(综述)聚丙烯酰胺生物降解研究进展

综 述油气田环境保护第18卷·第2期 ·41·聚丙烯酰胺降解的研究进展张学佳1 纪 巍2 康志军1王 建1 于家涛3 侯宝元3 韩会君3（1.大庆石化公司炼油厂；2.大庆石化工程有限公司；3.大庆石化公司化工一厂）摘 要 聚丙烯酰胺(PAM)的降解一直是人们研究的重点。

文章综述了PAM的主要降解方式，包括化学降解、热降解、机械降解和生物降解，分析了PAM各种降解的可行性及降解产物，并探讨了丙烯酰胺在环境中的降解情况，为以后PAM的扩大应用及其污染治理提供了充分的参考和依据。

关键词 聚丙烯酰胺 降解 丙烯酰胺0 引 言PAM(聚丙烯酰胺，Polyacrylamide，简称PAM)是一类重要的水溶性高分子聚合物，是由丙烯酰胺均聚或与其它单体共聚而成，含50％以上的线性及水溶性高分子化学产品的总称。

源于分子结构上的特性，PAM具有特殊的物理化学性质，广泛应用于石油开采、污水处理、造纸、矿产、医药、农业、纺织等行业，享有“百业助剂”之称。

但在生产、使用过程中，PAM难免会发生一系列的降解，对其性能产生影响，社会各界对其极为关注。

PAM的降解是指PAM在化学、物理及生物因素的作用下，分解成小分子或简单分子，甚至分解为CO2、H2O及硝酸盐。

在自然条件下，PAM会发生缓慢的物理降解(热、机械)、化学降解(水解、氧化以及催化氧化)和生物降解，最终生成各种低聚物以及具有神经毒性的剧毒丙烯酰胺单体(AM)，对人体造成了极大的间接或直接危害。

有关PAM降解的一些特例在相关文献中均有不同程度的提及，但将其进行系统归纳和研究目前还很少见。

全面了解PAM的降解，对PAM的扩大应用和环境治理等方面具有重要的理论意义。

1 PAM降解方式1.1 化学降解化学降解是指聚合物溶液短期或长期与一些物质(如氧气)接触，该物质破坏聚合物分子结构的过程。

根据降解机理的不同，化学降解主要有氧化降解和光降解。

1.1.1 氧化降解PAM的氧化降解主要为自由基传递反应。

聚丙烯酰胺生物降解研究发布时间：2022-10-19T10:31:03.286Z 来源：《科学与技术》2022年第11期6月作者：张弓乔磊磊[导读] 聚丙烯酰胺在工业生产中占据较重要的地位，已经广泛应用到工业生产之中，并逐渐向人们的日常生活中渗透张弓乔磊磊安徽天润化学工业股份有限公司 233000摘要：聚丙烯酰胺在工业生产中占据较重要的地位，已经广泛应用到工业生产之中，并逐渐向人们的日常生活中渗透；它的生产与应用均具有较高的技术含量，同时附加值也相对较高。

本文对黄孢原毛平革菌对PAM的降解效果进行了研究，由实验结果可以得知，黄孢原毛平革菌能够产生催化酶，对聚丙烯酰胺能够产生降解的作用，其降解的效率总体可以达到50%左右。

在相关实验条件当中，最优条件是氮（0.2g/L),Mn2+的浓度为0.0175g/L。

关键词：聚丙烯酰胺；降解；酶；催化聚丙烯酰胺是一种水溶性聚合物，具有絮凝、黏合、增稠、降阻等特性，在多个行业中都得到广泛应用。

在油田开采生产当中，部分水解性聚丙烯酰胺（PAM）已经大规模应用，聚合物驱油方式一般采取PAM注入地下，由此来提升原油的综合采收率。

随着行业中PAM的使用量持续增加，其用量的总体规模也呈上升的趋势，这就让PAM在自然环境中的残留量逐年增加，由此给自然环境带来巨大的压力。

PAM 的降解方式有生物、物理以及化学等多种方式，有研究指出，相对于机械及化学等降解方式，利用生物降解有诸多优点，其价格低廉，相对环保，安全性较高，同时操作流程便捷。

PAM对于微生物来说，具有一定程度的毒性，其生物降解的报道不多。

目前对于可以利用的降解PAM的微生物，其降解的具体机理以及降解的相关途径等，都还未形成完整的认知体系[1-8]。

1材料和方法1.1材料本实验中废水为人工配制，成分包含CaCl2、NaCl、Na2SO4以及蒸馏水。

1.2浊度法检测聚丙烯酰胺浓度(1)浊度法原理是，当反应体系为酸性环境时，聚丙烯酰胺可以与体系当中的次氯酸钠发生相应的反应，由此生成氯酸钠，其具有不溶性，能够生成浑浊的溶液。

油田污水中聚丙烯酰（HPAM）的降解机理研究【摘要】随着科学技术的不断发展和进步也推动着我国油田污水处理技术的发展，尤其是聚合物的驱油技术的发展更是得到了非常广的应用。

根据目前所面临的油田污染现状，大力发展元油田的采收率成了目前科学家们主要研究的对象，聚丙酰胺作为主要的驱油物质受到人们的特别关注，本文主要针对其特殊性质和降解机理展开详细的研究和讨论。

【关键词】聚丙酰胺；油田；驱油；机理通过水解聚丙酰胺的的方式来发挥其独特的高分子性和低浓度的高粘度特性，这一性质被运用得到油田的原有采集中来，在一定程上取得非常好的效果和成绩。

聚丙酰胺水溶液的粘度有着非常特殊的性质和价值。

它可以从容夜中提取出特定的菌落且在特定的实验环境培养中逐渐的生长和繁殖并降解，针对这样的现象俩进行更深入的分析，了解聚丙酰胺在实际中油田污水中的降解机理。

1.聚丙酰胺的化学降解方法的种类和作用机理1.1 HPAM氧化降解和作用机理HPAM氧化降解的过程是一个自由基相互反应的过程，有不少科学家涉及了这一领域的研究，其中总结了氧化降解的主要过程分为两个步骤，首先，自动氧化过程，其二，连锁裂解过程。

