УДК 579.873.6.017.7
БИОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ОТРАБОТАННЫХ НЕФТЯНЫХ МАСЕЛ
© 2015 г. Д. А. Филатов, Л. И. Сваровская, Е. А. Ельчанинова1, В. С. Овсянникова, Л. К. Алтунина
Институт химии нефти СО РАН, Томск 1Томский политехнический университет Институт природных ресурсов (ИПР)
E-mail: Filatov@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 11.07.2014 г.
На модельной системе показана возможность биохимического окисления смеси отработанных нефтяных масел при интродукции углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), представленных видами: Pseudomonas stutzeri, Pseudomonasputida, Bacillus cereus и Arthrobacterglobiformis. Численность микроорганизмов в процессе окисления возрастает до 45 х 109 КОЕ/мл среды. Предлагаемый метод, включающий слив продуктов метаболизма в процессе эксперимента, обеспечивает эффективность биодеструкции на уровне 92% за 60 сут при исходных концентрациях отработанного масла 25 и 50 мас. % соответственно. Показано, что все углеводороды входящие в состав отработанного масла, подверглись микробиологическому окислению на 79—100%. Проведены физико-химические исследования смеси отработанных вакуумных масел. В результате проведенных исследований установлено, что биодеградированное масло практически не содержит кислородсодержащих соединений в свободной форме. Все промежуточные продукты метаболизма переходят в водную фазу и подвергаются полной минерализации, либо включаются в метаболизм бактериальной клетки.
Ключевые слова: биохимическое окисление, углеводородокисляющие микроорганизмы, ферменты, смесь отработанных масел.
DOI: 10.7868/S0028242115020082
Технические масла применяют в промышленности и быту для смазки механизмов и в качестве рабочих жидкостей в различных гидросистемах, в электроэнергетике для изоляции и охлаждения электросилового оборудования. Обычно это нефтяные масла, которые содержат смеси различных углеводородов, а также противоокислительные, загущающие, антикоррозийные и др. присадки, улучшающие эксплуатационные свойства масел. В процессе эксплуатации масла соприкасаются с металлами, подвергаются воздействию воздуха, температуры и других факторов, под влиянием которых с течением времени происходит изменение их свойств: разложение, окисление, полимеризация и конденсация, обугливание, разжижение горючим, обводнение и загрязнение посторонними веществами. Перечисленные факторы действуют в комплексе и взаимно усиливают друг друга, ухудшая качество масла в процессе его эксплуатации [1].
Отработанное масло, будь то машинное, трансмиссионное и любое другое используемое в промышленности, а также различные смазки нуждаются в правильной утилизации. Для утилизации отработанных нефтепродуктов (ОНП) используют разные методы (механические, термические, фи-
зико-химические, термохимические и биологические) [2].
Несмотря на явную необходимость, утилизация отработанного масла затрагивает только 15—20% от всего объема отработанных масел в нашей стране. Отработанные нефтяные масла являются одним из существенных источников загрязнения окружающей среды. Огромный экологический ущерб наносит слив отработанных масел в почву и водоемы, который по данным зарубежных исследователей, превышает по объему аварийные сбросы и потери нефти при ее добыче, транспортировании и переработке. В связи с этим большое значение имеет полное или частичное восстановление отработанных масел (регенерация), либо правильная утилизация, чтобы не ухудшать и без того сложную экологическую обстановку [3].
Переработка использованного масла основывается на химических, физических и физико-химических процессах, которые обеспечивают высокое качество регенерации масел, но требуют использования сложного дорогого оборудования, что существенно увеличивает стоимость процесса [4]. Немалую долю расходов занимают сбор, хранение и транспортировка отработанных масел к месту переработки [5]. В индустриально развитых странах
доля регенерированных масел от общего объема их производства составляет ок. 30%. К сожалению, в России в настоящее время отработанные масла практически не регенерируют.
Тем не менее, биологические подходы уже более 30 лет успешно используются для ликвидации нефтяных загрязнений почв и акваторий, повышения нефтеотдачи выработанных нефтяных пластов и т.д. [6, 7].
Цель работы: исследование процессов биохимического окисления смеси отработанных вакуумных и индустриальных масел ассоциацией углево-дородокисляющих микроорганизмов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектом исследования было отработанное масло, предоставленное Сибирским химическом комбинатом (СХК), использованное в частности на Химико-металургическом заводе (ХМЗ) в цехе по ремонту и изготовлению оснастки. Масло представляло собой смесь отработанных вакуумных масел марок ВМ1, ВМ4, ВМ5 (из вакуумных и диффузионных насосов) и индустриальных масел марок И20, И50 (из оборудования станков металлообработки).
В работе исследовали возможность биоокисления отработанного смазочного материала в жидкой среде углеводородокисляющими микроорганизмами (УОМ), которые выделяли из почвы на среде Мюнца с нефтью. Было выделено 4 культуры. Определено, что выделенные УОМ относятся к видам Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas putida, ВacШus cereus и Arthrobacter globiformis.
