Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микробные сообщества бурового раствора и биоразлагаемость его химических компонентов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Назарько, Марина Дмитриевна, Краснодар

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Назарько Марина Дмитриевна

Микробные сообщества бурового раствора и биоразлагаемость

его химических компонентов

Специальность 03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -кандидат биологических наук, доцент Э.В.Карасева

Краснодар 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................... 5

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА ......................11

1.1 Проблема микробных биоповреждений

в промышленности ................................................. 11

1.2 Биоповреждения в бурении ....................................... 14

1.3 Микробная деградация основных компонентов

бурового раствора .....................................................25

2 МАТАРИАЛ И МЕТОДЫ ........................................... 36

2.1 Объект исследований ...................................................36

2.2 Количественный учет микроорганизмов .........................38

2.3 Выделение физиолого-экологических групп

микроорганизмов ......................................................40

2.4 Выделение чистых культур и их идентификация .......... 41

2.5 Изучение целлюлолитической активности

бактерий и методы исследования микробной деструкции КМЦ-содержащих реагентов ......................43

2.6 Изучение свойств углеводородокисляющих

микроорганизмов из буровых растворов и

методы исследования микробной деструкции

смазочных добавок для бурения ...................................45

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ..............................................................47

3.1 Микрофлора буровых растворов ...................................47

3.2 Микрофлора химических реагентов ...............................58

3.3 Характеристика и выбор тест-культур

целлюлозоразлагающих микроорганизмов

буровых растворов ...................................................62

3.4 Исследование биостойкости образцов

модифицированной КМЦ ...........................................71

3.5 Микробная деструкция композиционных реагентов

для бурения ..............................................................77

3.6 Микробная деструкция смазочных добавок к буровым

растворам...............................................................100

ВЫВОДЫ ........................................................................109

ЛИТЕРАТУРА ............................................................... 112

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

кмц - карбоксиметилцеллюлоза

ССБ - сульфит-спиртовая барда

КССБ - конденсированная сульфит-спиртовая барда

ФХЛС - феррохромлигносульфонат

УЩР - углещелочной реагент

Метас - сополимер метакриловой кислоты

М-14 - акриловый сополимер

ГКР - гуматно-калиевый реагент

СМАД-1 - смазочная добавка на основе окисленного петролатума

НТФ - натрия трифосфат

РКП-1 - полиакрилат

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время проблема биоповреждений становится все более острой. Защищая сырье, материалы и изделия от биоповреждений, мы способствуем повышению эффективности экономических вложений и материальных затрат. Всестороннее изучение этиологии биоповреждений промышленных материалов и разработка мер борьбы с их возбудителями становится важной задачей современной биологической науки.

Особенно ощутим вред, приносимый промышленным материалам микроорганизмами. Велики масштабы биоповреждений в нефтяной промышленности. Это коррозия нефтепроводов, бурового оборудования, поражение микроорганизмами заводняемых нефтяных пластов, биодеструкция нефтепродуктов. Микробному разложению могут подвергаться и буровые растворы. Развитие микроорганизмов в буровых растворах приводит к изменению физико-химических и эксплуатационных свойств вследствие разрушения реагентов, входящих в состав растворов, накоплению микробных слизей, осадков и вредных продуктов метаболизма. Это вызывает повышенный расход реагентов, коррозию оборудования и нарушает весь процесс бурения, что в итоге приводит к значительному повышению стоимости буровых работ.

В доступной нам литературе не встречено публикаций, посвященных изучению качественного состава микробных сообществ в буровом растворе, не показаны пути инфицирования растворов. Поэтому прежде всего необходимо качественно оценить присущее буровому раствору микробное сообщество, факторы, влияющие и определяющие его состав, чтобы правильно подойти к анализу биоповреждающей ситуации и разработать методы защиты.

Разрабатывая меры защиты от биоповреждений, необходимо учитывать общие экономико-статистические оценки в масштабах всего на-

о

родного хозяйства, а также экологические последствия. В этой связи исключительно важное значение приобретают исследования в области создания экологически безвредных химических реагентов для приготовления буровых растворов. Любой вновь созданный материал, отслужив свой срок, должен деградировать в природных условиях без образования токсических продуктов. С другой стороны, задачей бурения является продление срока службы химических реагентов.

Реагенты на основе природных полисахаридов, в частности, целлюлозы, принадлежат к числу наиболее широко используемых средств химической обработки буровых растворов. Это, в первую очередь, касается карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ).

Как установлено в работах Е.А.Молодовой и Э.В.Карасевой (1990), Э.В.Карасевой с соавт. (1990), химические реагенты, применяемые для регулирования свойств буровых растворов, подвергаются биодеструкции, которая обусловлена ферментативной активностью отдельных групп микроорганизмов. КМЦ особенно подвержена микробному разложению. Схематически, она представляет собой совокупность макромолекул, образованных ангидроглюкозными циклами различных углеводных остатков, соединенных гликозидными связями. Считается, что ферментативное разрушение полисахаридов происходит по непрочным гликозидным связям. Это приводит к снижению комплекса практически важных свойств КМЦ, в результате чего буровой раствор утрачивает стабильность, ухудшаются его технологические параметры, возникает необходимость в дополнительных химических обработках.

