Управляемая биоремедиация нефтезагрязнений в природных водах органическими сорбентами разнообразного происхождения Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 574.635

Н. В. Морозов

УПРАВЛЯЕМАЯ БИОРЕМЕДИАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ ОРГАНИЧЕСКИМИ СОРБЕНТАМИ РАЗНООБРАЗНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Ключевые слова: биоремедиация, нефть, углеводородокисляющие микроорганизмы, сорбенты, иммобилизация.

Рассмотрено участие в биотрансформации нефти отселектированных углеводородокисляющих микроорганизмов - монокультуры, трех, четырех и девяти штаммов(консорциум) под влиянием сорбентов при разных нагрузках и изменяющихся условиях среды. Определяющим фактором в очистке вод от нефти с углеводоро-докисляющими микроорганизмами (УОМ) (взвешенной в толще и пленочной на поверхности воды в концентрации до 1000 мг/см3) явилось одновременное введение в нефтезагрязненную воду сорбентов (от 10 до 50 мг/см3 на 1 м2 , или 1 м3 в зависимости от природы) с суспензией двух суточной культуры ассоциации УОМ из расчета 110.106 - 124.106 кл/см . При этом эффективность очистки вод от нефти под влиянием сорбентов за 21 суток колеблется между 55,0 - 98,2% (шелухи гречихи - 98,2, торфа - 86,4; шелухи ячменя 80,2 и шелухи кукурузы - 55%), без сорбентов с УОМ остается на уровне 21-34%, а без сорбентов и микроорганизмов не превышает 3,1%.

Key words: bioremediation, oil, hydrocarbon-oxidizing microorganisms, sorbents, immobilization.

The article considers the participation in the oil biotransformation under the influence of sorbents and without them of monoculture, three, four and nine strains (consortium) of hydrocarbon-oxidizing microorganisms under different loads and environment conditions. The determining factor in the purification of water from oil by the HOM (in the water column or film on surface water in concentrations up to 1000 mg/cm3) was achieved with the simultaneous introduction of oil-contaminated water sorbents (10 to 50 mg/cm3 per 1 m2 or 1 m3, depending on the nature) with the suspension of HOM two daily culture in concentration 110.106 - 124.106 cells/cm3.The efficiency of water purification from oil under the effect of sorbents during 12-14 days varies between 55,0 - 98,2% (buckwheat husk - 98,2, peat - 86,4, the husk of barley 80,2 and husks of corn - 55%), and without the sorbent with the HOM remained at the level of 21-34%, and without sorbent and microorganisms does not exceed 3.1 %.

Введение

Наиболее приоритетным загрязнением водных экосистем современности является нефть и ее производные, которые попадая в водоем, изменяют ее физическое и химическое состояние, и, как следствие, качество воды. В условиях всевозрастающего потребления нефти и нефтепродуктов растут технологические и иные потери. Это четко прослеживается на малых и больших реках, прилегающих к местам настоящей и прошлой индустриальной нефтедобывающей активности, а также интенсивного сельскохозяйственного производства и быта. В силу этого среднестатистические показатели загрязнения нефтью природных и производственных сточных вод повсеместно выше ПДК в десятки, сотни, а порой в тысячи раз [1, 2]. В этой связи, ликвидация локальных и аварийных поступлений нефтяных загрязнений и особенно интенсификация биодеградации их в водных объектах, используя оперативные способы управляемой очистки, остается крайне актуальной.

Мировой опыт решения данной проблемы показывает, что наиболее эффективным, особенно первые часы после аварии и в последующие периоды, является применение сорбционных технологий, позволяющих быстро локализовать нефтяное загрязнение [3, 4] с употреблением отходов промышленного (сажи, угля, резиновой крошки и др. [5]) и сельскохозяйственного (солома, льняная костра [6-8], плодовые оболочки зерновых культур [9-11], скорлупа орехов, горчичные и льняные шроты [12]) производств.

