自20世紀(jì)80年代大慶油田和大港油田的聚合物驅(qū)礦場試驗(yàn)取得成功以來，采用聚丙烯酰胺驅(qū)油一直是我國東部大多數(shù)油田實(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)”目標(biāo)的重要手段。但聚合物驅(qū)在提高原油產(chǎn)量的同時(shí)，也逐漸顯現(xiàn)出一些較難解決的問題，如注聚井及生產(chǎn)井易腐蝕、結(jié)垢，地層易堵塞，含聚污水處理困難等，其中油田含聚污水處理難問題尤為凸顯。由于聚丙烯酰胺的存在，與普通水驅(qū)污水相比，含聚污水的黏度較高，又因聚丙烯酰胺對乳化油滴有穩(wěn)定作用，導(dǎo)致乳化油滴的數(shù)目較多、粒徑較小、不易破乳，使用常規(guī)污水處理工藝處理后的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。因此，含聚污水處理成為油田污水處理的重要內(nèi)容。此外，聚丙烯酰胺在特殊條件下（如高溫）會緩慢降解，產(chǎn)生丙烯酰胺單體，可能導(dǎo)致人體器官功能受損。因此，需對外排污水中的聚丙烯酰胺進(jìn)行降解、締合等處理。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對聚丙烯酰胺的降解方式及機(jī)理進(jìn)行了大量探討與研究，總結(jié)起來主要有熱降解法、光降解法、化學(xué)降解法、物理降解法、微生物降解法等。筆者重點(diǎn)分析了聚丙烯酰胺微生物降解的機(jī)理和評價(jià)方法，介紹了近年來微生物降解法處理含聚污水的國內(nèi)外研究進(jìn)展。

1聚丙烯酰胺的微生物降解

1.1微生物的來源

（1）從環(huán)境中分離獲得。油田的地表、地下水源和土壤中通常含有大量有機(jī)質(zhì)，微生物會大量繁殖，分離后可獲得適應(yīng)性較強(qiáng)的微生物，這是獲取微生物較為簡易的一種手段。何新等從油田采出液中分離出一種高適應(yīng)性降解菌，該菌能夠降解原油中的烴類來獲取生長所需碳源。

（2）通過人工培養(yǎng)篩選后馴化獲得。在許多高溫、高礦化度及化學(xué)驅(qū)油田中，油井產(chǎn)出污水的溫度及鹽濃度較高，且可能含有大量殘存化學(xué)處理劑，而多數(shù)情況下直接分離得到的微生物并不具備抗高溫、高鹽及抗化學(xué)藥劑特性。因此，以特定油田的產(chǎn)出污水為培養(yǎng)基，采用人工培養(yǎng)篩選技術(shù)及微生物馴化技術(shù)，培養(yǎng)篩選出能適應(yīng)高溫高鹽等苛刻污水條件，同時(shí)又對聚丙烯酰胺有高降解性能的微生物。

（3）通過基因工程獲得。將分散于多種微生物中的能產(chǎn)生聚丙烯酰胺降解生物酶的各種基因，通過基因工程技術(shù)轉(zhuǎn)入一種微生物體內(nèi)，使此種微生物同時(shí)產(chǎn)生多種聚丙烯酰胺降解生物酶。這是今后獲得高性能微生物的有效手段。