在聚丙酰胺氧化降解的过程中需要先对其自身的氧化杂环进行分解来产生最初的级别的自由基，进而在开展一系列的自动氧化反应。

还原性的物质能够促进聚丙酰胺的自由基形成，接着聚合物链接反应进一步发生，使聚合物发生裂变反应和裂解反应。

如果反应过程中存在缺氧的条件则连接的自由基之间会发生分子链接，而发生偶合作用，产生一种特殊的结构。

其中裂解反应和裂变反应都会导致聚合物发生断裂，进过这样的断裂之后溶液中的聚合物分子总量迅速下降。

在这个过程中还包含了脱酰胺的反应，进而又会产生其他形式的降解产物，需要明确说明的是在整个氧化反应的过程中都是具有非常大的链接力学存在的，因此氧的存在会对反应的结果造成巨大的影响。

这是科学家詹亚力等人做出的实验结论，除此之外还有其他的科学家在酚酞试剂氧化作用下进行降解机理的研究。

第28卷第11期2008年11月环　境　科　学　学　报　Acta Scientiae Circu m stantiaeVol .28,No .11Nov .,2008基金项目:国家重大基础研究前期研究项目(No .2005CCA06200);黑龙江省教育厅科学技术研究(重大)项目(No .10551Z0002);黑龙江省自然科学基金项目(No .E200523)Supported by the Pr ophase Pr oject of Nati onal Maj or Funda mental Research (No .2005CCA06200),the Heil ongjiang educati on depart m ent Fund f or Scientific Research (No .10551Z0002)and the Heil ongjiang Natural Science Foundati on (No .E200523)作者简介:刘永建(1955—),男,教授(博士),E 2mail:lyj@dqp i .net;3通讯作者(责任作者)B i ography:L I U Yongjian (1955—),male,p r ofess or (ph .D.),E 2mail:lyj@dqp i .net;3Correspond i n g author刘永建,郝春雷,胡绍斌,等.2008.一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和机理[J ].环境科学学报,28(11):2221-2227L iu Y J,Hao C L,Hu S B,et al .2008.Degradati on characteristics and mechanis m of a polyacryla m ide 2degrading bacteria strain [J ].Acta Scientiae Circum stantiae,28(11):2221-2227一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和机理刘永建3,郝春雷,胡绍斌,赵法军,闻守斌,王大威大庆石油学院石油工程学院,大庆163318收稿日期:2007211220 修回日期:2008205210 录用日期:2008207231摘要:从大庆油田筛选到一株聚丙烯酰胺降解菌,经16Sr DNA 序列分析鉴定其为褐栗芽孢杆菌(B acillus badius ),命名为JHW 21.将降解菌扩培后,接种至以聚合物为唯一有机营养源的培养基,在41℃、pH =7.2条件下培养7d,聚合物粘度较无菌对照降低48.5%.在培养基中分别添加少量FeS O 4和MnS O 4、酵母粉、葡萄糖后,聚合物粘度较对照降低了57.4%、72.5%、86.2%.降解菌在同时添加了FeS O 4、MnS O 4和葡萄糖的聚合物培养基中培养7d 后,聚合物降粘率达到91.4%,相对分子量由106～107降至103～106,且聚合物质量减少约8%.降解菌能够利用分泌到培养液中的胞外酶水解聚合物的酰胺基团,使其变为羧酸;同时,降解菌在生长过程中还会释放非蛋白还原性物质,它们同胞外酶共同作用使碳链断裂.关键词:聚丙烯酰胺;降解;微生物;胞外酶;还原性物质文章编号:025322468(2008)1122221207 中图分类号:X171 文献标识码:AD egrada ti on character isti cs and m echan is m of a polyacryl a m i de 2degrad i n gbacter i a stra i n L IU Yongjian 3,HAO Chunlei,HU Shaobin,ZHAO Fajun,W EN Shoubin,WANG Da weiPetr oleum Engineering I nsistitute,Daqing Petr oleum I nsistitute,Daqing 163318Rece i ved 20Nove mber 2007; rece i ved in revised f or m 10May 2008; accepted 31July 2008Abstract:A polyacryla m ide 2degrading bacterial strain was is olated fr om the Daqing oilfield,and na med JHW 21.Thr ough 16Sr DNA analysis,it was identified as bel onging t o Bacillus badius .I n the laborat ory,after cultivati on,JH W 21was inoculated in the culture medium with the polyacryla m ide as the s ole organic carbon s ource .After 7d cultivati on at 41℃and pH 7.2,the viscosity of the polyacryla m ide declined 48.5%in comparis on with the contr ol without JHW 21.W hen FeS O 4+MnS O 4,yeast extract and glucose are added t o the above culture medium,the viscosity decreased 57.4%,72.5%,8612%res pectively .After JHW 21was gr own f or 7days in the culture medium with FeS O 4,MnS O 4and glucose,the viscosity reducti on rate of the poly mer reached 91.4%,and the relative molecular weight of the poly mer decreased fr om 106～107t o 103～106,while the quality of poly mer reduced about 8%.An extracellular enzy me secreted by JH W 21hydr olyzed the acida m ide radical of the poly mer and turned it int o carboxylic acid .Meanwhile,during the p r ocess of rep r oducti on,JHW 21released non 2p r otein reducing substances which cooperated with the extracellular enzy me in breaking down the carbon chains .Keywords:polyacryla m ide;decomposing;m icr obe;extracellular enzy me;reducing substances1　引言(I ntr oducti on )近年来,我国东部大多数油田尤其是大庆油田基本上都已进入高含水期,聚合物驱替等三次采油技术已得到广泛应用.