聚丙烯酰胺(PAM)是丙烯酰胺及其衍生物的 均聚物和共聚物的統稱，為線性水溶性高分子中的 一種。它親水性高，能以各種百分比溶於水，不溶於 大多數有機溶液，具有很好的増黏作用與黏彈性，是 一類重要的水溶性高分子聚合物，在石油開采、水處 理、紡織、造紙、選礦、醫藥、農業等領域有廣泛的應 用，有“百業助劑，，之稱[1,2]。

為提高原油采收率，我國大慶油田和勝利油田 在‘八五”期間進行聚合物驅油礦場試驗獲得成功。 聚合物驅油三次采油技術（在注入水中加入一定量 高分子量的部分水解聚丙烯酰胺）得到廣泛應用。 從1996年起，大慶油田聚合物驅油技術陸續步入工 業化生產，2000年聚合物驅產油量己達900 x 104 t 以上，占當年產油量的17%。預計到2010年，我國 石油開采行業對聚丙烯酰胺的需求量為10x 104~ 11 x 104 t/a[3]。

隨著聚合物驅三次采油新技術的推廣，含聚丙 烯酰胺汙水量正在逐年増加，而現在外排汙水中的 聚丙烯酰胺，由於不能被完全降解而在環境中造成 累積效應，汙染環境。這類汙水的處理己經成了一 個亟待解決的問題[4]。

1聚丙烯酰胺生物降解機理

1.1聚丙烯酰胺的降解方式

對聚丙烯酰胺降解的研究可以分為以下幾個方 麵15]:氧化降解、光催化降解、光降解、生物降解、酶 降解、熱降解、機械降解。而生物降解處理方法具有 高效、低成本等優點，己成為重點研究的內容。

早期Magdaliniuk等[9]曾提出聚丙烯酰胺的不 可生物降解性，也有些研究者試圖通過高級氧化等 方法降低分子量，提高其生化降解性，結果均不理 想。例如Junzo等[10]研究了聚丙烯酰胺經臭氧氧 化降低分子量後的生化降解性，發現經氧化的聚丙 烯酰胺仍然難於生物降解，油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研究，並認為聚丙烯酰胺對生 物降解的抵抗性不僅因為其分子量過高，而且因為 分子結構中含有氨基。

近年來，國外研究者發現水解聚丙烯酰胺的降

鏈(如黃素蛋白、細胞色素C等）逐級傳遞產生大量

SOi'+HjO -♦消耗ATP

S^+OH-

氧化

產物ATP 高能電子

第24卷第2期

包木太，駱克峻，耿雪麗等：油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研究

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解產物可作為細菌生命活動的營養物質，營養消耗 的同時又會促進水解聚丙烯酰胺的降解。

1.2降解菌對聚丙烯酰胺的降解機理

微生物降解聚丙烯酰胺的機理主要可分為三 類：①生物物理作用：由於生物細胞增長使聚合物組 分水解、電離或質子化而發生機械性破壞，分裂成低 聚物碎片；@生物化學作用:微生物對聚合物作用而 產生新物質（CH4, CO2和H2O);③酶直接作用：微 生物侵蝕導致聚合物鏈斷裂或氧化。實際上生物降 解並非單一機理,而是複雜的生物物理、生物化學協 同作用，同時伴有相互促進的物理、化學過程181。

細菌和聚合物接觸後並不立即進行分解反應， 而要經過一段時間的誘導適應，通過活化使細菌經 曆了誘導適應過程後再與溶液中的聚合物接觸，就 會大大縮短誘導時間,使細菌獲得新的分解能力或 大大提高其分解能力。微生物的這種適應性在文獻 中曾有報道191。微生物在降解過程中一方麵以聚 合物為營養源,產出降解聚合物的酶係而破壞聚合 物結構，使鏈分解,使聚合物黏度下降;另一方麵聚 合物降解菌可以加快聚合物酰胺基水解，增加聚合 物分子、聚合物鏈段間的排斥力。由於部分酰胺基 水解生成羧基，微生物作用後聚合物溶液體係pH 值下降。

