Биодеградация нефтезагрязнений под воздействием углеводородокисляющих микроорганизмов

УДК 631.41

https://doi.org/10.24411/2310-8266-2019-10109

Биодеградация нефтезагрязнений под воздействием углеводородокисляющих микроорганизмов

Э.Р. Бабаев

Институт химии присадок им. академика А.М. Кулиева НАН Азербайджана, AZ1029, г. Баку, Азербайджанская Республика E-mail: elbeibabaev@yahoo.de

Резюме: В работе была изучена биодеградация нефти и нефтепродуктов, извлеченных из нефтезагрязненных почв месторождения Сураханы Апшеронского полуострова Азербайджана. Определена способность микроорганизмов, выделенных из нефтезагрязненных почв, к биотрансформации нефтепродуктов различной конденсации: нефти, ее гексановых, бензольных и спиртобензольных фракций. Исследовано окисление нефти и нефтепродуктов углеводородокисляющими микроорганизмами. Состав рассматриваемых в работе нефтей исследовался в двух аспектах: во-первых, для установления закономерности распределения отдельных структурных групп в зависимости от фракционного состава и, во-вторых, для выявления особенностей структурно-групповых характеристик нефтей в биодеградационном процессе.

Ключевые слова: биодеградация нефти, нефтепродукты, нефтезагрязнения, углево-дородокисляющие микроорганизмы.

Для цитирования: : Бабаев Э.Р. Биодеградация нефтезагрязнений под воздействием углеводородокисляющих микроорганизмов // НефтеГазоХимия. 2019. № 1. С. 48-51. DOI:10.24411/2310-8266-2019-10109

BIODEGRADATION OF OIL POLLUTION UNDER THE EFFECTS OF HYDROCARBON-OXIDIZING MICROORGANISMS Elbei R. Babaev

Institute of Chemistry of Additives after Academician A.M. Guliyev, Azerbaidjan National Academy of Sciences, AZ1029, Baku, Azerbaidjan Republic E-mail: elbeibabaev@yahoo.de

Abstract: The paper studied the biodegradation of oil and oil products extracted from oil-polluted soils from the Surakhani field on the Absheron Peninsula, Azerbaijan. The capacity of microorganisms isolated from oil-polluted soils to biotransform different condensation oil products: oil, its hexane, benzene and alcohol-benzene fractions has been determined. The oxidation of oil and oil products by hydrocarbon-oxidizing microorganisms has been investigated. The composition of the oils described in the work was studied in two aspects: first, to determine the distribution pattern of individual structural groups depending on the fractional composition and, second, to identify the features of the structural-group characteristics of the oils in the biodegradation process.

Keywords: biodegradation of oil, oil products, oil spills, hydrocarbon-oxidizing microorganisms.

Характерной особенностью нефти как совокупности различных углеводородов является то, что, попадая в почву или водную среду, она разрушается, а составляющие ее углеводороды подвергаются частичному химическому окислению и микробному разрушению. Изучение поведения нефти в природных геосистемах, направленное на выявление закономерностей ее трансформации под воздействием микробных сообществ разных трофических уровней, является актуальной проблемой и может послужить теоретической основой организации мониторинга нефтяных загрязнений и эффективного восстановления нефтезагрязненных биоценозов.

Цель работы: изучение особенностей изменения химического состава и свойств почвенных нефтезагряз-нений в процессе их деградации под воздействием новых биологических препаратов, разработанных на основе отселектированных ассоциаций активных углеводородокисляющих микроорганизмов, способных эффективно очищать нефтезагрязненные почвы.

Экспериментальная часть

For citation: Babaev E.R. BIODEGRADATION OF OIL POLLUTION UNDER THE EFFECTS OF HYDROCARBON-OXIDIZING MICROORGANISMS. Oil & Gas Chemistry. 2019, no. 1, pp. 48-51.

DOI:10.24411/2310-8266-2019-10109

Технологические процессы добычи нефти и производства нефтепродуктов, их транспорт и хранение неизбежно связаны с потерями, иногда значительными. Наиболее тяжелые и опасные последствия возникают при аварийном фонтанировании скважин, прорыве нефтепроводов, нарушении герметичности транспортных средств и нефтехранилищ. Это приводит к возникновению экологически опасных ситуаций, вызывающих разрушение почвенного покрова, загрязнение атмосферы, проникновение нефти в водоемы и в конечном счете к отрицательному воздействию на здоровье человека [1-6].

