ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 50, № 3, с. 304-310
УДК 579.66
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОБНОГО ПОТЕНЦИАЛА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАМАСЛЕННОЙ ОКАЛИНЫ
© 2014 г. И. А. Борзенков*, М. В. Журина*, А. Л. Тарасов*, С. С. Беляев*, В. Г. Дюбанов**
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва, 117312 **Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва, 119991
e-mail: inmiran@yandex.ru Поступила в редакцию 7.11.2013 г.
Исследована возможность использования микробных процессов для очистки замасленной окалины металлургического производства с целью ее рекуперации. Из образца замасленной окалины, полученной непосредственно с металлургического завода, была получена устойчивая ассоциация микроорганизмов, способная развиваться на минеральном масле, как единственном источнике углерода. Из этой ассоциации выделены культуры микроорганизмов, определено их таксономическое положение, охарактеризованы основные морфологические и культуральные признаки. Полученные микроорганизмы принадлежали к родам Luteimonas, Alcanivorax, Flavobacterium, Pseudomonas. Проведенные исследования показали, что в состав ассоциаций, окисляющих минеральное масло, входят также микроорганизмы, неспособные к его утилизации, но существенно активизирующие углеводородокисляющую микрофлору. При использовании выделенных и коллекционных штаммов микроорганизмов снижение остаточного содержания масла в образцах замасленной окалины достигало 58%.
DOI: 10.7868/S0555109914030180
В результате деятельности металлургических заводов образуется значительное количество (до 3% от объема товарной стали) замасленной окалины прокатного, кузнечного, термического и других производств. Только на заводах ОАО "Северсталь" и ОАО "ЗСМК" ежегодно образуется более 100 тыс. т замасленной окалины. В целом по России общий объем образования этого техногенного продукта составляет более 1 миллиона тонн. Окалина представляет собой практически чистые окислы железа, которые могли бы быть с успехом использованы в различных металлургических процессах взамен дефицитной железной руды. Наличие в ней технических масел в количестве 15—30% является препятствием для организации ее рециклинга на металлургическом предприятии пирометаллургическим способом, как с точки зрения технологии, так и экологии. При высоких температурах выгорание масла приводит к выбросам не только "парниковых" газов, но и различных токсичных для окружающей среды соединений (диоксинов, полиароматических соединений и т.п.).
Необходимо отметить, что отходы замасленной окалины, складированные, как правило, на открытом воздухе, являются самостоятельным источником загрязнения окружающей среды. Биомедицинские исследования, связанные с негативным воздействием на окружающую среду и человека миллионов тонн замасленной окалины,
малодоступны и, по-видимому, малочисленны. Технические масла, используемые в металлургии, представлены в основном минеральными маслами (например, МС-20) по которым уже накоплен достаточный объем фактического материала, свидетельствующий о высокой токсичности этого вида отхода.
Минеральные масла, представляют собой сложные композиции углеводородов и других органических соединений, в том числе металлоорганиче-ских составляющих [1]. Композиционный состав масел в результате термического воздействия существенно меняется. В нем накапливаются тяжелые металлы и образуются полициклические ароматические углеводороды, которые представляют определенную опасность для здоровья человека в качестве мутагенных и канцерогенных факторов [2—4]. Длительное воздействие таких масел может привести к поражению печени, почек, возможному повреждению костного мозга и к повышенному риску развития раковых заболеваний [5—7]. По данным US EPA (United States Environmental Protection Agency) [8] 1 л отработанного моторного масла достаточно, чтобы загрязнить 4000 м3 пресной воды. Такое загрязнение представляет собой потенциальную угрозу для людей, животных и растительности [9, 10]. Все сказанное выше подчеркивает актуальность проблемы утилизации замасленной окалины, как возможного сырья с одной стороны и опасного
источника загрязнения окружающей среды с другой.
Для очистки окалины от содержащихся в ней отработанных минеральных масел целесообразно использовать биотехнологический потенциал уг-леводородокисляющих микроорганизмов. В этом случае возможна комплексная утилизация такого вида техногенных отходов с получением высокожелезистого материала для черной металлургии и экологически безопасных продуктов деструкции масла.
Цель работы — исследование возможности использования микроорганизмов для очистки замасленной окалины металлургического производства для ее вторичного использования.
МЕТОДИКА
Объект исследования. В качестве объектов исследования использовали образцы замасленной окалины, отобранные из емкости термообработки железнодорожных колес на Выксунском металлургическом заводе, а также минеральное масло МС-20 ("Лукойл", Россия ), широко используемое на металлургических заводах. Все минеральные масла изготавливаются из т.н. базового масла с добавлением различных присадок (поли-альфа-оле-фины, алкилбензолы и др.). В свою очередь базовые масла — это, как правило, гидрированные остаточные продукты перегонки нефти. В составе качественных масел отсутствуют парафины, а углеводороды в основном представлены различными высокомолекулярными соединениями нафтенового ряда.
