Оценка эффективности деструкции нефти углеводородокисляющими микроорганизмами методом газовой хроматографии

Из проб, отобранных из нефтезагрязненных болот и водоемов во время работ по рекультивации в г. Стрежевой (Томская область) летом 2012 года выделены 10 новых штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов.

Штаммы прошли процедуру секвенирования (расшифровки нуклеотидной последовательности ДНК и РНК для получения формального описания ее первичной структуры), что позволило определить их родово-видовую принадлежность.

Идентифицированные штаммы были посеяны на жидкую минеральную среду с добавлением нефти в качестве единственного источника углерода.

По данным анализа остаточных количеств нефти методом газовой хроматографии судили об эффективности деструкции определенных классов углеводородов новыми штаммами углеводородокисляющих микроорганизмов. Из штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов наиболее эффективных к деструкции нефти будет разработан новый биопрепарат, в связи с этим, для сохранения коммерческой тайны штаммам были присвоены следующие кодовые названия: 3а, 33, 42, 131, 21, 32, 3б, 312, 6а, 61.

В таблице 3.1 представлены результаты по деструкции нефти новыми штаммами углеводородокисляющих микроорганизмов. Показано содержание остаточных классов углеводородов, в скобках указан процент снижения концентрации по сравнению с первоначальным содержанием.

Из таблицы видно, что штаммы 3а, 3б и 33 проявляют наибольшую активность к деструкции изопарафинов, в процессе деструкции они снижают концентрацию изоалканов на 87, 4, 59, 8 и 52, 4%, соответственно. Штамм углеводородокисляющих микроорганизмов с кодовым названием 3б – единственный из всех штаммов способный к 100%-ной деструкции олефиновых углеводородов. Штамм 3б также способствует минимальному накоплению ароматических углеводородов в процессе биотрансформации, что немаловажно в связи с токсичностью аренов.

Все исследуемые штаммы микроорганизмов проявили активность к деструкции нафтенов, что связано с простым строением углеродного скелета данного класса углеводородов.

Штамм 42 показал наибольшую активность к деструкции всех классов углеводородов в целом. Также штамм 61 имеет эффективные показатели деструкции всех классов углеводородов, но процесс биотрансформации в его случае протекает медленнее, о чем свидетельствуют большой процент содержания аренов и индивидуальных компонентов в смеси. Скорость деструкции является не менее значимой характеристикой, чем эффективность.

Таким образом, можно сделать предположение о том, что штаммы углеводородокисляющих микроорганизмов с кодовыми названиями 3а, 33, 42 и 3б в комплексе будут способствовать наибольшей скорости и эффективности деструкции нефти.

Практическая помощь нефтяной микробиологии в решении проблемы деструкции нефти и нефтепродуктов заключается в выделении чистых культур углеводородокисляющих микроорганизмов, установлении их родовой принадлежности и степени активности в окислении нефтей и нефтепродуктов.

Наиболее активные штаммы углеводородокисляющих микроорганизмов, окисляющие в значительной степени устойчивые к биодеградации компоненты нефти, являются наиболее перспективными для создания на их основе биопрепаратов по очистке почв и водных акваторий от нефтяного загрязнителя.

Исследование способности микроорганизмов окислять конкретные классы углеводородов в составе нефтей, как было показано выше, позволяет в перспективе создавать биопрепараты целевого назначения.

3.3 Изучение деструкции нефти биопрепаратом «МД» (сухой) в пробах сапропели методом ИК-спектроскопии

Изучение деструкции нефти биопрепаратом «МД» (сухой) в пробах сапропелипроводили на модельных пробах.Были приготовлены серии проб с 5 и 8%-ным загрязнениями нефтью сапропели с добавлением биопрепарата и без добавления в аэробных и анаэробных условиях.

В данном исследовании необходимо было определить эффективность окисления нефти биопрепаратом «МД» сухой в пробах сапропели в аэробных и анаэробных условиях. Сапропель содержит множество различных органических соединений и как следствие, обладает богатой микрофлорой – 10⁷ КОЕ.

На рисунке 3.12 показана динамика деструкции нефти биопрепаратом «МД» в пробах сапропели с различной долей загрязнителя.