Важным условием в данном процессе выступает использование возможности совмещения в одном материале - сорбенте способности к сорбции нефтяных загрязнений на пористых органических носителях и биодеструкции их микроорганизмами, иммобилизованными на этих же сорбентах. Речь идет о применении для этих целей специально созданных и отселектированных углеводородокисляющих бактерии (УОБ) и сорбентов разнообразной природы, обладающих высоким и видимым эффектом для направленной биодеструкции нефти и ее производных в природных и сточных водах любых отраслей промышленности, где имеются проявления нефтяного загрязнения. Несмотря на некоторую изученность данной проблемы, до настоящего времени остаются не разработанными или отсутствуют экономично выгодные и совершенные технические системы, биотехнологические схемы, приемы и методы, обеспечивающие восстановление естественных качеств водных ресурсов от аварийных и иных поступлений нефти и нефтепродуктов. Она особенно остра для тех регионов, где масштабы загрязнения водоемов возрастают в связи с вводом новых мощностей добычи и переработки нефти.

Целью настоящих исследований явилась разработка комплексной биотехнологии, сочетающей использование углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), объединенных в консорциум промышленного образца с органическими сорбентами разнообразной природы, включая отходы сельскохозяйственного производства, обеспечивающие регулируемую биоремедиацию нефтяных загрязнений в поверхностных водах.

Материалы и методы исследования

В качестве сорбентов применяли: торф, опилки древесные, древесную золу, речной песок, вермикулит, шелуху зерен гречихи, ячменя, кукурузы в концентрации от 10 - 50 мг/см3 с размерами 0,054 и 0,071 мм. УОБ брались из состава вновь созданного консорциума, объединяющего девять штаммов, принадлежащих к родам: Alcaligenes (1 вид), Bacillus (1 вид), Brevibacterium (2 вида), Flavobacterium (1 вид), Micrococcus (1 вид), Clostridium (1 вид), и Pseudomonas (2 вида). Испытывали отдельно монокультуру, три, четыре и девять видов (консорциум) из расчета 102-106-105-106 кл/см3. Опыты включали лабораторные на фоне среды Мюнца и натурные с водой р. Волга. Загрязнение их осуществляли нефтью Елховского месторождения (Республика Татарстан) в концентрации по 0,5 % по объему. Состав нефти включал: до 42 % легких углеводородов, 27-31 % - ароматических углеводородов, 1-7 % тяжелых фракций (из 6-ти определений). Эксперименты длились от 12 до 21 суток в статистических условиях без внешнего воздействия. Измерения показателей, характеризующих потенциальную способность к биотрансформации нефтяного загрязнений разными видами УОБ выполнялись через 2 часа (после заражения воды), сутки, а затем каждые двое суток. Очистку воды от нефти (пленочной, взвешенной и растворенной) с УОБ в присутствии сорбентов и без них оценивали по динамике изменения УОМ, биохимическому потреблению кислорода за пять суток (БПК5), химического потребления кислорода (ХПК), содержанию растворенного кислорода, свободного углекислого газа, общего азота (N) и фосфора (P2O5) по общепринятым, стандартным и унифицированным методам [13-15]. Количество неокисленной нефти определялось спектрофотомет-рическими методом на ИКФурье - спектрометре марки «Инфролюм-ФТ 08».

Результаты и их обсуждение

Зараженная нефтью и УОМ минеральная среда и вода водоема по мере развития последних приобретает устойчивую мутность. Пленка нефти, занимающая поверхность воды, а также взвешенная в толще воды уже на вторые - третьи сутки контакта с УОМ претерпевает значительные изменения. Первая становится рыхлой, светлеет по окраске переходя в прозрачную пленку и далее к 5-7 суткам разр ывает-ся на отдельные куски, оседает или исчезает. Вторая, взвешенная нефть в толще воды обволакивается мохообразными выростами и нитями. По мере увеличения времени контакта с микроорганизмами происходит расслаивание и рассеивание, образованных отдельных хлопьев или частичек. Четче все эти изменения в процессе биоокисления нефти наблюдаются в среде с четырьмя и девятью видами (консорциум) УОМ. Анализы динамики численности УОМ по этим опытам показали, что число их возрастает в 1,5-3 раза на 2-3 сутки, достигая максимума на 5-8 сутки, а затем падает с уменьшением нефтяного загрязнения. С монокультурой и тремя штаммами УОМ, при сохранении общей тенденции

