Способ очистки воды от нефти и нефтепродуктов

Способ очистки воды от нефти и нефтепродуктов

Реферат

Изобретение относится к области экологии, прикладной микробиологии, а также биотехнологии и касается способов очистки воды от нефти и нефтепродуктов с помощью биологических препаратов.

Известен способ очистки воды от нефти и нефтепродуктов путем ее обработки штаммом микроорганизмов Phyllobacterium myrsinacearum DKS-1 (патент RU №2268934, МПК C12N 1/20, 2003).

Известен способ очистки воды от нефти и нефтепродуктов путем ее обработки ассоциацией штаммов бактерий, продуцирующих биоэмульгаторы (патент RU №2312891, МПК C12N 1/20, 2006).

Наиболее близким к заявляемому является известный способ очистки воды от нефти и нефтепродуктов путем введения в загрязненную воду микробного препарата, состоящего из смеси природных углеводородокисляющих (УВ) культур микроорганизмов, выделенных методом селекции из природного сообщества микроорганизмов (патент RU №2057724, МПК C02F 3/34, 1994) - прототип. В данном способе микробный препарат выделяют из природного сообщества микроорганизмов, обитающего в загрязненной нефтью или нефтепродуктами воде, и селекцию культур микроорганизмов проводят традиционным методом в присутствии смеси водной питательной среды, содержащей, по крайней мере, соединения азота, фосфора, калия и магния, с нефтью или нефтепродуктами.

Недостатками известного способа являются его относительно невысокие скорость и эффективность очистки загрязненной воды от нефти и нефтепродуктов.

Технической задачей изобретения является повышение скорости и эффективности очистки воды от нефти и нефтепродуктов даже при повышенной концентрации соли и относительно низкой температуре, в том числе в районах с коротким тепловым периодом.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе очистки воды от нефти и нефтепродуктов путем введения в загрязненную воду микробного препарата, состоящего из смеси природных УВ культур микроорганизмов, выделенных методом селекции из природного сообщества микроорганизмов в присутствии смеси питательной водной среды, содержащей, по крайней мере, соединения азота, фосфора, калия и магния, с нефтью или нефтепродуктом, культуры микроорганизмов выделяют из сообщества микроорганизмов, обитающих на морских бурых водорослях, по крайней мере, одного биологического рода, с титром не менее 10⁵ колоний образующих единиц (KOE) на миллилитр при использовании суспензии препарата в водной среде и с титром не менее 10⁵ KOE на грамм при использовании водной суспензии препарата, иммобилизованного на твердом носителе.

При этом в загрязненную воду дополнительно можно вводить биогенную добавку, содержащую, по крайней мере, соединения азота, фосфора, калия и магния.

В предлагаемом техническом решении селекцию культур микроорганизмов необходимо проводить в присутствии смеси водной питательной среды с нефтью или нефтепродуктом, причем более целесообразно использовать для этих целей сырую нефть. В отсутствие нефти или нефтепродукта получить микробный препарат не удается.

В качестве питательной среды, используемой при селекции МС, можно использовать традиционные для таких целей водные питательные среды, содержащие, по крайней мере, соединения азота, фосфора, магния и калия.

При реализации способа микробный препарат можно использовать в виде суспензии отселектированного сообщества микроорганизмов в водной питательной среде или в воде, либо в виде высушенного отселектированного микробного сообщества (МС), а также в виде отселектированного МС, иммобилизованного на твердом носителе.

Микроскопическими, культурально-морфологическими и физиолого-биохимическими методами было показано, что используемый препарат состоит из бактерий, относящихся к различным биологическим родам, например, таким как Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, Mycobacterium, Acinetobacter, Phyllobacterium, Marinobacter, Alcanivorax, Oleispira, Cycloclasticus и т.д. В предлагаемом изобретении для выделения культур микроорганизмов могут быть использованы различные морские бурые водоросли, например бурые водоросли биологических родов Fucus sp., Laminarya sp., Phyllariella sp. и т.д. Эти водоросли широко распространены в морских экосистемах, например в Белом море, Баренцевом море и Дальневосточных морях и т.д. Можно использовать как бурые водоросли одного биологического рода, например рода Fucus sp., так и водоросли двух и более биологических родов.

