Биосорбент для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов

Биосорбент для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов

Реферат

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к экологическим препаратам, обеспечивающим очистку почвы и водной поверхности, загрязненных нефтью и нефтепродуктами после аварийных разливов, без необходимости сбора отработанного сорбента.

Нефтехимическое загрязнение окружающей среды является глобальной проблемой, острота которой возрастает в связи с ускоренными темпами нефтедобычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья. Высокие уровни загрязнения почв нефтепродуктами, многократно превышающие предельно допустимые концентрации, повсеместно наблюдаются в районах добычи, транспортировки, распределения и переработки нефти.

Проблема очистки окружающей среды от нефтепродуктов существует длительное время, однако она практически так и не решена и до настоящего времени. Важными задачами являются разработка и усовершенствование высокоэффективных и безопасных способов очистки загрязненных территорий, в основе которых лежат процессы, происходящие при биодеградации углеводородов нефти в почве и воде. Наиболее эффективным при решении проблемы ликвидации последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов является сочетанное использование сорбентов и биопрепаратов.

Активность микроорганизмов является одним из главных факторов, способствующих естественной очистке почв и водоемов. Их способность к деградации различных загрязнителей, в том числе и углеводородов - основных компонентов нефти, известна давно. Биодеградация обеспечивает экономически выгодную, высокоспецифичную и экологически безопасную очистку, приводящую к уменьшению концентрации поллютантов.

Интенсификация биодеградации углеводородов нефти в почве и воде может быть достигнута за счет внесения в загрязненную почву биосорбентов, содержащих углеводородокисляющие микроорганизмы.

Биосорбентом является сорбент-носитель с иммобилизованными микроорганизмами-нефтедеструкторами. Иммобилизованные микробные клетки беспрепятственно перемещаются в среде масло-нефть, при этом часть микробных клеток попадает из сорбента на пятно разлитых нефтепродуктов и разрушает его. Имеющиеся внутри биосорбента биоагенты уничтожают адсорбированный нефтепродукт.

До настоящего времени ведется постоянный поиск новых микроорганизмов-нефтедеструкторов и их ассоциаций и изучение их свойств с целью повышения эффективности очистки нефтезагрязненных территорий.

Существуют препараты на основе микроорганизмов-нефтедеструкторов, в которых наиболее часто используют штаммы бактерий родов Rhodococus, Pseudomonas, Arthrobacter, Microbacterium; грибы видов Pichia, Candida. Указанные препараты способны эффективно разлагать широкий спектр углеводородов нефти, однако основным недостатком большинства из них является невозможность локализации загрязнений нефтью и нефтепродуктами.

Близкими техническими решениями-аналогами являются биосорбенты, состоящие из сорбента и иммобилизованных на нем клеток микроорганизмов-нефтедеструкторов.

Известен препарат для очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов (патент РФ №2299181; МПК C02F 3/34, C12N 1/26, C12R 1/77, C12R 1/645; опубл. 20.05.2007), который содержит гидрофобный сорбент нефти на основе торфа и биомассу штаммов микромицета Fusarium lateritium или Gliocadim deliquescens или консорциум этих штаммов, иммобилизованных в гидрофобный торфяной сорбент посредством обрастания сорбента грибами.

Известен также препарат для очистки водоемов от нефтепродуктов на основе штаммов бактерий и дрожжевых грибов (патент РФ №2318736; МПК C02F 3/34, C12N 1/26, C12R 1/00, C12R 1/06, C12R 1/72, C12R 1/73, C12R 1/84; опубл. 10.03.2008), содержащий иммобилизованные на гидрофобном торфяном сорбенте клетки дрожжевых грибов Candida lipolitica, Candida guilliermondii, Pichia guilliermondii и культур бактерий Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter sp. посредством обрастания мицелием грибов сорбента с последующей сушкой на воздухе.

Недостатком этих препаратов является то, что продолжительность процесса приготовления этих биосорбентов определяется временем обрастания сорбента грибами, которое составляет от 2…9 до 25…30 суток и требует создания определенных условий культивирования по температуре и влажности. Кроме того, биодеградационная активность препарата недостаточна для очистки почвы от загрязнений от нефтепродуктов.

