Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние загрязнения водных ресурсов нефтью и нефтепродуктами и восстановление их естественных качеств
1.1. Загрязнение водных объектов нефтью и нефтепродуктами, масштабы, степень загрязнения и влияние их на состояние организмов экосистемы. 14
1.2. Гетеротрофные микроорганизмы, участвующие в биодеградации нефти и нефтепродуктов 23
1.3. Взаимодействие гетеротрофных микроорганизме в ассоциативных культурах и их регулирование для создания консорциумов углеводородокисляющих микроорганизмов 28
1.4. Биотехнологии очистки нефти и нефтепродуктов при снятии локальных нефтяных загрязнений и в очистке производственных сточных вод
1.4.1 . Способы очистки сточных и природных вод сорбентами различной природы 38
1.4.2. Сравнительная эффективность деструкции нефтепродуктов различными штаммами, консорциумами, ассоциациями, составами и созданными на их основе биопрепаратами 44
Глава 2. Объекты и методы исследований
2.1. Объекты исследований 62
2.2. Использованные материалы 63
2.3. Условия культивирования и определение активности и совместимости штаммов 64
2.4. Физико-химические и биологические методы анализа очищаемой водной среды
2.5. Питательные среды для выращивания углеводородокисляющих микроорганизмов 66
Результаты исследований и обсуждение
Глава 3. Выделение и идентификация углеводородокисляющих микроорганизмов 68
Глава 4. Исследование взаимоотношений углеводородокисляющих микроорганизмов в ассоциациях для создания консорциума промышленного образца -. 82
Глава 5. Исследование активности консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов в окислении нефти и нефтепродуктов в модельных экосистемах 96
Глава 6. Разработка технологии применения консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов в очистке природных вод от локального нефтяного загрязнения 104
Глава 7. Применение бактериального консорциума для интенсификации процессов биологической очистки и доочистки углеводородсодержащих производственных сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез» в управляемом режиме
7.1.Устройство, принцип и описание структуры потоков работы струйно отстойного аппарата (СОА) 115
7.2. Технологическая схема и регламент очистки углеводородсодержащих технологических стоков на отдельных производствах...-. 118
7.3. Производственные испытания консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов и внедрение блочной промышленной схемы очистки смешанного потока производственных технологических сточных вод до норм оборотного водоснабжения 123
Заключение 134
Выводы 138
Список литературы
- Гетеротрофные микроорганизмы, участвующие в биодеградации нефти и нефтепродуктов
- Способы очистки сточных и природных вод сорбентами различной природы
- Физико-химические и биологические методы анализа очищаемой водной среды
- Производственные испытания консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов и внедрение блочной промышленной схемы очистки смешанного потока производственных технологических сточных вод до норм оборотного водоснабжения
Введение к работе
Актуальность темы. Загрязнение природной среды нефтью и продуктами её переработки – одна из наиболее сложных проблем, угрожающих безопасности среды обитания живых существ [Квасников Е.И., Клюшникова Т.М., 1981; Зобов В.В. и др., 1997; Ильинский В.В., 2000; Барышникова Л.М., 2001; Морозов Н.В., 2001; Fergusson S., 2003; Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И. и др., 2010; Ягафарова Г.Г. и др., 2011]. Ни один другой загрязнитель, как бы опасен он не был, не может сравниться с нефтепродуктами по качественному составу, широте распространения, числу источников загрязнения, единовременной нагрузке на все компоненты природной среды [Аренс В.Ж. и др., 1997; Морозов Н.В., 2001, 2003; Мочалова О.С., Антонова М.Н. и др., 2002; Надеин А.Ф., 2010]. По мере накопления опыта восстановления естественных свойств нефтезагрязненных объектов становится очевидным, что для их обезвреживания наиболее приемлемы способы, основанные на применении разнообразных гетеротрофных микроорганизмов, в том числе нефтеокисляющих [Bos R.,1999; Данянь Ч., Ботвинко И.В., 2001;Van Hamme, 2003; Хасанов И.Ю., Габитов Г.Х. и др., 2003; Куликова А.К., 2008, 2010; Музипов Х.Н., Ерка Б.А. и др., 2009; Хохлова А.Р. и др., 2009; Мишанина О.Е. с соавт., 2012]. Выделение и идентификация штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов на основе изучения их морфологических, физиолого-биохимических свойств, выявление основных типов взаимоотношений между ними в искусственно сформированных ассоциациях и создание на этой базе исследований отселектированного консорциума со спектром окисления различных фракций нефти, его широкое применение для биологической деструкции аварийных и локальных нефтяных загрязнений, биоремедиации углеводородсодержащих природных и сточных вод представляет особую актуальность.