但是,聚合物的残留、污染问题也随之而来.不但产出水中的聚合物会污染环境,危害人的健康,而且聚驱后还有部分聚合物被吸附和滞留在岩石孔隙上,限制了后续驱油剂的作环 境 科 学 学 报28卷用效果.聚合物驱油田产出水中不但含有大量的驱油用聚合物,而且还常常含有很多剩余原油以及地层矿物和乳化剂等,成份复杂,难以处理.我国油田使用的驱油聚合物基本上均为聚丙烯酰胺(P AM, polyacryla m ide)或部分水解聚丙烯酰胺(HP AM, hydr olyzed polyacryla m ide),它粘度大而且难以降解,很难找到能有效清除的方法.目前很多研究结果表明,微生物能降解驱油用P AM.Kay2Shoe make等(1998)研究了农业土壤中固氮菌等微生物对P AM 的降解作用,结果表明,有些细菌能产生酰胺酶破坏聚合物的C—N键,利用氨基氮为其所需氮源. Grula等(1981)发现,P AM能明显激发几种土壤假单胞杆菌的生长,它们能以P AM为唯一碳源进行生长繁殖;使用以14C标记的P AM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和Eshwan 等发现,P AM经臭氧或紫外光处理后,其生物降解性得到提高(Junz o et al.,1978;El2Ma mouni et a l., 2002).孙晓君等(2005)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有氧条件下明显降低废水中聚合物的粘度和含量,试验后污泥中的优势菌为假单胞杆菌.韩昌福等(2006)发现,黄孢原毛平革菌(真菌)能明显降解P AM,并且降解能力同其产生的锰过氧化物酶活性大致成正比.目前,国内进行的油田聚合物微生物降解研究取得了一定成效,但仍有不足.在微生物降解机理方面,普遍认为微生物能产生酰胺酶水解P AM中的酰胺基,不过是否存在其它降解机理还不清楚;关于培养条件对降解菌生理特性和胞外酶活性影响的研究也不完善.对于聚合物测定方法,目前的研究多数是通过使用淀粉-碘化镉法测定聚合物含量,或直接测定聚合物溶液粘度等性质的变化来表征降解性能;但是,当聚合物水解度发生明显变化时,实验结果就不能反映聚合物含量,聚合物的粘度、水解度等性质也很容易受聚合物溶液中的盐含量和pH值等因素影响,导致结果失真.本研究中拟从大庆油田筛选油田聚合物降解菌,对其降解聚合物的生理特性进行检测,并研究各有机、无机营养物质对降解菌生长和降解活性的影响,初步确定该菌降解聚合物的机理.旨在找到一种利用微生物高效降解聚合物的方法,解决聚驱后油藏出现的问题,并提供理论基础.2　试验方法(Experi m ental methods)2.1　降解菌筛选2.1.1　降解菌来源和实验材料及培养基降解菌:筛选自大庆油田含HP AM的产出液.HP AM:水解度为24.4%～25.7%,固含量为89%～90.2%,由大庆油田助剂厂生产.液体聚合物培养基(g・L-1):HP AM1,NaCl 015,(NH4)2S O40.1,MgS O40.025,Na NO30.2, NaH2P O40.5,K2HP O41.0;pH=7.2～7.4.聚合物平板培养基:在上述液体聚合物培养基中加入2%的琼脂.牛肉膏蛋白胴培养基(g・L-1):牛肉膏5,蛋白胴10,NaCl5;pH=7.2～7.4.2.1.2　降解菌分离及鉴定　将适量产出液或污水接种于液体聚合物培养基中,置于45℃、(80～100)r・m in-1的摇床中培养7～14d,每天取样,对培养液进行分析并涂聚合物平板,分离降解菌.提取细菌总DNA,以通用引物对16Sr DNA进行PCR扩增,测序;通过同源性比对鉴定降解菌的种属(Sant oni et al1,2006).以细菌基因组DNA为模板PCR扩增16S r DNA,扩增引物采用细菌通用引物B14926(5’2 CCGG ATCCAG AGTTTG ATCCTGGT CAG AACG AACG2 CT23’)和B14927(5’2CGGG ATCCT ACG CCT ACC2 TTGTT ACG ACTT CACCC23’)(上海生工生物技术有限公司合成).PCR反应体系选用20μL反应体系: PCR缓冲液(含MgCl220mmol・L-1)2μL,Taq DNA 聚合酶0.2μL,10μmol・L-1引物各1μL,DNA模板1μL,去离子水13.8μL.PCR扩增条件:94℃预变性10m in;94℃变性45s,55℃退火60s,72℃延伸70s,共30个循环;72℃延伸10m in.扩增的PCR产物连接到载体P MD18-T(T AK ARA)上,转化E.coli DH5α.提取有16S r DNA插入的质粒并测序,序列测定由北京三博远志公司完成.2.2　降解菌降解聚合物性能指标的检测2.2.1　细菌降解聚合物实验过程　将降解菌接种于牛肉膏蛋白胴培养基培养48h后,在4000 r・m in-1条件下离心30m in,弃上清,用pH=7.2磷酸缓冲液稀释沉淀菌体制成菌液.以5%比例将菌液接种至灭菌后的液体聚合物培养基,有氧条件下培养7d.然后将聚合物提纯以除去金属离子等杂质的影响,测定聚合物的各种指标.222211期刘永建等:一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和机理2.2.2　聚合物的提纯和含量测定　向聚合物培养液中加入无水乙醇,除去上清无机盐溶液.将所得粘稠物用三氯甲烷抽提至抽提液无色,剩余聚合物真空干燥至恒重,即得粗品.将粗品放入适量去离子水中浸泡24h,倾滤,除去不溶物.真空干燥至恒重,称重测定其质量,以蒸馏水稀释至实验前浓度.2.2.3　聚合物粘度的测定和降粘率的计算　聚合物溶液粘度按照G B12005.121989中的一点法测定:反应前后聚合物粘度的差值同反应前聚合物粘度的比值,即菌种的降粘率.2.2.4　聚合物侧链基团结构的检测和相对分子量的测定　以D2O为溶剂溶解提纯后的聚合物,用核磁共振C132NMR 测定各侧链基团的数量百分数.以十八角度激光光散射仪测定、计算聚合物的重均相对分子量及其分布.2.3　降解菌各产物降解能力的测定将降解菌接种至100mL牛肉膏蛋白胴培养基,培养48h后分作A、B2份,制备下列降解菌产物.①活菌对照:菌液A保留作为对照;②胞外蛋白产物:菌液B经4000r・m in-1离心30m in除去菌体.离心液加硫酸铵使其饱和度为10%,离心(12000 r・m in-1)分离沉淀蛋白.然后向离心液继续加入硫酸铵使其饱和度达到20%,分离蛋白,直至硫酸铵饱和度为100%.收集10%～100%共10个硫酸铵梯度的全部盐析产物,为胞外蛋白产物;③胞内蛋白:离心所获菌体以磷酸缓冲液冲洗后经超声破碎,12000r・m in-1离心下10m in除去细胞碎片后制得胞内蛋白;④胞外非蛋白产物:以考马斯亮蓝法测定盐析除蛋白后的离心液在595n m下的吸光度,以未接菌牛肉膏蛋白胴培养基为对照,比较二者的OD595.如对离心液样品任意3次测量的OD595同对照相比均无显著差异,则可基本认为样品中不含大分子蛋白,此样品为胞外非蛋白产物.