聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價：
聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價，油田聚合物驅的大麵積推廣應用導致聚合物驅產出水中含有大量的聚丙烯酰胺(PAM),含 聚丙烯酰胺的產出液外排將對環境造成很大的危害，回注將對油層產生致命性傷害.從含聚丙烯酰 胺的廢水中初步篩選到一株以聚丙烯酰胺為碳源的降解菌，命名為PM-1.經生理生化鑒定，初步 確定為芽孢杆菌屬(Bacillus，）.實驗結果表明：在溫度為35 °C，pH值為7. 5的條件下，降解5 d，500 mg/ L聚丙烯酰胺溶液的降解率最高可達到38. 4% .
聚
丙烯酰胺作為土壤微生物生長基質的實驗中發現: 聚丙烯酰胺隻能作為惟一的氮源被微生物所利用， 但是卻不能作為碳源被降解.在國內，黃峰等[10]研 究了硫酸鹽還原菌對聚丙烯酰胺的降解.研究結果 表明，硫酸鹽還原菌不僅能以聚丙烯酰胺為碳源生 長繁殖，而且還能使聚丙烯酰胺降解導致其溶液黏 度損失.
本文從含聚丙烯酰胺的廢水中初步篩選到一株 以聚丙烯酰胺為碳源的降解菌，並對其生長以及不 同環境要素條件下對聚丙烯酰胺的降解情況進行了 考察，實驗結果將對含聚油田汙水的生化處理奠定 理論基礎和技術支撐.
1實驗部分
1. 1菌種來源
菌種來自勝利油田勝坨采出水.
作為一類重要的水溶性高分子聚合物，聚丙烯 酰胺廣泛應用於油田聚合物驅等三次采油技術中.
隨著聚合物溶液的注入，采出水因為含有聚合物而 黏度較高，水中的油滴及固體懸浮物的乳化穩定性 強，進而導致油、水分離和含油汙水處理的難度加 大.目前，聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價，隨著聚合物驅三次采油技術的逐步推廣，
聚丙烯酰胺的應用範圍和規模正呈現快速増長趨 勢，同時其在環境中的累積、遷移、轉化帶來的毒性 亦將逐漸顯露出來，並將給生態環境帶來不可估量 的長期危害.含聚丙烯酰胺汙水的處理研究己經迫 在眉睫，這其中最核心的問題便是聚丙烯酰胺的降 解l1~2].所以篩選聚丙烯酰胺降解菌種的工作顯得 尤為重要.
目前國內外對聚丙烯酰胺降解的研究主要從以 下幾個方麵展開:熱降解、光降解、化學降解、生物降 解、機械降解[-7].而生物降解處理方法具有無汙 染、成本低等優點，從而成為研究者重點研究的內。
1.2主要儀器及設備
Cary 50 Bio紫外可見分光光度計、恒溫搖床、 生化培養箱、顯微鏡、恒溫箱、高壓滅菌鍋、pH計. 1.3培養基
選擇性液體培養基的組成(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.
選擇性固體培養基：向上述培養基中加入15~ 20 g/L的瓊脂粉，製成平板.
富集培養基的組成(g/L):牛肉浸膏3. 0,蛋白 腖 10.0,NaCl 5.
2實驗內容與方法
2.1菌種的篩選及鑒定
取3 mL的勝坨采出水接種到裝有選擇性液體 培養基的錐形瓶中，放入溫度為37 °C、轉速為120 r/min的恒溫培養箱中培養數天，然後稀釋塗在平 板上，並在37 °C的生化培養箱中培養.
選擇生長良好的菌株作為實驗菌株，聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價，擴大培養 和馴化,然後借助形態學觀察和生理生化實驗進行 鑒定 .
2.2聚丙烯酰胺質量濃度的測定
由於油田采出水中成分相當複雜，礦化度和無 機離子含量較高,膠束驅、堿/表麵活性劑/聚合物驅 采出液為乳狀液或溶有原油而帶較深的顏色，高溫、 高pH值條件下聚丙烯酰胺水解度明顯增大，這些 因素將嚴重影響聚丙烯酰胺質量濃度的準確分析. 由於澱粉■碘化鎘法[11]的幹擾因素少，精確度高，所 以在油田中有著廣泛的應用.其原理為：（1)用Br2 水將酰胺基溴化為N■溴代酰胺;（2)過量的Br2用 甲酸鈉除去;（3)聚丙烯酰胺的溴代物水解產生次溴 酸;（4)次溴酸定量地與碘化鎘中I-反應生成E ; (5) I-與澱粉作用呈藍色，用分光光度法測定其吸 光度.
