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聚丙烯酰胺的生物降解特性

发布:多吉利        来源:www.duojili.cn  

聚丙烯酰胺的生物降解特性

摘要: 目前有关滞留近井壁地层孔隙中的聚丙烯酰胺的生物降解研究甚少。采用黏度法考察了生物酶和硫酸盐还原菌对聚丙烯酰胺溶液降解的过程。研究发现,淀粉酶F、纤维素酶C、糖化酶、复合酶对聚丙烯酰胺溶液的降黏均有明显的促进作用,其中以复合酶的效果最佳,表面活性剂对聚丙烯酰胺钾盐(KPAM)溶液黏度的影响不大,在所有4种表面活性剂中,十六炕基三甲基澳化铵(CTAB)的协同降黏效果略好;硫酸盐还原菌对聚丙烯酰胺的降解效果明显,其降黏率可高达27.5%~46.4%。因此,在现场可以通过复配使用复合酶和硫酸盐还原菌共同使用的方法来降解聚丙烯酰胺。

关键词: 防止地层损害;聚丙烯酰胺;生物降解;生物酶;硫酸盐还原菌

对滞留近井壁地层孔隙中的聚丙烯酰胺进行降解以解除所造成的储层伤害越发受到人们的重视。纵观国内外近期研究,聚丙烯酰胺的降解方法主要有机械降解、光催化降解、氧化降解、生物降解等。由于生物降解具有成本低、易操作、没有二次污染等优点, 日益成为研究的重点。对聚丙烯酰胺有降解作用的菌株有硫酸盐还原菌、腐生菌Ⅲ、产碱假单胞菌 等,它们的作用机理可分为 :① 生物物理作用:由于生物细胞增长而使聚合物组分分解、电离或质子化而发生机械性破坏,分解成低聚物碎片;②生物化学作用:微生物对聚合物作用而产生新物质(CH4、CO2和H2O);③酶直接作用:被微生物侵蚀部分导致聚合物链的断裂或链的氧化。生物降解过程并非单一机理在起作用,而是复杂的生物物理、生物化学的协同作用,并同时伴有相互促进的物理、化学过程。

采用黏度法研究了生物酶和硫酸盐还原菌这2种降解材料对聚丙烯酰胺的生物降解特性。即将含有生物酶/菌类的样品及空白样品置于一定温度的水浴摇床中,每隔一段时间取样,在一定温度下测定样品黏度,考察不同因素对聚丙烯酰胺生物降解过程的影响。

1 生物酶对聚丙烯酰胺的生物降解特性

采用2种聚丙烯酰胺KPAM和PAM(工业级)作为研究对象,在研究生物酶对聚丙烯酰胺的作用时,底物浓度固定为1%,溶液pH值为10.0,采用Blukfield DV 11I型流变仪测定样品黏度,测试温度为25。C,采用SC4—18转子,转速为50 r/min。

1.1 生物酶对KPAM溶液黏度的影响

称取一定质量的 )AM溶液,分别加入质量体积浓度为0.1% 的淀粉酶F、纤维素酶C、糖化酶、1,4一甘露聚糖酶以及复合酶1(包含0.05% 纤维素酶C、0.02% 淀粉酶F和0.03% 糖化酶),于室温下混合均匀,置于60℃恒温水浴槽中,不同生物酶对KPAM 溶液黏度的影响如图1所示。从图1可以看出,在60℃时KPAM溶液的黏度逐渐降低,7d后黏度降到41.33 mPa·S,降低幅度达28.8% ;当有生物酶(1,4一甘露聚糖酶除外)存在时,聚合物溶液的黏度下降速率明显加快,降解7 d后,生物酶按黏度从大到小的顺序排列为:淀粉酶F>纤维素酶c=糖化酶>复合酶1,降黏率在55.1%~65.6%之间,可见淀粉酶、纤维素酶和糖化酶对KPAM溶液均有良好的降黏作用,。而对于含有1,4一甘露聚糖酶的KPAM聚合物溶液,体系的黏度虽然也在逐渐降低,但幅度比空白样品要小,这说明1,4一甘露聚糖酶对KPAM没有降解作用,它的加入反而增加了聚合物溶液的黏度。

1.2 生物酶对PAM溶液黏度的影响

生物酶对PAM溶液黏度的影响如图2所示。由图2发现,在60℃下,PAM 的空白试样黏度略有下降,降黏率为7.6%,比KPAM溶液空白样的黏度损失要小得多,这主要和其分子结构及分子量大小有关;加有纤维素酶和复合酶的2种体系84 h后的降黏率分别为20.8% 和31.8%,明显看出复合酶的降黏效果更好。

1.3 表面活性剂对KPAM溶液黏度的影响

当1,4一甘露聚糖酶含量为0.1%、表面活性剂的浓度为2倍CMC时,考察阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(LAS)、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)及非离子型表面活性剂Triton X一100对KPAM溶液黏度的影响,结果如图3所示。由图3可以看出,含有表面活性剂的溶液黏度比空白试样f仅含有0.1%1,4一甘露聚糖酶的KPAM溶液)的黏度略低,其中,含有CTAB的溶液黏度最低,可能是因为CTAB中的季铵盐阳离子与KPAM 中的羧酸根结合,降低了KPAM的水合能力,对1,4一甘露聚糖酶的酶解能力起到一定促进作用,从而使得聚合物溶液的黏度有一定程度降低,但总的来说,表面活性剂对KPAM溶液黏度的影响并不显著。因此,可以认为,常规表面活性剂对聚丙烯酰胺类聚合物的生物酶降解性能影响不大。

