Что такое деструкция нефтепродуктов
Добыча нефти и газа
Изучаем тонкости нефтегазового дела ВМЕСТЕ!
Литературный обзор методов и основ биохимического механизма деструкции нефтепродуктов в почвах
В результате аварийных разливов нефти и нефтепродуктов главным образом в процессе добычи и транспортировки, подвергаются загрязнению огромные территории.
Присутствие нефтепродуктов в почве представляет собой существенную экологическую опасность, так как является причиной нарушения биогеоценоза, вплоть до гибели живых организмов почвы при высоких концентрациях углеводородов. Для восстановления плодородия почв и переработки замазученных грунтов высокой степени нефтяного загрязнения необходимо создание эффективных методов их очистки.
Проблема нефтезагрязненных земель в настоящее время привлекает к себе особое внимание. При этом следует отметить, что микробиологическая активность почв является одним из основных факторов очищения их от нефти. В биорекультивации нефтезагрязненных земель используют два основных подхода. Первый направлен на стимулирование естественной микробиологической активности почв агротехническими и агробиологическими методами. Второй – на усиление углеводородокисляющей активности почв за счет использования препаратов на основе алканотрофных микроорганизмов. Многочисленными работами подтверждена эффективность обоих подходов, однако, имеются ограничения для использования на практике тех или иных методов, связанные со спецификой почвенных и климатических условий, качественным составом нефти и ее концентрацией в почве после аварийных разливов. Так, почвы Крайнего Севера характеризуются высокой степенью заболоченности, низкими значениями рН, пониженным содержанием гумуса. В суровых климатических условиях формируется маломощный органогенный слой, скорость микробиологических процессов крайне низка. Такие почвы могут быть восстановлены только с помощью микробиологической обработки.
В районах Средней Полосы России, Поволжья и Приуралья активность почв значительно выше. Поэтому в данных климатических условиях можно применять как технологии деструкции углеводородов с помощью специальных микробиологических препаратов, так и комбинированные агротехнические и микробиологические методы.
Разработка способов и приемов рекультивации земель и биообработки замазученных грунтов невозможна без изучения влияния нефти и ее компонентов на почвенную экосистему, механизмов и особенностей протекания биологических процессов, благодаря которым происходит деградация нефтепродуктов в почвенном теле.
К основным наиболее важным факторам, определяющим стратегию выбора метода утилизации почв и грунтом относятся:
— тип и условия залегания почв и грунтов;
— свойства и состав загрязняющей фазы (нефти, пластовых рассолов, нефтяных эмульсий и т.д.);
— климатические условия района;
— рельеф местности и хозяйственное и природное значение территорий, а также удаленность района аварии от промышленных центров.
При ликвидации нефтяных загрязнений в каждом конкретном случае необходимо учитывать весь комплекс вышеперечисленных факторов.
Бактерии-нефтедеструкторы для биоремедиации супесчаных почв Воронежской области
Бактерии-нефтедеструкторы для биоремедиации супесчаных почв Воронежской области
Нефть — не только ценнейшее химическое сырье и (на сегодня) важнейший источник энергии, но и серьезная угроза окружающей среде.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: С каждым годом все больше внимания уделяется проблемам загрязнения окружающей среды. Нефть и нефтепродукты — наиболее распространенные загрязнители, нарушающие и угнетающие все жизненные процессы: они подавляют дыхательную активность и микробное самоочищение, изменяют естественное соотношение численности микроорганизмов, меняют направление обмена веществ, накапливаются в виде трудноокисляемых продуктов. Эта проблема стоит остро не только для нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих регионов; любой город может столкнуться с нефтезагрязнением, поскольку хранилища горюче-смазочных материалов распространены повсеместно. В этой связи очень актуальна разработка эффективных способов биологической очистки нефтезагрязненных почв для конкретных регионов.
Конкурс «био/мол/текст»-2011
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2011 в номинации «Своя работа».
