НЕФТЕХИМИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 352-359
УДК 579.22:579.66:547.912
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ-БИОМАРКЕРОВ ПУТЕМ ТЕРМОЛИЗА И ТЕРМОКАТАЛИЗА БИОМАССЫ БАКТЕРИЙ © 2014 г. А. Р. Строева, М. В. Гируц, В. Н. Кошелев, Г. Н. Гордадзе
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва
E-mail: gordadze@rambler.ru Поступила в редакцию 18.03.2014 г.
Проведен термолиз и термокатализ нерастворимой части хемоорганогетеротрофных аэробных бактерий Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM. В термолизатах и термокатализатах исследуемых бактерий обнаружены углеводороды-биомаркеры: н-алканы, изопренаны, стераны и терпаны. Среди н-алканов в продуктах термолиза образуются н-алканы мономодального распределения состава С9-С35, а в продуктах термокатализа — н-алканы бимодального распределения состава С9—С39. В продуктах термолиза обоих штаммов наблюдается превалирование н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле над четным (н-С9, н-Сп, н-С15 и н-С^), в то время как в термокатализатах преобладают н-алканы с четным числом атомов углерода (н-С^, н-С18 и н-С20). Генерируются изопренаны состава С13—С20. Важно отметить, что среди изопренанов нами впервые обнаружен и регулярный изопренан состава С17, в то время как этот изопренан практически отсутствует во всех неф-тях мира. Одновременно генерируются и циклические углеводороды-биомаркеры — стераны и терпаны. Причем, распределение регулярных стеранов С27—С29 напоминает таковое в морских нефтях, генерированных в глинистых толщах. В то время как величина отношения адиантана к гопану (Г29/Г30) характерна для органического вещества, генерированного в карбонатных толщах.
Ключевые слова: хемоорганогетеротрофные аэробные бактерии, образование нефтяных углеводородов при термолизе и термокатализе, углеводороды-биомаркеры.
DOI: 10.7868/S0028242114050104
Согласно осадочно-миграционной гипотезе образования нефти, считается, что углеводороды (УВ) возникли из остатков живых организмов, обитавших на Земле в прошлые геологические эпохи. Причем, основное внимание уделяется эу-кариотическим организмам (животные, растения и грибы), а прокариотам (бактерии и археи), как правило, отводят роль в преобразовании эукари-отического органического вещества (ОВ). Тем не менее, в литературе имеются сведения об образовании УВ (алканы, алкены, алкадиены, изопре-ноиды и арены), как эукариотами, так и прокариотами [1, 2, 3]. Но роли прокариот в образовании УВ в связи с генезисом нефти, в отличие от эука-риот, уделяется меньше внимания. Вместе с тем, как показали наши исследования, в растворимой части нативной биомассы бактерий Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM находятся преимущественно относительно низкомолекулярные н-алканы с нечетным числом атомов углерода состава С7, С9, Сц, С13, С15, С17, C19, C21, и соответствующие непредельные жирные н-кислоты с четным числом атомов углерода в молекуле С8,
С10, С12, С14, С16, С18. В то время как среди более высокомолекулярных н-алканов превалируют н-ал-каны с четным числом атомов углерода С22, С24, С30, С32, С34. Было найдено, что оба штамма синтезируют непредельный нерегулярный изопренан — сквален (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракоза-2,6,10,14,18,22-гексаен) [4, 5, 6].
В настоящее время основное внимание в оса-дочно-миграционной теории происхождения нефти уделяется термическим и термокаталитическим процессам превращения исходного ОВ. Причем установлено, что в процессе созревания ОВ керогеном продуцируются УВ разных классов с разной скоростью. Было показано, что в результате термолиза и термокатализа керогена генерируются те же УВ, которые находятся в нефтях [7]. Как известно, кероген (нерастворимое ОВ) представляет собой сложный геобиополимер, поэтому можно предположить, что нерастворимая часть бактериальной биомассы, в частности Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM, может входить в его состав.
• 7H2O - 0.25; CaCl2 • 2H2O - 0.01; дрожжевой экстракт — 2.0; глюкоза — 20.0; вода дистиллированная; рН 7.0 [8]. Arthrobacter sp. RV выращивали в жидкой среде "rich" следующего состава, г/л: пептон — 2.0, дрожжевой экстракт — 1.0; гидролизат казеина — 1.0; глюкоза — 1.0; мел — 2.0; глицерин — 10 мл/л; вода водопроводная; рН 6.7—7.2 [9]. Культивировали штаммы в колбах на качалке при температуре 28°С в течение 24 и 96 ч, соответственно. На агаризованной среде (концентрация агара 17.0 г/л) штаммы Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV культивировали в чашках Петри при 28°С в течение 24—96 ч. Биомассу Arthrobacter sp. и Pseudomonas aeruginosa RM выделяли из жидких культур центрифугированием (6000 мин—1). Биомассу исследуемых бактерий лиофилизирова-ли. Лиофильную сушку проводили при температуре 25°С, давлении 10 х 10—6 бар, в течение 24 ч.
Исследование УВ в продуктах термолиза и термокатализа биомассы бактерий осуществляли по следующей схеме, представленной ниже:
хлороформом в УЗ-ванне
Примечание: ОВ — органическое вещество, УВ — углеводороды, УЗ — ультразвук, ГЖХ — газожидкостная хроматография, ГХМС — хроматомасс-спектрометрия.
