微生物降解含聚污水的研究進(jìn)展

劉江紅，潘 洋，賈云鵬

(東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

近年來，聚丙烯酰胺(HPAM)作為驅(qū)油用的聚合物被大量使用，但是，在提高采收率的同時(shí)也給環(huán)境造成了巨大污染，導(dǎo)致含聚污水的排放量逐年增加，因此含聚污水的處理成為急需解決的問題。

聚丙烯酰胺的降解方法主要有機(jī)械降解法、熱降解法、化學(xué)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領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的潛力，是近年來研究的熱點(diǎn)，受到研究者的廣泛關(guān)注。生物處理技術(shù)是創(chuàng)造出一種有利于微生物生長、繁殖的環(huán)境，使微生物大量生長繁殖，以提高微生物分解聚合物能力的一種技術(shù)。

1 聚合物驅(qū)油對環(huán)境的危害

聚合物驅(qū)油給環(huán)境和周圍生物帶來巨大的長期的影響。

一方面，聚丙烯酰胺的使用能夠提高油田的采收率，在生產(chǎn)過程中部分含聚污水外排，絕大部分聚丙烯酰胺進(jìn)入地下油層，導(dǎo)致污水滲透到地下水層，且聚丙烯酰胺在地面和地下水體中都會(huì)長期停滯，從而對水環(huán)境造成危害。

另一方面，聚丙烯酰胺分解后的單體丙烯酰胺長期與皮膚接觸可引起皮炎；直接接觸可引起眼睛發(fā)炎、頭昏、頭痛、嗜睡，并對其它中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成影響甚至死亡；吸入微量丙烯酰胺會(huì)引起嚴(yán)重的肺部傷害甚至死亡。

2 微生物降解聚丙烯酰胺

2.1 微生物降解聚丙烯酰胺的優(yōu)勢

處理含聚污水時(shí)要求聚丙烯酰胺去除率高、技術(shù)成熟、無二次污染、投資和運(yùn)行費(fèi)用低。化學(xué)法降解聚丙烯酰胺雖然去除率高、速度快、受環(huán)境因素影響小，但投資和運(yùn)行費(fèi)用高，且易造成二次污染。光催化降解技術(shù)還不成熟，難以用于實(shí)際的含聚污水的處理，還需要進(jìn)一步研究。

微生物種類多、體積小、新陳代謝旺盛，生物酶系多種多樣，能夠催化污染物轉(zhuǎn)化。微生物無處不在，對環(huán)境中污染物的轉(zhuǎn)化起著重要的作用。微生物降解法是一種高效的環(huán)境污染處理手段，其技術(shù)成熟、無二次污染、且運(yùn)行費(fèi)用低。降解聚合物的微生物種類多種多樣，且微生物降解可以在井下的極端環(huán)境下進(jìn)行。微生物降解在治理各種難降解污染物的過程中發(fā)揮著核心作用。因此，微生物降解法將成為解決聚丙烯酰胺引起的環(huán)境污染問題的有效手段。

2.2 微生物降解聚丙烯酰胺的機(jī)理

微生物降解聚丙烯酰胺主要是在微生物生長階段，以聚丙烯酰胺為營養(yǎng)物質(zhì)，利用微生物自身的酶系和分泌物等對大分子聚合物進(jìn)行解鏈，分解成小分子物質(zhì)，是一種有效降解聚合物的方法[1]。

微生物降解分為厭氧階段和耗氧階段。兩種降解階段經(jīng)常相互配合，共同完成對聚合物的降解作用。

(1)厭氧階段主要由厭氧微生物完成，利用聚合物進(jìn)行生長繁殖，從而導(dǎo)致聚合物降解成小分子物質(zhì)。

(2)耗氧階段和厭氧階段的方式相似，只是由耗氧微生物進(jìn)行降解作用。

微生物降解聚丙烯酰胺的機(jī)理可分為三種：生物化學(xué)作用、生物酶作用和生物物理作用。微生物降解并不是單一機(jī)理，而是一種復(fù)雜的化學(xué)、生物、物理復(fù)合作用過程。由于微生物具有適應(yīng)性，一般先將細(xì)菌活化，大大提高其分解能力或使細(xì)菌獲得新的分解能力，再去降解聚丙烯酰胺，微生物能夠以水溶性的聚丙烯酰胺為唯一碳源和氮源，將其利用。

