Микробиологическая деструкция молекул полисахаридов высокококонцентрированных буровых сточных вод Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 504.054, 504.064, 663.18, 579.69

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕСТРУКЦИЯ МОЛЕКУЛ ПОЛИСАХАРИДОВ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ БУРОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД

© 2016 Е.В. Масленникова1, В.В. Ермаков1, А.Ю. Швед2

1 Самарский государственный технический университет 2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Статья поступила в редакцию 10.12.2015

Представлен новый подход, основанный на применении биотехнологий к процессу ферментативной деполимеризации полисахаридов отработанного бурового раствора, составляющего часть высококонцентрированных буровых сточных вод. Выявлены группы микроорганизмов, способных выделять необходимые для данного процесса ферменты в аэробных и анаэробных условиях. Ключевые слова: биотехнологии, утилизация, полисахариды, буровые сточные воды, отработанный буровой раствор

Актуальность настоящего исследования обусловлена острой потребностью применения биотехнологий к утилизации наиболее крупнотоннажного отхода нефтяной промышленности - высококонцентрированных буровых сточных вод (БСВ), накапливаемых в шламовых амбарах.

В последние десятилетия полимерные реагенты нашли широкое применение в глубоком бурении. Объем их использования продолжает увеличиваться, появляются новые типы полимеров и модификации уже известных. Это связано с все более жесткими и комплексными требованиями, которые предъявляются к буровым растворам для обеспечения высокого качества состояния ствола скважины и вскрытия продуктивных пластов [1].

Известно [1], что основная доля высокомолекулярных реагентов приходится на простые и сложные эфиры целлюлозы (примерно 80%), около 15 % приходится на акриловые полимеры. Биополимеры и остальные полисахариды занимают примерно 5%.

Входящие в состав бурового раствора полимеры удерживают воду в связанном состоянии, что значительно замедляет процесс естественного осаждения минеральной части высококонцентрированных БСВ

Значительное содержание воды в данном отходе делает нерентабельной его транспортировку на значительные расстояния [2].

Биологические способы утилизации отходов отличаются от других, прежде всего, простотой осуществления процесса, дешевизной и экологичностью.

Масленникова (Максина) Елена Викторовна, аспирант кафедры «Химическая технология и промышленная экология». E-mail: levlen13@rambler.ru Ермаков Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология и промышленная экология», заведующий лабораторией научно-аналитического центра промышленной экологии. E-mail: wassiliy@rambler.ru

Швед Анна Юрьевна, магистрант Самарского университета. E-mail: anyuta.shwed@yandex.ru

Известно, что актиномицеты вызывают биоповреждения полимерных материалов. Агрессивными метаболитами, например, плесневых грибов являются органические кислоты: фуморо-вая, янтарная, яблочная, лимонная, глюконовая, молочная, щавелевая [3].

Наряду с органическими кислотами важным фактором биоповреждений являются ферменты. В мицелиальных грибах найдены ферменты, оказывающие разружительное действие на полимерные материалы: оксидоредуктазы, гидролазы, лиазы. Важное место в биоразрушении промышленных материалов принадлежит ферментам класса гидролаз, так как многие из них, будучи экзоферментами, участвуют в первичной подготовке к расщеплению и метаболизации питательного субстрата. [4].

Способность микроорганизмов к ферментативному гидролизу растворов полисахаридов можно использовать для очистки высококонцентрированных БСВ от минеральных примесей. Увеличение скорости ферментативной реакции приводит к уменьшению вязкости раствора и, следственно, к увеличению скорости осаждения частиц.

Уже исследована способность микробиоты отхода пивоварения, пивной дробины, разлагать молекулы полисахаридов, наиболее применимых при приготовлении буровых растворов: карбокис-метилцеллюлозы, ксантана, гуаровой камеди [5].

Пивная дробина обеспечивает жизнедеятельность тысячам микроорганизмов за счет того, что является не только материалом для их иммобилизации биоценоза, но еще и необходимым питательным субстратом.

В настоящей работе произведена попытка выделить микроорганизмы из микробиоты пивной дробины, которые обладают способностью к разложению целлюлозы и ее производных, производя их культивирование на селективных средах; провести их микроскопирование и идентификацию до рода.

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.18, №4(5), 2016

В первой серии экспериментов анализировались две линии роста микроорганизмов - аэробных и анаэробных. Исследовалась возможность роста микроорганизмов на таких полимерах, как микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ), метилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), гуаровая камедь, ксантановая камедь, полиакриламид, а также на смеси всех вышеприведенных полимеров. Контролем являлась среда с МКЦ, так как этот полимер наименее разветвлен относительно других. Среды, содержащие перечисленные полимеры, заражались смесью почвы и пивной дробины. В линии анаэробов культура бактерий развилась на средах, содержащих ме-тилцеллюлозу и КМЦ. В линии аэробов культура бактерий развилась на средах, содержащих КМЦ, гуаровую камедь, ксантановую камедь, смесь шести полимеров. Проведено микроскопирование полученных культур микроорганизмов - мазки с водным фуксином - на малом увеличении и в

Рис. 1. Анаэробные бактерии, выросшие на метилцеллюлозе

иммерсионной системе. Отмечена форма бактерий и характер их скоплений (Рис.1-6).

Для получения накопительной культуры ме-зофильных анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий использовалась среда Омелянского, в которую вносилась смесь почвы и отработанной пивной дробины.

При микроскопировании выявлено наличие бактерий рода Clostridium.

Для получения накопительной культуры аэробных целлюлозоразрушающих бактерий использовалась среда Гетчинсона, в которую вносилась смесь почвы и отработанной пивной дробины

В отличие от процесса анаэробной деструкции целлюлозы, которую осуществляют только бактерии, в аэробных условиях этот процесс происходит под действием многих микроорганизмов различных систематических групп: миксобактерий (роды Cytophaga, Polyangium, Sorangium), вибрио-

Рис. 4. Аэробные бактерии, выросшие на гуаровой камеди

Рис. 2. Анаэробные бактерии, выросшие на КМЦ

Рис. 5. Аэробные бактерии, выросшие на ксантановой камеди

Рис. 3. Аэробные бактерии, выросшие на КМЦ Рис. 6. Аэробные бактерии, выросшие на смеси

шести полимеров

нов (род Cellvibrio), актиномицетов (Actinomyces violaceus, Actinomyces cellulosae, Micromonospora chalceae) и грибов (роды Trichoderma, Aspergillus, Penicillum и базидиальные грибы).

Таким образом, выделены микроорганизмы, которые непосредственным образом участвуют в деструкции полимеров отработанного бурового раствора.

Процесс деполимеризации будет происходить быстрее в аэробных условиях, поскольку больше микроорганизмов (в количественном и качественном отношениях) при этом задействовано.

Существует необходимость индивидуального подбора условий культивирования разных родов микроорганизмов и грибов и выделения из них чистого фермента-деструктора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шумилкина О.В. Исследование механодеструкции полимерных реагентов буровых промывочных

жидкостей. Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 25.00.15. Филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН - НЦ НВМТ РАН, 2012. 27 с.

2. Экспериментальная оценка возможности применения ферментативного обезвоживания отработанного бурового раствора / Е.В. Максина, А.А. Пименов, В.В. Ермаков, Д.Е. Быков // Нефтяное хозяйство, Выпуск 1092 (Сентябрь 2014). С.125-127.

3. Заикина Н.А., Дуганова Н.В. Образование органических кислот, выделяемых с объектов, поражённых биокоррозией // Микология и фитопатология. 1975. Т. 9, № 4. С. 303-306.

4. Кряжев Д.В. Экологические основы диагностики процессов биодеструкции природных и синтетических полимерных материалов в условиях воздействия ряда абиотических факторов внешней среды. Дис. ... на докт. биол. наук : 03.02.08. Нижний Новгород, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2014. - 305 с.

5. Исследование возможности биологической утилизации буровых шламов, содержащих полисахариды / Е.В. Максина, А.О. Гурьянова, В.В. Ермаков, Д.Е. Быков, А.В. Лямин // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15. № 3(6). С. 1850-1852.

MICROBIOLOGICAL DEGRADATION OF MOLECULES OF POLYSACCHARIDE HIGHLY CONCENTRATED DRILLING WASTE WATER

© 2016 E.V. Maslennikova1, V.V. Ermakov1, A.Y. Shwed2

1 Samara State Technical University 2 Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

A new approach based on the application of biotechnology to the process of enzymatic depolymerization of polysaccharides waste drilling mud, forming part of the highly drilling wastewater. An attempt was made to identify the group of microorganisms able to allocate the necessary enzymes for this process under aerobic and anaerobic conditions.

Keywords: biotechnologies, utilization, polysaccharides, drilling waste water, waste drilling mud.

Elena Maslennikova (Maksina), Graduate Student at the Chemical Technology and Industrial Ecology Department. E-mail: levlen13@rambler.ru

Vasiliy Ermakov, Candidate of Technics, Associate Professor at the Chemical Technology and Industrial Ecology Department, Head of the Laboratory of Research and Analytical Center of Industrial Ecology. E-mail: wassiliy@rambler.ru Anna Shwed, Samara University Undergraduate. E-mail: anyuta.shwed@yandex.ru