Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Создание новых функциональных материалов для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Создание новых функциональных материалов для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов"

На правах рукописи

КАЩЕЕВА Полина Борисовна

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ СРЕД ОТ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

03.02.08 — Экология (химия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Москва-2015

005567001

005567001

Работа выполнена на кафедре обшей и неорганической химии ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Научный руководитель:

Дедов Алексей Георгиевич

член-корреспондеот РАН, доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Цодиков Л1арк Вениаминович

доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией ФГВОН «Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева» РЛН

Лебедев Альберт Тарасович

доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией ФГБОУ ВПО «Московский государствешшй университет имени М.В. Ломоносова»

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова», кафедра эколого-экономического анализа технологий '

Защита диссертации состоится 17 марта 2015 г. в 10 часов в аудитории 202 на заседании диссертационного совета Д 212.200.12 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и I'asa имени И.М. Губкина» по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.65/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Диссертация и автореферат размещены на web-сайте: vAvw.gubkin.ru

Отзывы на диссертацию и автореферат направлять по e-mail: ivanova.l@gubkin.ru

Автореферат разослан vfSy> февратя 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Л.В. Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Предприятия нефтегазового комплекса (НГК) оказывают

существенную нагрузку на окружающую среду. Это происходит практически на всех этапах производственной цепочки: добыче, транспорте, переработке и хранении. Особую опасность представляет попадание нефти и нефтепродуктов (Н и НП) в водные объекты со сточными водами или в результате нефгеразлива. В этой связи создание технологий и материалов для обезвреживания и утилизации отходов предприятий НГК, для ликвидаций аварийных нефтеразливов и разработка природоохранных мероприятий на их основе является крайне актуальной задачей, стоящей перед нефтехимиками и экологами. Об этом свидетельствует, в частности, постановление, подписанное в ноябре 2014 года премьер-министром РФ, которое определяет порядок разработки российскими компаниями планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов.

Наряду со сточными водами, нефтяные разливы представляют серьезную проблему для окружающей среды. По разным оценкам, объемы утечки нефти в России составляют до 25 млн. т в год. Для сравнения, при аварии на нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon в апреле 2010 года, которая признана одной из крупнейших среди экологических катастроф, в воды Мексиканского залива попало около 700 тыс. т нефти.

Существует ряд методов ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на акваториях, но ни один из них не является универсальным. Среди них важное место занимают сорбционные методы.

В качестве сорбентов для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов перспективно использование полимерных материалов. Они обладают высокой нефтеемкостью, низким водопоглощением и возможностью регенерации. Применение различных химических модификаций подобных материалов дает возможность варьировать их свойства в достаточно широких пределах, повышать избирательную сорбцию ими нефти и нефтепродуктов из водной среды. Однако при использовании полимерных матриц в качестве сорбентов возникают проблемы утилизации отработанных материалов, содержащих остатки нефти и нефтепродуктов. Зачастую их утилизируют, сжигая вместе с остатками сорбированной нефти, нанося ущерб окружающей среде.

Одним из решений этих проблем может быть создание материалов, способных не только сорбировать нефти и нефтепродуктов, но и деградировать их до экологически благоприятных веществ. Фактически, при этом будет реализовываться безотходная технология очистки водных объектов. Примером таких материалов могут служить

биогибридные материалы (БГМ) на основе нетканых полимерных материалов (НПМ), содержащих биологический «инструмент» - углеводородокисляющие микроорганизмы.

Целью работы являлось создание новых функциональных материалов для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• синтезировать серию нетканых полимерных материалов и исследовать их сорбционные характеристики по отношению к нефти и нефтепродуктам в статических и динамических условиях;

• исследовать возможность многократного использования нетканых полимерных материалов и возможность утилизации нефти и нефтепродуктов из них;

• исследовать токсичность выбранных нетканых полимерных материалов;

• оценить и исследовать возможность создания биогибридных материалов на основе используемых нетканых полимерных материалов с биогенными наполнителями и ассоциациями углеводородокисляющих бактерий;

• исследовать функциональные свойства (способность деградировать нефть и нефтепродукты) разработанных биогибридных материалов для очистки водных сред.

Научная новизна работы определяется следующим:

• впервые исследована сорбция нефти и нефтепродуктов из водных сред новыми материалами на основе нетканых полимерных материалов с биогенными наполнителями - растения семейства Lemnaceae (Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum (X и S) и показана их эффективность в очистке водных сред от нефти и нефтепродуктов.

• впервые исследована сорбция и биодеградация нефти и нефтепродуктов в водных средах в присутствии новых биогибридных материалов на основе нетканых полимерных материалов с биогенными наполнителями (£ и S) и углеводородокисляющими бактериями. Показана их эффективность и возможность использования для безотходной очистки водных сред.

Практическая значимость работы

1. Создан биогибридный материал для сорбции и деградации нефти и нефтепродуктов.

2. Создан биоразлагаемый композиционный сорбент нефти и нефтепродуктов, имеющий высокий коэффициент нефтеемкости.

