СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОПРЕПАРАТА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВОДОЕМОВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ ИЛИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ Российский патент 2008 года по МПК C02F3/34 C12N1/26 

Изобретение относится к способам очистки природных вод, в частности к микробиологической биоремедиации (биовосстановлению) открытых акваторий, внутренних вод или береговой линии, загрязненных нефтью или нефтепродуктами.

Известен способ получения биопрепарата непосредственно на месте загрязнения для очистки природных вод от нефти или нефтепродуктов, включающий внесение дополнительных источников питания, в том числе модифицированных, для придания им требуемых свойств, таких, например, как плавучесть и пролонгированное выделение азота в места нефтяных загрязнений и таким образом культивирование в местах загрязнений нефтью или нефтепродуктами углеводородокисляющих микроорганизмов естественных биоценозов (см. патент US №4230562, кл. С02В 9/02, 28.10.1980).

Однако использование такого способа получения биопрепарата непосредственно на месте загрязнения не позволяет достичь удовлетворительной степени и сроков очистки из-за недостаточно высокой скорости роста углеводородокисляющих микроорганизмов естественных биоценозов, и, как следствие, медленного потребления углеводородов нефти, загрязняющих воду. Это, в первую очередь, связано с отсутствием средств, которые позволяли бы концентрировать нефть или нефтепродукт, питательные компоненты в месте концентрации нефтеокисляющих микроорганизмов, а также давали бы возможность микроорганизмам прикрепляться к субстрату и комфортно осуществлять процессы жизнедеятельности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения биопрепарата для очистки природных вод от нефти или нефтепродуктов, включающий смешивание пористого носителя с питательной водной средой и нефтеокисляющими микроорганизмами, обитающими в очищаемой природной воде (см. опубликованную заявку RU №2001135951, кл. C02F 3/34, 27.06.2004).

Однако использование перлита и вермикулита, которые являются производными природных алюмосиликатов, неоправданно, так как эти материалы обладают хорошей плавучестью, однако слабо развитой системой пор и каналов, которые сообщались бы с внешней средой. Поэтому клетки бактерий могут располагаться только на поверхности и не могут удерживаться на носителе в акватории. Кроме того, использование углеводородокисляющими бактериями в качестве питательных компонентов перлита и вермикулита невозможно, а поскольку минеральные добавки находятся на носителе, они будут смываться, и эффективность использования их бактериями будет низка, что снижает биологическую активность биопрепарата и, следовательно, эффективность очистки загрязненных водоемов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является активизация процесса доставки загрязняющих воду нефти или нефтепродуктов к ассоциациям углеводородокисляющих бактерий, количество которых увеличено биотехнологическим путем, и надежная иммобилизация ассоциаций бактерий на носителе.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение эффективности очистки воды от нефти или нефтепродуктов.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ получения биопрепарата для биовосстановления водоемов, загрязненных нефтью или нефтепродуктами, включает обработку пористого носителя раствором минеральных солей и глюкозой и смешивание с биотехнологически полученной культурой ассоциаций углеводородокисляющих бактерий, обитающих в очищаемой природной воде, в качестве носителя бактерий используют природные пористые цеолиты с закрытыми и открытыми порами с размером последних в поперечном сечении не менее 1 мкм, при этом вначале выделенные из очищаемой воды углеводородокисляющие бактерии культивируют в питательной водной среде, содержащей минеральные соли азота, фосфора, калия, нефть или нефтепродукты и глюкозу, а затем этой биотехнологически полученной культурой ассоциаций углеводородокисляющих бактерий пропитывают пористый цеолит и таким образом бактерии иммобилизируют в его открытых порах, после чего последний извлекают из указанной среды, высушивают и наносят на сорбент для нефти, например поролон, перед внесением биопрепарата в очищаемую акваторию.

В качестве источника углерода и энергии в питательную водную среду для культивирования углеводородокисляющих бактерий предпочтительно добавляют нефть или нефтепродукт в количестве 10-30 мл/л.

Глюкозу предпочтительно добавляют в питательную водную среду для культивирования углеводородоокисляющих бактерий в количестве 1 г/л.

Цеолит после пропитки содержит раствор минеральных солей азота, фосфора, калия с культурой ассоциаций углеводородокисляющих бактерий в количестве 10% от веса цеолита и глюкозу в количестве 0,1% от веса цеолита.

Диагностирование наличия бактерий в воде, отобранной для использования в качестве посевного материала для создания биопрепарата, и наличия бактерий в жидкости, полученной после культивирования, производят с использованием метода Коха (приготовление разведений и посев на плотную среду в чашки Петри) с последующим подсчетом выросших колоний или определением количества бактерий по оптической плотности. Нормальное содержание бактерий в отобранной пробе воды 10²-10⁴, в жидкости, полученной по окончании культивирования, 10⁷-10¹⁰ клеток в 1 мл жидкости.

При загрязнении акватории нефтью или нефтепродуктами происходит отравление и/или гибель большого количества организмов. При этом разрываются пищевые цепи, в результате чего прерываются связи в экосистеме и разрушается ее живая составляющая. Следствием является то, что даже при восстановлении жизни на данном участке возможны очень сильные преобразования в доминантах экологических ниш, что проявляется в уменьшении разнообразия живого мира. Это, в свою очередь, может привести к другим крупным негативным изменениям экосистемы. Современные технологии, применяемые при ликвидациях разливов нефти, несовершенны, т.к. не обеспечивают быстрой и полной очистки акватории от нефти, что не исключает опасность проникновения и накопления углеводородов нефти в пищевых цепях. Кроме недостаточной эффективности очистки морской акватории существующие технологии имеют высокую стоимость. Поэтому необходимы эффективные и сравнительно недорогие способы восстановления морской среды от разливов нефти.

В то же время физические процессы (ветер, волнение, течения, испарение и др.) обусловливают главным образом перенос нефти, а не ее трансформацию. Молекулы нефти могут быть рассеяны и частично выведены из экосистемы химическими агентами, а разрушены и преобразованы в безопасные формы только биологическими агентами.

По сравнению с другими морскими обитателями меньшую опасность представляет нефть для микроскопической биоты моря - бактериопланктона. Это связано с тем, что микроорганизмы являются единственным компонентом экосистемы, способным разрушать нефть и нефтепродукты до простых соединений в процессе своей жизнедеятельности. При благоприятных условиях биомасса углеводородокисляющих микроорганизмов нарастает и разрушение ускоряется. В процессе биодеградации нефти и нефтепродуктов микроорганизмы выделяют поверхностно-активные вещества, которые преобразуют нефтяную пленку в эмульсию, после чего молекулы нефти могут поступать в клетки микроорганизмов и использоваться в процессе жизнедеятельности.

Несмотря на то, что бактериопланктон способен разрушить и вывести из морской экосистемы нефтяное загрязнение, для запуска этого процесса самовосстановления акватории требуется время. Способ восстановления экосистем с использованием микроорганизмов разрабатывается в течение двух последних десятилетий учеными разных стран мира.

Большинство биопрепаратов разработано для очистки почв. Поэтому эти биопрепараты не приспособлены для использования в акваториях. В частности, для эффективного применения биопрепарата в акватории он должен обладать плавучестью, не затопляться при сорбировании на нем нефти и быть локализован. В основе большинства биопрепаратов лежат музейные штаммы микроорганизмов, которые являются чужеродными для конкретной акватории, загрязненной нефтью. Внесение этих микроорганизмов в загрязненную морскую воду приводит к низкой эффективности ее очистки от нефти. Это объясняется тем, что при использовании таких биопрепаратов происходит: а) конкурентное вытеснение внесенных нефтеокисляющих микроорганизмов местной микробиотой; б) вымывание клеток из зоны загрязнения; в) лабораторные штаммы микроорганизмов долго не адаптируются к природным условиям и химическим загрязнителям воды.

Очистка воды, в частности восстановление морской акватории, происходит за счет биотехнологического восполнения ее бактериального начала, т.е. тех микроорганизмов, которые уже существуют в загрязненной акватории, что способствует интенсификации процессов самоочищения акватории, и основывается на двухступенчатой концепции:

1) в акваторию вносится биопрепарат, работающий в природной среде;

2) снижение концентрации загрязнителя за счет работы биопрепарата и запас времени, пошедший на сохранение и концентрацию природных сил, способствуют активизации природных процессов самоочищения, что достигается за счет фрактальности (самоподобия) биопрепарата по отношению к природе.