возрастания, численность их увеличивается максимально лишь на 8-12 сутки. По величине она, по сравнению с наибольшим количеством видов, участвующих в процессе очистки воды от нефти, осталась ниже в 1,8-2,4 раза. Наблюдаемая разница в окислении нефтяного загрязнения (визуально) и с учетом динамики развития УОМ еще выше под влиянием сорбентов. Так, например, в вариантах с девятью штаммами УОМ, адгезированных на торфе, эффективность очистки воды от нефти за 21 сутки контакта составила 86,4 %, четырьмя видами - 64,2 % с тремя - 56,8 %, а с монокультурой - 44,5%; на древесных опилках при тех же соотношениях культур - 76,4 %, 54,3 %,46,6 % и 34,2 %, соответственно (рис. 1).

чО 100

о4

II IV V VI VII VII IX X Варианты опытов

■ 1 I - Вода с нефтью+торф+1УОМ

2 II - Вода с нефтью+торф+3УОМ

3 III - Вода с нефтью+торф+4УОМ

■ 4 IV - Вода с нефтью+торф+консорциум 5 V - Вода с нефтью+торф (к)

■ 6 VI - Вода с нефтью+древесные опилки+1УОМ

■ 7 VII Вода с нефтью+древесные опилки+3УОМ

■ 8 VIII - Вода с нефтью+древесные опилки+4УОМ

■ 9 IX - Вода с нефтью+древесные опилки+консорциум 10 X - Вода с нефтью+древесные опилки (к)

Рис. 1 - Изменение основных показателей очистки от нефти углеводородокисляющими микроор-ганизмами( УОМ) под влиянием органических (а) и неорганических (б) сорбентов

Как исходит из результатов опытов в присутствии большого количества видов УОМ и сорбентов - торфа, древесных опилок, биодеградация нефти в воде идет значительно быстрее и интенсивнее. На данное обстоятельство указывают количественные изменения значения ХПК, О2, общего неорганического азота и фосфора (Табл.1). Как видно из данных таблицы 1, в присутствии монокультуры и трех штаммов УОМ, значение ХПК снизилось в 3 раза, а в присутствии четырех видов и консорциума УОМ к концу эксперимента названный параметр снизился в пределах 4,5 - 5,5 раза, соответственно. Сокращение же содержания общего азота и фосфора с участием максимального количества видов УОМ превысило в 2,7 и 3,4 (Р205) раза, а с минимальным числом штаммов изменялась в среднем от 1,4 (№) до 1,7 (Р2О5) раза.

Показатель растворенного О2 медленно убывает в силу вовлечения его в окислительные процессы, что говорит об эффективности процесса дыхания микроорганизмов в данных условиях культивирования, соответственно вариантом опытов. Влияние неорганических сорбентов - древесной золы, речного песка на интенсивность очистки воды от нефти с УОМ приведено в таблице 2. Однако, по тенденции, оно идентично опытам с органическими сорбентами. Минимально в присутствии монокультуры и трех штаммов и максимально, когда в биодеградации нефти участвуют четыре штамма и консорциум УОМ (рис.2).

Таблица 1 - Изменение основных показателей очистки воды от нефти УОМ под влиянием органических сорбентов

Вариантов опытов Дни опыта

3-й 21-й

Показатели, мг/дм3

ХПК N ХПК N

общ. общ.

1 412, 0 3, 4 135, 0 1,8

2 415, 0 3, 3 96,0 1,6

3 415, 0 3, 5 89,0 1,5

4 415, 0 3, 1 75,0 0,9

5 412, 0 3, 4 401,0 3,2

6 312, 0 1, 8 127,0 1.2

7 312, 0 1, 6 199,0 1,2

8 315, 0 1, 8 95, 0 1,3

9 315, 0 1,8 89,0 1,3

10 312, 0 2,6 302,0 2,5

Примечание: 1) Вода с нефтью + торф + 1 УОМ; 2) Вода с нефтью + торф + 3 УОМ; 3) Вода с нефтью + торф + 4 УОМ; 4) Вода с нефтью + торф + консорциум; 5 )Вода с нефтью + торф(контр); 6) Вода с нефтью + древесные опилки + 1 УОМ; 7) Вода с нефтью + древесные опилки + 3 УОМ; 8) Вода с нефтью + древесные опилки + 4 УОМ; 9) Вода с нефтью + древесные опилки + консорциум; 10) Вода с нефтью + древесные опилки.

