Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов (Нефтедеструктор)
PREPARATION FOR BIODEGRADATION OF OIL AND OIL PRODUCTS (OIL DESTRUCTOR)

Изобретение относится к биотехнологии и экологии, а именно, к композициям для очистки грунта и водных объектов, загрязненных нефтяными и полициклическими ароматическими углеводородами с одновременным восстановлением физико-химических свойств и естественного биоценоза почв и акваторий.
Нефтедеструктор предназначается для обезвреживания нефтесодержащих отходов и изъятых нефтезагрязненных грунтов, прошедших этап очистки механическим, физическим или физико-химическим способами; локализации и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов; рекультивации нефтезагрязненных земель; очистки водных объектов от нефтяной пленки.
Применение биопрепаратов-нефтедеструкторов, включающих в свой состав штаммы углеводородокисляющих микроорганизмов, является самым экологически безопасным способом очистки и восстановления нефтезагрязненных сред ввиду образования нетоксичных продуктов в процессе биодеструкции углеводородной фазы. В настоящее время известно большое количество биопрепаратов-нефтедеструкторов.
7
10
Из документа RU 2681831 (МПК C12N 1/20, B09C 1/10, C02F 3/34, C12R 1/01, опубликован 12.03.2019 г.) известен препарат для биодеградации нефтепродуктов, включающий ассоциацию бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythropolis ВКПМ AC-1269 иммобилизованную на глауконитсодержащем носителе в количестве 10 - 10 клеток/г.
9
Из документа RU 2668789 (МПК C12N 1/26, B09C 1/10, C02F 3/34, C12R 1/01, C12R 1/06, C12R 1/40, опубликован 02.10.2018) известен биопрепарат-нефтедеструктор, представляющий собой ассоциацию нефтеокисляющих почвенных микроорганизмов, содержащую в качестве нефтеокисляющих почвенных микроорганизмов бактерии рода Bacillus atrophaeus ARK-81, Pseudomonas putida ARK-1301, Rhodococcus sp. ARK-66, Artrobacter sp. ARK-950, Bacillus megaterium ARK-396, выращенные при раздельном культивировании и смешанные до общего содержания бактерий 15-20×10кл/мл.
Наиболее близким аналогом изобретения является техническое решение, описанное в патенте РФ RU2516412 (МПК B01J 20/10, B01J 20/283, C02F 3/34, C02F 1/28, B09C 1/10, C12R 1/125, C12R 1/32, C12R 1/38, C12R 1/40, опубликован 20.05.2014 г.). Из прототипа известен препарат для очистки воды и почвы от нефтяных загрязнений, содержащий микроорганизмы - деструкторы нефти, сорбент, микроудобрения, причем в качестве деструкторов нефти он содержит 75-85% от общего количества клеток ассоциацию нефтеокисляющих микроорганизмов: Bacillus subtilis ВКМ В-81, Pseudomonas spp. ВКМ В-892, Pseudomonas putida ВКМ В-1301, Rhodococcus sp. ВКМ Ac-950, Mycobacterium flavescens ВКМ Ac-1415, a также почвенные бактерии Agrobacteium radiobacter ВКМ В-1219 - 15-25% от общего числа клеток, криопротектор - глицерин, сорбент, представляющий собой мелкодисперсный дегидратированный цеолит с размером гранул 0,1-0,5 мм, опудренный наночастицами Аэросила А-300, микроудобрения - азотнокислый натрий 0,5% и фосфорнокислый калий 0,5%, при определенном соотношении компонентов.
Исходя из предшествующего уровня техники, техническая проблема состоит в создании препарата-нефтедеструктора, способного активно и эффективно работать в широком влажностно-температурном диапазоне, что позволит использовать его в разных климатических зонах.
Технический результат заключается в увеличении эффективности консорциума при использовании в более широком влажностно-температурном диапазоне от -10°C до +40°C, в том числе и со значительными суточными перепадами температур, а также в возможности утилизации углеводородной фазы при высокой концентрации солей в почве. Консорциум имеет высокую адаптивность к экстремальным условиям окружающей среды.
