聚

丙烯酰胺作为土壤微生物生长基质的实验中发现: 聚丙烯酰胺只能作为惟一的氮源被微生物所利用， 但是却不能作为碳源被降解.在国内，黄峰等[10]研 究了硫酸盐还原菌对聚丙烯酰胺的降解.研究结果 表明，硫酸盐还原菌不仅能以聚丙烯酰胺为碳源生 长繁殖，而且还能使聚丙烯酰胺降解导致其溶液黏 度损失.

本文从含聚丙烯酰胺的废水中初步筛选到一株 以聚丙烯酰胺为碳源的降解菌，并对其生长以及不 同环境要素条件下对聚丙烯酰胺的降解情况进行了 考察，实验结果将对含聚油田污水的生化处理奠定 理论基础和技术支撑.

1实验部分

1. 1菌种来源

菌种来自胜利油田胜坨采出水.

作为一类重要的水溶性高分子聚合物，聚丙烯 酰胺广泛应用于油田聚合物驱等三次采油技术中.

随着聚合物溶液的注入，采出水因为含有聚合物而 黏度较高，水中的油滴及固体悬浮物的乳化稳定性 强，进而导致油、水分离和含油污水处理的难度加 大.目前，聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解性能评价，随着聚合物驱三次采油技术的逐步推广，

聚丙烯酰胺的应用范围和规模正呈现快速増长趋 势，同时其在环境中的累积、迁移、转化带来的毒性 亦将逐渐显露出来，并将给生态环境带来不可估量 的长期危害.含聚丙烯酰胺污水的处理研究己经迫 在眉睫，这其中最核心的问题便是聚丙烯酰胺的降 解l1~2].所以筛选聚丙烯酰胺降解菌种的工作显得 尤为重要.

目前国内外对聚丙烯酰胺降解的研究主要从以 下几个方面展开:热降解、光降解、化学降解、生物降 解、机械降解[-7].而生物降解处理方法具有无污 染、成本低等优点，从而成为研究者重点研究的内。

1.2主要仪器及设备

Cary 50 Bio紫外可见分光光度计、恒温摇床、 生化培养箱、显微镜、恒温箱、高压灭菌锅、pH计. 1.3培养基

选择性液体培养基的组成(g/L):聚丙烯酰胺 0. 5;酵母浸粉 0. 02; NaNO3 0. 2; K2HPO4 0. 5; KH2PO4 0. 5; MgSO4# 7H2O 0. 025; NaCl 0. 5.微量 兀素液2 m L/ L. pH值7. 2.

选择性固体培养基：向上述培养基中加入15~ 20 g/L的琼脂粉，制成平板.

富集培养基的组成(g/L):牛肉浸膏3. 0,蛋白 胨 10.0,NaCl 5.

2实验内容与方法

2.1菌种的筛选及鉴定

取3 mL的胜坨采出水接种到装有选择性液体 培养基的锥形瓶中，放入温度为37 °C、转速为120 r/min的恒温培养箱中培养数天，然后稀释涂在平 板上，并在37 °C的生化培养箱中培养.

选择生长良好的菌株作为实验菌株，聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解性能评价，扩大培养 和驯化,然后借助形态学观察和生理生化实验进行 鉴定 .

2.2聚丙烯酰胺质量浓度的测定

由于油田采出水中成分相当复杂，矿化度和无 机离子含量较高,胶束驱、碱/表面活性剂/聚合物驱 采出液为乳状液或溶有原油而带较深的颜色，高温、 高pH值条件下聚丙烯酰胺水解度明显增大，这些 因素将严重影响聚丙烯酰胺质量浓度的准确分析. 由于淀粉■碘化镉法[11]的干扰因素少，精确度高，所 以在油田中有着广泛的应用.其原理为：（1)用Br2 水将酰胺基溴化为N■溴代酰胺;（2)过量的Br2用 甲酸钠除去;（3)聚丙烯酰胺的溴代物水解产生次溴 酸;（4)次溴酸定量地与碘化镉中I-反应生成E ; (5) I-与淀粉作用呈蓝色，用分光光度法测定其吸 光度.