Определение содержания масла в промасленной окалине. Содержание масла в окалине определяли гравиметрическим методом. Для этого образцы замасленной окалины весом около 30 г высушивали при 100°С до достижения постоянного веса. Затем в аппарате Сокслета горячим гексаном из образцов экстрагировали масло. Гексан из раствора удаляли на роторном испарителе и масло взвешивали. Очищенную от масла окалину также взвешивали и рассчитывали потери материала в ходе анализа. Погрешность измерения в ходе экспериментов не превышала 1 мг.
Микроорганизмы и методы их культивирования. В процессе исследований было использовано 53 штамма углеводородокисляющих микроорганизмов из коллекции лаборатории нефтяной микробиологии ИНМИ РАН и микробное сообщество, выделенное из замасленной окалины.
Микроорганизмы, способные использовать МС-20 в качестве источника углерода, культивировали на среде Раймонда [11] с добавлением 0.5% масла в качестве органического субстрата при температуре 30°С.
Для выделения чистых культур микроорганизмов использовали агаризованные среды LB (Carl Roth GmbH, № Х965.1) и BHIA (Carl Roth GmbH, № Х915.1). В ряде случаев в среду дополнительно вносили 1.0% смеси жидких парафинов (фракция н-См-н-Сп).
Идентификация изолированных культур. Для
идентификации культур применяли подходы полифазной таксономии. Для амплификации и се-квенирования фрагментов генов, кодирующих 16S рРНК, использовали универсальные прай-меры: 11F 5'_GTTTGATCMTGGCTCAG_3'; 518R 5'_CGTATTACCGCGGCTGCTGG_3', 1100R 5'_AGGGTTGCGCTCGTTG_3', 1492R
5'_TACGGYTACCTTGTTACGACTT_3'. Синтез олигонуклеотидов и секвенирование проводили в НПК "СИНТОЛ" (Россия). Полученные нуклео-тидные последовательности были проанализированы с использованием программы CLUSTAL X 1.83. Поиск гомологичных последовательностей генов 16S рРНК осуществляли с помощью базы данных и программного обеспечения GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov).
Метод определения способности культуры к образованию ПАВ. Для изучения способности индивидуального штамма к образованию сурфактан-тов использовали 2-3-суточные культуры, выращенные на среде LB. Аликвоту подросшей культуры (5%) переносили на жидкую минеральную среду М9 [12] с добавлением дрожжевого экстракта (0.06 г/л), глюкозы или ацетата натрия (10.0 г/л) в качестве источника углерода. Значение рН среды в процессе роста поддерживали на уровне 7.0—7.2. Объем флаконов для инкубирования — 100 мл, объем среды — 20 мл. Культуры выращивали 2 нед на качалке (120 об/мин ) при температуре 28°С. В качестве критерия способности культуры к выделению ПАВ использовали так называемый индекс эмульгирования культуральной жидкости, который определяли по отношению объема новообразованной пены к объему среды во флаконе [13].
Метод определения дыхательной активности.
Процесс деструкции масла определяли путем измерения углекислоты, выделяемой микроорганизмами в процессе метаболизма. Измерения содержания СО2 проводили в стеклянных сывороточных флаконах объемом 0.5 л, которые закрывали ватной пробкой на время культивирования, а на время измерения скорости дыхания — силиконовой пробкой. Во флакон вносили 100 мл среды М9, 1.0 г масла и 10 мл посевного материала из предыдущего пассажа на том же масле. Посевной материал стандартизовали по оптической плотности. Флаконы помещали на качалку при 120 об/мин. Для измерения скорости дыхания флаконы периодически снимали с качалки, в течение 5 мин продували током воздуха, очищенного от СО2. Затем флаконы
БОРЗЕНКОВ и др.
306
сут
Рис. 1. Влияние ДЭ на динамику дыхания
(мкг С/сут/мл) бактериальных композиций: а — для I:
ДЭ (1); МС-20 (2); ДЭ + МС-20 (3), б - для II: ДЭ (1);
МС-20 (2); ДЭ + МС-20 (3).
закрывали силиконовой пробкой и помещали на 1 ч на качалку, после чего определяли прирост С02 на инфракрасном анализаторе 1п&аШ-Ех (ГДР) Для оценки потребления субстрата скорость дыхания рассчитывали в мг С по СО2 в 1 сут на мл среды.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ образца замасленной окалины, отобранного на Выксунском металлургическом заводе, показал, что содержание масла в нем составляло — 23.2%, то есть годичный объем формирования органической составляющей отходов металлургии составляет сотни тысяч тонн. Рекуперация замасленной окалины без предварительной глубокой очистки от органической составляющей в настоящее время невозможна без решения возникающих проблем очистки атмосферных выбросов.
Возможность использования микроорганизмов для очистки окалины от масла основана на способности микроорганизмов и их ассоциаций к трансформации сложных органических соединений и их композиций. Образующие при этом продукты микробной трансформации гидрофоб-
ных соединений, как прави
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.