聚丙烯酰胺生物降解研究

聚丙烯酰胺生物降解研究

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。在一定的浓度、温度等条件范围之内，聚丙烯酰胺的浓度越高，溶液就呈现出越浑浊的状态，其浊度也随之越高，而其浊度的具体值可以利用浊度计或者是分光光度计进行最终测量。

(2）实验仪器以及相关试剂：实验过程中使用分光光度计进行测量，其型号为755B；电子天平、量筒和三角瓶；实验过程中使用的相关试剂为：聚丙烯酰胺、次氯酸钠、醋酸以及蒸馏水。

(3）实验过程：首先是利用电子天平进行聚丙烯酰胺样品的称取，称取适量的样品放入到100mL三角瓶当中，随后在三角瓶中加入醋酸溶液，进行定容，定容溶度为5mol/L。随后将其摇匀，并静止1-2min 。其次是次氯酸钠溶液的配制，其最终的质量浓度是1.31%，并加入三角瓶中后摇匀。配制次氯酸钠溶液后，将其加入聚丙烯酰胺醋酸溶液中，让其发生反应，产生沉淀，待体系中进行充分反应完成之后，肉眼观察到浑浊现象，然后利用分光光度计来测量反应后溶液的吸光度值，并依据测量的结果来计算其浊度。实验中，聚丙烯酰胺溶液的具体浓度在150-300mg/L范围之内。当其配比是1:2:2的时候，聚丙烯酰胺的浓度处于20-400mg/L，因此最终的药物配比是1:2:2。标准曲线间图1。

图1标准曲线

1.3锰过氧化物酶活性测定方法

测定锰过氧化物活性，试剂A的配制：琥珀酸钠为60mmol/L，乳酸钠60mmol/L，酚红为0.12mmol/L,MnSO4为0.12mmol/L，明胶为3.6mmol/L，调整pH值到4.5；试剂B的配制：6mmol/L H2O2溶液。在反应液中，试剂A为2.5mL，发酵液为0.5mL，试剂B为50μL，反应时长为2min，温度30℃，随后加入100μL NaOH，反应完成之后，在610nm波长条件下，测定其吸光度的变化情况。

1.4降解酶活化及驯化

基础培养基的配配制：葡萄糖为2g/ L ；酒石酸铵为0.2g/ L ；苯甲醇为0.54g/ L ;MgSO40.71g/L ；KH2PO42.56g/L ；VB10.001 g/L ；邻苯二甲酸缓冲液为10mmol/ L ；微量元素液70mL ；调整pH值到6-6.5。

微量元素液的配制：胺基己酸为0.6g/L ;M nSO4 •H2O为0.5g/L ；NaCl 为1g/L ； CaCl •2H2O 为156g/L ； CuSO4•5H2O为0.1g/ L ；AlK ( SO4)2•12H2O为0.01 g/L ；HBO3为0.01g/L ；Na2M oO4•2H2O 为0.01g/L 。摇床培养，培养温度为35℃，转速为150r/min。

菌种为黄孢原毛平革菌。

(1）菌种活化及其功能的驯化将黄孢原毛平革菌接入到三角瓶中，加入培养基以及PAM，放置于35℃摇床上振荡培养，转速为180r/min。每天取出静置30min，用移液枪将上层清液取出10mL，然后加入10mL PAM液，持续时间7d。随后取适量菌液，转移到新的含基础培养基和PAM液的三角瓶中。3d之后，每天采用同样的方式取50mL上层清液，放入50mL新的PAM液。整个过程需要采集21d，操作过程严格，防止污染。

(2）降解实验配制降解培养基：配制1L的培养基的试剂：酒石酸铵为0.2g；苯甲醇为0.54g,；MgSO4为0.71g； KH2PO4为2.56g,；VB1为0.001g；微量元素液70mL；用蒸馏无菌水配平到1L。并调整其pH值到6-6.5。

采取序批式的方式进行降解试验。将量取150mL 的PAM溶液加入三角瓶当中，降解材料接种的体积比为2:100。在培养箱内于35℃中进行恒温培养，72h之后，检测其出水当中的聚丙烯酰胺终浓度，对其数据进行连续采集，共8次。

2结果及讨论

2.1葡萄糖总量对于降解效果的影响

在实验当中共设计三个平行实验，加入葡萄糖的量分别为0,2g/L以及5g/L。实验结果如图2所示。由实验结果可以得知，对于PAM降解来说，葡萄糖加入的具体量，对其降解的最终效果没有明显的影响，在降解效率上也没有较大的差别。

图2加入不同葡萄糖量对PAM降解效果的影响

2.2 pH值对降解效果的影响

在进行pH值对降解效果影响的实验中，平行实验总设计了4个梯度，将4组溶液中的pH值分别调至4、5、6、7。实验结果如图3所示。从实验结果可以分析得出，在调整pH值为6的时候，菌种的活性最强，菌种的总体降解能力最强。