Настоящая разработка актуальна еще и тем, что решает глобальную экологическую задачу. Образующаяся в процессе очистки углеводородсодержащих сточных вод в струйно-отстойном аппарате биомасса микроорганизмов в количестве 3-5% от общего объема очищаемого стока, утилизируется повторно в технологическом цикле. Этим обеспечивается рекуперация вторичных материалов, удешевляются технологические и эксплуатационные расходы, связанные с выращиванием биомассы для обеспечения непрерывной работы биотехнологической схемы очистки. В традиционных очистных сооружениях с биохимическим окислением нефтезагрязнений биоценозом прирост активного ила доходит до 25% на единицу очищенной воды. Утилизация его связана с большими экономическими затратами и экологически не решена.
Цель исследования – раскрытие основных параметров нефтеокисления отселектированными штаммами углеводородокисляющих микроорганизмов, выбор условий для создания высокоэффективного консорциума промышленного образца, обеспечивающего быструю ликвидацию нефтяных загрязнений при аварийном или ином поступлении, и в управляемом снятии углеводородов в природных и производственных сточных водах.
Задачи исследования:
1. Выделить и идентифицировать из производственных технологических сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез» углеводородокисляющие микроорганизмы, исследовать эффективность способов их стимуляции и характерные особенности развития в различных условиях функционирования: в модельных экосистемах и очистных сооружениях, применяемых для очистки и доочистки углеводородсодержащих сточных вод с последующим отводом их в открытые водные объекты без ущерба их экологическому состоянию.
2. Исследовать основные типы взаимоотношений между углеводородокисляющими микроорганизмами с учетом их дальнейшей совместимости в консорциуме.
3. Определить эффективность окисления нефти, нефтепродуктов в воде монокультурой и сообществом углеводородокисляющих микроорганизмов и создать на этой базе высокоэффективный в окислении нефти и нефтепродуктов отселектированный консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов.
4. Выяснить пути интенсификации деструктивных процессов очистки и разработать усовершенствованные технологии использования культур штаммов для управляемого снятия нефтяных загрязнений в условиях модельного эксперимента.
5. Апробировать консорциум в биотехнологической схеме очистки смешанных нефтесодержащих сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез» с использованием специально созданного для этой цели струйно-отстойного аппарата (СОА) и выведение всей технологии на режим очистки и доочистки технологических производственных вод.
Научная новизна работы:
1.Впервые сформирован новый консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов, обладающий широким спектром окисления различных классов углеводородов нефти, применяемый в управляемом режиме очистки углеводородсодержащих сточных вод в специально созданном для этой цели струйно-отстойном аппарате (СОА), а на его базе технологической схемы очистки и глубокой доочистки нефтесодержащих производственных сточных вод.
2.Изучены основные типы взаимоотношений в ассоциативной культуре для благоприятной совместимости выбранных штаммов и достижения высокой активности в окислении нефти и нефтепродуктов (новый подход). Консорциум может быть применен как на стадии основной очистки, так и доочистки для наиболее полной биодеструкции нефти и её производных в технологических стоках.
3.Показано, что комплексный подход использования углеводородокисляющих микроорганизмов с биогенными элементами и индуцирующими веществами способствует интенсификации процессов очистки и является основой управления качеством нефтезагрязненных природных и сточных вод нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих, нефтехимических производств и др.
Практическая значимость результатов
Получены девять штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов из многочисленных аборигенных видов (35 культур), объединенные в ассоциацию с высокой деструктивной активностью. В результате научных исследований сформирован консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов для биодеградации нефти и нефтепродуктов в разнообразных углеводородсодержащих производственных стоках.
Изучены основные типы взаимоотношений между микроорганизмами данной группы, подобраны оптимальные соотношения при совместном использовании их в консорциуме. Выявлены условия развития углеводородокисляющих микроорганизмов, составляющих основу консорциума, при которых достигается максимальная их численность и высокая эффективность деструкции нефти и нефтепродуктов.
Разработана и испытана в полупроизводственных условиях технологическая схема очистки производственных сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез», позволяющая в управляемом режиме достигнуть увеличения скорости и эффективности окисления смешанных углеводородсодержащих сточных вод до норм оборотного водоснабжения.
Результаты исследований могут быть использованы для мониторинга уровня загрязнения природной среды нефтяными поллютантами, а также проведения профилактических мероприятий по ликвидации нефтяных загрязнений при их локальном или аварийном поступлении в водоемы и почвы.
Внедрены в промышленных условиях:
1) Способ очистки технологических производственных сточных вод от нефти и нефтепродуктов, включающий в себя применение бактериального консорциума, структуирующие и питательные добавки (биогенное питание и индуцирующие соединения).