2 硫酸盐还原菌对KPAM 的生物降解性

实验所用模拟水配制如下:称取0.111 g CaCl 、0.064 g NaCl、1.38 g NaHCO3、0.075 g Na2SO4,在约500 mL去离子水中溶解,转移至1 000 mL容量瓶中,加去离子水至刻度。在硫酸盐还原菌实验中,所用KPAM溶液均由模拟水配制。硫酸盐还原菌取自胜利油田临盘采油厂回注水试样,经筛选、富集、驯化、活化后作为试验菌液。由于硫酸盐还原菌为厌氧菌,所有操作都要隔绝空气,并通氮气密闭保存。将1.0g KPAM缓慢加人到剧烈搅拌的1 000 mL模拟水中,室温搅拌2 h,利用1 mol/L的HC1溶液调节pH值。准确量取100 mLKPAM溶液置于培养瓶中,于30。C超声脱气10min,通氮气15 min,迅速密封,在103.4 kPa(1.05 kg/cm )蒸气压下,当温度达到121.3℃时,灭菌20 min,于超净工作台上注入一定体积的试验菌液,蜡封后置于37 0C的恒温振荡器中培养6 d,振荡速度为150r/min。

革兰氏染色:①涂片:取洁净载玻片一块,将培养后的KPAM溶液滴在载玻片上,制备薄的涂面,注意取菌不要太多;②晾干:让涂片在酒精灯火焰上方文火烘干;③固定:手执载玻片一端,让菌膜朝上,通过火焰2~3次固定(以不烫手为宜);④结晶紫染色:将玻片置于废液缸玻片搁架上,加适量(以盖满细菌涂面)的结晶紫染色液染色1min;⑤水洗:倾去染色液,用去离子水小心冲洗;⑥媒染:滴加碘液,媒染1 min;⑦脱色:将玻片倾斜,连续滴加95% 乙醇脱色20~25 S,至流出液无色,立即水洗;⑧复染:滴加番红复染5 min;⑨水洗:用去离子水洗去涂片上的番红染色液;⑩晾干:将染好的涂片放空气中晾干;最后镜检:镜检时先用低倍,再用高倍,最后用油镜观察。阳性菌仍呈紫色,阴性菌则被染上红色。图4为硫酸盐还原菌的显微镜照片。SRB有很多种类,由图4可以看出,所培养的试验菌液主要有弧菌和杆菌2个种类。由图4(a)可以看出,溶液中的聚丙烯酰胺能够在载玻片上成膜,说明此时聚合物的分子链仍然较长,硫酸盐还原菌对KPAM 的降解效果并不理想。由图4(c)、(d)可以发现,溶液中含有大量的硫酸盐还原菌,在pH值为7时,主要为弧菌,在pH值为8时弧菌和杆菌并存,由于溶液中只有聚丙烯酰胺中的碳和氮能被微生物利用,因此可以判断在此体系中硫酸盐还原菌是以聚丙烯酰胺作为唯一碳源和唯一氮源。从图4还可以看出,溶液中的聚合物以散点状沉积在载玻片上,而不是像在图4(b)时那样能够成膜,间接证明了硫酸盐还原菌对KPAM 的降解作用.

另外,采用黏度法对不同pH值、不同硫酸盐还原菌接种浓度下KPAM 溶液的黏度进行了测试,采用uLA型转子,转速为50 r/min,在25℃下测定,结果见表l。研究发现,在相同培养条件下,没有接种硫酸盐还原菌的KPAM 溶液黏度最大,接种硫酸盐还原菌并培养6 d后,体系黏度明显降低;在pH值为7时,降黏率最大,说明中性环境有利于硫酸盐还原菌的生长繁殖;当pH值为4时(样品6)降黏率最小,这与显微镜照片所反映内容一致,说明硫酸盐还原菌的生物活性较低,因为,随着pH值升高,KPAM的电离度增大,水化程度增强,KPAM在水溶液中的分散效果更好,所以体系黏度增大;当pH值大于7时,聚丙烯酰胺水溶液的黏度变化不大¨ ;体系的黏度与接种菌量密切相关,随着接种菌量从2.5 mL增至20 mL,体系的降黏率呈明显增加趋势。

3 结论与建议

1.淀粉酶F、纤维素酶C、糖化酶、复合酶对聚丙烯酰胺溶液的降黏有明显的促进作用,降黏效果以复合酶最佳。

2.表面活性剂对KPAM溶液的生物酶降解性能影响不大,在十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、Triton X-100、十六烷基三甲基溴化胺的四种表面活性剂中,十六烷基三甲基溴化铵略有一定的协同作用。

3.硫酸盐还原菌能够以聚丙烯酰胺为唯一碳源和唯一氮源,在37℃培养6 d后,降黏率在27.5%~46.4% 之间。

4.pH值为7时硫酸盐还原菌的生物活性最高,pH值为4时对KPAM作用不明显,随着菌液用量增大,降黏率增大。

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