К сожалению, для современной цивилизации вполне привычными стали экологические катастрофы, связанные с наземными разливами нефтепродуктов. Загрязнение такого рода негативно воздействуют на почвенный слой, поверхностные и подземные воды, геологическую среду. Немалая доля таких происшествий связана с авариями на нефтехранилищах и их ненадлежащей эксплуатацией. При этом даже после прекращения действия таких нефтехранилищ они на долгие годы остаются источниками загрязнений. По степени отрицательного влияния на экосистемы нефть, нефтепродукты и нефтесодержащие промышленные отходы, в том числе пластиковый и полиэтиленовый мусор, занимают второе место после радиоактивного загрязнения. Несовершенство технологий добычи, транспортировки, переработки и хранения нефти приводит к ее значительным потерям, которые достигают 50 млн. т/год, то есть 2% от общей добычи. Так, 20 апреля 2010 г. на буровой платформе Deepwater Horizon нефтегазовой компании British Petroleum в Мексиканском заливе произошел неконтролируемый выброс нефти с глубины 1500 м. Оценки масштабов выброса нефти различны: от 5 до 60 тыс. баррелей в день [1]. Объём разлива нефти, произошедшего в результате аварии на танкере Эксон Вальдез, которая ранее считалась наиболее разрушительной из морских катастроф, составил около 260 тыс. баррелей нефти.
Рисунок 1. Многие бактерии с удовольствием «едят» углеводороды, входящие в состав нефти. Научившись использовать их в своих целях, человек решит проблему очистки окружающей среды от разлитой нефти и, возможно, других видов загрязнений.
С неуклонным ростом плотности автотранспорта на территории городов увеличивается число заправочных станций и обслуживающих пунктов, а это, в свою очередь, повышает вероятность возникновения разливов нефтепродуктов и создает пожаро- и экологически опасную ситуацию. В настоящее время эти загрязненные территории не подвергаются обработке. Процесс естественного самовосстановления загрязненной среды является очень длительным: при уровне загрязнения 5 г/кг почвы он длится от 2 до 30 лет и выше. В связи с этим, остро стоит вопрос разработки экологически безопасных и экономически обоснованных мероприятий, направленных на интенсификацию процессов биологической очистки и восстановления плодородия земель.
На данный момент существует три способа очистки воды: механический, физико-химический и биологический. Механическая очистка подразумевает отстаивание и фильтрацию загрязнений, что, во-первых, не решает проблему очистки от растворенных элементов, а, во-вторых, не решает проблему утилизации самих загрязнений, которые остаются практически в неизмененном виде. Пример физического способа очистки — сжигание и термическая десорбция (крекинг). Но при сжигании из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти. Землю после сжигания необходимо вывозить на свалку (так называемая «горелая земля»). Химическая очистка, хотя и решает проблему очистки от растворенных соединений, опять же не решает проблему утилизации отходов. Биологический ущерб от применения диспергаторов оказался больше, чем ущерб, который можно было ожидать от загрязнения только нефтью, так как эти соединения довольно токсичны. Кроме того, необходимо учесть высокую стоимость самих реактивов и необходимость их точной дозировки [2].
На первое место сейчас выходит биоремедиация (bio — жизнь, remedio — лечение) — очищение природной среды от загрязнений при помощи биологических методов. При этом необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Это может быть биостимуляция аборигенной микрофлоры путем внесения удобрений непосредственно в загрязненную экосистему или внесение специализированных препаратов микроорганизмов, созданных для очистки загрязненных экосистем [3].
Использование нефтеокисляющих микроорганизмов для очистки окружающей среды является не новой, но недостаточно изученной областью исследований. Продолжается поиск новых деструкторов углеводородов нефти и выявление оптимальных условий эффективного использования имеющихся препаратов.
Нефть (через тур. neft, от перс. naft; восходит к аккадскому напатум — вспыхивать, воспламенять) — природная горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространенная в осадочной оболочке Земли. Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (УВ) (> 500 веществ; 80–90% по массе) и гетероатомные органические соединения (4–5%), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородсодержащие (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые). Минорные компоненты — растворённые углеводородные газы (C1—C4; 0,1–4%), вода (0–10%), минеральные соли (главным образом хлориды; 0,1–4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и механические примеси (частицы глины, песка, известняка) [4].
Легкая фракция нефти (наиболее подвижная часть) включает низкомолекулярные алканы, нафтены и ароматические УВ. Метановые УВ, находясь в почвах, водной или воздушной средах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеводородной цепью. Они лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазматические мембраны организма. Легкая фракция мигрирует по почвенному профилю и водоносным горизонтам, значительно расширяя ареал первичного загрязнения.