2)Консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), состоящий из девяти штаммов: Alcaligenes sp. Г0401ВТ (№17), Micrococcus nishinomiyaensis Г0402ВТ (№16), Brevibacterium iodinum Г0403ВТ (№15), Pseudomonas aeruginosa Г0404ВТ (№14), Pseudomonas facillis Г0405ВТ (№13), Brevibacterium linens Г0406ВТ (№12), Bacillus subtilis Г0407ВТ(№11), Flavobacterium aquatile Г0408ВТ(№10), Clostridium butyricum Г0409ВТ (№9) для предварительной подготовки смешанных углеводородсодержащих производственных сточных вод с проведением полупроизводственных испытаний обезвреживания стоков в цехе нейтрализации и очистки производственных сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез». Акт полупроизводственных испытаний утвержден техническим директором, главным инженером ОАО «Казаньоргсинтез».
Результаты исследований использованы для чтения лекционного материала в Казанском (Приволжском) федеральном университете по курсам «Микробиология», «Биотехнология», «Экология» и «Социальная экология и природопользование».
Личное участие автора. Автором проведен аналитический обзор литературы, спланированы и выполнены лабораторные опыты, полупроизводственные испытания, в результате которых получена экспериментальная база данных и проведена их интерпретация, написаны статьи и тезисы докладов, подготовлены две заявки на изобретения к патентам РФ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях «Глобальные проблемы экологизации в европейском сообществе» (Казань, 2006), «Международная молодежная научная конференция. XV Туполевские чтения» (Казань, 2007), «Фундаментальные и прикладные исследования в системе образования» (Тамбов, 2008), «Фундаментальные науки и практика» (Томск, 2010), на Конгрессе «Чистая вода. Казань» (Казань, 2010), «Фундаментальные исследования» (Москва, 2011), «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011), на Всероссийских конференциях и съездах Поволжская научно-практическая конференция «Эколого-географические исследования в среднем Поволжье» (Казань, 2008), «Инновационные подходы к естественно-научным исследованиям и образованию» (Казань, 2009), «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» (Казань, 2009), «Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета» (Казань, 2009), на Межвузовских конференциях «Вестник Татарского государственного гуманитарно-педагогического университета» (Казань, 2007,2010,2011), «Современные проблемы органической и биологической химии, молекулярной биологии, экологии и биотехнологии», (Москва, 2009), 17th International Environmental Bioindicators Conference: Global Indicators (Moscow, 2009), «Современный мир, природа и человек» (Томск, 2009), «Актуальные вопросы естествознания начала 21 века» (Казань, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 4 – в изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Аналитические работы проводились на кафедре ботаники и зоологии К(П)ФУ, научно – исследовательской лаборатории «Биотехнология с основами микробиологии» Управления научной работой и послевузовского образования ТГГПУ, в лаборатории цеха нейтрализации и очистки сточных вод завода ОАО «Казаньоргсинтез» и в лаборатории «Бионанотехнология с основами микробиологии» ФГБУ «ФЦТРБ-ВНИВИ».
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 173 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка используемых источников литературы. Работа иллюстрирована 17 рисунками, содержит 11 таблиц, 3 приложения. Список используемой литературы включает 210 отечественных и 110 иностранных наименования.
Гетеротрофные микроорганизмы, участвующие в биодеградации нефти и нефтепродуктов
Проблема охраны окружающей природной среды приобретает особую остроту в связи с загрязнением водоемов и почв нефтью и нефтепродуктами в результате освоения в широких масштабах нефтегазовых ресурсов, запасы которых на российском шельфе оцениваются более 100 млрд. т и выходят из стадии поисковых и проектных работ (Хасанов И.Ю. и др., 2003; Патин С.А., 2004; Белкина Н.А., 2006).
Нефтяная отрасль по глубине и многообразию негативных воздействий на окружающую среду превосходит все другие отрасли (Хасанов И.Ю. и др., 2003). Наиболее ощутимо эти воздействия проявляются в условиях старения объектов добычи, подготовки, переработки и транспорта углеводородного сырья из-за технологических и аварийных выбросов продукции (Яковлев B.C., 1987; Яковлев СВ., 1999; Патин С.А., 2004; Давыдова С.Л., 2006; Долгих О.Г. и др., 2009). Нефть и её персистентные соединения, попадая на водную поверхность, быстро распространяются на значительные территории, образуя тончайшую пленку, которая препятствует естественному газообмену, оказывая негативное воздействие на местные биоценозы, приводя к необратимым изменениям в водной среде (Ягафарова Г.Г. и др., 2007; Хохлова А.Р. и др., 2009).
