微生物降解含蠟原油機理研究進展

馮憲明，鄭皓銘，杜勝男，王衛(wèi)強

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001）

蠟在含蠟原油的生產(chǎn)與運輸過程中隨著溫度的降低而析出，降低原油的流動性，導致管輸能力下降，嚴重影響原油的生產(chǎn)工藝和開采量[1-2]。改善原油流動性，提高原油產(chǎn)量是上游油氣行業(yè)關注的主要問題[3]。傳統(tǒng)清防蠟技術，如清管、注入化學清防蠟劑等，成本高且風險較大[4]。利用微生物或代謝產(chǎn)物可抑制或消除石蠟對原油流動性的影響[5]。微生物處理具有許多突出的優(yōu)點，如施工簡單、操作成本低、作用周期長、不影響油層質(zhì)量且對地層無任何損傷等[6-7]。因此，微生物降解技術已成為該領域的研究熱點。

1926 年，美國學者Beckmann 首次提出了利用微生物進行驅(qū)油的設想[8]，發(fā)展至今已進行了較為深入的研究。作用機理可歸結為：①微生物降解酶機理，以原油為唯一碳源的微生物在生長過程中利用生物降解酶，使長鏈烴碳鍵斷裂，降解為短鏈烴[9]；②有機溶劑機理，微生物代謝產(chǎn)生醇類、醛類、胺類等有機溶劑，在儲層高溫高壓的環(huán)境中溶入原油，提升含蠟原油中蠟組分的溶解能力[10-11]；③表面活性劑機理，微生物產(chǎn)生的表面活性劑提高微生物對烴類底物的利用率，進而改善原油性質(zhì)，乳化原油形成乳狀液，減少蠟質(zhì)的析出[12]。與其他傳統(tǒng)技術相比，微生物法為提高原油采收率和預防蠟沉積提供了一種安全、經(jīng)濟可行的方法[13]。本文對微生物降解含蠟原油降解機理從微生物降解酶機理、有機溶劑機理以及生物表面活性劑機理三方面進行闡述。

1 微生物降解酶機理

微生物分泌的胞外酶作為降解原油中蠟的催化劑，對微生物所處有限營養(yǎng)環(huán)境具有很大影響[14]。微生物固有的基因表達產(chǎn)生降解含蠟原油的酶，使其具有降解含蠟原油的能力。降解酶通過產(chǎn)生活性氧來克服含蠟原油的低化學反應活性，并開始生物降解[15]。目前，對微生物降解酶的研究集中在微生物降解酶的作用分析、降解酶的降解途徑以及環(huán)境因素對生物酶活性的影響等方面。加強對微生物降解酶產(chǎn)生機理的研究，有利于推廣微生物降解酶在石油工業(yè)中的應用。

1.1 微生物降解酶的作用

微生物中存在各種氧化酶，其中，al-kane 單氧合酶、醇脫氫酶、醛脫氫酶等酶是降解長鏈烴類的主要酶[16]。酶在有氧環(huán)境中有效參與石蠟的降解。微生物分泌的生物酶（如單氧合酶）將一個氧原子引入原油中，使原油的酶解過程加快。當有足夠的磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)時，微生物快速地降解碳氫化合物[15]。微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)和碳氫化合物，通過生物酶的反應產(chǎn)生氧氣[17]。引入氧氣后，碳氫化合物會更親水，從而提高其對生物體的可用性。例如，挪威國家石油公司在Norne 油田通過向水中注入氧氣的方法進行采油[18]。

好氧降解是通過烴類末端甲基的氧化來形成初級醇，提高烴類在水中的溶解度，并為進一步的反應提供反應場所。反應能量是由還原的生物中間體NADH（Nicotinamide adenine dinucleotide）被電子受體再氧化而產(chǎn)生的。醇脫氫酶使原始醇進一步氧化生成相應的醛，最終醛脫氫酶將產(chǎn)生的醛轉化為脂肪酸[16]，使原油中的重組分烴類減少，輕組分增加。微生物降解酶的降解途徑如圖1 所示。

