Характеристика Белвитамила, используемого для рекультивации нефтезагрязненных природных объектов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 502.6:631.6:576.8

ХАРАКТЕРИСТИКА БЕЛВИТАМИЛА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

© Н. А. Киреева*, Т. С. Онегова, А. С. Григориади

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Фрунзе, 32.

Тел./факс: +7 (347) 273 6712.

E-mail: [email protected]

В статье приводится физико-химическая, микробиологическая, ферментативная и токсикологическая характеристика биопрепарата Белвитамил, представляющего собой активный ил целлюлозно-бумажного производства. Определялись свойства избыточного ила как сорбента для сбора и удаления нефти. В результате выявлено, что микробная ассоциация активного ила обладает всеми необходимыми качествами для биореагента, способствующего деградации нефти.

Ключевые слова: биопрепарат Белвитамил, нефтеемкость, ферментативная активность, микробиота препарата, углеводородокисляющая активность.

Одним из методов рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепромысловыми пластовыми водами, является стимулирование окислительной активности микробиоты. Большинство микробиологических технологий предусматривает внесение в почву выращенных в ферментерах микроорганизмов отдельных физиологических групп и питательных веществ, для активизации их деятельности, а также деятельности аборигенной микробиоты.

Однако более эффективной очистки почвы от нефти можно добиться, используя ассоциацию микроорганизмов, которая обладает более полным, по сравнению с чистыми культурами, набором ферментных систем. Таким сообществом, где находится наибольшее скопление бактерий, является избыточный активный ил, образующийся при биологической очистке сточных вод промышленных предприятий.

Материалы и методы

Объектом наших исследований явился активный ил целлюлозно-бумажного производства, как экологически безопасный, доступный, дешевый биореагент, известный под названием Белвитамил [1]. Были изучены его физико-химические свойства, микробиологический состав, ферментативная активность и углеводородокисляющая активность.

Численность и состав микробиоты ила определяли общепринятыми методами посева суспензии на твердые питательные среды [2]. Ферментативная активность ила определялась по методам, описанным Ф. Х. Хазиевым [3]. Изучение изменения вязкости нефти под действием бактерий активного ила проводилось в аппарате Зонгена [4]. В аппарат вносили 800 см3 10%-го водного раствора Белвитамила и 100 см3 нефти Волковского месторождения (плотность - 889 кг/м3, вязкость 8 мПа-с) при температуре 24 °С. Нефтеемкость определяли по методам, описанным Ф. М. Каменьщиковым [5]. Способность комплекса микроорганизмов окислять углеводороды оценивалась по методу, предложенному Н. М. Исмаиловым и др. [6]. Статистическая обработка полученных результатов проведена с

применением пакета прикладных программ 8іа1І8Ііеа 4.5.

Результаты и обсуждение

С физико-химической точки зрения, активный ил представляет собой амфотерный коллоид, имеющий в интервале значений рН 4-9 отрицательный заряд. Отличительная особенность активного ила состоит в его способности образовывать колонии микроорганизмов хлопьевидной структуры. Размер хлопьев 3-1000 мкм. Следовательно, ил является хорошим разрыхлителем, способствующим улучшению газовоздушного режима почвы. На долю бактерий приходится лишь 15-20% объема хлопьев. Остальное пространство занято биопо-лимерным веществом.

Объем, вязкость, пластичность и другие реологические свойства зависят от влажности ила (99.0-99.9%). Водосодержание в значительной степени зависит от хлопьеобразующей способности активного ила, которая является функцией возраста культуры. Общая характеристика активного ила представлена в табл. 1.

Таблица 1

Общая характеристика активного ила

| Свойства | Содержание

Консистенция порошок

Цвет коричнево-черный свойственный

Запах дрожжам и грибам

рн 7.4

Массовая доля влаги, % 7-12

Протеин, % 30-48

Липиды,% 1.0-1.5

Клетчатка, % 45.0-55.0

Витамины (В!, В2, В5, В12), мг/кг 10.0-15.0

Макроэлементы 5.6-10.9

(Са, Р, К, №), г/кг

Микроэлементы Бе, Мп, Си, 2п

Аминокислоты 18 наименований

С целью создания более удобной препаративной формы жидкий активный ил очистных сооружений целлюлозно-бумажного производства под-

* автор, ответственный за переписку

280

раздел БИОЛОГИЯ и ЭКОЛОГИЯ

вергался сгущению до 20-35 г/дм и сушке на распылительных сушилках до влажности 10-15%.

Сухой активный ил представляет собой порошок коричневого цвета с запахом, свойственным дрожжам и грибам. Его характеристика: зольность -10.2%; влажность - 7-12%. Сухой остаток активного ила содержит 80-90% органических веществ и 7-12% минеральных элементов, массовая доля сырого протеина - 30-48%. В сухом активном иле содержатся полисахариды, целлюлозное волокно, низкомолекулярный лигнин, жирные кислоты.

