CC BY
10УДК 628.543.96
Э.Р. Бабаев1, e-mail: elbeibabaev@yahoo.de
1 Институт химии присадок им акад. А.М. Кулиева Национальной академии наук Азербайджанской Республики (Баку, Азербайджанская Республика).
Особенности преобразования углеводородного состава нефтей Апшеронского полуострова в процессе их микробиологической деградации в почве
Проведено исследование поведения нефтей Апшеронского п-ова, направленное на выявление закономерностей их трансформации под воздействием микробных сообществ. В условиях природного микробиоценоза наблюдается ассимиляция разных фракций нефти различными группами микроорганизмов.
Методом Фурье-спектроскопии изучены особенности изменения углеводородного состава исследуемых нефтей в ряду: нативные, выделенные из нефтезагрязненных почв, подверженные биодеградации в жидкой питательной среде и в почве.
Выявлена 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.
Для оценки изменений, происходящих в составах нефтепродуктов, впервые выведены спектральные коэффициенты (С}-С21), характеризующие химическую структуру соединений исследуемых нефтей и нефтезагрязнений, рассчитанные как отношения интегральных интенсивностей соответствующих полос поглощения. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что биодеградационные процессы для нефтей различных месторождений в основном протекают по идентичной схеме. Наблюдаемые небольшие отклонения в рамках того или иного месторождения определяются в основном двумя факторами - различиями в химическом строении компонентов и геохимическими показателями, характерными для данного месторождения. Установлено, что в результате микробного окисления нефтезагрязнений в продуктах биодеградации по сравнению с исходной нефтью уменьшаются показатели алифатичности (для парафиновых структур) , возрастает разветвлен-ность, увеличиваются значения окисленности (за счет увеличения кислородсодержащих групп), что подтверждает интенсификацию биохимического окисления нефтезагрязнений при использовании микробных ассоциаций.
Ключевые слова: биоремедиация, деструкция нефти, нефтепродукты, нефтезагрязнения, окисление.
E.R. Babaev1, e-mail: elbeibabaev@yahoo.de
1 Institute of Chemistry of Additives named after Academician A.M. Guliyev, Azerbaidjan National Academy of Sciences (Baku, Azerbaidjan Republic).
Conversion Characteristics of Hydrocarbon Composition of Apsheron Peninsula Oils in Their Microbiological Degradation in Soil
The behavior of oils from the fields of the Absheron Peninsula aimed at revealing the patterns of its transformation under the influence of microbial communities has been studied. In conditions of natural microbiocenosis assimilation of different fractions of oil by various groups of microorganisms is observed.
By use of the method of Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy there have been studied the features of the hydrocarbon composition of the investigated oils in the following series: native, isolated from oil contaminated soils, subjected to biodegradation in liquid nutrient medium and in soil.
The ability of microorganisms isolated from oil contaminated soils to biotransform oil products of various degrees of condensation (oil, its hexane, benzene and alcohol-benzene fractions) is revealed. The oxidation of oil and oil products by hydrocarbon oxidizing microorganisms has been studied. The composition of the oils described in the study was investigated
in two aspects: first, to establish the pattern of distribution of individual structural groups depending on the fractional composition and, secondly, to identify the structural and group characteristics of oils in the biodegradation process. To assess the changes in the compositions of oil products, spectral coefficients (Cj-C21), characterizing the chemical structure of the compounds of the investigated oils and oil pollutants, calculated as the ratio of the integrated intensities of the corresponding absorption bands, have been first brought out.
The obtained experimental data indicate that biodegradation processes for the oils of different deposits are basically identical. The observed small changes within one or the other field are mainly determined by two factors: differences in the chemical structure of the components and geochemical parameters characteristic for the given field. It has been established that as a result of microbial oxidation of oil contamination, in the products of biodegradation in comparison with the initial oil, aliphaticity (for paraffinic structures) decreases, branching increases, oxidation values increase (due to the increase in oxygen-containing groups). That confirms the intensification of biochemical oxidation of oil contamination with the use of microbial associations.
Keywords: bioremediation, destruction of oil, oil products, oil pollution, oxidation.
Процессы восстановления природных систем после нефтяного загрязнения весьма продолжительны. Главными агентами самоочищения природных систем являются естественные деструкторы - углеводородокисляющие микроорганизмы, проявляющие способность к росту и использованию в качестве источника энергии углеводородов нефти и нефтепродуктов [1-4]. 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. При определении степени преобра-зованности разлитой в почве нефти возникает необходимость детального исследования компонентов нефти, предполагающего совместное использование сведений об элементном и функциональном составах веществ с привлечением спектральных методов (ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и инфракрасной (ИК) спектроскопии), позволяющих проводить интегрально-структурный анализ. Следует отметить, что для нефтей Апшеронского п-ова проблема трансформации в процессе биодеструкции почвенной микрофлорой изучена мало. В связи с изложенным исследование закономерностей трансформа-
ции нефтей под воздействием микробных сообществ разных трофических уровней является актуальной задачей и может послужить теоретической основой организации мониторинга нефтяных загрязнений и эффективного восстановления нефтезагрязненных биоценозов.