圖1 微生物降解酶的降解途徑

微生物降解酶制劑對含蠟原油具有降解作用。J.H.Zhang 等[19]通過生物酶降解石蠟，顯著改變了石蠟在正己烷中的溶解度，正己烷中溶解的石蠟質(zhì)量分數(shù)明顯增加，而在正己烷中析出的石蠟顆粒數(shù)量相應減少。正己烷中石蠟經(jīng)酶處理后，78.60%～86.15%（質(zhì)量分數(shù)）的石蠟被溶解，比對照組提高了31.88%～44.55%。在酶解樣品中析出的石蠟顆粒與總石蠟顆粒的質(zhì)量比為17.35%～24.60%，較對照組下降48.48%～63.66%。

1.2 微生物降解酶影響因素

溫度對生物酶的活性有一定影響。 N.Sakthipriya 等[16]比較不同溫度的酶所需要的激活能量發(fā)現(xiàn)，50 ℃的酶活性最高，所需激活能量最小，且代謝速率最快。在50 ℃時，單氧合酶、乙醇脫氫酶和醛脫氫酶活性達到峰值，以原油為底物時其峰值分別為0.88、0.78 U/mg 和0.89 U/mg，以模擬油為底物時其峰值分別為0.80、0.76 U/mg 和0.82 U/mg。

代謝底物的碳鏈長度對生物酶的活性有一定影響。A.Ratajczak 等[20]分離得到的菌株A.baylyi ADP1 中烷烴羥基化酶alkM 基因的表達是由該菌株未利用的C7—C11誘導的，C12—C18的長鏈正構烷烴被代謝。微生物的生長情況直接導致輔助性碳氫化合物生物酶的產(chǎn)生[21]。N.Sakthipriya 等[16]經(jīng)過10 d 培養(yǎng)Bacillus subtilis YB7，由于微生物已經(jīng)進入衰亡階段，生物酶數(shù)量減少，因此Bacillus subtilis YB7的酶活性在10 d 后降低。N.Sakthipriya 等[22]發(fā)現(xiàn)，Pseudomonas fluorescens 產(chǎn)生的烷烴單加氧酶和醛脫氫酶活性在第10 d 達到最大，第10 d 后微生物進入衰亡階段，其酶活性隨之降低。

以上研究表明，微生物降解酶能有效降解石蠟，改善含蠟原油的結構組成，提高其流動性。但是，生物酶受多種因素的影響，限制原油降解效果。今后應進一步研究生物酶的產(chǎn)生機理，以提高微生物降解酶對含蠟原油的降解效率，推廣微生物技術在含蠟原油降解方面的應用。

2 有機溶劑機理

在利用微生物技術降解含蠟原油的過程中，微生物產(chǎn)生醇類、酚類、胺類等有機物，使含蠟原油中蠟的溶解度增加，減少蠟晶的析出，提高原油流動性。目前，對此項機理的研究集中在有機溶劑的檢測和鑒定層面[8]，對微生物代謝過程中有機溶劑的產(chǎn)生機理進行的研究相對較少。

