БИОПРЕПАРАТ ДЛЯ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Название	БИОПРЕПАРАТ ДЛЯ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Разработчик (Авторы)	Ерофеевская Л.А., Глязнецова Ю.С.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2565549
Дата регистрации	17.12.2013
Правообладатель	ООО "Транснефть-Восток", ОАО "АК "Транснефть", ООО "НИИ Транснефть"
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к микробиологической очистке мерзлотных почв от нефтяных загрязнений.

Проблема очистки почв от загрязнений нефтью является важной задачей защиты окружающей среды, поскольку процесс самовосстановления нефтезагрязненных почв является очень длительным и может продолжаться более 25 лет, а в районах Крайнего Севера до 50 и более лет.

Трудности реабилитации нарушенных экосистем в условиях вечной мерзлоты связаны с крайне низкой способностью почв к самоочищению.

Низкие температуры, застойное увлажнение, присутствие близко залегающей многолетней мерзлоты, слабое преобразование органической и минеральной частей, недостаток питательных веществ, короткий вегетационный период, низкая активность микробных популяций - все это отражается на морфологии и свойствах северных почв и сдерживает процессы естественного восстановления окружающей среды, загрязненной нефтяными углеводородами (УВ).

Интенсификация биодеградации углеводородов нефти в мерзлотных почвах может быть достигнута за счет внесения в загрязненную почву биопрепаратов, содержащих углеводородокисляющие микроорганизмы (УОМ).

Известен биопрепарат «Путидойл» (Дядечко, Толстокорова, Морозова. Патент SU 1076446, 1984), предназначенный для биологической очистке воды от нефти и нефтепродуктов. Его недостатком является сложная технология приготовления препарата, которая предусматривает распылительную сушку живой культуры бактерий, что вызывает травмирование бактерий и, как следствие, их гибель или потерю необходимой активности вследствие инактивации клеток под действием высоких температур (+60°C). Для восстановления жизнедеятельности бактерий авторы применяют сложный комплекс мер: подогрев большого количества воды (5 м³) от +18 до +28°C, перемешивание, аэрирование, и все это в течение длительного времени (16-24 ч), что в полевых условиях выполнить довольно сложно. Малоэффективность препарата «Путидойл» в естественных условиях подтверждена в публикациях (Новиков, Комзолова, 1992).

Известен способ очистки почв от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, в котором в качестве биопрепарата используют консорциум нефтеокисляющих микроорганизмов Pseudomonas putida ПИ Ко-1, Pseudomonas fluorescens ПИ-896, Micrococcus sp. ПИ Ку-1, Burkholderia caryophylli Jap-3, Serratia odorifera Jap-1 при весовом соотношении 3-12 мас.% каждого микроорганизма, при этом совместно с суспензией биопрепарата в загрязненную среду вводят ризоторфин в количестве 30-120 г/м² (RU 2191643, В09С 1/10, 2001.07.09), где ризоторфин - землеудобрительный препарат азотфиксирующих микроорганизмов.

Недостатком является то, что при приготовлении рабочей суспензии микроорганизмов температура поддерживается на уровне +18…+22°C, т.е. микроорганизмы, входящие в состав консорциума, не способны к деградации нефтепродуктов при пониженных положительных температурах (+4…+8°C).

Известен способ очистки почвы с использованием биопрепарата "Деворойл", содержащего консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов Rhodococcus maris, Rhodococcus erythropolis, Pseudomonas stutzeri, Yarrowia lipolytica. Этот способ предусматривает при хранении суспензии микроорганизмов использование NaCl, биологически активных веществ (витамины) и осмопротекторов (бетаин) (RU 2114071, C02F 3/34, 1997.05.22). Недостатком является то, что несмотря на добавление к бактериальной суспензии защитных веществ численность микроорганизмов снижается независимо от температуры хранения.