Целью данной работы является изучение особенностей микроорганизмов методом Фурье-спектроскопии - одним из наиболее информативных и чувствительных методов анализа изменения химического состава и свойств почвенных нефтезагрязнений в процессе их деградации под воздействием биологических препаратов, разработанных на основе селектированных ассоциаций активных углеводородокис-ляющих сложных смесей органических соединений, каковыми, в частности, являются нефть и ее фракции, поскольку в их ИК-спектрах обнаруживаются практически все характеристические полосы поглощения основных групп многоатомных молекул.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектами исследований служили образцы сырых нефтей с территории нефтедобывающего района Балаханы Апшеронского п-ова. Содержание нефтепродуктов в почвах определяли весовым методом после экстракции углеводородов из навески
почвы горячим гексаном в аппарате Сокслета.
Для микробиологических исследований использовали ассоциации культур, отобранных в результате целенаправленного скрининга из изолятов, выделенных из нефтезагрязненных почв исследуемых месторождений, а также штаммы микроорганизмов из коллекции Институт химии присадок им. акад. А.М. Кулиева Национальной академии наук Азербайджанской Республики. Методом Фурье-спектроскопии был изучен углеводородный состав нефти месторождения Балаханы: сырой (образец № 1), выделенной из нефтезагрязненных почв (образец № 2), подверженной биодеградации в жидкой среде (образец № 3) и в условиях вегетативного эксперимента (образец № 4).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Многокомпонентное состава, внутренняя и молекулярная структура нефтяных систем обусловливают сложную (по сравнению со спектрами индивидуальных соединений) картину перекрывания и наложения полос поглощения с искажением их форм и интенсивностей. Поэтому зачастую проведение прямой качественной интерпретации, а тем более количественных расчетов, связывающих интенсивность поглощения с содержа-
Для цитирования (for citation):
Бабаев Э.Р. Особенности преобразования углеводородного состава нефтей Апшеронского полуострова в процессе их микробиологической деградации в почве // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 6. С. 104-112.
Babaev E.R. Conversion Characteristics of Hydrocarbon Composition of Apsheron Peninsula Oils in Their Microbiological Degradation in Soil. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2018, No. 6, P. 104-112. (In Russ.)
Таблица 1. Аналитические полосы поглощения и их отнесение Table 1. Analytic absorption bands and their attribution
Частота, см 1 Frequency, cm-1 Отнесение колебаний Attribution of variations Типы соединений Types of compounds
600-700 Валентные С3 Valence С3 Сульфиды, меркаптаны Sulphides, mercaptenes
720-750, 815-875 Маятниковые СН2 Pendulum СН2 Углеводородный квартет -(СН2) n (n > б), содержание метиленовых групп в боковых цепях, н-бутиленовые группы Hydrocarbon quartet -(СН2) n (n > б), content of methylene groups in side chains, n-butylene groups
961-972 Деформационные СН2 Deformative СН2 Конденсированные полиметиленовые звенья Condenced polymethylene links
1030 Валентные S=O Valence S=O Алкилсульфоокиси Alkylsulfoxides
1167 Маятниковые СН3 Pendulum СН3 Изопропильные звенья Isopropyl links
1240, 1280 Валентные С=О Valence С=О Ароматические и ненасыщенные кислоты Aromatic and unsaturated acids
1347 Деформационные СН3 Deformative СН3 Алифатические углеводороды с линейными цепями Acyclic hydrocarbons with linear chains
1458 Ножничные СН2 Scissors СН2 Линейные алифатические цепи Linear acyclic chains
1600-1610 Валентные С=С Valence С=С Ароматические углеводороды Aromatic hydrocarbons
1636, 1653 Валентные С=С Valence С=С Изобутилен, ненасыщенные кислоты Isobutylene, unsaturated acids
1700-1710 Валентные С=О Valence С=О Кислоты Acids
1740 Валентные С=0 Valence С=О Карбонилсодержащие соединения Carbonyl containing compounds
1770-1800 Валентные С=О Valence С=О Виниловые производные сложных эфиров Vinyl derivatives of compound esters
1900, 2040 Валентные О=С=Ме Valence О=С=Ме Комплексы с металлами Complexes with metals
нием той или иной функциональной группы, становится затруднительным. Учитывая эти факторы, авторы [5-7] используют спектральные коэффициенты, рассчитанные как соотношение оптических плотностей характеристических полос поглощения,полученных из ИК-спектров нефтяных фракций, что также дает лишь весьма приблизительную оценку изменений,происходящих в составе нефти и ее фракций. Более оптимальным является вариант, когда по данным ИК-спектров проводится интегрально-структурный анализ, при котором спектральные коэффициенты рассчитываются как отношение интегральных интенсивностей соответствующих полос поглощения. Был проведен интегрально-структурный анализ методом Фурье-спектроскопии в диапазоне 400-4000 см-1 с разрешением 2 см. Использованные аналитические полосы поглощения и их отнесения представлены в табл. 1.
