Препарат для очищення середовища від забруднень нафтою та нафтопродуктами

Корисна модель відноситься до галузі біотехнології, а саме до препарату для очищення середовищ, в тому числі води і ґрунту, від забруднень нафтою та нафтопродуктами, який застосовують при комплексному біологічному очищенні довкілля від цих речовин. Відомо, що в очищенні природного середовища від нафти та нафтопродуктів значну роль відіграють мікроорганізми, тому сучасні екобіотехнології основані на інтенсифікації процесів мікробної деградації вуглеводнів. Особливу небезпеку становлять аварійні розливи нафти, у зв'язку з тим, що в природних екосистемах відсутні ефективні механізми захисту від раптового впливу токсичних речовин, які надходять миттєво у значних кількостях. Незважаючи на постійну присутність у грунтах та воді фонової кількості мікроорганізмів, що окислюють вуглеводні, у перші місяці після аварій часто відсутні мікроорганізми, спроможні розкладати високі концентрації цих речовин [1]. Тому найбільш ефективним у цих випадках є внесення у відкриті екосистеми активних штамів мікроорганізмів-деструкторів вуглеводнів, або біопрепаратів на їх основі. Останнім часом успішно розробляються та застосовуються біопрепарати комплексної дії, так звані біосорбенти, які поєднують в собі сорбційну і біодеструктивну активність. Вони включають сорбенти вуглеводнів нафти та мікроорганізми-деструктори цих речовин. Серед значної кількості існуючих сорбентів, які можуть використовуватися в біопрепаратах для очищення нафтових забруднень, найбільш широко застосовуються природні мінеральні сорбенти, такі як перліт (ТУ У 00294349.054-99) і вермикуліт (ТУ У В.2.7.31101383.001-2001) та органічні сорбенти, зокрема, торф і його похідні (ТУ РБ 03535026.200-96) та деревне вугілля (ТУ У 24.1.30572733-003-2003). Як адсорбенти для поглинання нафти можуть використовуватися, також продукти піролизу різних вуглецевих матеріалів - твердих залишків побутових стічних вод, отриманих при температурі 600-800°С [2], лузги зерен гречки, обробленої 10-20 хвилин при 150-450°С [3] лузги рису, карбонізованої при 450-600°С [4]. Для їх отримання використовують доступну сировину, але при її піролізі утворюється тонко-дисперсний порошок, що обумовлює технологічні труднощі при виробництві (віднесення топковими газами, можливість вибуху) та використанні таких сорбентів. Крім того вказані сорбенти мають високорозвинену зовнішню поверхню і легко окислюються на повітрі, що погіршує їх гідрофобні властивості та призводить до зниження поглинаючої здатності відносно нафти. Загальним недоліком вказаних вище сорбентів є те, що їх застосування не дозволяє здійснювати деструкцію вуглеводнів нафти, що викликає необхідність подальшої утилізації відпрацьованих (насичених нафтопродуктами) сорбентів. На відміну від цього, використання біопрепаратів, які містять сорбенти з іммобілізованими на них мікроорганізмами, часто є не тільки єдиною можливістю відновити екологічну рівновагу на забруднених територіях без порушення природного біоценозу, але й виключити необхідність їх додаткової утилізації. Відомі препарати, зокрема „Биосорб" http://innov.etu.ru/innov/connects.nsf [5], які виготовляються на основі алюмосилікатів перліту або вермикуліту і містять нафтоокислюючі водні бактерії (штам №29). Застосовуються препарати, де як сорбент використовується торф. Це, зокрема „Еконадін" [6], який включає монокультуру або два штами Pseudomonas fluorescens, та біопрепарат для очищення об'єктів довкілля від нафти і нафтопродуктів [7], що містить мезофільні штами Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens, Micrococcus species, Xantomonas species. Основним недоліком вказаних препаратів є те, що їх мікробні компоненти представлені монокультурами або консорціумами штамів гідрофільних бактерій, які здатні засвоювати тільки розчинні у воді складники нафти. Тому при використанні цих препаратів процес мікробної деструкції забруднювача відбувається тільки в зоні контакту вуглеводень-вода і лімітується швидкістю дифузії компонентів нафти та площиною контакту. На відміну від них препарат „Трофойл" [8] включає штами гідрофільних {Pseudomonas aeruginosa, Arthrobacter simplex) та ліпофільних (Candida maltosa, Rhodococcus maris) мікроорганізмів, які здатні засвоювати вуглеводні як на межі розподілу фаз, так і безпосередньо в нафтовій