Нефтепродукты относятся к числу наиболее распространенных и опасных веществ, загрязняющие поверхность воды (Пересыпкин В.И., 2004; Гагарина Л.Н. и др., 2004). Степень воздействия нефтепродуктов на водную среду определяется, прежде всего, их составом. Нефть сложная смесь нескольких тысяч углеводородов (в основном жидких, 80-90% по массе), нафтеновых кислот, асфальтенов, смол и других компонентов (Финоченко В.А. и др., 2003). Нефть включает производные, содержащие серу (меркаптаны, тиофены, дисульфиды, тиофаны и др.), азот (гомологи пиридина, акридина, гидрохинолина и др.) и кислород. Сырая нефть содержит также до 10% воды, растворенные углеводородные газы (до 4%), минеральные соли (преимущественно хлориды - до 4г/л) и многие микроэлементы, по соотношению концентраций которых (чаще V и Ni) (Коренман Я.И. и др., 2005). Среди нефтяных углеводородов обычно выделяют: алканы - парафиновые (ациклические) насыщенные углеводороды с прямой или разветвленной цепью атомов углерода (40-50% по объему); нафтены (циклопарафины) - насыщенные циклические и полициклические соединения, в которых атомы водорода могут быть замещены алкильными группами (25-75%); арены - ароматические ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, где атомы водорода могут быть также замещены алкильными группами (обычно до 10-20, реже до 35%); алкены (олефины) - ненасыщенные нециклические углеводороды с прямой или разветвленной цепью и двойной связью (соединения этого ряда не входят в состав сырой нефти, но являются основным продуктом её крекинга) (De Flaun,1999; Немировская И.А., 2004). Одной из основных причин длительного сохранения нефтепродуктов в экосистемах является их низкая растворимость в воде (Данянь Ч.и др., 2011).
Анализ процессов нефтедобычи показывает, что при эксплуатации месторождения воздействие на природную среду может происходить вследствие осложнений и нарушений технологических режимов при бурении, эксплуатации и ремонте скважин, продувке и разрядке технологического оборудования, нарушения герметичности объектов и коммуникационной системы сбора и подготовки нефти и газа (Низамов Х.Н. и др., 1996). Кроме того, возможны утечки нефти через фланцевые соединения узлов задвижек на линейных трубопроводах, которые локализуются в пределах площадок размещения запорной арматуры (Павлов П.В. и др., 2002). В результате происходят несанкционированные сбросы и выбросы нефти и газа. С 1990-1994гг. наблюдалось резкое сокращение ежегодной добычи нефти и соответственно первичной переработки и транспортировки нефти. В 1996-1999гг. нефтедобыча не превышала 300 млн.т, что было 41,7% ниже, чем в 1990г. (Соловьянов А.А., 1999). В 1994г. была составлена карта техногенного загрязнения нефтепродуктами геологической среды России, на которой отмечено, что за период с 1969 по 1994гг. потери нефти и основных нефтепродуктов составили по России 200 млн.т. (Государственный доклад..., 2005, 2006). В пределах территорий преимущественного загрязнения, выделенных с учетом расположения эксплуатируемых месторождений нефти, предприятий переработки, транспортировки и хранения, удельное загрязнение на 1 км" территории от накопленных потерь в Республике Татарстан составляет 8 тыст/км", местами достигает 16 тыс.т/км (Пояснительная записка..., 1994; ЕгоровН.Н. и др., 1998).
Объем добычи нефти в РФ в 2002г. составил 224,38 млн. т, в 2007г. достигл 491, 4 млн.т, а в 2008г. - 488105тыс.т. нефти, или 99,3% к добыче 2007г. (-3,2 млн. т) (Конторович А.Э., 2008). В Республике Татарстан в 2008г. количество добытой нефти превысило 32 265 044т, а в 2011г. -32542604т. Таким образом, в РТ за последнее 6 лет произошло увеличение добычи нефти на 10% и превысило в 2011 году 31,9 млн.т. в год, а потери при этом составили от 0,75 до 2,5%. Суммарная добыча нефти в России в 2001-2015гг. за счет применения новых технологий и методов увеличения нефтеотдачи должна составить 810 млн.т, а потери в пределах 64-78 млн.т (Морозов Н.В, 2001; Немировская И.А., 2011; Мишанина О.Е. и др., 2012).
Даже по неполным ранее приведенным данным установлено, что в открытые водные объекты ежегодно поступает более 5 млн. т нефти и нефтепродуктов, около 55 млн.т минеральных солей, в том числе 100 тыс. т нитратов, 70-90 тыс. т фенолов (Цит. по Морозову Ы.В., 2001).
Потери нефти содержащейся в отходах по экспертным оценкам составляют 3% годовой добычи. При добыче нефти в РФ 491,4 млн.т в год объем нефтеотходов может достигать 15 млн.т (Боковикова Т.Н. и др., 2010).