3. Созданы новые сорбирующий композиционный материал и биогибридный композиционный материал для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов.

4. Показана возможность использования биолюминесцентного экспресс-метода на основе морских люминесцентных бактерий Photobacterium phosphoreum для определения токсичности нетканых полимерных материалов.

Апробация работы. Результаты работы представлены на XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); III Конференции РХО им. Д.И. Менделеева «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии и нефтехимической промышленности» (Москва, 2011); VI региональной молодежной научно-технической конференция «Научно-практические проблемы в области химии и химических технологий» (Апатиты, 2012); Международной конференции по химической технологии XT'12 (Москва, 2012); IV Съезде биофизиков России - Симпозиум I «Физико-химические основы функционирования биополимеров и клеток» (Нижний Новгород, 2012); III Международной конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям» (Москва, 2012); X Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2014).

Публикации. Основные результаты проведенных исследований изложены в 21 публикации, в том числе: в 5 статьях (из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 1 международная статья) в рецензируемых журналах, 4 патентах РФ, 11 тезисах докладов на российских и международных конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на J07 страницах и включает 29 рисунков и 9 таблиц. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка литературы, включающего 139 наименований, приложений (А, Б).

Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009 - 2013 гг.), Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 09-03-00984, № 10-03-01011-а), Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения базовой части государственного задания «Организация проведения научных исследований» (№ 1422).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении приведено обоснование темы диссертационной работы, изложены цель, научная новизна и практическая значимость проведенных исследований.

Глава первая

В первой главе представлен обзор литературы, который состоит из двух разделов. В первом разделе рассмотрены методы ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. Во втором разделе рассмотрены гибридные материалы на основе природных и синтетических материалов и углеводородокисляющих микроорганизмов для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов.

Вторая глава.

Во второй главе представлена экспериментальная часть работы. Описаны методики получения биогибридных материалов (БГМ)1, результаты физико-химических исследований материалов, результаты исследований их функциональных свойств.

Исследование материалов проводили методами сканирующей электронной микроскопии (JSM-6380LA JEOL) и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (LSM 470 Carl Zeiss)2.

Оценку сорбционных свойств материалов проводили в водной, водно-органической и органической средах в соответствии со стандартом ASTM F:726-12 при температуре испытаний (22±3)°С, относительной влажности 20 - 70%.

Для оценки токсичности материалов использовали биюлюминесцентный метод (1250 LKB-Wallac).3

Исследование биодеградации углеводородов в водных средах в присутствии БГМ проводилось методом ГХ-МС (Thermo Scienific ISQ)4.

Третья глава

В третьей главе приведены результаты исследования сорбционных характеристик синтезированных материалов и оценка их токсичности. Исследованы функциональные свойства созданных БГМ.

В качестве материалов для сорбции нефти и нефтепродуктов с поверхности водных сред были выбраны нетканые полимерные материалы (НПМ) на основе полипропилена (ПП),

1 Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ им М.В. Ломоносова к.б.н. Светлане Геннадьевне Васильевой и Галине Александровне Дольниковой за помощь при подготовке БГМ.

2 Автор выражает благодарность проф., д.б.н. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Елене Сергеевне Лобаковой за помощь в проведении исследований методом СЭМ и КСМ, а также за интерпретацию полученных результатов.

3 Автор выражает благодарность профессору биологического факультета МГУ им. М.В. Менделеева, д.б.н. Исмаилову Анвару Джураевичу за помощь в исследовании токсичности материалов биолюминесценгным методом.

4 Автор выражает благодарность к.х.н., доценту кафедры общей и неорганической химии РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина Екатерине Александровне Ивановой за помощь в интерпретации результатов, полученных методом ГХ-МС.

сополимера акрилонитрила с метилметакрилатом (СПАН)5 и полиэфира (ПЭ). Также синтезирована серия биогибридных материалов на основе НПМ с биогенными наполнителями - растениями семейства Lemnaceae {Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum. В таблице 1 приведены характеристики исследованных материалов.

Таблица 1. Характеристики исследуемых материалов

№ Материал Средняя толщина материала, мкм Средний диаметр волокон, мкм Воздухопроницаемость, дм'/м:*с Поверхнос тная плотность, г/м2 Объемная плотность, г/см3 Наполнит ель

1 ПП 800 5-10 - 106 0,13 -

2 ПЭ 700 12 - 160 0,22 -

3 СПАН 2110 - 246 182 0,09 -

4 СПАН/ уголь 1860 20 382 200 0,10 уголь активиро ванный (50%)

5 СПАН/ мох 720 60 60 0,08 мох (25%)

6 СПАН /ряска 460 - 276 40 0,09 ряска (30%)

7 СПАН/ ряска/ уголь 2800 68,6 295 0,11 ряска/ уголь (15%/15%)

Для сорбции углеводородов из водной среды НПМ должен обладать достаточно высоким коэффициентом сорбционной емкости по отношению к различным углеводородам.

Были определены коэффициенты сорбционной емкости исследуемых материалов в статических и динамических условиях по отношению к различным углеводородным смесям.