В ходе исследования были определены требования к носителю биопрепарата. Носитель для ассоциации бактерий должен обладать адекватными свойствами как для клеток бактерий, так и для природной среды, в которую будет вноситься готовый биопрепарат для очищения от загрязнения путем биовосстановления природных вод, для чего носитель должен обладать следующими свойствами:

- развитая система открытых пор, размер пор не должен быть меньше, чем размер клеток бактерий размер (>1 мкм);

- наличие закрытых пор для обеспечения плавучести (актуально для использования биопрепарата в акваториях);

- материал при длительном нахождении в загрязненной акватории должен быть либо инертен, либо разлагаться под воздействием физических, химических, биологических факторов природной среды;

- обязательно наличие гидрофильных свойств для нормального контакта с бактериальным матриксом, содержащим микроорганизмы и имеющим полисахаридную природу, что обеспечит закрепление в и на носителе ассоциаций бактерий;

- желательно, чтобы добавленные и входящие в химический состав носителя компоненты могли быть использованы углеводородокисляющими бактериями в качестве минеральных или органических питательных компонентов.

В результате было выявлено, что большинству этих требований удовлетворяют пористые цеолиты, которые могут иметь открытые поры порядка более 1,0 мкм, что обеспечивает одновременно возможность иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов в порах носителя и транспортировку нефти или нефтепродуктов из области загрязнения к расположенным в порах ассоциациям бактерий.

Использование для очистки акватории микроорганизмов, приспособившихся именно к этой акватории, позволяет проводить восстановление морской акватории, которое происходит за счет биотехнологического восполнения ее бактериального начала.

Как следствие, достигается эффективная очистка загрязненной акватории.

Способ получения биопрепарата для очистки природных вод от нефти и нефтепродуктов заключается в следующем.

Из загрязненной акватории выделяют нефтеокисляющие микроорганизмы. Полученные таким образом ассоциации углеводородокисляющих бактерий культивируют в питательной водной среде, содержащей минеральные соли азота, фосфора, калия, нефть или нефтепродукт и глюкозу. Например, может быть использована классическая минеральная среда Чапека с добавлением углеводородов. По сравнению с составом морской воды среда Чапека обогащена фосфатом и нитратом.

Селективным фактором выделения ассоциации бактерий является температура, определяющая качественный и количественный состав ассоциации, скорость роста разных видов бактерий в составе ассоциаций. Рабочий диапазон температур селекции и культивирования аутентичных ассоциаций бактерий является характерным для конкретной акватории, из которой выделены ассоциации бактерий. Температура воды морских акваторий Российской Федерации в среднем колеблется в пределах от -1,7 до +25°С в зависимости от широты и сезона. Исходя из этих параметров, культивирование может осуществляться в следующих диапазонах температур:

Моря Северного Ледовитого океана - средние температуры -1,7÷-1,4°С.

Атлантический океан (выше 20° с.ш.) - зима +1÷+6, лето +16÷+18°С.

Тихий океан (выше 30° с.ш.) зима +1÷+6, лето +16÷+25°С.

Возможен следующий состав минеральной питательной водной среды Чапека (г/л природной воды):

NaNO₃2К₂HPO₄1MgSO₄·7H₂O0,5KCl0,5

В качестве источника углерода и энергии предпочтительно добавляется 10-30 мл/л нефти или нефтепродуктов.

В ходе исследования было установлено, что наиболее оптимально содержание глюкозы в количестве 1 г/л, которая добавляется для создания условий соокисления, что способствует: более быстрому наращиванию биомассы бактерий, ускорению биодеградации углеводородов (нефти или нефтепродуктов) и биосинтезу большего количества полисахаридного бактериального матрикса.

Носитель используется для иммобилизации клеток ассоциации бактерий. Носитель дает возможность клеткам находиться в прикрепленном состоянии. Для закрепления клеток бактерий на носителе он должен быть гидрофилен. Клетки бактерий стремятся закрепиться на субстрате для того, чтобы комфортно осуществлять процессы жизнедеятельности и наращивать биомассу. Для этого указанной питательной жидкой средой с выращенными ассоциациями углеводородокисляющих бактерий пропитывают носитель.

Ассоциация бактерий, находящаяся в бактериальном матриксе (т.е. ассоциация бактерий, которую нарастили на питательной водной среде и которая находится в естественном непреобразованном состоянии), закрепляется на носителе. Происходит распределение в поровых пространствах носителя клеток бактерий, находящихся в матриксе. Бактериальный матрикс представляет собой слизистую субстанцию, синтезированную клетками бактерий, входящих в ассоциацию бактерий, имеющую полисахаридную природу и выполняющую структурообразующую, защитную, коммуникативную функции. После пропитки носителя его высушивают.