Рисунок 3.12 – Динамика деструкции нефти биопрепаратом «МД» в пробах сапропели с различной долей загрязнителя

Из рисунка 3.12 видно, что деструкция нефти в пробе с 8%-м загрязнением сапропели протекает быстрее и более глубоко, чем в пробе с 5%-м. Видно резкое снижение количества нефти в пробе с 8% загрязнением и добавлением биопрепарата в первые 2 недели деструкции. За этот период концентрация нефти снизилась в 2 раза. Через 6 недель концентрация нефти снижается на 70%.

Также стоит отметить, что деструкция нефти в пробе с 5% загрязнением без внесения биопрепарата протекает быстрее, чем в пробе с добавлением «МД» сухого. Это объясняется приспособлением микроорганизмов биопрепарата в течение времени при стимуляции естественной микрофлоры сапропели.

После того, как микроорганизмы биопрепарата вступают в стадию экспоненциального роста (по таблице 3.2 виден рост численности микроорганизмов в пробе с 5% загрязнением и добавлением биопрепарата в период 42-56 дней), начинается активная деструкция нефти и в итоге проходит в большей степени, чем деструкция аборигенной популяцией донных отложений. Концентрация нефти в пробе с 5% загрязнением и добавлением биопрепарата через 84 дня биодеструкции снизилась на 51%.

По результатам анализа остаточного содержания нефтепродуктов методом ИК-спектроскопии (таблица 3.2) судили об эффективности деструкции нефти в различных пробах в зависимости от условий и степени загрязненности.

Из таблицы 3.2 также видно, что в пробах с 5 и 8% загрязнениями и добавлением биопрепарата при анаэробных условиях деструкция нефти протекает в большей степени, чем при аэробных условиях, что объясняется возможным присутствием в аборигенной микрофлоре сапропели анаэробных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов. Так, в пробе с 8% загрязнением и добавлением биопрепарата в анаэробных условиях концентрация нефти спустя 108 дней биодеструкции снизилась на 77%.

Таким образом, исследуемый биопрепарат «МД» сухой является эффективным деструктором нефти в пробах сапропели, а также отличным биостимулятором аборигенной микрофлоры почв.

Выводы

1. Исследован процесс биодеструкции нефраса углеводородокисляющими микроорганизмами биопрепарата «МД» (ООО «Экойл», г. Томск) методом газовой хроматографии. Исследована скорость и степень деструкции всех классов углеводородов. Установлено, что наибольшей скоростью биодеструкции обладают парафины, нафтены и изопарафины. Через 24 часа биодеструкции концентрация парафинов снизилась на 49%, нафтенов – на 74%, изопарафинов – на 73%. Минимальное содержание парафинов в анализируемом нефтепродукте наблюдалось после 96 часов воздействия микроорганизмов, нафтенов – через 72 часа, изопарафинов – спустя 216 часов. Концентрация ароматических углеводородов также минимальна при 216 часах биодеструкции. Отображена динамика снижения количества индивидуальных углеводородных компонентов в анализируемой системе. Показано, что комплексный состав биопрепарата способствует полной деструкции всех классов углеводородов входящих в состав нефтепродукта. Доказано, что исследуемый биопрепарат «МД» является эффективным деструктором нефти и нефтепродуктов со схожими физико-химическими параметрами загрязнителя. С помощью метода хромато-масс-спектрометрии исследован состав метаболитов на содержание карбоновых кислот. В анализируемой смеси обнаружены фрагменты пентадекановой кислоты, что свидетельствует о полном протекании механизма биотрансформации углеводородов нефти и нефтепродуктов с образованием нетоксичных продуктов.

2. Методом газовой хроматографии исследована эффективность деструкции отдельных классов углеводородов штаммами углеводородокисляющих микроорганизмов выделенных из аборигенной микрофлоры нефтяных загрязнений. Выдвинуто предположение о том, что 4 штамма углеводородокисляющих микроорганизмов наиболее эффективных при деструкции различных классов углеводородов в комплексе будут способствовать наибольшей скорости и степени деструкции нефти и нефтепродуктов, штаммы будут использованы при разработке нового консорциума микроорганизмов биопрепарата «МД».