Известен бактериальный препарат, состоящий из высокоактивных живых аэробных нефтеокисляющих бактерий (Mycobacterium, Pseudomonas и др.), выращенных на твердых субстратах-носителях с титрами 2,5-7,0-109 кл./г. В качестве субстрата-носителя для иммобилизации микроорганизмов используют гамма-стерильный торф с pH 6,8-7,0 в количестве 40-45 мас.% и воду в количестве 58,95-53,25 мас.%. С целью поддержания нефтеокисляющей активности в процессе хранения в препарат дополнительно вводят питательные субстраты: аммоний щавелевокислый (0,05-1,0 мас.%) и нормальные парафины (1,0-1,5 мас.%). Срок годности биопрепарата - 6 месяцев при температуре +10…+15°C с момента его изготовления (RU 2053205, МПК C02F 3/34). Биопрепарат содержит нефтеокисляющие бактерии, для поддержания жизнедеятельности которых требуется pH среды 6.8-7.0 и большое количество воды (около 60% воды), что снижает его эффективность во времени.

Известен способ очистки почв и грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, с использованием олеофильного биопрепарата на основе ассоциации нефтеокисляющих микроорганизмов - Rhodococcus erythropolis ИЭГМ 708 и Rhodococcus ruber ИЭГМ 327 и биосурфактанта-Rhodococcus, отличающийся тем, что производят первоначальную обработку сильнозагрязненной почвы/грунта до достижения уровня остаточных нефтепродуктов 5-10 вес.% и последующее добавление органического разрыхлителя, олеофильный биопрепарат вносят в количестве не менее 10 л на 0,5-1,0 м³ почвы/грунта по меньшей мере один раз в неделю в течение первого месяца и в дальнейшем по меньшей мере один раз в месяц до окончания цикла биоремедиации в сочетании с периодическим рыхлением и увлажнением и дополнительно производят фиторемедиацию - засев многолетними травами (RU 2193464, В09С 1/10, 2001.11.14). Однако вышеописанный способ предполагает использование твердожидкофазного биореактора и/или аэрируемых почвенных площадок в качестве первоначальной обработки сильнозагрязненной почвы. Такой метод снижения уровня загрязнения трудоемок и предполагает нарушение плодородного слоя почвы (гумусированной части почвенного профиля), что не применимо при авариях и разливах нефти и нефтепродуктов в условиях Крайнего Севера (в том числе в зоне тундры). Поскольку обязательным условием очистки и восстановления нефтезагрязненных мерзлотных почв является сохранение плодородного слоя почвы. Это объясняется тем, что на месте снятия почвенного покрова в мерзлотных условиях возможно образование термокарстовой оттайки с образованием воронок, провалов или аласов, что в свою очередь приводит к развитию термоэрозии и наносит большой ущерб ранимой и трудно восстанавливаемой почвенной экосистеме Крайнего Севера.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Способ очистки мерзлотных почв от нефти спорообразующими бактериями Bacillus subtilis» (RU 2446900, В09С 1/10 дата публикации 10.04.2012), согласно которому для очистки почвы от нефтяных загрязнений вносят микробный препарат на основе суспензии штамма бактерий Bacillus subtilis «Колыма-7/2к». Применение такого микробного препарата позволяет за 3 месяца летнего периода снизить концентрацию нефти до 0,48%.

Одним из недостатков этого способа является неспособность входящего в микробный препарат штамма деградировать нефть при температурах наружного воздуха от +4 до +30°C.

Другим недостатком данного способа является получение только жидкой формы препарата, что сокращает сроки хранения биопрепарата и не всегда удобно при транспортировке препарата для устранения аварийных разливов нефтепродуктов в труднодоступных местах (поросших растительностью, скалистых, овражистых и т.д.). Кроме того, в состав микробного препарата входит только один штамм бактерий Bacillus subtilis «Колыма-7/2к», выращенный на мясопептонном агаре при pH 7,0-7,2, в течение 5 суток при температуре +37°C. Как известно биопрепараты, состоящие из двух и более штаммов микроорганизмов, более эффективно утилизируют нефтезагрязнения. Следует также подчеркнуть, что в процессе окисления нефти штаммам, хотя и принадлежит ведущая роль, однако практическое использование микробной деградации нефти определяется составом биопрепарата, что определяет жизнеспособность бактерий, их количеством и технологией использования препаратов в практических целях.