Объектами исследований служили:

- образцы почв, сырых нефтей с территории нефтедобывающего района Сураханы Апшеронского полуострова Азербайджана, отобранные на расстоянии 0-5, 0-10, 0-15 и 0-20 м и с глубины 0-5, 0-10, 0-15 и 0-20 см от источника загрязнения. В качестве контроля отобраны незагрязненные почвы соответствующих месторождений;

- нефтезагрязнения, выделенные из почв перечисленных месторождений;

- углеводородокисляющие штаммы микроорганизмов из коллекции Института химии присадок Национальной академии наук Азербайджана (ИХП НАНА): Pseudomonasfluorescenses (ВКМ, В-542) Pseudomonasaeruginosa (ВКМ, В-876); Rhodococcusluteus (ВКМ, AS-960); Rhodococcuserythropolis (ВКМ-858); МусоЬайепит1айюо1ит (ВКМВ-355); из дрожжевых -Candidatropicalis, Candidaguillermondii.

Кроме тестированных для экспериментов были использованы выделенные из нефтезагрязненных почв исследу-

НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ЗАЩИТА ЭКОСИСТЕМ И УТИЛИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

емых месторождений и отселектированные активные угле-водородокисляющие микроорганизмы.

Разделение нефтей: нативных, выделенных из почв, и остаточных (после биодеградации) на отдельные фракции проводили хроматографическим способом [7] с применением микроколонок с двойным сорбентом (внизу окись алюминия, вверху - силикагель Л-40/100 мк (Chemapol, Чехия). Элюцию углеводородов осуществляли гексаном, бензолом и смесью спиртобензольной (1:1 v/v). Полученные гексановые, бензольные и спиртобензольные фракции упаривали на воздухе и досушивали в вентилируемом сушильном шкафу при 75 °С до постоянного веса. Содержание фракций определяли в пересчете на исходную навеску пробы. Элюцию углеводородов осуществляли гексаном. Смолистые вещества элюировали сначала бензолом (для выделения нейтральных бензольных смол), а затем этанол-бензолом (для выделения кислых этанол-бензольных смол). Структурно-групповой состав исследуемых фракций определелен методом Фурье ИК-спектроскопии на инфракрасном спектрометре Varian 3600 в диапазоне 4000-400 см-1. Газохроматографиче-ские и масс-спектрометрические анализы проводили на приборе Thermo MD 800 (GC 8000 Series) GC/MSsystem, с помощью автосэмплера (autosamplerFisonsAS-800), 1 мл пробы вводили в инжектор (splitlessmode) при 280 °С. Применялась газохроматографическая колонка (ID-BPX5 0,25) фирмы SGEB, длиной 30 м, fusedsilica - капиллярная колонка с внутренним диаметром 0,25 мм. Газ-носитель - гелий. Температуру поднимали от 80 до 300 °С (Quadrupol Mass Spectrometer MD 800).

Для выделения и культивирования бактериальных культур использовали среду состава (г/л): K2HPO4 - 1,0; KH2PO4 -

0,5; MgSO4•7H2O - 0,2; FeC|3 - 0,01; NH4Cl - 0,1. Для культивирования дрожжей - среду следующего состава, г/л: К2НР04 - 0,75; КН2Р04 - 0,7; MgSO4 - 0,5; NaCl - 0,1; ^Н4) НР04 - 3,5, вода водопроводная - 1000 мл рН - 4,5-5,0.

Учет количества микроорганизмов в почве может быть произведен путем учета количества колоний, вырастающих на питательной среде после засева ее разведениями почвы.

Результаты и обсуждение

В образцах почв был проведен ряд физико-химических и микробиологических анализов: влажность, рН, содержание нефти и общее количество микроорганизмов, в том числе бактерий, грибов и дрожжевых. Результаты микробиологического анализа (табл. 1 и 2) показали, что общее содержание микрофлоры в нефтезагрязненных почвах ниже, чем при отсутствии нефтезагрязнений. Микрофлора в основном представлена различными видами бактерий, дрожжевая и грибковая микрофлора очень малочисленна. Такое состояние характерно для почв, длительное время подвергавшихся нефтезагрязнениям. В почвах, несильно загрязненных нефтью, обитает большое количество угле-водородокисляющих микроорганизмов. Очевидно, они достаточно адаптированы к данной среде и используют нефтепродукты в качестве источника питания. На количестве микроорганизмов, обитающих близко (5 м) к источнику загрязнения сказывается отрицательное влияние не-фтезагрязнений, имеющихся в этой почве в относительно большом количестве.