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，即使是濃度較低的聚丙烯酰胺也不能被全部利用。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)水解聚丙烯酰胺的降解產(chǎn)物可作為細(xì)菌生命活動(dòng)的營養(yǎng)物質(zhì)，反過來營養(yǎng)的消耗又會(huì)促進(jìn)聚丙烯酰胺的降解。

2.3 微生物降解聚丙烯酰胺的影響因素

影響微生物降解聚丙烯酰胺的因素主要有酸堿度、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)、含氧量、礦化度(鹽度)等。

在適宜的pH值環(huán)境下，微生物的生長速度加快，同時(shí)對聚丙烯酰胺的降解速度加快。

溫度也是影響微生物生長繁殖的重要因素。隨著溫度的升高，微生物細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)加快，大多數(shù)細(xì)菌適宜的生長溫度在20～40 ℃之間。

微生物的生長繁殖需要一些營養(yǎng)物質(zhì)，包括碳、氮、磷以及維生素等。一般認(rèn)為，好氧微生物中碳∶氮∶磷控制在100∶5∶1較為適宜，而厭氧微生物中以(200～300)∶5∶1為最佳。對于好氧微生物，生物處理廢水中溶解氧的濃度保持在3～4 mg·L-1最適宜[2]。

礦化度較高時(shí)會(huì)影響微生物的活動(dòng)甚至殺死一些細(xì)胞。

2.4 聚丙烯酰胺降解菌群

聚丙烯酰胺降解菌來源大致分為兩種：一種是從環(huán)境中直接獲取，油田污染地區(qū)的水體和土壤中大多存在著一些對環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)并可以降解聚合物的菌種，因此可以在含有高濃度的聚丙烯酰胺廢水中篩選出聚丙烯酰胺降解菌；另一種則是利用生物手段，通過細(xì)胞馴化的過程培養(yǎng)并篩選出對聚丙烯酰胺具有良好降解能力的菌株。

近年來隨著研究者對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種類也越來越豐富，其中包括放線菌、細(xì)菌和真菌等幾乎所有大類的種群。

聚丙烯酰胺降解菌的典型種群如表1所示。

表1 聚丙烯酰胺降解菌的典型種群

由于單菌株降解聚丙烯酰胺的研究條件易于控制，因此首先會(huì)對單菌株降解聚丙烯酰胺的過程進(jìn)行研究。但由于單菌株微生物生長環(huán)境單純，對有毒有害物質(zhì)的抵抗降解能力弱，同時(shí)降解時(shí)單一微生物的酶系較為單一，對聚丙烯酰胺的降解效果有限，且單一微生物難以降解利用一些化學(xué)添加劑，而這些物質(zhì)還對微生物的生長繁殖有較強(qiáng)的毒害作用。因此，在研究微生物降解聚丙烯酰胺的過程中需要利用微生物種群間的協(xié)同作用來增強(qiáng)降解效果和抵消環(huán)境對微生物的毒害作用[8]?；旌暇到鈺r(shí)可以發(fā)揮更大的降解效能，微生物可以通過相互的協(xié)調(diào)作用達(dá)到快速降解聚合物的目的。首先由一種或幾種微生物將難降解的大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，再由其它微生物共同作用，通過共降解、協(xié)同效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)對大分子物質(zhì)的生物降解[9]。

3 微生物降解聚丙烯酰胺的發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)外對聚丙烯酰胺的微生物降解研究基本上還處于起步階段，研究報(bào)道并不多。

3.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢

由于聚合物驅(qū)采油在油田的大范圍使用，導(dǎo)致含聚污水的逐年增加，國內(nèi)的研究者對含聚污水的處理方法研究逐漸增多。但從總體來看，對聚丙烯酰胺的微生物降解研究仍處于初步階段。

1999年，黃峰等[10]研究了硫酸鹽還原菌降解聚丙烯酰胺。

韓昌福等研究發(fā)現(xiàn)，黃孢原毛平革菌能夠明顯降解聚丙烯酰胺。

孫曉君等研究發(fā)現(xiàn)，聚合物廢水廠的活性污泥在經(jīng)過一個(gè)月的馴化后能在好氧條件下明顯降低廢水中聚合物的粘度和含量，鑒定菌種為假單胞桿菌。

