压裂返排液中多糖凝胶的暗发酵生物降解：一种绿色制氢新策略

针对水力压裂技术产生的含多糖凝胶返排液污染难题，研究人员系统探讨了暗发酵(DF)技术降解黄原胶(XG)、瓜尔胶(GG)等聚合物并产氢的机制，揭示了预处理技术对提升生物可利用性的关键作用，为油气行业废弃物资源化提供了低碳解决方案。

　　

水力压裂技术（Hydraulic Fracturing, HF）作为页岩油气开采的核心手段，每年产生数百万吨含复杂有机物的返排液。这些液体中富含瓜尔胶（Guar Gum, GG）、黄原胶（Xanthan Gum, XG）等增稠多糖，以及重金属和杀菌剂等有毒成分。传统处理方式如深井灌注存在污染地下水风险，而热蒸馏等物理方法能耗极高。如何实现这类废弃物的绿色转化，成为能源与环境交叉领域的重大挑战。

发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究创新性地提出将暗发酵（Dark Fermentation, DF）技术应用于返排液处理。该技术通过厌氧微生物将多糖分解为短链脂肪酸（VFAs）并伴随生物氢（H₂
）生成，兼具污染物降解与清洁能源生产的双重优势。研究人员系统解析了GG、XG等关键聚合物的分子结构特性，发现其β-1,4糖苷键和支链结构是微生物降解的主要障碍。通过筛选耐高温酶（如80-100°C稳定的半乳糖苷酶）和开发高压均质（HPH）等物理预处理工艺，成功将XG的降解效率提升2.7倍。

氢气的暗发酵生产
研究证实DF过程包含水解和酸生成两阶段。水解酶将多糖解聚为寡糖，随后由产氢菌（如梭菌属Clostridium）通过丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原途径生成H₂
。实验显示淀粉基流体因直链淀粉含量低（16-30%）更易被降解，而GG的甘露糖-半乳糖骨架（比例1.8:1）需特异性甘露聚糖酶破解。

瓜尔胶的特性与处理
GG的三维网状结构使其粘度达3800 mPa·s，但经酶法预处理后分子量可从2×10⁶
Da降至5×10⁴
Da。研究特别指出，来自Cyamopsis tetragonoloba的天然GG含38%半乳糖侧链，其去除可显著提升H₂
产率154%。

黄原胶的降解策略
XG的葡萄糖-甘露糖-葡萄糖醛酸五糖单元（2:2:1）需组合处理。高压均质（HPH）使溶液粘度从1200 mPa·s骤降至200 mPa·s，配合来自Xanthomonas campestris的内切葡聚糖酶可使H₂
产量提升2.1倍。

结论与展望
该研究首次建立HF返排液多糖的DF降解技术路线图，证实预处理可突破生物利用瓶颈。尽管CMC和淀粉的降解已有较成熟方案，针对GG/XG的复合菌群构建仍是未来重点。成果为油气行业提供"以废产氢"的新思路，但杀菌剂耐受菌株选育和连续发酵工艺优化仍需突破。值得注意的是，将超声-酶法联用等技术整合到现有压裂液回收系统，有望实现每吨废弃物产H₂
8-12 m³
的工业转化效率。