微生物降解含聚污水的研究进展

刘江红，潘 洋，贾云鹏

(东北石油大学化学化工学院，黑龙江 大庆 163318)

近年来，聚丙烯酰胺(HPAM)作为驱油用的聚合物被大量使用，但是，在提高采收率的同时也给环境造成了巨大污染，导致含聚污水的排放量逐年增加，因此含聚污水的处理成为急需解决的问题。

聚丙烯酰胺的降解方法主要有机械降解法、热降解法、化学降解法和微生物降解法，其中微生物降解法在含聚污水治理领域具有独特的优势和巨大的潜力，是近年来研究的热点，受到研究者的广泛关注。生物处理技术是创造出一种有利于微生物生长、繁殖的环境，使微生物大量生长繁殖，以提高微生物分解聚合物能力的一种技术。

1 聚合物驱油对环境的危害

聚合物驱油给环境和周围生物带来巨大的长期的影响。

一方面，聚丙烯酰胺的使用能够提高油田的采收率，在生产过程中部分含聚污水外排，绝大部分聚丙烯酰胺进入地下油层，导致污水渗透到地下水层，且聚丙烯酰胺在地面和地下水体中都会长期停滞，从而对水环境造成危害。

另一方面，聚丙烯酰胺分解后的单体丙烯酰胺长期与皮肤接触可引起皮炎；直接接触可引起眼睛发炎、头昏、头痛、嗜睡，并对其它中枢神经系统造成影响甚至死亡；吸入微量丙烯酰胺会引起严重的肺部伤害甚至死亡。

2 微生物降解聚丙烯酰胺

2.1 微生物降解聚丙烯酰胺的优势

处理含聚污水时要求聚丙烯酰胺去除率高、技术成熟、无二次污染、投资和运行费用低。化学法降解聚丙烯酰胺虽然去除率高、速度快、受环境因素影响小，但投资和运行费用高，且易造成二次污染。光催化降解技术还不成熟，难以用于实际的含聚污水的处理，还需要进一步研究。

微生物种类多、体积小、新陈代谢旺盛，生物酶系多种多样，能够催化污染物转化。微生物无处不在，对环境中污染物的转化起着重要的作用。微生物降解法是一种高效的环境污染处理手段，其技术成熟、无二次污染、且运行费用低。降解聚合物的微生物种类多种多样，且微生物降解可以在井下的极端环境下进行。微生物降解在治理各种难降解污染物的过程中发挥着核心作用。因此，微生物降解法将成为解决聚丙烯酰胺引起的环境污染问题的有效手段。

2.2 微生物降解聚丙烯酰胺的机理

微生物降解聚丙烯酰胺主要是在微生物生长阶段，以聚丙烯酰胺为营养物质，利用微生物自身的酶系和分泌物等对大分子聚合物进行解链，分解成小分子物质，是一种有效降解聚合物的方法[1]。

微生物降解分为厌氧阶段和耗氧阶段。两种降解阶段经常相互配合，共同完成对聚合物的降解作用。

(1)厌氧阶段主要由厌氧微生物完成，利用聚合物进行生长繁殖，从而导致聚合物降解成小分子物质。

(2)耗氧阶段和厌氧阶段的方式相似，只是由耗氧微生物进行降解作用。

微生物降解聚丙烯酰胺的机理可分为三种：生物化学作用、生物酶作用和生物物理作用。微生物降解并不是单一机理，而是一种复杂的化学、生物、物理复合作用过程。由于微生物具有适应性，一般先将细菌活化，大大提高其分解能力或使细菌获得新的分解能力，再去降解聚丙烯酰胺，微生物能够以水溶性的聚丙烯酰胺为唯一碳源和氮源，将其利用。

研究表明，微生物只能利用聚丙烯酰胺中的一部分，而不能利用其中的酰胺部分，即使是浓度较低的聚丙烯酰胺也不能被全部利用。近年来，研究者发现水解聚丙烯酰胺的降解产物可作为细菌生命活动的营养物质，反过来营养的消耗又会促进聚丙烯酰胺的降解。

2.3 微生物降解聚丙烯酰胺的影响因素

影响微生物降解聚丙烯酰胺的因素主要有酸碱度、温度、营养物质、含氧量、矿化度(盐度)等。

在适宜的pH值环境下，微生物的生长速度加快，同时对聚丙烯酰胺的降解速度加快。

温度也是影响微生物生长繁殖的重要因素。随着温度的升高，微生物细胞内的生物化学反应加快，大多数细菌适宜的生长温度在20～40 ℃之间。

微生物的生长繁殖需要一些营养物质，包括碳、氮、磷以及维生素等。一般认为，好氧微生物中碳∶氮∶磷控制在100∶5∶1较为适宜，而厌氧微生物中以(200～300)∶5∶1为最佳。对于好氧微生物，生物处理废水中溶解氧的浓度保持在3～4 mg·L-1最适宜[2]。

矿化度较高时会影响微生物的活动甚至杀死一些细胞。

2.4 聚丙烯酰胺降解菌群

聚丙烯酰胺降解菌来源大致分为两种：一种是从环境中直接获取，油田污染地区的水体和土壤中大多存在着一些对环境适应能力较强并可以降解聚合物的菌种，因此可以在含有高浓度的聚丙烯酰胺废水中筛选出聚丙烯酰胺降解菌；另一种则是利用生物手段，通过细胞驯化的过程培养并筛选出对聚丙烯酰胺具有良好降解能力的菌株。

近年来随着研究者对微生物降解聚丙烯酰胺研究的深入，降解聚丙烯酰胺的微生物的种类也越来越丰富，其中包括放线菌、细菌和真菌等几乎所有大类的种群。

聚丙烯酰胺降解菌的典型种群如表1所示。

表1 聚丙烯酰胺降解菌的典型种群

由于单菌株降解聚丙烯酰胺的研究条件易于控制，因此首先会对单菌株降解聚丙烯酰胺的过程进行研究。但由于单菌株微生物生长环境单纯，对有毒有害物质的抵抗降解能力弱，同时降解时单一微生物的酶系较为单一，对聚丙烯酰胺的降解效果有限，且单一微生物难以降解利用一些化学添加剂，而这些物质还对微生物的生长繁殖有较强的毒害作用。因此，在研究微生物降解聚丙烯酰胺的过程中需要利用微生物种群间的协同作用来增强降解效果和抵消环境对微生物的毒害作用[8]。混合菌降解时可以发挥更大的降解效能，微生物可以通过相互的协调作用达到快速降解聚合物的目的。首先由一种或几种微生物将难降解的大分子物质降解为小分子物质，再由其它微生物共同作用，通过共降解、协同效应等实现对大分子物质的生物降解[9]。

3 微生物降解聚丙烯酰胺的发展趋势

目前，国内外对聚丙烯酰胺的微生物降解研究基本上还处于起步阶段，研究报道并不多。

3.1 国内发展趋势

由于聚合物驱采油在油田的大范围使用，导致含聚污水的逐年增加，国内的研究者对含聚污水的处理方法研究逐渐增多。但从总体来看，对聚丙烯酰胺的微生物降解研究仍处于初步阶段。

1999年，黄峰等[10]研究了硫酸盐还原菌降解聚丙烯酰胺。

韩昌福等研究发现，黄孢原毛平革菌能够明显降解聚丙烯酰胺。

孙晓君等研究发现，聚合物废水厂的活性污泥在经过一个月的驯化后能在好氧条件下明显降低废水中聚合物的粘度和含量，鉴定菌种为假单胞杆菌。

李宜强等[11]将油田含聚产出水中的细菌进行富集培养、纯化，得到能以聚丙烯酰胺为碳源和氮源的混合菌，将聚丙烯酰胺溶液与菌株混合进行培养。结果发现，混合菌可有效降解聚丙烯酰胺，并且可明显降低聚丙烯酰胺的粘度。

3.2 国外发展趋势

微生物降解聚丙烯酰胺的研究在国外也得到广泛的研究。

1998年，Kay-Shoemake 等研究了农业土壤中固氮菌对聚丙烯酰胺的降解作用，结果发现，有些细菌能产生酰胺酶，从而破坏聚合物的C-N 键，并以氨基氮为氮源。

Grula等研究发现，聚丙烯酰胺能明显激发几种土壤假单胞杆菌的生长，并能以聚丙烯酰胺为唯一碳源进行生长繁殖；使用以14C标记的聚丙烯酰胺为唯一碳源培养假单胞杆菌P.aeruyinosa时，检测到培养基中的放射性碳有0.2%进入了细菌细胞膜。

Junzo与Eshwan等发现，聚丙烯酰胺经臭氧或紫外光处理后，其生物降解性得到提高。

Kunichika等[12]研究发现，聚丙烯酰胺不能被微生物完全降解，只有一少部分的聚丙烯酰胺被利用，在低浓度的聚丙烯酰胺存在的情况下也不能完全被微生物降解。

研究者以含有聚丙烯酰胺的土壤作为微生物培养基，结果发现，聚丙烯酰胺只能作为微生物的氮源被利用而不能作为碳源，原因可能是聚丙烯酰胺在土壤中先自我转化为长链的分子，再被微生物作为氮源利用。

4 结语

含聚采出液中不只含有聚丙烯酰胺，还含有少量原油、增稠剂、乳化剂等多种化学物质。怎样筛选出既能适应含聚污水这样复杂的环境，同时又对聚丙烯酰胺具有高效降解作用的菌株，是当今研究者共同关注的问题。混合菌处理含聚污水时能够发挥更大的降解效能，微生物可以通过相互的协调作用达到快速降解聚合物的目的。目前筛选出的大部分菌株可以在实验室条件下降解聚丙烯酰胺[13～15]，但很少筛选出大规模降解聚丙烯酰胺的菌株，因此筛选出可在大规模采油作业中进行含聚污水降解处理的菌群是急需解决的问题。

[1] Sojka R E，Entry J A.Influence of polyamide application to soil on movement of microorganis-ms in runoff water[J].Environmental Pollution，2000，108(3)：405-412.

[2] 任南琪，李建政.环境污染防治中的生物技术[M].北京：化学工业出版社，2004：59.

[3] 黄峰，卢献忠.腐生菌对水解聚丙烯酰胺降解过程的研究[J].石油炼制与化工，2002，33(3)：6-9.

[4] El-Mamouni R，Frigon J C，Hawari J，et al.Combining photolysis and bioprocesses for mineralization of high molecular weight polyacrylamides[J].Biodegradation，2002，13(4)：221-227.

[5] 孙晓君，王志平，刘莉莉，等.处理油田含聚废水的微生物研究[J].科技导报，2005，23(7)：38-40.

[6] 包木太，骆克峻，耿雪丽，等.聚丙烯酰胺降解菌的筛选及降解性能评价[J].西安石油大学学报，2008，23(2)：71-74.

[7] 魏利，马放，陈忠喜，等.聚丙烯酰胺降解菌株分离及其系统发育分析[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39(8)：1262-1265.

[8] 李蔚，刘如林，梁凤来，等.一株聚丙烯酰胺降解菌降解聚丙烯酰胺及原油性能研究[J].环境科学学报，2004，24(6)：1116-1121.

[9] 董春娟，吕炳南，马立，等.微生物群落在难降解物质生物降解中的作用[J].哈尔滨工业大学学报，2003，35(7)：893-896.

[10] 黄峰，范汉香，董泽华，等.硫酸盐还原菌对水解聚丙烯酰胺的生物降解性研究[J].石油炼制与化工，1999，30(1)：33-36.

[11] 李宜强，沈传海，景贵成，等.微生物降解HPAM的机理以及应用[J].石油勘探与开发，2006，33(6)：738-742.

[12] Kunichika N，Shinichi K.Isolation of polyacrylamide-degrading bacteria[J].J Fermentation & Bioengin，1995，80(4)：418-420.

[13] 刘永建，郝春雷，胡绍斌，等.一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和机理[J].环境科学学报，2008，28(11)：2221-2227.

[14] 黄峰，卢献忠.硫酸盐还原菌在含水解聚丙烯酰胺介质中的生长繁殖[J].武汉科技大学学报(自然科学版)，2002，25(1)：45-48.

[15] 程林波，张鸿涛.废水中聚丙烯酰胺的生物降解试验研究初探[J].环境保护，2004，(1)：20-23.