李宜強(qiáng)等[11]將油田含聚產(chǎn)出水中的細(xì)菌進(jìn)行富集培養(yǎng)、純化，得到能以聚丙烯酰胺為碳源和氮源的混合菌，將聚丙烯酰胺溶液與菌株混合進(jìn)行培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合菌可有效降解聚丙烯酰胺，并且可明顯降低聚丙烯酰胺的粘度。

3.2 國外發(fā)展趨勢

微生物降解聚丙烯酰胺的研究在國外也得到廣泛的研究。

1998年，Kay-Shoemake 等研究了農(nóng)業(yè)土壤中固氮菌對聚丙烯酰胺的降解作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有些細(xì)菌能產(chǎn)生酰胺酶，從而破壞聚合物的C-N 鍵，并以氨基氮為氮源。

Grula等研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺能明顯激發(fā)幾種土壤假單胞桿菌的生長，并能以聚丙烯酰胺為唯一碳源進(jìn)行生長繁殖；使用以14C標(biāo)記的聚丙烯酰胺為唯一碳源培養(yǎng)假單胞桿菌P.aeruyinosa時(shí)，檢測到培養(yǎng)基中的放射性碳有0.2%進(jìn)入了細(xì)菌細(xì)胞膜。

Junzo與Eshwan等發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺經(jīng)臭氧或紫外光處理后，其生物降解性得到提高。

Kunichika等[12]研究發(fā)現(xiàn)，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，在低濃度的聚丙烯酰胺存在的情況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為微生物培養(yǎng)基，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺只能作為微生物的氮源被利用而不能作為碳源，原因可能是聚丙烯酰胺在土壤中先自我轉(zhuǎn)化為長鏈的分子，再被微生物作為氮源利用。

4 結(jié)語

含聚采出液中不只含有聚丙烯酰胺，還含有少量原油、增稠劑、乳化劑等多種化學(xué)物質(zhì)。怎樣篩選出既能適應(yīng)含聚污水這樣復(fù)雜的環(huán)境，同時(shí)又對聚丙烯酰胺具有高效降解作用的菌株，是當(dāng)今研究者共同關(guān)注的問題。混合菌處理含聚污水時(shí)能夠發(fā)揮更大的降解效能，微生物可以通過相互的協(xié)調(diào)作用達(dá)到快速降解聚合物的目的。目前篩選出的大部分菌株可以在實(shí)驗(yàn)室條件下降解聚丙烯酰胺[13～15]，但很少篩選出大規(guī)模降解聚丙烯酰胺的菌株，因此篩選出可在大規(guī)模采油作業(yè)中進(jìn)行含聚污水降解處理的菌群是急需解決的問題。

[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.環(huán)境污染防治中的生物技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：59.

[3] 黃峰，盧獻(xiàn)忠.腐生菌對水解聚丙烯酰胺降解過程的研究[J].石油煉制與化工，2002，33(3)：6-9.

[4] El-Mamouni R，F(xiàn)rigon 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] 孫曉君，王志平，劉莉莉，等.處理油田含聚廢水的微生物研究[J].科技導(dǎo)報(bào)，2005，23(7)：38-40.

[6] 包木太，駱克峻，耿雪麗，等.聚丙烯酰胺降解菌的篩選及降解性能評價(jià)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(2)：71-74.

[7] 魏利，馬放，陳忠喜，等.聚丙烯酰胺降解菌株分離及其系統(tǒng)發(fā)育分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(8)：1262-1265.

[8] 李蔚，劉如林，梁鳳來，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].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(6)：1116-1121.

[9] 董春娟，呂炳南，馬立，等.微生物群落在難降解物質(zhì)生物降解中的作用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35(7)：893-896.

[10] 黃峰，范漢香，董澤華，等.硫酸鹽還原菌對水解聚丙烯酰胺的生物降解性研究[J].石油煉制與化工，1999，30(1)：33-36.

[11] 李宜強(qiáng)，沈傳海，景貴成，等.微生物降解HPAM的機(jī)理以及應(yīng)用[J].石油勘探與開發(fā)，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] 劉永建，郝春雷，胡紹斌，等.一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和機(jī)理[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(11)：2221-2227.

[14] 黃峰，盧獻(xiàn)忠.硫酸鹽還原菌在含水解聚丙烯酰胺介質(zhì)中的生長繁殖[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，25(1)：45-48.

[15] 程林波，張鴻濤.廢水中聚丙烯酰胺的生物降解試驗(yàn)研究初探[J].環(huán)境保護(hù)，2004，(1)：20-23.