腐生菌(TGB)不僅能在不加任何培養基成份的 一定濃度的聚丙烯酰胺中大量生長繁殖，而且能使 溶液的黏度降低。但腐生菌對聚丙烯酰胺的生物降 解較緩慢。這是由於微生物分解高分子聚合物的一 般過程首先是微生物在菌體外分泌出聚合物分解 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 子鏈的攻擊普遍在鏈端進行,而鏈端又常埋藏於聚 合物分子線團之中，與其反應的酶不能或隻能緩慢 地接近，因此對聚合物的降解速率非常小1101。

硫酸鹽還原菌(SRB)在利用聚丙烯酰胺為碳源 的同時把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫、硫代硫酸鹽和連二 亞硫酸鹽還原成H2S並可能把氫用作供氫體。可 以簡單地將SRB的代謝過程分為分解代謝、電子傳 遞和氧化三個階段，如圖1所示。

在分解代謝的第一階段，有機物碳源的降解在 厭氧狀態下進行，同時通過“機質水平磷酸化”產生 少量ATP(三磷酸腺苷)；在第二階段，前一階段釋 放的高能電子通過硫酸鹽還原菌中特有的電子傳遞

碳源

黃素蛋白細胞

細胞felfC，

CO2+H2O+CH3COOH

分解代謝電子傳遞

圖1 SRB的代謝過程

的ATP;在最後階段，電子被傳遞給氧化態的硫元 素，將其還原為S2-,此時需要消耗AT P提供能量。 從這一過程可以看出，有機物不僅是SRB的碳源， 也是其能源,硫酸鹽(或氧化態的硫元素）僅起最終 電子受體的作用，即SRB將SO42-作為最終電子受 體，有機物作為細胞合成的碳源和電子供體，將 SO42-還原為硫化物1111。

李宜強等1121的研宄表明，微生物體內的脫氨酶 在還原性酶的輔助作用下，油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研究，首先斷開聚丙烯酰胺中 的C 一N鍵,解離出NH2-離子，而該NH2-原來的 位置被OH-所取代,生成一COOH;同時，在〇2的 參與下,微生物酶首先進攻的位點是碳鏈的末端甲 基,在單加氧酶的作用下，碳鏈末端甲基首先被氧化 成醇，進而被氧化成羧酸，且羧基的第二個氧原子是 從H2O中引入的。如果(-碳原子上取代有1個甲 基，這時民氧化的結果隻產生丙酰COA而不是乙酰 COA。如果在&碳原子上取代有其他基團或在同一 碳原子上取代有2個甲基或在碳鏈末端碳原子上取 代有3個基團,就會抗^■氧化，因為^■氧化要求^■原 子上沒有取代基。但是在微生物中存在(-氧化（即 從碳鏈上移去1個碳原子)，這樣就可以避免發生因 !-原子上存在取代基而無法被微生物分解的情況， 如圖2所示。

CC

C——Cjr-C——C-T-CTT-C —C 丁COOH

代表a-氧化的位點，、代表■氧化的位點

圖2 ch氧化和氧化作用位點示意圖

經過一係列有各種微生物酶參與的氧化反應， 長鏈的聚丙烯酰胺鏈被斷裂成短鏈的可被微生物吸收的小分子有機物。這些有機物和從聚丙烯酰胺中 解離出來的NH2-提供了微生物新陳代謝必不可少 的碳源和氮源，用於合成蛋白質和其他含氮、含碳有 機物質。整個降解聚丙烯酰胺的過程需要消耗大量 的ATP能量(627. 83 J/mol)和還原性輔酶，因此要 提供足夠的磷源。

