Биосорбент для очистки водоемов от нефтепродуктов на основе штаммов бактерий и дрожжевых грибов

Биосорбент для очистки водоемов от нефтепродуктов на основе штаммов бактерий и дрожжевых грибов

Реферат

Изобретение относится к нефтяной промышленности и экологии и может быть использовано для очистки поверхности природных и искусственных водоемов, сточных вод и жидких отходов производств от загрязнений нефтью и нефтепродуктами с одновременной утилизацией загрязнения микроорганизмами.

Известны гидрофобные сорбенты на основе торфа (патенты РФ №2116128, №2191067, №2201898, заявка №2003127857). Все гидрофобные сорбенты характеризуются высокой нефтеемкостью и плавучестью.

Известен гидрофобный органоминеральный нефтяной сорбент "СОРБОНАФТ" (ТУ 0392-001-55763877-2003). Сорбент получен по способу, описанному в патенте РФ №2214859.

Максимальная поглотительная способность сорбента составляет 650%, крупность частиц насыпного сорбента 0,2-3,0 мм.

Недостатком этого сорбента является то, что собранную с поверхности воды нефть необходимо либо отделять от сорбента, что требует дополнительных затрат, или утилизировать сорбент вместе с нефтью, что является экономически не выгодным.

Известен сорбент НАФТОКС для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов (патент РФ №2053205), выбранный нами за прототип, включающий аэробные нефтеокисляющие бактерии, взятые в эффективном количестве, и наполнитель в виде органического или минерального твердого субстрата, например торфа, дерновоподзолистой почвы, чернозема, торфяно-навозного компоста.

Недостатком этого биопрепарата является то, что применяемый субстрат не обладает гидрофобностью на поверхности воды.

Задачей изобретения является получение биосорбента, способного осуществлять одновременно сорбцию и утилизацию нефти и нефтепродуктов с водной поверхности за счет применения микроорганизмов, способных к иммобилизации на гидрофобном сорбенте и характеризующихся высокой биодеструкционной активностью при ликвидации интенсивных (более 40% нефти) загрязнений.

В этом состоит технический результат.

Технический результат достигается тем, что биосорбент для очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов, включающий нефтеокисляющие микроорганизмы, взятые в эффективном количестве, и носитель, отличается тем, что в качестве носителя содержит гидрофобный нефтяной сорбент на основе торфа, в качестве нефтеокисляющих микроорганизмов - штаммы бактерий Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter sp. или дрожжевые грибы Candida lipolytica, Candida guilliermondii, Pichia guilliermondii, или их бактериально-дрожжевой консорциум, иммобилизованный на нефтяном сорбенте, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

штаммы бактерий или
дрожжевые грибы, или
бактериально-дрожжевой консорциум	20-30
гидрофобный нефтяной сорбент на основе торфа	остальное.

Штаммы бактерий (Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter sp.) и дрожжевых грибов (Candida lipolytica, Candida guilliermondii, Pichia guilliermondii) не депонированы, хранятся в коллекции Института биологии КНЦ УрО РАН, дрожжевые культуры также хранятся на кафедре биологии почвы факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторами разработки штаммам и грибам присвоены следующие обозначения:

Rhodococcus erythropolis - НК-16;

Arthrobacter sp. - НК-15;

Candida lipolytica - КБП-3308;

Candida guilliermondii - КБП-3175;

Pichia guilliermondii - КБП-3205.

Штаммы микроорганизмов получены путем их выделения из нефтепродуктов и нефтезагрязненных субстратов на питательных средах методом чередования накопительных и чашечных культур с обязательной проверкой чистоты (Литвиненко С.Н. Защита нефтепродуктов от действия микроорганизмов. - М.: Изд-во «Химия», 1977). Для выделения культур микроорганизмов применима среда следующего состава: КН₂PO₄ - 2,5; NH₄NO₃ - 5,0; MgSO₄×7H₂O - 1,0; H₂O - 1 л и нефть - 5,0 г. В случае твердых питательных сред добавляют 20 г агара на 1 л среды.

Микроорганизмы и их консорциум, как и биосорбент в целом, характеризуются как экологически нетоксичные. Экспериментальная оценка степени опасности препаратов проведена в соответствии с «Критериями отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды», утвержденными Приказом МПР России от 15 июня 2001 г. №511. Полученные результаты подтверждены двумя стандартными методами биотестирования с применением дафний («Определение токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний Daphnia magna», ФР 1.1.39.2001-00-283) и водорослей («Определение токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по изменению уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток водорослей Scenedesmus quadricauda», ФР 1.1.39.2001-00-284). Испытания проводились в аккредитованной лаборатории экотоксикологического анализа почв факультета почвоведения МГУ (ЛЭТАП) (аттестат аккредитации №РОСС RU.0001.513050).