На рис. 1 показаны результаты исследования сорбционной емкости материалов в статических условиях.

Наибольшую сорбционную емкость продемонстрировал НПМ на основе ПЭ, который обладал наиболее развитой пористой структурой среди изучаемых материалов. Коэффициент сорбционной емкости по мазуту равен 70,2 г/г.

Включение в состав полимерных матриц на основе СПАН наполнителей - клеточно-сгруктурированных материалов (КСМ), таких как, растения семейства Lemnaceae (Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum, способствовало повышению коэффициента сорбционной емкости по сравнению с материалом без наполнителей. Коэффициент

5 Автор выражает благодарность начальнику лаборатории ОАО «ВНИИСВ» Рафету Кутузовичу Идиатулову за

предоставление нетканых полимерных материалов на основе СПАН.

7

сорбционной емкости НПМ-3 (СПАН без наполнителей) по нефти и мазуту равен 11 и 15 г/г соответственно. Так, коэффициент сорбционной емкости по нефти НПМ-5 (СПАН/мох) и НПМ-6 (СПАН/ряска) увеличился до 28 и 19 г/г, соответственно, а коэффициент по мазуту материала НПМ-5 составил 70 г/г.

ШШ": :.......

СПАН/рйСка/уголь

Рис. 1. Коэффициенты сорбционной емкости исследованных материалов в статических условиях (Т = 20±2°С)

Важным параметром, определяющим возможность применения синтезированных материалов в реальных условиях нефтеразлива на акватории, является динамическая нефтеемкость.

Оценка избирательной сорбции нефти материалами из водной среды проводилась на основании визуальных наблюдений согласно стандарту АБТМ. Степень динамической нефтеемкости выражалась в баллах от 1 до 5. Увеличение балла с 1 до 5 соответствует улучшению степени очистки.

Параллельно визуальной оценке был проведен ГХ-МС анализ остаточного содержания углеводородов нефти в исследуемой смеси. Результаты исследования представлены в таблице 2.

Образцы на основе СПАН с наполнителями показали наилучшую сорбцию нефти из водной смеси среди испытуемых образцов.

:«■ 8

| зо

1 И

г

♦ о -

2

ПЭ СПАН СПАН/У

« ДТ (р -822 м/глЗ) * Нефть (р - 889кг/мЗ)

■

СПАН/рвск»{30%} СПАН/мох Мазут (р - 982 кг/мЗ)

Таблица 2. Сорбция нефти синтезированными материалами из модельной водно-органической среды в динамических условиях (Т° = 20±2°С)

П/п Материал Динамическая нефтеем кость, балл Остаточное содержание нефти в среде после сорбции, %

1 ПП 5 0,3

2 ПЭ 4 15,4

3 СПАН 4 0,7

4 СПАН/У 5 менее 0,1

5 СПАН/мох 4 0,3

6 СПАН/ряска (30%) 5 менее 0,1

7 СПАН/ряска/уголь (15%/15%) 4 0,3

Как видно из полученных данных, остаточное содержание нефти в среде после использования образцов НПМ-4 и НПМ-6 составило менее 0,1%, что соответствует концентрации нефти менее чем 0,8 мг/л. Отметим, что это значение меньше, чем нормативные показатели сброса производственных сточных вод, содержащих Н и НП: при сбросе в систему городской хозбытовой канализации ПДК Н и НП не должна превышать 4 мг/л, для морских сбросов - не более 20 мг/л.

В таблице 3 показано, что материал на основе ПП обладает наименьшим водопоглощением (К„ = 6,7 г/г) в отличие от материала на основе ПЭ (К„ = 21,8 г/г). Волокно на основе ПП характеризуется большой величиной краевого угла смачивания, то есть обладает гидрофобными свойствами.

Образцы на основе СПАН одинаково хорошо поглощают воду, что объясняется наличием гидрофильного компонента - метилметакрилата (СН2=С(СНз)-СООСНз) - в составе материала.

Следует отметить, что исследованные материалы обладают достаточной плавучестью, что является необходимым свойством материалов, предназначенных для сбора Н и НП. НПМ на основе ПЭ в ходе эксперимента погружался в толщу воды, но не тонул. Такое же поведение характерно для образца на основе СПАН/ряска.

Таблица 3. Коэффициент водопоглощения (Кв) исследованных материалов в динамических условиях, г/г (Т = 20±2°С)

П/п Материал Кв, г/г Наблюдение

1 ПП 6,7 на поверхности

2 ПЭ 21,8 погружение в толщу воды

3 СПАН 9,9 на поверхности

4 СПАН/У 8,2 на поверхности

5 СПАН/мох 13,6 на поверхности

6 СПАН/ряска (30%) 11,8 образцы погрузились на дно емкости

7 СПАН/ряска/уголь (15%/15%) 10,5 на поверхности

Важным свойством полимерных материалов, используемых в качестве нефтесорбентов, является способность к утилизации Н и НП. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4. Сорбционные свойства материала на основе ПЭ при различных циклах регенерации

Число циклов Количество сорбированной Количество отжатой нефти,

нефти, г/г г/г

I 28 26

II 19 17

III 15 13

IV 12 11

V 10 8

VI 8 6

I 92 81

Для полимерного материала на основе ПЭ было проведено 6 циклов регенерации. В результате отжима образца на основе ПЭ отмечено снижение нефтеемкости с 28 г/г до 8 г/г. Таким образом, из материала на основе ПЭ удалось отжать до 88% сорбированной нефти.