2降解菌種的來源

2.1從環境中直接獲得

從自然界相似環境中分離微生物用於廢水處 理，是解決廢水汙染問題的重要手段之一。油汙地 區的水體和土壤中多存在一些生存適應能力較強的 微生物。所以，在含有較高濃度聚丙烯酰胺的廢水 中篩選聚合物降解菌是一種很重要的途徑。例如廖 廣誌等[13]從各采油廠聚合物驅區塊廢水中優選出 了在聚丙烯酰胺和原油存在的環境中良好生長的5 株降解菌。

2.2通過生物強化技術(bioaugmentation)獲得

在多數情況下，直接分離得到的聚合物降解菌 能耐受的鹽度和溫度範圍不寬，這在汙水水質波動 很大時是非常不利的。因此，應根據采出水的性質 采用生物強化技術，通過汙泥或細胞的馴化過程，培 養篩選對有機物類物質具有良好降解性能、鹽度適 應範圍廣的微生物>14]。

3聚丙烯酰胺生物降解研究進展

1995年日本的Kunichika等115]在30 °C下從活

性汙泥和土壤中分離出能以水溶性聚丙烯酰胺為唯 一■碳源和氮源的 Enterobacter agglomerans 和 A- zomonasmacrocytogenes兩株降解菌株。實驗表明， 在該種細菌的降解作用下，培養液中聚丙烯酰胺的 分子量由起初的2. 0x 106降低到0. 5x 106;培養液 的pH值由起初的6. 8降到5. 8。油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研究，核磁共振分析結 果表明聚丙烯酰胺的主鏈發生了降解。但研究結果 表明微生物隻能利用聚丙烯酰胺分子中的一部分， 不能利用其中的酰胺部分，即使是低濃度的聚丙烯 酰胺也不能全部被利用。

Ka-Shoemake等116，17]的研究表明，以聚丙烯 酰胺作為土壤微生物生長基質時，微生物分泌出胞 外酰胺酶，可以催化水解化合物骨架中的碳氮部分， 產生氨和羧酸。同時還發現聚丙烯酰胺隻能作為唯 能原因是聚丙烯酰胺先被轉化為長鏈聚丙烯酸酯， 之後才可以被微生物作為氮源利用。

Gmlal18]報道，一定的單細胞菌能夠利用一種 類型的聚丙烯酰胺作為氮源，酰胺酶的活性短暫與 植物的生長有關。Abdelmagid等1191認為施加了聚 丙烯酰胺的土壤中之所以會出現無機氮量増加的現 象，是由於聚丙烯酰胺在酰胺酶降解的過程中釋放 出了氮。

Sutherland 等[2)]研究了白腐真菌（white~rot fungi)對聚丙烯酰胺的降解，發現白腐真菌隻在限 氮的條件下對聚丙烯酰胺有顯著降解，且降解速度 比在氮充足的條件下快兩倍多。這表明白腐真菌是 把聚丙烯酰胺作為氮源利用並對其降解的。

黃峰等[10,21]分別研究了腐生菌、硫酸鹽還原菌 對聚丙烯酰胺的降解。研究結果表明，腐生菌連續 活化5次，在1000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液中恒溫 培養7天，可使溶液黏度損失達11. 2%;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，使驅油 效率降低。

程林波等[22]研究了實驗室配製廢水中聚丙烯 酰胺的生物降解特性，考察了水解+好氧工藝在常 規條件下和在水解槽內加入硫酸根條件下對聚丙烯 酰胺的降解效果。結果表明，硫酸鹽還原菌對聚丙 烯酰胺有著某種特殊的降解作用，利用水解工藝可 以獲得35%~ 45%的去除率。

李蔚等^3]從油田采出水中分離出一株以聚丙 烯酰胺為能源和碳源的假單胞菌。對該菌的性能評 價表明該菌能夠在含原油、聚丙烯酰胺的水環境中 生長，並對原油和聚丙烯酰胺具有降解作用。聚丙 烯酰胺經降解之後分子結構受到破壞，分子量由原 來的 1 x 107 變為 1 x 105~ 1 x 106。

