生物技术进展 ›› 2025, Vol. 15 ›› Issue (2): 305-313.DOI: 10.19586/j.2095-2341.2024.0143
• 研究论文 • 上一篇
邱思元(), 徐晶雪(
), 张奕婷, 孙盛阳, 盛冬雪, 高佳欣, 曲丽娜
收稿日期:
2024-09-02
接受日期:
2024-12-13
出版日期:
2025-03-25
发布日期:
2025-04-29
通讯作者:
徐晶雪
作者简介:
邱思元 E-mail: 1178735617@qq.com;
基金资助:
Siyuan QIU(), Jingxue XU(
), Yiting ZHANG, Shengyang SUN, Dongxue SHENG, Jiaxin GAO, Lina QU
Received:
2024-09-02
Accepted:
2024-12-13
Online:
2025-03-25
Published:
2025-04-29
Contact:
Jingxue XU
摘要:
水力压裂技术在高效开采页岩油中具有独特优势,但其中所含的化学物质对地下水有较高的污染风险。利用页岩油内源功能菌系所产发酵液作为生物压裂液,参与页岩油的绿色开采,能够显著提高页岩油采收效率并减少对环境的负面影响。利用血平板初筛功能菌株,再以表面活性剂产量等作为评判标准,确定3株功能菌株并进行16S rDNA测序鉴定种属信息。按1、2、3 μL的不同接种量比例,对3株菌株复配成等体积的不同菌系,获得最优菌系配比。通过单因素实验筛选出最适因素,再采用正交法及响应面法进一步优化,获得高产培养条件。结果发现,3株高效功能菌株分别为假单胞菌属、芽孢杆菌属和陶厄氏菌属,复配比例为2∶2∶1。最适培养配方为乳糖浓度13.87 g·L-1、过硫酸铵2.13 g·L-1、亚硫酸铁1.75 g·L-1、pH 6,该条件下菌系的表面活性剂产量为315.51 mg·L-1,相比初始产量(187.30 mg·L-1),增长了59.37%。研究结果为页岩油生物压裂液的开发提供了参考。
中图分类号:
邱思元, 徐晶雪, 张奕婷, 孙盛阳, 盛冬雪, 高佳欣, 曲丽娜. 生物压裂液驱提页岩油内源复合菌群的筛选与条件优化[J]. 生物技术进展, 2025, 15(2): 305-313.
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图2 菌株Q4、Q5、Q7系统发育树注:Stutzerimonas stutzeri—施氏假单胞菌;Pseudomonas otitidis—耳炎假单胞菌;Pseudomonas guezennei—古泽内氏假单胞菌;Pseudomonas resinovorans—树脂假单胞菌;Pseudomonas alcaligenes—产碱假单胞菌;Pseudomonas indoloxydans—氧化吲哚假单胞菌;Pseudomonas oleovorans—食油假单胞菌;Pseudomonas citronellolis—香茅醇假单胞菌;Pseudomonas aeruginosa—铜绿假单胞菌;Bacillus australimaris—中国南海芽胞杆菌;Bacillus zhangzhouensis—漳州芽孢杆菌;Bacillus safensis—沙福芽孢杆菌;Bacillus pumilus—短小芽孢杆菌;Bacillus aerophilus—嗜气芽孢杆菌;Bacillus stratosphericus—平流层芽孢杆菌;Bacillus xiamenensis—厦门芽孢杆菌;Bacillus altitudinis—高地芽孢杆菌; Bacillus aerius—气芽孢杆菌;Bacillus atrophaeus—萎缩芽孢杆菌;Bacillus velezensis—贝莱斯芽孢杆菌;Bacillus vallismortis—死亡谷芽孢杆菌;Bacillus halotolerans—耐盐芽孢杆菌;Bacillus mojavensis—摩加夫芽胞杆菌;Bacillus subtilis—枯草芽孢杆菌;Bacillus inaquosorum—栖旱芽孢杆菌;Thauera propionica—丙酸陶厄氏菌;Thauera terpenica—萜烯陶厄氏菌;Thauera humireducens—腐殖质还原陶厄氏菌;Thauera phenylacetica—苯乙酸盐陶厄氏菌;Thauera selenatis—硒酸盐陶厄氏菌;Thauera aminoaromatica—湖泊陶厄氏菌;Thauera mechernichensis—梅谢尼希陶厄氏菌;Thauera chlorobenzoica—氯苯甲酸陶厄氏菌;Thauera sinica—中国陶厄氏菌;Thauera butanivorans—食丁烷陶厄氏菌;Thauera linaloolentis—芳樟醇陶厄氏菌;Thauera aromatica—芳香陶厄氏菌;Aromatoleum evansii—埃文斯芳香降解菌;Aromatoleum petrolei—石油芳香降解菌;Aromatoleum toluclasticum—解甲苯芳香降解菌;Aromatoleum buckelii—巴克尔芳香降解菌;Aromatoleum anaerobium—厌氧芳香降解菌;Aromatoleum bremense—不来梅芳香降解菌;Aromatoleum aromaticum—芳香族降解菌。