В результате проведенных исследований было установлено, что наибольшей сорбционной емкостью по отношению к Н и НП обладает материал на основе СПАН и

10

наполнителя, представляющего собой растения рода Sphagnum. Коэффициент нефтеемкости сорбента равен 28 г/г, коэффициент сорбционной емкости по мазуту достигает 70 г/г. Разработанный сорбент превосходит известные аналоги.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что исследованные материалы на основе ПЭ, СПАН с наполнителями и ПП обладают достаточно высокой сорбционной емкостью по отношению к Н и НП, плавучестью и низким водопоглощением. Все материалы были исследованы в качестве химических матриц при создании БГМ для очистки сточных вод и акваторий от Н и НП.

При создании БГМ необходимо решить следующие задачи:

- выбор нетоксичного полимерного материала;

- инкорпорирование биогенных элементов в структуру полимера в процессе его синтеза;

- иммобилизация живых биологических объектов - ассоциации углеводородокисляющих бактерий.

На рис. 2 представлены данные по анализу токсичности НПМ. Инкубация в течение указанных промежутков времени (15, 30 и 60 минут) показала, что все исследованные образцы НПМ не оказывали выраженного ингибирующего воздействия на уровень свечения суспензии люминесцирующих бактерий Photobacterium phosphoreum, что в соответствии с действующими критериями (ИТ, БЛИ) позволило оценивать данные НПМ как «нетоксичные».

-контрольная проба -НПМ-1

- НПМ-2 -НПМ-3

- НПМ-4

15 20 Время, мин

Рис. 2. Изменение интенсивности свечения РИоюЬааепит рИозрИогеит в присутствии НПМ в течение 30 минут (Т = 20±2°С)

Кроме этого, на рис. 2 видно, что в присутствии исследуемых образцов происходит незначительная активация свечения. Это, возможно, связано с выходом в раствор компонентов НПМ. Данное явление объясняется известным фактом: активационное действие, не превышающее 20 %, низкими концентрациями органических соединений, в том числе алифатическими углеводородами, спиртами, кетонами.

Известно, что более длительная инкубация позволяет оценить влияние токсикантов не только на метаболическую активность, но и на ростовые свойства люминесцентных бактерий. Ряд исследователей показали, что длительные тесты более полно характеризуют опасность некоторых веществ, недооцениваемых в экспресс-тестах. Эксперименты по пролонгированной (24 часа) инкубации люминесцирующих бактерий с НПМ показали отсутствие выраженного ингибирующего эффекта на эмиссионную активность тест-объекта - различий в уровне интенсивности эмиссии проб с материалами по сравнению с контрольными образцами не наблюдалось.

В результате исследования токсичности НПМ биолюминесцентным методом выявлено, что тестируемые образцы с различными физико-химическими свойствами являются нетоксичными по отношению к люминесцирующим бактериям Photobacterium phosphoreum.

Для полной реализации функционального потенциала бактериальной составляющей биогибридного материала - иммобилизованной ассоциации углеводородокисляющих бактерий (УОБ) - необходимо обеспечить благоприятные условия как для внедрения бактерий в химическую полимерную матрицу, не являющуюся нативной средой обитания микроорганизмов, так и для их роста и развития.

Включение в состав НПМ клеточно-структурированных материалов (КСМ), например таких как водные микроскопические растения семейства Lemnaceae (Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum, обладающих всеми перечисленными свойствами, позволяет значительно увеличить удельную площадь поверхности матриц, облегчить адсорбцию микроорганизмов. Растительный материал можно также рассматривать не только как место прикрепления УОБ, а также как легкоусвояемый питательный субстрат для поддержания физиолого-биохимического потенциала бактерий.

Для создания БГМ на основе НПМ была выбрана ассоциация УОБ, состоящая из бактерий видов Rhodococcus qingshengii - KJ004514 и Leucobacter aridicollis - KJ004515, предоставленная проф., д.б.н, Лобаковой Е.С., и хранящаяся в коллекции кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Иммобилизацию бактерий на НПМ проводили в жидкой питательной среде Эванса методом адсорбции.

Для подтверждения жизнеспособности УОБ в структуре БГМ использовали метод конфокальной лазерной сканирующей микроскопии.

На рисунке 3 (а) представлена микрофотография светлопольной микроскопии, 3 (б) -микрофотография конфокальной микроскопии. На рисунке 3 (б) видно зеленое свечение, что свидетельствует о наличии живых бактериальных клеток.

