НЕФТЕХИМИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 59-65
УДК 579.873.6.017.7
БИОДЕСТРУКЦИЯ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ГЕТЕРОАТОМНЫХ КОМПОНЕНТОВ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ
© 2014 г. М. А. Копытов, Д. А. Филатов, Л. К. Алтунина
Институт химии нефти СО РАН, Томск E-mail: filatov@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 07.09.2012 г.
В лабораторных условиях на модельных почвенных системах исследована микробиологическая деструкция смол и асфальтенов аборигенной почвенной микрофлорой. Показано, что высокомолекулярные гетероатомные компоненты нефти доступны для окисления почвенными микроорганизмами, за 180 сут эксперимента утилизация смол составила 41.5 мас. %, асфальтенов — 35.0 мас. %. Анализ остаточных продуктов биодеструкции показал заметное изменение состава высокомолекулярных ге-тероатомных компонентов. Биодеструкция смол и асфальтенов протекает преимущественно с "отщеплением" периферийных парафиновых структур, ароматическое ядро преобразуется менее существенно.
Ключевые слова: биодеструкция, смолы, асфальтены, аборигенная почвенная микрофлора, ферменты.
Б01: 10.7868/80028242113040084
Под биоремедиацией понимают биологический способ очистки и восстановления нефтеза-грязненных почв и грунтов, основанный на биохимическом разложении загрязнений микроорганизмами, в результате различных биохимических реакций и физико-химических процессов, осуществляемых с участием биоты [1]. Данные процессы протекают под действием ферментов, которые вырабатываются микроорганизмами, растениями, животными [2]. В состав сырых нефтей входят тысячи соединений различной химической природы [3], среди которых условно выделяют такие крупные группы компонентов, как углеводороды, смолы и асфальтены.
Различные ферменты могут избирательно действовать на отдельные соединения или классы соединений. В углеводородной смеси в первую очередь трансформируются молекулы, имеющие наименьшую энергию разрыва связей. Основной механизм окисления углеводородов разных классов в аэробных условиях, близких к условиям поверхности Земли, — внедрение кислорода в молекулу, замена связей с малой энергией разрыва (С—С, С—Н) связями с большей энергией разрыва (С—О, Н—О) [4]. Реакционная способность компонентов нефти уменьшается в ряду: н-алка-ны> > изо-алканы > циклоалканы> ароматические соединения [5].
Считается, что наиболее устойчивыми к воздействию микроорганизмами являются смолисто-асфальтовые вещества (САВ), содержание
которых в нефти может достигать 10—25 мас. %. Они представляют собой сложную смесь высокомолекулярных гетероатомных соединений гибридной структуры, которые состоят из ароматических, циклоалкановых и гетероциклических колец, а так же включающие в состав молекул азот, серу, кислород и некоторые металлы (Бе, М§, V, N1 и др.). САВ объединяют две большие группы высокомолекулярных соединений нефти — смолы и асфальтены, в химическом составе, строении и свойствах которых имеется много общего. Молекулярная масса смол колеблется от 600 до 1000 а.е.м., асфальтенов от 1000 до 4000 а.е.м. [6].
За прошедшие десятилетия изучения биодеградации нефти хорошо исследована утилизация линейных и разветвленных углеводородов, особенно с низкой и средней молекулярной массой, а также ароматических углеводородов с пятью и менее ароматическими кольцами в составе молекулы [7, 8]. Тем не менее, ряд авторов отмечают, что способность микроорганизмов к биодеградации смол и асфальтенов окончательно не изучена [9]. Считается, что высокомолекулярные гетеро-атомные компоненты нефти устойчивы к микробиологическому разрушению и надолго консервируются в почвах [10, 11].
Цель работы — исследовать процессы микробиологического окисления смол и асфальтенов выделенных из высоковязкой нефти Усинского месторождения аборигенной почвенной микрофлорой.
Таблица 1. Физико-химическая характеристика нефти Усинского месторождения
Показатели Значение
3 Плотность, кг/м3 966.7
Кинематическая вязкость при 20 °С, 2 мм2/с: 3852.4
Молекулярная масса, а.е.м. 365
Элементный состав, мас. % :
углерод 84.94
водород 11.98
кислород 0.47
сера 1.98
азот 0.63
Н/С 1.68
Температура застывания, °С -22.5
Содержание, мас. % :
твердых парафинов 1.24
н-алканов 1.27
механических примесей 0.0087
хлоридов (мг/дм3) 36.92
Компонентный состав, мас. % :
масла (углеводороды) 73.9
смолы силикагелевые 18.0
асфальтены 8.1
Фракционный состав:
н.к., °С 140.0
% об. выкипает:
до 120°С -
до 150°С 1.0
до 200°С 5.0
до 250°С 1.0
до 300°С 17.0
до 350°С 33.0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для выполнения исследований использована тяжелая сборная нефть Усинского месторождения Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции (республика Коми РФ).
Анализы по определению физико-химических характеристик исходной нефти выполнены в аккредитованной лаборатории Углеводородов и высокомолекулярных соединений нефти Института химии нефти СО РАН (Аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.510476). Физико-химические характеристики Усинской нефти представленные в табл. 1; структурно групповой состав исходных смол и асфальтенов определялся ранее и был представлен в работе [12].