В результате анализа данных ИК-спектров компонентов нефти исследуемых месторождений был составлен достаточно большой набор коэффициентов (С1-С21), позволяющий охарактеризовать изменение химической структуры компонентов нефти, подвергшихся биодеградации (табл. 2.). Коэффициенты С1-С21 вычислялись как отношения результатов интегрирования соответствующих полос поглощения, что позволило определить относительное содержание рассматриваемых структурных фрагментов в изучаемых образцах с достаточно высокой степенью достоверности. Для всех исследованных месторождений даны качественные и количественные (как суммарные, так и по фракционному составу) изменения основных структурных фрагментов нефтей, подвергшихся деградации. Состав рассматриваемых в работе нефтей исследовался, во-первых, в целях установления закономерности
распределения отдельных структурных групп в зависимости от фракционного состава и, во-вторых, для выявления особенностей структурно-групповых характеристик нефтей в биодеграда-ционном процессе. Рассмотрена интенсивность процессов с участием каждого из основных компонентов, а также изменение их содержания по отношению к насыщенным углеводородам. Методом ИК-спектроскопического исследования, проведенного в процессе биодеградации нефти, были охарактеризованы основные структуры:насыщенные углеводороды, состоящие из нафтеновых компонентов (молекулы с усредненной цикличностью 1-4 и полицикланы), н- и изопарафины, аро-матика и 0-, S-содержащие углеводороды [8].
Рассмотрим результаты, полученные при изучении нефтей (нативной, выделенной из загрязненных почв и подвер-
Таблица 2. Использованные в работе спектральные коэффициенты Table 2. Spent spectral ratios
Коэффициенты Ratios Получаемая информация Received data Коэффициенты Ratios Получаемая информация Received data
C1 = S610/S1460' C8 = S1030/S1460 Осерненность Sulfuraticity C12 = S1600/S720' C13 = S1600/S1460 Ароматичность Aromaticity
C2 = S72o/S1380 Соотношение СН3- и СН2-групп в насыщенных углеводородных компонентах Ratio СН3- and CH2-groups in saturated hydrocarbon components C14 = S162c/S1460 Характеристика структур, содержащих N^- и NH-группы Characteristic of NH2- and NH-groups containing structures
C3 = S72o/SU60' C4 = S740/S1460' C5 = S815/S1460' C6 = ^75^1460 Углеводородный квартет характеризует содержание метиленовых групп в линейных боковых звеньях и н-бутильных групп в алифатических цепях Hydrocarbon quartet characterizes the content of methylene groups in linear side links and n-butyl groups in aliphatic chains C15 = S164c/S1460 Ненасыщенные соединения (содержание С=С-связей) Unsaturated compounds (containing С=С- Links)
Ci6 = S1700/S1460 Окисленность (содержание кислотных групп) Oxidization (œntent of acid groups)
C17 = S1740/S1460 Характеристика карбонилсодержащих структур Characteristic of carbonyL containing structures
C18 = S1770/S1460 Виниловые производные сложных эфиров VinyL derivatives of compound esters
C7 = S97c/S1460 Содержание конденсированных полиметиленовых звеньев Content of condensed polymethylene links C19 = S1900/S1460' C15 = S2040/S1460 Содержание карбонильных комплексов с металлом (фрагменты - О... - Ме... - О-) Content of carbonyL complexes with metaLs (fragments -О. - Ме. - О-)
C9 = S1240/S1460 Ароматические кислоты Aromatic acids
C10 = S1280/S1460 Ненасыщенные кислоты Unsaturated acids C20 = S720 + S1380/S1600 Алифатичность ALiphaticity
C11 = S1380/S1460 Разветвленность Branching C21 = S720 + S1380/S1620 Характеристика N^- и NH-фрагментов в алифатических соединениях Characteristic of NH2- and NH-fragments in acycLic compounds
гнутых биодеградации) Балаханского месторождения. В составе насыщенных углеводородов нефти преобладают нафтеновые углеводороды. Из ИК-спектров следует, что нафтеновые компоненты сконцентрированы главным образом (78,5 %) в гексановой фракции (табл. 3.). При этом в общем составе насыщенных углеводородов балаханской исходной нефти на долю полициклического блока приходится 12,3 %, а применительно к гексановой, бензольной и спиртобен-зольной фракциям эта доля составляет 6,6; 15,6 и 15,8 %, соответственно. Что касается метильных групп, то в общем составе их примерно в два раза меньше, чем СН2-групп, при этом в гексановой и бензольной фракциях СН3-группы содержатся примерно в равных количествах. Ароматические структуры в общем составе присутствуют в небольшом количестве (7,51 %), при этом в гексановой фракции их приблизительно в три раза меньше, чем в бензольной и спиртобензольной фракциях. Структуры с С=С-связями по всем трем
фракциям распределены равномерно. Кислот мало в гексановой фракции -они в основном сосредоточены в спиртобензольной фракции. Карбонилсо-держащие структуры представлены преимущественно сложноэфирными группами в гексановой и спиртобензольной фракциях, в бензольной их почти вдвое меньше. Фрагментов с участием серы примерно в два раза больше в гексановой и бензольной фракциях, чем в спиртобензольной. Содержание аминогрупп уменьшается при переходе от гексановой и бензольной фракций к спиртобензольной. В процессе деградации количество наф-тенов, содержащих молекулы с усредненной цикличностью (1-4), уменьшается по отношению к контрольному опыту для всех фракций, при одновременном увеличении содержания полицикланов (табл. 3). Содержание полицикланов по отношению ко всем структурам с СН2-группами (С7, табл. 4) для всех фракций растет, при этом деградационные процессы интенсивнее проявлены в бензольной фракции (2,3),
тогда как для гексановой и спиртобензольной фракций интенсивность деградации примерно одинакова: 1,7- 1,8 (табл. 5).
