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黄原胶和瓜尔胶降解菌的筛选

发布日期:2015-06-06 11:01:58
黄原胶和瓜尔胶是在石油开采过程中重要的工作液增稠剂,对其有效的降解 或降粘即破胶是石油开采过程的关键工序。高温油田一般采用化学氧化剂破胶, 对于低温油田,采用化学方法破胶效率较低,而且带来严重的环境和地质破坏。 生物酶法则提供了一条安全、有效的破胶途径。筛选能够有效降解黄原胶和瓜尔 胶的微生物和获得高效、稳定的具有破胶能力的酶是开发酶破胶剂的前提。
另外,由于低聚糖和寡糖具有抑菌、抗肿瘤、改善微生态等多种生理活性, 黄原胶和瓜尔胶降解菌的筛选,能够为黄原胶寡糖和瓜尔胶寡糖的生产和活性研 究提供有效的酶的来源。
为了解决低温油田的破胶难题,开发针对低温油田有效的酶破胶剂,分离到 能够降解黄原胶和瓜尔胶形成寡糖的酶,本课题通过大量的筛选工作,从土壤中 筛选出XI, X2, X4, XII四株具有一定黄原胶降解利用能力的微生物和两株能 够高效降解瓜尔胶的菌G3和G5。初步鉴定XI,X2, X4, XU和GS为霉菌, 而G3为革兰氏阴性细菌。
XI, X2, X4, XII四株畲在黄原胶培养基中发酵时,培养基的黏度下降较 慢,降粘作用并不高效。通过对一株降粘效果相对优良并能够耐高温(45°C)的 X4的培养条件进行优化,发现培养基使用有机氮源,初始pH值为6.0,培养温 度在3(TC时降粘作用都有较大提高,发酵60h的培养基相对黏度降为原有的 20%。X4经过紫外诱变后,从中筛选得到黄原胶降解能力更强的两个突变菌株 X4.14和X4.15,发酵60h后培养基相对黏度降到了原来的13.4%和13.1%,降粘 能力有了进一步的提高。
对X4的初步的降解机理研究发现,X4发酵液能够改变黄原胶底物粘性和 透明度。质谱和层析实验表明,发酵过程生成透明的多糖液可能是由于黄原胶侧 链末端的丙酮酸化甘露糖基被降解所致。而且由于在发酵过程中没有检测到还原 糖,黏度缓慢下降,推测该菌可能还产生—种降解主链的酶,可能为纤维素酶, 但酶活较低。由此推测,X4先通过某种酶将黄原胶侧链末端甘露糖基消去,使 得黄原胶稳定的侧链缠绕主链的双螺旋构象破坏,再由纤维素酶将主链缓慢水 解。
筛选得到的能降解瓜尔胶的两株菌G3和G5都表现了很好的降粘效果。G3 和G5分别在36h和24h内将相对粘度约为6.5瓜儿胶培养基的黏度都降到1左 右。实验表明,这两种菌都可能大量分泌能够高效降解瓜尔胶的内切酶,能够在 较短的时间内将瓜尔胶水解。
氮源利用实验表明,G3能够很好的利用蛋白胨,菌体生长较快,发酵液的
还原糖生成的效率和含量上都优于其他试验氮源,而对于G5,生理酸性盐NH4CI 使得发酵液pH值在36h迅速下降到3.0以下,发酵液中的还原糖量也被耗尽。进 一步实验表明,G5能够耐受pH值为3.0的酸性环境。因此可以说明,NH4CI为 G5的最佳氮源,以NH4C〗为氮源时,还原糖量被耗尽是由于菌体大量生长的缘 故。
在研究pH值对G3和G5的影响时发现,G3适宜生长培养基为中偏碱性, 发酵的最佳初始pH值为8.0; G5适宜生长培养基为中偏酸性,发酵的最佳初始 pH值为6.0。G3和G5分别具有的耐碱和耐酸的性质,而且都能耐受45°C的高温,其酶具有开发为不同油田环境下的酶破胶剂的可能。
石油是当代世界最重要的能源和化工原料之一,随社会经济的高速发展,人 们对石油的需求量不断增加,据初步统计2002年我国消耗石油量约2亿吨。而 其储量不断减少,石油作为不可再生的资源越来越宝贵。近10年来,中国石油 产量的增长(1.7%)己远远不能满足经济快速増长对石油的需求(消费量增长 4.9%),对进口的依赖日益严重。从油气资源分布来看,品味高、易开采的油气 资源占很小的比例,高品位常规油田资源的日趋紧张[1]〇
在石油开采过程中,石油生产过程有钻井、完井、压裂等程序。在这些程 序中,要使用钻井液、完井液、压裂液等工作液。在这些工作液中,常常要加入 聚合物来增加黏度,以保证石油开采工作的正常进行。由于良好的增稠性、稳定 性,黄原胶和瓜尔胶都经常作为石油工作液的稠化剂。为了保护油层和提高采油 效率,在这些工作结束后,又要将这些黏性极大的工作液返排地面,这时聚合物 粘性阻碍着工作液的返排,因此需要降低工作液黏度,需要对黄原胶和瓜尔胶的 解聚,即破胶12]。
对于高温油田通常使用化学氧化剤破胶,即通过氧化剂破坏胶的长链,使之 解聚。但是我国有很多的低温油田,油田温度达不到氧化剂发挥破胶活性所需要 的较高温度,化学破胶效果并不理想。而且采用化学破胶带来对油层、环境和地 质的破坏。因此开发针对低温油田高效、_定、安全的破胶剂成为研究的热点f3]。
酶类是一种生物催化剂,在反应过程中本身不会损耗,而且反应条件相对温 和、选择性强,有很好的应用前景。因此开发具有破胶能力的酶,特别是能应用 于低温油田破胶的酶,具有很大的现实意义和经济价值。油田上常用的酶破胶剂 是未经提纯的含有半纤维素酶、果胶酶和淀粉酶等的混合物。近几年,已经分离 出了能够特效降解瓜尔胶的特效酶,实验表明其破胶效果要优于过硫酸盐。上世 纪90年代,美国科学家利用生物技术解决了低温状况下黄原胶的破胶技术,其 产品已进入市场,但由于垄断生产,价格十分昂贵,同时由于受进口限制,国内 仅有一两家油田少量使用。因此,开发低温油田的黄原胶酶破胶剂,对于我国的 石油生产具有重大的战略意义。
另外,由于低聚糖和寡糖具有抑菌、抗肿瘤、改善微生态等多种生理活性, 黄原胶和瓜尔胶降解菌的筛选,能够为黄原胶低聚糖和瓜尔胶低聚糖的生产和活 性研究提供有效的酶的来源。
 
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