Rhodococcus erythropolis (HK-16) получен путем селекции из природных образцов нефтесодержащих почв 203-й скважины Усинского района Республики Коми. Идентифицирован Институтом биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К.Скрябина 13.04.01. Грамположительные бактерии образуют слизистые колонии кремового цвета на большинстве питательных сред. В молодых культурах преобладают прямые или слегка искривленные слабо ветвящиеся палочки, которые с возрастом распадаются до кокковидных форм.

Arthrobacter sp. (НК-15) выделен из нефтезагрязненной почвы 203-й скважины Усинского района Республики Коми в 1999 г. Грамотрицательные аэробные палочковидные бактерии образуют слизистые округлые колонии кремового цвета на МПА.

Candida guilliermondii (КБП-3176; НК-302) предоставлена авторами из коллекции микроорганизмов кафедры биологии почвы факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. Выделена в НИИ генетики промышленных микроорганизмов в 1990 г. из ароматических углеводородов. Колонии на среде сусла гладкие, серо-белые, мелкозернистые.

Pichia guilliermondii (КБП-3205; НК-303) предоставлена авторами из коллекции микроорганизмов кафедры биологии почвы факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова, выделена в 1982 г. из имаго Aedes diantaeus. Томская область, п.Басандайка. Колонии на среде сусла гладкие, серо-белые, мелкозернистые.

Candida lipolytica (КБП-3308; НК-304, анаморфа - Yarrowia lipolytica) предоставлена авторами из коллекции кафедры биологии почвы факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова, выделена в 1992 г. из пластовых вод Бондюжского нефтяного месторождения. Колонии на среде сусла гладкие, серо-белые, мелкозернистые.

Способ получения биосорбента включает иммобилизацию на нефтяном гидрофобном сорбенте дрожжевых грибов Candida lipolytica, Candida guilliermondii, Pichia guilliermondii и культур бактерий Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter sp. в количестве от 10 до 50 процентов (по сухому весу) с последующей сушкой на воздухе. Биосорбент, содержащий не менее 20% микроорганизмов, наносят на нефтезагрязненную водную поверхность, при этом осуществляется одновременная биодеструкция адсорбированной нефти бактериально-дрожжевой ассоциацией.

Способ получения биосорбента и его свойства показаны на примерах. В качестве гидрофобного нефтяного сорбента на основе торфа использовали сорбент с торговым названием «СОРБОНАФТ».

В опыте предусматривалось иммобилизирование микроорганизмов в нефтяной сорбент, затем, после нанесения сорбента на нефтезагрязненную водную поверхность, определение степени деструкции ими адсорбированной сорбентом нефти.

В условиях лаборатории проведены испытания биосорбента с целью оптимизации процесса деградации нефти на загрязненных водных поверхностях. В соответствии с этим в первой части опыта сорбент обогащали микроорганизмами, во второй полученный биосорбентобогащенный микроорганизмами сорбент распыляли на водную поверхность с нанесенным на нее определенным количеством нефти.

I. В небольшие емкости (лотки) на дно наливали по 20 мл питательной среды (15% неохмеленное пивное сусло), 20 г сорбента «СОРБОНАФТ» помещали в лоток, затем сверху распределяли по 20 мл культуры микроорганизмов (м/о). Лотки помещали в небольшие полиэтиленовые мешочки для уменьшения испарения влаги. Рост микроорганизмов продолжался в течение 9 суток.

Использовали следующие м/о:

1. Pichia guilliermondii;

2. Candida lipolytica;

3. Candida guilliermondii;

4. Rhodococcus erythropolis;

5. Arthrobacter sp.;

6. Pichia guilliermondii + Candida lipolytica + Candida guilliermondii + Rhodococcus erythropolis + Arthrobacter sp.

Внешних признаков изменения массы сорбента не наблюдалось, хотя можно было заметить некоторое уплотнение массы сорбента. Через 9 дней была выполнена вторая часть опыта.

II. В чашки диаметром 19 см была налита вода, расстояние от края до уровня воды составило 1,5-2 см. На поверхность воды была налита нефть и затем были рассыпаны образцы биосорбента. Нефть сорбировалась в течение нескольких минут. Исходное содержание нефти составило 46%. После 27 суток опыта с поверхности воды биосорбент был собран и помещен в лотки для высушивания и дальнейшего анализа.

Под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов происходит утилизация нефти. Определение остаточной нефти в сорбенте показало, что через две недели опыта бактерии (Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter sp.) и дрожжевые грибы (Candida lipolytica, Candida guilliermondii, Pichia guilliermondii) способствовали деструкции нефти, снижение загрязнения произошло на 31,5% (при использовании Candida lipolytica), на 30% (при использовании Candida guilliermondii или Pichia guilliermondii) и на 35% и 33% в вариантах с Rhodococcus erythropolis и Arthrobacter sp.

Этот опыт был повторен с консорциумом (ассоциацией) вышеуказанных микроорганизмов (Rhodococcus erythropolis+Arthrobacter sp.+Candida lipolytica+Candida guilliermondii+Pichia guilliermondii).