3. С помощью метода ИК-спектроскопии изучена эффективность биоокисления нефти биопрепаратом «МД» в пробах сапропели при различных долях загрязнения в аэробных и анаэробных условиях. Установлено, что деструкция нефти в пробе с 8%-м загрязнением сапропели протекает быстрее и более глубоко, чем в пробе с 5%-м. В связи с высоким содержанием аборигенных микроорганизмов, деструкция нефти в пробе с 5% загрязнением без внесения биопрепарата протекает быстрее, чем в пробе с добавлением «МД» сухого. В пробе с 5% загрязнением и добавлением биопрепарата деструкция нефти проходит в большей степени, чем деструкция аборигенной популяцией донных отложений. В пробах с 5 и 8% загрязнениями и добавлением биопрепарата при анаэробных условиях деструкция нефти протекает в большей степени, чем при аэробных условиях, что объясняется присутствием в аборигенной микрофлоре сапропели анаэробных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов.

Таким образом, данные полученные в результате исследования могут быть использованы при разработках новых биопрепаратов целевого назначения.

Список литературы

1 Плешакова Е.В. Автореферат Эколого-функциональные аспекты микробной ремедиации нефтезагрязненных почв, доктор биол. наук. – Саратов, 2010. – 47 с.

2 Советский энциклопедический словарь / Под ред. А.М. Прохоров. - М.: Советская Энциклопедия, 1981. - 1600 с.

3 Ахметов С.А., Ишмияров М.Х., Кауфман А.А. Технология переработки нефти, газа и твердых горючих ископаемых. – Санкт-Петербург: Недра, 2009. – 827 с.

4 Каминский Э.Ф., Хавкин В.А. Глубокая переработка нефти: технологический и экологический аспекты. – М.: Техника, 2001. – 383 с.

5 Глазковская М.А. Восстановление нефтезагрязнённых почвенных экосистем. – М: Наука, 1988. - 264 с.

6 Гриценко А.И. Экология. Нефть и газ. - М.: Наука, 1997. - 598 с.

7 Петров А. А. Углеводороды нефти. - М.: Наука, 1984. - 263 с.

8 Шилина А.И. Моделирование физико-химического превращения бенз(а)пирена в аэрозольной фазе // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. - 1985. - №5. - С. 128-142.

9 Панов Г. Е. Охрана окружающей среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности. - М.: Недра, 1986. - 244 с.

10 Киреева Н.А. Состояние комплекса актиномицетов нефтезагрязненных почв // Вестник Башкирского университета. - 1996. - № 1. - С. 42-45.

11 Костерин А.В., Софинская О.А. Эффект влажности и верхнего техногенно незагрязненного слоя почвы в биодеградации тридекана// Вестник СамГУ. – 2004. – №7. - С. 828 – 836.

12 Нечаева И.А. Автореферат Биодеградация углеводородов нефти психротрофными микроорганизмами-деструкторами, канд. биол. наук. – Пущино, 2009. – 175 с.

13 Саксонов М.А. Экологический мониторинг нефтегазовой отрасли. - Иркутск: Иркут. Ун-т, 2005. - 114 с.

14 Пиковский Ю.И. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами // Почвоведение. - № 9. -2003. - С. 1132-1140.

15 Митчелл Дж. Акваметрия. - М.: Химия, 1980. - С.600.

16 Проскуряков В.А. Химия нефти и газа. - СПб.: Химия, 1995. – С. 448.

17 Берне Ф.Ж. Водоочистка. – М.: Химия, 1997. – 288 с.

18 Мухина Е. А. Физико-химические методы анализа. — М.: Химия, 1995. – 415 с.

19 Орлов Д.С., Васильевская В.Д. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв. – М.: Моск. Ун-т, 1994. – 272 с.

20 Реймерс Н.Ф. Природопользование. – М.: Мысль, 1990. – 637 c.

21 Шамаева А.А. Автореферат Исследование процессов биоремедиации почв и объектов, загрязненных нефтяными углеводородами, канд. биол. наук. – Уфа, 2007. – 23 с.