Биоокисление проводили в условиях периодического культивирования на жидкой среде в стеклянных стаканах объемом 1000 мл с приваренными снизу кранами, для слива продуктов метаболизма, которые оседали на дно. В качестве жидкой фазы использовали обычную водопроводную воду. Исходное масло вносили в концентрациях: 25 и 50мас. %. Взвесь УОМ вносили в культуральную среду в объеме 1 мл, содержащий 7 х 103 КОЕ/мл. Суммарный объем смеси составлял 300 мл. В качестве подкормки добавляли физиологический раствор (NaCl) в концентрации 1.5 мас. % с и аммоний азотнокислый NH4NO3 в концентрации 3 мас. %.
Стаканы со средой, маслом и микрофлорой тер-мостатировали при +20°C при постоянном перемешивании в течение 60 сут на магнитной мешалке ARE VELP (производство Италия) со скоростью 800 об/мин. Перемешивание проводили для увеличения поверхности контакта микроорганизмов с углеводородами (УВ), а также для интенсивной аэрации культуральной среды. Через каждые 7 сут производили слив жидкой фазы в объеме 50 мл для удаления промежуточных продуктов метаболизма. Для этого смесь воды и масла предварительно от-
стаивали в течение 10 мин. После слива в культуральную среду добавляли такой же объем водопроводной воды (50 мл) и продолжали перемешивание с такой же скоростью.
Схема эксперимента. Для оценки степени микробиологического окисления смеси отработанных масел в жидкой среде ставили модельные эксперименты: 1) смесь водопроводной воды и масла в концентрации 25% (225 г воды + 75 г масла); 2) смесь водопроводной воды и масла в концентрации 50% (150 г воды + 150 г масла).
В ходе опыта определяли численность внесенных микроорганизмов и активность ферментов. Численность клеток определяли посевом на плотные агаровые среды [8]. Продолжительность эксперимента 60 сут. Эксперименты проводили в 3-х кратной повторности.
Каталазную активность определяли газометрическим методом по скорости распада пероксида водорода, выраженной в мл О2 на мл среды за минуту. Активность дегидрогеназы, пероксидазы и поли-фенолоксидазы определяли фотоколориметрическими методами [9].
Остаточное содержание отработанного масла в культуральной среде определяли гравиметрическим методом. Для этого в качестве экстрагента использовали хлороформ (ЗАО "ЭКОС-1", Россия), который вносили в смесь масла и жидкой фазы. Всю смесь переносили в делительную воронку, тщательно перемешивали и отделяли хлороформный экстракт масла. Извлеченное масло освобождали от хлороформа на роторном испарителе и подвергали дальнейшему анализу [10].
Вязкость исходного и биодеградированного масел определяли с помощью реометра RheoStress 600 НААКЕ (производство Германия) в системе коаксиальных цилиндров в режиме установившегося течения с постоянной скоростью сдвига по стандартной методике. Плотность исследуемых масел определяли с помощью пикнометра (объем 5 мл) при 20°С.
Спектры протонного магнитного резонанса снимали на ЯМР-Фурье-спектрометре АУ^СБ-АУ-300 (ВЯиКБЯ BЮSPIN, Германия), используя дейте-рохлороформ в качестве растворителя и гексаме-тилдисилоксан (оба фирмы Sigma-Aldrich, США) в качестве внутреннего стандарта, при 1%-ной концентрации исследуемых веществ.
Содержание углерода и водорода определяли методом сожжения.
Регистрацию электронных спектров поглощения водных растворов проводили на УФ-спектро-фотометре Цмкоп 943 (пр-во Италия) в диапазоне длин волн 190—700 нм в кварцевой кювете толщиной 1 см.
Изменение структурного состава определяли методом ИК-спектроскопии на спектрометре Фу-
рье NIKOLET 5700 (FT-IR) (Thermo Electron, США).
Групповой и индивидуальный состав органических соединений смеси отработанных масел исследовали с помощью хроматомасс-спектрометриче-ского (ГХ-МС) анализа на магнитном хромато-масс-спектрометре DFS фирмы "Thermo Scientific" (Германия) с кварцевой капиллярной хроматогра-фической колонкой фирмы "Thermo Scientific".
Обработку результатов осуществляли с помощью статистического пакета Excel MS office 2003).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Хроматомасс-спектрометрический анализ исходной смеси отработанных масел показал, что в масле среди идентифицированных соединений содержится 45.5% алканов, 46.9% нафтеновых и 5.6% моноароматических углеводородов (УВ), а также небольшое количество (3%) би- и трициклических ароматических соединений, которые, вероятно, появляются в процессе использования масла при эксплуатации механизмов (трение, повышенная температура и др.), что приводит к конденсации моноароматических УВ. Кроме того в исследуемом отработанном масле обнаружены такие элементы как бор, кобальт и фосфор в концентрации 4.91, 0.083 и 6.67 ppm соответственно.
Микрофлора, присутствующая в исходном масле, была немногочисленна (1—2 КОЕ/мл масла) и не отличалась видовым разнообразием. Поэтому с целью биохимического окисления масел вносили активную микробную ассоциацию, представленную 4 видами УОМ — Arthrobacter
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.