При проведении рекультивации нефтезагрязненных земель данный препарат можно использовать с гуматами, что позволяет улучшить качество почвы после очистки.
9
Для достижения указанного технического результата препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов (нефтедеструктор), включающий ассоциацию бактерий: Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, содержит штамм бактерий Bacillus megaterium ВКМ B-112. Общее содержание клеток бактерий в суспензии не менее 1×10КОЕ/мл.
В частном случае препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов может дополнительно содержать бактерии Agrobacterium radiobacter ВКМ В-1219 и/или бактерии Pseudomonas turukhanskensis ВКМ В-2935.
Дополнительный штамм бактерий Pseudomonas turukhanskensis ВКМ В- 2935 усиливает фенолокисляющую способность, а также работает при пониженных температурах окружающей среды, что дает перспективу его использования в регионах с коротким тепловым периодом.
В частном случае препарат для биодеградации нефтепродуктов может дополнительно содержать криопротектор - глицерин, азотнокислый натрий и/или фосфорнокислый калий. Причем азотнокислый натрий содержится в количестве 0,5% масс., фосфорнокислый калий содержится 0,5% масс.
9
9
Препарат для биодеградации может быть в виде водной суспензии с титром клеток не менее 1×10 КОЕ/мл, предпочтительно (1-3)×10 КОЕ/мл.
11
11
Препарат для биодеградации может быть в виде лиофильно высушенной биомассы штаммов с титром клеток обезвоженного продукта не менее 1×10 КОЕ/г, предпочтительно (1-8)×10 КОЕ/г.
Препарат для биодеградации может быть в виде сухой формы, иммобилизованной на сорбенте. В качестве сорбента используют цеолиты, или глаукониты, или измельченные остатки древесины или торфа.
Препарат на сорбенте может быть получен методом контактно-сорбционного обезвоживания путем иммобилизации концентрированной суспензии препарата на сорбенте в шнековым смесителе, в соотношении 1:10.
Препарат для биодеградации нефтепродуктов может дополнительно содержать почвоструктуратор, в качестве которого могут быть использованы гуминовые вещества, состоящие из гуминовых кислот и/или их солей.
В препарате штаммы бактерий Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, Bacillus megaterium ВКМ B-112 могут быть в следующих соотношениях 3:1:1:1:1:3; 2:1:1:1:1:2 или в равных соотношениях. При этом отклонение от указанных соотношений до 10% входит в указанные соотношения.
Доля клеток отдельных бактерий каждого штамма в ассоциации составляет 8-15%.
Как известно, фосфор и азот жизненно необходимы бактериям для роста и развития. Технический результат достигается за счет использования штамма бактерий Bacillus megaterium ВКМ B-112. Штамм бактерий Bacillus megaterium ВКМ B-112 является не только нефтеокисляющим, но и способен выщелачивать фосфор (растворять, высвобождать) из объектов литосферы, делая его доступным для растений и других бактерий. Данный штамм Bacillus megaterium ВКМ B-112 является спорообразующим и способен выживать в суровых климатических условиях, а также при больших перепадах температур. Другой почвенный штамм Agrobacterium radiobacter является азотофиксирующей бактерией. Данные штаммы в совокупности являются хорошими структураторами почвы и помогают другим бактериям лучше расти и развиваться в нефтезагрязненной почве.
Ассоциация микроорганизмов может подобрана так, что различные штаммы дополняют друг друга, что обеспечивает эффективность их использования в более широком влажностно-температурном диапазоне от -10°C до +40°C, в том числе и с значительными суточными перепадами температур.
Материалы, поясняющие сущность изобретения:
Таблица 1 - Остаточное содержание нефтепродуктов в почве после обработки препаратом.
Таблица 2 - Результаты лабораторных исследований.
Препарат получают следующим образом. Микроорганизмы биопрепарата Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, Bacillus megaterium ВКМ B-112 выращиваются раздельно в биореакторе известными способами, затем готовят микробную ассоциацию смешиванием в одной емкости расчетных долей культуральных жидкостей.