Рис. 3. Микрофотография живых бактериальных клеток на волокнах НПМ: светлопольная микроскопия (а); конфокальная микроскопия (б) (увеличение х400)

Методом сканирующей электронной микроскопии показан разный характер прикрепления бактериальных клеток к поверхности волокон матриц (рис. 4).

уГ )

© 1 мкм

Рис. 4. Микрофотографии прикрепления бактериальных клеток к поверхности волокон НПМ: биополимерный матрикс (указан стрелкой) на волокне НПМ-1 (а); ориентированное прикрепление к поверхности волокна НПМ-4 (б), интрузия в волокно образца НПМ-2 (в). Сканирующая электронная микроскопия

Например, отмечена частичная интрузия (внедрение) клеток бактерий в волокна образца НПМ-2 (рис. 4, в). Выявлено ориентированное прикрепление бактериальных клеток к поверхности волокон образца НПМ-4 (рис. 4, б). Иммобилизация бактериальных клеток на поверхности волокон НПМ-1 сопровождалась выделением внеклеточного биополимерного матрикса (рис. 4, а).

Таким образом, наличие таких признаков как:

- присутствие на поверхности волокон активно делящихся бактериальных клеток;

- прикрепления клеток к поверхности волокон путем интрузии и/или выделения внеклеточного полимерного матрикса;

- особенности развития и специфичность клеточной морфологии бактериальной культуры на поверхности волокон —

позволяет сделать вывод о формировании БГМ на основе нетканых полимерных материалов, содержащих КСМ растений семейства Lemnaceae (Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum, а также жизнеспособных УОБ.

На рис. 5 показана иерархическая структура созданных БГМ.

Иерархическая структура БГМ

- ч

г g

- 5 -

Р Н

w Я

= I

я О

- к

2

2 *

4»

Я «

=

Я ._

а. й

я =i

с. ^

« *

5

БИОГИБРИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ШШЩ!

БГМ типа В и БГМ типа С

г 1 1 Е Углеводородокисляющие бактерии '¡Jlii^IP

2

_ Наноструктур ированные волокнистые НИМ с инкорпорированным п растительными клеточно-структурпрованными материалами (ряска, мох) шш

а. жШШ

s БГМ типа А

5

3 Наноструктур ированные волокнистые ШЕМ

о 1111111

^

5 X Волокнистые нетканые полимерные материалы (НИМ)

Рис. 5. Иерархическая структура биогибридных материалов 14

В результате проведенной работы были созданы несколько типов БГМ:

БГМ типа А - биогибридный материал на основе НПМ и инкорпорированных источников биогенных элементов - растений семейства Lemnaceae (Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum;

БГМ типа В - биогибридный материал на основе БГМ типа А и иммобилизованной ассоциации УОБ;

БГМ типа С - биогибридный материал на основе НПМ и иммобилизованной ассоциации УОБ.

Первым этапом оценки эффективности созданных БГМ были эксперименты по биодеградации н-алканов (С15Н32, С]бНз4, С^Нзв) модельной смеси (МС). Концентрация н-алканов составляла 600 мг/л в водном растворе. Данная концентрация соответствует средней концентрации нефтепродуктов в сточных водах предприятий нефтегазовой отрасли.

На рис. 6 показаны результаты сравнения динамики процесса биодеградации углеводородов МС свободными и иммобилизованными клетками ассоциации УОБ.

На рис. 6 видно, что за 1 сутки эксперимента наблюдается высокая скорость биодеградации углеводородов свободными клетками, однако на 3 сутки эксперимента скорость начинает снижаться. Скорость окисление углеводородов в присутствии БГМ остается высокой в течение 7 суток эксперимента, и концентрация углеводородов снижается с 600 мг/л до 10 мг/л. Остаточная концентрация 10 мг/л соответствует ПДК для морских сбросов.

700

а

§ 600

§■ 500 п

5 - 400

ш в;

Ц ь зоо н г

2 О 200

5 3 юо

г. В - °

я

ш Я X О

X

-"♦-Ассоциация УОБ -"-БГМ-7

Рис. 6. Динамика биодеградации углеводородов МС свободными и иммобилизованными клетками ассоциации УОБ в структуре БГМ -7 (метод анализа - ГХ-МС; время эксперимента — 7 суток, Т = 22±2°С)

1 3 7

Время, сутки

Вероятно, это связано с тем, что в иммобилизованном состоянии бактериальные клетки длительное время способны сохранять жизнеспособность и функциональную активность окислительных ферментных систем. Помимо концентрации углеводородов, матрица выполняет функцию концентрирования самих бактериальных клеток. На поверхности волокон НПМ клетки располагаются равномерно, часто монослойно и образуют биопленку, а, следовательно, углеводороды, как единственный источник углерода, доступен всем иммобилизованным клеткам.

Далее была исследована биодеградации углеводородов в составе реальной сточный воды маслозавода (СВМ). Результаты ГХ-МС показали, что СВМ содержит широкий спектр различных классов углеводородов. Особое внимание было уделено биодеградации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) - как наиболее трудноразлагаемых поллютантов, обладающих канцерогенными, тератогенными, мутагенными и токсичными свойствами по отношению к живым организмам и здоровью человека.