Интересно отметить, что, хотя увеличение содержания полицикланов при деградации наблюдается во всех трех фракциях, этот процесс носит ярко выраженный избирательный характер. Так, в гексановой фракции деграда-ционный процесс был отмечен во всех трех опытах, тогда как в бензольной и спиртобензольной фракциях изменения наблюдались в опытах 2-3 и 3-4, соответственно. Насыщенные алифатические углеводороды описываются (табл. 4) коэффициентами С2-С6 и Си, при этом коэффициенты С3-С6 характеризуют исходные и вторичные углеводороды, выписываемые на ИК-спектрах квартетом полос 720750-815-875 см-1 (углеводородный квартет - УВК). Данные о биодегра-дационных процессах с участием н- и изопарафиновых структур будут более корректными, если не рассматривать в процессе деградации изменение ко-
Таблица 3. Количественная характеристика основных фрагментов нефти Балаханского месторождения, подверженной биодеградации методом ИК-спектроскопии
Table 3. Quantitative characteristic of major Balaxani oil fragments subjected to biodégradation by IR-spectroscopy
Образец Sample Содержание, % Content, %
Метиленовые группы Methylene groups Метильные группы Methyl groups Ароматика Aromatics Структуры, содержащие С=С-связи Structures containing C=C-links Кислоты Acids Карбонильные соединения Carbonyl compounds Компоненты с участием серы Components with sulfur content Аминогруппа Amides
Всего In total Нафтеновые компоненты Naphthenic components н-Парафины n-Paraffins Изопарафины Isoparaffins Углеводородный квартет Hydrocarbon quartet C=O O, C, OR
Усредненные циклические молекулы 1-4 Averaged cyclic molecules 1- 4 Полициклический блок Polycyclic block
Гексановая фракция Hexane fraction
1 31,43 22,62 2,07 1,73 5,01 6,74 17,79 3,11 10,19 1,38 9,85 9,53 13,64 12,61
2 36,10 22,36 4,15 2,56 7,03 9,59 21,73 5,75 11,50 7,99 3,83 2,44 6,71 6,39
3 36,04 12,91 4,51 3,60 15,02 18,62 13,21 6,01 12,01 11,41 7,21 6,85 6,91 7,21
4 30,46 7,28 7,28 3,97 11,93 15,90 15,89 7,95 13,91 10,60 3,31 3,30 7,28 10,60
Бензольная фракция Benzol fraction
1 32,53 1,45 5,06 4,82 21,20 26,02 17,11 9,40 8,67 7,71 4,34 4,30 11,81 8,43
2 23,05 0,56 6,13 2,60 13,76 16,36 11,71 9,48 7,99 19,33 15,99 6,03 7,25 5,20
3 22,24 - 8,22 2,62 15,88 18,50 11,03 6,17 7,29 28,22 15,70 8,18 5,42 3,93
4 24,07 11,03 2,29 2,01 8,73 10,74 13,32 12,18 7,16 23,07 7,74 6,29 5,01 7,45
Спиртобензольная фракция Alcohol-benzol fraction
1 20,32 7,22 3,21 1,07 8,82 9,89 12,03 10,03 11,23 26,07 8,29 6,07 6,68 5,35
2 16,88 3,12 4,73 1,43 7,60 9,03 12,66 9,37 8,35 30,21 6,75 5,06 9,54 6,24
3 17,45 3,70 4,44 1,33 8,28 9,61 10,06 6,21 10,50 30,77 10,36 5,18 7,25 7,10
4 17,72 5,67 4,33 1,65 6,07 7,72 13,70 7,82 8,44 24,10 11,43 5,19 9,99 6,80
эффициентов С3-С6 по отдельности, а учитывать их суммарные величины. В бензольной фракции при биодеградации наблюдается примерно одинаковая для парафиновых структур тенденция к уменьшению (~1,8 раза), а изменения содержания СН3-групп (^-коэффициенты) малы (~1,1 раза). В спиртобензольной фракции имеют место очень небольшое (~1,1 раза) уменьшение содержания СН2-групп в УВК и увеличение коэффициентов С2 и С1Г Последнее может быть связано только с увеличением метильных групп в насыщенных углеводородных структурах. Что касается разветвленности, то, как видно из табл. 4, она уменьшает-
ся в процессе деградации в гексановой, остается практически не измененной в бензольной и слегка увеличивается в спиртобензольной фракциях. Рассчитанные по данным табл. 4 значения показателей разветвленности С11 для опыта 1-4 составляют 0,56; 0,61; 0,45 и 0,59, соответственно. При этом интенсивность деградационных процессов небольшая и составляет 1,4; 1,1; 1,3 в гексановой, бензольной и спиртобензольной фракциях, соответственно. Мы рассматривали фактор ароматичности по отношению к общему содержанию СН2-групп (С13), парафиновым (С12) и алифатическим (С20) структурам. Из табл. 4 следует,
что ароматичность растет в гексановой (за исключением опыта 3), бензольной и убывает в спиртобензольной фракциях по отношению ко всем трем структурам. Интенсивность преобразований С12 высока для бензольной (3,1 раза), меньше для спиртобензольной (2,0 раза) и мала для гексановой (1,3 раза) фракций. Для обоих коэффициентов С13 и С20 интенсивность деградационных процессов убывает примерно одинаково (~2,5; 1,8 и ~1,5 раза) при переходе от гексановой к бензольной и спиртобензольной фракциям. Как видно из табл. 5, содержание ароматических структур при деградации растет в гексановой (в ~2,6 раза),
Таблица 4. Характеристика компонентов нефти месторождения Балаханы до и после проведения экспериментов по биодеградации методом Фурье ИК-спектроскопии
Table 4. Oil components characteristics in Balaxani field prior and post experiments on biodegradation by FTIR-spectroscopy
№ Объект исследования Test subject о ** о" 0 оо с? 0 64 с? о 64 с? + 54 0 64 18 0 64 оо 0 64 С81030/1460 0 64 0/ 42 0 64 /0 0 46 /0 83 02 /0 06 0 64 /0 06 0 64 /02 0 64 /0 46 0 64 /0 0 0 64 /0 74 0 64 /0 0 64 /0 4 02 0 о 683 + 02 02 /02
Гексановая фракция Hexane fraction
1 Нефть до опыта (сырая) Crude oil 0,26 0,10 0,05 0,10 0,04 0,02 0,07 0,10 0,30 0,15 0,57 1,80 0,10 0,40 0,32 0,04 0,31 0,03 0,03 6,28 1,55
2 Нефть из почвы Oil from soil 0,11 0,12 0,07 0,12 0,04 0,03 0,12 0,08 0,07 0,11 0,60 2,25 0,16 0,18 0,32 0,22 0,11 0,03 0,04 4,22 3,80
3 Нефть после биологического эксперимента Post- biological crude oil 0,09 0,27 0,10 0,17 0,07 0,18 0,13 0,10 0,19 0,17 0,37 1,67 0,17 0,20 0,33 0,32 0,20 0,06 0,07 2,80 2,33
4 Нефть после вегетативного эксперимента Post- vegitative crude oil 0,09 0,24 0,13 0,17 0,11 0,10 0,12 0,12 0,14 0,22 0,52 2,00 0,26 0,38 -0,38 0,32 0,12 - 0,13 2,50 1,78
Бензольная фракция Benzol fraction
1 Нефть до опыта Oil before test 0,15 0,28 0,15 0,32 0,18 0,16 0,10 0,21 0,18 0,18 0,53 1,95 0,29 0,26 0,27 0,24 0,13 0,04 0,07, (0,04) 2,33 2,60
2 Нефть + почва Oil + soil 0,12 0,22 0,11 0,32 0,13 0,15 0,27 0,19 0,26 0,70 0,51 3,64 0,41 0,23 0,35 0,84 0,69 0,19 - 1,51 2,75
3 Нефть после биологического эксперимента Post- biological crude oil 0,11 0,24 0,12 0,37 0,17 0,18 0,25 0,13 0,27 0,80 0,50 2,36 0,28 0,18 0,33 1,27 0,71 0,08 0,17, (0,08) 2,21 3,48
4 Нефть после вегетативного эксперимента Post- vegitative crude oil 0,09, 0,21 0,19 0,09 0,14 0,10 0,09, 0,18 0,15, 0,27 0,19, 0,34 0,19, 0,34 0,19, 0,38 0,49 3,53 0,33 0,21 0,21, 0,54 1,22 0,66 0,21 (0,10), 0,18 1,78 2,74
Бензольно-спиртовая фракция Benzol-alcohol fraction
1 Нефть до опыта Oil before test 0,10 0,09 0,05 0,18 0,13 0,13 0,16 0,23 0,30 0,30 0,59 9,40 0,49 0,26 0,55 1,28 0,41 0,18 0208 (0,20) 1,31 2,45
2 Нефть + почва Oil + soil 0,12 0,11 0,09 0,12 0,11 0,12 0,17 0,24 0,30 0,60 0,75 6,53 0,56 0,37 0,50 1,79 0,40 0,23 0,17 (0,23) 1,50 2,26
3 Нефть после биологического эксперимента Post- biological crude oil 0,21 0,13 0,08 0,28 0,09 0,10 0,25 0,20 0,29 0,50 0,57 4,67 0,35 0,40 0,59 1,73 0,58 0,23 0,40 (0,23) 1,83 1,60
4 Нефть после вегетативного эксперимента Post- vegitative crude oil 0,20 0,12 0,09 0,12 0,10 0,12 0,24 0,19 0,29 0,55 0,77 4,75 0,44 0,38 0,48 1,36 0,64 0,30 0,41 1,96 2,26
Таблица 5. Характеристика биодеградационных изменений основных структурных групп в нефтях Балаханского месторождения Table 5. Characteristic of biodégradation changes in major structural groups of Balaxani oil field
Структурная группа Structural group Гексановая фракция Hexane fraction Бензольная фракция Benzol fraction Спиртобензольная фракция Alcohol-benzol fraction
Максимальное изменение по отношению к контрольному опыту Maximum changes in relation to the blind test Последовательность изменения относительного содержания при деградации Sequence of changes in the relative content in degradation Максимальное изменение по отношению к контрольному опыту Maximum changes in relation to the blind test Последовательность изменения относительного содержания при деградации Sequence of changes in the relative content in degradation Максимальное изменение по отношению к контрольному опыту Maximum changes in relation to the blind test Последовательность изменения относительного содержания при деградации Sequence of changes in the relative content in degradation
Сера общая Са + С8 Total sulfur Са + С8 1,9 1 > 4 > 2 > 3 1,5 (1,1) 1 > 3 > 4, (1< 2) 1,2 1 < 2 < 4 < 3
Сера сульфид (С-S-C, C-S-H)с Sulphide (С-S-C, C-S-H) с 2,9 1 > 2 > 3 = 4 1,4 1 > 2 = 4 > 3 2,0 1 < 2 < 4 < 3
Сера сульфоксидная С8 Sulfuxide sulfur С8 1,2 (0,8) 1 = 3 > 2, (1<4) 1,6 (1,4) 1 > 3 > 4, (1 < 2) 1,1 1 < 4 < 2, (1 >3)
Соотношение метиленовых и метильных групп С2 Ratio of methylene and methyl groups С2 2,7 1 < 2 < 4 < 3 1,9 1 > 3 > 2 > 4 1,4 1 < 3 < 4 < 2
