劉蕊娜 (大慶油田分公司第一采油廠,黑龍江 大慶 163000)

黑花麗 (長江大學(xué)地球化學(xué)系,湖北 荊州 434023)

向廷生 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 荊州 434023 長江大學(xué)地球化學(xué)系，湖北 荊州 434023

原油經(jīng)微生物降解后組份變化研究

劉蕊娜 (大慶油田分公司第一采油廠,黑龍江 大慶 163000)

黑花麗 (長江大學(xué)地球化學(xué)系,湖北 荊州 434023)

向廷生 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 荊州 434023 長江大學(xué)地球化學(xué)系，湖北 荊州 434023

為篩選復(fù)合菌優(yōu)良菌種，探討了經(jīng)不同微生物降解后原油的組份變化。在試驗(yàn)條件下選用5種不同的菌種LH1、98-25、W4、r1、MBS，以新疆油田原油K92為唯一碳源，在37℃時(shí)搖床培養(yǎng)10d，測定了培養(yǎng)液表面張力，并對微生物作用后的原油全烴氣相色譜進(jìn)行了分析，用內(nèi)標(biāo)法分析了正構(gòu)烷烴的分布。研究發(fā)現(xiàn)，菌種MBS、W4和98-25表面張力值下降比較明顯，從65.1mN/m分別降到55.4mN/m、56.2mN/m和58.1mN/m，依次下降了14.90%、13.67%和10.75%；全烴分析發(fā)現(xiàn)MBS和r1為良好的烴降解菌株，LH1對C14～C28烴有較好的降解優(yōu)勢，98-25對C29～C31烷烴有較好的降解優(yōu)勢。

微生物；降解；原油；組份；混合菌；表面張力；全烴氣相色譜

生物降解是指由生物催化的復(fù)雜化合物的分解過程[1]。在石油降解中，微生物首先通過自身的代謝分解酶，裂解重質(zhì)的烴類和原油，降低石油的粘度。另外，在其生長繁殖過程中，能產(chǎn)生諸如溶劑、酸類、表面活性劑、氣體和生物聚合物等有效化合物利于驅(qū)油，然后由其他的微生物進(jìn)一步的氧化分解成為小分子而達(dá)到降解的目的[2,3]。微生物對原油的降解作用無論在石油工業(yè)和石油污染環(huán)境修復(fù)的研究中都有著舉足輕重的作用。

利用微生物降解作用提高采收率也稱為生物強(qiáng)化采油，利用微生物生產(chǎn)有用的代謝產(chǎn)物或者利用微生物分解碳?xì)浠衔锏男阅軄硖岣咴筒墒章蔥4,5]。我國中東部主要油田已進(jìn)入高含水期，目前普遍面臨開采難度大，成本高和采收率低等難題[6]，同時(shí)微生物采油對邊際生產(chǎn)油田也具有較高的經(jīng)濟(jì)吸引力。隨著石油的大量開采，石油對環(huán)境的污染也日益嚴(yán)重。石油環(huán)境污染修復(fù)的方法有物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和生物修復(fù)法。其中前2種方法研究比較成熟，但費(fèi)用昂貴且存在二次污染，生物修復(fù)法以其成本低、操作方便、無二次污染、無需大型設(shè)備、場地適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)倍受關(guān)注。

由于單一菌種在功能、適應(yīng)性等方面存在諸多不足，因此在試驗(yàn)中往往將具有不同功能的細(xì)菌混合，一起注入地下來提高采收率或運(yùn)用到環(huán)境修復(fù)中[7,8]。特別是對高含水和接近枯竭的老油田，更顯示出混合菌的強(qiáng)大的優(yōu)勢。因此，筆者利用不同菌種對原油進(jìn)行生物降解，并分析了其培養(yǎng)液表面張力和降解后原油組份變化，為下一步的混合菌研究篩選優(yōu)勢菌株提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1材料

1)油樣 來自新疆油田井號K92的原油。

2)菌種 菌種取自從不同油田水中分離，分別為LH1、98-25、W4、r1、MBS。

3)培養(yǎng)基 MgSO4·7H2O，0.4g/L；CaCl2·2H2O，0.02g/L；KH2PO4，1g/L；K2HPO4，1g/L；NH4NO3，1g/L；酵母膏，1g/L；蒸餾水，1L；FeCl3，0.05g/L；pH值為 7.0～7.2。