Выбор данной нефти обусловлен высоким содержанием высокомолекулярных гетероатомных компонентов (смол и асфальтенов). Усинская нефть является сернистой (1.98 мас. % S) с высокими концентрациями как смол (18.0%), так и асфальтенов (8.1%), с низким содержанием н-алка-нов (1.27%) и твердых парафинов (1.24 мас. %) и характеризуется низким содержанием фракций, выкипающих до 200 и 350°С.
Выделение и определение содержания смол и асфальтенов в нефти проводили по стандартной методике [13]. Асфальтены выделяли разбавлением пробы н-гексаном в объемном соотношении 1 : 40, выдерживая раствор в течение суток. Полученный осадок помещали в бумажный патрон и в аппарате Сокслета промывали н-гексаном от масел и смол, затем асфальтены из патрона вымывали хлороформом, отгоняли растворитель и сушили до постоянного веса. Гексановый раствор (после промывания асфальтенов) присоединяли к деасфальтенизированной нефти, отгоняли избыток растворителя и оставшуюся часть мальтенов наносили на слой активированного силикагеля АСК (соотношение 1 : 15). Полученную смесь си-ликагеля с адсорбированным материалом загружали в аппарат Сокслета и последовательно вымывали нефтяные масла н-гексаном, а затем смолы — смесью этанола и бензола (1 : 1) при температурах кипения данных растворителей. После удаления растворителя из спирто-бензоль-ного элюата устанавливали содержание силикаге-левых смол в образце.
Загрязнение почвы смолами и асфальтенами проводили искусственно. Для экспериментов брали питательный грунт на основе низинного торфа и биогумуса с высоким содержанием питательных веществ и гетеротрофных микроорганизмов. В ходе опыта определяли численность почвенной микрофлоры и активность почвенных ферментов. Численность бактерий аммонифика-торов определяли посевом на мясо-пептонный агар (МПА) методом предельных разведений [14].
В просеянную на сите с размером ячеек 3 мм и взвешенную почву вносили смолы усинской нефти из расчета 20 г/кг. Для этого их растворяли в хлороформе и количественно смешивали с 100 г почвы; после испарения растворителя образец с сорбированными смолами переносили в основную массу грунта и тщательно гомогенизировали. Асфальтены вносили в количестве 10 г/кг, аналогично смолам.
Каталазную активность определяли газометрическим методом по скорости распада пероксида водорода, выраженной в мл О2 на 1 г/мин. Активность дегидрогеназы, пероксидазы и полифено-локсидазы определяли фотоколориметрическими методами [15].
<ч о
т Я Я
се
Í-C
л
о о л
S
S -
IS
о о я я
(U
ч о
я
св
м я
се Я
я Д
35
30
25
20
15
10
30 60 90 120
Время опыта, сутки
150
180
Динамика численности гетеротрофных микроорганизмов. 1 -тенами, 3 — в почве загрязненной смолами.
в контрольной почве, 2 — в почве загрязненной асфаль-
5
0
Продолжительность эксперимента составила 180 сут. Остаточное содержание смол и асфальте-нов в почве определяли гравиметрическим методом: смолы и асфальтены из загрязненных образцов почвы экстрагировали хлороформом в аппарате Сокслета, освобождали от хлороформа на роторном испарителе и подвергали дальнейшему анализу [16].
Смолы и асфальтены, выделенные из исходной нефти и продуктов ее биодеструкции, подвергали структурно-групповому анализу (СГА) по методике, разработанной в ИХН СО РАН и основанной на совместном использовании результатов определения элементного состава, средних молекулярных масс и данных ПМР-спектроско-пии [13, 17].
Содержание углерода, водорода, азота и кислорода в исследуемых объектах определяли на элементном анализаторе Vario EL Cube ( Германия), содержание серы— методом двойного сожжения [18]. Молекулярные массы веществ измеряли методом криоскопии в нафталине на разработанном в ИХН СО РАН микрокалориметре "Крион". Спектры протонного магнитного резонанса снимали на ЯМР-Фурье-спектрометре AVANCE-AV-300, используя дейтерохлороформ в качестве растворителя и гексаметилдисилоксан в качестве внутреннего стандарта, при 1 %-ной концентрации исследуемых веществ.
Для представления данных СГА использованы такие же обозначения структурных параметров, какие применялись в работах [13, 17], а именно: Са, Сн, Сп, Са, Су - количества атомов углерода в ароматических, нафтеновых и парафиновых структурах молекул, в а-положениях к гетеро-
функциям и ароматическим ядрам и в не связанных с последними терминальных метильных группах (Су), соответственно;/а,/н и/п — доли углеродных атомов в соответствующих структурных фрагментах; Ко - общее число колец, Ка и Кнас -количества ароматических и нафтеновых циклов в средней молекуле. Аналогичные средние параметры структурных блоков помечены надстрочными звездочками: та — среднее число структурных блоков в молекуле; С* — общее число атомов С в структурном блоке; ста — степень замещенно-сти периферических атомов С в ароматических ядрах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Микроорганизмы, разлагающие все компоненты нефти, не специфичны (за редким исключением), они распространены повсеместно и являются нормальной составляющей частью незагрязненных эко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.