Fig. 2 Phylogenetic tree of strains Q4、Q5 and Q7
Q4:Q5:Q7 | 乳化能力/% | 明胶液化能力 | 原油降粘能力/cP | 表面张力/(mN·m-1) |
---|---|---|---|---|
1:1:1 | 79±0.03 | + | 47.40±0.50 | 22.60±0.20 |
2:2:1 | 86±0.02 | + | 37.50±0.20 | 20.17±0.12 |
3:2:3 | 81±0.02 | + | 45.10±0.40 | 21.98±0.15 |
表1 菌系能力测定
Table 1 Determination of lineage ability
Q4:Q5:Q7 | 乳化能力/% | 明胶液化能力 | 原油降粘能力/cP | 表面张力/(mN·m-1) |
---|---|---|---|---|
1:1:1 | 79±0.03 | + | 47.40±0.50 | 22.60±0.20 |
2:2:1 | 86±0.02 | + | 37.50±0.20 | 20.17±0.12 |
3:2:3 | 81±0.02 | + | 45.10±0.40 | 21.98±0.15 |
水平 | A:pH | B:乳糖浓度/(g·L-1) | C:过硫酸铵浓度/(g·L-1) | D:硫酸亚铁浓度/(g·L-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 6 | 10.00 | 2.00 | 1.50 |
2 | 7 | 12.50 | 2.50 | 1.75 |
3 | 8 | 15.00 | 3.00 | 2.00 |
表2 菌系正交试验因素水平
Table 2 Factor levels of orthogonal test for bacterial lines
水平 | A:pH | B:乳糖浓度/(g·L-1) | C:过硫酸铵浓度/(g·L-1) | D:硫酸亚铁浓度/(g·L-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 6 | 10.00 | 2.00 | 1.50 |
2 | 7 | 12.50 | 2.50 | 1.75 |
3 | 8 | 15.00 | 3.00 | 2.00 |
试验 | 因素水平 | 表面活性剂产量/(mg·L-1) | |||
---|---|---|---|---|---|
A:pH | B:乳糖浓度/(g·L-1) | C:过硫酸铵浓度/(g·L-1) | D:硫酸亚铁浓度/(g·L-1) | ||
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 260.56 |
2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 284.46 |
3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 270.61 |
4 | 2 | 1 | 2 | 3 | 244.16 |
5 | 2 | 2 | 3 | 1 | 279.28 |
6 | 2 | 3 | 1 | 2 | 276.91 |
7 | 3 | 1 | 3 | 2 | 285.60 |
8 | 3 | 2 | 1 | 3 | 338.34 |
9 | 3 | 3 | 2 | 1 | 305.68 |
K1 | 271.877 | 263.440 | 291.937 | 281.840 | |
K2 | 266.783 | 300.693 | 278.100 | 282.323 | |
K3 | 309.873 | 284.400 | 278.497 | 284.370 | |
R | 43.090 | 37.253 | 13.837 | 2.530 |
表3 菌系正交试验结果直观分析
Table 3 Visual analysis of the results of bacterial lineage orthogonal tests
试验 | 因素水平 | 表面活性剂产量/(mg·L-1) | |||
---|---|---|---|---|---|
A:pH | B:乳糖浓度/(g·L-1) | C:过硫酸铵浓度/(g·L-1) | D:硫酸亚铁浓度/(g·L-1) | ||
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 260.56 |
2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 284.46 |
3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 270.61 |