Результаты исследований почв, отобранных с различной глубины от источника загрязнения приведены в табл. 2,

Таблица 1

Характеристика образцов почв, отобранных на различном расстоянии от источника загрязнения

Растояние от Месторож- источника дение загрязнения, м

Сураханы

Влажность, %

гигроскопическая

рН

Содержание нефти,

%

Общее количество микроорганизмов в 1 г абсолютно сухой почвы

общие бактерии

углеводоро-докисляющие бактерии

грибы

17,0

1,9

6,2

3,9

38 105

16 104

контроль

5,0

7,0

53 106

9 104

дрожжи

12 104 6 103

10 7,13 2,2 6,5 5,1 40- 105 14- 104 45- 104 6- 103

15 5,3 1,7 6,2 4,3 35- 105 12- 104 43- 104 7- 103

20 3,0 0,6 6,5 3,8 46- 105 11 104 47- 104 9- 103

41104 9 103

полевая

5

Таблица 2

Характеристика почв, отобранных с различной глубины от источника загрязнения

X

Образец почвы, глубина, см

Влажность, % рН почвы

Содержание нефти, %

Общее количество микроорганизмов в 1 г абсолютно сухой почвы

бактерии

общие

углеводород-окисляющие

грибы

дрожжи

Сураханы

0-5 28 6,46 9 66- 105 50- 104 17 103 5- 103

0-10 25 6,5 13,4 44. 105 39- 104 4 103 11 103

0-15 17 6,58 12,2 36- 105 38 104 12 103 9- 103

0-20 42 6,5 20 31 105 29- 104 5 103 7- 103

Контроль 17 7,3 - 11 106 19- 104 2 103 9- 103

1 •2019

НефтеГазоХимия 49

откуда видно, что в отобранных из различных глубин образцах почв значения концентрации нефти и влажности разные. Это определенным образом влияет на рост и развитие микроорганизмов. Общее количество бактерий уменьшается с увеличением глубины обитания. Однако наблюдались и некоторые отклонения. Так, несмотря на то что в почвах месторождения Сураханы на глубине 20 см наблюдалась высокая влажность (42%), что должно было бы положительно влиять на развитие микроорганизмов, на этой глубине выявлено меньшее количество бактерий. Очевидно, недостаточность кислорода, питательных веществ, а возможно, и отрицательное воздействие данной концентрации нефти и природы грунтовых вод отрицательно повлияли на рост и развитие микроорганизмов.

С использованием элективных (избирательных) сред выделены и количественно охарактеризованы: аэробные, анаэробные, азотфиксирующие и целлюлозоразлагаю-щие, а также нитрофицирующие, денитрофицирующие, споровые бактерии и актиномицеты (табл. 3, рис. 1).

Фиксация азота является одним из важных звеньев в круговороте азота, то есть способствует обогащению почвы азотом. Азотофиксирующие бактерии встречаются почти во всех почвах. Среди свободноживущих в почвах азот-фиксаторов имеются аэробные и анаэробные микроорганизмы.

Аэробных азотфиксирующих бактерий в загрязненной почве несколько меньше, чем в контрольной. Нефтяное загрязнение действует отрицательно на развитие этих бактерий, а глубина залегания мало влияет на их рост (табл. 3.). Результаты изучения целлюлозоразлагающих аэробов приведены в табл. 3, откуда следует, что наличие нефти, возможно, препятствует нормальной аэрации почв, что сказывается на развитии микроорганизмов. Среди бактерий, разлагающих клетчатку в анаэробных условиях, встречаются мезофилы (температурный оптимум 30-34 °С, минимум 10-15 °С) и термофилы (развиваются в зоне 5575 °С, а минимум не ниже 35-40 °С). Из результатов подсче-

тов числа бактерий (см. табл. 3) следует, что эти бактерии хорошо развиваются в углубленных слоях почвы. Наличие небольшого количества нефти в почвах положительно влияет на их развитие.

Из анализа данных табл. 3 также следует: денитрифика-торы лучше развиваются в анаэробных условиях. Споровые формы микроорганизмов хорошо развиваются в более глубоких слоях почвы в условиях, близких анаэробным (рис. 1).

В условиях лабораторного эксперимента были проведены работы по изучению особенностей преобразования химического состава нефтезагрязнений в процессе их микробиологической деградации в почве. Проведена оценка изменения фракционного состава выделенных из загрязненных почв нефтей после их биодеградации различными микроорганизмами в жидких средах и в почвах, отражающая качественные и количественные изменения состава нефти.

На первом этапе исследований с использованием адсорбционного метода анализа исходные и остаточные нефтепродукты разделяли на три групповых компонента: гексановая фракция (содержит нафтено-парафиновые и ароматические углеводороды); бензольная (полициклические ароматические углеводороды, бензольные смолы); этанол-бензольная (нафтеновые кислоты, этанол-бензольные смолы). Результаты их исследований приведены в табл. 4

При исследовании нефтяных загрязнений, выделенных из районов эксплуатации скважин, показано, что в отличие от добываемых нефтей нефтяные загрязнения не содержат легких фракций и характеризуются более высокой плотностью.

Из табл. 4 следует, что состав нефтяных экстрактов, извлеченных из почв, заметно отличается от состава исходной нефти. Значительно возрастает плотность: с 0,8488 до 0,8922. Увеличение плотности экстрактов, по сравнению с исходной нефтью происходит, очевидно, за счет снижения

Таблица 3

Количественный учет микроорганизмов

Количество бактерий в 1 г абсолютно сухой почвы

отбора, см аэроб. азотфикс. анаэр. азотфикс. аэроб. цел. разлаг. анаэр. целл. разлаг. нитрификатор денитри-фикатор Споровые Актиномицеты

0-5 29 102 22 102 16 102 16 102 19 102 23 102 103 104 88 104

0-10 31102 26 102 15 102 18 102 18 102 24 102 156 104 106 104

0-15 30102 30 102 13 102 18 102 15 102 26 102 190 104 65 104

0-20 31102 60 102 10 102 19 102 15 102 51102 281104 155 104

Контр. 43 102 18 103 19 102 9 102 24 102 19 102 13 104 491104

Таблица 4

Общая характеристика нефтей и экстрактов с нефтезагрязненных почв

Объект исследования 3 Компонентный состав фракции, %

Гексановая Бензольная спирто-бензольная

Нефть (исходная) 0,8488 41 1,4880 19,5 1,5229 10

Нефтяное загрязнение (НЗ) 0,8922 39 1,4815 17 1,5225 12

Нефтяное загрязнение после биодеградации (в жидкости) 0,8667 34,2 п2° 1,4878 15,2 1,5010 15

Нефтяное загрязнение после биодеградации в почве 0,8901 п2° 1,4866 16,2 1,5116 16,3

НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU

ЗАЩИТА ЭКОСИСТЕМ И УТИЛИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

*о-

анаэробные азотфиксирующие аэробные азотфиксирующие

в их составе масел и увеличения доли смолистых веществ, с 10 до 12%. При активизации микробиального процесса путем внесения питательного субстрата происходит дополнительное образование спиртобензольных смол.

С учетом того, что в процессах очищения почв от нефти значительную роль играют микроорганизмы важно определить, какие компоненты нефтепродуктов в первую очередь перерабатываются ими. В условиях природного микробиоценоза наблюдается ассимиляция разных фракций нефти различными группами микроорганизмов. Трудно утилизируемые субстраты - это тяжелые фракции нефти, такие как этанол-бензольные смолы, бензольные смолы, масла. В опытах использовали следующие фракции нефти: гексановая (содержит нафтенопарафиновые и ароматические углеводороды), бензольная (полициклические, ароматические углеводороды, бензольные смолы), этанол-бензольные (нафтеновые кислоты, этанол-бензольные смолы) .

Нефтедеградирующую активность исследуемых ассоциаций оценивали по суммарному показателю убыли нефти в жидкой среде, определяемую весовым методом. Однако можно полагать, что при биодеградации нефти происходит не просто количественное снижение содержания мазута, но и качественное изменение его фракционного состава, то есть избирательное потребление его компонентов.

Результаты исследований деструктивной активности выделенных из почв микроорганизмов и их смесей свидетельствуют о разнонаправленности активности в отношении отдельных фракций нефтепродуктов и нефтей, выделенных из почв различных месторождений. Как видно из результатов, все отобранные микроорганизмы обладают различной эффективностью по отношению к различным фракциям

Количественный учет микроорганизмов

Ш1

аэробные целлюлозоразлагающие анаэробные целлюлозоразлагающие

нитрофицирующие денитрофицирующие

iL

I спорообразующие актиномицеты

нефтей из загрязненных почв. По-видимому, наиболее легко подвергаются утилизации микроорганизмами углеводороды гексановой фракции.