Ароматические УВ — наиболее токсичные компоненты нефти: в концентрации всего 1% в воде они убивают все водные растения. Бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое действие на организм, чем полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Последние действуют медленнее, но более длительное время, являясь хроническими токсинами. В основе практически всех техногенных источников ПАУ лежат термические процессы, связанные со сжиганием и переработкой органического сырья: нефтепродуктов, угля, древесины, мусора, пищи, табака и др. Такие соединения, как бенз[a]антрацен, бенз[a]пирен и овален, обладают ярко выраженными канцерогенными, мутагенными и тератогенными свойствами.
Еще одна фракция нефти — парафины — сама по себе не токсична для живых организмов и в условиях земной поверхности переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова, лишив почву возможности свободного влагообмена и дыхания, что, в конечном счете, приводит к полной деградации биоценоза.
Вредное экологическое влияние смолисто-асфальтеновых компонентов на почвенные экосистемы заключается не в химической токсичности, а в значительном изменении водно-физических свойств почв. Если нефть просачивается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в основном в верхнем, гумусовом горизонте иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почв. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения погибают. Эти вещества малодоступны микроорганизмам, процесс их метаболизма идет очень медленно — иногда десятки лет [5].
Ранее предполагалось, что микроорганизмы, способные разлагать и использовать углеводороды нефти и нефтепродуктов, встречаются только там, где расположены нефтепромыслы, нефтехранилища или нефтепроводы, однако, согласно современным данным, микроорганизмы-нефтедеструкторы распространены в природе очень широко и могут быть выделены из любой почвы, осадочных пород, морской и речной воды. Эти гетеротрофные микроорганизмы могут усваивать разнообразные органические соединения — углеводы, белки, жиры и пр. Численность микроорганизмов-нефтедеструкторов в естественных биоценозах в немалой степени определяется климатическими условиями, типом почв, степенью их обработки, глубиной залегания грунтовых вод.
Необходимо отметить, что некоторые морские микроорганизмы приспособились использовать в пищу даже полиэтилен, еще недавно считавшийся практически неразлагающимся в природе: «Пластик на завтрак». — Ред.
В большинстве случаев метаболизм парафиновых углеводородов начинается с окисления терминальной метильной группы в спирт и, далее, через альдегид до соответствующей жирной кислоты. Дальше процесс идет по пути β-окисления жирных кислот, при котором за каждый цикл длина цепочки жирной кислоты укорачивается на два углеродных атома. Как правило, ферменты, участвующие в этом процессе, обладают низкой специфичностью и могут участвовать в утилизации углеводородов с различным числом углеродных атомов. Конечные продукты метаболизма нефти в почве следующие:
Именно химический и композиционный состав отдельных компонентов нефти определяют особенности утилизации их микроорганизмами. Решающее значение для использования алифатических углеводородов имеет длина цепи: по мере удлинения цепи парафинов растет число видов микроорганизмов, способных использовать эти соединения, а также активность их использования. После первичной атаки микроорганизмов в нефтезагрязненной среде остаются алканы с очень длинной цепью, полициклические нафтены, полиароматические углеводороды и смеси веществ, составляющие фракцию смол и асфальтенов. Все эти вещества не могут быть метаболизированы отдельными микроорганизмами, и их деструкция в природных условиях связывается с действием смешанных популяций микроорганизмов, — сообществ, для которых характерны отношения кооперации и взаимопомощи.
Кооперация — это уникальные взаимоотношения между метаболически разными типами бактерий, которые зависят друг от друга при разрушении субстратов. По характеру взаимосвязей можно выделить несколько таких сообществ, в которых ассоциация микроорганизмов становится более эффективной, чем отдельно взятые виды:
Оптимальная скорость переноса метаболитов достигается в случае тесного контакта партнёров: непосредственного соседства, образования агрегатов или «флокков». Также для описания различных коопераций микроорганизмов используется термин консорциум.
Рисунок 2. Примеры экосистем с сильным нефтяным загрязнением.
Рисунок 2. Примеры экосистем с сильным нефтяным загрязнением.