На рис. 7 показаны результаты изменения количественного состава углеводородов СВМ в присутствии БГМ-7 после 7 дней эксперимента.

При анализе данных, приведенных на рис. 7, видно, что на 7 сутки эксперимента биодеградации подверглись 82% насыщенных алканов. Степень биодеградации производных нафталина составила 83%. Самая низкая степень биодеградации у флуорена (74%).

Степень биодеградации триароматических углеводородов составила 76,8%. Важно отметить, что наблюдается 69 и 94% деградация антрацена и фенантрена соответственно. Это можно объяснить тем, что антрацен является менее доступным для биоокисления субстратом, несмотря на одинаковое число конденсированных ароматических колец в молекулах фенантрена и антрацена. Его растворимость ниже, чем у других ПАУ с тремя конденсированными кольцами, и сорбционная способность в отношении твердых поверхностей выше.

Концентрация 2-метилнафталина резко снизилась, что, может быть, в большей степени связано с его более высокой летучестью, чем биодеградацией.

Таким образом, УОБ в структуре БГМ способны деградировать не только алканы, но и наиболее токсические углеводородные компоненты, такие как ароматические и полиароматические соединения.

Углгеозоролиый сости СВМ -»-1 сутки -»-3 сутки -ш- 7 сутки

Рис. 7. Изменение содержания углеводородов в СВМ в присутствии БГМ-7 (метод анализа - ГХ-МС; время эксперимента - 7 суток, Т = 22±2°С)

СцНю* - 2-метилнафталин; СцНщ** - 1-метилнафталин; С12Н12* - 1,4-диметилнафталин; С12Н12** - 2,6-диметилнафталин; С12Н12*** - 1,3-диметилнафталин; С12Н12**** - 1,5-диметилнафталин; СмНю* - фенантрен; СнНщ** - антрацен; С15Н12* - 1-метилфенантрен; С15Н12** - 1-метилантрацен; С1бНю* - флуорантен; С^Ню** - пирен.

Проведен анализ содержания остаточной нефти в морской воде после очистки в присутствии БГМ (рис. 8).

Как видно на рис. 8 применение БГМ-1 и БГМ-2 способствовало 94 и 96%-ному удалению нефтяных углеводородов из воды уже на 5 сутки эксперимента. В то время как свободные клетки биодеградировали всего лишь 3% за это же время. На 25 сутки эксперимента степень биодеградации нефти свободной ассоциацией углеводородокисляющих бактерий составила 32%, а удаление нефтяных углеводородов в присутствии БГМ - 99%. Низкая степень биодеградации свободными УОБ связана с недостатком биогенных элементов, прежде всего азота и фосфора, для развития самой ассоциации.

л

II

5 10 20 25

Время эксперимента, сутки

■ Ассоциация УОБ

■ БГМ-1 и БГМ-2

■ БГМ-3

■ БГМ-? э БГМ-"

Рис. 8. Изменение содержания углеводородов нефти в морской за 25 дней эксперимента в присутствии БГМ (метод анализа - ГХ-МС; время эксперимента, условия -25 суток, Т = 22±2°С)

Параллельно с этим, была проведена экстракция остаточных углеводородов нефти из БГМ и проведен анализ экстракта. Результаты представлены на рис. 9.

£ с.

5 10 20

Время эксперимента, сутки

-БГМ-2 -«-БГМ-3 —БГМ-5 -БГМ-'

Рис. 9. Изменение содержания углеводородов нефти в составе БГМ за 25 дней эксперимента (метод анализа - ГХ-МС; время эксперимента - 7 суток, Т = 22±2°С)

18

Анализ экстракта показал, что снижение концентрации углеводородов нефти в морской воде происходит как в результате сорбции химической матрицей, так и в результате ферментативного окисления сорбированных углеводородов клетками УОБ. Наилучший результат был достигнут при применении БГМ-7 (БГМ на основе СПАН, модифицированный КСМ растений семейства Lemnaceae (Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum, углем и иммобилизованной ассоциацией УОБ). Степень биодеградации углеводородов нефти составила 98 % на 25 сутки эксперимента.

На рисунке 10 видно, что все группы углеводородов, входящие в состав анализируемой нефти, были подвержены биодеградации.

—Scyim -»-IOcvtwi — 25сугси

Углеводородный состав нефти

Рис. 10. Изменение содержания углеводородов нефти в морской воде в присутствии БГМ-7 (метод анализа - ГХ-МС; время эксперимента - 7 суток, Т = 22±2°С)

В результате проведенных исследований был создан БГМ для сорбции и деградации нефти и нефтепродуктов на основе НПМ - СПАН - с наполнителями (клеточные стенки водных растений семейства Ьетпасеае и уголь). Степень биодеградации углеводородов в морской воде составила за 25 суток 98%.