黃孢原毛平革菌對聚丙烯酰胺也具有特殊的酶 催化降解的能力。油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研究，韓昌福等[24]的研究表明，不同的 pH值、不同的葡萄糖加量、不同的降解時間以及 NH4+、Mn2+都會影響黃孢原毛平革菌對聚丙烯酰 胺的降解。聚丙烯酰胺作為一種穩定的高分子聚合 物，有著極強的生物抗性，即使是己經被降解為小分 子的聚丙烯酰胺依然具有這一特性。

的氮源被微生物利用，卻不能作為碳源被降解，可聚丙烯酰胺的生物降解性能。結果表明，好氧顆粒

孫曉君等[25]以人工配製的模擬含聚合物采出 水為介質，在以好氧顆粒汙泥為主體的實驗型序批 式活性汙泥反應器內研究了聚合物驅油田采出水中 

19| Abdelmagid H M，Tabatabai M A. Decomposition of acrylamide in

臭氧氧化，光催化氧化^電化學處理對聚丙烯酰胺^hingsoils | J|. J Environ 〇ualit^^，1982, ^1(4) : 701 -704^^.^

第24卷第2期

包木太，駱克峻，耿雪麗等：油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研宄

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汙泥對含聚采出水有良好的適應性，這種適應性應 歸結為顆粒汙泥豐富的微生物相和良好的微生物協 同作用;在相同的水力停留時間下，聚丙烯酰胺降解 率比普通活性汙泥約高40倍。馴化後的顆粒形態 發生明顯變化，粒徑減小到0. 6~ 1. 0 mm。

魏利等126]應用厭氧Hung ate技術，從大慶油田 常規汙水回注采油油藏的采出液中分離到具有硫酸 鹽還原功能的聚丙烯酰胺降解菌，掃描電鏡和紅外 光譜分析表明實驗前後聚合物的表麵結構發生了變 化，分子鏈上的酰胺基水解成羧基，側鏈降解，部分 官能團發生變化;氣質聯機初步分析表明聚合物發 生斷鏈生成的低分子量化合物，除含雙鍵、環氧基和 羰基的聚丙烯酰胺碎片外，大多屬於一般丙烯酰胺 低聚體的衍生物。

考慮到微生物群落降解的優勢127]，佘躍惠 等>28]研究了從油田產聚合物汙水和汙泥中分離出 的7株聚丙烯酰胺降解菌對純聚丙烯酰胺的降解效 果。將7株聚丙烯酰胺降解菌混合在一起，研究其 組成的群落對聚丙烯酰胺的降解情況和對含聚合物 廢水的處理情況。由於配製培養基所用的聚丙烯酰 胺為超高分子量的聚合物(分子量1. 6 x 1〇7)，一般 說來它們不能直接透過細胞壁被微生物利用，油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研究，因此 這7株菌中至少有一株是能夠產生胞外酶的。通過 胞外酶的作用，聚丙烯酰胺先進行水解或者發生斷 鏈，分子量降低，從而可以被微生物進一步降解。結 果表明它們對聚丙烯酰胺的降解效果要明顯優於以 往報道的SRB和TGB，對聚丙烯酰胺溶液黏度降幅 達80%以上。

4結語

目前，隨著聚合物驅的推廣，聚丙烯酰胺的應用 範圍和規模正呈現快速増長趨勢，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，其中最核心的問題便是 聚丙烯酰胺的降解。己有研究結果表明，在聚丙烯 酰胺的轉化過程中，生物催化、氧化扮演重要作用。 作為對環境汙染物的高效處理手段，生物降解與處 理工藝己經在各種難降解汙染物的無害化處理領域 發揮核心作用[29]。

鑒於以上情況，建議進一步加強以下研究：油田含聚丙烯酰胺廢水的生物降解研究，① 研究對PAM及其汙水的前處理例如紫外燈照射、 物降解特性的影響；G細菌的生長規律有待探明， 細菌之間的相互關係也有待進一步研究；③研究微 生物菌群的最佳培養條件和協同作用關係。