4 | 2 | 1 | 2 | 3 | 244.16 |
5 | 2 | 2 | 3 | 1 | 279.28 |
6 | 2 | 3 | 1 | 2 | 276.91 |
7 | 3 | 1 | 3 | 2 | 285.60 |
8 | 3 | 2 | 1 | 3 | 338.34 |
9 | 3 | 3 | 2 | 1 | 305.68 |
K1 | 271.877 | 263.440 | 291.937 | 281.840 | |
K2 | 266.783 | 300.693 | 278.100 | 282.323 | |
K3 | 309.873 | 284.400 | 278.497 | 284.370 | |
R | 43.090 | 37.253 | 13.837 | 2.530 |
因素 | 偏差平方和 | 自由度 | F值 | F临界值 | 显著性 |
---|---|---|---|---|---|
A | 3 326.48 | 2 | 307.35 | 19.00 | 显著 |
B | 2 092.61 | 2 | 193.35 | 19.00 | 显著 |
C | 372.24 | 2 | 34.39 | 19.00 | 显著 |
D | 10.82 | 2 | 1.00 | 19.00 | |
误差 | 10.82 | 2 |
表4 菌系正交试验结果方差分析
Table 4 ANOVA with results of orthogonal tests
因素 | 偏差平方和 | 自由度 | F值 | F临界值 | 显著性 |
---|---|---|---|---|---|
A | 3 326.48 | 2 | 307.35 | 19.00 | 显著 |
B | 2 092.61 | 2 | 193.35 | 19.00 | 显著 |
C | 372.24 | 2 | 34.39 | 19.00 | 显著 |
D | 10.82 | 2 | 1.00 | 19.00 | |
误差 | 10.82 | 2 |
实验号 | X1 | X2 | X3 | Y/(g·L-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 6.00 | 15.00 | 3.00 | 323.81 |
2 | 7.00 | 16.70 | 2.50 | 321.62 |
3 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 322.51 |
4 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 326.81 |
5 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 324.61 |
6 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 327.52 |
7 | 8.00 | 10.50 | 3.00 | 317.23 |
8 | 7.00 | 12.50 | 3.34 | 321.11 |
9 | 6.00 | 10.00 | 2.00 | 320.63 |
10 | 8.00 | 15.00 | 2.00 | 320.32 |
11 | 6.00 | 15.00 | 2.00 | 326.61 |
12 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 323.81 |
13 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 325.12 |
14 | 7.00 | 8.30 | 2.50 | 318.53 |
15 | 6.00 | 10.00 | 3.00 | 318.80 |
16 | 5.32 | 12.50 | 2.50 | 324.24 |
17 | 8.00 | 10.00 | 2.00 | 321.62 |
18 | 8.00 | 15.00 | 3.00 | 319.21 |
19 | 8.68 | 12.50 | 2.50 | 325.01 |
20 | 7.00 | 12.50 | 1.66 | 326.59 |
表5 试验设计及结果
Table 5 Test design and results
实验号 | X1 | X2 | X3 | Y/(g·L-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 6.00 | 15.00 | 3.00 | 323.81 |
2 | 7.00 | 16.70 | 2.50 | 321.62 |
3 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 322.51 |
4 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 326.81 |
5 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 324.61 |
