Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1 Обзор литературы. 10
Биодеградация углеводородов нефти при биологической очистке сточных вод и почвы 10
Микроорганизмы, утилизирующие углеводороды нефти 18
Микробные препараты для биологической очистки сточных вод 32 Собственные исследования 42 Глава 2 Материалы и методы 42
2.1 Объекты исследования 42
Биологические объекты исследования 42
Биостимуляторы роста 42
Питательные среды и реактивы 43
Методы исследования 44
Статистическая обработка результатов 48 Глава 3 Интенсификация роста микроорганизмов, использующих нефть и продукты ее переработки в качестве единственного источника углерода 49
3.1 Выделение нефтеокисляющих микроорганизмов 49
3.2 Определение оптимальной концентрации нефтепродуктов в
питательной среде 55
3.3 Определение наиболее активных нефтеокисляющих
микроорганизмов 57
Идентификация выделенных нефтеокисляющих микроорганизмов 60
Определение оптимальных условий роста для нефтеокисляющих 63 штаммов
Подбор температуры культивирования 63
Подбор способа культивирования 66
3.6 Исследование воздействия препарата HC-Zyme на рост
нефтеокисляющих микроорганизмов 70
Определение влияния препарата HC-Zyme на рост исследуемых микроорганизмов в рекомендуемых дозах 71
Подбор оптимальной концентрации препарата HC-Zyme 72
Подбор оптимального времени введения препарата HC-Zyme 75
3.7 Совместное использование наиболее активных выделенных
штаммов для биодеградации сред, содержащих нефть и нефтепродук
ты 77
3.8 Изучение динамики роста исследуемых организмов и их ассоциации на различных средах
Глава 4 Модификация оборудования для работы с нефтеокисляющими микроорганизмами
Разработка конструкции электробиофильтра 88
Разработка конструкции электроокситенка 90
4.3 Технико-экономический расчет высоконагруженного биофильтра
производительностью 5 м3/ч 94
4.Расчет себестоимости очистки сточной воды в аэротенке 105
производительностью 75 м'/ч
4.5 Разработка конструкции реактора смешения 114
Обсуждение результатов 118
Выводы 126
Список использованной литературы 127
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АРУ - ароматические углеводороды AT - аэротенк
ВПК - биологическое потребление кислорода БФ - биофильтр
биоПАВ - поверхностно-активные вещества, продуцируемые микроорганизмами
БД - биологическая добавка ГЖХ - газожидкостная хроматография ЖС - жидкая среда м.к. - микробные клетки НО МО- нефтеокисляющие микроорганизмы н/ш № 1 - нефтешлам ОАО «Пласткард» н/ш № 2 - нефтешлам ОАО «Оргсинтез» ОУМ - окисляющие углеводороды микроорганизмы ПАВ - поверхностно-активные вещества ПАУ - полиароматичекие углеводороды ПДК - предельно-допустимая концентрация ПФД - перфтордекалин ПС - плотная питательная среда УФ - ультрафиолетовое излучение ХПК - химическое потребление кислорода шт - штамм
ЭБФ- электробиофильтр ЭТ - электроокситенк ЭМ - электродный модуль
Введение к работе
Сегодня нефть является самым востребованным и распространенным источником топлива в мире, в то же время это один из наиболее опасных загрязнителей. Потери при транспортировке нефти, её переработке и хранении в нашей стране составляют 5 % от общей добычи (Маркин Б.М., Наумова Л.Г., 1996). Нефтяное загрязнение наносит жестокий удар по водным и почвенным экосистемам, нарушая биологическое равновесие и биоразноообразие и вызывая в них значительные, зачастую необратимые изменения.
Сегодня широко используются различные методы стимуляции природной микрофлоры нефтезагрязненных объектов путем улучшения аэрации, изменения водного и температурного режимов, условий азотного питания, внесения эмульгаторов (Анфимова Ю. В., Рудакова Л. В., 2003; Wilkinson S., Nicklin S., Faul J. L., 2002). В некоторых случаях исследователи наблюдали не только улучшение очистки, но и обнаруживали негативное влияние некоторых компонентов при внесении их в нефтезагрязненную среду (Плешакова Е. В., Дубровская Е. В., Турковская О. В., 2005).
В настоящее время широкое применение получили и микробные препараты, состоящие как из одного вида, так и включающие несколько штаммов микроорганизмов (Биттеева М. Б., Бирюков В. В., Щеблыкин И. Н. и др., 1997; Развагар Р. И., Толмачева Е. В., Клец А. Н. и др., 1998; Чугунов В.А., Ермоленко 3. М., Жиглецова С. К., 2000). Использование нефтеокис-ляющих микроорганизмов для очистки сточных вод является не новой, но недостаточно изученной областью исследований. Вместе с тем, эта проблема представляется актуальной, особенно в связи с растущей потребностью в повышении интенсивности и эффективности процесса биологической очистки сточных вод.
В различных источниках освещены вопросы биоремедиации почвенных систем и пути решения проблем нефтезагрязнения в них (Лушников С.