Перед применением биопрепарата он наносится на сорбент для нефти, например поролон или другой материал (преимущественно гидрофобный), после чего он готов к внесению его в загрязненную водную акваторию для ее очистки. Сорбент должен обладать всеми или несколькими из следующих свойств:

- способностью сорбировать нефть или нефтепродукты, быть гидрофобным;

- развитой системой открытых пор с размером более 10 мкм;

- плавучестью, которую материал сохраняет длительное время; наличием закрытых пор для обеспечения плавучести или других особенностей материала (актуально для использования биопрепарата в акваториях);

- быть природным материалом, не вредящим природе; в экосистеме при длительном нахождении должен быть либо инертным, либо разлагаемым под воздействием физических, химических, биологических факторов природной среды;

- некоторые компоненты, входящие в состав сорбента, должны использоваться бактериями в качестве минеральных или органических питательных компонентов;

- удобством и длительностью хранения;

- возможностью нанесения разными способами и при разных условиях;

- адекватными рабочими характеристиками при применении в конкретной акватории;

- возможностью регенерации сорбента и его повторным использованием;

- возможностью утилизации использованного сорбента с использованием экологически чистых технологий;

- экономической эффективностью применения.

Настоящее изобретение может быть использовано при чрезвычайных ситуациях, связанных с ликвидацией загрязнения водных акваторий в результате техногенных катастроф при добыче, транспортировке, использовании нефти или нефтепродуктов, в частности при разрушении танкеров, при авариях на морских нефтяных платформах с разливом нефти или нефтепродуктов, при погрузочно-разгрузочных операциях в портовых акваториях и т.д.

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к микробиологическому биовосстановлению открытых акваторий, внутренних вод или береговой линии, загрязненных нефтью или нефтепродуктами. Способ получения биопрепарата включает смешивание природного носителя - цеолита с размером открытых пор в поперечном сечении на менее 1 мкм с минеральными солями и глюкозой с последующим смешиванием с биотехнологически полученной жидкой культурой ассоциаций углеводородокисляющих бактерий, выделенных из очищаемой акватории. При этом вначале выделенные из очищаемой воды углеводородокисляющие ассоциации бактерий культивируют в подходящей питательной жидкой среде, а затем эту биотехнологически полученную культуру ассоциаций углеводородокисляющих бактерий иммобилизируют на подготовленном носителе и высушивают. Перед применением готовый биопрепарат наносят на подходящий сорбент для нефти. В результате достигается повышение эффективности естественной очистки воды от нефти или нефтепродуктов. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ получения биопрепарата для биовосстановления водоемов, загрязненных нефтью или нефтепродуктами, включающий обработку пористого носителя раствором минеральных солей и глюкозой и последующим смешиванием с биотехнологически полученной культурой ассоциаций углеводородокисляющих бактерий, обитающих в очищаемой природной воде, при этом в качестве носителя бактерий используют природные пористые цеолиты с закрытыми и открытыми порами с размером последних в поперечном сечении не менее 1 мкм, вначале выделенные из очищаемой воды углеводородокисляющие бактерии культивируют в питательной водной среде, содержащей минеральные соли азота, фосфора, калия, нефть или нефтепродукты и глюкозу, а затем этой биотехнологически полученной культурой ассоциаций углеводородокисляющих бактерий пропитывают пористый цеолит и таким образом бактерии иммобилизируют в его открытых порах, после чего последний извлекают из указанной среды, высушивают и наносят на сорбент для нефти, например поролон, перед внесением биопрепарата в очищаемую акваторию.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нефть или нефтепродукты добавляют в питательную водную среду для культивирования углеводородокисляющих бактерий в количестве 10-30 мл/л.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что глюкозу добавляют в питательную водную среду для культивирования углеводородокисляющих бактерий в количестве 1 г/л.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что селекцию и культивирование ассоциаций бактерий осуществляют в диапазоне температур -1,7÷+25°С.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что цеолит после пропитки содержит раствор минеральных солей азота, фосфора, калия с культурой ассоциаций углеводородокисляющих бактерий в количестве 10% от веса цеолита и глюкозу в количестве 0,1% от веса цеолита.