1、 本科毕业设计（论文）开题报告题目： 降解聚合物的菌株筛选学生姓名 孙铜 学 号 0704030136教学院系 化学化工学院专业年级 环境工程 2007 级 1 班指导教师 吴雁 职 称 单 位 西南石油大学降解聚合物的菌株筛选1 研究背景1.1 聚丙烯酰胺产品的介绍及在油田中的应用1.1.1 聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物的统称，为线性水溶性高分子的一种，亲水性高，能以各种百分比溶于水，不溶于大多数有机溶液。它是应用最广泛的水溶性高分子化合物之一。1.1.2 聚丙烯酰胺在油田中的应用1.1.2.1 PAM 用作聚合物驱油聚合物驱油是通过在注入水中加入一定量的高分子聚
2、丙烯酰胺，来增加注入水的粘度，改善油水流度比。由于油层对聚丙烯酰胺分子的吸附、捕集作用，而降低了高、中渗透层或高、中水淹层的渗透性，增加了注入水的渗流阻力，使低渗透层或低而未水淹层的吸水量增加，扩大了注入水在油层平面上的波及范围和油层纵向上的水淹厚度，从而扩大水淹体积，将水驱时未动用的原油驱替出来，达到提高原油采收率的目的。1.1.2.2 PAM 用作钻井液添加剂钻井液在石油开采中用作钻井泥浆性能调整剂。PAM 的作用是调节钻井液的流变性，携带岩屑，润滑钻头，有利钻进。此外，还可大大减少卡钻井事故，减轻设备磨损，并能防止发生井漏和坍塌，使井径规则。在这方面经常使用的是部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯
3、酰胺钾盐，它由 PAM 或聚丙烯腈水解而得。聚合物降解菌的筛选评价及在油田污水生化处理中的应用1.1.2.3 PAM 用作堵水剂、调剖剂在油田生产过程中，由于地层的非均质性，常产生水浸问题，需要进行堵水。其实质是改变水在地层中的渗透状态，以达到减少油田产水，保持地层能量，提高最终采收率的目的。PAM 类化学堵水剂对油和水的渗透能力的作用具有选择性，对油的渗透性降低少，对水的渗透性降低多。1.1.2.4 PAM 用作压裂液添加剂压裂工艺是油田开发致密层的重要增产措施，其作用是开通岩石的通道，让油流过。亚甲基聚丙烯酰胺交联而成的压裂液，由于具有高粘度、低摩阻、良好的悬砂能力以及配制方便和成本低等优
4、点而被广泛应用。1.2 聚丙烯酰胺的危害聚丙烯酰胺作为驱油用的聚合物在现场大量使用，导致采出液黏度较高，采出液中的聚丙烯酰胺随原油/水混合液进入地面油水分离与水处理终端，大幅度提高了混合液的黏度和乳化性能，使油、水分离和含油污水处理的难度加大，造成处理后的采出水含油量严重超标。分子量大、结构稳定、强生物抗性是聚丙烯酰胺重要的特性，导致采出水很难处理达标用于回注地层，聚丙烯酰胺本无毒，但其分解后生成的丙烯酰胺单体却是有毒的，对人体、生物、环境造成直接或间接的伤害和影响。因此，我们想通过传统的细菌筛选方法，分离筛选出能以聚丙烯酰胺为营养的降解菌种，并通过长时间的驯化，使之对聚丙烯酰胺具有一定程度的
5、降解能力。再对其进行营养条件、环境要素优化，确定其最适生长条件，最大限度提高菌株对聚丙烯酰胺的降解效果。 2 国内外研究现状 虽然国内外关于对含聚物得降解的研究很多，但大多停留在初步阶段，主要有物理降解、化学降解以及生物降解，以化学降解居多。我们都知道物理降解一般是用于废水的预处理；化学降解尽管能够很好的降解聚合物，但其产生的二次污染不容忽视；生物降解的研究尚不成熟，它的成本低、无二次污染等优点受到很多学者推崇。所以对于聚合物的生物降解研究很有学术价值、经济和环境效益。2.1 物理降解高剪切速率下引发的聚合物链断裂，主要是利用拉伸和剪切的共同作用使PAM 变形，拉伸项使分子链显著地伸长，再经过