В связи с этим, представляет интерес вопрос — образуются ли нефтяные УВ в результате термолиза и термокатализа нерастворимой части (де-бриса) прокариот. Данная работа посвящена изучению закономерности распределения соединений, образующихся в результате термолиза и термокатализа нерастворимой части бактерий Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объекты исследования — хемоорганогетеро-трофные аэробные бактерии Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM, способные как к аэробному, так и к анаэробному росту в процессе денит-рификации. Углеводородокисляющие штаммы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM культивировали твердофазным и жидкофазным методами. Pseudomonas aeruginosa RM растили на минерально-органической среде следующего состава, г/л: NaNO3 — 2.0; KH2PO4 — 1.0; MgSO4 •
%
Количество атомов "С" в н-алкане Рис. 1. Распределение н-алканов и изопренанов (i) в продуктах термолиза Arthrobacter sp. RV
Экстракцию лиофильной биомассы исследуемых бактерий проводили хлороформом в ультразвуковой ванне 16—18 ч при комнатной температуре. Хлороформ предварительно очищали на ректификационной колонке.
Нерастворимую часть биомассы исследуемых бактерий подвергали термолизу и термокатализу при 340°C и 280°C, соответственно; в качестве катализатора использовали предварительно активированный (450°C, 4 ч) алюмосиликат. Продукты термолиза и термокатализа анализировали методами капиллярной газожидкостной хроматографии и хроматомасс-спектрометрии. Основное внимание уделяли образованию УВ-биомаркеров (н-алканов, изопренанов, стеранов и терпанов).
Анализ образцов методом капиллярной ГЖХ проводили на приборе Bruker 430-GC с ПИД. Программирование температуры — от 80 до 320°C со скоростью подъема 4°^мин. Газ-носитель — водород. Разделение углеводородов осуществляли на капиллярных колонках HP-1 25 м х 0.25 мм х 0.5 мкм. Анализ образцов методом хроматомасс-спектрометрии проводили на приборе Agilent 6890N/5975C. Программирование температуры от 70 до 290°C со скоростью подъема 4°^мин. Газ-носитель — гелий. Все спектры были сняты при энергии ионизации 70 эВ и ускоряющем напряжении 3500 В. Температура в камере ионизации 250°С. Идентификацию соединений проводили путем добавления к исследуемым
образцам предполагаемых эталонных соединений, а также с помощью использования библиотеки масс-спектров NIST.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
н-Алканы и изопренаны. В результате термолиза и термокатализа нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM образуются н-алканы и изопренаны состава С13—С20 (табл. 1, 2; рис. 1—4). В продуктах термолиза образуются н-алканы мономодального распределения состава С9—С35, а в продуктах термокатализа — н-алканы бимодального распределения состава С9—С39. В продуктах термолиза обоих штаммов наблюдается превалирование н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле над четным (н-С9, н-С11, н-С15 и н-С17), в то время как в термокатализатах преобладают н-алканы с четным числом атомов углерода (н-С16, н-С18 и н-С20). Близкое распределение н-алканов было получено и в растворимой части данных бактерий [4, 5]. Известно, что такая нечетность н-алканов наблюдается в слабопреобразованных нефтях морского генезиса, а четность — в нефтях, генерированных в карбонатных толщах [10]. Аналогично напоминает морской тип ОВ и величина отношения пристана к фитану, которая в продуктах термолиза и термокатализа исследуемых бактерий колеблется в пределах 0.83—1.05. Интересно от-
Ха]
M)
то
и и
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
19
ИМ
юдуктов термолиза и термокатализа дебрисов (Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas изопренанам (по данным ГЖХ)
Arthrobacter sp. RV Pseudomonas aeruginosa RM
термолиз термокатализ термолиз термокатализ
11.3 9.7 16.3 5.4
9.2 6.5 7.9 2.7
11.6 7.5 13.2 5.5
6.3 3.7 4.2 2.6
8.0 7.5 4.5 3.3
9.0 7.6 6.6 8.6
15.1 8.6 16.2 11.8
7.6 8.9 8.1 13.9
7.6 4.2 8.8 5.9
4.0 5.0 4.8 7.0
1.5 1.8 1.6 2.1
1.0 2.5 1.3 3.2
0.5 1.3 0.5 1.4
0.3 1.2 0.5 1.4
0.2 0.6 0.2 0.6
0.1 0.5 0.2 0.5
0.1 1.2 0.3 0.6
0.1 0.6 0.2 0.7
0.1 1.3 0.2 0.9
0.1 1.1 0.2 1.2
0.2 1.5 0.2 1.7
0.2 2.0 0.1 2.2
0.2 2.2 0.1 2.2
0.1 1.9 0.1 1.9
0.1 1.5 0.1 1.4
0.1 1.2 0.0 0.9
0.1 0.8 0.0 0.5
0.0 0.4 0.0 0.3
0.0 0.3 0.0 0.2
0.0 0.1 0.0 0.1
0.0 0.1 0.0 0.1
0.1 0.3 0.2 0.3
0.3 0.2 0.2 0.3
0.2 0.5 0.4 0.6
0.4 0.8 0.5 1.0
2.9 О.. 0. О..
0.6 0.8 0.5 1.2
0.3 1.8 0.5 2.5
0.3 1.7 0.6 2.4
Таблица 2. Распределение н-алканов и изопренанов в продуктах термолиза и термокатализа дебрисов (Arthro-bacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM)
Образец пристан прис т-а н «-С17 фитан н-С18 пр истан + фитан Н-С17 + Н- Cig н - С1 5 н-С17 + н-С15
фитан н- С25 2 (н - С16 )
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
Arthrobacter sp. RV Pseudomonas aeruginosa RM 1.0 0.83 1.05 1.04 0.04 0.06 0.43 0.42 0.08 0.13 0.34 0.34 0.05 0.
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.