将各类组分加入聚合物无机盐溶液(或将聚合物加入菌液、离心液),使溶液最终体积均为50mL. 45℃下反应48h后,测定聚合物的平均相对分子量以及侧链基团的变化,以判断各组分降解活性.3　实验结果(Experi m ent results)3.1　降解菌的筛选及其基本情况经过筛选,得到一株降解活性较强的菌株,命名为JH W21.通过PCR扩增后,得到了16Sr DNA全长序列,同Gene Bank中数据进行比较,发现该菌株与栗褐芽孢杆菌(B acillus ad ius)同源性为99.4%.该菌细胞呈直杆状、常以成对或短链排列,具圆端,单个细胞为(0.7～0.8)μm×(2～4)μm.细胞具有鞭毛,能运动,芽孢椭圆,中生,每个细胞产一个芽孢(见图1).菌落湿润,浅栗褐色,不透明,菌落表面光滑,无可溶性色素产生.革兰氏染色阳性, v2p反应阴性,吲哚反应阴性,属于兼性厌氧细菌.图1　JH W21的电子显微镜照片(×13000)Fig.1　Electr on m icr oscope phot o of JHW21(×13000)图2　温度和pH对降解菌降粘率的影响Fig.2　Effect of te mperature and pH on rate of viscosity reducti on 3.2　温度和pH对降解菌性能的影响实验测定了33℃～49℃和pH=6.4～8.0时的降粘率.由图2所示结果可知,在37℃～49℃时降解菌降粘能力较强,41℃时最大,达到48.5%.降解菌降粘能力在低于41℃时下降趋势明显,明显大于41℃以上时.这同一般的酶促反应规律有一定差距,3222环 境 科 学 学 报28卷主要原因是起降解作用的物质以及作用机制不止一种,而且可能有生物酶以外的物质参与反应.此外,降解菌的最适降解pH 为7.2左右,而且在pH =6.4～8.0之间基本仍能保持较高的降粘能力.3.3　降解菌降解能力和浓度的变化将降解菌接入聚合物培养基培养7d,测定降解菌浓度和聚合物降粘率变化曲线.由图3可见,在反应前2d 内降解菌浓度基本没有变化,表明其处于延滞期.而后进入指数生长期,到第5天达到稳定期;在此期间菌浓由0.5×108个・mL -1升至0.8×108个・mL -1.聚合物降粘率的变化也基本符合该规律,只是延滞期相对不明显.由于聚合物难以为微生物利用,故降解菌生长速度缓慢,但至少降解菌可将聚合物作为其生长的唯一有机营养源.图3　降解菌浓度和降粘率的变化曲线Fig .3　M icr obial concentrati on and viscosity reducti on with ti me图4　氮源和碳源对降解菌降粘率和细菌浓度的影响Fig .4　Effect of nitr ogen and carbon s ources on viscosityreducti on and m icr obial concentrati on3.4　外来营养物质和微量金属离子的作用3.4.1　营养物质的影响　在液体聚合物培养基中添加2g ・L -1的外来营养物质,检测其降粘率的变化.图4所示结果表明,无机氮源、液蜡、原油和蔗糖基本对降粘率没什么贡献,细菌浓度和无营养对照之间的差别也不大.有机氮源物质能提高降解菌降粘效果,酵母粉可将降粘率提高到69%;这是因为它同时能提供氮源和碳源,会显著促进微生物繁殖,可使菌浓度提高至94×108个・mL -1,更利于其发挥生物活性.葡萄糖也能明显提高降解菌降解活性,这说明降解菌能利用它为碳源进行繁殖,降粘率达到8617%.由图还看出,葡萄糖要比酵母粉更能激发降解菌降解聚合物的能力,而此时的菌浓度却低于前者,只有18×108个・mL -1.这是由于葡萄糖不能提供氮源,所以降解菌生长所需氮源来自聚合物,而降解菌利用聚合物为氮源时会使降解菌的某些生理活性增强,促进其对聚合物的降解.这也表明降解菌的降解能力并非仅同菌浓度有关.3.4.2　有机营养物浓度的影响　调整酵母粉和葡萄糖的浓度,测定降粘率的变化.由图5可知,当葡萄糖浓度超过2g ・L -1时,降解菌浓度和降粘率的变化均趋于平缓,说明已经接近最大值.同样,酵母粉浓度为2g ・L -1时降解菌降粘率也基本达到最大,但细菌浓度随着酵母粉浓度的增加仍继续增大;这表明,在酵母粉体系中菌浓增至1010个・mL -1时降解菌降粘能力就达到最大,降粘率不再随细菌浓度的增长而升高.图5　有机营养物浓度对降解菌降粘率和浓度的影响Fig .5　Effect of organic content on rate of viscosity reducti onand m icr obial concentrati on3.4.3　微量金属离子的影响　由图6可知,在低浓度范围内,FeS O 4浓度的增加对降粘率和菌浓度都有促进作用,FeS O 4浓度为20～40mg ・L -1时基本稳定,但超过40mg ・L -1时降解菌的活性和生长都被抑制.CuS O 4和ZnS O 4对降解菌活性和生长影响相似,在低浓度时对降解菌影响不明显,在高浓度时产生抑制作用.MnS O 4对降解菌的生长没有明显影响,但在小于30mg ・L -1时,降粘率随其浓度增大而增大,此后平稳.BaCl 2在考察浓度范围内对降解菌的活性和浓度均无明显影响.Fe 2+和Mn 2+是多种生物酶的辅酶因子,同时也是微生物多种生理活动所必需的422211期刘永建等:一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和机理元素,故它们能够通过刺激活性蛋白的生物活性和促进降解菌生长提高其降解能力.相对来说,Fe 2+影响范围更大些,它直接影响了降解菌的生长繁殖,而Mn 2+则可能是直接针对活性蛋白.Fe 2+、Cu 2+和Zn 2+三者在高浓度时不利于降解菌发挥其降解作用,主要是由于这些金属离子在浓度较高时,会对细胞膜通透和蛋白合成等生理功能产生抑制.图6　金属盐对降解菌降粘率和浓度的影响Fig .6　Effect of metal salt on rate of viscosity reducti on andm icr obial concentrati on3.4.4　培养基组分复配对降解菌活性的影响在液体聚合物培养基中加入30mg ・L -1的FeS O 4和MnS O 4后,设无机盐对照、葡萄糖(2g ・L -1)、酵母粉(2g ・L -1)3个试验组,检测各组在培养7d 后的聚合物性质.由表1可知,在添加了FeS O 4和MnS O 4后,3个试验组的降粘率进一步提高,同时降解菌浓度略有增加.表1　营养组分对聚合物含量和降粘率的影响Table 1　Effect of nutrients on poly mer concentrati on and viscosityreducti on rate配方聚合物含量/(mg ・L -1)聚合物降粘率降解菌浓度/(个・mL -1)反应前996-0.5×108无机盐对照93457.4% 1.2×108葡萄糖91891.4% 2.2×109酵母粉97275.1%1.06×1010降解菌在酵母粉培养体系中发酵后,聚合物浓度略有减少但不显著,这表明存在其它可作为碳源和氮源的有机物质时,降解菌利用聚合物为营养源的效率很低.当无外源有机营养时,聚合物成为降解菌的唯一营养源,所以有更多的聚合物被细菌降解、吸收.当降解菌以葡萄糖和聚合物为主要有机营养源时对聚合物的利用率甚至更高,可能是此时聚合物的相对分子量明显降低,使降解菌更易于吸收聚合物所致.3.5　分子量分布的变化将降解菌接种于葡萄糖聚合物培养基培养7d,比较反应前后聚合物分子量分布的变化,结果见图7.图7结果表明,反应前聚合物相对分子量的峰值为107,主要分布区间为106～107,峰形明显,分布集中;反应后峰值接近105,分布为103～106,没有明显峰形,分布较为离散.这证明,聚合物在降解菌作用下明显被降解,其碳链大量断裂;降解后各种分子量的碳链含量比例都很高,表明降解菌降解聚合物的作用位点在聚合物碳链中部,而非末端.