Так, например, значение ХПК к 21 суткам в первой середине опытов, т.е. с минимальным числом видов бактерий, сократилось в среднем в 2,5 (древесная зола) и 1,9 (речной песок) раза. Этот показатель для вариантов с наибольшим числом видов УОМ составил 3,5 и 2,7 раза, соответственно. По показателям содержанию общего азота и фосфора, снижение их в процессе очистки воды от нефти в присутствии данных видов сорбентов с УОМ колебались от 0,2-1,3 (монокультуры и 3 штамма) до 23,4 (4 штамма и консорциум) раза (табл. 2).

Несомненно, интенсивное окисление нефти ассоциативными культурами, объединенные в консорциум и в присутствии органических сорбентов идет полное, причем в короткие сроки. Это подтверждено нами и в других экспериментах с использованием шелухи гречихи, ячменя и кукурузы.

Испытания влияния на биоокисление нефти вышеназванных растительных субстратов в концентрации 50 мг/см3 с размерами от 0,054 до 0,071 мм также показали, что иммобилизация УОМ на дан-

I

п

ш 1

IV

V

Варианты опытов 11 Вода с нефтью+речной песок+1УОМ

■ II Вода с нефтью+речной песок+3УОМ

■ III Вода с нефтью+речной песок+4УОМ

IIV Вода с нефтью+речной песок+консорциум

■ V Вода с нефтью+речной песок (к)

Рис. 2 - Химические показатели очистки воды от нефти под влиянием углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) и неорганических сорбентов

Таблица 2 - Химические показатели очистки воды от нефти под влиянием углеводородокисля-ющих микроорганизмов (УОМ) и неорганических сорбентов

Примечание: 1) Вода с нефтью +зола+1 УОМ; 2) Вода с нефтью+ зола +3 УОМ; 3) Вода с нефтью+ зола +4УОМ; 4) Вода с нефтью+ зола+ консорциум; 5) Вода с нефтью+зола (контр); 6) Вода с нефтью+ речной песок +1 УОМ; 7) Вода с нефтью+ речной песок +3 УОМ; 8) Вода с нефтью+ речной песок + 4 УОМ; 9) Вода с нефтью древесные опилки+консорциум; 10) Вода с нефтью + речной песок (контр)

ных сорбентах всегда сопровождается всплеском возрастания численности бактерий и интенсификацией окислительных процессов. Микробиальная деструкция нефти в воде, как и в предыдущих опытах, находится в прямой зависимости от количества видов УОМ, участвующих в процессе очистки и

природы сорбента. Установлено, что с максимальным количеством видов УОБ в консорциуме и в присутствии шелухи гречихи степень освобождения воды от нефтяного загрязнения за 21 сутки достигала 98,2 %, ячменя - в пределах 78,3-80,2 %, а кукурузы 51,0-55,7 %. С тремя штаммами УОМ в те же сроки на 80,1 %, 75,3 и 45,3 %, соответственно. При этом, содержание БПК5, характеризующее степень биочистки воды от доступной органики - нефти с девятью штаммами (консорциум) снизилось в 1,82,6 раза (с 5,7 до 3,1-2,2 мг О2/л), а стремя не превысило в 1,7 раза (с 5,6 до 3,3 мг О2/л). Значение же ХПК с консорциумом снизилось в среднем в 1,5 (с 157,0 до 100,0 мг/л), а с тремя штаммами - не более 1,2 раза (с 157,0 до 131,0 мг/л). Наблюдаемое, вероятнее всего, связано с тем, что растительные субстраты одновременно повышая адсорбционную поверхность, выполняют роль легкоокисляемого субстрата для УОМ и благоприятствуют быстрому освобождению воды от нефтяного загрязнения [16].