1.2方法

1)培養(yǎng)方法 將烴降解培養(yǎng)基按100ml/瓶分裝在250ml的三角瓶中，高溫高壓滅菌后置適宜溫度，按4%接菌液，并按0.2ml/瓶加入原油K92，同時(shí)做一個(gè)不加任何菌的空白樣,并取W4和r1做混合樣。將以上樣品置恒溫37℃搖床培養(yǎng)10d。

2)培養(yǎng)液表面張力的測定 將培養(yǎng)液過濾后用BZY-1型自動(dòng)表面張力儀測定其表面張力，并將經(jīng)微生物作用后的油用三氯甲烷萃取出來。

3)原油的全烴氣相色譜 將萃取出的經(jīng)微生物降解過的油用無水硫酸鈉干燥，分別稱取約10mg的原油，記錄稱量數(shù)據(jù)。分別在每個(gè)油樣個(gè)加入C20D42標(biāo)樣0.456mg做氣相色譜。

氣相色譜分析條件：氣相色譜儀為HP-5890Ⅱ型；色譜柱：DB-5石英毛細(xì)管柱；氣化室溫度：300℃；程序升溫：100℃恒溫2min，以升溫速率為4℃/min升溫到300℃，然后再恒溫20min，載氣N2流速1.2ml/min,H2流速35ml/min，空氣流400ml/min，尾吹氣(N2)流速26ml/min。

2 結(jié)果與討論

2.1培養(yǎng)液表面張力分析

微生物代謝過程中能產(chǎn)生具有表面活性的物質(zhì)，使油水形成O/W(水包油)型乳狀液，從而降低了原油粘度，解除井筒及井筒附近的有機(jī)物質(zhì)堵塞,使油變得易于開采，從而提高原油產(chǎn)量和采收率[9]。同時(shí)表面活性劑在環(huán)境生物修復(fù)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

表1 微生物降解后培養(yǎng)液的表面張力

發(fā)酵前，培養(yǎng)液和油層分層明顯。發(fā)酵后，油層不同程度散開，靜止時(shí)油-水界面犬牙交錯(cuò)，并且下層水相渾濁，有明顯的油-水乳化現(xiàn)象。在室溫(22℃)下測定培養(yǎng)液表面張力，結(jié)果見表1。由表1可知，微生物降解后培養(yǎng)液的表面張力總體上較空白樣培養(yǎng)液表面張力值都有所降低，說明微生物發(fā)酵后產(chǎn)生了一定量表面活性物質(zhì)。從表1可看出，MBS、W4和98-25培養(yǎng)液的表面張力值下降相對比較明顯，從65.1mN/m分別下降到55.4mN/m、56.2mN/m和58.1mN/m，依次下降14.90%、13.67%和10.75%，是較好的產(chǎn)表面活性劑菌種。

2.2微生物作用前后原油組份分析

將菌種降解后的原油做全烴氣相色譜分析。用內(nèi)標(biāo)法分別算得1號、2號、3號、4號和5號菌種降解后每毫克原油中各組分的含量(μg/mg)，作正構(gòu)烴分布圖如圖1，并求得各組分相對于空白樣的降解率，如圖2。其中，6號菌種r1和7號菌種MBS發(fā)生嚴(yán)重生物降解，其降解情況見圖3。原油經(jīng)微生物作用后地球化學(xué)參數(shù)也發(fā)生了不同程度的變化，如表2，其中7號菌種MBS也發(fā)生嚴(yán)重生物降解，其降解情況見圖3。

圖1 正構(gòu)烷烴分布圖 圖2 各組份的降解率

從圖1可以看出，在微生物作用前，碳數(shù)分布為nC14～nC31，單峰形，主峰碳為C20，nC20以后高碳數(shù)正構(gòu)烷烴的相對含量均屬緩慢下降趨勢。從圖3全烴氣相色譜圖可以看出，在MBS、r1和W4+r1作用后，碳數(shù)分布明顯縮小。98-25和W4作用后原油碳數(shù)分布不變，其中W4為單峰形，主峰碳前移；98-25和W4+r1為雙峰形。