图7　降解菌作用前后聚合物分子量变化Fig .7　Molecular weight of the poly mers during cultivati on ofthe m icr obe3.6　降解菌降解聚合物生化机理的初探3.6.1　降解菌各组成部分降解能力的比较　测定降解菌发酵液各组成部分对聚合物的作用效果,结果见表2.表2所示结果表明,菌体内物质不能明显降低聚合物分子量,而无菌离心液的降解能力同活菌液相近.这证明,细菌无法将聚合物吸收到细胞5222环 境 科 学 学 报28卷内降解,主要是靠分泌到细胞外的物质降解聚合物的.表2　降解菌各组成部分对聚合物侧链基团含量的影响Table2　Effect of s ome m icr obial p r oducts on side chain gr oup s of poly mers降解菌组成pH酰胺含量羧酸根含量羧酸含量相对分子量实验前7.275.41%24.48%0.08%17.8×106菌液 6.266.72%28.51% 5.29% 2.3×106胞内蛋白7.075.27%24.64%0.07%16.9×106离心液 6.368.43%27.59% 3.83% 2.6×106胞外蛋白 6.368.07%27.76% 4.02%16.2×106非蛋白产物7.174.94%24.78%0.21%15.4×106 HP AM溶解在水中时,HP AM的侧链基团主要为—CONH2和—COO-,此外还有少量的—COOH和其它基团.经活菌液或无菌离心液作用后,聚合物侧链的羧酸、羧酸根基团含量均有增加,同时酰胺基团含量和pH下降.除此3种基团外,反应后聚合物侧链上没有检测出其它官能团.聚合物侧链基团出现变化是因为在微生物作用下,一部分—CONH2基团被微生物分泌的胞外蛋白水解为—COOH,氨基氮被微生物吸收为氮源,而部分—COOH进一步电离为-COO-和H+,使pH降低.而胞内蛋白则对聚合物侧链没有作用.离心液中的胞外蛋白同样能使聚合物侧链的酰胺水解成羧酸,并且降解能力同原菌液和离心液相近,说明降解菌主要靠其释放的胞外蛋白水解聚合物.但是,胞外蛋白不能明显降低聚合物分子量,而胞外非蛋白产物对聚合物的侧链和分子量也都没有明显作用.如果将胞外蛋白和胞外非蛋白产物重新混合后作用聚合物,作用效果和分离前的离心液相比无明显差别.这说明,聚合物侧链的变化不是聚合物降解的直接原因,而且细菌是通过其所产胞外蛋白和非蛋白产物的协同作用降解聚合物的.3.6.2　降解菌降解聚合物的机理推断　在除去胞外蛋白的离心液中加入10滴溴水和3滴硝酸银溶液后,降解菌离心液出现沉淀的时间比普通培养基空白对照(5m in)早2m in左右,证明降解菌离心液中存在还原性物质,可使B r2更易于被还原成B r-产生Ag B r沉淀.将除蛋白离心液经2%溴水作用10m in,使离心液中的非蛋白产物完全被氧化丧失还原性,此时若继续滴加硝酸银不再产生沉淀.将经溴水氧化后的降解菌非蛋白产物同其胞外蛋白混合后作用于聚合物,45℃下反应48h,结果发现聚合物的分子量接近胞外蛋白单独作用后聚合物的分子量,为14.8×106.这表明,降解菌胞外非蛋白产物被氧化后其降解活性几乎完全丧失,进一步说明非蛋白产物的还原性对降解活性起到重要作用.由此可以推断降解菌降解聚合物的生物机理:微生物通过胞外蛋白水解—CONH2,使C—N键断裂时,通常会出现少量—CHO、—C・O自由基等不稳定中间产物,它们大部分会在胞外蛋白作用下继续反应生成—COOH.但是,降解菌会在繁殖过程中产生一系列还原性代谢产物,它们能够同工业聚合物中的氧化物发生自由基氧化还原反应;聚合物侧链上的不稳定中间体会受此攻击,导致β碳原子和γ碳原子之间的C—C键断裂,使碳链变短.由于反应后基本未出现新基团,所以C—C键断裂处主要是生成—CH3和—COOH等基团,形成新的稳定形态.(1) 4　结论(Conclusi ons)1)筛选得到的聚合物降解菌JHW21属于褐栗芽孢杆菌(B acillus bad ius);在41℃、pH=7.2条件下,无外来营养物时,可将油田聚合物粘度降低4815%左右.2)添加30mg・L-1的FeS O4和MnS O4可以增强降解菌的降解活性,使其降粘率提高到57.4%.聚合物培养基中加入酵母粉、葡萄糖后,可使降粘率进一步提高到75.1%、91.4%,并且聚合物经降解菌降解后相对分子量分布由106～107降至103～106.降解菌浓度的增长不一定和其降粘能力成正比.3)降解菌能够利用分泌到细胞外的蛋白成分622211期刘永建等:一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和机理水解聚合物的—CONH2侧链基因,使其变为羧酸,利用水解下来的氨基氮为生长所需氮源.同时,降解菌在生长过程中还会释放非蛋白还原性物质,诱发自由基氧化还原反应,使酰胺基水解时产生的中间体受到攻击,导致碳链断裂.References:El2Mamouni R,Frigon J C,Ha wari J,et bining phot olysis and bi op r ocesses m ineralizati on of high molecular weight polyacryla m ides[J].B i odegradati on,13(4):221—227Grula M M.1981.I nteracti on of polyacryla m ides with certain s oil p seudomonads[J].Dev I nd M icr obial,22(3):451—457Han C F,Zheng A F,L i D P.2006.Study on bi odegradati on of polyacryla m ide[J].Envir onmental Science,26(1):151—153(in Chinese)Junz o S,Keiko H.1978.Effect of oz one treat m ent upon bi odegradabilityof water2s oluble poly mer[J].Envir onmental Science& Technol ogy,12(10):1180—1183Kay2Shoe make J L,W at w ood M E,Sojka R E,et al.1998.Polyacryla m ide as a substrate for m icr obial am idase in culture and s oil[J].Soil B i ol ogy and B i oche m istry,30(13):1647—1654 Sant oni D,Romano S V.2006.A gzi p2based algorithm t o identify bacterial fa m ilies by16S r RNA[J].Letters in App lied M icr obi ol ogy,42(4):312—314Sun X J,W ang Z P,L iu L L,et al.2005.I nvestigati on on the feature of bi odegradati on of polyacryla m ide fr om O il extracti on in S BR react or[J].Che m istry&B i oengineering,2:16—17(in Chinese)中文参考文献:韩昌福,郑爱芳,李大平.2006.聚丙烯酰胺生物降解研究[J].环境科学,26(1):151—153孙晓君,王志平,刘莉莉,等.2005.油田驱采出水中聚丙烯酰胺在S BR中的生物降解特性研究[J].化学与生物工程,2:16—177222。