Препарат может быть в виде однородной жидкой суспензии, сухой формы на сорбенте и сублимированного порошка.
9
11
9
Количество клеток микроорганизмов в зависимости от агрегатной формы препарата: однородная жидкая суспензия - (1-3)×10 КОЕ/мл; сублимированная форма - (1-8)×10 КОЕ/г; сухая форма на сорбенте - (5-7)×10 КОЕ/г.
Возможна адаптация консорциума под конкретный регион путем внесения аборигенных микроорганизмов, выделенных из образцов почвы нефтезагрязненного участка, на котором планируется проведение рекультивационных работ, в основной состав.
Готовый препарат в виде однородной жидкой суспензии и сублимированного порошка в активированном состоянии представляет собой жидкость от светло-коричневого и желтого до насыщенного темно-коричневого цвета со специфическим запахом, свойственным данному продукту.
Изобретение подтверждается следующими примерами:
Пример 1. Препарат получают следующим образом:
Микроорганизмы биопрепарата культивируют раздельно в промышленных ферментерах на 70-300 литров. В качестве питательной среды используется глюкозо-пептонно-дрожжевая среда. Для адаптации бактерий к деструкции углеводородов на заключительной стадии культивирования добавляется 0,5 л солярки. Ферментер и питательную среду стерилизуют при температуре 120°C в течение 30 минут. рН поддерживается на уровне 7,2 при помощи аммиачной воды.
-1
Выращивание микробных культур в ферментере проводят при температуре 32+1°C с постоянной подачей воздуха для аэрации и вращением мешалки 250 об*мин в течение 35+2 ч. Контроль за температурой, расходом воздуха, разрежением в полости ферментера и рН осуществляют по ротаметру, мановакуумметру и уравновешенному мосту. Культивирование прекращают при достижении рН (7,5±0,5) ед. рН.
9
Для приготовления жидкой формы препарата все микроорганизмы смешиваются в отдельной емкости в необходимых соотношениях. Общее количество контролируется методом высева на плотной питательной среде (ГРМ-агар). Количество живых клеток составляет (1-3)×10 КОЕ/мл.
В готовую смесь могут быть внесены необходимые добавки: азотнокислый натрий и фосфорнокислый калий, а также глицерин. Жидкую форму препарата расфасовывают в полиэтиленовые емкости с дыхательным клапаном объемом от 1 до 25 литров.
9
Сухую форму препарата получают методом контактно-сорбционного обезвоживания с иммобилизацией концентрированной суспензии на структурированных подготовленных сорбентах, имеющих пористую структуру, в шнековом смесителе. Сорбенты предварительно прокаливаются при температуре 350-400°C. Количество клеток в форме на сорбенте - (5-7)×10 КОЕ/г. При указанной технологии приготовления препарата влажность продукта составляет 8-10%.
11
Сублимированная форма производится на промышленной сублимационной сушильной установке ТГ-50. Количество клеток в готовом продукте составляет не менее 1×10 КОЕ/г.
Форма, марка и вид применяемых препаратов варьируется в зависимости от агрегатной формы загрязненной среды, удаленности региона, вида и степени загрязнения.
Пример 2.
2
Апробация Нефтедеструктора осуществлялась в районе с коротким вегетационным периодом. В ходе проведения испытаний исследовалось совместное применение препарата и почвоструктуратора - гумино-минерального комплекса «Био-ГМК». Местом проведения являлась территория с антропогенным рельефом на территории одного из месторождений, находящегося на территории Ханты-Мансийского округа - Югры, на поверхности которой были отмечены нефтяные загрязнения и разливы, а также нарушенные нефтезагрязненные земли с повышенным содержанием солей. Под проведение мероприятий был выделен участок площадью 900 м.
