Введение к работе
Актуальность темы. Одной из серьезных проблем восстановления природной среды при добыче, транспортировке и переработке нефти является ликвидация нефтяного загрязнения и утилизации отходов нефтяной промышленности. Наиболее перспективным направлением биоремедиации нефтезагрязненных объектов является применение биологического метода, основанного на использовании биохимического потенциала микроорганизмов, позволяющих ускорить разложение нефти и нефтепродуктов, не нанося дополнительного ущерба нарушенной экосистеме (Киреева, 1996).
Одним из крупнотоннажных техногенных отходов нефтепереработки при производстве смазочных масел является отработанная отбеливающая земля, содержащая в своем составе полициклические ароматические и смолистые соединения. Так, например, в 1998 году только на полигоне промышленных отходов ОАО «Орскнефтеоргсинтез» было накоплено свыше 150 тыс. тонн нефтезагрязненного грунта. Технологии биоремедиации нефтезагрязненных грунтов техногенного происхождения хотя и существуют, но их эффективность сравнительно невысока.
Другой серьезной экологической проблемой является очистка сточных вод предприятий пищевой промышленности и канализационных систем от жиров. Одним из перспективных способов решения этой проблемы является биоферментная технология их разложения на локальных очистных сооружениях конкретного предприятия (Молоканов с соавт., 2005). Биоферментные технологии по разложению и утилизации жиров основаны на использовании микробных липаз и микроорганизмов, способных к их продуцированию. Однако, на рынке Российской Федерации представлены лишь несколько препаратов зарубежного происхождения.
В настоящее время разработаны и производятся различные биопрепараты, предназначенные для ремедиации природных и техногенных объектов от последствий загрязнения нефтью и нефтепродуктами. В Институте биологии Уфимского научного центра РАН разработан новый высокоэффективный биопрепарат «Ленойл», созданный на основе консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов Bacillus brevis и Arthrobacter species.
Поиск эффективных способов активизации микроорганизмов очищаемой почвы или грунта для создания полноценного микробного сообщества в нефтезагрязненных субстратах и разработка новых эффективных технологий их биоремедиации, поиск активного продуцента липаз, который мог бы стать основой отечественного биопрепарата для деструкции жиров, являются актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Целью исследований явилась разработка микробиологических технологий для ремедиации природных и техногенных объектов. В соответствии с целью были поставлены основные задачи:
1. Разработать технологии биоремедиации отработанной отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами, основанные на использовании биохимического потенциала микроорганизмов избыточного активного ила биологических очистных сооружений и микроорганизмов-нефтедеструкторов биопрепарата «Ленойл».
2. Разработать биотехнологии очистки отработанной отбеливающей земли и чернозема типичного, загрязненного сырой нефтью, основанные на применении комплекса микробиологических препаратов, включающего биопрепарат-нефтедеструктор «Ленойл», а также биопрепараты на основе азотфиксирующих микроорганизмов и продуцентов липазы и биологически активных веществ.
3. Разработать технологии очистки водных поверхностей от нефтяного загрязнения и биохимической очистки сточных вод производства изопропанола, основанные на использовании биопрепарата «Ленойл».
4. Выделить из природных и техногенных мест обитания новые штаммы липолитически активных микроорганизмов.
5. Определить эффективность использования липолитически активных микроорганизмов для биологической очистки жиросодержащих сточных вод и процессов ремедиации нефтезагрязненных объектов.
Научная новизна. Изучены микробиологические процессы, протекающие в отработанной отбеливающей земле и черноземе типичном, загрязненных углеводородами нефти, при различных приемах рекультивации.
Разработаны новые способы биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами, основанные на использовании избыточного активного ила биологических очистных сооружений, неорганических химических соединений и биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл».
Впервые разработана биотехнология очистки отработанной отбеливающей земли и нефтезагрязненного чернозема типичного, основанная на применении комплекса микробиологических препаратов «Ленойл», «Азолен», «Бациспецин».
Разработаны новые способы очистки водных поверхностей от нефтяного загрязнения и биохимической очистки сточных вод производства изопропанола, основанные на использовании биопрепарата «Ленойл».
Выделены и идентифицированы новые штаммы бактерий рода Serratia, проявляющие высокую липолитическую активность: Serratia species ИБ 3-1 и Serratia marcescens ИБ 2-2. Определен спектр окислительной активности этих бактерий по отношению к жирам растительного и животного происхождения, углеводородам различных классов, нефти и продуктам ее переработки.