注：1為iC16；2為iC18；3為Pr；4為Ph；5為標(biāo)樣。圖3 全烴氣相色譜圖

從表1以及全烴氣相色譜圖(圖3)可知，MBS對原油的降解效果最好，正構(gòu)烷烴基本全部被降解，只剩下一些異構(gòu)體；r1降解效果次之，部分的正構(gòu)烷烴被完全降解，可檢測到的nC13～nC22與空白樣相比含量也明顯降低；LH1和98-25 對原油也有很好的降解效果，重組分和輕質(zhì)組分都有明顯的減少，且LH1比98-25的降解效果更好,LH1對C14～C28烴有較好的降解優(yōu)勢，98-25對C29～C31烷烴有較好的降解優(yōu)勢；W4的降解效果最差。

從W4+r1與單一菌種的降解效果比較來看，W4+r1沒有r1單菌種的降解效果好，但明顯比W4單一菌的降解效果好，同時(shí)從W4+r1降解后的原油未檢測出C28～C31，更加凸顯了r1對C28～C31高碳數(shù)烴的強(qiáng)降解效果。某些微生物會(huì)對特定的石油成分有強(qiáng)的降解能力，因此，接種混合的微生物群落，通過微生物間的協(xié)同作用，能更完全的降解石油。該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合菌的石油降解效果比單菌有所提高，但還需要尋求更好的菌種進(jìn)行組合。

另外，從地球化學(xué)參數(shù)變化(見表2)可以看出，原油經(jīng)微生物作用后首先降解正構(gòu)烷烴，且短鏈較長鏈烴容易降解，從而導(dǎo)致長鏈烴相對含量下降，短鏈烴相對含量增加。從異構(gòu)體參數(shù)值變化(表3)還可以看出，由于異構(gòu)烴比正構(gòu)烴較難降解，在微生物作用過程中得到較好的保留，但微生物還是對異構(gòu)烴進(jìn)行了不同程度的降解。特別是MBS對異構(gòu)烴有強(qiáng)降解效果，同時(shí)LH1對異構(gòu)碳十六和異構(gòu)碳十八有很明顯的降解效果，W4+r1作用后每毫克原油中姥鮫烷Pr和植烷Ph的含量也有明顯下降。98-25和r1作用后每毫克原油中各異構(gòu)烴含量均有所上升，目前還不明確其產(chǎn)生機(jī)理，可能是正構(gòu)烴在作用后形成了一定數(shù)量的異構(gòu)烴。

表2 原油經(jīng)微生物降解后地球化學(xué)參數(shù)變化

表3 微生物作用后異構(gòu)烴變化(μg/mg)

3 結(jié) 論

1)MBS、W4和98-25分別使表面張力值下降14.90%、13.67%和10.75%，為較好的產(chǎn)表面活性劑菌種。

2)MBS為最好的烴降解菌，對長鏈、短鏈正構(gòu)烴和異構(gòu)烴均有很好的降解效果；r1降解效果次之，對長鏈烴有明顯的降解優(yōu)勢。根據(jù)優(yōu)勢組合的原理MBS和r1是未來混合菌研究的理想選擇；LH1和98-25為相對較好的烴降解菌，LH1對C14～C28烴有較好的降解優(yōu)勢，98-25對C29～C31烷烴有較好的降解優(yōu)勢。

3)在微生物對原油的降解過程中，優(yōu)先利用正構(gòu)烷烴，并且短鏈烴較長鏈烴易降解，而異構(gòu)烷烴特別是類異戊二烯烴較難降解，具有保守性，但在生物降解中也會(huì)不同程度的遭受降解。

4)98-25和r1降解后異構(gòu)烴含量增加的機(jī)理有待研究，可用碳同位素標(biāo)記法進(jìn)行深入研究。

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[編輯] 洪云飛

TE357.9；TE622.1

A

1673-1409(2009)02-N042-04

2009-02-27

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2007ABA020)。

劉蕊娜(1981-)，女，2004年大學(xué)畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事石油微生物方面的研究工作。