阴离子聚丙烯酰胺研究现状及合成方法详解一、阴离子聚丙烯酰胺研究现状聚丙烯酰胺最早于1893年由法国的研发人员Moureu等人以丙烯酰氯、氨为原料合成，并于20 世纪50年代在美国大规模应用。

国内对于丙烯酰胺的研发起步相对较晚。

上海天原化工厂于20世纪60年代伊始建设了首套聚丙烯酰胺生产装置，同时迅速投入对水溶性PAM胶块的生产。

目前，共有70多家生产厂商在国内制造PAM，年产阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂量预计可达14万吨。

目前研究较多的阴离子单体根据基团类型可分为磺酸类和羧酸类，具体如表1.1所示。

目前合成中使用最为广泛的阴离子单体是AMPS和AA。

前者空间位阻高，具有较好的耐盐耐温性能，热稳定性好且易溶于水。

丙烯酰胺类磺酸盐往往聚合活性高且产率高。

羧酸类阴离子单体合成工艺简单，同时具有良好的反应活性。

但通常腐蚀性较强且具有一定的生物毒性，对环境存在不利影响。

因此仍需要进一步选择相对环保、无毒害的阴离子单体制备新型阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂APAM，更有利于其推广使用和可持续发展。

阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂由于其自身的离子特性，在处理表面呈正电性的胶粒时效果较佳。

同时絮凝剂内部由于具有同等负电性的基团，在水中可能会出现电性排斥，导致絮凝剂分子链的伸展，为粒子絮凝提供更大的比表面积。

APAM 常用于对金属加工处理、印刷造纸、河沙洗涤等产生的废水的处理，且对矿物悬浮液沉降分离效果好。

未来还需要对阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂APAM 的应用范围进一步探索，使其能在复杂多变的废水处理领域中发挥更大的作用。

二、阴离子聚丙烯酰胺合成方法阴离子聚丙烯酰胺（APAM）的合成方法能在一定程度上对其性能造成影响。

目前，应用较多的聚合方法有水解法、水溶液共聚法、反相乳液聚合法、沉淀聚合法以及辐射聚合法等。

①水解法根据聚合反应进行的先后顺序，可将水解聚合法区分为均聚后水解法和均聚共水解法。

均聚后水解法中的水解过程通常是在丙烯酰胺发生聚合反应之后才对前一步合成聚合物进行的，且水解过程需要在碱性环境下实现，并最终获得所需阴离子聚丙烯酰胺。

作者简介:詹亚力(1970-),江西都昌人,石油大学在读博士,现从事水资源综合利用和 三废 处理方面的研究。

部分水解聚丙烯酰胺降解研究进展詹亚力,郭绍辉,闫光绪(石油大学(北京)化工学院,北京 102249)摘要:高分子量的水溶性聚丙烯酰胺(PAM)在不同领域均有广泛的应用,但其分子量的降解行为直接影响到从生产、使用到最终处置的各个环节。

本文将主要对各环节中涉及的降解作用研究进展进行综述,包括化学降解、生物降解、热降解和机械降解等。

关键词:聚丙烯酰胺;化学降解;生物降解;热降解;机械降解聚丙烯酰胺(PAM)是一类重要的水溶性高分子聚合物,在石油开采、水处理、纺织、造纸、选矿、医药、农业等领域具有广泛的应用,有 百业助剂 之称。

实践表明,P AM 的应用效果与其分子量保持和分子量分布密切相关,例如,在三次采油过程中,PAM 的分子量降低将会明显降低注水的粘度,从而降低驱油效率。

此外,PAM 在大多数应用领域的最终归属为进入地表水或地下水,而含有PAM 的污水不仅会改变水的理化性质,而且PAM 本身对化学需氧量(C OD)也有贡献,且可能会因为解聚而释放丙烯酰胺。

众所周知,聚丙烯酰胺无毒无害;但其降解后的单体丙烯酰胺(AAM)却会伤害人和动物的周围神经系统。

因此,对PAM 降解性能的关注是PAM 使用者和环境保护者一直在研究的课题。

近年来,人们对PAM 降解的研究主要可以分为以下几个方面:化学降解、生物降解、热降解、机械降解。

1 化学降解无论是PAM 的用户还是含PAM 污水的治理者都投入了很大的努力研究PAM 的化学降解特性。

根据降解机理的不同,化学降解可分为以下几种方式:氧化降解,光催化降解和光降解。

1 1 氧化降解朱麟勇等[1~4]的研究表明,PAM 的氧化降解主要为自由基传递反应,其机理如下:第一步,引发自由基反应。

自由基引发的方式通常有以下三类:(1)当体系中只有氧气,没有过氧化物时,O 2 2OP-H+O 2 P +HOO(2)当体系中有过氧化物时,S 2O 2-8 2SO 4SO -4 +PH SO 2-4+P +H+(3)当体系中有过氧化物/还原剂体系时,S 2O 2-8 2SO -4S 2O2-8+Fe2+ SO2-4+SO-4+Fe3+SO-4+PH SO2-4+P +H+第二步,自由基传递反应。

聚丙烯酰胺降解研究宫丽斌【摘要】随着我国石油的大量开采,聚丙烯酰胺作为驱油用聚合物得到广泛使用,含聚丙烯酰胺的油田污水在逐年增加,聚丙烯酰胺增加污水的黏度和乳化性,使得采出水油量严重超标,对环境造成很大负面影响.通过氧化反应与光催化反应对聚丙烯酰胺进行降解,使得采出水聚合物大量减少.通过对Fen-ton法和光催化反应中不同因素的影响进行实验,得出最佳反应条件,使聚丙烯酰胺降解率得到提高.本文的研究对实践减少采出水聚合物有重要意义.【期刊名称】《山西化工》【年(卷),期】2019(039)002【总页数】3页(P6-8)【关键词】聚丙烯酰胺;氧化反应;光催化反应;Fenton法【作者】宫丽斌【作者单位】西山煤电(集团)有限责任公司职业病防治所,山西太原 030053【正文语种】中文【中图分类】TQ326.4引言在我国，油田的开采过程中已经普遍采用聚丙烯酰胺驱油技术，聚丙烯酰胺提高原油采收率的同时也使采出污水黏度及乳化程度升高，如何降解聚丙烯酰胺成为近些年化工领域的一项重要课题[1-3]。

本文从化学降解角度入手，分别对氧化降解与光催化降解进行实验研究，增加聚丙烯酰胺降解率，并对其机理进行分析。

1 样品制备及药剂准备本文所使用的实验药剂主要为聚丙烯酰胺(PAM)、Fenton法所用药剂以及光催化剂，如表1所示。

表1 实验药剂表编号名称产地用途1聚丙烯酰胺巩义市金源化工有限公司原料2FeSO4·7H2O德州市德城区京工实验用品有限公司氧化降解反应试剂3H2O2(30%)德州市德城区京工实验用品有限公司氧化降解反应试剂4TiO2德州市德城区京工实验用品有限公司光催化剂5Fe2SO3德州市德城区京工实验用品有限公司光催化剂2 实验部分本文主要通过化学方法对聚丙烯酰胺进行降解研究，其中包括氧化降解与光催化降解。

在氧化降解实验中使用Fenton法对聚丙烯酰胺进行降解，实验过程中分别考虑温度、FeSO4·7H2O投放量和H2O2(30%)投放量3个因素对降解结果的影响，得出最佳降解结果的实验条件。

硫酸盐还原菌对水解聚丙烯酰胺的生物降解性研究黄　峰　范汉香　董泽华　许立铭(华中理工大学化学系,武汉430074) 摘要　从中原油田现场取样的污水中培养出的硫酸盐还原菌(简称SRB),可在聚合物驱油中生长繁殖并使水解聚丙烯酰胺(H PAM)发生降解;当接种的菌量为3.6×104个 mL时,经恒温30℃7天的培养,1000m g L的H PAM溶液的粘度损失率可达19.6%。

研究表明,菌体接种量的大小、溶液的pH值及SRB在H PAM溶液中的连续活化次数对H PAM的降解都有影响。

主题词:粘度　生物降解　水解　聚丙烯酰胺1　前　言水解聚丙烯酰胺(H PAM)是油田注水开发后期的一种重要化学助剂,水溶液的粘度是决定其使用效能的重要工艺参数。

在开展聚合物驱油过程中,发现H PAM从配制到注入地下这段过程粘度损失很大,除了机械降解、化学降解所引起的部分粘度损失外,生物降解也是一个重要因素。

以前人们只研究了生物聚合物黄原胶的生物降解,而对于H PAM 总认为是细菌的毒物,因此对H PAM的生物降解,国内外的研究较少。

但近年来,国外研究者发现H PAM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H PAM降解[1]。

聚合物驱油在注入地下过程中要经过一段密闭系统,具备了油田常见细菌硫酸盐还原菌生长的条件。

据文献介绍[2],大庆油田在1992年对聚合物驱采出液进行分析,其中SRB菌量高达105个 mL。

加之细菌的适应性较强,经过长时间的接触,会在这种环境中大量繁殖使H PAM发生降解,从而影响H PAM 的驱油效率。

本文根据三次采油可能遇到的工艺条件研究了SRB在H PAM溶液中的生长及其对H PAM降解的影响,为抑制H PAM降解措施提供参考。

2　试验材料与分析方法试验所用模拟水成分如下:CaC l20.111g, N aC l0.064g,N aHCO31.380g,N a2SO40.075g,蒸馏水1000g;试验所用H PAM是英国联合胶体公司生产,其相对分子质量为1.5×107,水解度23%,固体含量92%。

油田污水中聚丙烯酰胺(HPAM)的降解机理研究随着石油开采的不断加深和增产，油田污水已成为一个严重的环境问题。

其中，聚合物聚丙烯酰胺(HPAM)作为一种广泛应用于石油开采中的化学剂，在油田污水中常常存在且难以降解。

因此，研究聚丙烯酰胺在油田污水中的降解机理具有重要的理论和实际意义。

聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，具有很强的吸水性和黏附性，可用于增粘剂、沉淀剂、直接驱替剂等。

在石油开采过程中，聚丙烯酰胺通常被用作驱替剂，以增加油层的渗透能力和提高采收率。

然而，一旦被释放到环境中，聚丙烯酰胺会对水生生物和土壤生态系统造成负面影响。

油田污水中聚丙烯酰胺的降解机理受到多种因素的影响，包括温度、pH值、微生物种类和负载等。

首先，温度是影响降解速率的一个重要因素。

一般来说，较高的温度可以加速降解过程，但过高的温度可能导致聚丙烯酰胺分子的断裂和降解产物的稳定性。

其次，pH值对聚丙烯酰胺的降解也有重要影响。

一般来说，酸性条件下聚丙烯酰胺的降解速率较快，而碱性条件下降解速率较慢。

此外，微生物在聚丙烯酰胺的降解中起着重要作用。

某些细菌和真菌具有降解聚丙烯酰胺的能力，并能产生酶来分解聚丙烯酰胺分子。

负载也是一种常用的降解方法，通过在聚丙烯酰胺分子上引入特定的负载物质，可增加降解速率和降解效果。

聚丙烯酰胺的降解过程可分为物理和化学两个方面。

在物理降解过程中，聚丙烯酰胺的高分子链会逐渐断裂，形成较短的片段。

这是由于温度、湿度和剪切力等因素引起的聚丙烯酰胺分子内部作用力的破坏。

此外，聚丙烯酰胺还会与环境中的其他物质发生物理吸附，从而导致分子链的断裂和降解。

化学降解过程主要是通过酶、酸和氧化剂等作用下，聚丙烯酰胺分子的断裂和降解。

一些微生物和酶可以分解聚丙烯酰胺链的酰胺键，将聚丙烯酰胺分子分解为较小的片段。

酸和氧化剂可以通过与聚丙烯酰胺分子中的羰基和酰胺键发生反应，进一步导致聚丙烯酰胺的断裂和降解。

此外，研究表明，纳米材料也可以促进聚丙烯酰胺的降解。

油田污水中聚丙烯酰胺_HPAM_的降解机理研究综述油田污水中聚丙烯酰胺(HPAM)的降解机理研究3包木太1,陈庆国1,王娜1,郭省学2,李希明2(1.海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,中国海洋大学,青岛266100;2.中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院,东营257000)摘要:随着聚合物驱油技术在我国油田的大面积推广,含聚丙烯酰胺污水的产量在逐年增加。

聚丙烯酰胺在为油田生产提高原油采收率的同时,也大幅度增加了混合液的粘度和乳化性,使油水分离难度加大,造成采出水含油量严重超标。

含聚丙烯酰胺污水具有粘度高、油水分离难度大、可生化性差等特点,对环境的负面影响也越来越明显。

因此,亟待解决的问题便是部分水解聚丙烯酰胺的降解。

本文综述了聚丙烯酰胺化学、生物降解机理,总结了降解聚丙烯酰胺的典型的微生物种群,阐述了生物方法的优势,为油田含聚丙烯酰胺污水的处理研究提供参考。

关键词:聚丙烯酰胺;机理;化学降解;生物降解部分水解聚丙烯酰胺(partly hydrolyzed polyacrylamide,HPAM)以其相对高分子量和低浓度水溶液的高粘性而被广泛用来提高原油的采收率[1]。

近年来,我国东部的大多数油田基本上已经进入高含水开发后期,使用HPAM进行三次采油已经得到广泛的应用[2]。

聚丙烯酰胺在为油田生产提高采收率的同时,对地面工程也产生了相当恶劣的影响。

注入地层的聚丙烯酰胺随原油Π水混合液进入地面油水分离与水处理终端,大幅增加了混合液的粘度和乳化性,使油水分离难度加大,造成采出水含油量严重超标。

聚丙烯酰胺对环境的直接影响是油田生产过程中不得不排入当地水体的外排水。

由于油田配制聚丙烯酰胺需要新鲜水和以及部分低渗透地层,使部分含有较高浓度的聚丙烯酰胺采出水外排。

绝大多数的聚丙烯酰胺进入地下油层,由于地层结构原因,很难避免其渗透到地下水层。

聚丙烯酰胺在地面水体和地下水中的长期滞留,必将对当地水环境造成严重污染[3]。