绘制质量浓度一吸光度标准曲线，以此确定溶 液中聚丙烯酰胺的质量浓度.

2.3菌种性能评价

用过滤后的胜坨采出水配置聚丙烯酰胺溶液, 并高压灭菌,取此作为实验空白液.接种一定量的已 经驯化的菌液作为实验菌液.

将实验菌液置入恒温摇床中进行培养.在培养 过程中观察细菌的生长情况;定期用pH计测定菌 液pH的变化；采用淀粉一碘化镉方法测定聚丙烯 酰胺的质量浓度.生物降解率的表达式为 G = ( ft) - Pi)/ ft) @ 100%.

式中：〇)表示降解前聚丙烯酰胺的质量浓度， mg/L;Pi表示降解后聚丙烯酰胺的质量浓度，

mg/ L.

实验中，由于摇床的剪切作用对聚丙烯酰胺的 降解所产生的影响不能忽略,所以计算生物降解率 时必须扣除空白溶液中聚丙烯酰胺含量的变化.

3实验结果及讨论

3.1筛选结果

初步筛选到一株以聚丙烯酰胺为碳源的降解菌 种，并命名为PM~1.通过生理生化特征鉴定，并参 考《伯杰细菌鉴定手册》[12]，初步确定PM~1菌为芽 孢杆菌属.

3.2细菌的生长及pH值的变化

有研究表明[13],微生物分解聚合物的过程一般 是:首先，聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解性能评价，微生物在菌体外分泌出聚合物的分解酶, 分解酶再将高分子链分解成低分子链或使其侧基脱 落.酶和聚合物的接触有两种方式，酶对高分子链的 攻击更普遍在链端进行，而其链端又经常埋藏于聚 合物基质之中，使与它反应的酶不能或只是极慢地 接近它.

聚丙烯酰胺作为高分子的聚合物在溶液中形态 结构不尽相同[14];且用于石油开采的通常是阴离子 型聚丙烯酰胺,所以细菌需要一定的时间去适应这 种新的环境.因此，对细菌在含聚合物的溶液中有一 段较长的适应期.

图1细菌的生长曲线及菌液pH值的变化

细菌的生长曲线表明,细菌在开始的24 h内几 乎没有变化，但24 h之后细菌量开始迅速增加，说 明细菌基本适应了周围的环境并开始生长.早期

3.4. 2不同初始pH值对聚丙烯酰胺降解率的影 响配制500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液,分别调pH 值为 4. 0, 4. 5, 5. 0, 5. 5, 6. 0, 6. 5, 7. 0, 7. 5, 8. 5,9.0

(同时作空白实验)，在其它条件不变的情况下，考查 不同pH值对聚丙烯酰胺的降解情况.结果见图4.

 

5 0 5 0 5 3 3 2 2 1

*/〇/肼裳进

 

MagdaliniukS[]等人曾提出聚丙烯酰胺的不可生 物降解性.同时由细菌生长曲线还可以看出，细菌对 聚丙烯酰胺还是具有一定适应性的，能够在含聚丙 烯酰胺的溶液中生长.在细菌生长的过程中，pH值 有所降低，一方面聚丙烯酰胺水解产生羧基,另一方 面细菌新陈代谢过程中可能产生酸性物质.初始pH 值为7. 5的菌液，聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解性能评价，最低能降到5. 4左右.

3.3溶液中聚丙烯酰胺含量的变化

实验中聚丙烯酰胺的降解可以看作是生物降解 与机械降解共同作用的结果.由于细菌的生长繁殖 要经过一定的降解诱导过程,所以在最初的24 h内 聚丙烯酰胺含量的小幅降低主要是依靠培养摇床的 剪切作用.因此,这一段时间内聚丙烯酰胺的降解应 该归属于机械降解.