Углеводородный квартет С3-Сб Hydrocarbon quartet С3-С6 2,5 1 < 2 < 4 « 3 1,8 1 > 2 > 4 < 3 1,1 1 > 2 > 4 < 3
Конденсированные полиметиленовые звенья С7 Condenced polymethylene links С7 1,9 1 < 2 = 4 < 3 2,7 1 = 4 < 3 < 2 1,6 1 < 2 < 4 < 3
Сложные эфиры Сд, С Compound esters Сд, С 4,3 2,8 1 > 3 > 4 > 2 1 > 3 > 4 > 2 1,5 5,5 1 = 4 < 2 < 3 1 < 4 < 2 < 3 1,6 Практически не меняется 1 я 2 < 3 < 4 Virtually no changes 1 я 2 < 3 < 4
Соотношение метиленовых и метильных групп С Ratio of methylene and methyl groups Сп 1,4 1 > 4 > 3 > 2 1,1 1 > 2 > 3 < 4 очень небольшие изменения 1 > 2 > 3 < 4 minor changes 1,3 1 < 2 < 4 > 3
Ароматические группы Aromatic groups С12 С13 С20 1,3 2,6 2,5 1 < 4 < 2 > 3 1 < 2 < 3 < 4 1 < 2 <3 < 4 3,1 1,8 1,8 1 < 3 < 2 < 4 1 я 3 < 2 < 4 1 я 3 < 2 < 4 2,0 1.4 1.5 1 > 2 > 4 > 3 1 > 4 > 3 < 2 1 > 2 > 3 > 4
Ненасыщенные соединения С15 Unsaturated compounds С15 1,2 1 = 2 < 3 < 4 1,3 1 < 4 < 3 < 2 1,2 1 > 2 > 4 < 3
Кислоты С Acids С16 8,0 1 < 2 < 3 = 4 5,3 1 < 2 < 4 < 3 1,4 1 < 4 < 3 < 2
Аминогруппы С14 Amides С (NHZ, NH) C21 2,2 2,5 1 > 4 > 3 > 2 1 > 4 > 3 > 2 1,4 1,3 1 > 2 > 3 < 4 1 > 2 > 3 < 4 1,5 1,5 1< 2 < 4 < 3 1 < 2 = 4 < 3
бензольной (в ~2,0 раза) и уменьшается (в ~1,6 раза) в спиртобензольной фракциях. Что касается общего содержания ароматических структур, то оно растет по отношению к контрольному образцу для опытов 2 и 4 и убывает для опыта 3.
Компоненты исходной нефти С=С-груп-пы распределены во всех исследуемых фракциях балаханской нефти (табл. 3) примерно одинаково (чуть меньше их содержание в бензольной фракции). В результате процесса деградации их содержание немного увеличивается в
гексановой и уменьшается в бензольной и спиртобензольной фракциях. При этом следует отметить, что изменения в бензольной фракции очень малы (~1,2 раза). Их относительное содержание по отношению к метиленовым группам (табл. 4) не меняется в гексановой (за
ECOLOGY
исключением опыта 4), очень мало меняется (слегка увеличивается) в бензольной и незначительно уменьшается в спиртобензольной фракциях. Как видно из табл. 5, интенсивность этих изменений очень невелика, в среднем для всех фракций составляет ~1,3 (по отношению к контрольному опыту). Общее содержание ненасыщенных структур в процессе деградации практически не меняется, наблюдаются лишь очень небольшие изменения в ходе опыта 2. Если сопоставить деградационные изменения для ненасыщенных структур с таковыми для метиленовых групп, можно заметить, что обнаруживается симбатность только между деграда-ционными изменениями для н-пара-финовых, ненасыщенных компонентов и метиленовых групп. Действительно, соотношение между структурами с С=С-связью и СН2-группами (С15) практически одинаково и очень мало меняется для всех трех фракций (по отношению к контрольному опыту) в процессе деградации. На наш взгляд, это становится возможным только в том случае, когда обе эти структуры содержат одинаково изменяющиеся в процессе деградации ферменты.Таковыми в нашем случае, по всей видимости, являются н-парафиновые цепи. Из изложенного можно сделать вывод, что сами С=С-связи практически не подвержены химическому и микробиологическому влиянию (исключение составляет опыт 2). Для характеристики окислительных процессов мы использовали отношение содержания карбоксильных групп на частоте 1700 см-1 к насыщенным углеводородным структурам (коэффициент окисленности С16). В гексановой фракции исходного образца балаханской нефти кислотные группы практически отсутствуют, в условиях деградации наблюдается интенсивное увеличение значения коэффициента окисленности -в восемь раз. В бензольной и спиртобензольной фракциях окисленность образцов возрастает в 5,3 и 1,4 раза, соответственно (табл. 4). Увеличение коэффициента окисленности свидетельствует об интенсификации биодеградации нефти в опытных вариантах, в связи с чем возрастает содержание