Ущерб, причиненный окружающей среде нефтедобывающим предприятием, в общем случае можно разделить на два основных вида: 1) кратковременный, обусловленный выбросами и сбросами загрязняющих веществ; 2) долговременный, вызванный аварийными ситуациями, а также постоянными выбросами и сбросами загрязняющих веществ с превышением предельно допустимых норм (Музипов Х.Н. и др., 2009). Нефтяные углеводороды (УВ), попадающие в водную среду естественных водоемов, ОЧЄЕІЬ скоро распределяются по различным формам миграции (Артюхова В.И., 1987). Их судьба характеризуется последовательными процессами: испарением (25% нефтяного пятна исчезает в течение нескольких дней), эмульгированием, растворением (ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем парафины) (Гандурина Л.В., 1987), окислением, образованием агрегатов, седиментацией, биодеградацией, включающей микробное разрушение и ассимиляцию планктонными и бентосными организмами (Немировская И.А., 2009). Ыефть присутствует в водной среде в нескольких агрегатных состояниях: поверхностных пленок, плавающих слоев (сликов) толщиной до нескольких сантиметров (первичная форма миграции при аварийных разливах); моно - и полимолекулярной пленки; растворенных форм, истинного или коллоидного раствора; прямых, обратных или множественных эмульсий; взвешенных форм (плавающие на поверхности и в толще воды мазутно-нефтяные образования); смоляных комков; сорбированные на взвесях нефтяные фракции; осажденных на дне твердых и вязких компонентов, аккумулированных в гидробионтах соединениях (Гусев М.В., Коронелли Т.В., 1981; Гусейнов Т.И., 1989; Мочалова О.С. и др., 2002; Леонов А. В. и др., 2005).
Нефть и нефтепродукты, находящиеся в водных бассейнах, пагубно действуют на все звенья биологической цепи (Гусейнов Т.И., 1989). Некоторые из фракций, содержащихся в нефти, весьма токсичны, причем их токсичность возрастает по мере увеличения концентраций этих фракций при поглощении или растворении их в водной системе (Павленко Л.Ф. и др., 2004). Общие воздействия нефтепродуктов на живые организмы можно разделить на 5 групп: непосредственное отравление с летальным исходом (Корнакова И.Г. и др., 2005); серьезное нарушение физиологической активности (Batracov S.G., 2003); эффект прямого обволакивания живого организма нефтепродуктами (Fergusson S., 2003); изменения, вызванные внедрением углеводородов в организм (Van Hamme, 2003); изменения биологических особенностей среды обитания (Grimm А. С, Harwood C.S., 1997).
Способы очистки сточных и природных вод сорбентами различной природы
Современный уровень изученности микроорганизмов, способных ассимилировать углеводороды в природных и лабораторных условиях, позволяет утверждать теоретическую возможность регулирования процессов очистки нефтезагрязненных объектов (Суржко Л.Ф., 1995; Green D.R., 1998; Gramss G., 1999; Van Schie P.M., 1999; Webb J.S, 2003; Надеин А.Ф., 2010; Леонов A.B., 2011). Микробиологический метод биоремедиации, основанный на применении высокоэффективных штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных из загрязненных природных объектов, широко применяется в мировой практике рекультивационных мероприятий (Wang Y., 1999; Watnick P., 2000; Fergusson S. et. al, 2003). Среди известных технологий при ликвидации загрязнений углеводородами особое место занимают технологии с использованием консорциумов и биопрепаратов, созданных на основе аборигенной микрофлоры, присутствующей в очищаемой акватории или сточной воде (Стуликов Н.А., 1995; Яковлев СВ., 1999; Куликова И.Ю., 2010). Известно довольно большое разнообразие биопрепаратов, действие которых основано на биохимической деструкции углеводородов под воздействием входящих в состав препарата штаммов (Надеин А.Ф., 2010). Применение этого способа очистки отличается от других экологической безопасностью, большей эффективностью, а также экономической целесообразностью (Куликова И.Ю., 2010). Образующаяся при авариях нефтяная пленка представляет собой серьезную экологическую опасность и ликвидация её микробиологическими способами - задача, не имеющая до сих пор однозначно высокоэффективного решения. Управляемая интенсификация биодеградации углеводородов путем целенаправленного применения селективных нефтеокисляющих бактерий - перспективное направление очистки производственных сточных вод от примесей нефтепродуктов. Отсюда следует, что применение каждого консорциума и биопрепарата, имеющего в своем составе активные формы микроорганизмов, требует создания оригинальной технологии и строгого ее выполнения в процессе использования препарата (Ермоленко З.М., 1997; Конторович А.Э., 2003, 2008). При оптимальном выборе консорциума микроорганизмов и концентрации биостимулирующих веществ удается ускорить биологическое окисление нефтяных загрязнений в десятки и сотни раз и снизить остаточное содержание нефтепродуктов до конечных продуктов окисления - С02 и Н20 (Морозов Ы.В., 2001).
