微生物降解含蜡原油机理研究进展

冯宪明，郑皓铭，杜胜男，王卫强

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

蜡在含蜡原油的生产与运输过程中随着温度的降低而析出，降低原油的流动性，导致管输能力下降，严重影响原油的生产工艺和开采量[1-2]。改善原油流动性，提高原油产量是上游油气行业关注的主要问题[3]。传统清防蜡技术，如清管、注入化学清防蜡剂等，成本高且风险较大[4]。利用微生物或代谢产物可抑制或消除石蜡对原油流动性的影响[5]。微生物处理具有许多突出的优点，如施工简单、操作成本低、作用周期长、不影响油层质量且对地层无任何损伤等[6-7]。因此，微生物降解技术已成为该领域的研究热点。

1926 年，美国学者Beckmann 首次提出了利用微生物进行驱油的设想[8]，发展至今已进行了较为深入的研究。作用机理可归结为：①微生物降解酶机理，以原油为唯一碳源的微生物在生长过程中利用生物降解酶，使长链烃碳键断裂，降解为短链烃[9]；②有机溶剂机理，微生物代谢产生醇类、醛类、胺类等有机溶剂，在储层高温高压的环境中溶入原油，提升含蜡原油中蜡组分的溶解能力[10-11]；③表面活性剂机理，微生物产生的表面活性剂提高微生物对烃类底物的利用率，进而改善原油性质，乳化原油形成乳状液，减少蜡质的析出[12]。与其他传统技术相比，微生物法为提高原油采收率和预防蜡沉积提供了一种安全、经济可行的方法[13]。本文对微生物降解含蜡原油降解机理从微生物降解酶机理、有机溶剂机理以及生物表面活性剂机理三方面进行阐述。

1 微生物降解酶机理

微生物分泌的胞外酶作为降解原油中蜡的催化剂，对微生物所处有限营养环境具有很大影响[14]。微生物固有的基因表达产生降解含蜡原油的酶，使其具有降解含蜡原油的能力。降解酶通过产生活性氧来克服含蜡原油的低化学反应活性，并开始生物降解[15]。目前，对微生物降解酶的研究集中在微生物降解酶的作用分析、降解酶的降解途径以及环境因素对生物酶活性的影响等方面。加强对微生物降解酶产生机理的研究，有利于推广微生物降解酶在石油工业中的应用。

1.1 微生物降解酶的作用

微生物中存在各种氧化酶，其中，al-kane 单氧合酶、醇脱氢酶、醛脱氢酶等酶是降解长链烃类的主要酶[16]。酶在有氧环境中有效参与石蜡的降解。微生物分泌的生物酶（如单氧合酶）将一个氧原子引入原油中，使原油的酶解过程加快。当有足够的磷酸盐等营养物质时，微生物快速地降解碳氢化合物[15]。微生物利用营养物质和碳氢化合物，通过生物酶的反应产生氧气[17]。引入氧气后，碳氢化合物会更亲水，从而提高其对生物体的可用性。例如，挪威国家石油公司在Norne 油田通过向水中注入氧气的方法进行采油[18]。

好氧降解是通过烃类末端甲基的氧化来形成初级醇，提高烃类在水中的溶解度，并为进一步的反应提供反应场所。反应能量是由还原的生物中间体NADH（Nicotinamide adenine dinucleotide）被电子受体再氧化而产生的。醇脱氢酶使原始醇进一步氧化生成相应的醛，最终醛脱氢酶将产生的醛转化为脂肪酸[16]，使原油中的重组分烃类减少，轻组分增加。微生物降解酶的降解途径如图1 所示。

图1 微生物降解酶的降解途径

微生物降解酶制剂对含蜡原油具有降解作用。J.H.Zhang 等[19]通过生物酶降解石蜡，显著改变了石蜡在正己烷中的溶解度，正己烷中溶解的石蜡质量分数明显增加，而在正己烷中析出的石蜡颗粒数量相应减少。正己烷中石蜡经酶处理后，78.60%～86.15%（质量分数）的石蜡被溶解，比对照组提高了31.88%～44.55%。在酶解样品中析出的石蜡颗粒与总石蜡颗粒的质量比为17.35%～24.60%，较对照组下降48.48%～63.66%。