Активация жидкой концентрированной формы Нефтедеструктора происходила в течение 48 часов в двухкубовой емкости с использованием местной болотной воды, включающей в себя аборигенные нефтеокисляющие микроорганизмы. Было осуществлено поддержание непрерывной аэрации с помощью компрессора и температуры воды на уровне 24-27°C. В качестве элементов минерального питания были использованы аммиачная селитра (3 кг), монокалийфосфат (2 кг) и «Азофоска» (3 кг). В качестве источника углерода был внесен сахар в количестве 10 кг.
Биологический этап рекультивации включал в себя внесение Нефтедеструктора и почвоструктуратора «Био-ГМК» на характерные загрязненные участки и последующий посев фитоэталонной смеси.
Результаты лабораторных исследований по остаточному нефтесодержанию представлены в таблице 1.
Помимо отслеживания динамики на двух маркированных участках, был выбран третий объект (вход на 1 участок), имеющий высокую концентрацию углеводородов, который также был обработан Нефтедеструктором.
Проведенные испытания доказали эффективность применения биопрепарата Нефтедеструктор на нефтезагрязненных и нарушенных землях, а также синергетический эффект при его совместном применении с почвоструктуратором «Био-ГМК». Было достигнуто значение показателя нефтесодержания на нефтезагрязненных и нарушенных землях на уровне ниже установленных нормативов для территорий Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, а также обеспечен устойчивый растительный покров. Было доказано, что входящий в состав консорциум способен утилизировать углеводородную фазу при высокой концентрации солей в почве, что подтверждает его адаптивность к экстремальным условиям окружающей среды.
Анализ полученных экспериментальных данных на одном из действующих месторождений Ханты-Мансийского автономного округа - Югры показал высокую нефтеокисляющую способность Нефтедеструктора (более 85% деструкции углеводородов), что дает перспективу его дальнейшего использования в условиях Западной Сибири.
Пример 3.
Местом проведения испытаний являлась территория с антропогенным рельефом на территории свалки, на поверхности которой были отмечены отвалы отходов и определено наличие нефтепродуктов в почве (земельный участок, занятый свалкой промышленных и бытовых отходов, расположенной за кладбищем «Красная Этна» на территории Шуваловской промзоны в Ленинском районе города Нижнего Новгорода).
Территория Шуваловской промзоны более чем 20 лет использовалась в качестве полигона захоронения твердых коммунальных и строительных отходов. На протяжении нескольких последних лет были отмечены случаи очагового горения на данной территории.
Было принято решение провести рекультивацию данного участка и в дальнейшем использовать его для нужд города. После удаления отходов с территории свалки было необходимо проведение комплекса рекультивационных мероприятий, позволяющих уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, а также улучшить ландшафт территории и подготовить ее для возможного строительства.
С учетом наличия на территории нефтезагрязненных грунтов было предложено использовать биологические методы деструкции углеводородов с использованием микроорганизмов-нефтедеструкторов.
На Шуваловской промзоне была оборудована и предоставлена тестовая площадка с изоляцией для проведения опытно-промышленных испытаний.
Последовательность проведения опытно-промышленных испытаний:
1) Активация Биопрепарата в сухой форме на сорбенте в течение 3 часов (аэрирование с помощью компрессора) с добавлением удобрений;
2) Приготовление раствора гумино-минерального комплекса «Био-ГМК», 1%;
3) Внесение необходимого количества препарата на каждую площадку.
Были отобраны пробы в день постановки эксперимента с площадок без внесенных препаратов и в день окончания эксперимента (через 45 суток) со всех площадок.
В течение всего периода проведения опытно-промышленных испытаний проводились работы по рыхлению (аэрированию) и поливу (при необходимости) почвы для лучшего развития и жизнедеятельности нефтеокисляющих микроорганизмов.
В таблице 2 представлены результаты исследований, полученные с помощью аккредитованной лаборатории промышленной и экологической токсикологии отдела биологических исследований НИИ химии ННГУ им. Н.И. Лобачевского.
При обработке нефтезагрязненного грунта с различной концентрацией нефтепродуктов (от 10% до 15%) Нефтедеструктором в сочетании с гумино-минеральным комплексом отмечается снижение концентрации токсиканта в грунте на 54-76% за 45 суток, что говорит об эффективности применяемой комбинации препаратов и стимулирующем действии гуматов при разложении углеводородов.
