ПРЕПАРАТ ДЛЯ БИОДЕГРАДАЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
PREPARATION FOR BIODEGRADATION OF PETROLEUM PRODUCTS AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF

Изобретение относится к области охране окружающей среды, в частности, к экобиотехнологии и экологии, а именно, к композициям для биодеградации загрязнений окружающей среды (почвы, грунтов, морских, пресных и минерализованных вод), а также технологических конструкций загрязненых углеводородами нефти и нефтепродуктов с одновременным восстановлением физико-химических свойств и естественного биоценоза почв и акваторий.
До настоящего времени нефть остается одним из самых востребованных источников энергии, как в России, так и во всем мире, однако в то же время она является и основным загрязнителем окружающей среды. Аварийные разливы нефти происходят при разведке, добыче, транспортировке и ее переработке достаточно часто, поэтому серьезный ущерб, наносимый при этом окружающей среде, требует принятия экстренных мер по устранению подобных загрязнений. При этом наряду с ликвидацией последствий аварийных разливов, достаточно остро стоит проблема очистки емкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов от нефтяных остатков и ликвидация нефтешламов в амбарах при бурении и добыче нефти и в шламона-копителях на нефтеперерабатывающих заводах, а так же на железнодорожных путях.
Традиционные физико-химические методы очистки природной среды являются, как правило, недостаточно эффективными, в частности, их применение не позволяет полностью очистить загрязненные участки от следов нефтепродуктов и восстановить их биоценоз, поэтому они все чаще дополняются или заменяются (в зависимости от степени загрязнения) биологическими методами.
К биодеградации нефтепродуктов способны многие микроорганизмы. Так, известно использование для биодеградации нефтепродуктов и токсических органических соединений таких микроорганизмов, как Aspergillus niger, Candida Tropical, Pseudomonas pulida т.д. (Карасевич Ю.А. Основы селекции микроорганизмов, утилизирующих синтетические органические соединения. М.: Наука, 1982. с. 46; J. Bacterid., 1976, v. 125, 3, p. 818; Agr. Biol. Chem., 1968, v. 32, 8, p. 1033-1039.).
++
++
++
Известны разнообразные коммерческие биопрепараты, разработанные для очистки почв от нефтяных загрязнений, в частности, такие, как Авалон, Бациспецин, Валентис, Деворойл, Достроил, Нафтокс, Никаойл, Петролан, Путидойл, Родер, Универсал, БИОИОНИТ и другие (WO 01/98435; WO 93/00045, RU 2077397, 1997; RU 2023686,1994; RU 2053205,1996; RU 2571219, 2014). Самым известным из них и давно применяющимся на практике является биопрепарат Путидойл (RU 2023686, 1994), представляющий собой смесь культуральной жидкости (КЖ), содержащую штаммы Pseudomonas putida 36 в высушенном состоянии. Препарат получают глубинным культивированием бактерии в питательной среде при 30°C, в аэробных условиях, с последующей распылительной сушкой либо лиофилизацией полученной культуральной жидкости (SU 1428809, 1988). Однако указанный препарат обладает не очень высокой эффективностью, в частности, в отношении мазутов и асфальтеновых соединений нефти, а при наличии в составе среды тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd) в концентрации 50 до 100 мг/литр, данный препарат не функционирует.
Основными агентами биодеградации нефти и нефтепродуктов являются бактерии.. Установлено, в частности, что алканы, нафтены и ароматические компоненты достаточно активно метаболизируются бактериями и могут практически полностью расщепляться. Однако, более тяжелые, более конденсированные циклические углеводороды достаточно устойчивы к бактериальному воздействию. Так, адаптированные углеводородокисляющие бактерии в жидкой среде за 30 дней могут деградировать 69,7% нормальных углеводородов, 23,6% ароматических соединений с моно- и дициклической структурой, 53,2% углеводородов с трициклической и полициклической структурой (Atlas R.M. Bacteria and bioremediation of marine oil spills // Oceanus. - 1993 - 36, - 2. - C. 71). Сложный химический состав нефти и нефтепродуктов, имеющих многочисленные вариации структуры углеводородов, однако обуславливают неодинаковую степень их доступности воздействию микроорганизмов, что требует создания комплексных биодеградирующих препаратов.