В связи с этим, очевидна необходимость получения эффективных препаратов для очистки воды от нефти и нефтепродуктов при их аварийных разливах как в местах добычи нефти, переработки, транспортировки, так и в местах непосредственного использования (Антонова М.Н., 2002; Швецов В.Н., 2002; Плешкова Е.В., 2005). Преимущества применения аборигенных гетеротрофных микроорганизмов и их сообществ с широким спектром окисления различных классов углеводородов нефти связаны с устойчивостью УОМ к воздействию биотических факторов, адаптированностыо к условиям среды непосредственного использования, пластичностью метаболизма (Квасников Е.И. и др., 1981). Совершенно очевидны и требования, предъявляемые к таким препаратам с точки зрения экологии. Они не должны негативно влиять на экосистему очищаемого водоема, быть высокоэффективными полностью или почти полностью ликвидировать нефтяную пленку на поверхности воды или эмульгированную в толще, не быть источником эвтрофирования водоема. Применяемые биопрепараты должны быть безопасны с медицинских и санитарно-гигиенических позиций, в их состав не должны входить патогенные микроорганизмы (Набаткин А.Н. и др., 2000; Павлов П.В., 2002; Пересыпким В.И. и др., 2004; Сопрунов О.Б., 2006).
Кроме того, при разработке способов утилизации углеводородов нефти с помощью консорциумов и биопрепаратов необходимо учитывать климатические условия регионов; свойства нефти определенных месторождений (добываемое углеводородное сырье различается по соотношению легких и тяжелых фракций, содержанию тяжелых металлов, серы и других компонентов); температурные и физические параметры очищаемой среды (рН, содержание солей и т.д.); сложные проблемы взаимодействий и уживаемости применяемых микроорганизмов с аборигенной микрофлорой очищаемых объектов (Stanlay N.R., 2003; Stoodley P., 2002, 2003; Карасевич Ю.Н., 1982; Форстер К.Ф., 1990; Фурсова П.В., 2004; Куликова И.Ю., 2010).
Предложен ряд бактериальных препаратов, консорциумов, ассоциаций и индивидуальных штаммов направленной биодеструкции нефти и нефтепродуктов в водных и почвенных экосистемах.
Известен способ очистки почвы и воды от нефтяных загрязнений, в котором путем внесения в загрязненную среду водной суспензии бактериального препарата «Путидойл», включающий Pseudomonas putida-36 в смеси с минеральными удобрениями - нитроаммофоской. Получали его путем высушивания выращенной бактериальной массы и использовали в виде взвеси бактериальных клеток (не более 0,2% к объему раствора) в 0,07%-ом растворе минеральных солей (аммофоса или диаммофоса). Активирование препарата производилось выдерживанием суспензии при перемешивании и аэрации 4-18 ч. при температуре 26-30С. Авторы препарата указывают на его высокую окислительную активность в отношении углеводородов нефти прямой, разветвленной и циклической структур (Патент RU 2191752, 2002).
Однако бактериальный препарат «Путидойл» обладает рядом существенных недостатков: - биопрепарат создан на основе монокультуры бактерий, гидрофильного микроорганизма, утилизирующего только растворенные в воде соединения; работает в узком диапазоне рН и способен активно окислять углеводороды только в пресной воде и с длиной цепи до Ci2, а более тяжелые нефтяные компоненты остаются неутилизированными; сложная технология приготовления препарата, которая предусматривает распылительную сушку живой культуры бактерий, что вызывает травмирование бактерий и, как следствие, их гибель или потерю необходимой активности (Патент 2191753, 2002). Для восстановления их жизнедеятельности авторы применяют сложный комплекс мер - подогрев большого количества воды (5м3) до 18-28С, перемешивание, аэрирование и все это в течение длительного времени (16-24ч), что в полевых условиях выполнить довольно сложно. Этот метод не позволяет получить препарат с титром клеток более 101 кл/г вследствие инактивации клеток под действием высоких температур (+60С) (Патент РФ № 2 053206, 1996); - очищает лишь поверхностный слой почвы вследствие того, что входящие в него микроорганизмы развиваются только в аэробных условиях; оказывает угнетающее действие на естественный микробный биоценоз; - применение сопряжено со значительными затратами средств на выращивание культуры; - нет доказательств выбора оптимальных соотношений компонентов в составе (Новиков Ю.В. и др., 1992); - создан на основе монокультуры бактерий, являющихся гидрофильными микроорганизмами, следовательно, утилизируют только растворенные в воде соединения (Патент RU 2023686, 1994).
Физико-химические и биологические методы анализа очищаемой водной среды
Известно (Егоров Н.С. и др., 1982), что каждый антибиотик проявляет свое биологическое действие, лишь по отношению к отдельным вполне определенным микроорганизмам не оказывая при этом заметного эффекта на другие формы живых существ.