微生物代謝產(chǎn)生醇類、醛類、胺類等有機物，提升了含蠟原油中蠟組分的溶解能力。近年來，對此項機理的研究取得了一定進展。王衛(wèi)強等[23]利用一株Bacillus subtilis 對遼河原油進行了降解，降解后油品中產(chǎn)生了醇酚和胺類有機物，降低了蠟的析出，原油中蠟質(zhì)量分數(shù)降低近20%，黏度的降低幅度最高達11.1%，這一結果從側面印證了微生物及其中間產(chǎn)物對含蠟原油的降解作用。與短鏈正構烷烴相比，長鏈正構烷烴和支鏈烴類較難降解，且支鏈越多降解越難[24]。J.H.Zhang 等[19]從安塞油田磕頭機附近土壤中分離得到6 株Aspergillus spp，在產(chǎn)酶培養(yǎng)基上生長時，6 株菌均在40 ℃有氧條件下產(chǎn)生具有高活性的脫氫酶。在實驗室條件下，酶處理顯著提高了石蠟在正己烷中的溶解度，改變了石蠟晶體的形態(tài)和結構，產(chǎn)生了動態(tài)的氣體（體積分數(shù)為75%的CO2和25%的H2）和有機酸（草酸、丙酸），具有較強的正構烷烴降解能力，這說明真菌同樣適用于含蠟原油的降解，增加含蠟原油中蠟的溶解度，同時說明真菌酶制劑在蠟質(zhì)降解方面具有很好的應用潛力和可行性。

D.D.Patel 等[25]從古吉拉特邦油井原油中分離得到一株Nocardia farcinica。在實驗室條件下，不同長鏈烷烴在微生物降解前后的氣相色譜圖顯示，正二十一烷降解率高達100%，降解了約66.0%的正二十二烷，50.6%的正二十三烷，在10 d 內(nèi)降解了約50.0%的含蠟原油，證實了Nocardia farcinica 對石蠟中不同碳鏈長度烴類的優(yōu)異降解能力。N.Sakthipriya 等[16]利 用J.Arutchelvi 等[26]從印度金奈聚合物垃圾場分離得到的一株Bacillus subtilis YB7，在實驗室條件下將其分別作用于原油和模擬油，觀測處理前后的原油和模擬油傅里葉紅外光譜圖。結果發(fā)現(xiàn)，兩種油品經(jīng)處理后成分中都出現(xiàn)了羧酸和醇類等有機物質(zhì)，利用GC-MS 分析兩種原油在處理前后的成分組成，長鏈烴減少短鏈烴增加，與傅里葉紅外分析所得結果一致。在50 ℃的溫度下，模擬油和原油的黏度分別降低了82.0%和70.0%，說明微生物及其產(chǎn)物對由正構烷烴配制的模擬油和原油都具有良好的降解效果。N.Sakthipriya 等[27]將一株Bacillus subtilis YB7 分別作用于C16H34、C20H42、C24H50、C28H58、C32H66和C36H74，結果發(fā)現(xiàn)在其作用后都檢測到羧酸和醇類等有機物，烴類底物的黏度分別降低了81.0%、57.0%、79.0%、78.0%、78.0%和76.0%。

以上研究表明，不同微生物產(chǎn)生的有機物產(chǎn)物存在差異，目前對有機溶劑的研究集中在發(fā)現(xiàn)、檢測和鑒定的層面，其產(chǎn)生機理尚不明確。今后應加強對微生物產(chǎn)生有機溶劑的機理研究，提高蠟質(zhì)在原油中的溶解度，減少蠟質(zhì)的析出，以便更加高效地利用微生物技術。

3 生物表面活性劑機理

目前，國內(nèi)外對生物表面活性劑的研究主要集中在表面活性劑的性能測定、種類鑒定以及環(huán)境因素對生物表面活性劑活性影響等方面，對其產(chǎn)生機理的研究僅停留在初級階段。加強其產(chǎn)生機理研究，有利于生物表面活性劑產(chǎn)量的提高，進而推廣微生物技術。

3.1 生物表面活性劑的作用

生物表面活性劑包含磷脂、脂肽、肽、抗生素、脂肪酸（其分子結構如圖2 所示）、糖脂（鼠李糖脂和纖維二糖脂質(zhì)等，其分子結構如圖3 所示）等多種化學類型[28]。生物表面活性劑是一種能改善表面結構的兩親性分子，降低表面張力，對原油進行乳化，能提高疏水底物的表面積，從而使微生物和碳氫化合物能充分接觸[29]。