Больший потенциал и более широкий спектр действия на углеводороды имеют препараты, содержащие два и более штамма микроорганизмов. Так, в состав препарата Деворойл входят штаммы Pseudomonas stutzeri, Rhodococcus erythropolis, Rhodococcus maris, Rhodococcus sp., Yarrowia lipolytica (ранее Candida sp.) (RU 2023686,1994; WO 93/00045). Деворойл получают глубинным культивированием входящих в его состав микроорганизмов с последующим высушиванием полученной биомассы.
Известен биопрепарат-нефтедеструктор, используемый для очистки грунтов и почвы от нефти и нефтепродуктов, содержащий биомассу консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов Bacillus brevis и Arthrobacter species ИБ ДТ-5, биомассу аэробных азотфиксирующих микроорганизмов Azotobacter vinelandii ИБ 4 и биомассу аэробных спорообразующих микроорганизмов Bacillus species 739 в массовом соотношении, равном 1:1:0,5÷1 (RU 2323970, 2008.).
Недостатком биопрепарата является неполное разложение нефти из-за его избирательного действия на определенные фракции нефтепродуктов. Кроме этого, обеспечивается эффективность только при поверхностном загрязнении почвы, не более 20%.
Известен препарат, содержащий смесь бактерий Pseudomonas putida, Pseudomonas alcaligenes, Pseudomonas acruginasa и Arihrodacier cristallopoietes (Ha-zardous Waste & Hazardous Mater, 1989, v. 6, 2, p. 145-154), способный утилизировать дизельное топливо.
Недостатком препаратов является низкая степень деградации ароматических углеводородов, нестабильность препарата при применении в практике, например в полевых условиях и отсутствие резистентности к тяжелым металлам.
9
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой группе изобретений является препарат "БИОИОНИТ", полученный на основе природных штаммов Bacillus megaterium ВКМ В-396, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКМ В-1301, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythro-polis ВКПМ АС-1269 с титром 10 мкл/г иммобилизованных на природном сорбенте-ионообменнике (RU 2571219, 2014), который также показал недостаточную эффективность по рекультивации земли, загрязненной нефтепродуктами, основную часть которых составляют смолистые вещества и полициклические соединения.
Недостатком препаратов является недостаточная эффективность при деградации тяжелых фракций нефти, особенно загрязненных тяжелыми металлами, а также неэффективность при использовании при загрязнении нефтепродуктами водоемов.
Технической задачей, решаемой авторами, являлось создание более эффективного биопрепарата-нефтедеструктора тяжелых фракций нефтепродуктов..
9
7
10
Технический результат достигался созданием ассоциации культур бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 с титром 10 мкл/г иммобилизованных на природном глауконитсодержащем сорбенте-ионообменнике, с титром живых клеток 10-10 мкл/г.
10
7
Увеличение концентрации клеток (больше 10 мкл/г) не приведет к значительному увеличению скорости деструкции загрязнителя, однако неоправданно увеличит стоимость работ по очистке так как увеличение скорости биодеструкции будет незначительным по сравнению с увеличением стоимости препарата. При концентрации клеток микроорганизмов меньше 10 КОЕ/г в биопрепарате, технический результат не достигается, вследствие снижения требуемой скорости биодеструкции загрязнителя.
Доля клеток отдельных бактерий в ассоциации составляет: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 - 35-50%, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328 - 15-25%, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624 - 15-25%, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 -15-25%.
9
Наиболее эффективным и экономически выгодным является препарат с следующим соотношением штаммов в конечном продукте: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 - 40%, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328 - 20%, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624 - 20%, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 - 20% и клеточным титром 10 колониеобразующих единиц (КОЕ) в 1 г препарата, получивший условное наименование «БИОМ».
Особенностью данной ассоциации по сравнению с ближайшим аналогом является введение в нее вместо Bacillus megaterium ВКПМ В-396 и Pseudomonas putida ВКМ В-1301 бактерий штамма Bacillus megaterium ВКПМ В-607 в увеличенной концентрации клеток.
Все штаммы биопрепарата выделены из почвы и не патогенны для теплокровных животных и гидробионтов, депонированы во Всероссийской государственной коллекции штаммов микроорганизмов (ВКМ) и Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ).