Выводы

1. Общее содержание микрофлоры в нефтезагрязнен-ных почвах ниже, чем в незагрязненных.

2. Концентрация нефти в почве до 5% стимулирует рост численности и окислительную активность углеводородо-кисляющей почвенной микрофлоры.

3. Повышение концентрации загрязнений (8-10% и выше), оказывает угнетающее действие на них и, как следствие, на процессы биодеградации углеводородов нефти.

4. Наиболее легко подвергаются утилизации микроорганизмами углеводороды гексановой фракции (нафтено-па-рафиновые), степень деструкции 54-65%.

5. Утилизация бензольных и этанол-бензольных смол, являющихся труднодоступным субстратом для микроорганизмов, происходила сложнее, в пределах 13,6-38,0%.

1С

15

2С

контроль

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Керимов С.В., Исмаилов Н.М. Экологические критерии выбора технологий очистки нефтезагрязненных почв на Апшеронском полуострове // Нефтяное хозяйство Азербайджана. 2008. № 3. С. 64-69.

2. Исмаилов Н.М. Биоочистка твердых материалов, загрязненных нефтью и неф-тепродуктами // Азербайджанское нефтяное хозяйство. 2010. № 10. С. 68-71.

3. Кадымов А.Г. Экологические проблемы старых нефтяных месторождений Азербайджана // Азербайджанское нефтяное хозяйство. 2005. № 11. С. 60-65.

4. Бабаев Э.Р. Особенности преобразования углеводородного состава

REFERENCES

1. Kerimov S.V., Ismailov N.M. Environmental criteria for the selection of technologies for cleaning oil-polluted soils on the Absheron Peninsula. Neftyanoye khozyaystvo Azerbaydzhana, 2008, no. 3, pp. 64-69 (In Russian).

2. Ismailov N.M. Bio-cleaning of solid materials polluted by oil and oil products. Azerbaydzhanskoye neftyanoye khozyaystvo, 2010, no. 10, pp. 68-71 (In Russian).

3. Kadymov A.G. Ecological problems of old oil fields in Azerbaijan Azerbaydzhanskoye neftyanoye khozyaystvo, 2005, no. 11, pp. 60-65 (In Russian).

4. Babayev E.R. Features of the conversion of the hydrocarbon composition of the

нефтей Апшеронского полуострова в процессе их микробиологической деградации в почве // Территория Нефтегаз. № 6. 2018. С. 104-112.

5. Macaulay B.M., Rees D. Bioremediation of Oil Spills: a Review of Challenges for Research Advancement // Annals of Environmental Science. 2014. Vol. 8. P. 9-37.

6. Бабаев Э.Р., Мовсумзаде М.Э. Преобразование нефти в процессе ее микробиологической деградации в почве // Башкир. хим. журн. 2009. Т. 16. № 3. С. 80-87.

7. Современные методы исследования нефтей: справ.-метод. пособ. / под ред. А.И. Богомолова и др. Л.: Недра. 1984. 431 с.

Absheron Peninsula oils in the process of their microbiological degradation in the soil. Territoriya Neftegaz, 2018, no. 6, pp. 104-112 (In Russian).

5. Macaulay B.M., Rees D. Bioremediation of oil spills: a review of challenges for research advancement. Annals of Environmental Science, 2014, vol. 8, pp. 9-37

6. Babayev E.R., Movsumzade M.E. Transformation of oil in the process of its microbiological degradation in the soil. Bashkirskiy khimicheskiy zhurnal, 2009, vol. 16, no. 3, pp. 80-87 (In Russian).

7. Sovremennyye metodyissledovaniya neftey [Modern methods of oil research]. Leningrad, Nedra Publ., 1984. 431 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Бабаев Эльбей Расимович, к.х.н, в.н.с., Институт химии присадок им. акад. Elbei R. Babaev, Cand. Sci. (Chem.), Leading Researcher, Institute of Chemistry of А.М. Кулиева НАН Азербайджана. Additives after Academician A.M. Guliyev, Azerbaidjan National Academy of Sciences.

1 •2019

НефтеГазоХимия 51