плівці. Разом з тим його застосування, як і інших препаратів на основі торфу, може бути обмежене для очищення водних середовищ, у зв'язку з можливістю їх додаткового забруднення органічними речовинами та гуміновими кислотами, що вимиваються з торфу. Найбільш близьким до заявленого рішення є препарат „Нафтокс", який містить природний органічний сорбент з біомасою штамів вуглеводеньокислюючих бактерій, а також мінеральний компонент [9]. Такий препарат створює передумови для рекультивації нафтозабруднених ґрунтів, але він не забезпечує достатньої швидкості сорбції нафти та нафтопродуктів, оптимізації ступеню їх деструкції без додаткового екологічного навантаження у зоні забруднення. Крім того технологія виготовлення цього препарату складна, готовий продукт має високу вологість (50-60%), яка обумовлює незначний строк зберігання (1-6 місяців), а також необхідність додаткового внесення на забруднені території наповнювача - родючого (садового) ґрунту або компосту, що визначає високу вартість очищення. В основу корисної моделі поставлено завдання створення продукту, в якому за рахунок нового складу компонентів, їх масового співвідношення в результаті поєднання сорбційних властивостей природного органічного сорбенту - сорбенту природного походження і деструктивної активності вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac-5005 та Rhodococcus erythropolis IMB B-7012 можливо було одержати препарат, застосування якого дозволило б збільшити швидкість сорбції нафти та нафтопродуктів, оптимізувати ступінь їх деструкції, не створюючи додаткового екологічного навантаження у зоні забруднення, знизити вартість технології виготовлення та використання цього препарату, а також поширити асортимент вітчизняних препаратів для очищення середовищ від вказаних ксенобіотиків. Поставлене завдання вирішується тим, що заявлений препарат для очищення середовищ від забруднень нафтою та нафтопродуктами містить природний органічний сорбент з біомасою штамів вуглеводеньокислюючих бактерій, а також мінеральний компонент. Новим є те, що як природний органічний сорбент він містить подрібнене деревне вугілля з біомасою штамів вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac5005 та Rhodococcus erythropolis IMB B-7012 у наступному масовому співвідношенні компонентів, мас. %: природний органічний сорбент у вигляді подрібненого деревного вугілля з біомасою штамів вуглеводеньокислюючих бактерій 98,0-99,0 Gordonia rubropertinctus IMB Ac 5005 та Rhodococcus erythropolis IMB B-7012 мінеральний компонент 1,0-2,0 В окремих випадках, залежно від особливостей та від умов застосування заявлений препарат характеризується наступними ознаками. Як природний органічний сорбент препарат містить подрібнене деревне вугілля, поверхня якого вкрита емульсією нафти або емульсією нафтопродуктів, взятої у кількості 0,5%-1% від маси деревного вугілля. Титр клітин в біомасі штамів вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac-5005 та Rhodococcus erythropolis IMB B-7012 складає не менше ніж 108кл/г. Біомаса штамів вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac-5005 та Rhodococcus erythropolis IMB B-7012 знаходиться у кількісному співвідношенні 1:1. Біомаса штамів вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac-5005 та Rhodococcus erythropolis IMB B-7012 знаходиться у кількісному співвідношенні 1:2 відповідно. Біомаса штамів вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac-5005 та Rhodococcus erythropolis IMB В-7012 знаходиться у кількісному співвідношенні 2:1 відповідно. Як мінеральний компонент заявлений препарат містить нітроамофоску або амофоску, або їх суміш. Штами вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac-5005 та бактерій Rhodococcus erythropolis IMB B-7012 не патогенні, не токсичні і не вірулентні і належать до 4 групи небезпечності. Вони депоновані в Депозитарії Інституту мікробіології і вірусології НАН України за номерами: G.rubropertinctus IMB Ac5005 та Rerythropolis IMB B-7012. Біотестування чутливості цих штамів до сорбенту показало відсутність токсичності його водних розчинів для досліджених бактеріальних культур і можливість спільного використання сорбенту та цих мікроорганізмів при очищенні забрудненого вуглеводнями середовища. Заявлений препарат пройшов випробування в модельних дослідах в Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України. Показники препарату встановлені на основі випробування дослідних партій. Заявлене рішення ілюструється наступними прикладами його практичного здійснення. Приклад 1 Відповідно до технологічного регламенту в умовах промислового виробництва одержують заявлений препарат наступного складу, мас. %: природний органічний сорбент у вигляді подрібненого деревного вугілля з біомасою штамів вуглеводеньокислюючих бактерій G.rubroperpertinctus IMB Ac-5005 та R.erythropolis 1MB В-7012 - 98,0 та мінеральний компонент - нітроамофоска за ГОСТ 19691-84) - 2,0,. Біомасу штамів вуглеводеньокислюючих бактерій G.rubroperpertinctus IMB Ас-5005 та R.erythropolis IMB В-7012 цей препарат містить у кількісному співвідношенні 1:1. Як природний органічний сорбент препарат містить подрібнене деревне вугілля, поверхня якого вкрита емульсією нафти або емульсією нафтопродуктів, взятої у кількості 0,5%-1% від маси деревного вугілля. Препарат одержують наступним чином: кожну вищевказану культуру нарощують окремо протягом 48-72 годин в аеробних умовах при температурі 26-28°С на мінеральному живильному середовищі, яке містить джерела вуглецю (парафіни або дизельне паливо), азоту, фосфору, калію і натрію. Після закінчення процесу ферментації в культуральну рідину кожного штаму окремо додають, перемішуючи, 2мас.% нітроамофоски. Для приготування препарату розраховану кількість сорбенту перемішують з культуральною рідиною обох штамів у співвідношенні з сорбентом 1:1. Розмір часток (дисперсність) сорбенту складає 0,5-3,0мм. Сушку препарату проводять при температурі 28-37°С до вологості 7%. Характеристика готового продукту наведена в таблиці 1. Таблиця 1 Органолептичні, фізико-хімічні та мікробіологічні показники заявленого препарату № п.п. 1 2 3 4 5 Назва показника Зовнішній вигляд Розмір часток подрібненого деревного вугілля, мм Масова частка вологи, %, не більше Ступень деструкції нафтопродуктів, %, не менше Кількість життєздатних клітин, клітин на г сорбенту, не менше Характеристика та норма Сипучі зерна довільної форми чорного кольору 0,3-5,0 7 80 108 Для виробництва заявленого препарату розроблена відповідна нормативно-технічна документація, в тому числі технічні умови ТУ У 24.6 - 30572733-005-2004. Пропонований препарат не токсичний для теплокровних тварин та людини. Дослідження поглинаючої місткості зразків препарату показало, що сорбент, який входить до його складу, зберігає основні поверхневі властивості і після іммобілізації на ньому вуглеводеньокислюючих бактерій G.rubropertinctus IMB Ac-5005 та R.erythropolis IMB В-7012, а саме - поглинаюча місткість препарату (вологість 5,86,3%) по відношенню до дизельного палива складає не менше 200%. Приклад 2 Ефективність дії препарату для очищення ґрунту від нафти вивчали протягом 60 діб в природних умовах на модельних ділянках з чорноземним ґрунтом, який мав рівень забруднення 20г/кг ґрунту (таблиця 2). Для дослідів використовували препарат, який включає (мас %): сорбент з біомасою штамів G.rubropertinctus IMB Ac-5005 і R. erythropolis IMB В-7012 (у співвідношенні 1:1) - 98,0 і мінеральна добавка - 2,0. Титр клітин у препараті складає 2,1´109кл/г. Таблиця 2 Біодеструкція фракцій нафти в грунті після внесення в нього заявленого препарату Варіанти досліду Ґрунт чорноземний +нафта Ґрунт чорноземний + нафта + добрива Ґрунт чорноземний + нафта + препарат Біодеструкція окремих компонентів нафти, % парафіносмолистоароматична нафтенова асфальтенова 16,1 8,5 3,3 26,7 15.9 5,2 79,7 34,3 12,1 Біодеструкція нафти, % 14,8 40,2 88,5 В процесі очищення ґрунту від нафти проводили періодичне його розпушування і зволоження. Аналіз динаміки біодеградації різних компонентів нафти мікроорганізмами препарату показав, що найкраще утилізується парафіне-нафтенова фракція, менше - ароматична, а найбільш стійкою була смолисто-асфальтенова фракція (таблиця 2). Отримані дані свідчать про значне (в 3,6-4,9 рази) зростання ступеню утилізації вказаних груп вуглеводнів при внесенні в забруднений ґрунт препарату у порівнянні з природними процесами самоочищення ґрунту за відсутністю добрив. Визначення загального вмісту залишкових вуглеводнів у ґрунті показало, що рівень деструкції забруднювача значно підвищувався при внесенні добрив, і був самим високим (88,5%) при використанні препарату. Приклад 3 Вивчення ефективності