Штаммы бактерий Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 входят в биопепарат «БИОИОНИТ», патент (RU 2571219, 2014). Штамм Bacillus megaterium ВКПМ В-607 в доступных для анализа патентах не представлен и ранее не применялся.
Используемый в составе препарата глауконит является алюмосиликатом, в котором катионы находятся в легко извлекаемой форме. Катионы, входящие в состав глауконита, легко замещаются находящимися в избытке в окружаемой среде элементами. Слоистая структура минерала, его ионообменные свойства предопределяют его высокие сорбционные свойства по отношению к нефтепродуктам, радионуклидам и токсичным элементам. Способность глауконита депонировать воду и низкая десорбция (медленное высвобождение) позволяют эффективно иммобилизовать на его поверхности микроорганизмы и их метаболиты. При этом скорость химической реакции связывания такова, что глауконит способен в течение незначительного времени перевести загрязнители в связанное безопасное состояние, а микробное сообщество удобно может их утилизировать. Еще одно преимущество глауконита, то что он увеличивает диффузию кислорода и влаги в почве, что обеспечивает оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим для роста численности микроорганизмов, иммобилизованных на нем. При этом усиливается активность метаболитных ферментов и значительно увеличивается энергия всех биохимических процессов. Вместе с тем глауконит содержит значительное количество биогенных элементов - подвижного калия, фосфора и микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов и роста растений. Так как он в итоге представляет собой минеральное удобрение, то после применения биопрепарата отпадает необходимость его утилизации.
В качестве глауконитсодержащего носителя может использоваться как чистый глауконит, так и глауконитовая порода, содержащая не менее 60% глауконита.
Известен способ получения сухой формы биопрепарата на основе микроорганизма-нефтедеструктора рода Pseudomonas или Rhodococcu для очистки территорий от загрязнений нефтью и нефтепродуктами. При этом бактерии рода Pseudomonas или Rhodococcus культивируют в жидкой питательной среде. Затем суспензию бактерий смешивают с защитной средой. Защитную среду готовят на основе 0,05 М натрий-калиевого фосфатного буфера pH 6,8 при следующем соотношении компонентов: 4% полиглюкина, 10% сахарозы, 4% тиомочевины, 2% аскорбиновой кислоты с последующим титрованием 45% раствором гидроксида натрия до pH 6,8-7,2. Полученную смесь добавляют к сорбенту - вспученному перлитовому песку. Затем проводят контактную сушку препарата при t=37°C до постоянной массы. Способ позволяет повысить выживаемость бактериальных клеток микроорганизмов-нефтедеструкторов родов Pseudomonas и Rhodococcus до 44% и 81% соответственно (RU 2434059, 2011).
Недостатком данного способа является низкая сорбирующая способность перлитового песка, отсутствие ионообменных свойств и низкая рабочая концентрация клеток. В результате чего нефтедеструктирующая активность клеток микроорганизмов не достаточно велика, особенно для проведения нефтеочистки почвы в районах с коротким тепловым периодом.
11
12
9
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения препарата "БИОИОНИТ" (RU 2571219, 2014), включающий в себя раздельное культивирование штаммов до содержания клеток в дозе 10-10 мкл/мл, приготовление микробной ассоциации смешиванием в одной емкости культуральных жидкостей штаммов при следующем соотношении: Bacillus megaterium ВКМ В-396 - 15%, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328 - 15%, Pseudomonas putida ВКМ В-1301 - 20%, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624 - 20%, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 - 30%, до содержания бактерий 10 мкл/мл с последующим напылением в виде аэрозоля на глауконитсодержащий сорбент, в котором содержание глауконита составляет не менее 60%, дальнейшее обезвоживание смеси проводят путем подачи подогретого до 40°C воздуха со скоростью 3-5 м/с до достижения влажности в конечном биопрепарате 5% и содержания клеток 10 мкл/мл препарата.
Для получения препарата «БИОМ» предлагается модификация заявляемого способа, заключающаяся в том, что в способе, включающим в себя раздельное культивирование штаммов бактерий, приготовление их ассоциации, напыление клеток на носитель обезвоживание смеси путем подачи подогретого до 40°C воздуха, используют фракцию глауконита, со средним диаметром частиц 600 мкм, подвергнутую термообработке при температуре 190°C до остаточной влажности 4% и готовят микробную ассоциацию смешиванием культуры Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 в соотношении микроорганизмов 2:1:1:1 и обезвоживают композицию до достижения влажности в конечном биопрепарате 4%. При этом отличиями от ближайшего аналога является использование существенно более крупнодисперсных фракций глауконита (600 мкм 10-50 мкм) и иной режим обработки, существенно влияющие на поверхностную структуру носителя. И иное соотношение клеток разных штаммов при создании ассоциации.