В., Завгороднев К. Н., Бобер В. В. и др., 1999; Кирцидели И. 10., Логуткина
Т.М, Бойкова И. В., 2001; Nocentini М., Pinelli P., Fava F., 1999; Guang-he Li, Xu Zhang, Wei Uuang, 2000). При этом мало внимания уделено очистке сточных вод от нефтезагрязнения микробиологическими методами. Таким образом, перспективность исследования вопросов интенсификации роста нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных из различных объектов окружающей среды, очевидна.
Цель исследования. Цель диссертационной работы заключалась в интенсификации роста микроорганизмов, осуществляющих биологическую очистку сточных вод, загрязненных нефтью и продуктами её переработки.
Основные задачи исследования:
- выделение из различных источников штаммов, способных утилизиро
вать нефть и нефтепродукты при очистке сточных вод;
- определение наиболее активных штаммов, использующих нефть и
нефтепродукты в качестве единственного источника углерода, подбор опти
мальных условий для их культивирования;
- изучение воздействия препарата HC-Zyme на скорость роста нефтео
кисляющих микроорганизмов;
- подбор оптимальной методики введения препарата HC-Zyme для
увеличения роста бактериальной массы нефтеокисляющих штаммов;
- усовершенствование оборудования, применяемого в технологии вы
ращивания различных видов микроорганизмов, и проведение его экономи
ческих расчетов.
Научная новизна - из внешней среды изолированы два активных штамма-деструктора углеводородов, идентифицированных как Bacillus sp. и Azotobacter sp.;
впервые подобраны условия применения препарата HC-Zyme для интенсификации роста нефтеокисляющих микроорганизмов Bacillus sp. и Azotobacter sp., предназначенных для очистки сточных вод;
установлено, что глубинное аппаратное культивирование ассоциации
нефтеокисляющих штаммов Bacillus sp. и Azotobacter sp. в присутствии
определенной концентрации препарата HC-Zyme имеет существенное преимущество по сравнению с их раздельным выращиванием, заключающееся в значительном увеличении выхода биомассы;
- предложены новые конструкции электробиофильтра (Патент РФ № 2323165), электроокситенка (Патент РФ № 71334) и реактора смешения (Патент РФ № 2314865), применяемые для биологической очистки сточных вод. Практическая и теоретическая значимость
- полученные результаты по применению препарата HC-Zyme в
качестве биостимулятора роста нефтеокисляющих микроорганизмов
перспективны для интенсификации работы сооружений биологической
очистки;
применение усовершенствованных конструкций электробиофильтра, электроокситенка и реактора смешения способствует повышению эффективности и безопасности работы технологического оборудования;
себестоимость очищаемых сточных вод по расчетам снижается в электробиофильтре на 19,6 %, степень очистки воды при этом повышается с 80 % до 93, 5 %, себестоимость очистки загрязненных вод в электроокситенке снижается на 59,5 %;
материалы диссертации используются в учебном процессе по курсам «Основы микробиологии», «Биоэкология», и «Математическое моделирование экологических процессов» для студентов химико-технологического факультета Волгоградского государственного технического университета и оформлены в виде двух учебно-методических указаний.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- выделенные из нефтепродуктов штаммы Bacillus sp. и Azotobacter sp.
потребляют в качестве источника углерода нефть и продукты её переработки;
введение препарата HC-Zyme в среду с нефтеокисляющими микроорганизмами увеличивает скорость роста микробной популяции;
совместный рост ассоциации штаммов Bacillus sp. и Azotobacter sp.
повышает прирост биомассы по сравнению с выращиванием монокультур.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были
представлены и обсуждены на научно-практической конференции «Научные
исследования и их практическое применение. Современное состояние: пути
развития» секция «Биология, медицина, ветеринария и фармацевтика»
научно-исследовательского проектно-конструкторского института морского
флота Украины (Одесса, 2005); на 8-ой заочной электронной конференции
«Современные проблемы загрязнения окружающей среды» Российской
академии естествознания (Москва, 2005); на IX, X Региональных
конференциях молодых исследователей Волгоградской области, проводимых
в Волгоградском государственном архитектурно-строительном
университете, секция «Архитектура, строительство и экологические проблемы» (Волгоград, 2004, 2005); на XIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, проводимой в Волгоградском государственном педагогическом университете, секция «Биология и география» (Волгоград, 2008); на 42-43 научных конференциях, проводимых в Волгоградском государственном техническом университете (Волгоград, 2005, 2006); на XI Международной научно - технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2006» (Самара, 2006); на научно- практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2006); в школе -семинаре «Инженерные науки - защите окружающей среды» (Тула, 2006).
Публикация результатов исследования. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, из них 3 патента РФ на изобретения и 1 статья в периодическом издании из перечня ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденных ВАК РФ и рекомендованных для публикации основных научных результатов диссертации на соискание искомой ученой степени.
Объём н структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора
литературы, 3-х глав собственных исследований, обсуждения результатов,
выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 155 страницах, содержит 19 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 204 наименований, включающий 33 зарубежных источника.
Личный вклад автора. Все экспериментальные исследования в диссертационной работе выполнены лично или совместно с сотрудниками лаборатории микробиологии Волгофадского государственного технического университета (ВолгГТУ). Анализ материалов, их интерпретация, обобщение, формулировка научных положений работы и выводов проведены совместно с научным руководителем.
