原油经微生物降解后组份变化研究

2009-12-04刘蕊娜大庆油田分公司第一采油厂黑龙江大庆163000

长江大学学报(自科版) 2009年4期

关键词：正构烷烃表面张力

刘蕊娜 (大庆油田分公司第一采油厂,黑龙江大庆 163000)

黑花丽 (长江大学地球化学系,湖北荆州 434023)

向廷生油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北荆州 434023 长江大学地球化学系，湖北荆州 434023

原油经微生物降解后组份变化研究

刘蕊娜 (大庆油田分公司第一采油厂,黑龙江大庆 163000)

黑花丽 (长江大学地球化学系,湖北荆州 434023)

向廷生油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北荆州 434023 长江大学地球化学系，湖北荆州 434023

为筛选复合菌优良菌种，探讨了经不同微生物降解后原油的组份变化。在试验条件下选用5种不同的菌种LH1、98-25、W4、r1、MBS，以新疆油田原油K92为唯一碳源，在37℃时摇床培养10d，测定了培养液表面张力，并对微生物作用后的原油全烃气相色谱进行了分析，用内标法分析了正构烷烃的分布。研究发现，菌种MBS、W4和98-25表面张力值下降比较明显，从65.1mN/m分别降到55.4mN/m、56.2mN/m和58.1mN/m，依次下降了14.90%、13.67%和10.75%；全烃分析发现MBS和r1为良好的烃降解菌株，LH1对C14～C28烃有较好的降解优势，98-25对C29～C31烷烃有较好的降解优势。

微生物；降解；原油；组份；混合菌；表面张力；全烃气相色谱

生物降解是指由生物催化的复杂化合物的分解过程[1]。在石油降解中，微生物首先通过自身的代谢分解酶，裂解重质的烃类和原油，降低石油的粘度。另外，在其生长繁殖过程中，能产生诸如溶剂、酸类、表面活性剂、气体和生物聚合物等有效化合物利于驱油，然后由其他的微生物进一步的氧化分解成为小分子而达到降解的目的[2,3]。微生物对原油的降解作用无论在石油工业和石油污染环境修复的研究中都有着举足轻重的作用。

利用微生物降解作用提高采收率也称为生物强化采油，利用微生物生产有用的代谢产物或者利用微生物分解碳氢化合物的性能来提高原油采收率[4,5]。我国中东部主要油田已进入高含水期，目前普遍面临开采难度大，成本高和采收率低等难题[6]，同时微生物采油对边际生产油田也具有较高的经济吸引力。随着石油的大量开采，石油对环境的污染也日益严重。石油环境污染修复的方法有物理修复法、化学修复法和生物修复法。其中前2种方法研究比较成熟，但费用昂贵且存在二次污染，生物修复法以其成本低、操作方便、无二次污染、无需大型设备、场地适应性强等特点倍受关注。

由于单一菌种在功能、适应性等方面存在诸多不足，因此在试验中往往将具有不同功能的细菌混合，一起注入地下来提高采收率或运用到环境修复中[7,8]。特别是对高含水和接近枯竭的老油田，更显示出混合菌的强大的优势。因此，笔者利用不同菌种对原油进行生物降解，并分析了其培养液表面张力和降解后原油组份变化，为下一步的混合菌研究筛选优势菌株提供理论基础。

1 试验部分

1.1材料

1)油样来自新疆油田井号K92的原油。

2)菌种菌种取自从不同油田水中分离，分别为LH1、98-25、W4、r1、MBS。

3)培养基 MgSO4·7H2O，0.4g/L；CaCl2·2H2O，0.02g/L；KH2PO4，1g/L；K2HPO4，1g/L；NH4NO3，1g/L；酵母膏，1g/L；蒸馏水，1L；FeCl3，0.05g/L；pH值为 7.0～7.2。

1.2方法

1)培养方法将烃降解培养基按100ml/瓶分装在250ml的三角瓶中，高温高压灭菌后置适宜温度，按4%接菌液，并按0.2ml/瓶加入原油K92，同时做一个不加任何菌的空白样,并取W4和r1做混合样。将以上样品置恒温37℃摇床培养10d。

2)培养液表面张力的测定将培养液过滤后用BZY-1型自动表面张力仪测定其表面张力，并将经微生物作用后的油用三氯甲烷萃取出来。

3)原油的全烃气相色谱将萃取出的经微生物降解过的油用无水硫酸钠干燥，分别称取约10mg的原油，记录称量数据。分别在每个油样个加入C20D42标样0.456mg做气相色谱。

气相色谱分析条件：气相色谱仪为HP-5890Ⅱ型；色谱柱：DB-5石英毛细管柱；气化室温度：300℃；程序升温：100℃恒温2min，以升温速率为4℃/min升温到300℃，然后再恒温20min，载气N2流速1.2ml/min,H2流速35ml/min，空气流400ml/min，尾吹气(N2)流速26ml/min。

2 结果与讨论

2.1培养液表面张力分析

微生物代谢过程中能产生具有表面活性的物质，使油水形成O/W(水包油)型乳状液，从而降低了原油粘度，解除井筒及井筒附近的有机物质堵塞,使油变得易于开采，从而提高原油产量和采收率[9]。同时表面活性剂在环境生物修复、农业、医药等方面都得到了广泛的应用。

表1 微生物降解后培养液的表面张力

发酵前，培养液和油层分层明显。发酵后，油层不同程度散开，静止时油-水界面犬牙交错，并且下层水相浑浊，有明显的油-水乳化现象。在室温(22℃)下测定培养液表面张力，结果见表1。由表1可知，微生物降解后培养液的表面张力总体上较空白样培养液表面张力值都有所降低，说明微生物发酵后产生了一定量表面活性物质。从表1可看出，MBS、W4和98-25培养液的表面张力值下降相对比较明显，从65.1mN/m分别下降到55.4mN/m、56.2mN/m和58.1mN/m，依次下降14.90%、13.67%和10.75%，是较好的产表面活性剂菌种。

2.2微生物作用前后原油组份分析

将菌种降解后的原油做全烃气相色谱分析。用内标法分别算得1号、2号、3号、4号和5号菌种降解后每毫克原油中各组分的含量(μg/mg)，作正构烃分布图如图1，并求得各组分相对于空白样的降解率，如图2。其中，6号菌种r1和7号菌种MBS发生严重生物降解，其降解情况见图3。原油经微生物作用后地球化学参数也发生了不同程度的变化，如表2，其中7号菌种MBS也发生严重生物降解，其降解情况见图3。

图1 正构烷烃分布图图2 各组份的降解率

从图1可以看出，在微生物作用前，碳数分布为nC14～nC31，单峰形，主峰碳为C20，nC20以后高碳数正构烷烃的相对含量均属缓慢下降趋势。从图3全烃气相色谱图可以看出，在MBS、r1和W4+r1作用后，碳数分布明显缩小。98-25和W4作用后原油碳数分布不变，其中W4为单峰形，主峰碳前移；98-25和W4+r1为双峰形。

注：1为iC16；2为iC18；3为Pr；4为Ph；5为标样。图3 全烃气相色谱图

从表1以及全烃气相色谱图(图3)可知，MBS对原油的降解效果最好，正构烷烃基本全部被降解，只剩下一些异构体；r1降解效果次之，部分的正构烷烃被完全降解，可检测到的nC13～nC22与空白样相比含量也明显降低；LH1和98-25 对原油也有很好的降解效果，重组分和轻质组分都有明显的减少，且LH1比98-25的降解效果更好,LH1对C14～C28烃有较好的降解优势，98-25对C29～C31烷烃有较好的降解优势；W4的降解效果最差。

从W4+r1与单一菌种的降解效果比较来看，W4+r1没有r1单菌种的降解效果好，但明显比W4单一菌的降解效果好，同时从W4+r1降解后的原油未检测出C28～C31，更加凸显了r1对C28～C31高碳数烃的强降解效果。某些微生物会对特定的石油成分有强的降解能力，因此，接种混合的微生物群落，通过微生物间的协同作用，能更完全的降解石油。该试验发现，混合菌的石油降解效果比单菌有所提高，但还需要寻求更好的菌种进行组合。

另外，从地球化学参数变化(见表2)可以看出，原油经微生物作用后首先降解正构烷烃，且短链较长链烃容易降解，从而导致长链烃相对含量下降，短链烃相对含量增加。从异构体参数值变化(表3)还可以看出，由于异构烃比正构烃较难降解，在微生物作用过程中得到较好的保留，但微生物还是对异构烃进行了不同程度的降解。特别是MBS对异构烃有强降解效果，同时LH1对异构碳十六和异构碳十八有很明显的降解效果，W4+r1作用后每毫克原油中姥鲛烷Pr和植烷Ph的含量也有明显下降。98-25和r1作用后每毫克原油中各异构烃含量均有所上升，目前还不明确其产生机理，可能是正构烃在作用后形成了一定数量的异构烃。

表2 原油经微生物降解后地球化学参数变化

表3 微生物作用后异构烃变化(μg/mg)

3 结论

1)MBS、W4和98-25分别使表面张力值下降14.90%、13.67%和10.75%，为较好的产表面活性剂菌种。

2)MBS为最好的烃降解菌，对长链、短链正构烃和异构烃均有很好的降解效果；r1降解效果次之，对长链烃有明显的降解优势。根据优势组合的原理MBS和r1是未来混合菌研究的理想选择；LH1和98-25为相对较好的烃降解菌，LH1对C14～C28烃有较好的降解优势，98-25对C29～C31烷烃有较好的降解优势。

3)在微生物对原油的降解过程中，优先利用正构烷烃，并且短链烃较长链烃易降解，而异构烷烃特别是类异戊二烯烃较难降解，具有保守性，但在生物降解中也会不同程度的遭受降解。

4)98-25和r1降解后异构烃含量增加的机理有待研究，可用碳同位素标记法进行深入研究。

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[编辑] 洪云飞