11
12
12
Препарат получают следующим образом. Микроорганизмы биопрепарата Bacillus megaterium ВКПМ В-607 Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 выращиваются раздельно в биореакторе до содержания 10-10 мкл/мл, известными способами, затем готовят микробную ассоциацию смешиванием в одной емкости расчетных долей культуральных жидкостей до содержания 10 мкл/мл с последующим капиллярно-химическим обезвоживанием смеси путем ее напыления в виде аэрозоля в специальном смесителе на сорбент. При иммобилизации смесь постоянно фонтанирует в смесителе, за счет подачи подогретого до 40°C воздуха и при достижении и влажности в конечном биопрепарате 4% процесс прекращается.
За счет реализации существенных признаков изобретения достигаются важные новые свойства объекта, позволяющие получить эффективный биопрепарат - нефтедеструктор с высокой активностью для очистки загрязненной нефтью и нефтепродуктами почвы, воды и технологических конструкций хранения и переработки нефтепродуктов с одновременным восстановлением физико-химических свойств и естественного биоценоза почв и акваторий.
Сущность и преимущества нового препарата иллюстрируются следующими примерами.
11
12
9
9
Пример 1. Препарат получают следующим образом. Микроорганизмы биопрепарата выращивают раздельно при условиях: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 (штамм-1) (культивирование на сусло-агаре при pH 7,0, 30°C, в течение 48 часов), Bacillus subtilis ВКПМ В-5328 (штамм-2) (культивирование на L-среде (г/л): дрожжевой экстракт - 5,0, пептон - 15,0, вода до 1,0 л при pH 7,0, 36°C в течение 42 часов), Pseudomonas putida ВКПМ В-5624 (штамм-3) (культивирование на среде (г/л): дрожжевой экстракт - 5,0, пептон - 15,0, хлористый натрий - 5,0, агар 15,0, вода до 1 л при pH 7,0, 22-28°C в течение 48 часов), Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269 (штамм-4) (культивирование на МПА с глюкозой (г/л): мясная вода - 1,0, хлористый натрий - 5,0, пептон - 10,0, глюкоза 1%, агар - 20,0 при pH 6,8-7,0, 30°C в течение 46 часов) до содержания 10-10 мкл/мл каждого штамма, затем в реакторе при 25°C смешивается определенное соотношение культуральных жидкостей (40, 20, 20, 20 массовых частей), полученную микробную ассоциацию захолаживают в реакторе при температуре 14-16°C. Глауконит препарата измельчается на шаровой мельнице до 50% содержания частиц размером 500-600 мкм, просеивается через сита №600 и вылерживают при температуре 190°C в сушильных шкафах до остаточной влажности 4%. Приготовление биопрепарата осуществляется методом капиллярно-химического обезвоживания на глауконите. Смешивание ассоциации с глауконитом осуществляется, в специализированном смесителе обеспечивающим смешиванием в одном объеме расчетных долей культуральных жидкостей с глауконитом до содержания 10 мкл/мл. Процесс в смесителе осуществляется напылением расчетного количества (10 л) микробного аэрозоля ассоциации микроорганизмов на фонтанирующий слой глауконита (50 кг) при температуре теплоносителя - воздуха (стерильного) 40°C и скорости 10 м/с. Иммобилизация завершается при достижении влажности в конечном биопрепарате 4% и содержании живых бактериальных клеток 10 мкл/г. Биопрепарат расфасовывается в полимерные ведра по 5 кг, крафт-мешки с полиэтиленовым вкладышем по 10 кг.
7
10
Пример 2 По технологии примера 1 было получено 10 вариантов препарата с различным соотношением клеток Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythropolis ВКПМ АС-1269, с концентрацией клеток от 10 до 10 кл/г.