Биодеструкция нефти и нефтепродуктов микробными ассоциациями в модельных системах Кобзев Евгений Николаевич
Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении
Содержание к диссертации
Глава 1. МЕТОДЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Глава 2. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕСТРУКЦИЯ НЕФТИ
2.1. Принципы микробиологической деструкции нефти 25
2.2. Методы интенсификации микробиологической деструкции 34
2.3. Стимуляция аборигенной микрофлоры 48
2.4. Интродукция углеводородокисляющих микроорганизмов 51
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 56
Глава 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1. Объекты исследований 56
3.2. Микробиологические среды 56
3.3. Выделение микроорганизмов-деструкторов нефти и ее компонентов 57
3.4. Приготовление селективных агаризованных сред для выращивания углеводородокисляющих штаммов 58
3.4.1. Среды с диспергированным углеводородным субстратом 58
3.4.2. Агаризованные среды с нитроцеллюлозными фильтрами 58
3.5. Идентификация выделенных штаммов 59
3.6. Сравнительная оценка штаммов-деструкторов по степени утилизации нефтепродуктов в жидкой периодической культуре 59
3.7. Определение группового состава нефти методом жидкостно- адсорбционной хроматографии 60
3.8. Оценка углеводородокисляющей активности культур микроорганизмов гравиметрическим методом 61
3.9. Культивирование углеводородокисляющих микроорганизмов в проточной системе 61
3.10. Постановка лабораторного почвенного эксперимента 63
3.11. Определение содержания нефтепродуктов в почве весовым методом 64
3.12. Учёт численности микроорганизмов в почве 65
3.13. Построение дендрограмм сродства штаммов 65
3.14. Приготовление и условия хранения концентрированной суспензии микроорганизмов-нефтедеструкторов 66
3.15. Хранение культур микроорганизмов 67
3.16. Статистическая обработка полученных результатов 68
Глава 4. СКРИНИНГ И ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ
4.1. Скрининг микроорганизмов-нефтедеструкторов 69
4.2. Изучение физиологических свойств выделенных культур 74
Глава 5. СОСТАВЛЕНИЕ ИСКУССТВЕННОЙ АССОЦИАЦИИ АКТИВНЫХ НЕФТЕДЕСТРУКТОРОВ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
5.1. Прогнозирование оптимального состава искусственной ассоциа- 78
5.2. Построение дендрограмм сродства штаммов 80
5.3. Моделирование оптимального состава ассоциации 84
Глава 6. ИЗУЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННОЙ АССОЦИАЦИИ УГЛЕВОДОРО-ДОКИСЛЯЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ
6.1. Исследование устойчивости искусственной ассоциации 92
6.2. Исследование биодеструкции нефти ассоциацией микроорганизмов в открытой проточной системе 100
6.3. Влияние длительности хранения суспензии микроорганизмов- 109 нефтедеструкторов на их физиологическую активность
Глава 7. ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕВОДОРО ДОКИС ЛЯЮЩЕЙ АКТИВНОСТИ АССОЦИАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ-НЕФТЕДЕСТ-
РУКТОРОВ В МОДЕЛЬНОЙ ПОЧВЕННОЙ СИСТЕМЕ 114
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
Анри Беранже /цит. по 85/
Нефть является одним из важнейших видов минерального сырья. Путем её фракционирования получают различные виды топлива, смазочные масла, вазелиновое масло, парафин, различные растворители, гудрон (асфальт) /92/. Кроме того, нефть является сырьем для получения органических веществ, лекарств, парфюмерных изделий, лавсана, каучука, пластмасс, красителей, пестицидов и т.п. /79/.
Нефть была известна человечеству еще с древнейших времен, но использовалась она в сыром виде и только как топливо для лампад и светильников. С тех пор нефть стала неизменным спутником человека, и потребность в ней неуклонно возрастала. В России первый завод для очистки нефти был построен на Ухтинском нефтяном промысле ещё в 1745 г, а в 1823 г братья Дубинины впервые создали устройство для перегонки нефти. Интересно, что в Америке первые опыты перегонки нефти осуществил лишь 10 лет спустя Силлиман /79/.
Начиная с 1860 года (год изобретения двигателя внутреннего сгорания), потребление нефти резко увеличилось, а с 1880 года добыча нефти растет по экспоненте, и сейчас её ежегодно извлекают из недр земли и донных
6 отложений в объеме 3,2« 10 л /170/.