1.2聚丙烯酰胺的微生物降解機(jī)理

據(jù)報(bào)道，對驅(qū)油用聚丙烯酰胺有生物降解作用的微生物（主要是細(xì)菌）有硫酸鹽還原菌、腐生菌、產(chǎn)堿假單胞菌、梭狀芽孢桿菌等，其作用過程和機(jī)理為：微生物剛處于含聚丙烯酰胺的環(huán)境中時(shí)需經(jīng)歷一個(gè)適應(yīng)過程，即微生物體內(nèi)控制產(chǎn)生聚丙烯酰胺生物降解酶的基因選擇性激活過程；當(dāng)微生物逐漸適應(yīng)此生存環(huán)境后，為獲得生存所需的碳或氮源，基因控制產(chǎn)生可降解聚丙烯酰胺的生物酶。由于驅(qū)油用聚丙烯酰胺為陰離子型，而微生物體通常也帶部分負(fù)電，因此微生物難以直接作用于聚丙烯酰胺分子鏈上的—COO-，而是以作用于不帶電的—CONH2為主。在非蛋白質(zhì)類還原性物質(zhì)和胞外其他物質(zhì)的參與下，微生物釋放的脫氨酶使分子鏈的C—N鍵斷開，解離出NH2-，剩下的—CO+與OH-結(jié)合生成—COOH。另外在氧存在下，微生物釋放的單加氧酶可使聚丙烯酰胺主鏈末端的—CH3逐漸斷開，被其他微生物酶分解。在多種微生物酶、還原性物質(zhì)、胞外物質(zhì)及氧的參與下，聚丙烯酰胺大分子鏈被逐步氧化分解成短鏈小分子，zui終被分解成CH4、CO2、H2O等，而解離出來的NH2-和分解出的小分子有機(jī)物則作為氮源和碳源被某些微生物利用。

在微生物降解過程中，在多種微生物酶和胞外物質(zhì)的聯(lián)合作用下，聚丙烯酰胺的分子結(jié)構(gòu)被破壞，大分子鏈裂解成小分子鏈，又進(jìn)一步分解成微生物的營養(yǎng)源，結(jié)果使聚丙烯酰胺溶液的黏度下降；此外在微生物作用下，聚丙烯酰胺分子鏈上的酰胺基被分解氧化成羧基，故聚丙烯酰胺溶液體系的酸性增加，酰胺基數(shù)量下降。

1.3聚丙烯酰胺微生物降解的評價(jià)方法

由1.2可知，微生物作用后聚丙烯酰胺溶液體系的黏度降低，酸性增加，酰胺基數(shù)量下降，羧基數(shù)量增加。故理論上凡是可以測定上述參數(shù)變化的方法均可作為微生物降解聚丙烯酰胺的評價(jià)方法，黏度法就是常用的簡易方法之一。但在實(shí)際操作過程中，聚丙烯酰胺溶液黏度降低只能反映出聚丙烯酰胺長鏈的旋轉(zhuǎn)半徑縮短，而且溶液pH降低也會導(dǎo)致聚丙烯酰胺黏度相應(yīng)降低，故不能確切說明是長鏈發(fā)生了斷裂；而溶液pH的變化也只能從宏觀上粗略反映溶液中酸基數(shù)量增加，間接反映酰胺基被氧化后羧基數(shù)量增多。所以，黏度和pH均不能反映微觀條件下聚丙烯酰胺大分子結(jié)構(gòu)的變化。

筆者認(rèn)為，利用酰胺基（如淀粉-碘化鎘光度法）和聚丙烯酰胺相對分子質(zhì)量的變化（如凝膠滲透色譜法、光散射法），以及分子鏈結(jié)構(gòu)的變化（如掃描電鏡法、核磁共振法等）共同分析聚丙烯酰胺的降解程度較為準(zhǔn)確。

2微生物降解聚丙烯酰胺的研究進(jìn)展

目前國內(nèi)外對聚丙烯酰胺微生物降解技術(shù)的報(bào)道基本處于實(shí)驗(yàn)探究階段，未發(fā)現(xiàn)礦場應(yīng)用實(shí)例。S.Magdaliniuk等曾研究微生物對蒙脫石/聚丙烯酰胺懸浮液的影響，發(fā)現(xiàn)懸浮液的濃度及黏度沒有變化，因此他認(rèn)為聚丙烯酰胺是不可生物降解的。但近年來有研究篩選培養(yǎng)出多種在特定條件下可降解聚丙烯酰胺的微生物（多為細(xì)菌），所以聚丙烯酰胺具有可生物降解性的觀點(diǎn)已為大多數(shù)學(xué)者所接受，即聚丙烯酰胺可為某些微生物提供營養(yǎng)源（氮源和碳源）。

2.1聚丙烯酰胺為氮源

由微生物降解機(jī)理分析可知，在多種微生物酶作用下，微生物可使聚丙烯酰胺的大分子鏈分解成短鏈化合物，其中一些小分子有機(jī)物可通過擴(kuò)散或主動吸收方式進(jìn)入微生物體內(nèi)，在胞內(nèi)降解酶作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化，在此過程中產(chǎn)生的NH2-等能為微生物提供氮源，用于合成核酸等，但很少用作能量。M.M.Grula等研究了某種土壤細(xì)菌與特定聚丙烯酰胺的相互作用，發(fā)現(xiàn)該菌能根據(jù)土壤中植物生長情況的不同而釋放出具有短暫活性的酰胺酶，促使聚丙烯酰胺分子鏈中的C—N鍵斷裂，以提供氮源。H.M.Abdelmagid等通過研究也得出類似結(jié)論，在含有某些細(xì)菌的土壤中加入聚丙烯酰胺后無機(jī)氮的濃度會增加，研究認(rèn)為細(xì)菌釋放出酰胺酶使聚丙烯酰胺發(fā)生降解并產(chǎn)生大量無機(jī)氮。J.L.Kay-Shoemake等通過研究也認(rèn)為，某些土壤微生物可以分泌出胞外酰胺酶使聚丙烯酰胺分子鏈的C—N鍵發(fā)生斷裂。D.Senft等認(rèn)為聚丙烯酰胺可被某些細(xì)菌降解并釋放出氮支持細(xì)菌繁殖。G.R.J.Sutherland等研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)條件不同時(shí)白腐真菌對聚丙烯酰胺的降解情況也不同。當(dāng)外界提供充足氮源時(shí)，聚丙烯酰胺的濃度變化并不明顯，而不再向其提供氮源后，聚丙烯酰胺的降解速度提高了1倍多，表明缺少氮源時(shí)白腐真菌可降解聚丙烯酰胺并從中獲取氮源。李蔚等從大慶油田采出污水中分離出1株對油區(qū)環(huán)境有高適應(yīng)性的假單胞菌，通過培養(yǎng)證明該菌對聚丙烯酰胺有降解作用。該假單胞菌以聚丙烯酰胺為氮源和碳源，降解后聚丙烯酰胺溶液的黏度降至原來的5.4%，相對分子質(zhì)量降為原分子質(zhì)量的1/10，掃描電鏡發(fā)現(xiàn)降解后聚丙烯酰胺的分子結(jié)構(gòu)變得疏松零散。常帆等研究了假單胞菌和枯草芽孢桿菌單獨(dú)及聯(lián)合使用時(shí)對長慶某油田采出污水中聚丙烯酰胺的降解作用，其認(rèn)為聚丙烯酰胺發(fā)生降解是由于微生物產(chǎn)生的降解酶和胞外物質(zhì)發(fā)揮了作用。研究結(jié)果顯示，兩種菌聯(lián)合培養(yǎng)25d時(shí)溶液降黏率可達(dá)80.3%，遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用假單胞菌（30.4%）和枯草芽孢桿菌（25%），表明假單胞菌和枯草芽孢桿菌的協(xié)同作用可大大提高對污水樣品中聚丙烯酰胺的降解率。

2.2聚丙烯酰胺為碳源

此前大多數(shù)學(xué)者對聚丙烯酰胺微生物降解行為和機(jī)理的研究集中在微生物產(chǎn)生酶的作用上，而研究發(fā)現(xiàn)的聚丙烯酰胺降解酶（如酰胺酶、脫氨酶等）主要作用于分子鏈中的氮，未發(fā)現(xiàn)能分解碳的微生物酶，故一般認(rèn)為微生物很難以聚丙烯酰胺作碳源。但近年來有研究表明，參與降解聚丙烯酰胺的不單是酶類，還有非蛋白質(zhì)類和胞外其他物質(zhì)等，微生物可釋放和利用這些物質(zhì)分解聚丙烯酰胺，產(chǎn)生CO2、CH4等，為微生物提供原料及作為能量來源。

為研究特定細(xì)菌對聚丙烯酰胺的降解作用，N.Kunichika等從活性污泥中分離出多株能降解水溶性聚丙烯酰胺的菌株。在沒有外加碳源和氮源的情況下，該菌株仍能繼續(xù)繁殖，且一定時(shí)間后聚丙烯酰胺溶液的黏度降低，相對分子質(zhì)量降至原來的1/4，培養(yǎng)基的pH也由6.8降至5.8左右。核磁共振分析結(jié)果顯示，聚丙烯酰胺側(cè)鏈的斷裂數(shù)量較多，主鏈也存在一定程度的分解，所以他認(rèn)為該菌株能降解聚丙烯酰胺來獲取生長所需的碳源和氮源。C.A.Seybold等指出聚丙烯酰胺的降解過程受多種因素影響，微生物可將其作為*碳源，但不能將其降解成單體。

魏利等采用Hungate厭氧技術(shù)從大慶油田污水中分離出1株以聚丙烯酰胺為*碳源的降解菌株。該菌株可使聚丙烯酰胺分子鏈上的—CONH2水解成—COOH，并將大分子鏈降解為低分子質(zhì)量的化合物，降解后聚丙烯酰胺的大分子結(jié)構(gòu)也變得雜亂無章。高玉格等從南陽采油廠的含聚污水和配聚罐底污泥中篩選出1組共17株能夠在高礦化度下生長的混合菌（由芽孢桿菌、節(jié)細(xì)菌屬、黃桿菌屬等組成），其中有13株可在厭氧條件下生長。該混合菌的聯(lián)合作用能降解部分水解聚丙烯酰胺和原油中的大分子烴鏈，以獲得新陳代謝所需的碳源。在一定條件下培養(yǎng)一定時(shí)間后，聚丙烯酰胺降解率及COD去除率均可達(dá)50%以上。

在聚合物驅(qū)過的油水井井壁及地層空隙中往往殘存大量聚丙烯酰胺，如不及時(shí)去除會對井壁和地層造成堵塞等危害。針對此問題，藍(lán)強(qiáng)等認(rèn)為可使用特定的微生物進(jìn)行降解，而直接起降解作用的是微生物釋放的生物酶。因此其考察了4種不同類型的生物酶和不同pH時(shí)硫酸鹽還原菌對聚丙烯酰胺的生物降解特性。結(jié)果表明，4種生物酶均對聚丙烯酰胺有降解作用，以復(fù)合酶的性能佳，60℃下培養(yǎng)84h時(shí)的降黏率達(dá)到31.8%；單獨(dú)培養(yǎng)硫酸鹽還原菌時(shí)，當(dāng)pH=7時(shí)其活性zui高，6d后聚丙烯酰胺溶液的黏度降為原來的1/3～1/2，而pH=4時(shí)降解作用不明顯，說明硫酸鹽還原菌能降解聚丙烯酰胺。微生物降解聚丙烯酰胺受多種環(huán)境因素影響，而微生物能否分泌出降解酶或其他有效物質(zhì)則是其降解聚丙烯酰胺的關(guān)鍵。有些微生物不直接以聚丙烯酰胺為營養(yǎng)源，但可與其他微生物或外界環(huán)境因素相配合降解聚丙烯酰胺。R.El-Mamouni等發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用輻射皺紋孢屬時(shí)對非離子型聚丙烯酰胺的降解率很低，只有0.6%～0.7%，但若將其與紫外輻射同時(shí)使用，該菌會對聚丙烯酰胺產(chǎn)生生物礦化作用，在一定條件下可將降解率提高到80%以上。M.J.Caulfield等也證明特定條件下某些細(xì)菌可以將聚丙烯酰胺降解掉，但并不從中獲取碳源或氮源。

綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者對微生物降解污水中聚丙烯酰胺的研究大都處于分離、培養(yǎng)、篩選、評價(jià)的室內(nèi)研究階段，沒有現(xiàn)場應(yīng)用報(bào)道。此外，實(shí)驗(yàn)用微生物的來源較為單一，適應(yīng)性較差，很難達(dá)到大規(guī)模處理含聚污水的要求，而微生物的類型又是污水處理成敗的關(guān)鍵，故如何獲得高性能微生物是今后研究的主要方向。