В связи с биодеструкцией карбоксиметилцеллюлозы в буровом растворе возникла необходимость защиты этого дорогостоящего реагента, определяющего важнейшие реологические свойства раствора (вязкость, водоотдачу).

Наиболее действенным методом борьбы с микроорганизмами - деструкторами является применение биоцидов. Другой метод, позволяющий снизить ущерб от биоповреждения - повышение биостойкости самого реагента. Последний представляется более предпочтительным, так как не требует дополнительных рабочих операций и уменьшает поступление биоцидов в окружающую среду.

Увеличение бистойкости КМЦ возможно путем создания ее различных модификаций, композиций в составе с другими, менее дорогостоящими реагентами. Если в научной литературе и имеются данные о биодеструкции КМЦ и некоторых ее химических модификаций, то сведений о микрофлоре целлюлозосодержащих композиций для бурения и их биодеградабельных свойствах мы не встретили. В этой связи, особое значение приобретают вопросы, связанные со знанием закономерностей процесса биодеградации карбоксиметилцеллюлозы, совмещенной с реагентами другой химической природы (лигносульфонатами, гуматами, акрилатами и др.).

В настоящее время основным источником загрязнения в районах бурения нефтяных и газовых скважин являются буровые отходы, содержащие химические реагенты, в том числе углеводороды нефти, входящие в состав смазочных добавок к буровым растворам. Перспективным способом снижения неблагоприятного воздействия на окружающую среду является использование экологически чистых смазочных добавок к буровому раствору, то есть реагентов, которые бы не оказывали токсического воздействия на биоту, либо обладали бы минимальной токсичностью и через непродолжительный период времени разрушались под влиянием микробиологических процессов.

Известно, что углеводороды, а также многие высшие жирные кислоты, синтезированные на основе углеводородов, и их эфиры участвуют в метаболических процессах микробных клеток или используются ими в

качестве источника углерода и энергии. В литературе содержится очень мало данных, посвященных вопросу деградации микроорганизмами смазочных добавок.

Учитывая вышесказанное, большой интерес представляет изучение способности микрофлоры буровых растворов разрушать применяемые в настоящее время смазочные добавки с целью отбора экологически чистых, легко разрушающихся в природных средах.

Исходя из вышеизложенного, проведение работ по изучению микробной деструкции промывочных жидкостей и химических реагентов для бурения и поиск средств защиты от их биодеградации является актуальным и имеет важное значение, в первую очередь, для буровых предприятий, а применение экологически безвредных биодеградабельных химреагентов снизило бы нагрузки на окружающую среду.

Целью настоящей работы было изучение количественного и качественного состава микрофлоры буровых растворов и водных растворов химических реагентов, путей формирования микробных сообществ, роли микрофлоры в деградации компонентов бурового раствора.

В задачи исследования входило также испытание биостойкости композиционных реагентов и смазочных добавок для бурения с целью продления сроков их эксплуатации и обеспечения экологической безопасности.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

- определить количественный состав микрофлоры буровых растворов и водных растворов химических реагентов;

- изучить качественный состав микрофлоры буровых растворов и водных растворов химических реагентов; провести идентификацию выделенных из бурового раствора и химических реагентов наиболее типичных бактериальных культур;

- оценить роль отдельных физиологических групп микроорганизмов в деградации компонентов бурового раствора;

- рассмотреть возможность инфицирования бурового раствора микрофлорой химических реагентов, используемых для его обработки;

- оценить влияние химической обработки бурового раствора на количественный и качественный состав его микрофлоры;

- выделить и изучить свойства целлюлозоразлагающих и углево-дородокисляющих бактерий-деструкторов карбоксиметилцеллюлозы и смазочных добавок;

- исследовать биостойкость образцов карбоксиметилцеллюлозы с разной степенью замещения по карбоксиметильным группам под действием целлюлолитических тест-культур микроорганизмов;

- исследовать биостойкость КМЦ-содержащих композиционных реагентов под действием целлюлолитических тест-культур микроорганизмов;

- изучить биодеградабельность смазочных добавок для бурения под действием углеводородокисляющих тест-культур микроорганизмов;

- разработать рекомендации на применение в бурении биостойких образцов КМЦ-содержащих реагентов и биодеградабельных смазочных добавок.

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что впервые изучен качественный состав микробного сообщества бурового раствора. Идентификация выделенных культур бактерий доведена до рода.

Установлено, что химические реагенты являются источником инфицирования буровых растворов. В процессе хранения в водных растворах химреагентов формируются микробные ассоциации, характерные для того или иного типа реагента, выступающего в качестве источника углерода и энергии.

Показано, что микробное сообщество бурового раствора реагирует на изменение состава химической обработки ферментативной активностью регулирующего механизма и выборочным ростом наиболее приспособленной популяции путем постепенного ее доминирования. Каждая последующая химическая обработка бурового раствора вызывает в его микробном сообществе перераспределение по степени доминирования микроорганизмов.