Лабораторный анализ на содержание в грунте подвижных форм тяжелых металлов показал, что в обработанном грунте их количество значительно снизилось, что говорит способности гуминовых веществ к иммобилизации суперэкотоксикантов.
Содержание в почве бенз(а)пирена, канцерогенного вещества, значительно снизилось после обработки нефтезагрязненного грунта Биопрепаратом в сочетании с органоминеральным комплексом.
Пример 4.
В ноябре 2019 года были проведены испытания Нефтедеструктора в поселении Вороновское на территории НПО «Волга-Экология» в Троицком районе города Москвы. Планировалась закладка эксперимента на зиму и отбор проб весной 2020 года для проверки эффективности действия биопрепарата в межсезонный период, а также жизнеспособности микроорганизмов в условиях пониженных температур.
В ходе подготовки к проведению опытно-промышленных испытаний была оборудована площадка для проведения исследований.
Порядок проведения опытно-промышленных испытаний:
1) Активация сублимированной формы Нефтедеструктора в течение 1 часа (аэрирование с помощью компрессора) с добавлением удобрений;
2) Создание модельного загрязнения на площадках (дизельное топливо + мазут = 1:2 в качестве загрязнителя)
3) Разравнивание загрязненного грунта;
4) Внесение необходимого количества препарата на каждую площадку.
В лаборатории РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина были проведены исследования на остаточное содержание нефтепродуктов в почве гравиметрическим методом при помощи экстрактора.
При использовании Нефтедеструктора было отмечено снижение модельного загрязнения с 14,8 до 2,9%, что составляет более 80% эффективности.
Проведены опытно-промышленные испытания препарата для определение деградирующей способности, экономической целесообразности и надежности применения биопрепарата для снижения времени рекультивации земель и сокращения затрат на эколого-восстановительные мероприятия. Препарат был испытан на восьми площадках в разных регионах России и показал высокую эффективность. Промышленные испытания на объектах нефтедобычи продемонстрировали оперативность действия технологии - в течение 72 часов степень очистки достигла 94%.
Область применения препарата велика - от обеззараживания нефтезагрязненных природных водоемов и почв до обезвреживания отходов химической промышленности. Препарат-нефтедеструктор способен активно и эффективно работать в широком влажностно-температурном диапазоне, что позволяет его использовать в разных регионах мира.
Таблица 1 - Остаточное содержание нефтепродуктов в почве
Наименование пробы
Остаточное содержание нефтепродуктов в почве, г/кг
Эффект, %
Постановка ОПИ
10 суток
30 суток
45 суток
Нефтезагрязненный участок (1)
218,6
57,1
35,8
32,2
85,27
Нефтезагрязненный участок с повышенным содержанием солей
92,2
42,2
21,4
12,1
86,88
Вход на участок 1
415,4
351,3
242,4
55,5
86,64
Таблица 2 - Результаты лабораторных исследований
Входной контроль
Выходной контроль
№ пробы
Содержание нефтепродуктов, мг/кг
Результат биотестирования и фитотестирования
№ пробы
Содержание нефтепродуктов, мг/кг
Результат биотестирования и фитотестирования
1.1*
24150
- Не оказывает острое и хроническое токсическое действие- «практически неопасный»- относятся к V классу опасности
1.2
5883
- Не оказывает острое и хроническое токсическое действие- «практически неопасный»- относятся к V классу опасности
2.1
41859
-Не оказывает острое и хроническое токсическое действие- «практически неопасный»- относятся к V классу опасности
2.2
18958
- Не оказывает острое и хроническое токсическое действие- «практически неопасный»- относятся к V классу опасности
* Прим. 1.1, 2.1 - необработанные биопрепаратом площадки с концентрацией нефтепродуктов 10% и 15% соответственно; 1.2, 2.2 - обработанные Нефтедеструктором и «Био-ГМК» площадки с концентрацией нефтепродуктов 10% и 15% соответственно