Сушку биомассы препарата можно осуществлять как лиофильно, так распылением суспензии биомассы препарата в газовом потоке, например в воздухе, в азоте, в аргоне и т.д.

В качестве твердого носителя для иммобилизации отселектированного МС можно использовать различные неорганические и органические, преимущественно пористые объекты, например, такие как природные пористые цеолиты, перлит, торф, опилки, почву и др. Иммобилизацию можно проводить путем обработки носителя суспензией отселектированного сообщества микроорганизмов в жидкой среде посредством распыления, смешения и т.д. с последующей сушкой, которую можно осуществлять как при атмосферном, так и при пониженном давлении.

Микробный препарат, используемый в предлагаемом техническом решении, получают следующим образом. Образцы бурых водорослей собирают, как правило, в зоне литорали. Фрагменты таллома (кусочки водорослей) размером примерно от 1 см или более помещают в водную питательную среду, например, следующего состава (г/л): KNO₃ - 4,0; KH₂PO₄ - 0,6; Na₂HPO₄ - 1,4; MgSO₄ - 0,8; NaCl - 20,0. В качестве источника углерода для жизнедеятельности МС используют либо нефтепродукт, либо преимущественно сырую нефть, вводимые в питательную среду в количестве нескольких массовых процентов. pH среды с нефтью 7,0.

Для получения культуры, окисляющей нефть или нефтепродукт, МС, засеянное как описано выше, инкубируют на лабораторной качалке при скорости вращения 280-300 об/мин, при температуре преимущественно не выше 15°С. Таким методом получают так называемую накопительную культуру микроорганизмов, за развитием которой наблюдают визуально и микроскопически. Через семь суток накопительную культуру помещают в холодильник, поддерживающий температуру в 10-12°С.

Селекцию УВ сообщества микроорганизмов проводят в течение нескольких месяцев путем последовательных нескольких (5-6) пересевов 1 мл накопительной культуры в новую порцию питательной среды с нефтью или нефтепродуктом указанного выше состава.

Культивируемое разнообразие бактерий и определение титра микроорганизмов в накопительной культуре осуществляют путем десятикратного разведения стерильной среды без нефти и высева 0,01 мл накопительной культуры на чашки Петри, содержащие среду, состоящую из мясопептонного бульона и сусла, взятых в соотношении 1:1, с добавлением 1,7% агар-агара. После этого чашки Петри инкубируют при 10°С в течение 7 дней.

Из отдельных колоний микроорганизмов, выросших в этих условиях, традиционными методами выделяют штаммы чистых культур микроорганизмов. Способность чистых культур микроорганизмов потреблять УВ сырой нефти проверяют в тех же условиях, что и у накопительной культуры.

Морфологические и культуральные свойства колоний микроорганизмов, их микроскопию и проверку их окрашиваемости по Граму, изучают традиционными микробиологическими методами.

Используемый в предложенном техническом решении микробный препарат представляет собой смесь бактерий, включающую одиночные клетки и их группирования в недлинные цепочки или иные скопления за счет выделяемой слизи. Морфологически - это палочки разных размеров и толщины, кокки, коккобациллы, изогнутые палочки, Y-образные пары клеток. Некоторые из них подвижные, другие - нет. Бактерии являются гетеротрофными аэробами, сапротрофными, грамположительными и грамотрицательными, не разжижающими агар, использующими простые субстраты, такие как углеводы, аминокислоты, органические кислоты, спирты и углеводороды.

Используемый микробный препарат не обладает токсичными и токсигенными свойствами, не обладает раздражающими действиями на слизистые оболочки, не аллергичен. Он продуцирует биологические поверхностно-активные вещества, которые повышают скорость и степень очистки от нефти и нефтепродуктов.

При реализации способа микробный препарат можно использовать с титром не менее 10⁵ колоний образующих единиц на миллилитр при использовании суспензии препарата в водной среде и с титром не менее 10⁵ колоний образующих единиц на грамм при использовании водной суспензии препарата, иммобилизованного на твердом носителе.

Препарат экологичен и может быть использован для очистки воды, в том числе морской от нефти и нефтепродуктов, в том числе при повышенной концентрации соли в различных географических широтах, в том числе в районах крайнего Севера и других районах с коротким тепловым периодом.

Контроль за эффективностью и скоростью очистки объектов от нефти и нефтепродуктов можно проводить с помощью любых традиционных для таких целей методов, например, таких как хроматография, гравиметрия, респирометрия и т.д.

Применяемый в заявленном способе препарат удобен для использования. Хранят микробный препарат в виде его суспензии в водной питательной среде, либо в замороженном виде после отделения микроорганизмов от питательной среды, либо в высушенном виде, а также в иммобилизованном виде на твердом носителе после высушивания. Срок годности препарата, хранящегося в виде суспензии в питательной среде при 10°С, без пересева в новую питательную среду составляет не менее 6 месяцев. Высушенный препарат, а также иммобилизованный препарат может храниться более года.

Преимущества предлагаемого способа иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1.

Образцы морских бурых водорослей биологического рода Fucus sp. собирают в зоне литорали Белого моря в районе Кандалакшской губы при температуре морской воды 12°С. Кусочки таллома водоросли размером около 2 см² помещают в стерильные конические стеклянные колбы емкостью 750 мл, заполненные 100 мл водной питательной среды, содержащей растворенные, нижеуказанные соли, взятые в количестве (г/л): KNO₃ - 4,0; KH₂PO₄ - 0,6; Na₂HPO₄ - 1,4; MgSO₄ - 0,8; NaCl - 20,0. В колбы добавляют по 2 мл сырой Бакинской нефти, используемой в качестве источника углерода для жизнедеятельности МС. Колбы закрывают стерильными ватно-марлевыми пробками и закрепляют на лабораторной качалке. Включают качалку, работающую со скоростью 300 об/мин, и проводят инкубацию МС при 12°С в течение 7 суток. Затем колбы помещают в холодильник с температурой 10°С. За развитием культур микроорганизмов наблюдают визуально и микроскопически.

Селекцию УВ сообщества микроорганизмов проводят в течение 2,5 месяцев путем последовательных 10 пересевов 1 мл полученной суспензии микроорганизмов в 100 мл новой вышеуказанной питательной среды с нефтью.

Культивируемое разнообразие бактерий МС и определение титра микроорганизмов в полученном сообществе осуществляют путем десятикратного разведения в стерильной среде без нефти и высева 0, 01 мл этой культуры на чашки Петри, содержащие среду, состоящую из мясопептонного бульона и сусла, взятых в соотношении 1:1, с добавлением 1,7% агар-агара. После этого чашки Петри инкубируют при 10°С в течение 7 дней. Получают микробный препарат с титром 10⁸ KOE/мл, содержащий 10 биологических родов грамотрицательных и грамположительных бактерий, следующего морфологического состава: кокки, палочки, изогнутые и коринеформные бактериальные клетки.

Способность полученного микробного препарата очищать морскую воду от нефти проверяют в микрокосмном эксперименте, имитирующем условия Белого моря. Эксперимент проводят при 12°С в специальных павильонах Беломорской биологической станции МГУ им. М.В.Ломоносова в 3-х пластиковых аквариумах объемом 5 л с площадью зеркала аквариума 30×40 см, с протоком морской воды и имитацией физико-химических и биологических условий акватории Белого моря. Скорость протока регулируют таким образом, чтобы соответствовать скорости колебания воды в прибойной зоне моря.

Микробную биомассу отделяют от питательной среды центрифугированием при 8 тыс.об/мин и полученную густую пастообразную массу, содержащую 10¹⁰ KOE/мл, хранят в замороженном виде.