1.2 微生物降解酶影响因素

温度对生物酶的活性有一定影响。 N.Sakthipriya 等[16]比较不同温度的酶所需要的激活能量发现，50 ℃的酶活性最高，所需激活能量最小，且代谢速率最快。在50 ℃时，单氧合酶、乙醇脱氢酶和醛脱氢酶活性达到峰值，以原油为底物时其峰值分别为0.88、0.78 U/mg 和0.89 U/mg，以模拟油为底物时其峰值分别为0.80、0.76 U/mg 和0.82 U/mg。

代谢底物的碳链长度对生物酶的活性有一定影响。A.Ratajczak 等[20]分离得到的菌株A.baylyi ADP1 中烷烃羟基化酶alkM 基因的表达是由该菌株未利用的C7—C11诱导的，C12—C18的长链正构烷烃被代谢。微生物的生长情况直接导致辅助性碳氢化合物生物酶的产生[21]。N.Sakthipriya 等[16]经过10 d 培养Bacillus subtilis YB7，由于微生物已经进入衰亡阶段，生物酶数量减少，因此Bacillus subtilis YB7的酶活性在10 d 后降低。N.Sakthipriya 等[22]发现，Pseudomonas fluorescens 产生的烷烃单加氧酶和醛脱氢酶活性在第10 d 达到最大，第10 d 后微生物进入衰亡阶段，其酶活性随之降低。

以上研究表明，微生物降解酶能有效降解石蜡，改善含蜡原油的结构组成，提高其流动性。但是，生物酶受多种因素的影响，限制原油降解效果。今后应进一步研究生物酶的产生机理，以提高微生物降解酶对含蜡原油的降解效率，推广微生物技术在含蜡原油降解方面的应用。

2 有机溶剂机理

在利用微生物技术降解含蜡原油的过程中，微生物产生醇类、酚类、胺类等有机物，使含蜡原油中蜡的溶解度增加，减少蜡晶的析出，提高原油流动性。目前，对此项机理的研究集中在有机溶剂的检测和鉴定层面[8]，对微生物代谢过程中有机溶剂的产生机理进行的研究相对较少。

微生物代谢产生醇类、醛类、胺类等有机物，提升了含蜡原油中蜡组分的溶解能力。近年来，对此项机理的研究取得了一定进展。王卫强等[23]利用一株Bacillus subtilis 对辽河原油进行了降解，降解后油品中产生了醇酚和胺类有机物，降低了蜡的析出，原油中蜡质量分数降低近20%，黏度的降低幅度最高达11.1%，这一结果从侧面印证了微生物及其中间产物对含蜡原油的降解作用。与短链正构烷烃相比，长链正构烷烃和支链烃类较难降解，且支链越多降解越难[24]。J.H.Zhang 等[19]从安塞油田磕头机附近土壤中分离得到6 株Aspergillus spp，在产酶培养基上生长时，6 株菌均在40 ℃有氧条件下产生具有高活性的脱氢酶。在实验室条件下，酶处理显著提高了石蜡在正己烷中的溶解度，改变了石蜡晶体的形态和结构，产生了动态的气体（体积分数为75%的CO2和25%的H2）和有机酸（草酸、丙酸），具有较强的正构烷烃降解能力，这说明真菌同样适用于含蜡原油的降解，增加含蜡原油中蜡的溶解度，同时说明真菌酶制剂在蜡质降解方面具有很好的应用潜力和可行性。

D.D.Patel 等[25]从古吉拉特邦油井原油中分离得到一株Nocardia farcinica。在实验室条件下，不同长链烷烃在微生物降解前后的气相色谱图显示，正二十一烷降解率高达100%，降解了约66.0%的正二十二烷，50.6%的正二十三烷，在10 d 内降解了约50.0%的含蜡原油，证实了Nocardia farcinica 对石蜡中不同碳链长度烃类的优异降解能力。N.Sakthipriya 等[16]利 用J.Arutchelvi 等[26]从印度金奈聚合物垃圾场分离得到的一株Bacillus subtilis YB7，在实验室条件下将其分别作用于原油和模拟油，观测处理前后的原油和模拟油傅里叶红外光谱图。结果发现，两种油品经处理后成分中都出现了羧酸和醇类等有机物质，利用GC-MS 分析两种原油在处理前后的成分组成，长链烃减少短链烃增加，与傅里叶红外分析所得结果一致。在50 ℃的温度下，模拟油和原油的黏度分别降低了82.0%和70.0%，说明微生物及其产物对由正构烷烃配制的模拟油和原油都具有良好的降解效果。N.Sakthipriya 等[27]将一株Bacillus subtilis YB7 分别作用于C16H34、C20H42、C24H50、C28H58、C32H66和C36H74，结果发现在其作用后都检测到羧酸和醇类等有机物，烃类底物的黏度分别降低了81.0%、57.0%、79.0%、78.0%、78.0%和76.0%。