繪製質量濃度一吸光度標準曲線，以此確定溶 液中聚丙烯酰胺的質量濃度.
2.3菌種性能評價
用過濾後的勝坨采出水配置聚丙烯酰胺溶液, 並高壓滅菌,取此作為實驗空白液.接種一定量的已 經馴化的菌液作為實驗菌液.
將實驗菌液置入恒溫搖床中進行培養.在培養 過程中觀察細菌的生長情況;定期用pH計測定菌 液pH的變化；采用澱粉一碘化鎘方法測定聚丙烯 酰胺的質量濃度.生物降解率的表達式為 G = ( ft) - Pi)/ ft) @ 100%.
式中：〇)表示降解前聚丙烯酰胺的質量濃度， mg/L;Pi表示降解後聚丙烯酰胺的質量濃度，
mg/ L.
實驗中，由於搖床的剪切作用對聚丙烯酰胺的 降解所產生的影響不能忽略,所以計算生物降解率 時必須扣除空白溶液中聚丙烯酰胺含量的變化.
3實驗結果及討論
3.1篩選結果
初步篩選到一株以聚丙烯酰胺為碳源的降解菌 種，並命名為PM~1.通過生理生化特征鑒定，並參 考《伯傑細菌鑒定手冊》[12]，初步確定PM~1菌為芽 孢杆菌屬.
3.2細菌的生長及pH值的變化
有研究表明[13],微生物分解聚合物的過程一般 是:首先，聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價，微生物在菌體外分泌出聚合物的分解酶, 分解酶再將高分子鏈分解成低分子鏈或使其側基脫 落.酶和聚合物的接觸有兩種方式，酶對高分子鏈的 攻擊更普遍在鏈端進行，而其鏈端又經常埋藏於聚 合物基質之中，使與它反應的酶不能或隻是極慢地 接近它.
聚丙烯酰胺作為高分子的聚合物在溶液中形態 結構不盡相同[14];且用於石油開采的通常是陰離子 型聚丙烯酰胺,所以細菌需要一定的時間去適應這 種新的環境.因此，對細菌在含聚合物的溶液中有一 段較長的適應期.
圖1細菌的生長曲線及菌液pH值的變化
細菌的生長曲線表明,細菌在開始的24 h內幾 乎沒有變化，但24 h之後細菌量開始迅速增加，說 明細菌基本適應了周圍的環境並開始生長.早期
3.4. 2不同初始pH值對聚丙烯酰胺降解率的影 響配製500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液,分別調pH 值為 4. 0, 4. 5, 5. 0, 5. 5, 6. 0, 6. 5, 7. 0, 7. 5, 8. 5,9.0
(同時作空白實驗)，在其它條件不變的情況下，考查 不同pH值對聚丙烯酰胺的降解情況.結果見圖4.
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MagdaliniukS[]等人曾提出聚丙烯酰胺的不可生 物降解性.同時由細菌生長曲線還可以看出，細菌對 聚丙烯酰胺還是具有一定適應性的，能夠在含聚丙 烯酰胺的溶液中生長.在細菌生長的過程中，pH值 有所降低，一方麵聚丙烯酰胺水解產生羧基,另一方 麵細菌新陳代謝過程中可能產生酸性物質.初始pH 值為7. 5的菌液，聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價，最低能降到5. 4左右.
3.3溶液中聚丙烯酰胺含量的變化
實驗中聚丙烯酰胺的降解可以看作是生物降解 與機械降解共同作用的結果.由於細菌的生長繁殖 要經過一定的降解誘導過程,所以在最初的24 h內 聚丙烯酰胺含量的小幅降低主要是依靠培養搖床的 剪切作用.因此,這一段時間內聚丙烯酰胺的降解應 該歸屬於機械降解.