Из буровых растворов выделены и изучены свойства бактерий-деструкторов карбоксиметилцеллюлозы и смазочных добавок.

Используя целлюлолитические штаммы бактерий, проведены испытания на биостойкость образцов КМЦ с разной степенью замещения в ацетате целлюлозы и композиционных КМЦ-содержащих реагентов. Наиболее биостойкие реагенты рекомендованы для применения в бурении. НПО «Бурение» выданы акты лабораторных испытаний на биоде-градабельность испытанных реагентов. Для использования в бурении рекомендована смазочная добавка СПРИНТ как относительно экологически безопасная.

Основные результаты данной работы были использованы при составлении соответствующих разделов в отчете о научно-исследовательской работе по теме: «Исследование закономерности регулирования микробной деструкции химических продуктов в составе буровых растворов», Краснодар (1990).

Композиционный реагент «Целлогум» на основе гуматов и карбоксиметилцеллюлозы для обработки буровых растворов прошел промысловые испытания.

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА 1.1 Проблема микробных повреждений в промышленности

Увеличение хозяйственной активности человека, создающего новые материалы и изделия, строящего различные сооружения, приводит к расширению круга биоповреждающих организмов. Поэтому в последнее время проблема биоповреждений становится более острой и решение ее дало бы огромный экономический эффект.

По данным экономического анализа, проведенного Т.Е.Сергеенко с соавт. (1998), ущерб, который причиняют биоповреждения народному хозяйству, достигает 5-7% стоимости произведенной продукции. Так, в США затраты, связанные с коррозией,, превысили в середине 80-х годов 43 млрд. долларов, в Великобритании подобные затраты в настоящее время исчисляются в 20 млрд. фунтов стерлингов. В глобальном масштабе затраты, связанные с биокоррозией, достигали в 1996г. 60-80 млрд. долларов, в современное время глобальные потери от коррозии оцениваются в 1,5-2,0 трлн. долларов. В СССР общие потери от биокоррозии в конце 80-х годов составляли, по разным оценкам, от 60 до 80 млрд. рублей (Аркадьева и др., 1989). Оценки современного ущерба от биокоррозии в России, насколько известно, в литературных источниках не встречаются. Можно предположить, что последнее связано с остановкой ряда производств или с использованием производственных мощностей не более, чем на 50%.

Для успешной борьбы с биоповреждениями ценных материалов и изделий необходимо ясно представлять сущность, причины и механизм процессов биоповреждения.

По определению В.Д.Ильичева (1978), термин "биоповреждения" относят к ситуациям, когда живые организмы своей деятельностью и

присутствием вызывают изменения (нарушения) структурных и функциональных характеристик у объектов антропогенного происхождения или природных объектов, используемых в качестве сырья.

Рассматривая общетеоретический аспект проблемы биоповреждений, В.Д.Ильичев с соавт. (1985) обратили внимание на следующие моменты:

- биоповреждения как явление возникают и существуют в результате взаимодействия двух начал - экологического и антропо-техноло-гического;

- биоповреждающий процесс двусторонне направлен - не только организм воздействует на объект, но и объект на организм;

- взаимоотношения организма и объекта высокодинамичны - они развиваются во времени и в пространстве.

Среди всех видов биоповреждений микробиологические особенно часто встречаются и наносят значительный ущерб. На их долю, по данным статистики, приходится около 50% от общего числа повреждений материалов (Сергеенко и др., 1998).

Различные материалы разрушаются определенными физиологическими группами микроорганизмов. При этом имеется четкое соотношение между категорией поражаемого материала и ферментативными свойствами присутствующей микрофлоры (Благник, Занова, 1965).

Приспосабливаемость к определенным субстратам позволяет заранее прогнозировать возможный состав микроорганизмов на тех или иных матералах и изделиях.

Обычно повреждение материалов происходит с участием всего комплекса микроорганизмов (бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов), однако в ряде случаев основными агентами биоповреждения выступают бактерии. Среди бактерий, начинающих и ускоряющих процессы биоповреждения, наиболее опасны бактерии цикла серы и азота, в ча-

стности, сульфатредуцирующие, тионовые, денитрифицирующие и нитрифицирующие (Ильичев и др., 1985).

Воздействие микроорганизмов на объект может быть прямым или косвенным. В случае прямого воздействия материалы используются микроорганизмами в качестве источника углерода или других биофиль-ных элементов, энергии. При косвенном воздействии причиной биоповреждений являются конечные продукты обмена микроорганизмов, которые делают среду коррозийно-активной и служат субстратом для вторичной микрофлоры (Горленко, 1979).

Микробиологическая коррозия обычно происходит при воздействии продуктов метаболизма микроорганизмов (СОг, NH3, H2S, органических и неорганических кислот), а также при образовании органических продуктов, выполняющих роль деполяризаторов или катализаторов коррозионных процессов (Tazuka, 1966; Wayne, 1986; Каневская, 1989; Экологическая биотехнология, 1990).