При микроскопическом изучении образца активного ила обнаружены грамположительные и грамотрицательные кокки разных размеров. Электронно-микроскопическое определение размеров этих микроорганизмов показало, что грамположи-тельные кокки имели диаметр 0.6 мкм, а грамотри-цательные кокки - 10 мкм и более. Кроме того, были выявлены микроорганизмы палочковидной формы, размерами 0.6x0.8 - 1x8 мкм; палочковидные грамотрицательные со вздутиями на концах, размерами 0.6x0.8 - 7x10 мкм; мелкие грамотрица-тельные палочки, размерами 0.3x0.5 - 2x4 мкм.

При посеве на твердые питательные среды были выявлены различные физиологические группы микроорганизмов: водоросли, дрожжи, дрожжеподобные грибы Candida, спириллы, коринебакте-рии, микобактерии, вибрионы, железобактерии, аэробные (углеводородокисляющие) и анаэробные бактерии (сульфатвосстанавливающие, хемоорга-нотрофы, бродильные, метанобразующие). Количество микроорганизмов в 1 мл пробы составило от 15.9-1010 до 14.9-1012 (табл. 2).

Таблица 2

Содержание основных групп микроорганизмов в активном иле

Группа микроорганизмов

Количество КОЕ в 1 мл суспензии

6.8-10

2-103

2.1-103

9.5-102

3.2-10

Аэробы (Pseudomonas, Bacillus,

Micrococcus, Arthrobacter)

Нитрификаторы (Nitrosomonas,

Nitrobacter)

Анаэробы (Clostridium,

Desulfovibrio)

Дрожжи(Candida) и микроскопические грибы Сапротрофы Аммонификаторы Целлюлозоразрушающие Общее количество 15 9.10io _ J4 94012

микроорганизмов

Сухой активный ил нетоксичен, не обладает кумулятивным действием, не содержит патогенные микроорганизмы и не способен к образованию токсичных соединений [1].

Анализ результатов опыта показал, что вязкость нефти снизилась за 5 суток на 22.2% по сравнению с контрольной пробой. Это является положительным моментом, так как известно [7], что с увеличением вязкости поверхностной пленки нефтепродуктов ухудшается ее газопроводность и проникновение кислорода замедляется. Последнее, в

свою очередь, существенно нарушает газообмен между водной поверхностью и атмосферой.

Поскольку известно, что наиболее эффективным способом сбора и удаления нефти с поверхности воды является использование сорбентов, нами были изучены свойства Белвитамила как нефтяного сорбента (табл. 3).

Таблица 3

Свойства Белвитамила как сорбента

Свойства

Характеристика

Внешний вид, цвет темно-коричневый порошок

Нефтеемкость при 20 °С, г/г 8

Нефтеемкость при 4 °С, г/г 8

Влагоемкость, г/г 4.05

Плавучесть не тонет

Способ утилизации биоразложение

Токсичность безвредный

Данные, представленные в табл. 3, свидетель-ствют о том, что Белвитамил обладает определенной емкостью по отношению к нефти, степенью гидрофобности (ненамокаемости в воде), плавучестью после сорбции нефти, он эффективен для связывания пленки.

Основным достоинством этого сорбента является экологическая чистота, широкая сырьевая база, высокая гидрофобность и нефтемкость при низкой стоимости.

Известно, что по активностям дегидрогеназы и каталазы можно судить об активности микробиологических процессов, протекающих в системе [8, 9], а активность инвертазы, участвующей в гидролизе гликозидов, лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв [9].

Результаты оценки ферментативной активности биопрепарата Белвитамил показали, что активность дегидрогеназы составляет 79.8 мг / 10 г ила, каталазы - 16 мл О2 за 1 мин / 0.1 г ила, инвертазы - 38 мг глюкозы / 1 г ила.

Исходя из того, что нефть является многокомпонентной смесью, нами была проверена способность комплекса микроорганизмов Белвитамила окислять различные углеводороды. Известно, что потребление кислорода микробной клеткой при окислении углеводородов сопровождается выделением СО2. При изучении проблемы биодеградации углеводородов, непосредственно связанной с защитой биосферы от экологически опасных загрязнений, важным моментом является изучение интенсивности выделения СО2, отвечающего процессу полной минерализации и максимальной утилизации энергии углеводородов [10].