6、强有力的伸长期后就会发生断裂超声波降解聚合物亦属于机械降解的一种形式，通过超声波的空穴作用，聚合物优先在聚合物链的中点发生断裂2.2 化学降解目前处理含聚废水主要采用的是氧化法，有催化氧化法、Fenton 氧化法、三价 Fe 氧化法等，而以 Fenton 氧化法居多。 Fenton 氧化法，运用 Fenton 试剂的羟基自由基(OH)的强氧化性、高电负性处理含聚废水。Fenton 反应的羟基自由基机理争论了很长时间，也提出了一些假设的过渡形式，但是最近研究人员己经提出二价铁离子或者三价铁离子与有机配体生成的络合物可以和过氧化物、分子氧及其他氧化剂反应生成高价氧铁中间物 Fe=O，其中铁呈现正四
7、价或正五价，氧铁中间物可以氧化有机物，在氧铁参与的氧原子和许多核酸或者非核酸酶之间的电子转移反应方面达到了共识。羟基自由基(OH)的性质：(1)暂短性：OH 的生存时间小于 1s，很难对它进行分析测试；(2)强氧化性：OH 的标准电极电位比其它一些常用的强氧化剂具有更高的氧化还原电位，因此，OH 是一种强氧化剂；(3)高电负性或亲电性：OH 的电子亲和能为 569.3KJ，容易进攻高电子云密度点，这就决定了OH 的进攻具有一定的选择性。Fenton 反应的羟基自由基机理争论了很长时间，也提出了一些假设的过渡形式，但是最近研究人员己经提出二价铁离子或者三价铁离子与有机配体生成的络合物可以和过氧化
8、物、分子氧及其他氧化剂反应生成高价氧铁中间物Fe=O，其中铁呈现正四价或正五价，氧铁中间物可以氧化有机物，在氧铁参与的氧原子和许多核酸或者非核酸酶之间的电子转移反应方面达到了共识。非OH 反应机理：羟基自由基(OH)机理被提出的同时，其他非OH 作为中间体的反应机理也被提出。该机理认为，反应中间体是以高价铁形式存在的复合物，而不是OH，即：Fe2+H2O2Fe(,)或 Fe(过氧络合物)2.3 生物降解聚合物生物降解这块儿，国内外有很多研究者做过很多努力，著名的有：在国内，黄峰等分别研究了腐生菌、硫酸盐还原菌对聚丙烯酰胺的降解。研究结果表明，腐生菌连续活化 5 次，在 1000mg/L 的聚丙
9、烯酰胺溶液中恒温培养 7天，可使溶液粘度损失率达 11.2%；硫酸盐还原菌不仅能以聚丙烯酰胺为碳源生长繁殖，而且还能使聚丙烯酰胺降解导致其溶液粘度损失，从而使驱油效率降低。程林波等对实验室配制废水中聚丙烯酰胺的生物降解特性进行了研究，考察了水解+好氧工艺在常规条件下和在水解槽内加入硫酸根条件下对聚丙烯酰胺的降解效果。结果表明，硫酸盐还原菌对聚丙烯酰胺有着某种特殊的降解作用，水解工艺可以获得 35%45%的去除效率。李蔚等从油田采出水中分离到一株以聚丙烯酰胺为能源和碳源的假单胞菌。同时对该菌的性能进行了评价，证明该菌能够在含原油、聚丙烯酰胺的水环境中生长，并对原油和聚丙烯酰胺具有降解作用。聚丙烯
10、酰胺经降解之后分子结构受到破坏，相对分子量由原来的1107 变为 11051106。黄孢原毛平革菌对聚丙烯酰胺也具有特殊的酶催化降解的能力，韩昌福等的研究表明，不同的 pH 值、不同的葡萄糖加入量、不同的降解时间以及 NH4+、Mn2+都会影响黄孢原毛平革菌对聚丙烯酰胺的降解。作为一种稳定的高分子聚合材料，聚丙烯酰胺有着极强的生物抗性，即使是已经被降解为小分子的聚丙烯酰胺依然有着这一特征。在国外，1995 年，日本的 Kunichika N 等在 30下从活性污泥和土壤中分离出能以水溶性聚丙烯酰胺为唯一碳源和氮源的 Enterobacter agglomerans和 Azomonasm acr
11、ocytogenes 两株降解菌株。实验表明，由于细菌的降解作用，培养液中聚丙烯酰胺的分子量降由起初的 2.0106 降低到 0.5106；培养液的 pH 值由起初的 6.8 降到 5.8。核磁共振分析结果表明聚丙烯酰胺的主链发生了降解。同时研究结果表明微生物只能利用聚丙烯酰胺中的一部分，而不能利用其中的酰胺部分，即使是低浓度的聚丙烯酰胺也不能全部被利用。Jeanine L.Kay-Shoemake 等的研究表明，在以聚丙烯酰胺作为土壤微生物生长基质的过程中，微生物分泌出胞外酰胺酶。酰胺酶可以催化水解化合物骨架中的碳氮部分，导致了氨和羧酸的产生。但同时还发现聚丙烯酰胺只能作为唯一的氮源被微生物
12、所利用，但是却不能作为碳源被降解，可能原因是聚丙烯酰胺先被转化为长链聚丙烯酸酯，而后者可以被微生物作为氮源利用。3 研究内容3.1 聚合物降解菌种的驯化此次实验，我们的菌种来自金海污水处理厂的活性污泥，而废水采用的是人工配置的聚合物 AP-P4 混合液。 将活性污泥于含聚废水中驯化培养，聚合物的浓度由低到高（50200mgL，外加葡萄糖作为碳源，由多到少，让其逐渐适应含聚环境。 每隔两天检测一次活性污泥及废水中聚丙烯酰胺的含量，掌握活性污泥的生长状况，确保驯化的成功。3.2 聚合物降解菌种的分离筛选 运用聚丙烯酰胺、NaCl 、KH2PO4 、K2HPO4、酵母浸粉、微量元素液、蒸馏水，调 p
13、H 值为 7.2，制作平板培养基 将驯化后的菌种，用划线法在平板上分离细菌挑选菌落边缘清晰的菌落，继续平板划线直至获得生长良好的单菌落。3.3 聚合物降解菌种的鉴定 菌株形态观察（颜色、干湿、质地、形态、表面透明度、边缘等方面） 菌株的鉴定（菌株的个体形态特征、菌落特征、生理生化特性等对所筛选菌株进行初步鉴定，确定其种属）3.4 优化培养条件 运用控制变量法，分别对含葡萄糖加入量、温度、PH、矿化度等做实验研究，以淀粉碘化镉法，COD 作为聚合物降解指标，确定其最适培养条件。 用以下四组实验，分别考察降解效果： i. 配置葡萄糖加入量为 0 4g/L 的聚丙烯酰胺溶液，再向其中加入等量驯化了的
14、活性污泥，反应一定时间，用淀粉-碘化镉光度法光度法检测废水中聚丙烯酰胺的浓度，作图确定最佳的葡萄糖加入量。 ii. 在最佳葡萄糖浓度下，配置 pH 为 4、5、6、7、8 的聚丙烯酰胺溶液，再向其中加入等量驯化了的活性污泥，反应一定时间，用淀粉-碘化镉光度法光度法检测废水中聚丙烯酰胺的浓度，作图确定最佳的 PH。iii. 在最佳葡萄糖浓度、最佳 PH、等量活性污泥下，将混合液置于温度为 20 50 反应,用淀粉-碘化镉光度法光度法检测废水中聚丙烯酰胺的浓度，作图确定最佳的温度。iv. 在最佳葡萄糖浓度、最佳 PH、最适温度、等量活性污泥下，配置矿化度为 12000 15000 mg/L 聚丙烯
15、酰胺溶液, 反应一定时间，用淀粉-碘化镉光度法光度法检测废水中聚丙烯酰胺的浓度，作图确定最佳的矿化度。4 预期结果通过培养驯化筛选，能够得到具有一定生物降解能力的菌种，初步鉴定出该菌种的种属。用控制变量法，分贝对其营养条件、环境要素做实验研究，确定出最佳的生长条件，取得最佳的处理效果，为后续的研究提供指导和思路。5 进度安排序 号 设计（论文）各阶段内容设计（论文）各阶段内容1 资料收集、实验方案确定3.73.152 聚合物降解菌种的驯化 3.164.13 聚合物降解菌种的分离筛选4.25.14 优化培养条件 5.15.255 撰写论文，准备答辩 5.266.15开 题 报 告 会 议 纪 要时间 地点 主持人姓名 职称 姓名 职称参会教师会议记录摘要记录人（签名）： 年 月 日指导教师意见签名： 年 月 日开题论证评审组意见负责人（签名）： 年 月 日