деструкції вуглеводнів у воді досліджували протягом 7 діб на рідкому мінеральному середовищі з 0,5% нафти або 1% нормальних парафінів (C12-C18) з використанням: 1) - суміші культуральної рідини штамів G.rubropertinctus IMB Ac-5005 та R. erythropolis IMB В-7012 у співвідношенні 1:1 з титром клітин 7,1´108кл/мл; 2) - препарату, що містить штами G.rubropertinctus IMB Ac-5005 та R.erythropolis IMB В-7012 у кількості 6,3´108кл/г. Контролем слугувало середовище з нафтою або н-парафінами без внесення мікроорганізмів і препарату. Отримані результати (таблиця 3) показали, що деструкція вуглеводнів була вищою при використанні препарату і досягала значення 99,1% - для н-парафінів, та 87,6% - для нафти. Сукупність усіх ознак заявленого препарату дозволяє вирішити поставлене завдання і досягти технічного результату. За рахунок нових ознак порівняно з прототипом оцінка ефективності заявленого препарату показала більш високий ступінь деструкції вуглеводнів при очищенні забруднених нафтою та нафтопродуктами середовищ. Таблиця 3 Деструкція вуглеводнів нафти заявленим препаратом у водному середовищі Варіанти досліду н-парафіни + бактеріальні культури н-парафіни + препарат нафта + бактеріальні культури нафта + препарат ШвидСтупінь кість дес.дес.трукції, трукції (мг/за % добу) 93,5 99,1 79,7 87,6 133,5 141,5 56,9 62,6 Одержаний відповідно до заявленого рішення продукт є екологічно чистим біологічним препаратом, який містить сорбент природного походження для поглинання нафтопродуктів, мікроорганізми - деструктори вуглеводнів та мінеральні добавки. Цей препарат здатний розкладати нафту і нафтопродукти до екологічно нейтральних сполук -альдегідів, органічних кислот, вуглекислого газу та води. Препарат при внесенні у забруднене нафтою та нафтопродуктами середовище поглинає поверхневу плівку забруднювача, створюючи тим самим мікроосередки його деструкції вуглеводеньокислюючими бактеріями, що входять до складу препарату. Досягнення технічного результату можливо саме в межах кількісних характеристик складу заявленого препарату - за межами цих значень технічний результат не досягається. Застосування заявленого препарату з титром клітин в біомасі штамів вуглеводеньокислюючих бактерій Gordonia rubropertinctus IMB Ac-5005 та Rhodococcus erythropolis IMB В-7012 у мінімально можливому значенні 108кл/г є ефективним і дозволяє порівняно з прототипом, забезпечити нетільки необхідну ефективність препарату, а й скоротити витрати на його виробництво, витримувати вимоги щодо допустимої кількості мікроорганізмів у виробничому та навколишньому середовищі. Заявлений препарат призначений для використання в біотехнологіях очищення ґрунту, води та твердих поверхонь від нафти та нафтопродуктів. Перевага створеного препарату обумовлена комбінаційною властивістю сорбенту швидко концентрувати на своїй поверхні вуглеводні нафти та біологічними особливостями штамів вуглеводеньокислюючих бактерій, які мають ліпофільну клітинну стінку, що забезпечує їм легке поглинання вуглеводнів всією поверхнею клітин і дозволяє ефективно проводити біодеструкцію нерозчинних у воді гідрофобних субстратів. Заявлене рішення дозволяє поширити асортимент вітчизняних препаратів для очищення середовищ від нафтових забруднень. Планується виробництво препарату - товарної продукції з комерційною торговою маркою серії «ЕКОЛАН». Джерела інформації: 1. Ivanovskaya І. В., Zinberg M. D., Thcemova E. A. Practical application in treatment of oilpolluted soils of Southern Urals // International conference on Enviromental Pollution ICEP'98 (Moskow, Russia, 12-18 September 1980): Abstracts.- Institute of Ecology and Genetics UB RAS, Perm, 1998. 2. Авторське свідоцтво СРСР №939636, м.кл. Е02В15/04, публ. 30.06.1982, бюл. №24. 3. Патент Російської Федерації №2031849 С1, м.кл.С02F1/28, В01J20/20, публ. 27.03.1995, бюл. №9. 4. Патент Російської Федерації №2036843 С1, м.кл. С02F1/28, публ. 09.06.1995, бюл. №16. 5. http://innov.etu.ru/innov/connects.nsf (Инновации, Технологическое предложение, №8, 2003, создано 01.12.2003). 6. Патент України №43394, кл. C02F3/34, Е02В15/04, публ. 17.12.2001, бюл. №11. 7. Патент RU №2138451, кл. С02F3/34, В09С1/10, публ. 27.09.1999, бюл. №27. 8. Патент України №50944, кл. C02F3/34, Е02В15/04, публ. 15.11.2002, бюл. №11. 9. Патент RU №2053205, кл. С 02F3/34, публ. 27.01,1996, бюл. №3 - прототип.