处于对数期的细菌，生长繁殖旺盛，新陈代谢速 度加快;与此同时，细菌不断分泌出聚丙烯酰胺的分 解酶，促使长链大分子的聚丙烯酰胺逐渐被断裂成 小分子，从而解离出越来越多的可供细菌吸收利用 的小分子物质.由图2可以看出：从第二天开始，聚 丙烯酰胺含量急剧降低，这充分说明细菌的生物降 解起了至关重要的作用.随着细菌浓度的升高，细菌 与聚丙烯酰胺的接触面积不断增大,从而促进了聚 丙烯酰胺的生物降解.但是细菌并不能完全降解溶 液中的聚丙烯酰胺.从实验的第十天开始，溶液中聚 丙烯酰胺的浓度开始达到平衡.这和相关文献[16]指 出细菌不能够利用全部的聚丙烯酰胺作为碳源相一 致.实验中初始量为500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液 经过长时间降解之后，聚合物含量最终可以降到 200 mg/L 左右.

20|孙60|20|80|恥00»昶沈801 5544 3 33 221

(一 .一皇/寶艺

 

图2聚丙烯酰胺含量随时间的变化

3.4聚丙烯酰胺降解实验最佳条件的确定

细菌生长需要适宜的温度、pH值，太高或太低 的温度、pH值都会对细菌生长过程中新陈代谢产生 影响.所以确定适宜的生长条件将会有利于细菌的 生长,从而有利于聚丙烯酰胺更好地降解.

3.4.1 适宜生长温度的确定对不同温度下500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液的降解率进行了测定（同 时作空白实验)，从而确定了降解实验的最佳温度.

由图3可以看出，聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解性能评价，细菌对聚丙烯酰胺溶液降解 程度较高的温度范围是35~ 40 °C.温度高于50 °C 对降解实验会产生极大的影响，温度高于55 °C,聚 丙烯酰胺的降解率低于5%.

 

温度/r：

 

图3降解率随温度的变化

pH

图4初始pH值对降解率的影响

图4表明，初始pH值的不同对聚丙烯酰胺溶 液中的细菌产生了一定的影响.一般地讲，细菌生长 的最适pH值范围是6. 5~ 7. 6,本实验中筛选到的 聚丙烯酰胺降解菌也不例外，在pH值7. 5处降解 聚丙烯酰胺的效果最好.过高或过低的pH值都不 利于聚丙烯酰胺的降解.

3.4.3 降解时间对降解率的影响配制500 mg/ L

的聚丙烯酰胺溶液,每天测定聚丙烯酰胺的含量，对 照空白计算聚丙烯酰胺的降解率.结果见图5.

在对含聚丙烯酰胺污水生化处理的过程中涉及 到处理周期的问题.一个完整的处理周期包括进水 期、污水处理期、出水期.所以确定反应的生化反应

 

 

0 5 0 5 12 2 1

。/0/肼裳盘

 

图5降解时间对降解率的影响

处理时间，对于实际运作过程具有重要的意义.由图 5可以看出，细菌对聚丙烯酰胺的降解主要是在前5 d内，在之后的时间里，降解率基本稳定.所以本实 验把第五天作为降解实验的终止，降解率最高可达 到 38.4%.

4结论及建议

初步筛选到一株以聚丙烯酰胺为碳源的降解菌 种,实验结果表明经过一段时间的驯化，筛选到的降 解菌种显示出对聚丙烯酰胺的适应性，并对聚丙烯 酰胺的降解起到一定的作用.在温度为35 °C、pH值 为7. 5的条件下，降解5 d，500 mg/L聚丙烯酰胺溶 液的降解率最高可达到38.4% .聚丙烯酰胺经降解 之后，聚合物发生断链，产生低分子化合物碎片，降 解产物不会对环境产生二次污染.

鉴于油田污水成分的复杂性，各种添加剂会对 微生物的存在造成潜在的毒害作用，聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解性能评价，单一的菌种可 能无法很好地发挥其应有的功效.通过筛选高性能 的聚丙烯酰胺降解菌，综合利用其与不同微生物群 落(如腐生菌、硫酸盐还原菌）之间的共代谢及协同 作用，提高聚合物驱后污水的处理效果，将是下一步 实验探索的重点.