Испытания проводились по следующей технологии. Колбы Эрленмейера (объемом 750 мл) заполняли 100 мл морской воды с концентрацией соли - 21% и содержащей 0,53% нефти, затем к содержимому колбы добавили 20 мг выбранного сухого биопрепарата. Колбы инкубировали на качалке (100 об/мин) при 5°C, 18 и 30°C при pH 7,0. Через 48 ч наблюдался осадок загрязнителя на дне колб. Состав препаратов и их эффективность приведены в таблице 1.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности биопрепарата для очистки морской воды, сточных вод и других водных объектов от сырой нефти, в том числе и для, очисти донных отложений.
Лучшие результаты были получены для препаратов 5 и 6. Так как различие между ними несущественно дальнейшие испытания проводили с препаратом 6.
Пример 3. В 10 колб Эрленмейера вносили по 100 мл дисцилированной воды с начальным значением pH 4-12. В каждую колбу добавляли 3% нефти и вносят по 1 г биопрепарата 6. Колбы инкубировали на качалке (120 об/мин) при 18-20°C. Через 4 сут в каждой колбе определяли содержание нефти. Результаты представлены в табл. 2.
Как видно из табл.2, биопрепарат способен утилизировать нефть в широком интервале значений pH, что позволяет использовать его для очистки почв и воды различной кислотности без их предварительной нейтрализации.
2
Пример 4. Участок тундровой почвы был загрязнен сырой нефтью с начальным содержанием нефти 60 г на 1 кг почвы. Для очистки почвы на 1 м обрабатываемой площади вносится 1 л озерной воды, 1 г биопрепарата 4 и 6 г нитроаммофоски. Средняя температура в период обработки составляла 14°C. Через 1,5 месяца содержание нефти в почве составляло 4,5-5 г на 1 кг почвы, т.е. около 90% нефти было разрушено.
2
2
Пример 5. обрабатывали амбар отстойника на нефтяной скважине объем 100 т, площадь 100 м (Север России, тундра). Исходное содержание нефти в воде амбара составляло 14,5 мг/л. На поверхностью амбара нанесли биопрепарат 4 (0,5 кг/т) и нитроаммофоску в концентрации 1,4 г/л с таким расчетом, чтобы на 1 м обрабатываемой поверхности расходовалось 1 кг. Через 20 дней после однократной обработки содержание нефтепродуктов в воде снизилось до 0,05 мг/л.
Пример 6. Испытание биопрепарата проводили с использованием в качестве источника загрязнения моторное масло, содержащего флотский мазут в концентрации 0,5% и депарафинизат дизельного топлива в концентрации 10 об. %. К содержимому добавляли сухой порошок биопрепарата 4 (20,0 мг). Температура выращивания составляла 30°C, pH среды 7,0. В результате получили степень утилизации нефтепродуктов 98%. Это свойство биопрепарата позволяет рекомендовать его для очистки нефтешламма, почв, емкостей и др. объектов от нефтезагрязнений.
8
Пример 7. Дерново-подзолистую почву с содержанием мазута 10% помещали в кювету. К содержимому добавляли соли азота и фосфора в соотношении N:P=1:2,3 и сухой порошок биопрепарата. Температура культивирования 25°C, pH среды 7,0. Почву периодически рыхлили и поддерживали влажность на уровне 60-80%. В течение 30 дней степень очистки составила 99%, титр клеток биопрепарата составил 10 мкл/г живых клеток. Это свойство биопрепарата позволяет рекомендовать его для очистки почв от нефтепродуктов.
По сравнению с аналогами заявляемый биопрепарат характеризуется высокой степенью очистки на уровне 98-99% и уменьшением времени культивирования, а также более высокой скоростью утилизации углеводородов и широкой областью применения для очистки от нефтепродуктов водной поверхности (морей, океанов), сточных вод нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, машиностроительной промышленности, пищевой промышленности (для очистки от масел), почвы и т.д.
Биопрепарат апробирован в природных условиях. Нормы расхода препарата приведены в таблице 3.
Приведенные данные показали, что в результате использования изобретения удалось создать эффективный, простой и экономичный биопрепарат - нефтедеструктор с высокой активностью, свойствами минерального удобрения и с простым и рентабельным режимом получения - перспективный для очистки нефтезагрязненных почв, шламов, донных илов, осадка сточных вод, водоемов и резервуаров, в том числе районах с коротким тепловым периодом.