圖2 微生物產(chǎn)生的某種脂肪酸分子結構

圖3 鼠李糖脂和纖維二糖脂質(zhì)分子結構

生物表面活性劑的活性間接地影響表面張力，使表面張力降低，因此可通過表面張力的降低幅度來比較生物表面活性劑活性。其中，Bacillus subtilis產(chǎn)生的表面活性劑被認為是最高效的，能將水的表面張力降至27.00 mN/m[30]。目前，對生物表面活性劑的研究取得了一定的成果。N.Sakthipriya 等[13]利用一株Bacillus subtilis YB7，對其產(chǎn)生的表面活性劑進行分析。在以C16H34、C20H42、C24H50、C28H58、C32H66和C36H74作為底物的情況下，表面張力分別降低到14.20、15.40、17.90、20.30、21.10 mN/m 和20.40 mN/m，降低幅度分別為81%、79%、74%、72%、71% 和72%。C16H34、C36H74、原油和模擬油在50 ℃的條件下乳化系數(shù)分別為87.8%、73.4%、85.6% 和71.4%。H.S.El-Sheshtawy 等[31]分離純化得到一株 Pseudomonas putida B1 和一株Halomonas xianhensis B2，產(chǎn)生的生物表面活性劑能將水的表面張力由72.00 mN/m 分別降低至39.00 mN/m 和36.00 mN/m，對煤油的乳化系數(shù)分別可達93.0%和85.0%。

M.Xiao 等[32]分離純化得到一株Pseudomonas aeruginosa，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的表面活性劑能將水的表面張力降低到36.00 mN/m，對煤油的乳化系數(shù)在24 h內(nèi)迅速達到98.2%。J.H.Liu 等[33]從大慶油田污水中分離得到一株產(chǎn)生表面活性劑的菌株S2，其產(chǎn)生的表面活性劑能將培養(yǎng)基的表面張力從49.00 mN/m 降低至25.70 mN/m，對煤油的乳化系數(shù)達到 80.0%。 C.Luo 等[34]分離純化得到一株Pseudomonas sp.DG2，產(chǎn)生的脂肽類表面活性劑將培養(yǎng)基的表面張力由78.26 mN/m 降低到約37.45 mN/m，對煤油的乳化系數(shù)達到約70.3%。J.H.Zhang 等[35]發(fā)現(xiàn)，Bacillus amyloliquefaciens 6-2c 產(chǎn)生的表面活性劑可將培養(yǎng)基的表面張力由60.41 mN/m 降低到25.51 mN/m，對汽油的乳化活性達到約59.9%。上述數(shù)據(jù)說明，生物表面活性劑能夠顯著降低表面張力，對烴類底物進行乳化，使微生物和碳氫化合物充分接觸，提高其對微生物的利用率，達到降解的目的[36]。

與強化采油中使用的其他表面活性劑相比，原位微生物產(chǎn)生的表面活性劑毒性低、生物相容性好、對原位原油降解性強[37-38]。無論微生物在儲層條件下的存活率如何，原位生產(chǎn)的生物表面活性劑都能承受提高采收率的極端條件。文獻[39-40]的結果表明，向油層注入原位微生物生產(chǎn)的表面活性劑，油層的采收率有顯著提高。生物表面活性劑有助于降低原油黏度，驅(qū)替儲層巖石孔隙中的滯留油，提高采收率[41]。文獻[42-43]的結果表明，在反硝化條件下對柴油污染含水層進行原位生物修復中，當所添加的鼠李糖脂的濃度高于CMC（臨界膠束濃度）時，會延遲烴類降解，其原因是添加的表面活性劑被原位細菌用作碳源，使烴類降解延遲。因此，在實際應用表面活性劑時應注意對原位微生物的影響。