В течение 9 суток биосорбент активно обрастал грибами, мицелий был хорошо заметен. В чашки диаметром 19 см на поверхность воды была налита нефть и на поверхность были рассыпаны образцы сорбента с микроорганизмами. Нефть сорбировалась около 1 ч. После 27 суток опыта с поверхности воды сорбент был собран и помещен в лотки для высушивания и дальнейшего анализа. В таблице 1 приведены химические свойства биосорбента после микробиологической трансформации нефтезагрязнения.

Как видно из таблицы 1, имело место заметное (на 30-41%) снижение уровня загрязнения биосорбентов нефтью как с препаратами на основе монокультур микроорганизмов, так и в их ассоциациях. За время опыта (27 суток) уровень загрязнения в биосорбенте с использованием комплекса микроорганизмов (Candida lipolytica + Candida guilliermondii + Pichia guilliermondii + Arthrobacter sp. + Rhodococcus erythropolis) снизился на 41%. С разрушением нефтезагрязнения и жизнедеятельностью микроорганизмов связано заметное накопление в сорбенте элементов-биогенов (азот, фосфор, калий).

По завершении опыта для определения количества микроорганизмов были взяты пробы воды под сорбентом и самого сорбента, остававшегося на водной поверхности. Количество микроорганизмов в воде под сорбентом незначительно, а в сорбенте - сплошной рост, что позволяет судить о сравнительно прочном закреплении дрожжевых грибов и бактерий на сорбенте, загрязненном нефтью, и, следовательно, о возможности их применения для деструкции нефти, собранной сорбентом на водной поверхности.

Последующая опытно-производственная проверка адсорбционной и нефтедеструкционной способности биопрепарата в полевых условиях (на водной нефтезагрязненной поверхности в Усинском районе Республики Коми) показала высокую сорбционную способность (1 часть биопрепарата:6 частей нефти) и заметное (на 51%) снижение уровня загрязнения нефти в биосорбенте за вегетационный период.

Пример.

Для получения биосорбента в качестве компонентов брали штаммы бактерий: Rhodococcus erythropolis НК-16 или Arthrobacter sp. HK-15 или дрожжевого гриба: Candida lipolytica КБП-3308 или Candida guilliermondii КБП-3175, или Pichia guilliermondii КБП-3205, или их бактериально-дрожжевого консорциума и гидрофобный нефтяной сорбент «СОРБОНАФТ». Осуществляли иммобилизацию штамма в сорбент путем обрастания по вышеописанному способу. По окончании процесса обрастания полученную фракцию высушивали и определяли количественное соотношение биомассы штаммов и гидрофобного сорбента. Содержание биомассы штамма, иммобилизованного в гидрофобный сорбент, и биодеструктивная активность полученных биосорбентов приведены в таблице 1.

Таким образом, биосорбент способен осуществлять одновременно сорбцию и утилизацию нефти и нефтепродуктов с водной поверхности за счет применения штаммов бактериально-дрожжевого консорциума, способных к иммобилизации на гидрофобном сорбенте.

Таблица 1
Вариант	Химические показатели биосорбента	Убыль нефти, %	Биомасса штамма, иммобилизованного в гидрофобный сорбент, %
pH	азот гидролиз.	фосфор	калий
мг на 100 г в.с.в.
Candida lipolytica КБП-3308	4,59	8,4	7,6	14,8	31,5	25
Candida guilliermondii КБП-3175	6,70	6,9	6,8	12,8	30,0	24
Pichia guilliermondii КБП-3205	6,74	6,4	6,1	12,3	30,0	28
Rhodococcus erythropolis HK-16	6,10	7,0	7,2	17,9	35,0	20
Arthrobacter sp. HK-15	6,00	6,8	7,5	16,9	33,0	30
Candida lipolytica КБП-3308 + Candida guilliermondii КБП-3175 + Pichia guilliermondii КБП-3205 + Arthrobacter sp. HK-15 + Rhodococcus erythropolis HK-16	6,36	7,0	2,6	10,6	41,0	24

Биосорбент для очистки водоемов от нефтепродуктов, включающий нефтеокисляющие микроорганизмы, взятые в эффективном количестве, и носитель, отличающийся тем, что в качестве носителя биосорбент содержит гидрофобный нефтяной сорбент на основе торфа, а в качестве нефтеокисляющих микроорганизмов - биомассу штамма бактерии - Rhodococcus erythropolis HK-16 или Arthrobacter sp.HK-15, или дрожжевого гриба Candida lipolytica КБП-3308 или Candida guilliermondii КБП-3175 или Pichia guilliermondii КБП-3205 или их бактериально-дрожжевого консорциума, иммобилизованного в гидрофобный сорбент нефти на основе торфа путем обрастания сорбента бактериями и/или грибами, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

биомасса штамма бактерий:
Rhodococcus erythropolis HK-16 или
Arthrobacter sp.HK-15 или
дрожжевого гриба Candida lipolytica КБП-3308 или
Candida guilliermondii КБП-3175 или
Pichia guilliermondii КБП-3205
или их бактериально-дрожжевого консорциума	20-30
гидрофобный сорбент нефти на основе торфа	остальное