Для иммобилизации препарата осуществляют ресуспендирование 1 мл препарата в 1 л вышеуказанной питательной среды без нефти с последующим введением в полученную суспензию 300 г твердого плавучего носителя, в качестве которого используют природный цеолит. Полученную смесь перемешивают в течение 10 мин при комнатной температуре, затем цеолит с иммобилизованным препаратом отделяют от суспензии и сушат при комнатной температуре до воздушно сухого состояния. Получают микробный препарат, иммобилизованный на твердом носителе, содержащий 10⁷ KOE/г носителя. На поверхность каждого из аквариумов, заполненных морской водой, вносят по 100 мл сырой Бакинской нефти, затем на водную поверхность каждого из аквариумов вносят по 5 г цеолита с иммобилизованным на нем микробным препаратом. Опыт проводят при 12°С в течение 7 суток. За это время степень очистки морской воды от нефти, определенная гравиметрическим методом, составляет в среднем 96%.

Пример 2.

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако вместо морской воды в аквариумы заливают озерную пресную воду, в которую дополнительно вводят биогенную добавку, содержащую 2 г KNO₃, 0,3 г - KH₂PO₄; 0,7 г - Na₂HPO₄ и 0,4 г MgSO₄. За 7 суток при титре препарата 10⁷ KOE/г носителя степень очистки пресной воды от нефти составляет в среднем 98%.

Пример 3 (контрольный, по прототипу).

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако культуру микроорганизмов выделяют из морской воды, загрязненной нефтепродуктами и взятой из акватории Мурманского морского порта. За 7 суток степень очистки морской воды от нефти составляет 51%.

Пример 4.

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако при получении биологически активного препарата используют смесь образцов морских бурых водорослей биологических родов Laminarya sp. и Phyllariella sp., обитающих в акватории Баренцева моря, селекцию природного сообщества микроорганизмов проводят в присутствии дизельного топлива, биопрепарат на цеолите не иммобилизуют и лиофильно сушат. В качестве очищаемого объекта используют морскую воду, загрязненную 100 мл дизельного топлива. Очистку осуществляют при титре микробного препарата 10⁵ KOE/мл. За 9 суток степень очистки морской воды от дизельного топлива составляет в среднем 85%.

Пример 5.

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако используют микробный препарат, иммобилизованный на твердом носителе - цеолите, с титром 10⁵ KOE/г носителя и очистку воды осуществляют от мазута. За 9 суток степень очистки морской воды от мазута составляет в среднем 90%.

Пример 6.

Опыт проводят аналогично примеру 4, однако селекцию микроорганизмов осуществляют в присутствии смеси питательной водной среды с мазутом, очистку морской воды осуществляют от мазута и используют микробный препарат с титром 10⁶ KOE/мл. За 8 суток степень очистки морской воды от мазута составляет в среднем 88%.

Пример 7 (контрольный, с меньшим, чем заявлено, титром препарата).

Опыт проводят аналогично примеру 2, однако используют водную суспензию микробного препарата с титром 10⁴ KOE/г носителя. За 7 суток степень очистки пресной воды от нефти составляет в среднем 70%.

Пример 8 (контрольный, с меньшим, чем заявлено, титром препарата).

Опыт проводят аналогично примеру 4, однако используют препарат с титром 10⁴ KOE/мл. За 9 суток степень очистки морской воды от дизельного топлива составляет в среднем 67%.

Таким образом, из примеров видно, что предложенный способ действительно позволяет повысить скорость и эффективность очистки воды от нефти и нефтепродуктов даже при повышенной концентрации соли и относительно низкой температуре, в том числе в условиях крайнего Севера России.

1. Способ очистки воды от нефти и нефтепродуктов путем введения в загрязненную воду микробного препарата, состоящего из смеси культур природных углеводородокисляющих микроорганизмов, выделенных методом селекции из природного сообщества микроорганизмов в присутствии смеси питательной водной среды, содержащей, по крайней мере, соединения азота, фосфора, калия и магния, с нефтью или нефтепродуктом, отличающийся тем, что используют препарат на основе сообщества микроорганизмов, обитающих на морских бурых водорослях, по крайней мере, одного биологического рода, при этом используют препарат в виде суспензии микроорганизмов, содержащей не менее 10⁵ KOE на мл или в виде препарата, иммобилизованного на твердом носителе, с концентрацией клеток не менее 10⁵ KOE на г твердого носителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в загрязненную воду дополнительно вводят биогенную добавку, содержащую, по крайней мере, соединения азота, фосфора, калия и магния.