Несовершенство технологий добычи, транспортировки, переработки и хранения нефти приводит к ее значительным потерям, которые достигают 50 млн. т/год, то есть 2% от общей добычи /71/. Именно поэтому нефть и нефтепродукты относятся к приоритетным загрязнителям биосферы /221/.
По данным отечественных исследователей ежегодное антропогенное поступление нефти в воды Мирового океана составляет 12-15 млн. т /91/, при этом, примерно 1/3 его поверхности постоянно или временно покрыта нефтяной пленкой. До 30% загрязнений вод нефтью приходится на бытовые и промышленные отходы, 27% на суда, 12% на аварии танкеров и нефтяных платформ, но в тоже время 24% загрязнений Мирового океана поступает со дна из естественных источников. Таким образом, нефтезагрязнение не является чисто антропогенным загрязнением, что объясняет наличие в биосфере организмов, способных нормально расти и развиваться в загрязнённых нефтью средах.
Нефтяное загрязнение почв, в отличие от загрязнения океана, по своим масштабам не является глобальным, а имеет локальный характер и поэтому изучено хуже /74/.
В нашей стране приоритетными источниками загрязнения почвенного покрова нефтью и нефтепродуктами являются, в основном, аварийные ситуации при добыче, транспортировке и переработке нефти. Большинство производств не отвечает современным требованиям безопасности, оборудование физически изношено и морально устарело, имеет низкую надёжность. Из 400 тыс. объектов около 43 тыс. требуют модернизации или коренной реконструкции, около 12 тыс. подлежат выводу из эксплуатации. По данным Мини- стерства природных ресурсов Российской Федерации и Российского отделения «Гринпис» потери нефти и нефтепродуктов в России за счет аварийных ситуаций колеблются от 17 до 20 млн. т ежегодно, что составляет порядка 7% от добычи нефти /72/.
Наибольший риск аварийных разливов нефти обусловлен большой протяженностью и низкой технической надежностью нефтепроводов. Только за 1998 г от предприятий Нижневартовского района поступили данные о 736 авариях на трубопроводах, при этом в результате только 6 аварий было сброшено около 1000т нефти /76/. В Ханты-Мансийском округе ежегодно на землю выливается до 2 млн. т нефти /22/.
По данным экспертов голландской независимой консалтинговой компании IWACO, в настоящее время в Западной Сибири нефтью загрязнено от 700 тыс. до 840 тыс. га земель, что в 7 раз больше, чем территория Москвы. /22/.
Нефтяное загрязнение приводит к негативным изменениям в биоценозе почв /112/, а также к коренным изменениям в химическом составе, структуре и свойствах почв /24, 30/, резкому снижению продуктивности и ухудшению хозяйственной ценности земель. В нефтезагрязненной почве изменяется структура микробного сообщества /43, 49, 111/, подавляется фотосинтетическая активность высших растений /5, 16, 19, 38, 68, 70, 80, 100, 106/, уменьшается численность педофауны 111.
В результате разливов нефти почвы могут превращаться в типичные техногенные пустыни, в которых практически полностью подавлена жизнедеятельность биоты. Такие явления в широком масштабе проявляются в нефтедобывающих районах России (Поволжье, Западная Сибирь, Коми, Башкортостан), а также в большинстве населенных пунктов, где расположены нефтеперерабатывающие заводы и крупные хранилища горюче-смазочных материалов.
Процесс естественного самовосстановления загрязненной среды является очень длительным. Согласно устоявшемуся мнению, ауторемедиация нефтезагрязненных почв при уровне загрязнения 5000 мг/кг идёт от 2 до 30 лет и выше /31/. В северных регионах скорость этих процессов еще ниже. В связи с этим, последствия нефтезагрязнения там сказываются многие десятилетия, поскольку период распада нефти и ее производных в условиях Севера составляет минимум 50 лет /70/.
Цель настоящего исследования было изучение процесса биодеструкции нефти и нефтепродуктов микробными ассоциациями в открытых модельных системах.
Основные задачи работы
Разработать эффективный, простой и удобный в применении метод скрининга микроорганизмов-нефтедеструкторов и определения их численности.
Исследовать устойчивость ассоциации микроорганизмов-нефтедеструкторов при росте на нефтепродуктах в открытой проточной системе.
Исследовать поведение гетеротрофной микрофлоры и микроорганизмов-нефтедеструкторов при росте на нефти и нефтепродуктах в открытой проточной и в модельной почвенной системах.
Установить оптимальную периодичность инокуляции почвы мик-роорганизмами-нефтедеструкторами.
Исследовать условия и длительность хранения биопрепарата мик-роорганизмов-нефтедеструкторов.
1. Исследована устойчивость микробной ассоциации в открытой проточной системе в условиях полной деструкции углеводородов. Показано, что 5 из 7 интродуцированных штаммов не только присутствовали в системе, но и в большинстве случаев доминировали по численности над сопутствующей микрофлорой.
Исследование поведения микроорганизмов-нефтедеструкторов в открытых системах позволило установить следующие закономерности ассимиляции углеводородов, входящих в состав нефти и нефтепродуктов: во-первых, в процессе ассимиляции нефти и нефтепродуктов происходит поэтапное потребление субстрата; во-вторых, в ходе ассимиляции углеводородов наблюдается преобладание численности сопутствующей микрофлоры над численностью микроорганизмов-нефтедеструкторов;
Разработан метод скрининга микроорганизмов-нефтедеструкторов и определения их численности с использованием агаризованных сред с нит-роцеллюлозными фильтрами.
1. Создана рабочая коллекция культур микроорганизмов- нефтедеструкторов. Полученные данные по широкому распространению уг- леводородокисляющих микроорганизмов демонстрируют принципиальную возможность создания специализированных биопрепаратов для биоремедиа- ции нефтезагрязнённых сред.
2. Установлена наиболее эффективная периодичность инокуляции почвы исследуемой ассоциацией микроорганизмов-нефтедеструкторов.
3. Установлены сроки и условия хранения ассоциации микроорганиз- мов-нефтедеструкторов, для её дальнейшего эффективного использования.
Организация исследований. Работа выполнена в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов РАН (Пущино) и в Государственном Научном Центре прикладной микробиологии Минздрава РФ (Оболенск).
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 2 статьях и представлены в виде докладов на 6 на конференциях.
Структура и объём работы. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста и состоит из введения, 2 глав литературного обзора, главы об объектах и методах исследований, 4-х глав полученных результатов, главы обсуждения, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Библиография представлена 246 литературными источниками, из них 118 работ на русском языке. Иллюстративный материал включает 17 рисунков, 16 таблиц и 14 приложений.
Методы рекультивации нефтезагрязненных объектов
Низкие темпы самоочищения приводят к тому, что без проведения мероприятий по очистке количество загрязнённых нефтью и нефтепродуктами земель будет неуклонно расти. Применение рекультивации позволяет в короткий срок снизить концентрацию углеводородов в загрязнённой среде, уменьшить токсичность среды, добиться восстановления нарушенного биоценоза.
В настоящее время существует большое количество методов ремедиа-ции загрязненных нефтью почв и водных систем.
Известные методы рекультивации нефтезагрязненных сред условно можно подразделить на несколько групп:
1. Механические методы;
2. Термические методы;
3. Физико-химические методы;
4. Микробиологические методы.
В каждую группу входят несколько самостоятельных методов, отличающихся по степени воздействия на загрязнённую среду, а также экономическому и экологическому эффекту. Кратко охарактеризовать их можно следующим образом.
1. Механические методы.
1.1. Локализация и сбор нефти, разлитой по поверхности почвы, как правило, является первым этапом рекультивации. При помощи него удаётся значительно уменьшить площадь загрязнения, а концентрацию нефти в почве снизить до 5% /16, 54/. Для сбора разлитой нефти существует большое количество методик и устройств различной степени сложности.
Для сбора нефти с поверхности почвы чаще всего используют сгребание скребками и всасывание разлитой нефти насосами /57/. Собранная таким образом нефть подвергается регенерации и возвращается в оборот.
Для сбора нефти с поверхности воды чаще всего используют следующие методы /77/:
— всасывание плавающими насосами (нефть и загрязненная вода от качиваются с помощью специальных насосов, затем полученная эмульсия разделяется сепараторами);
— гидрофобный транспортер (данное устройство представляет собой нефтяной скребок, который вызывает прилипание нефти к ленте транспортера; нефть поднимается из воды, отжимается и удаляется в контейнер);
— вихревой способ (вращающийся погружной импеллер вызывает завихрение потока в подповерхностном объеме, в результате чего нефтяное пятно двигается вниз по направлению оси завихрения; оно погружается на дно вихревой воронки и становится более плотным; всасывающий насос, установленный в месте концентрации нефти, удаляет нефть вместе с небольшим количеством воды.);
Преимущества: Данный метод является одним из немногих применяемых при сильном загрязнении.