處於對數期的細菌，生長繁殖旺盛，新陳代謝速 度加快;與此同時，細菌不斷分泌出聚丙烯酰胺的分 解酶，促使長鏈大分子的聚丙烯酰胺逐漸被斷裂成 小分子，從而解離出越來越多的可供細菌吸收利用 的小分子物質.由圖2可以看出：從第二天開始，聚 丙烯酰胺含量急劇降低，這充分說明細菌的生物降 解起了至關重要的作用.隨著細菌濃度的升高，細菌 與聚丙烯酰胺的接觸麵積不斷增大,從而促進了聚 丙烯酰胺的生物降解.但是細菌並不能完全降解溶 液中的聚丙烯酰胺.從實驗的第十天開始，溶液中聚 丙烯酰胺的濃度開始達到平衡.這和相關文獻[16]指 出細菌不能夠利用全部的聚丙烯酰胺作為碳源相一 致.實驗中初始量為500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液 經過長時間降解之後，聚合物含量最終可以降到 200 mg/L 左右.
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圖2聚丙烯酰胺含量隨時間的變化
3.4聚丙烯酰胺降解實驗最佳條件的確定
細菌生長需要適宜的溫度、pH值，太高或太低 的溫度、pH值都會對細菌生長過程中新陳代謝產生 影響.所以確定適宜的生長條件將會有利於細菌的 生長,從而有利於聚丙烯酰胺更好地降解.
3.4.1 適宜生長溫度的確定對不同溫度下500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液的降解率進行了測定（同 時作空白實驗)，從而確定了降解實驗的最佳溫度.
由圖3可以看出，聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價，細菌對聚丙烯酰胺溶液降解 程度較高的溫度範圍是35~ 40 °C.溫度高於50 °C 對降解實驗會產生極大的影響，溫度高於55 °C,聚 丙烯酰胺的降解率低於5%.
溫度/r：
圖3降解率隨溫度的變化
pH
圖4初始pH值對降解率的影響
圖4表明，初始pH值的不同對聚丙烯酰胺溶 液中的細菌產生了一定的影響.一般地講，細菌生長 的最適pH值範圍是6. 5~ 7. 6,本實驗中篩選到的 聚丙烯酰胺降解菌也不例外，在pH值7. 5處降解 聚丙烯酰胺的效果最好.過高或過低的pH值都不 利於聚丙烯酰胺的降解.
3.4.3 降解時間對降解率的影響配製500 mg/ L
的聚丙烯酰胺溶液,每天測定聚丙烯酰胺的含量，對 照空白計算聚丙烯酰胺的降解率.結果見圖5.
在對含聚丙烯酰胺汙水生化處理的過程中涉及 到處理周期的問題.一個完整的處理周期包括進水 期、汙水處理期、出水期.所以確定反應的生化反應
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圖5降解時間對降解率的影響
處理時間，對於實際運作過程具有重要的意義.由圖 5可以看出，細菌對聚丙烯酰胺的降解主要是在前5 d內，在之後的時間裏，降解率基本穩定.所以本實 驗把第五天作為降解實驗的終止，降解率最高可達 到 38.4%.
4結論及建議
初步篩選到一株以聚丙烯酰胺為碳源的降解菌 種,實驗結果表明經過一段時間的馴化，篩選到的降 解菌種顯示出對聚丙烯酰胺的適應性，並對聚丙烯 酰胺的降解起到一定的作用.在溫度為35 °C、pH值 為7. 5的條件下，降解5 d，500 mg/L聚丙烯酰胺溶 液的降解率最高可達到38.4% .聚丙烯酰胺經降解 之後，聚合物發生斷鏈，產生低分子化合物碎片，降 解產物不會對環境產生二次汙染.
鑒於油田汙水成分的複雜性，各種添加劑會對 微生物的存在造成潛在的毒害作用，聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價，單一的菌種可 能無法很好地發揮其應有的功效.通過篩選高性能 的聚丙烯酰胺降解菌，綜合利用其與不同微生物群 落(如腐生菌、硫酸鹽還原菌）之間的共代謝及協同 作用，提高聚合物驅後汙水的處理效果，將是下一步 實驗探索的重點.
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