Так, например, к антибиотикам фурадонину, цефалексиму, амоксициллину, цефотаксиму, ципрофлоксацину, бензилпенициллину, гатифлоксацину, линкомицину, фурагину, рокситромицину, фузидину, сизомицину, цефепиму, амикацину, рифампицину, карбенициллину, доксициллину, итраконизиму, спарфлоксацину, цефуроксиму, эритромицину, линезомеду, карбенициллину, левофлоксацину, азалоциллину, ванкомицину, левомицетину, кетоконадолу, неомицину, налидиксовой кислоте, ампинициллину, азитромицину, ломефдоксацину, цефоперазону, цефиксиму., цефаклору, оксациллину, цефтазидиму, цефазолину, стрептомицину, полимиксину, фуразомидону, цефамондолу, табрамицину, ипперациллину, цефтибутену, цефтриаксону углеводородокисляющие микроорганизмы Alcaligenes sp., Micrococcus nishinomiyaensis, Brevibacteriwn iodimtm, Pseudomonas aeruginosa, Pseudoinonas facillis, Brevibacteriwn linens, Bacillus subtilis, Flavobacterium aquatile, Clostridium butyricum оказались устойчивы.
К физиологическому действию других антибиотиков - ипенему {Pseudomonas facillis), кларитромицину {Alcaligenes sp.), клиндамицину {Pseudomonas facillis), меропенему {Brevibacteriwn iodimtm, Flavobacterium aquatile), ампициллину {Brevibacteriwn iodimtm), канамицину {Pseudomonas facillis), гентамицину {Pseudomonas aeruginosa), нетилицину {Pseudomonas aeruginosa), энрофлоксацину {Pseudomonas facillis, Pseudomonas aeruginosa), тетрациклину {Pseudomonas facillis), норфлоксаципу {Pseudomonas facillis), стрептомицину {Pseudomonas facillis, Brevibacteriwn linens), цефамандолу {Pseudomonas facillis), табрамицину {Brevibacteriwn iodimtm), перфлоксацину {Pseudomonas facillis, Bacillus subtilis), офлоксацину (Pseudomonas aeruginosa) и др. выше перечисленные углеводородокисляющие микроорганизмы оказались чувствительными и высокочувствительными.
Спектр антибактериальной активности многих антибиотиков определяется в значительной мере составом оболочек бактериальных клеток (Егоров Н.С., 1986). Клеточная стенка грамотрицательных бактерий, очевидно, является барьером на пути проникновения различных антибиотиков к местам приложения механизма их действия, поэтому грамотрицательные бактерии оказались более устойчивыми по отношению ко многим классам антибиотиков. Результаты наших исследований являются подтверждением этого предположения. Барьерная функция веществ, образующих наружную мембрану клеточной стенки грамотрицательных бактерий, главным образом, обусловливает различия в чувствительности к антибактериальным средствам (Полупанов B.C., 1986). Наружная мембрана последних, помимо того, что служит барьером на пути проникновения молекул внутрь клетки, участвует также в блокировке высвобождения ферментов, инактивирующих антибиотик из клетки бактерий в питательную среду (Николаев Ю.А., 2002).
Слой пептидогликана в клеточной оболочке расположен непосредственно снаружи от цитоплазматической мембраны. Общепринято считать, что он представляет собой барьер, менее стойкий по сравнению с наружной мембраной (Фомченко В.М., 1998). Это заключение сделано на основании наблюдений о том, что пептидогликан является толстым доминирующим слоем у грамположительных бактерий и, несмотря на это, они в целом более чувствительны к большинству антибиотиков, чем грамотрицательные бактерии (Ботвинко И.В., 1985). Активность антибиотиков стрептомицина, тетрациклина, пенициллина повышается у грамотрицательных бактерий при нарушении целостности слоя пептидогликана (Андреева Л.Н., 1972; Бриан Л.Е., 1984).
Несмотря на то, что антибиотики образуются в малых количествах по сравнению с такими продуктами жизнедеятельности, как, например, органические кислоты (0,001 - 0,0001 мкг/мл) или спирты, они наиболее физиологически активные продукты метаболизма, причем они обладают способностью подавлять и прекращать рост и даже разрушать бактерии и другие микроорганизмы, проявляя специфическое (избирательное) действие на отдельные звенья обмена веществ микробной клетки (Бирюков В.В., 1970, 1980; Bushell М., 1989).
Устойчивость микроорганизмов к действию антибиотика вызвана несколькими причинами. Во-первых, в любой совокупности микроорганизмов, сосуществующих на каком - то определенном участке субстрата встречаются естественно - устойчивые к антибиотикам варианты. При воздействии антибиотического вещества на популяцию основная масса клеток гибнет или прекращает свое развитие. Устойчивые к антибиотическому веществу клетки продолжают беспрепятственно размножаться (Prigent-Combaret С, 2001).
Таким образом, штаммы углеводородокисляющих микроорганизмов представлены разнообразными морфологическими формами - кокки, палочки и вибрионы. В данной ассоциации присутствуют аэробные и анаэробные микроорганизмы, что в свою очередь позволяет использовать их в различных условиях очистки. Штаммы УОМ обладают высокой биохимической активностью в отношении окисления нефти и нефтепродуктов за короткий промежуток времени при росте их в накопительной культуре. Физиологическая активность штаммов (температурный диапазон, и рН среды) вариабельна, высока их ферментативная, сахаролитическая активность и устойчивость к антибиотикам. Оптимальной температурой для роста является 25С-28С, рН среды 5,8-7,1, что подтверждается динамикой роста бактериальной популяции и эффективностью деструкции нефти.