Недостатки: При концентрациях нефти меньше 5% механический сбор становится неэффективным и экономически невыгодным, к тому же использование данной технологии влечёт за собой необходимость проведения дополнительных восстановительных процедур. Кроме того, эффективность этого метода во многом зависит от оперативности действий на загрязнённом участке, т.к. со временем нефть впитывается и просачивается в нижележащие горизонты. Еще один минус заключается в том, что этот метод непригоден на болотистых почвах и других неустойчивых грунтах.
Принципы микробиологической деструкции нефти
Еще недавно рост микроорганизмов на нефти считался редким явлением, и предполагалось, что бактерии, способные использовать нефть, встречаются только там, где имеется сама нефть (нефтяные промыслы, нефтехранилища). Однако, согласно современным данным, микроорганизмы-нефтеде-структоры распространены очень широко в природе и могут быть выделены из любой почвы, осадочных пород, морской и речной воды. Способность использовать нефть в качестве источника энергии присуща не единичным специализированным формам, а многим грибам, бактериям и водорослям.
Численность микроорганизмов-нефтедеструкторов в естественных биоценозах в немалой степени определяется климатическими условиями, типом почв, степенью их обработки, глубиной залегания грунтовых вод. Даже в таких экстремальных условиях, как в пустынных песчаных почвах, где микрофлора весьма скудная, в местах загрязнения дизельным топливом и креозотом по данным Богардта и Хеммингсена /133/ число фенантренокисляю-щих бактерий составляет 6-100-106 кл/г сухой почвы и 5 10 кл/мл грунтовых вод. В местах разлива нефтяных дистиллятов на поверхности антарктических почв число метаболически активных нефтеокисляющих бактерий по данным Керри /193/ составляет 10-10 кл/г почвы.
Нефть представляет собой сложный конгломерат веществ, включающий алифатические, циклические, смешанные структуры углеводородов разного молекулярного веса, различных уровней разветвления углеродных цепей, в различной степени поликонденсированные и содержащие комплексные металлоорганические соединения тяжелых металлов. Именно химический и композиционный состав отдельных компонентов нефти определяют особенности метаболизма утилизации их микроорганизмами. Решающее значение для использования алифатических углеводородов имеет длина цепи: по мере удлинения цепи парафинов растет число видов, способных использовать эти соединения, а также активность их использования. Использование же углеводородов с длинной цепью распространено у микроорганизмов широко, и н-алканы с 10-18 атомами углерода используются очень часто и с огромной скоростью. Часто микроорганизмы окисляют углеводороды настолько полно, что накопления промежуточных продуктов не происходит /110, 223/.
Объекты исследований
Выделение углеводородокисляющей микрофлоры проводили из загрязнённых нефтью или нефтепродуктами образцов грунта.
Для выделения микроорганизмов, способных к деструкции нефтепродуктов, использовали метод накопительной культуры. Последовательность работ при этом была следующая:
Навеску почвы (1-5 г, в зависимости от численности аборигенной микрофлоры) вносили в колбу со 100 мл синтетической среды, указанного выше состава, и 2 г нефти в качестве единственного источника углерода. Инкубирование проводили в течение 10 суток при 24 С (180 об./мин) с двукратным пассированием накопительных культур (через каждые 5 суток) на свежие среды с нефтью. По завершении цикла был произведен высев на синтетическую агаризованную среду, содержащую, в качестве единственного источника углерода, нефть. Отбирали отдельные колонии, производили высев на богатую среду (LB-среда), после чего проверялась способность выделенной культуры расти на стерильной жидкой минеральной среде с нефтью в качестве единственного источника углерода и энергии. Первоначально способность микроорганизмов к деструкции нефти оценивалась визуально (в случае деструкции плотный исходный сгусток нефти превращался во множество мелких частиц размером от 0,5 до 3 мм в диаметре).
Альтернативным методом выделения штаммов-нефтедеструкторов является прямой высев на селективные агаризованные среды с нефтью или мазутом в качестве единственного источника углерода и энергии.