кислородных соединений, являющихся устойчивыми продуктами микробиологического окисления углеводородов нефти. Общее содержание кислот в деградационных условиях растет по отношению к контрольному опыту для всех образцов, подвергшихся деградации. Максимальное увеличение (в два раза) достигается в ходе опыта 3 и характеризует преимущественную роль в этом процессе биохимических реакций. Максимальные по отношению к контрольному опыту изменения, характеризующие скорость деградационных преобразований, наблюдаются в гексановой фракции (8 раз), несколько меньше (5,3 раза) интенсивность преобразования для бензольной и очень мала (в 1,4 раза) для спиртобензольной фракции (табл. 5). Из этого следует, что окислительным процессам подвержены главным образом компоненты, содержащиеся в легких фракциях нефти. В качестве таких компонентов могут выступать также и нафтеновые углеводороды. Действительно, по имеющимся в литературе сведениям [9], моноциклические углеводороды,будучи окисленными до кетонов, способны к разрыву кольца с образованием насыщенных и ненасыщенных кислот. Если принять во внимание тот факт, что в процессе биодеградации нефти Ба-лаханского месторождения нафтены, содержащие молекулы с усредненной цикличностью 1-4, уменьшаются по отношению к контрольному опыту для всех фракций (табл. 3), вполне возможно, что увеличение кислотных структур будет происходить за счет кислот, образовавшихся в процессе деградации этих нафтеновых углеводородов. В ИК-спектрах сложноэфирные группы могут быть идентифицированы по двум полосам поглощения: С=О (С17) и С-О-С (С9), а карбоксилсодержащие структуры однозначно идентифицируются только по полосе 1740 см-1 и могут быть описаны только коэффициентом С17. В каждой фракции имеются карбонил-содержащие структуры, содержание которых при деградации меняется -уменьшается в гексановой фракции и растет в бензольной и спиртобензольной фракциях (табл. 4 и 5). Из сопоставления коэффициентов С9 и С17 сле-
дует, что карбонильные группы для всех фракций исходной нефти представлены в основном сложноэфирными компонентами. В бензольной и спиртобензольной фракциях в результате биоде-градационных процессов эти структуры представлены лишь частично (табл. 3 и 4). В остальном это могут быть компоненты с участием кетонов и альдегидов, которые трансформируются в кислотные фрагменты, полученные в результате окислительных процессов при деградации. Что касается гексановой фракции, то деградационные изменения находят свое отражение только на содержании фрагментов с участием С=О-групп. И здесь, и в контрольном опыте они представлены сложно-эфирными структурами (для опытов 2-4). Наибольшей интенсивностью деградационные процессы с участием кар-бонилсодержащих структур характеризуются для бензольной фракции и составляют 2,8; 5,5 и 1,6 для гексановой, бензольной и спиртобензольной фракций, соответственно (табл. 5). По данным ИК-спектров в исходной нефти идентифицированы две структуры, содержащие серу и описываемые коэффициентами С и С8, сульфиды, меркаптаны,соединения,содержащие С^-С-, С^-Н-связи (С1), и сульфокси-ды (С8). Нами рассматривалось поведение этих структур в отдельности (табл. 4), а также оценивался их совместный вклад в процессы деградации (табл. 5). При деградации относительное осер-нение уменьшается в гексановой и бензольной фракциях и растет в спиртобензольной фракции. Что касается каждой из этих структур, то в процессе деградации они ведут себя по-разному. Так, структуры, содержащие сульфидные связи (С1), легко окисляются во всех трех фракциях. Интенсивность деградационных изменений составляет 2,9; 1,4 и 2,1 для гексановой, бензольной и спиртобензольной фракций, соответственно. Сульфоксидные компоненты (С8) меньше подвержены де-градационным изменениям: для гексановой, бензольной и спиртобензольной фракций максимальные по отношению к контрольному опыту изменения относительного содержания составляют 1,2; 1,5 и 1,1, соответственно (табл. 4).
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 6 June 2018
111
Общее содержание серы в процессе биодеградации уменьшается: для опытов 2 и 4 оно примерно одинаково, опыт 3 характеризуется наибольшими изменениями. Присутствие азота в образцах нефти может быть более достоверно установлено методом ИК-спек-троскопии для структур, в которых имеются NH- и NH..-группы по полосе валентных колебаний N-Н-связей при 1620 см-1. Аминогруппы присутствуют в контрольных образцах во всех трех фракциях: в бензольной и спиртобензольной их содержание по отношению к насыщенным углеводородам (С14) и алифатическим структурам (С21) одинаково, а в гексановой - примерно в два раза больше (табл. 4). В процессе деградации в гексановой и бензольной фракциях содержание аминогрупп уменьшается, а в спиртобензольной растет (табл. 3).
Виниловые производные сложных эфи-ров (коэффициент С18) присутствуют в контрольных образцах всех трех фракций, главным образом в спиртобензольной, а в гексановой и бензольной фракциях - в очень небольших количествах. Бензольная и спиртобензоль-ная фракции исследованных образцов характеризуются ростом этих структур, причем для бензольной фракции этот процесс носит очень избирательный характер (табл. 4).
В образцах исходной нефти и опытах по биодеградации обнаружены комплексы металлов с карбонильной группой по типу Ме-О-С - Ме-О-С (С19). Их содержание увеличивается при переходе от гексановой к бензольной фракции (табл. 4). Порядок деградационных изменений характерен для биохимических процессов их образования, хотя увеличение содержания
этих структур в спиртобензольной фракции может быть обусловлено их накоплением.
Результаты анализа ИК-спектров исходной нефти исследуемого месторождения суммированы в табл. 3 и показывают, что основную часть углеводородов составляют насыщенные углеводороды (алканы + цикланы), на долю которых приходится ~80 %. Характер наблюдаемых деградационных изменений и их интенсивность для выбивающихся из общей схемы образцов (табл. 5) позволяет сделать вывод, что одним из основных параметров, определяющих биодеградационные процессы, в нашем случае является геохимический фактор, избирательно влияющий на изучаемые компоненты. Это избирательность главным образом определяется химическим строением компонентов нефти.
References:
1. 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.
2. Trindade P. V.O., Sobral L.G., Rizzo A.C.L., Leite S.G.F., Soriano A.U. Bioremediation of a Weathered and a Recently Oil-Contaminated Soils from Brazil. A Comparison Study. Chemosfere, 2005, No. 58, P. 515-522.
3. Babayev E.R. Microbial Biodegradation of Oil in the Soils of the Absheron Peninsula. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2017, No. 11, P. 64-69. (In Russian)
4. Joshi P.A., Pandey G.B. Screening of Petroleum Degrading Bacteria from Cow Dung. Research Journal of Agricultural Science, 2011, No. 2, P. 69-71.
5. Filatov D.A. Biodegradation of Oil Hydrocarbons in Soil Using Light-Corrective Polymer Films. Author's abstract of the Ph.D. Thesis in Engineering Sciences. Tomsk, 2009, 23 p. (In Russian)
6. Kayukova G.P., Egorova K.V., Gabitova R.K., et al. Transformation of Heavy Petroleum during Chemical and Biological Degradation in Soil. Neftekhimiya = Petroleum Chemistry, 2000, Vol. 40, No. 2, P. 73-84. (In Russian)
7. Svarovskaya L.I., Filatov D.A., Gerelmaa T., Altunina L.K. IR and 1H NMR Assessments of the Biodegradation of Oil. Neftekhimiya = Petroleum Chemistry, 2009, Vol. 49, No. 2, P. 136-141. (In Russian)
8. Babayev E.R., Movsumzade M.E. Transformation of Oil During Microbiological Degradation in Ground. Bashkirskii khimicheskii zhurnal = Bashkir Chemical Journal, 2009, Vol. 16, No. 3, P. 80-87. (In Russian)
9. Bakulin M.K., Chebotarev E.V., Zakharov V.Yu. Intensification of Microbial Degradation of Crude Oil and Oil Products in the Presence Of Perfluorodecalin. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya = Applied Biochemistry and Microbiology, 2004, Vol. 40, No. 3, P. 266-271. (In Russian)
Литература:
1. 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.
2. Trindade P.V.O., Sobral L.G., Rizzo A.C.L., Leite S.G.F., Soriano A.U. Bioremediation of a Weathered and a Recently Oil-Contaminated Soils from Brazil. A Comparison Study // Chemosfere. 2005. No. 58. P. 515-522.
3. Бабаев Э.Р. Микробиологическая деструкция нефти в почвах Апшеронского полуострова // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 11. С. 64-69.
4. Joshi P.A., Pandey G.B. Screening of Petroleum Degrading Bacteria from Cow Dung // Research Journal of Agricultural Science. 2011. No. 2. P. 69-71.
5. Филатов Д.А. Биодеградация углеводородов нефти в почве с применением светокорректирующих полимерных пленок: aвтореф. дисс ... канд. хим. наук. Томск, 2009. 23 с.
6. Каюкова Г.П., Егорова К.В., Габитова Р.К. и др. Преобразование тяжелой нефти в процессе химической и биологической деградации в почве // Нефтехимия. 2000. Т. 40. № 2. С. 92-102.
7. Сваровская Л.И., Филатов Д.А., Гэрэлмаа Т., Алтунина Л.К. Оценка степени биодеструкции нефти методами ИК и ЯМР 1Н спектроскопии // Нефтехимия. 2009. Т. 49. № 2. С. 153-158.
8. Бабаев Э.Р., Мовсумзаде М.Э. Преобразование нефти в процессе ее микробиологической деградации в почве // Башкирский химический журнал. 2009. Т. 16. № 3. С. 80-87.
9. Бакулин М.К., Захаров В.Ю., Чеботарев Е.В. Интенсификация биодеградации микроорганизмами нефти и нефтепродуктов под влиянием перфтор-декалина // Прикладная биохимия и микробиология. 2002. Т. 40. № 3. С. 317-322.