3.2 生物表面活性劑環(huán)境影響因素

pH 對表面活性劑的穩(wěn)定性有很大影響。H.S.El-Sheshtawy 等[31]利用一株Pseudomonas putida B1和一株Halomonas xianhensis B2，分別培養(yǎng)了表面活性劑B1 和B2，并利用B1 和B2 研究了pH 對表面活性劑的影響。結果表明，生物表面活性劑B1 溶液在pH 為3 和5 時活性較低，在pH 為7 時活性最高，此時其表面張力為37.00 mN/m。由此可推斷，生物表面活性劑B1 在pH 約為7 時活性高，強酸性會降低其活性；生物表面活性劑B2 的表面活性基本不受pH 的影響，該表面活性劑在pH 為3～12 時的表面張力為40.00 mN/m，說明其具有在極端環(huán)境中應用的潛力。W.J.Xia 等[44]發(fā)現(xiàn)，Bacillus subtilis 產(chǎn)生的表面活性劑的活性隨著pH 的降低而降低。在pH 為1～5 的條件下形成沉淀，從而失去活性。N.Sakthipriya 等[45]發(fā)現(xiàn)，Bacillus subtilis YB7 產(chǎn)生的生物表面活性劑在酸性條件下是不溶的，因此形成沉淀，失去降低表面張力的能力，說明該表面活性劑能夠在堿性油藏中得到應用。

礦化度對表面活性劑的穩(wěn)定性有一定影響。H.S.El-Sheshtawy 等[31]發(fā)現(xiàn)，一株Pseudomonas putida B1 和一株Halomonas xianhensis B2 產(chǎn)生的兩種不同的表面活性劑，對質(zhì)量分數(shù)高達20%的NaCl 具有較好的耐受性，實驗過程中表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。P.Bharali 等[46]發(fā)現(xiàn)，Alcaligenes faecalis 產(chǎn)生的表面活性劑的活性隨著礦化度的上升而減弱，但在質(zhì)量分數(shù)為6%的NaCl 溶液中依然能夠保持活性，其在鹽堿生態(tài)系統(tǒng)、地下油井等環(huán)境中仍能保持培養(yǎng)基的有效性。N.Sakthipriya 等[47]發(fā)現(xiàn)，Pseudomonas aeruginosa 產(chǎn)生的鼠李糖脂在NaCl 質(zhì)量分數(shù)為20%時，表面張力穩(wěn)定，即使在最高的礦化度（30%）下生物表面活性劑仍保留近50%的表面活性。因此，該表面活性劑可用于礦化度較高的油藏。

上述研究表明，生物表面活性劑能夠提高微生物對含蠟原油的降解率，在微生物驅(qū)油領域扮演著重要角色。環(huán)境因素影響生物表面活性劑的活性，極端的環(huán)境可能會導致生物表面活性劑失去活性，不能提高烴類底物利用率。優(yōu)化環(huán)境可提高生物表面活性劑的表面活性，但是目前對此進行的研究內(nèi)容相對較少，而且現(xiàn)場環(huán)境復雜多樣，因此應加強對環(huán)境因素與生物表面活性劑活性的關系和生物表面活性劑產(chǎn)生機理的研究，以取得最佳效果。

4 建 議

微生物對含蠟原油降解技術具有環(huán)保清潔、經(jīng)濟高效等諸多優(yōu)點，今后應加強以下幾方面的研究：

（1）加強對微生物降解酶產(chǎn)生機理的研究。微生物降解酶能降解烴類，使含蠟原油中長鏈烴類減少，短鏈烴類增加，降低原油黏度，提高原油流動性。但是，其產(chǎn)生機理尚不明確，深入研究生物酶的產(chǎn)生機理，有利于提高微生物技術的高效性。

（2）加強研究微生物代謝有機溶劑的機理。微生物的代謝產(chǎn)物能被用作有機溶劑，提高石蠟在原油中的溶解度。

（3）加強研究生物表面活性劑的產(chǎn)生機理。表面活性劑能夠使微生物和原油充分接觸，提高微生物對含蠟原油的降解率，改善含蠟原油的流動性。深入研究微生物代謝產(chǎn)物的代謝途徑，有利于推廣微生物技術。