以上研究表明，不同微生物产生的有机物产物存在差异，目前对有机溶剂的研究集中在发现、检测和鉴定的层面，其产生机理尚不明确。今后应加强对微生物产生有机溶剂的机理研究，提高蜡质在原油中的溶解度，减少蜡质的析出，以便更加高效地利用微生物技术。

3 生物表面活性剂机理

目前，国内外对生物表面活性剂的研究主要集中在表面活性剂的性能测定、种类鉴定以及环境因素对生物表面活性剂活性影响等方面，对其产生机理的研究仅停留在初级阶段。加强其产生机理研究，有利于生物表面活性剂产量的提高，进而推广微生物技术。

3.1 生物表面活性剂的作用

生物表面活性剂包含磷脂、脂肽、肽、抗生素、脂肪酸（其分子结构如图2 所示）、糖脂（鼠李糖脂和纤维二糖脂质等，其分子结构如图3 所示）等多种化学类型[28]。生物表面活性剂是一种能改善表面结构的两亲性分子，降低表面张力，对原油进行乳化，能提高疏水底物的表面积，从而使微生物和碳氢化合物能充分接触[29]。

图2 微生物产生的某种脂肪酸分子结构

图3 鼠李糖脂和纤维二糖脂质分子结构

生物表面活性剂的活性间接地影响表面张力，使表面张力降低，因此可通过表面张力的降低幅度来比较生物表面活性剂活性。其中，Bacillus subtilis产生的表面活性剂被认为是最高效的，能将水的表面张力降至27.00 mN/m[30]。目前，对生物表面活性剂的研究取得了一定的成果。N.Sakthipriya 等[13]利用一株Bacillus subtilis YB7，对其产生的表面活性剂进行分析。在以C16H34、C20H42、C24H50、C28H58、C32H66和C36H74作为底物的情况下，表面张力分别降低到14.20、15.40、17.90、20.30、21.10 mN/m 和20.40 mN/m，降低幅度分别为81%、79%、74%、72%、71% 和72%。C16H34、C36H74、原油和模拟油在50 ℃的条件下乳化系数分别为87.8%、73.4%、85.6% 和71.4%。H.S.El-Sheshtawy 等[31]分离纯化得到一株 Pseudomonas putida B1 和一株Halomonas xianhensis B2，产生的生物表面活性剂能将水的表面张力由72.00 mN/m 分别降低至39.00 mN/m 和36.00 mN/m，对煤油的乳化系数分别可达93.0%和85.0%。

M.Xiao 等[32]分离纯化得到一株Pseudomonas aeruginosa，发现其产生的表面活性剂能将水的表面张力降低到36.00 mN/m，对煤油的乳化系数在24 h内迅速达到98.2%。J.H.Liu 等[33]从大庆油田污水中分离得到一株产生表面活性剂的菌株S2，其产生的表面活性剂能将培养基的表面张力从49.00 mN/m 降低至25.70 mN/m，对煤油的乳化系数达到 80.0%。 C.Luo 等[34]分离纯化得到一株Pseudomonas sp.DG2，产生的脂肽类表面活性剂将培养基的表面张力由78.26 mN/m 降低到约37.45 mN/m，对煤油的乳化系数达到约70.3%。J.H.Zhang 等[35]发现，Bacillus amyloliquefaciens 6-2c 产生的表面活性剂可将培养基的表面张力由60.41 mN/m 降低到25.51 mN/m，对汽油的乳化活性达到约59.9%。上述数据说明，生物表面活性剂能够显著降低表面张力，对烃类底物进行乳化，使微生物和碳氢化合物充分接触，提高其对微生物的利用率，达到降解的目的[36]。