Анализ химического состава вышеназванных органических субстратов показывает, что они в действительности богаты доступными для бактериального окисления соединениями. Так, например, торф содержит в себе: калий, фосфор, фосфолипиды, ненасыщенные жирные кислоты, необходимые для жизнедеятельности разнообразных микроорганизмов [17]. В шелухе зерен гречихи наряду с калием, фосфором и фосфолипидами много углеводов, органических кислот, включая пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, ланоленовую и др. [18]. Пористая поверхность древесных стружек аккумулирует в своих порах влагу и кислород, что улучшает аэрацию воды, а сахара, выделяемые ею в среду, стимулируют бактериальное окисление загрязнений. Подобное влияние на очистку воды от нефти и ее пер-систентных соединений нами установлено с шелухой зерен ячменя, пшеницы и овса [2, 19, 20 ].

Меньшая активность окислительных процессов в присутствии речного песка, вермикулита и др. в большей степени связано с отсутствием в среде веществ органической природы, способных вовлекаться в общий метаболизм клеток и стимулировать жизнедеятельность УОМ. Очевидно, что вермикулит (осадочная горная порода) имеющий, даже большую адсорбционную поверхность и дополнительные аэрационные свойства (при равных условиях и длительности контакта с углеводородокисляю-щей ассоциацией бактерий и нефтью в течении 21 суток) показал меньшее влияние на интенсивность процессов освобождения воды от исходного нефтяного загрязнения. В среднем, этот показатель равнялся 44,8 %. Это достигнуто при концентрации сорбентов 10-50 мг/см3. Это ниже по сравнению с шелухой зерен гречихи, ячменя и торфом в 1,5-2 раза.

Интенсивное окисление нефти ассоциативными культурами, объединенные в консорциум и в присутствии органических сорбентов, представляющих собой, в большей степени, отходы сельскохозяйственных производств, подтверждено как микробиологическими, так и химическими показателями очистки воды. Это подтверждение получено и полу-

производственными испытаниями консорциума и органических сорбентов по очистке природной воды от нефти до 0,5 % по объему. Главным в этих экспериментах явился, как и в каких соотношениях использовать УОМ, сорбенты при управляемом снятии нефтезагрязнений в природных и сточных водах.

Следует отметить, что в отличии от органических сорбентов неорганические всегда оказывают меньшее влияние на очистку вод от нефти. В наших опытах эффективность равнялась величине, достигаемой при биоокислении нефтяных загрязнений ассоциативными штаммами без влияния сорбентов. Это на уровне 41,0-45,6 %, а, следовательно, применение их в ликвидации нефтяных загрязнений необходимо рассматривать как первичную ступень в локализации повышенной концентрации нефти в момент поступления последней в водоемы. Использование органических сорбентов, в частности, шелухи зерен гречихи, ячменя и др. совместно с УОМ, а именно отселектированным консорциумом (в виде технологии доочистки или самостоятельной очистки от нефтезагрязнений при любых поступлениях) позволит малыми затратами обеспечить управляемую биоремедиацию нефтезагрязнений до безвредных продуктов окисления. При этом исключается выделение, удаление и утилизация сорбентов и УОМ из водной среды, где нефть как высокотоксичный загрязнитель вместе с сорбентами и микроорганизмами включается в общий метаболизм, осуществляемый экосистемой аквакомплекса.

Выводы

1. Выполнены исследования по выбору отселекти-рованных углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) и сорбентов разнообразной природы, служащих одновременно адгезированной поверхностью для иммобилизации и активации клеток и легкоокисляемый органикой, обеспечивающих управляемую биоремедиацию нефтяных загрязнений (локальных аварийный или иных) в природных и сточных водах.

2. Установлено, что скорость очищения воды от нефти находится в прямой зависимости от качества видов УОМ в процессе очищения воды и природы сорбента. Эффективное окисление взвешенной и растворенной нефтяной пленки с суммарным содержанием в воде до 1000 мг/л или 0,5 % по объему на 55 -98,2 % достигается при применении консорциума углеводородокисляю-щих микроорганизмов (УОМ), включающих 9 штаммов и органических сорбентов - торфа, древесных опилок, шелухи зерен гречихи, ячменя и кукурузы в концентрации до 50 мг/дм3 за 21 суток контакта. В контроле без сорбентов и УОМ освобождение воды от нефти не превышает 3,1 ±1,1%

3. Выяснено, что микробиальное очищение от нефти составляет для :

• Шелухи гречихи 98,2%;

• Торфа 86,4%;

• Шелухи ячменя 78,3 -80,2%;

• Древесных опилок 7,4%;

• Шелухи кукурузы 51,0-55,0%.

4. Выявлено, что неорганические сорбенты -древесная зола, речной песок и др., при видимом влиянии на процессы очищения воды от нефти, уступает по суммарной эффективности органическим сорбентам более чем в 1,5 раза.

5. Разработана биотехнология очистки природных и сточных вод от нефтезагрязнений с использованием отселектированных УОМ в виде консорциума и органических сорбентов разнообразной природы, позволяющая полно и эффективно решать ликвидацию проявления любых подобных загрязнений в управляемом режиме.

Литература

1. Н.В. Морозов, Экологическая биотехнология: очистка природных и сточных вод макрофитами, КГПУ, Казань, 2001. 396 с.

2. Н.В. Морозов, О.В. Жукова, А.В. Иванов, Материалы Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы. 2011, ч.2. С. 302-304.

3. А.С. Самсонова, Н.Ф.Семенова, А.Ю. Сапрыкина, Водное хозяйство России, 7, 1, 73-75 (2005).

4. Г.Г. Ягафарова, Л.Р. Окчурина, Ю.А. Федорова, И.Р. Ягофаров, Экология и промышленность России, 12, 3435 (2011).

5. Н.П. Ясенкова, С.Г. Бачерникова, А.И. Михалкова, Н.В. Пузанова, Нефтяное хозяйство, 2, 95 (2010).

6. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова, С.В. Фридланд, Вестник Башкирского университета, 15, 2, 304-306 (2010).

7. И.Г. Шайхиев, дисс. д.т.н., Казань, КНИТУ, 2011. 357 с.

8. С.В. Степанова, Р.Х. Низамов, И.Г. Шайхиев, С.В. Фридланд, Безопасность жизнедеятельности, 4, 28-31 (2010).

9. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, О.А. Кондаленко, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 244-250 (2011).

10. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, В.В. Доможиров, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 12, 110-117 (2011).

11. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, С.М. Трушков, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 13, 129-135 (2011).

12. А.Н. Холомедик, Л.А. Зимнухова, Экология и промышленность России, 11, 34 (2010).

13. Ю.Ю. Лурье, А.И. Рыбникова,Химический анализ производственных сточных вод, Химия, М., 1974. 326 с.

14. Е.З. Теппер, В.К .Шильникова, Г.И. Переверзова Практикум по микробиологии, Дрофа, М., 2004. 256 с.

15. Унифицированный анализ вод: Методы микробиологического анализа вод, Издательский отдел Управления делами Секретариата СЭВ, М., 1977. 115 с.

16. Н.В. Морозов, Л.З. Хуснутдинова, О.В. Жукова, Фундаментальные исследования, 2, 576 - 579 (2011).

17. И.Е. Шарапова, А.В. Гарабаджу, М.Ю. Маркарова, Т.Н. Шемеленина, И.В. Грудов, Экология и промышленность России, 2, 22-25 (2001).

18. Е.Д. Шкорина, Автореф. дисс. к.т.н., Владивосток, 2010. 20 с.

19. О.В. Жукова, Н.В. Морозов, Фундаментальные науки и практика, 1, 3, 19-22 (2010).

20. N.V. Morozov, I.M. Ganiev, Reseach Journal of Pharma-cetical. Biological and Chemical Sciencs, 7, 5, 1728-1735 (2016).

© Н. В. Морозов - д.б.н., профессор каф. биохимии и биотехнологии Института фундаментальной медицины и биологии К(П)ФУ, [email protected].

© N. V. Morozov - Ph.D., professor. Biochemislry and Biotechnology, Institule of Medicine and Biology. KFU, [email protected].