Производственные испытания консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов и внедрение блочной промышленной схемы очистки смешанного потока производственных технологических сточных вод до норм оборотного водоснабжения
В данной работе показано, что основным возможным экологически безопасным способом борьбы с нефтяными загрязнениями является использование нефтеокисляющих микроорганизмов, входящих в состав штаммов, консорциумов, биопрепаратов и составов, а также способов и специально созданных для этой цели аппаратов и сооружений. Любое сооружение для биологической обработки тех или иных субстратов является своеобразной экологической системой с определенными условиями и со сложившимся биоценозом. От естественных экосистем, примерами которых могут служить водоемы или их участки, искусственные экосистемы очистных сооружений отличает высокая плотность бионаселения, высокая концентрация питательных веществ, возможность поддержания в них оптимальных условий для жизнедеятельности организмов биоценоза. Все эти особенности искусственных экосистем в совокупности позволяют добиться высокой интенсивности биохимических процессов в очистных сооружениях. В то же время по своей сущности процессы биологического окисления в природных условиях и в очистных сооружениях аналогичны (Павлов П.В., 2002).
Однако вследствие длительного периода адаптации активность специально внесенных популяций микроорганизмов очень быстро снижается. Довольно успешно для этого можно применять способы стимуляции, оптимизации среды и условий культивирования, позволяющие существенно повысить эффективность использования микроорганизмов при проведении работ по биодеградации углеводородных загрязнений в экосистемах (Климова В.А., 1975).
Для решения задач по повышению эффективности очистки воды от углеводородов проведены лабораторные и производственные исследования, позволяющие системно подойти к процессу стимуляции деятельности микроорганизмов консорциума. Представлены теоретические положения по определению совместимости углеводородокисляющих микроорганизмов и выбор оптимальных условий (биогенные элементы, биокатализирующие соединения, температура и рН среды) на базе комплексного расчета потребляемых источников вносимых веществ в зависимости от вида нефтепродуктов и его концентрации их в среде. Использована в качестве локальной стадии биосистема, включающая очистку и доочистку нефтесодержащих сточных вод производств органического синтеза, двух СОА, расположенных друг за другом для биодеградации углеводородсодержащих загрязнений перед подачей в оборотное водоснабжение или на аэротенки после первичных отстойников в струйно-отстойный аппарат, а оттуда во вторичный отстойник. В результате научных исследований разработан метод локальной очистки сточных вод от нефтяных загрязнений, разработаны технологические параметры и показана их эффективность. Разработана технология применения сорбентов органической и неорганической природы, которые служат активными сорбентами для закрепления (иммобилизации) консорциума отселектированных углеводородокисляющих микроорганизмов и источником биостимуляции нефти и её производных (торф). В результате чего были выбраны четыре типа сорбентов, из которых наиболее лучшими явились торф, древесные опилки и зола, применение которых при оптимальных условиях совместно с углеводородокисляющими микроорганизмами интенсифицируют биодеструкцию нефтяных загрязнений до 82-95%. Проведенные лабораторные эксперименты и полупроизводственные испытания вновь созданной установки и на ее базе технологической схемы подготовки высококонцентрированных углеводородсодержащих производственных стоков до норм оборотного водоснабжения отвода в биологические очистные сооружения (1-ый вариант) или аэротенки для дальнейшей стабилизации (2-ой вариант очистки), показали на преемственность использования подобных технологий для очистки и доочистки стоков от углеводородов. Она оправдана в силу достижения высоких показателей очистки стоков за сравнительно короткое время и в меньших эксплуатационных и других затратах по сравнению с существующими традиционными схемами. Целесообразность применения ее в технологической схеме очистки делает метод универсальным т.к. он может быть использован как для предварительной подготовки, так и глубокой очистки производственных сточных вод сравнительно высокой нагрузкой по загрязняющим веществам (ХПК до 1800 мг/л, содержание углеводородов более 100 мг/л). Таким образом, уменьшается нагрузка на аэротеники, а в конечном итоге повышается эффективность очистки нефтепродуктов до 95%.
Таким образом, в данной работе апробирована технологическая схема очистки нефтесодержащих сточных вод промышленного предприятия ОАО «Казаньоргсинтез» с применением консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов в работе струйно-отстойного агрегата. При этом струйно-отстойный аппарат может быть использован для подготовки сточных вод для биологической очистки в качестве основного сооружения очистки, а также для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод. Применение консорциума в работе струйно-отстойного аппарата на определенном этапе очистки определяется главным образом количественным и качественным составом сточных вод, подлежащих очистке, требованиями, предъявляемыми к очищенной воде, а также экономическими показателями (капитальными затратами, эксплуатационными расходами).