与强化采油中使用的其他表面活性剂相比，原位微生物产生的表面活性剂毒性低、生物相容性好、对原位原油降解性强[37-38]。无论微生物在储层条件下的存活率如何，原位生产的生物表面活性剂都能承受提高采收率的极端条件。文献[39-40]的结果表明，向油层注入原位微生物生产的表面活性剂，油层的采收率有显著提高。生物表面活性剂有助于降低原油黏度，驱替储层岩石孔隙中的滞留油，提高采收率[41]。文献[42-43]的结果表明，在反硝化条件下对柴油污染含水层进行原位生物修复中，当所添加的鼠李糖脂的浓度高于CMC（临界胶束浓度）时，会延迟烃类降解，其原因是添加的表面活性剂被原位细菌用作碳源，使烃类降解延迟。因此，在实际应用表面活性剂时应注意对原位微生物的影响。

3.2 生物表面活性剂环境影响因素

pH 对表面活性剂的稳定性有很大影响。H.S.El-Sheshtawy 等[31]利用一株Pseudomonas putida B1和一株Halomonas xianhensis B2，分别培养了表面活性剂B1 和B2，并利用B1 和B2 研究了pH 对表面活性剂的影响。结果表明，生物表面活性剂B1 溶液在pH 为3 和5 时活性较低，在pH 为7 时活性最高，此时其表面张力为37.00 mN/m。由此可推断，生物表面活性剂B1 在pH 约为7 时活性高，强酸性会降低其活性；生物表面活性剂B2 的表面活性基本不受pH 的影响，该表面活性剂在pH 为3～12 时的表面张力为40.00 mN/m，说明其具有在极端环境中应用的潜力。W.J.Xia 等[44]发现，Bacillus subtilis 产生的表面活性剂的活性随着pH 的降低而降低。在pH 为1～5 的条件下形成沉淀，从而失去活性。N.Sakthipriya 等[45]发现，Bacillus subtilis YB7 产生的生物表面活性剂在酸性条件下是不溶的，因此形成沉淀，失去降低表面张力的能力，说明该表面活性剂能够在碱性油藏中得到应用。

矿化度对表面活性剂的稳定性有一定影响。H.S.El-Sheshtawy 等[31]发现，一株Pseudomonas putida B1 和一株Halomonas xianhensis B2 产生的两种不同的表面活性剂，对质量分数高达20%的NaCl 具有较好的耐受性，实验过程中表现出较高的稳定性。P.Bharali 等[46]发现，Alcaligenes faecalis 产生的表面活性剂的活性随着矿化度的上升而减弱，但在质量分数为6%的NaCl 溶液中依然能够保持活性，其在盐碱生态系统、地下油井等环境中仍能保持培养基的有效性。N.Sakthipriya 等[47]发现，Pseudomonas aeruginosa 产生的鼠李糖脂在NaCl 质量分数为20%时，表面张力稳定，即使在最高的矿化度（30%）下生物表面活性剂仍保留近50%的表面活性。因此，该表面活性剂可用于矿化度较高的油藏。

上述研究表明，生物表面活性剂能够提高微生物对含蜡原油的降解率，在微生物驱油领域扮演着重要角色。环境因素影响生物表面活性剂的活性，极端的环境可能会导致生物表面活性剂失去活性，不能提高烃类底物利用率。优化环境可提高生物表面活性剂的表面活性，但是目前对此进行的研究内容相对较少，而且现场环境复杂多样，因此应加强对环境因素与生物表面活性剂活性的关系和生物表面活性剂产生机理的研究，以取得最佳效果。

4 建 议

微生物对含蜡原油降解技术具有环保清洁、经济高效等诸多优点，今后应加强以下几方面的研究：

（1）加强对微生物降解酶产生机理的研究。微生物降解酶能降解烃类，使含蜡原油中长链烃类减少，短链烃类增加，降低原油黏度，提高原油流动性。但是，其产生机理尚不明确，深入研究生物酶的产生机理，有利于提高微生物技术的高效性。

（2）加强研究微生物代谢有机溶剂的机理。微生物的代谢产物能被用作有机溶剂，提高石蜡在原油中的溶解度。

（3）加强研究生物表面活性剂的产生机理。表面活性剂能够使微生物和原油充分接触，提高微生物对含蜡原油的降解率，改善含蜡原油的流动性。深入研究微生物代谢产物的代谢途径，有利于推广微生物技术。