В табл. 4 приведены результаты, полученные при изучении образования СО2, микроорганизмами Белвитамила при окислении ими нефти, нефтепродуктов и различных углеводородов (в виде реактивов), характеризующихся различной химической структурой. Микроорганизмы Белвитамила утилизируют, в основном, все компоненты нефти в качестве единственного источника углерода. Наибольшая эмиссия СО2 микроорганизмами наблюдается при инкубации с нефтью, гексаном и циклогекса-

ном, этилбензолом, мезитиленом, ароматическими фракциями, полученными при хроматографии нефти на колонке с окисью алюминия. Плохо утилизируются нефтепродукты разной степени конденси-рованности, используемые для получения структу-рообразователей (асфальтит, дистиллят коксования, крекинг-остаток). Изучение времени утилизации нефти и ее компонентов углеводородокисляющих микроорганизмов Белвитамила показывает, что наиболее эффективное разложение их идет в течение первых пяти часов. Через 8 часов количество выделенной углекислоты при утилизации нефтепродуктов превышает предыдущее до 1.5 раз. По истечение 24 часов наблюдается полная утилизация отдельных углеводородов нефти. Однако нефть и продукты ее переработки утилизируются через 36 часов. Это свидетельствует о том, что для утилизации отдельных элементов многокомпонетного комплекса необходимо более длительное время.

Таблица 4

Интенсивность выделения СО2 (мкл/мг сухих клеток) микроорганизмами Белвитамила при инкубации с различными субстратами

Субстраты

Время, час

8

24

Таким образом, в результате экспериментальных исследований выявлено, что микробная ассоциация активного ила обладает всеми необходимыми качествами для биореагента, способствующего деградации нефти:

- микроорганизмы, входящие в состав Белви-тамила, обладают углеводородокисляющей активностью;

- органические и минеральные вещества сухого активного ила, попадая в почву, могут служить энергетическим материалом для почвенной микробиоты;

- образуемые бактериями, входящими в состав Белвитамила, внеклеточные поверхностноактивные вещества (биоПАВ) снижают поверхностное натяжение нефти в 2.8 раза;

- носители бактериальных клеток - целлюлоза и лигнин являются адсорбентами нефтепродуктов, за счет этого происходит разрушение нефтяной пленки и увеличение доступа кислорода;

- внесение биопрепарата Белвитамил обогащает почву комплексом активных микроорганизмов, иммобилизованных на естественных биополимерах (целлюлоза, лигнин).

Учитывая все сказанное, на основе сухого активного ила целлюлозно-бумажных предприятий

Эндогенное (без субстрата) 4 6 12 был создан и запатентован биологический препарат

Нефть 41 58 36 Белвитамил, предназначенный для внесения в неф-

Г ексан 30 20 не обн. тезагрязненные почвы и водоемы в процессе их

Октан 31 16 не обн. рекультивации [11].

Декан Тетрадекан 4 6 6 8 не обн. не обн. ЛИТРАТУРА

Г ексадекан 18 20 не обн. 1. ТУ 2458-0033782561-2000.

Циклогексан 26 34 не обн. 2. Методы почвенной микробиологии и биохимии.

Бензол 20 28 6 М.: МГУ, 1991. -304 с.

Толуол 4 6 не обн. 3. Хазиев Ф. Х. Методы почвенной энзимологии. М.:

пара-Ксилол 4 10 не обн. Наука, 2005. -252 с.

орто-Ксилол 21 24 6 4. Бирштехер Э. Нефтяная микробиология. Л.: Гостоп-

мета-Ксилол 6 10 не обн. техиздат, 1957. -314 с.

1,2,5-Триметилбензол 6 10 не обн. 5. Каменщиков Ф. Л., Богомольный Б. И. Нефтя-

Этилбензол 26 32 12 ные сорбенты. Ижевск: Регулярная и хаотичная

н-Гексилбензол 20 30 10 динамика, 2005. -268 с.

Парадиэтилбензол 18 30 10 6. Способ определения скорости окисления органиче-

Нафталин 6 12 не обн. ских субстратов в микробных суспензиях: а.с. / Ис-

2,6-Метилнаталин 13 18 не обн. маилов Н. М., Абдуллаева Э. М. СССР. № 1035064.

2-Метилнафталин 8 12 не обн. 1983.- Бюл. № 30. С. 5-6.

Псевдокумол 4 8 не обн. 7. Миронов О. Г. Взаимодействие морских организмов

Мезитилен 26 34 10 с нефтяными углеводородами. Л.: Гидрометиздат,

ПАУ 10 18 8 1985. -128 с.

Ароматические фракции 26 38 24 8. Хазиев Ф. Х., Фатхиев Ф. Ф. // Агрохимия. 1981. Т. 1,

Бензин 20 18 не обн. № 10. С. 102-111.

Асфальтит 10 16 8 9. Исмаилов Н. М. // Восстановление нефтезагрязнен-

Гудрон 10 16 6 ных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988. С. 42-

Крекинг остаток 4 12 22 56.

Дистиллят коксования 8 12 8 10. Исмаилов Н. М. // Микробиология. 1985. Вып. 5.

Экстракт 2-ой масляной фрак- 18 30 12 С. 875-878.

ции 11. Способ очистки почвы и водоемов от нефтяных

Легкий газойль коксования 4 8 не обн. загрязнений: патент РФ № 2198748. / Онегова Т. С., Киреева Н. А., Жданова Н. В. и др. Опубл. 20.02.03. Бюл. № 5. С. 7-8.

5

Поступила в редакцию 19.04.2008 г.