6 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 327.52 |
7 | 8.00 | 10.50 | 3.00 | 317.23 |
8 | 7.00 | 12.50 | 3.34 | 321.11 |
9 | 6.00 | 10.00 | 2.00 | 320.63 |
10 | 8.00 | 15.00 | 2.00 | 320.32 |
11 | 6.00 | 15.00 | 2.00 | 326.61 |
12 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 323.81 |
13 | 7.00 | 12.50 | 2.50 | 325.12 |
14 | 7.00 | 8.30 | 2.50 | 318.53 |
15 | 6.00 | 10.00 | 3.00 | 318.80 |
16 | 5.32 | 12.50 | 2.50 | 324.24 |
17 | 8.00 | 10.00 | 2.00 | 321.62 |
18 | 8.00 | 15.00 | 3.00 | 319.21 |
19 | 8.68 | 12.50 | 2.50 | 325.01 |
20 | 7.00 | 12.50 | 1.66 | 326.59 |
方差来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F值 | P值 | 显著性 |
---|---|---|---|---|---|---|
模型 | 140.33 | 9 | 15.59 | 3.97 | 0.021 3 | 显著 |
A | 7.58 | 1 | 7.58 | 1.93 | 0.195 0 | |
B | 20.83 | 1 | 20.83 | 5.30 | 0.044 1 | |
C | 27.41 | 1 | 27.41 | 6.97 | 0.024 7 | |
AB | 13.29 | 1 | 13.29 | 3.38 | 0.095 8 | |
AC | 0.095 | 1 | 0.095 | 0.024 | 0.879 8 | |
BC | 0.67 | 1 | 0.67 | 0.17 | 0.689 0 | |
A2 | 3.76 | 1 | 3.76 | 0.96 | 0.350 9 | |
B2 | 64.75 | 1 | 64.75 | 16.48 | 0.002 3 | |
C2 | 8.88 | 1 | 8.88 | 2.26 | 0.163 7 | |
残差 | 39.30 | 10 | 3.93 | |||
失拟项 | 21.91 | 5 | 4.38 | 1.26 | 0.402 9 | 不显著 |
纯误差 | 17.39 | 5 | 3.48 | |||
总离差 | 179.62 | 19 |
表6 响应面回归方程的显著性及方差分析
Table 6 Significance and variance analysis of the response surface regression equation
方差来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F值 | P值 | 显著性 |
---|---|---|---|---|---|---|
模型 | 140.33 | 9 | 15.59 | 3.97 | 0.021 3 | 显著 |
A | 7.58 | 1 | 7.58 | 1.93 | 0.195 0 | |
B | 20.83 | 1 | 20.83 | 5.30 | 0.044 1 | |
C | 27.41 | 1 | 27.41 | 6.97 | 0.024 7 | |
AB | 13.29 | 1 | 13.29 | 3.38 | 0.095 8 | |
AC | 0.095 | 1 | 0.095 | 0.024 | 0.879 8 | |
BC | 0.67 | 1 | 0.67 | 0.17 | 0.689 0 | |
A2 | 3.76 | 1 | 3.76 | 0.96 | 0.350 9 | |
B2 | 64.75 | 1 | 64.75 | 16.48 | 0.002 3 | |
C2 | 8.88 | 1 | 8.88 | 2.26 | 0.163 7 | |
残差 | 39.30 | 10 | 3.93 | |||
失拟项 | 21.91 | 5 | 4.38 | 1.26 | 0.402 9 | 不显著 |
纯误差 | 17.39 | 5 | 3.48 | |||
总离差 | 179.62 | 19 |
图7 过硫酸铵浓度和乳糖浓度对表面活性剂产量影响的响应曲面
Fig. 7 Response surfaces for the effect of ammonium persulfate concentration and lactose concentration on surfactant production
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