图3 pH值对PAM降解的影响

2.3 Mn2+对降解效果的影响

通过试验可以得出，在将微生物接种于培养基上，对其进行扩大培养的过程当中，添加Mn2+对于微生物的生长来说，其促进微生物生长的作用并不明显，和没有添加Mn2+的对照组比较，其差异并不明显。而在降解试验中，进行生物降解，当添加浓度为0.0175g/L的Mn2+时，微生物所具有的降解能力较为突出，而添加Mn2+浓度为0.0350g/L时，以及在没有添加Mn2+的实验组当中，其生物的降解能力相对是较低的，实验结果如图4所示。此结果可能的原因是Mn2+能够促进微生物进行分泌生物酶活性物质，此活性物质具备使PAM的降解更加快速的作用，但并不是微生物生长所必需的元素,而当Mn2+的浓度达到0.0175g/L的时候，微生物产出的生物酶活性具有最高的活力。而在加入Mn2+浓度达到0.0350g/L的时候，可能会对PAM降解酶的产生起到抑制的作用。这与之前报道中的Mn2+对微生物产生过氧化物酶起到重要作用的结论相符合。

图4 Mn2+浓度对PAM降解的影响

2.4氮对降解总体效果的影响

当氮的浓度达到0.2g/L，生物降解率相对较高，同时能够稳定地维持在45%左右，结果见图5。产生这种现象的原因可能是在氮限制的前提下，菌体能够产生一种生物酶，这种生物酶具有对聚丙烯酰胺的降解起到催化作用的活性，当氮的浓度达到0.2g/L的时候，生物酶的总体产量达到峰值。当氮的浓度继续升高，氮总量对于菌体难以继续构成限制，或者其他限制具备了反作用，微生物分泌的催化酶会减少，其对聚丙烯酰胺的降解相应会下降，表现出降解率的下降。

图5氮浓度对PAM降解的影响

2.5降解时间对降解效果的影响

在试验设置的空白对照组当中，没有在其中加入菌体，体系当中PAM的整体浓度没有发生任何变化，表明PAM没有得到降解。由图6的结果可以得出，在降解的实验中，经过一段时间的处置，微生物降解PAM的值达到峰值，其时间为72h，其后不再继续提高降解效率，其降解的平均效率约为50%左右。

图6降解时间对PAM降解的影响

有报道指出，当环境条件为限氮的前提下，黄孢原毛平革菌表现出锰吸收的特点，产出锰过氧化物酶，即MnP。锰过氧化物酶的相关活性可以讲解催化胺类底物，实验中定量检测的结果见图7。MnP的活性在一定范围内和PAM的总体浓度具备正相关关系，当PAM溶液浓度处在较低浓度的时候，PAM对于其中的微生物也有着较低水平的生物抵抗性，因此微生物受到的刺激较低，微生物分泌的催化酶也十分微量，其优先用来满足细菌自身进行生长发育所需的量，此时的微生物生长也旺盛。而溶液当中，PAM的总体浓度持续提高的过程中，缓步上升其生物抗性相关的因子也会随之持续增加，刺激微生物释放出来更多的催化酶，因此可以让生物酶的相关活性持续得到提升。此时就无法满足细胞在代谢过程当中的需求。

图7 PAM对MnP的影响

3结论

(1）当条件为氮限制条件时，菌体可以在生长过程中产生降解酶，这种降解酶能够对聚丙烯酰胺降解过程起到一定的催化作用，当氮的浓度为0.2g/L，此降解酶的产量处于最佳水平。

(2)Mn2+可以促进微生物产生降解相关的生物酶，由此能够催化PAM降解反应，但其与微生物自身的生长没有关联。在一定的范围之内，微生物的产酶量和Mn2+的添加浓度存在正相关的关系。当Mn2+的浓度为0.0175g/L的时候，微生物进行产酶的达到最高，其降解活性达到了峰值。

(3）聚丙烯酰胺具有非常高的稳定性，其属于高分子聚合材料，同时其有着较高生物抗性的特点。而利用微生物对PAM进行持续降解，也只能将其进行有限的分解，形成小分子的结构，而降解后的小分子所具有的特性仍然与之相同。生物降解的方式具有50%的降解率，需要找到更合适的微生物，产生出其他的生物酶来进一步对聚丙烯酰胺进行深度降解，使其完全分解，对环境没有影响。

        聚丙烯酰胺由于其稳定的结构，在很久的时间中都被认为其难以降解。其在自然界中的降解以及其毒性的报道也出现较晚。目前对于其降解相关的研究不多，已公布的研究当中，其生物降解率都不高，且降解并不彻底，而没有完全降解的聚丙烯酰胺在自然环境中更加容易发生相应的反应，造成其在环境中持续积累。因此需要继续对生物降解进行深入优化，使其能够彻底降解，减少对自然环境造成的危害。

参考文献：

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