выводы

1. Созданы новые биогибридные материалы (БГМ) для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов. Впервые исследована сорбция нефти и нефтепродуктов из водных сред материалами на основе нетканых полимерных материалов (НПМ) с биогенными наполнителями - растениями семейства Lemnaceae (Wolffia arrhiza и Lemna minuscula) и рода Sphagnum (L и 5). Показана высокая эффективность данных материалов в очистке водных сред: коэффициент сорбционной емкости материала на основе СПАН с биогенными наполнителями (L и 5) достигал 70 г/г (мазут) при Т°С = 20°С.

2. Исследованы новые биогибридные материалы на основе СПАН с биогенными наполнителями (L и S) и углеводородокисляющими бактериями для сорбции и биодеградации нефти и нефтепродуктов. Показано, что исследованные материалы эффективны при биодеградации нефти и нефтепродуктов в водных средах: степень биодеградации нефти достигала 98% за 25 суток.

3. Методами СЭМ и конфокальной микроскопии исследована серия БГМ. Установлено, что присутствие биогенных наполнителей (L и S) способствует стабильной и продуктивной работе биологического «инструмента» БГМ - углеводородокисляющих бактерий, при биодеградации.

4. Показана возможность использования биолюминесцентного экспресс-метода на основе морских люминесцентных бактерий Photobacterium phosphoreum для определения токсичности нетканых полимерных материалов. Установлено, что нетканые полимерные материалы на основе ПП, ПЭ и СПАН являются нетоксичными.

5. Исследовано содержание углеводородов в образцах воды до и после биодеградации методом ГХ-МС. Установлено, что в присутствии биогибридного материала происходит деградация не только алканов, но и трудно биоразлагаемых ароматических углеводородов до экологически безопасных соединений.

6. Созданы новый сорбирующий композиционный материал, биогибридный композиционный материал для очистки водных сред от нефти и нефтепродуктов, а также биоразлагаемый композиционный сорбент нефти и нефтепродуктов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Дедов А.Г., Белоусова Е.Е., Иванова Е.А., Кащеева П.Б. и др. Эффективные сорбционные материалы для сбора нефти и нефтепродуктов // Химическая технология. -2013.-№10.-С. 606-618.

2. Дедов А.Г., Исмаилов А.Д., Лобакова Е.С, Кащеева П.Б. и др. Определение токсичности нефтесорбентов на основе нетканых полимерных материалов биолюминесцентным методов // Химическая технология. - 2013. —№11. - С. 672-679.

3. Лобакова Е.С., Омарова Е.О., Дольникова Г.А., Некрасова В.В., Идиатулов Р.К., Кащеева П.Б., Беляева Е.И., Перевертайло Н.Г., Кузнецова О.В., Дедов А.Г. Иммобилизация бактерий на полимерных матрицах для деградации нефти и нефтепродуктов // Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. -2012. -№ 5. - С. 88-92.

Прочие публикации:

1. Alenina К. A., Aleskerova L.E., Kascheyeva Р.В., Ismailov A.D. The poly(vinyIalcohol)-immobilized photobacteria for toxicology monitoring // Engineering. - 2012. -V.4.-P.118-119.

2. Лобакова E.C., Омарова E.O., Дольникова Г.А., Некрасова В.В., Идиатулов Р.К., Кащеева П.Б. Иммобилизованные бактерии для деградации нефтепродуктов // Вестник КазНУ, серия биологическая. - № 2 (48). - 2011г. - С. 28-30.

3. Патент 2469787 Российская Федерация, МПК, B01J20/28, B01J20/26. Сорбирующий композиционный материал / Дедов А. Г., Мясоедов Б. Ф., Бузник В. М., Омарова Е. О., Беляева Е. И., Некрасова В. В., Идиатулов Р. К., Генис А. В., Синдеев А. А., Перевертайло Н. Г., Кащеева П. Б, Тузинович А. М., заявитель и патентообладатель -Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный униврситет нефти и газа имени И.М.Губкина - № 2010150288/05; заявл. 09.12.2010; опубл. 20.12.2012. Бюл. № 35.

4. Патент 2011145698 Российская Федерация, МПК, C02F 3/34. Биогибридный материал для сорбции и деградации нефти и нефтепродуктов / Дедов А.Г., Омарова Е.О., Идиатулов Р.К., Перевертайло Н.Г., Кащеева П.Б., Лобакова Е.С., Кирпичников М.П. -заявитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина» - № 2011145698/10; заявл. 11.11.2011.; опубл. 20.05.2013. Бюл. № 14.

5. Патент 2528863 Российская Федерация, МПК, B01J 20/22, B01J 20/26, C02F 3/32, C02F 1/28. Биоразлагаемый композиционный сорбент нефти и нефтепродуктов / Дедов А.Г., Иванова Е.А., Белоусова Е.Е., Кащеева П.Б., Карпова Е.Ю., Идиатулов Р.К., Кирпичников М.П., Лобакова Е.С., Васильева С.Г., Соловченко А.Е. - патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина» - № 2013125542/10; заявл. 03.06.2013; опубл. 20.09.2014. Бюл. № 26.

