rs t r a n db r e a k si n d u c e d o x i d a t i o n c u r r e n t l yo nt h em e c h a n i s mo fm i x e dm i c r o b i a ld e g r a d a t i o nt h o u g h tt h a tm i x e d g r o w t ho fm i c r o b e sm a yc o n s t i t u t eak i n do fm i c r o e c o l o g i c a ls y s t e mb e c a u s ea l lk i n d so f m i c r o b e si nt h es y s t e mc o m p l e m e n te a c ho t h e rc o m m o ne f f e c t a n dm i x e db a c t e r i ai n m i c r o b i a le c o s y s t e m ss y n e r g i s mw a st ob es t u d i e d t h ed e g r a d i n ge f f e c to ft w oh y d r o l y z e dp o l y a c r y m i d e ( h p a m ) d e g r a d i n gb a c t e r i aw a s s t u d i e di np o l y a c r y l a m i d e h p a md e g r a d i n gb a c t e r i ap s e u d o m o n a sm i g u l ac j 419a n d b a c i l l u ss u b t i l i sf a16w a sf i l t e r e d a n db a c t e r i a lb i o m a s sa n dh p a m d e g r a d a t i o nr a t ew e r e i n v e s t i g a t e d f o c u so nt e s t i n gt h eg r o w t ho ft w os t r a i n sc o l l a b o r a t i o na n dj o i n td e g r a d a t i o n d e g r a d a t i o no ft h et w os t r a i n st o g e t h e rw h e np h ，t e m p e r a t u r e ，a c t i v a t i o nn u m b e r i n o c u l a t i o n o fo t h e rp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d p r e l i m i n a r ys t u d yo ft w os t r a i n sd e g r a d a t i o nm e c h a n i s m 关键词：部分水解聚丙烯酰胺；菌种筛选；生物降解机理；降解因素研究；扩大化实验 s t u d yo fp o l y a c r y l a m i d ed e g r a d i n gb a c t e r i aa n dd e g r a d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t p a r t i a l l yh y d r o l y z e dp o l y a c r y l a m i d e ( h y d r o l y z e dp o l y a c r y l a m i d e ，h p a m ) ，i s a l la d d i t i v e w i d e l yu s e di no i l f i e l d s i ne n h a n c e do i lr e c o v e r yp r o c e s s ，h p a mw a su s e da sap o l y m e r f l o o d i n gp r o c e s si nt h eo 订i n t ot h er e s e r v o i rs ot h a to i la n dw a t e r s o l u t i o nm o b i l i t yr a t i o d e c r e a s e dt or e d u c et h ev i s c o s i t yi n d e xo f w a t e ra n de n h a n c eo i lr e c o v e r y b u tt h ew a t e rc o n t a i n e d i nh p a mw i l lc h a n g et h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fw a t e r , w h i l eh p a m d e g r a d a t i o nr e s u l t i n gf r o mt h em o n o m e ra c r y l a m i d eo nh u m a n sa n da n i m a l sw i l lb ea r o u n d n e r v o u ss y s t e mc a nn o tr e p a i rt h ed a m a g e h o wt od e g r a d a t i o ni nt h ep o l y a c r y l a m i d eh p a m i sv e r yc o n c e r n e da b o u tt h ef l o o d i n gp r o b l e m s p o l y a c r y l a m i d ed e g r a d a t i o nu n d e r n a t u r a lc o n d i t i o n si ss p o n t a n e o u ss l o w t h e b i o - d e g r a d a t i o ni sah a r m l e s sw a yt ol o n g t e r md e a lw i mt h ep o l l u t i o n i nr e c e n ty e a r s t h e m e c h a n i s mh p a m d e g r a d a t i o nm a i n l ye x t r a c e l l u l a rh y d r o l y t i ce n z y m e sa n ds u b s t a n c e s ， s o m es t u d i e ss h o w e dt h a tt h em i c r o o r g a n i s mc a l lp r o d u c ei nh y d r o l i s i sh p a mt h ea m i d or e d u c t a s e s ， o x i d a t i o na n dr e a c t i o n ，a l s oc a nm a k el o n g - c h a i nh p a mb r e a ki n t os h o r tc h a i n s ，w h i c hc a nb e a b s o r b e di nt h es m a l lm o l e c u l a ro r g a n i cm i c r o o r g a n i s m s ，m i c r o b i a lg r o w t hf o r t h es y n t h e s i s o f p r o t e i na n d o t h e re s s e n t i a ls u b s t a n c e s o t h e rs t u d i e sa l s os h o w e dt h a ts o m e m i c r o o r g a n i s m sc a nr e l e a s en o n - p r o t e i nc l a s so fr e d u c i n gs u b s t a n c e s ，r e d u c i n gs u b s t a n c e si n t h en o n - p r o t e i n sa c t i n go nt h ep o l y m e r , l e a d i n gt op o l y m e rs t r a n db r e a k si n d u c e d o x i d a t i o n c u r r e n t l yo nt h em e c h a n i s mo fm i x e dm i c r o b i a ld e g r a d a t i o nt h o u g h tt h a tm i x e d g r o w t ho fm i c r o b e sm a y c o n s t i t u t eak i n do fm i c r o e c o l o g i c a ls y s t e mb e c a u s ea l lk i n d so f m i c r o b e si nt h es y s t e mc o m p l e m e n te a c ho t h e rc o m m o ne f f e c t a n dm i x e db a c t e r i ai n m i c r o b i a le c o s y s t e m ss y n e r g i s mw a st ob es t u d i e d t h ed e g r a d i n ge f f e c to ft w oh y d r o l y z e dp o l y a c r y m i d e ( h p a m ) d e g r a d i n gb a c t e r i aw a s s t u d i e di np o l y a c r y l a m i d e h p a md e g r a d i n gb a c t e r i ap s e u d o m o n a sm i g u l ac j 419a n d b a c i l l u ss u b t i l i sf a16w a sf i l t e r e d a n db a c t e r i a lb i o m a s sa n dh p a m d e g r a d a t i o nr a t ew e r e i n v e s t i g a t e d f o c u so nt e s t i n gt h eg r o w t ho ft w os t r a i n sc o l l a b o r a t i o na n dj o i n td e g r a d a t i o n d e g r a d a t i o no ft h et w os t r a i n st o g e t h e rw h e np h ，t e m p e r a t u r e ，a c t i v a t i o nn u m b e r i n o c u l a t i o n o fo t h e rp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d p r e l i m i n a r ys t u d yo ft w os t r a i n sd e g r a d a t i o nm e c h a n i s m o ft h ep o l y m e ra n dh a de n l a r g e dt e s t ，u s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n to p t i m i z a t et h et e s t p a r a m e t e r s p o l y a c r y l a m i d eb i o - d e g r a d a t i o nh a sb e c o m et h em a j o rp o l l u t a n t s t h ed e g r a d a t i o no f p o l y a c r y l a m i d eh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s p o l y a c r y l a m i d ea f t e ro i l e x t r a c t i o nh a sb e c o m et h em a j o rp o l l u t a n t sp r o d u c e dw a t e r , s t u d ya n dm a g n i f i e st h et r e a t m e n t o fo t h e r sh a v es o m eg u i d a n c e k e y w o r d s ：h y d r o l y z e dp o l y a c r y l a m i d e ；s t r a i ns c r e e n i n g ；b i o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s m ； d e g r a d a t i o nf a c t o r s ；m a g n i f i c a t i o ne x p e r i m e n t 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 望照 指导教师签名： 切| 。年易只t j 黾 。 、 西匆年多月日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：噌忱 w 加年莎月f 日 西北大学硕士学位论文 第一章文献综述 o 引言 石油是一种不可再生的资源，是经济赖以运转的血液，对国家庞大的经济体更是重 要。随着我国人口和国民经济的快速增长，对以石油为原料的能源需求增长迅猛，各国 均将石油作为战略性物资进行研究、规划和开发。1 9 9 3 年我国从原本每年输出3 千万吨 的石油出口国，摇身一变成为石油进口国，而目前它是仅次于美国的第二大石油消费国， 也是仅次于美国和日本的第三大石油净进口国。中国石油消费量达3 亿1 千7 百万吨， 净进口石油占l 亿3 千6 百万吨。据中国媒体报道，2 0 0 4 年一项关于中国未来能源供需 的预测，到了2 0 2 0 年，中国石油消费量缺口将达两亿多吨 】。通过勘探发现新的油田、 新的油藏以及通过油藏的扩边来补充石油地质储量是石油增产和稳产最直接、最有效的 途径。但由于石油是不可再生资源，随着勘探程度的提高，新增地质储量的难度将越来 越大，潜力越来越小。近年来我国新增地质储量多是丰度低【2 】、油层物性差、开发难度 很大的油藏j 为了解决石油的供需矛盾，除了加强勘探，寻找新的石油储量外，更重要 的是进一步提高原油采收率。 石油是一种埋藏于地层深部的流体矿藏，具有独特的开采方式。与其他矿物资源相 比，石油的采收率较低。现今的采油技术，在对油田进行一次采油和以水驱开发为主的 二次采油后，只能采出原始地质储量的3 0 - 4 0 ，还有6 0 7 0 的石油留在油层中。因原 油含水率不断增加，对如何提高石油资源利用率的问题，部分大油田先后进入三次采油 阶段。三次采油，即提高石油采收率( e n h a n c e do i lr e c o v e 秽一e o r ) f 3 】近年来作为 一个术语在概念上已趋于完善和统一并被普遍使用。 当今提高石油采收率技术已较为成熟，并逐渐成为许多开采殆尽的油矿所采用的主 要的采油技术，三次采油因其投资成本低，就地使用，经济效率高等优点，成为各国研 究的热点。但各地区在追求利益的同时，对环境也带来了潜在的威胁。我国各大油井都 进入了采油后期，三次采油带来巨大利益的同时，对采油地区的水土有着不可估量的威 胁。本研究从石油采出水的处理出发，探讨了采油污染的生物处理方法。 1 采油方法简介 在石油界，石油开采技术可以分为如下三类： ( 1 ) 利用天然能量采油技术即通常称为的一次采油：它是利用油藏中的天然能量 第一章文献综述 作为驱油动力的一类原油开采方法。用于石油开采的天然能量包括溶解气、气顶、边水 和底水、原油和岩石的弹性能、重力等。 ( 2 ) 补充能量采油技术即通常所说的二次采油，通过注气或注水，向油层中补充 能量提高油层压力的一类原油开采方法。 ( 3 ) 提高石油采收率( e o r ) 技术即通常的三次采油，向油藏中注入驱油剂或调 剖剂，改善油藏及油藏流体的粘度或改变原油与地层中的其他介质界面张力等物理化学 性质，用这种物理、化学方法来驱替油层中不连续的和难采原油的方法统称为提高石油 采收率技术。 在一次采油阶段，石油可以依靠来源于覆盖于石油层的岩石对其所处的地层和地层 当中的流体所施加的压力通过油井流到地面。当油层通过油井与地面连通后，在压差的 作用下，上覆地层将石油从油层挤到油井中并举升到地面，石油经由地表和地底的压力 差很容易的采出。随着原油及天然气不断产出，油层岩石及地层中流体的体积逐渐扩展， 弹性能量也逐渐释放。 在二次采油阶段，人们通过向油层中注气或注水提高油层压力，为地层中的岩石和 流体补充弹性能量，重新建立压力差，从而能够采出仅靠天然能量不能采出的石油。但 是，由于地层的非均质性，注入流体总是沿着阻力最小的途径流向油井，处于阻力相对 较大的区域中的石油不能被驱替出来。即便是被注入流体驱替过的区域，也还有一定数 量的石油由于岩石对石油的吸附作用而无法采出，另外，有的原油在地下就像沥青一样 根本无法在油层这种多孔介质中流动，因此，二次采油方法提高原油采收率的能力是有 限的。 在三次采油阶段，人们通过采用各种物理、化学方法改变原油的粘度和对岩石的吸 附性，以增加原油的流动能力，改变原油的理化性质，使原油随着添加物质共同采出， 从而进一步提高原油采收率。其主要原理是通过注入化学物质、添加剂、蒸气、气( 混) 相或微生物等，从而改变驱替相。油水界面性质或原油本身的物理化学性质。 目前世界上己形成领先的三次采油技术。其中四大技术系列是当今采用工程中重点 采用的技术，分别为气驱、微生物采油、热力驱和化学法 4 1 。以下对三次采油的四大技 术分别作以介绍。 凡是以气体作为主要驱油介质的采油方法统称为气驱( g a sf l o o d i n g ) ，根据注入气 体与地层原有的相态特性，气驱可分为气体混相驱与气体非混相驱两大类。作为驱油剂 的气体通常有c 0 2 、n 2 、轻烃、烟道气等。 2 西北大学硕士学位论文 微生物采油( m i c r o b i a le n h a n c e do i lr e c o v e r y m e o r ) 是利用微生物及其代谢 产物作用于油藏及油藏中的原油、改善原油的流动特性和特性【5 】提高驱油剂的波及体积 和微观驱油效率的一类采油方法。 热力采油法( t h e r m a lr e c o v e r y ) 【6 】主要是利用降低原油粘度来提高采收率。向油藏 内注入热流体或使油层中的原油就地燃烧，形成移动热流降低原油粘度，增加原油流动 能力的采油方法。根据油藏中热量产生的方式，热力采油可分为热流体法、化学热法和 物理热法三大类。 化学驱油法是目前常用的采油方法用。凡是以特定的化学剂或其复合体系作为驱油 剂，以改善地层流体的流动特性、改善驱油剂原油油藏空隙之间的界面特性，增加地 层水的粘度，改变原油和地层水的粘度比为基本原理的采油方法统称为化学驱油 ( c h e m i c a lf l o o d i n g ) 。常见的化学驱油法有聚合物驱、表面活性剂驱、碱水驱、化学复 合驱( 如面活性剂一聚合物二元复合驱、碱表面活性剂聚合物三元复合驱) 等。以酰胺 为主体的注聚合物三次采油试验，明显地提高了原油采收率，取得了十分可观的经济效 益。 2 聚丙烯酰胺在油田提高采收率的应用及危害 聚合物驱中所使用的聚合物最典型的代表是丙烯酰胺类聚合物，其已被广泛应用于 石油开采及三次采油中，成为提高原油采收率的重要手段【8 】。现今我国的主力油田的开 发已处于开发后期，即高含水期，单纯补充能量的二次采油工艺已不能满足开采需要。 现今，多数油田主要采用聚合物驱油等技术提高原油采收率，在改善水驱油效果的同时， 也取得明显的增油降水效果和一定的经济效益，采油后期加入聚丙烯酰胺等大分子物质 已经成为油田弥补产量递减的重要技术手段【9 】。 聚丙烯酰胺驱油研究已经是当今采油的热点，各国的三次聚合物采油技术已趋于成 熟。而聚丙烯酰胺对环境的污染问题也日益得到重视。聚合物分子量大，结构比较紧密， 一般的物理、化学作用的方式难于降解，同时聚丙烯酰胺注入地下油层，对当地水体带 来潜在的威胁；聚丙烯酰胺的单体对人体也有一定的毒害作用，也可能是潜在的致癌物， 所以对聚合物降解的研究迫在眉睫。 2 1 聚合物驱油 本世纪初，石油工业界已意识到通常的采油方法采收率不高，1 9 6 4 年p y e 和 第一章文献综述 s a n d i f o “胁j 建议加入少量水溶性聚合物来降低水的流度。此后，在聚合物驱油方面进 行了大量的研究工作，同时也进行了许多关于聚合物驱油的计算机数值模拟的研究。美 国于1 9 6 4 年开始了聚合物驱油的现场试验和工业规模的使用试验，截止1 9 8 1 年底已完 成或正在进行的聚合物驱油试验项目共计2 1 8 个。同时苏联、罗马尼亚等国也都进行了 聚合物驱油工业性试验，在地质条件和油矿性质不同的多个地区展开试验，效果显著， 一般可提高6 8 的原油采收斛1 2 】。 2 0 世纪9 0 年代初，国内的三次采油技术也开始迅猛发展，自1 9 9 2 年胜利油田第一 个聚合物驱先导试验在孤岛油田开展以来，很多的大型油田，包括大庆、大港、河南、 辽河等油田也都进行了关于聚合物开采石油的先导性试验。其中，我国的大型油田大庆 油田、胜利油田等已形成注入聚合物采油的大规模生产阶段，原油年生产可以达到1 2 0 0 万吨以上。陕北地区的长庆油田、延长油田等因为其石油自身的性质，同样采用了聚丙 烯酰胺采油技术，采油效率和产量相比单纯的二次采油明显提高。目前，聚丙烯酰胺采 油技术已经成为我国大型油田三次采油生产中主要应用的技术【1 3 】。 聚丙烯酰胺水溶液作驱油剂又叫稠化水驱或增粘水驱【1 4 】。其驱替机理主要是先将聚 丙烯酰胺和新鲜的水混合注入采油井下，水一聚丙烯酰胺的混合物进入井下油层，减少 水与油的流度比，减少二次采油中水的指进作用，提高驱油剂的波及指数，从而提高油 层中因二次采油采出率低而剩余原油的采收率。 聚丙烯酷胺在水中易水解，在水中成为部分水解聚丙烯酸胺。部分水解聚丙烯胺能 选择性堵水，二次驱油时的气、水进入出水层的难度较大，而聚丙烯酰胺的水溶液可以 直接进入出水层，其中的的c o n h 2 和一c o o h 等基团可通过氢键吸附在砂岩表面，在砂 岩表面形成一层h p a m 膜，h p a m 的大分子部分则留在外侧；进入油层的部分水解聚 丙烯酰胺，对油层吸附作用很小【l5 1 ，并不堵塞油层，但大分子的h p a m 可以引起出水 层的堵塞。在油水走通过同一孔道的情况下，也能只堵水而对油没有堵塞作用，因为部 分水解聚丙烯酰胺上的亲水基团c o o h 水解成为c o o 。和旷，c 0 0 使大分子链带负电 从而产生静电斥力，和水中的阳离子结合，形成稳定的结构，对水产生较大的流动阻力， 起到堵水作用。而当油通过部分水解聚丙烯酰胺时，因为同性相斥的原理，它对油没有 亲和力，分子不能在油中伸展，因而对油的流动阻力很小。在堵水时，部分水解聚丙烯 酰胺通常配制成2 0 0 2 0 0 0 m g l 的潜液注入油井中使用。 聚丙烯酰胺溶液属高分子溶液，由于在采油工程作业时高分子溶液流速增加，拆散 了大分子的空间网络结构而导致粘度降低，所以聚丙烯酰胺溶液的流型不属于牛顿流体 4 西北大学硕士学位论文 而是假塑性流体，在向油层注含聚丙烯酰胺的增粘水时，在井筒中流速很大，所以造成 了很大的剪切力，此时聚合物网络结构拆散，结构粘度消失，减少了管内流动阻力，使 水油混合物快速上升【l6 】；达到地层后水油混合物流速减小，此时网络结构恢复，大分子 又恢复常温常压下的高粘度，这样注入剂与地层油的流度比接近1 ，此时采油过程又变 为活塞式驱替，使注入的聚丙烯酰胺的波及系数增大，可以提高采收率。这种性质对注 增粘水驱动地层油是非常有益的。 2 2 聚合物驱油对环境的危害 聚丙烯酰胺为油田生产提高了采收率，但同时我们应该看到，采油过程后采出水对 环境带来了巨大的潜在危害【1 7 】。注入地层的聚丙烯酰胺原油水混合液，首先经过采油 工程的污水处理设施，在污水处理设施中先对水、油混合物进行初步分离和简单的沉降 处理。但是因为采油中添加了聚合物，大幅提高了油水混合液的粘度和乳化性质，油水 混合物在处理设施中难于降解，油水不分离，沉降难度增大，从而造成采出水的含油量 严重超标。在提高原油采收率的采油作业中，由于油田配制聚丙烯酰胺需要新鲜的水， 采油过程中由于低渗透地层的压力作用，一部分聚丙烯酰胺采出水外排入地层。渗透入 地层的部分水解聚丙烯酰胺通过一定的地层结构，从地下的采油层慢慢渗透到地下水 层。可以看到在采油过程中聚丙烯酰胺同时污染了地上和地下的水体，水油混合物中的 聚丙烯酰胺含量很高，长期滞留在水体中，会对采油位置的当地水环境造成巨大的危害 【l 引。虽然聚丙烯酰胺本身是安全无毒的，但是其分解产生的单体丙烯酰胺( a m ) 是一 种有毒化学物质，在动物试验中有致突变性和致癌性可能。对于环境中的丙烯酰胺浓度 各国都有相应的法律法规：英国规定饮料中a m 含量 0 2 5x1 0 击g l 1 t 1 9 1 ；美国职业安全 与卫生法( o s h a ) 规定职业接触标准是空气中丙烯酰胺的阈值时间加权平均 ( t l a t w a ) 为o 3m g m 1 2 0 1 ；日本规定向河水中排放丙烯酰胺含量 l 过氧化氢酶 + 荧光色素 硝酸盐还原 + 在4 。c 生长 + 淀粉水解 + 在4 1 。c 生长 吲哚产生 从蔗糖产生果聚糖 + h 2 s 产生 精氨酸双水解酶 + 酪素水解 + 氧化酶反应 + 柠檬酸盐利用 + 反硝化 + p h 5 7 营养肉汤 + 明胶水解 + v p 试验 + 淀粉水解 温度4 5o c + 葡萄糖 + 利用 温度6 5o c 海藻糖 + 葡萄糖产酸 + l 脯氨酸 + 乳糖产酸 一 雎苯丙氨酸 + 甘露醇产酸 + d l 精氨酸 + 葡萄糖产气 一 1 0 n a c l + 由表2 4 可知，菌株f a l 6 的生理生化特征与假单胞菌标准株保持一致。通过查阅 ( ( b e r g e y sm a n u a lo f d e t e r m i n a t i v eb a c t e r i o l o g y ) ) 和常见细菌系统鉴定手册，综合菌 株形态特征和生理生化特征，可初步确定菌株属于假单胞菌( p s e u d o m o n a sm i g u l a ) 。 菌株c j 4 1 9 的生理生化特征与枯草芽孢杆菌标准菌株保持一致。综合菌株形态特征 和生理生化特征，通过查阅相关鉴定手册，可初步确定菌株属于芽孢杆菌( b a c i l l u ss p p ) 。 4 小结 ( 1 ) 从聚合物含量很高的陕西长庆4 3 1 号油田泥浆池废液和4 2 3 号油田废弃泥浆 池周围土壤中采样，将所采集的h p a m 污染土样富集培养基，连续传代得到富集的 h p a m 降解混合菌。取菌液涂布于以h p a m 为唯一碳源的筛选养基上，选择生长良好 1 8 西北大学硕士学位论文 的性状差异明显的菌落，连续平板划线纯化，通过对样品的筛选得到对聚丙烯酰胺有高 度适应能力和降解能力的两株菌株，分别命名为c j 4 1 9 和f a l 6 。 ( 2 ) 对两菌株进行宏观形态和显微鉴定、生理生化鉴定，依据( ( b e r g e y sm a n u a lo f d e t e r m i n a t i v eb a c t e r i o l o g y ) ) 和常见细菌系统鉴定手册，最终初步确定c j 4 1 9 为假单 胞菌( p s e u d o m o n a sm i g u l a ) ，f a l 6 为枯草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 。 1 9 第三章降解菌的降解能力研究和降解机理初探 第三章降解菌的降解能力研究和降解机理初探 o 引言 从h p a m 污染污水和土壤中分离筛选得到了两株对h p a m 有降解潜力的菌株假单 胞菌c j 4 1 9 和枯草芽孢杆菌f a l 6 ，将两菌株接种于以h p a m 为唯一碳源和氮源的a p i 培养基中，培养并检测菌株对h p a m 的降解作用。 聚丙烯酰胺的降解通常分为氧化降解、生物降解、机械降解和热降解等类型，其降 解机理近年来已成为研究热点。而近几年少有聚丙烯酰胺生物降解的机理研究报道。本 研究对混合菌各菌株的细胞内外物质进行了检测分析，通过检测聚丙烯酰胺的分子量初 步讨论了聚合物的生化降解途径，对复合菌降解h p a m 的机理进行了初步探索。 1 实验材料 1 1 菌种 前实验中得到的菌株c j 4 1 9 和f a l 6 。 1 2 主要试剂与仪器 主要试剂为实验室常用试剂，化学纯。 主要仪器列表如下： 表3 - 1 主要实验仪器 t a b l e 3 - 1m a i ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 仪器名称生产公司 s a r t o r i u sb s 210 s 电子天平 e c l i p s ee 2 0 0 显微镜 l d z x - 4 0 b i 立式压力蒸汽灭菌锅 g z x d h4 0 0 b s i i 电热恒温干燥箱 s x k - 1 0 3 超净工作台 d n p 9 0 5 2 细菌培养箱 z h w y - a 2 11 c 卧式旋转型摇床 s p x 2 5 0 i c 人工气候箱 乌氏粘度计 7 2 2 型分光光度计 p y x d h s 3 5 x 4 0 隔水式电热恒温培养箱 北京赛文利斯天平有限公司 日本尼康公司 上海申安医疗器械厂 上海跃进医疗器械厂 安徽蚌埠净化设备厂 上海跃进医疗器械厂 上海智城分析仪器制造有限公司 上海博迅实业有限公司 北京仪器厂 上海第三仪器厂 上海市跃进医疗器械厂 西北大学硕士学位论文 称量瓶，锥形瓶，5 0m l 比色管，移液管各若干。 试剂为微生物分离培养所需各类常用培养、检测常用试剂和药品。 1 3 培养基与材料 改进型a p i 培养基【5 0 】。其组成如下：乳酸钠4 m l ，k h 2 p 0 4 0 0 2 9 ，n a c l l o g ， m g s 0 4 7 h 2 0 为o 2 9 ，维生素c0 2 9 ，酵母膏1 0 9 ，模拟水为10 0 0 m l 的l g lh p a m 。 灭菌冷却后加入经紫外灭菌的f e s 0 4 ( n i 也) 2 s 0 4 6 h 2 0 。 实验原废水样品为陕西长庆油田某污水处理站经过沉降砂滤处理后的出水，水温 3 5 4 0 。c ，含烃类物质总量质量浓度 1 0 m g l ，悬浮物 1 0 m g l ，c o d6 0 0 6 5 0 m g l ，聚 合物质量浓度5 0 0 m g l ，h p a m 分子量0 6 2 o 1 07 ，浊度3 0 - 一8 0n t u 。 实验用部分水解聚丙烯酰胺分子量1 7 - 2 2 1 0 7 ，水解度1 8 6 2 9 3 ，高效p h 范围 4 1 3 ，固含量芝9 0 ，残单0 0 5 0 1 5 ，白色颗粒粉末，由巩义市拓普净水材料有限公司 提供。 实验用模拟水成分如下：c a c l 2o 1 1 9 ，n a c l0 0 6 9 ，n a h c 0 31 3 8 9 ，n a e s 0 4 0 0 7 9 ， 蒸馏水1 0 0 0m l 。h p a m 降解培养基使用模拟水加入l g l 的高分h p a m 配制