Прототипом к заявляемому препарату является биосорбент (патент РФ №2420579; МПК C02F 3/34, C12N 1/26, C12R 1/77, C12R 1/645; опубл. 20.05.2007), состоящий из гидрофобного торфоминерального сорбента - 99% и водно-масляной эмульсии, содержащей микроорганизмы-нефтедеструкторы - 1%. В качестве штаммов, обеспечивающих разрушение нефтепродуктов, используется ассоциация штаммов микробных клеток Zoogloea sp. 144, Arthrobacter sp. 13H, Arthrobacter sp. 15H, Bacillus sp. 124.

Недостатком данного препарата является отсутствие в составе эмульсии сбалансированной минеральной добавки азота, калия и фосфора, обеспечивающих пролонгированное снабжение ими микроорганизмов-нефтедеструкторов, как необходимым фактором развития биопопуляции. Другим недостатком данного препарата является то, что после приготовления водно-масляной эмульсии наблюдается быстрое ее расслоение, что затрудняет процесс равномерного нанесения на сорбент при аэрозольном способе иммобилизации микроорганизмов-нефтедеструкторов и ухудшает его биодеградационную активность.

Задачей изобретения является создание экологически чистого торфоминерального гидрофобного самоутилизирующегося нефтяного биосорбента пролонгированного действия с аэрозольным способом нанесения биоэмульсии на сорбент.

Технический результат заключается в улучшении биодеградационной активности биосорбента и снижении уровня нефтезагрязнения в воде и почве за 14 суток на 23-25% при температуре от плюс 2°С до плюс 6°С, на 31-44% при температуре от плюс 18°С до плюс 22°С, на 40-53% при температуре от плюс 30°С до плюс 32°С.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается с помощью биосорбента для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов, включающего гидрофобный сорбент в виде верхового торфа и ассоциацию культур штаммов Rhodococcus erythropolis AC-1260, AC-1660, иммобилизованную на сорбент аэрозольным путем в составе биоэмульсии при следующем соотношении компонентов, мас. %:

гидрофобный верховой торф - 90%;

биоэмульсия - 10%,

при этом концентрация микроорганизмов-нефтедеструкторов в готовом препарате - не менее 5⋅10⁶ кл/г биосорбента.

Используемая биоэмульсия, которая содержит биологический компонент, состоящий из культур штаммов Rhodococcus erythropolis, депонированных в Государственной коллекции промышленных микроорганизмо, регистрационные номера АС-1260, АС-1660, в паспортах которых имеются данные о безвредности, соотношение которых в биоэмульсии составляет 1:1 по объему вазелинового масла, эмульгатора и минеральной добавки при следующем соотношении компонентов, мас. %:

ассоциация штаммов на основе жидких культур Rhodococcus erythropolis АС-1260, АС-1660 - 10%;

вазелиновое масло - 10%;

эмульгатор Т-2 - 1%;

минеральная добавка - 3%;

вода питьевая - остальное.

Минеральная добавка имеет следующий состав солей:

калий фосфорнокислый однозамещенный (KН₂РО₄), г - 1,5;

калий фосфорнокислый двузамещенный (K₂НРО₄), г - 4,0;

аммоний сернокислый ((NH₄)₂SO₄), г - 1,0;

магний сернокислый (MgSO₄), г - 2,0.

вода питьевая - 1 дм³.

Отличительными особенностями предлагаемого биосорбента являются:

аэрозольный способ нанесения биоэмульсии на сорбент;

пролонгированное действие;

обеспечение биодеструкции сорбированных нефти и нефтепродуктов при температуре от плюс 2°С до плюс 32°С;

низкая десорбция сорбированных нефти и нефтепродуктов, что предотвращает вторичное загрязнение;

отсутствие необходимости в проведении дополнительных мероприятий по утилизации сорбированной нефти.

Главным этапом при приготовлении биосорбента является выбор способа нанесения биоэмульсии, содержащей ассоциацию штаммов на основе жидких культур Rhodococcus erythropolis AC-1260, AC-1660, на сорбент-носитель - гидрофобный верховой торф, без изменения свойств, определяющих эффективность готового продукта. С этой целью используется аэрозольный способ, который позволяет обеспечить защиту предлагаемой композиции биоэмульсии от влияния неблагоприятных факторов внешней среды, иммобилизацию микроорганизмов-нефтедеструкторов на поверхность сорбента и их размножение в загрязненной нефтью и нефтепродуктами воде и почве за счет использования необходимых микроэлементов, входящих в состав солей.

Приготовление устойчивой биоэмульсии достигнуто за счет добавления эмульгатора Т-2, применяемого в пищевой промышленности.

Обеспечение необходимыми микроэлементами (калием, азотом, фосфором, магнием) и поддержание кислотно-щелочного равновесия (за счет использования одно- и двузамещенных фосфорнокислых солей калия) определило необходимость включения минеральной добавки.

Предложена следующая пропись биоэмульсии:

ассоциация штаммов на основе жидких культур

Rhodococcus erythropolis AC-1260, AC-1660 - 10%;

вазелиновое масло - 10%;

эмульгатор Т-2 - 1%;

минеральная добавка - 3%,

содержащая следующий состав и концентрацию солей в водном растворе:

калий фосфорнокислый однозамещенный (KН₂РО₄) - 1,5 г/дм³,

калий фосфорнокислый двузамещенный (K₂НРO₄) - 4,0 г/дм³,

аммоний сернокислый ((NH₄)₂SO₄) - 1,0 г/дм³,

магний сернокислый (MgSO₄) - 2,0 г/дм³;

вода питьевая - остальное.

Заявляемый препарат имеет следующий компонентный состав:

сорбент на основе гидрофобного верхового торфа - 9 частей;

биоэмульсия - 1 часть.

Штаммы Rhodococcus erythropolis AC-1260, AC-1660 характеризуются следующими признаками.

Морфологические признаки - грамположительные бактерии. В молодых культурах преобладают прямые или слегка искривленные палочки, которые могут распадаться на кокковые формы, спор и капсул не образуют. Подвижностью не обладают. На белковых питательных средах образуют через 48 часов роста выпуклые, желтого или кремового цвета колонии с более плотным центром и плоским краем.

Культуральные признаки - аэроб. Обладает способностью к росту в температурном диапазоне плюс 5-37°С, оптимум плюс 28°С. Оптимум рН для роста 6,0-8,0. В дополнительных факторах роста не нуждается.

Биохимические признаки: Оксидазный тест - отрицательный. Каталазный тест - положительный. Желатину не разжижает. Цитратная активность - положительная.

Для приготовления микробных культур штаммов Rhodococcus erythropolis AC-1260, AC-1660 использовали солевую жидкую питательную среду следующего состава:

калий фосфорнокислый однозамещенный (KН₂РO₄), г - 1,5;

калий фосфорнокислый двузамещенный (K₂НРО₄), г - 4,0;

аммоний сернокислый ((NH₄)₂SO₄), г - 1,0;

магний сернокислый (MgSO₄), г - 2,0;

кальция хлорид 6-водный (СаСl₂⋅6Н₂О), г - 0,01;

железа сульфат 7-водный (Fe₂(SO₄)₃⋅7H₂O), г - 0,0013;

нефть, г - 10;

вода дистиллированная - 1 дм³.

В состав среды включены ингредиенты, входящие в состав биоэмульсии, а также микроэлементы (железо и кальций), постоянно присутствующие в воде и почве. Выращивание культур производят на указанной жидкой питательной среде с принудительной аэрацией в течение 48…72 часов. В результате выращивания в бутылях емкостью 10 дм³ выход биомассы микроорганизмов нефтедеструкторов составлял для штамма АС-1260 - 1,5⋅10⁹ живых микробов, для штамма АС-1660 - 1,9⋅10⁹ живых микробов, что в объединенном 1:1 препарате составлял 1,74⋅10⁹ живых микробных клеток. Для приготовления биосорбента проводят нанесение биоэмульсии на сорбент аэрозольным способом. Предлагаемая пропись биоэмульсии создает защиту микроорганизмов-нефтедеструкторов при диспергировании и в процессе нахождения в аэрозоле, а также их иммобилизацию на поверхности сорбента.

Это обеспечивало создание необходимой концентрации микроорганизмов (не менее 5⋅10⁶ живых микробов/г), иммобилизованных на сорбенте.

Характеристика предлагаемого биосорбента для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов представлена в таблице 1.

Биодеградационная активность биосорбента при различных условиях подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Для определения биодеградационной активности биосорбента в воде при различных температурных режимах минимальную солевую среду Ворошиловой-Диановой разливали в стаканы емкостью 500 см³ по 150 см³. Затем в стаканы вносили нефть в количестве 1 см³/дм³ среды и биосорбент из расчета 50% от количества нефти и определяли концентрацию нефти. После этого пробы выдерживали при температурах плюс 2…6, 18…22, 30…32°С в течение 3, 7, 14 суток. Через указанные промежутки времени при выбранных температурных режимах измеряли концентрацию нефтепродуктов в пробах. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Пример 2. Для определения биодеградационной активности биосорбента в почве при различных температурных режимах ее остаточную влажность доводили до 50…60% путем внесения физиологического раствора. Исходный материал фасовали по 30,0 г в чашки Петри. Затем в почву вносили нефть в количестве 10 см³/кг и биосорбент из расчета 50% от количества нефти и определяли количество нефти в пробе. Затем пробы выдерживали при температурах плюс 2…6, 18…22, 30…32°С в течение 3, 7, 14 суток. Остаточную влажность поддерживали на протяжении срока наблюдения путем орошения ее физиологическим раствором. Через указанные промежутки времени при выбранных температурных режимах измеряли концентрацию нефтепродуктов в пробах. Полученные результаты представлены в таблице 3.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый биосорбент обладает хорошей способностью к биодеструкции нефти при температурных режимах от плюс 2…6° до плюс 30…32°С в воде и почве.

Созданный препарат является экологически чистым торфоминеральным гидрофобным самоутилизирующимся нефтяным биосорбентом пролонгированного действия с аэрозольным способом нанесения биоэмульсии на сорбент и предназначен для ликвидации последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на воде и почве.

Результаты исследований свидетельствуют, что разработанный биосорбент обладает улучшенной биодеградационной активностью, обеспечивающей: пролонгированное действие препарата; низкую десорбцию сорбированных нефти и нефтепродуктов; отсутствие необходимости в проведении дополнительных мероприятий по утилизации сорбированной нефти.

Предлагаемый биосорбент снижает уровень нефтезагрязнения в воде и почве за 14 суток на 23-25% при температуре от плюс 2°С до плюс 6°С, на 31-44% при температуре от плюс 18°С до плюс 22°С, на 40-53% при температуре от плюс 30°С до плюс 32°С.

Биосорбент для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов, характеризующийся тем, что он состоит из гидрофобного сорбента в виде верхового торфа и ассоциации штаммов, включающей жидкие культуры штаммов Rhodococcus erythropolis ВКПМ AC-1660 и Rhodococcus sp. ВКПМ AC-1260 в соотношении 1:1 по объему, иммобилизованных на сорбент аэрозольным путем в составе биоэмульсии при следующем соотношении компонентов, мас. %: гидрофобный верховой торф - 90%, биоэмульсия - 10% в готовом препарате, причем биоэмульсия содержит ассоциацию штаммов, вазелиновое масло, эмульгатор и минеральную добавку при следующем соотношении компонентов, мас. %: ассоциация штаммов на основе жидких культур Rhodococcus erythropolis ВКПМ AC-1660 и Rhodococcus sp. ВКПМ AC-1260 -10%, вазелиновое масло - 10%, эмульгатор Т-2 - 1%, минеральная добавка - 3%, вода питьевая - 76% , причем минеральная добавка содержит следующий состав и концентрацию солей в водном растворе: калий фосфорнокислый однозамещенный (КН₂РО₄) - 1,5 г/дм³, калий фосфорнокислый двузамещенный (К₂НРО₄) - 4,0 г/дм³, аммоний сернокислый (NH₄)₂SO₄)- 1,0 г/дм³, магний сернокислый (MgSO₄) - 2,0 г/дм³.