6. Положительное решение на выдачу патента РФ, МПК, C02F 1/28. Биогибридный композиционный материал / Дедов А.Г., Иванова Е.А., Белоусова Е.Е., Кащеева П.Б., Карпова Е.Ю., Идиатулов Р.К., Кирпичников М.П., Лобакова Е.С., Васильева С.Г., Дольникова Г.А. - патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина» - № 2013125541/05; заявл. 03.06.2013.

7. Дедов А.Г., Омарова Е.О., Перевертайло Н.Г., Некрасова В.В., Лобакова Е.С., Идиатулов Р.К., Кащеева П.Б. Новые материалы в химическом анализе и экологии // Органические и гибридные материалы, Сборник материалов третьей конференции с элементами научной школы для молодежи. - Россия (Иваново). -2011. - С. 7-17.

8. Дедов А.Г., Кащеева П.Б., Омарова Е.О., Лобанова Е.С., Дольникова Г.А., Некрасова В.В., Идиатулов Р.К., Перевертайло Н.Г., Беляева Е.И., Бузник В.М. Новые материалы для сорбции и утилизации нефти и нефтепродуктов при аварийных разливах // Тезисы докладов XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. - Россия (Волгоград). - 2011. - С.338.

9. Дедов А.Г., Перевертайло Н.Г., Омарова Е.О., Левченко ДА., Кузнецова О.В., Кащеева П.Б. Материалы и тест-системы для определения металлсодержащих и п-содержащих соединений в углеводородных средах // Тезисы докладов XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Тезисы докладов XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. - Россия (Волгоград). - 2011. - С.345.

10. К.. А. Alenina, L.E. Aleskerova, P.B. Kascheyeva, A.D. Ismailov. The polyvinyl alcohol)-ommobilized photobacteria for toxicology monitoring // Engineering Supplement: 2012 world Congress on Engineering and Technology. - 2012. - Vol. 4.

11. Аленина К.А., Алескерова Л.Э., Вахромеева Т.А., Кащеева П.Б., Исмалов А.Д. АТФ-пул и эмиссионная активность психрофильных бактерий Photobacterium phosphoreum // IV Съезд биофизиков России. - 2012. - С. 15.

12. Дедов А.Г., Лобакова Е.С., Кащеева П.Б., Карпова Е.Ю., Беляева Е.И., Идиатулов Р.К, Дольникова Г.А. Биогибридный материал для сорбции и утилизации нефти и нефтепродуктов при аварийных разливах // III Международная конференция «Наноявления при разработке месторождений угеводородного сырья: от наноминерапогии и нанохимии к нанотехнологиям». - Россия (Москва). - 2012. - С. 228.

13. Кащеева П.Б., Омарова Е.О., Лобакова Е.С., Дольникова Г.А., Идиатулов Р.К., Дедов А.Г. Биогибридный материал для сорбции нефти и нефтепродуктов при аварийных разливах // IV Всероссийская конференция по химической технологии. - 2012. - С. 377-379.

14. Шаронова А.Н., Иванова Е. А., Кащеева П.Б. Очистка сточных вод предприятий газовой промышленности при помощи биогибридных материалов // X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». - Россия (Москва). - 2014. - С. 185.

15. Омарова Е.О., Кащеева П.Б., Перевертайло Н.Г., Беляева Е. И., Идиатулов Р.К., Дедов А.Г. Новые материалы в экологии и химическом анализе // 3-я Конференция РХО им. ДИ. Менделеева «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии и нефтехимической промышленности». - Россия (Москва). - 2011. - С.209-211.

16. Кащеева П.Б., Е.О. Омарова, Е.С. Лобакова, Г.А. Дольникова, В.В. Некрасова, Идиатулов Р.К., Перевертайло Н.Г., Дедов А.Г. Новые материалы для сорбции и утилизации нефти и нефтепродуктов при аварийных разливах // VI региональная молодежная научно-техническая конференция «Научно-практические проблемы в области химии и химических технологий». - 2012. - Апатиты.

17. Кащеева П.Б., Карпова Е.Ю., Иванова Е.А., Зайцева Ю.Н., Лобакова Е.С., Дольникова Г.А., Дедов А.Г. Биогибридные наноструктурированные материалы для сорбции и утилизации нефти и нефтепродуктов при аварийных разливах на акваториях // Всероссийская молодежная научная школа «Химия и технология полимерных и композиционных материалов». - Россия (Москва). -2012. - С. 164.

Благодарности

Автор выражает искреннюю признательность руководителю работы чл.-корр. РАН, д.х.н., проф. Алексею Георгиевичу за всестороннюю помощь в выполнении работы. За помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов автор выражает огромную благодарность сотрудникам биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова д.б.н., проф. Лобаковой Е.С., д.б.н., проф. Исмаилову А.Д., к.б.н., с.н.с. Васильевой С Г., Дольниковой Г.А. и доценту кафедры общей и неорганической химии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина к.х.н. Е.А.Ивановой, своим друзьям и близким за постоянную помощь и поддержку.

Подписано в печать:

10.02.2015

Заказ № 10530 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru