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)教育部重點實驗室(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)教育部重點實驗室(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行了分析，用內(nèi)標法分析了正構(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一步的氧化分解成為小分子而達到降解的目的[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氫化合物的性能來提高原油采收率[4,5]。我國中東部主要油田已進入高含水期，目前普遍面臨開采難度大，成本高和采收率低等難題[6]，同時微生物采油對邊際生產(chǎn)油田也具有較高的經(jīng)濟吸引力。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)性強等特點倍受關(guān)注。

由于單一菌種在功能、適應(yīng)性等方面存在諸多不足，因此在試驗中往往將具有不同功能的細菌混合，一起注入地下來提高采收率或運用到環(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大的優(yōu)勢。因此，筆者利用不同菌種對原油進行生物降解，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，同時做一個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)。分別在每個油樣個加入C20D42標樣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，靜止時油-水界面犬牙交錯，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)烴的強降解效果。某些微生物會對特定的石油成分有強的降解能力，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)烴進行了不同程度的降解。特別是MBS對異構(gòu)烴有強降解效果，同時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)烴含量增加的機理有待研究，可用碳同位素標記法進行深入研究。

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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。