Практическая значимость. Разработаны и запатентованы в Российской Федерации новые способы рекультивации отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами (Патенты РФ № 2183142, 2237711, 2297290). Доказана высокая эффективность использования различных вариантов технологии биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли. За период 1998-2007 гг. в ОАО «Орскнефтеоргсинтез» по разработанной технологии рекультивировано свыше 150 тыс. тонн этого техногенного отхода нефтепереработки.
Доказана высокая эффективность совместного использования биопрепаратов «Ленойл» и «Азолен» для осуществления процесса ремедиации различных нефтезагрязненных субстратов. Разработанная биотехнология успешно испытана в 2006-2007 гг. в промышленных условиях при проведении рекультивационных работ на территории НГДУ «Бугурусланнефть» ОАО «Оренбургнефть». Разработанная биотехнология ремедиации с использованием сухой препаративной формы биопрепарата «Ленойл» также успешно прошла промышленные испытания на территории Краснодарского края при ликвидации последствий нефтяного загрязнения в 2006 г.
Разработаны и запатентованы в Российской Федерации новые способы очистки водных поверхностей от нефтяного загрязнения и биохимической очистки сточных вод производства изопропанола (Патенты РФ № 2241032, 2263080). Доказана высокая эффективность использования биопрепарата «Ленойл» при очистке верхового болота от нефтяного загрязнения на территории Ханты-Мансийского округа.
Разработаны и запатентованы в Российской Федерации новые штаммы бактерий рода Serratia, которые могут быть использованы в качестве продуцентов липолитических ферментов (Патенты РФ № 2308485, 2310685). Показана возможность использования штаммов Serratia species ИБ 3-1 и Serratia marcescens ИБ 2-2 при разработке биопрепарата для очистки жиросодержащих сточных вод и комплексного препарата для ремедиации нефтезагрязненных объектов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- разработка технологий биологической ремедиации природных и техногенных объектов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, основанных на биохимическом потенциале микроорганизмов;
- новые штаммы бактерий рода Serratia, обладающие высокой липолитической активностьью, в качестве основы биопрепарата для деструкции жиров и комплексного препарата для ремедиации нефтезагрязненных объектов.
Апробация результатов. Основные результаты исследований были представлены на 1) Международных конференциях: научно-практической конференции «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования» (Пенза, 2000), XV, XVII, XIX научно-технических конференциях «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Уфа, 2002, 2004, 2006), научно-практической конференции «Биологическая защита растений – основа стабилизации агроэкосистем» (Краснодар, 2004), научно-практических конференциях «Нефтепереработка и нефтехимия – 2005; -2007» (Уфа, 2005, 2007), VIII семинаре-презентации инновационных научно-технических проектов «Биотехнология-2005» (Пущино, 2005), XIII конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006), III научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2006), научно-технической конференции «Китайско-Российское научно-техническое сотрудничество. Наука-образование-инновации» (Харбин, 2008); 2) Всероссийских конференциях: конференции «Почва, жизнь, благосостояние» (Пенза, 2000), II научно-практической конференции «Отходы-2000» (Уфа, 2000), научно-практической конференции «Роль средств химизации в повышении продуктивности агроэкосистем» (Уфа, 2003), II научно-практической конференции «Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными природными ресурсами и создания функциональных продуктов» (Москва, 2003), II и III научных Internet-конференциях «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем» (Уфа, 2003, 2004), Молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2005), III научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007), Семинаре-презентации инновационных научно-технических проектов «Биотехнология-2003» (Пущино, 2003), научно-практической конференции «Теоретические и практические вопросы мониторинга, предупреждения, ликвидации и рекультивации последствий нефтяного загрязнения» (Ханты-Мансийск, 2003), научной конференции «Новые технологии, инновации, изобретения» (Иркутск, 2005), IV Съезде общества биотехнологов России им. Ю.А.Овчинникова (Пущино, 2006).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 60 научных работах, из них 14 Патентов Российской Федерации и 15 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, рекомендованных для соискателей ученой степени доктора наук.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 273 страницах компьютерного набора. Состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, обсуждения полученных результатов исследования, выводов и практических предложений. Работа иллюстрирована 24 рисунками и диаграммами, 86 таблицами. Список литературы включает 318 источников (224 отечественных и 94 зарубежных авторов).
