自20世紀80年代大慶油田和大港油田的聚合物驅礦場試驗取得成功以來，采用聚丙烯酰胺驅油一直是我國東部大多數油田實現“高產穩產”目標的重要手段。但聚合物驅在提高原油產量的同時，也逐漸顯現出一些較難解決的問題，如注聚井及生產井易腐蝕、結垢，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定作用，導致乳化油滴的數目較多、粒徑較小、不易破乳，使用常規污水處理工藝處理后的水質不達標。因此，含聚污水處理成為油田污水處理的重要內容。此外，聚丙烯酰胺在特殊條件下（如高溫）會緩慢降解，產生丙烯酰胺單體，可能導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行降解、締合等處理。近年來，國內外學者對聚丙烯酰胺的降解方式及機理進行了大量探討與研究，總結起來主要有熱降解法、光降解法、化學降解法、物理降解法、微生物降解法等。筆者重點分析了聚丙烯酰胺微生物降解的機理和評價方法，介紹了近年來微生物降解法處理含聚污水的國內外研究進展。
1聚丙烯酰胺的微生物降解
1.1微生物的來源
（1）從環境中分離獲得。油田的地表、地下水源和土壤中通常含有大量有機質，微生物會大量繁殖，分離后可獲得適應性較強的微生物，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）通過人工培養篩選后馴化獲得。在許多高溫、高礦化度及化學驅油田中，油井產出污水的溫度及鹽濃度較高，且可能含有大量殘存化學處理劑，而多數情況下直接分離得到的微生物并不具備抗高溫、高鹽及抗化學藥劑特性。因此，以特定油田的產出污水為培養基，采用人工培養篩選技術及微生物馴化技術，培養篩選出能適應高溫高鹽等苛刻污水條件，同時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生聚丙烯酰胺降解生物酶的各種基因，通過基因工程技術轉入一種微生物體內，使此種微生物同時產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理
據報道，對驅油用聚丙烯酰胺有生物降解作用的微生物（主要是細菌）有硫酸鹽還原菌、腐生菌、產堿假單胞菌、梭狀芽孢桿菌等，其作用過程和機理為：微生物剛處于含聚丙烯酰胺的環境中時需經歷一個適應過程，即微生物體內控制產生聚丙烯酰胺生物降解酶的基因選擇性激活過程；當微生物逐漸適應此生存環境后，為獲得生存所需的碳或氮源，基因控制產生可降解聚丙烯酰胺的生物酶。由于驅油用聚丙烯酰胺為陰離子型，而微生物體通常也帶部分負電，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。在非蛋白質類還原性物質和胞外其他物質的參與下，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、胞外物質及氧的參與下，聚丙烯酰胺大分子鏈被逐步氧化分解成短鏈小分子，最終被分解成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的聯合作用下，聚丙烯酰胺的分子結構被破壞，大分子鏈裂解成小分子鏈，又進一步分解成微生物的營養源，結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，酰胺基數量下降。
1.3聚丙烯酰胺微生物降解的評價方法
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，酰胺基數量下降，羧基數量增加。故理論上凡是可以測定上述參數變化的方法均可作為微生物降解聚丙烯酰胺的評價方法，黏度法就是常用的簡易方法之一。但在實際操作過程中，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半徑縮短，而且溶液pH降低也會導致聚丙烯酰胺黏度相應降低，故不能確切說明是長鏈發生了斷裂；而溶液pH的變化也只能從宏觀上粗略反映溶液中酸基數量增加，間接反映酰胺基被氧化后羧基數量增多。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構的變化。
筆者認為，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量的變化（如凝膠滲透色譜法、光散射法），以及分子鏈結構的變化（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確。
2微生物降解聚丙烯酰胺的研究進展
目前國內外對聚丙烯酰胺微生物降解技術的報道基本處于實驗探究階段，未發現礦場應用實例。S.Magdaliniuk等曾研究微生物對蒙脫石/聚丙烯酰胺懸浮液的影響，發現懸浮液的濃度及黏度沒有變化，因此他認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出多種在特定條件下可降解聚丙烯酰胺的微生物（多為細菌），所以聚丙烯酰胺具有可生物降解性的觀點已為大多數學者所接受，即聚丙烯酰胺可為某些微生物提供營養源（氮源和碳源）。
2.1聚丙烯酰胺為氮源
由微生物降解機理分析可知，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物可通過擴散或主動吸收方式進入微生物體內，在胞內降解酶作用下發生轉化，在此過程中產生的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菌與特定聚丙烯酰胺的相互作用，發現該菌能根據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論，在含有某些細菌的土壤中加入聚丙烯酰胺后無機氮的濃度會增加，研究認為細菌釋放出酰胺酶使聚丙烯酰胺發生降解并產生大量無機氮。J.L.Kay-Shoemake等通過研究也認為，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鍵發生斷裂。D.Senft等認為聚丙烯酰胺可被某些細菌降解并釋放出氮支持細菌繁殖。G.R.J.Sutherland等研究發現，培養條件不同時白腐真菌對聚丙烯酰胺的降解情況也不同。當外界提供充足氮源時，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株對油區環境有高適應性的假單胞菌，通過培養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%，相對分子質量降為原分子質量的1/10，掃描電鏡發現降解后聚丙烯酰胺的分子結構變得疏松零散。常帆等研究了假單胞菌和枯草芽孢桿菌單獨及聯合使用時對長慶某油田采出污水中聚丙烯酰胺的降解作用，其認為聚丙烯酰胺發生降解是由于微生物產生的降解酶和胞外物質發揮了作用。研究結果顯示，兩種菌聯合培養25d時溶液降黏率可達80.3%，遠高于單獨使用假單胞菌（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
此前大多數學者對聚丙烯酰胺微生物降解行為和機理的研究集中在微生物產生酶的作用上，而研究發現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，未發現能分解碳的微生物酶，故一般認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，還有非蛋白質類和胞外其他物質等，微生物可釋放和利用這些物質分解聚丙烯酰胺，產生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，該菌株仍能繼續繁殖，且一定時間后聚丙烯酰胺溶液的黏度降低，相對分子質量降至原來的1/4，培養基的pH也由6.8降至5.8左右。核磁共振分析結果顯示，聚丙烯酰胺側鏈的斷裂數量較多，主鏈也存在一定程度的分解，所以他認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，微生物可將其作為唯一碳源，但不能將其降解成單體。
魏利等采用Hungate厭氧技術從大慶油田污水中分離出1株以聚丙烯酰胺為唯一碳源的降解菌株。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量的化合物，降解后聚丙烯酰胺的大分子結構也變得雜亂無章。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、節細菌屬、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。在一定條件下培養一定時間后，聚丙烯酰胺降解率及COD去除率均可達50%以上。
在聚合物驅過的油水井井壁及地層空隙中往往殘存大量聚丙烯酰胺，如不及時去除會對井壁和地層造成堵塞等危害。針對此問題，藍強等認為可使用特定的微生物進行降解，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時硫酸鹽還原菌對聚丙烯酰胺的生物降解特性。結果表明，4種生物酶均對聚丙烯酰胺有降解作用，以復合酶的性能最佳，60℃下培養84h時的降黏率達到31.8%；單獨培養硫酸鹽還原菌時，當pH=7時其活性最高，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境因素影響，而微生物能否分泌出降解酶或其他有效物質則是其降解聚丙烯酰胺的關鍵。有些微生物不直接以聚丙烯酰胺為營養源，但可與其他微生物或外界環境因素相配合降解聚丙烯酰胺。R.El-Mamouni等發現單獨使用輻射皺紋孢屬時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使用，該菌會對聚丙烯酰胺產生生物礦化作用，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，目前國內外學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、篩選、評價的室內研究階段，沒有現場應用報道。此外，實驗用微生物的來源較為單一，適應性較差，很難達到大規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鍵，故如何獲得高性能微生物是今后研究的主要方向。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3結論
隨著聚丙烯酰胺在油田開發中的推廣應用，含聚污水量急速增長，微生物降解處理技術因具有成本低、無二次污染等優點，將成為油田含聚污水處理的一項重要技術。目前國內外對聚丙烯酰胺微生物降解技術的研究較少，對其機理的認識也不太清晰，所進行的研究均停留在室內探究階段，現場應用實例極少。建議今后對微生物降解處理含聚污水的研究深化以下幾點：
（1）應用微生物分子生態學理論和基因工程技術培育出具有高性能、強適應性的降解聚丙烯酰胺微生物；
（2）研究不同微生物群落間的協同增效作用；
（3）將微生物降解處理技術與其他技術如膜處理、超濾反滲透等結合，并重視含聚污水的前處理；
（4）不同微生物及其分泌物（如酶等）與聚丙烯酰胺分子鏈的作用方式和機理仍有待詳細研究。