Задачей изобретения является повышение эффективности биоремедиации в условиях короткого северного лета, ускорение процессов деструкции нефтепродуктов и сокращение сроков подготовки почв к самовосстановлению.

Технический результат заключается в снижении уровня нефтезагрязнения в различных типах мерзлотных почв на 87-88% за 60 суток.

Задача выполняется, а технический результат достигается созданием биопрепарата для биоремедиации нефтезагрязненных почв для климатических условий Крайнего Севера.

Совокупность существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата, приведена ниже.

Биопрепарат для биоремедиации нефтезагрязненных почв для климатических условий Крайнего Севера содержит твердый субстрат-носитель, иммобилизованный на его поверхность консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов, выступающих в качестве биодеструкторов, и минеральный питательный субстрат для микроорганизмов.

Биопрепарат в качестве нефтедеструкторов содержит в равных соотношениях (1:1:1:1) консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов в концентрации не менее 1×10⁹ кл./см³, выделенных из мерзлотных почв и грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, и включает:

- Bacillus vallismortis ELA-4 ВКГТМ B-11017

- Exiguobacterium mexicanum ELA-5 ВКПМ B-11011

- Serratia plymuthica ELA-9 VKM B-2819D

- Rhodococcus sp. LER-12 BKM Ac-2626D.

Биопрепарат в качестве твердого субстрата-носителя содержит измельченный мелкозернистый минерал клиноптилолит-гейландитового ряда (цеолитизированный туф) фракцией 1-3 мм с содержанием цеолита 60…95% и с химическим составом SiO₂ 65,01-70,45%; TiO₂ 0,16-0,18%; Al₂O₃ 10,99-12,00%; Fe₂O₃ 0,70-0,99%; MnO 0-0,02%; MgO 0,77-3,76%; СаО 0,52-3,73%; SrO 0,14-0,24%; Na₂O 0,44-3,87%; K₂O 0,9-11,63%; H₂O 12,96-11,34%; P₂O₅ 0,01-0,21%.

Биопрепарат в качестве дополнительного минерального питательного субстрата для микроорганизмов содержит минеральные компоненты, в следующем соотношении (г), KNO₃ - 4,0; MgSO₄·7H₂O - 0,8; NaCl - 1,0; K₂ HPO₄ - 1,4; KH₂PO₄ - 0,6.

Природный цеолитизированный туф - каркасный аллюмосиликат, в структуре которого имеются сообщающиеся полости, занятые крупными ионами различных элементов и молекулами воды, имеющими значительную свободу движения, благодаря чему происходят ионный обмен и обратимая дегидратация. Кристаллическая решетка цеолитизированных туфов сформирована тетраидами с хорошо развитой внутренней поверхностью, что обеспечивает сорбционную способность минералу и хорошую адгезию микробным клеткам, позволяя закрепляться нефтедеструкторам не только на поверхности носителя, но и внутри. Одному грамму цеолита соответствует внутренняя поверхность, равная 800 м². Отсюда следует, что плотность цеолитов также мала и составляет 1,9-2,3 г/см³.

Благодаря своему кристаллохимическому строению цеолиты биологически активны. Закрепление микроорганизмов внутри кристаллов цеолита позволяет им благополучно переносить воздействие прямых солнечных лучей и резких перепадов температур окружающей среды, а сорбционные и ионообменные свойства минерала обеспечивают микроорганизмы дополнительными источниками питания (углеводородами нефти и элементами минерального питания, сорбируемыми из почвы), необходимыми для метаболизма микробных клеток. Это обеспечивает высокоэффективность и пролонгированность реакций деструкции нефтепродуктов. Кроме того, сам цеолит выступает источником макро- и микроэлементов, необходимых для активации и питания нефтеокисляющих микроорганизмов почвы (таблица 1).

Являясь катализатором реакций деструкции нефтяных углеводородов, цеолит при внесении его в нефтезагрязненные почвы способствует и формированию в загрязненном грунте центров активной деструкции нефтяных углеводородов благодаря сорбции на его поверхности нефтеусваивающих культур микроорганизмов. При этом дополнительными характеристиками цеолита является: экологическая безопасность, широкая сырьевая база и сравнительно невысокая стоимость. На земном шаре открыто около 1000 крупных месторождений. Из них более 50 обнаружено в СНГ и более 20 в Сибири. Среди которых: Хонгуринское - в Якутии; Холинское и Шивыртуйское - в Читинской области; Пегасское - в Кемеровской области; Назаровское - в Красноярском крае; Раденское - в Еврейской автономной области; Чугуевское - на Дальнем Востоке и др. Только на месторождении Хонгуруу утверждены запасы 11462 тыс. тонн. По стоимости природные цеолиты в 20-200 раз дешевле субститутов.

Предложенное техническое решение выгодно, так как для своего осуществления не требует сложного технологического оборудования. А цеолит, служащий в данном способе носителем для микроорганизмов, является одновременно и доступным и дешевым сырьем, поскольку цеолиты имеют поверхностное залегание и разрабатываются открытым способом.

Очистка почвы от нефтезагрязнений предлагаемым биопрепаратом на основе нефтедеструкторов, иммобилизованных на цеолит, позволяет предотвратить распространение веществ-загрязнителей на сопряженные ландшафты, добиться устранения пятен загрязненного грунта, снизить токсичность почв и стимулировать появление естественного растительного покрова на загрязненных участках, что значительно улучшает санитарно-экологическое состояние нарушенной территории.

Предлагаемый биопрепарат для очистки почвы от нефтяных загрязнений является экологически безопасным, поскольку основой для его приготовления являются природные образования - природный цеолитизированный туф и непатогенный микроорганизмы, утилизирующие разлитую нефть. Отбор штаммов, входящих в состав биопрепарата, проводили на основании их способности к утилизации углеводородов при культивировании в контакте с нефтью в широком диапазоне температур.

Формула изобретения

1. Биопрепарат для биоремедиации нефтезагрязненных почв для климатических условий Крайнего Севера, отличающийся тем, что содержит твердый субстрат-носитель и иммобилизованный на его поверхности консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов, выступающих в качестве биодеструкторов - штаммов Bacillus vallismoris ВКПМ В-11017, Exguobacterium mexicanum ВКПМ B-11011, Serratia plymuthica VKM B-2819D, Rhodococcus sp. BKM Ac-2626D, и минеральный питательный субстрат для бактерий.

2. Биопрепарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве нефтедеструкторов содержит в равных соотношениях консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов в концентрации не менее 1×10⁹ кл./см³, выделенных из мерзлотных почв и грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

3. Биопрепарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве носителя для углеводородокисляющих микроорганизмов применяется природный цеолит, сочетающий в себе свойства носителя для микроорганизмов и сорбента для нефти, с возможностью продления деструкции нефтяных углеводородов.

4. Биопрепарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного минерального питательного субстрата для бактерий содержит минеральные компоненты в следующем соотношении (г), KNO₃ - 4,0; MgSO₄·7Н₂О - 0,8; NaCl - 1,0; К₂ НРO₄ - 1,4; КН₂ РO₄ - 0,6.

Изобретение "БИОПРЕПАРАТ ДЛЯ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА" (Ерофеевская Л.А., Глязнецова Ю.С.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога