Нефтяные загрязнения. Очистка бактериальными препаратами

Проблема охраны окружающей природной среды приобретает особую остроту в связи с загрязнением водоемов и почв нефтью и нефтепродуктами. Наиболее ощутимо эти воздействия проявляются при добыче нефти, ее переработке, транспортировке, из-за технологических и аварийных выбросов продукции в среду.

Известно, что 1 л нефти загрязняет до 1000 м³ воды, что обусловлено присутствием в ней природных поверхностно-активных веществ, которые образуют стабильные нефте-водные эмульсии (Гандурина Л.В., 1987).

Необходимо отметить, что на всех этапах добычи и транспортировки ежегодно теряется более 45 млн. тонн нефти (на суше – 22 млн. т, на море – 7 млн. т, в атмосферу в виде продуктов неполного сгорания топлива поступает 16 млн.т).  Общее количество поступающих нефтяных углеводородов в морскую среду составляет 2-8 млн. тонн в год,  из них 2,1 млн. т составляют потери при перевозках судами и танкерами, 1,9 млн. т выносится реками, остальное поступает с городскими и промышленными отходами прибрежных районов, урбанизированных территорий и из прочих источников (Шапоренко С.И., 1997).

К середине 2004 года мировой танкерный флот разросся до 3,5 тысяч судов дедвейтом от 10 тыс. тонн и выше. Его общая грузоподъемность составляет около 310 млн. тонн. Причем более 70% судов  суммарным дедвейтом 270 млн. тонн предназначены для перевозок нефти и нефтепродуктов. Танкерный флот по тем или иным причинам терпит бедствия, вызывая загрязнения окружающей среды.

Так, катастрофа танкера «Престиж» в ноябре 2002 года привела к загрязнению 3000 км побережья Испании, Франции, Великобритании. В результате погибло 300 тысяч птиц, огромные потери понесло рыболовство и марикультура, в море поступило 64 тысячи тонн мазута (из Доклада Всемирного Фонда дикой природы).  При аварии танкера «Экссон Валдиз» на Аляске в 1989 году было разлито более 70 тысяч тонн нефти, загрязнившей 1200 километров побережья. Во время ноябрьских штормов 2007 года в районе Керченского пролива потерпели крушение несколько судов, в результате в море – на небольшом участке вылилось около 100 тонн нефтепродуктов.

В 2010 году в Мексиканском заливе произошла катастрофа планетарного масштаба. После 36-часового пожара нефтяная платформа затонула, после чего  в океан стало поступать до 1000 тонн нефти в сутки. В Мексиканском заливе образовалось огромное нефтяное пятно размером 78 на 128 км, которое, в конечном счете, достигло побережья Луизианы, Флориды и Алабамы (рис 1-4). Сократить утечку удалось только через пять месяцев.

Нефть и нефтепродукты, находящиеся в водных экосистемах, пагубно действуют на все звенья экологической цепи, от микроскопических водорослей до млекопитающих.

Продолжающиеся загрязнения морей и пресных водоемов нефтью и нефтепродуктами ставят перед исследователями задачу поиска путей восстановления естественных показателей воды.

В настоящее время существует большое количество методов и способов очистки загрязненных вод, которые можно разделить на следующие.

Механическая очистка основана на процеживании, фильтровании, отстаивании и инерционном разделении различных примесей и отходов. Такой способ очистки стоков позволяет отделять нерастворимые примеси и взвешенные частицы, находящиеся в воде. Механические методы очистки являются самыми дешёвыми, однако их применение не всегда эффективно.

В процессе химической очистки стоков может накапливаться большое количество осадка, который необходимо отфильтровывать и утилизировать иными способами очистки. Один из самых эффективных (но дорогих) способов очистки воды – это использование процессов коагуляции, сорбции, экстракции, электролиза, ультрафильтрации, ионообменной очистки и обратного осмоса. Эти физико-химические способы очистки сточных водотличаются удовлетворительными показателями очистки воды от углеводородов нефти. Тем не менее, при их широком использовании необходимо строить специальные очистные сооружения,  иметь дорогие химические реагенты и т.д.

Биологический способ очистки нефтезагрязненной воды эффективен для обезвреживания стоков различного происхождения и основан на применении специальных углеводородокисляющих микроорганизмов. Большой эффективностью обладают биофильтры с тонкой бактериальной плёнкой, биологические пруды  в снятии легкоразрушаемой органики с населяющими их микроорганизмами, аэротенки с активным илом из бактерий и иных микроорганизмов (Fergusson S., 2003).

Перечисленные выше методы в основном используются для очистки стоков и водных акваторий суши. В морях используются иные методы.

Для ликвидации разлива нефти в открытом море используют механические, термические, физико-химические и биологические методы.

Одним из главных методов ликвидации разлива нефти является механический ее сбор разлитой нефти и нефтепродуктов в сочетании с боновыми заграждениями. Их предназначением является предотвращение растекания нефти по водной поверхности, увеличение ее концентрации для облегчения процесса уборки, а также отвод (траление) нефти от наиболее экологически уязвимых районов. Нефтесорбирующие боны являются надежной, эффективной и простой в обслуживании, экологически безопасной и экономически приемлемой системой очистки вод от нефтяных загрязнений. Наибольшая эффективность при этом достигается в первые часы после разлива нефти. Для очистки акваторий и ликвидации разливов нефти (сбор нефти и мусора) используются различные конструкции нефтесборщиков.

Термический метод основан на выжигании нефти, применяется при достаточной толщине слоя и сразу же после загрязнения, до образования эмульсий с водой. Этот метод, как правило, применяется в сочетании с другими методами ликвидации разлива.

Физико-химический метод с использованием диспергентов и сорбентов эффективен в тех случаях, когда механический сбор нефти невозможен, например, при малой толщине пленки или когда разлившаяся нефть представляет реальную угрозу экологически уязвимым районам. Диспергенты представляют собой специальные химические вещества, которые применяются для активизации естественного рассеивания (растворения) нефти с целью облегчить ее удаление с поверхности воды раньше, чем разлив достигнет экологически уязвимого района. Сорбенты (мелко измельченные растительные остатки травянистых и древесных растений, торф, лишайники и др.) при взаимодействии с водной поверхностью впитывают нефтепродукты, после чего образуются комья, насыщенного нефтью. Их в дальнейшем убирают механическими способами, а оставшиеся частички подвергаются разрушению разнообразным путем, включая биологическим.

Биологический метод основан на применении микроорганизмов, утилизирующих нефть и нефтепродукты. Он в основном используется после применения механического и физико-химического методов.

Среди известных биологических методов особое место занимают биотехнологии с использованием биопрепаратов и консорциумов микроорганизмов, созданных на основе аборигенной микрофлоры, присутствующей в природных сточных водах. Известно большое разнообразие коммерческих биопрепаратов,  действие которых основано на биохимическом разрушении углеводородов, входящих в его состав штаммами микроорганизмов. В состав биопрепаратов чаще всего входит один или несколько разновидностей микроорганизмов.

Применение биологического способа очистки отличается от других методов экологической безопасностью, большой эффективностью, а также экономической рентабельностью. При оптимальном выборе консорциума микроорганизмов в сочетании с применением биостимулирующих веществ (некоторых органических веществ, минеральных удобрений и др.) удается ускорить биологическое окисление нефтяных загрязнений в десятки и сотни раз и снизить остаточное содержание нефтепродуктов практически до нулевых значений (Морозов Н.В., 2001).

При утилизации углеводородов нефти с помощью консорциумов микроорганизмов и биопрепаратов необходимо учитывать климатические условия (в основном показатели рН и температуры), свойства нефти определенных месторождений, а также взаимодействия применяемых микроорганизмов с аборигенной микрофлорой очищаемых объектов.

В настоящее время, существует широкий класс гетеротрофных микроорганизмов, включенных в состав бактериальных препаратов. При этом каждый отдельный комплекс микроорганизмов отличается своей индивидуальностью по отношению к тем или иным углеводородам нефти. Например, монобактериальные препараты характеризуются узкой специфичностью по отношению к отдельным углеводородам, небольшим интервалом рН, солености, температуры, концентрации углеводородов. В этом заключается их недостаток.

В природных условиях в разложении нефти принимает участие целый микробиоценоз с характерной структурой трофических связей и энергетического обмена. Поэтому полибактериальные препараты имеют более широкие адаптационные и экологические возможности для использования микроорганизмов в процессах очистки.

В Казанском (Приволжском)  федеральном университете (Россия, г. Казань)  путем целенаправленной селекции созданы консорциумы, в состав которых входят ассоциации из трех, девяти и десяти штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов. Они были выделены из сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия ОАО «Казаньоргсинтез», многочисленных автохозяйств и городского коллектора, отводящего нефтезагрязненные воды. Консорциум обладает  высокой окислительной активностью (по конечному продукту окисления товарной нефти (обессоленной и обезвоженной) и нефтепродуктам 2040 мг СО₂ за 20 суток); способен расти на обедненной питательной среде с высокой скоростью окисления нефти (включая ароматические углеводороды, содержащиеся в парафинах тяжелых нефтей); при 5-35°С и широком диапазоне рН (от 2,5 до 10 единиц). Одним из основных преимуществ разработанного нами консорциума бактерий, является их уникальная способность адаптироваться к конкретным условиям применения, обладает устойчивостью к длительному и непрерывному процессу очистки сточных вод от нефтяных загрязнений, простотой технологии.

Благодаря тому, что в состав консорциума входит большое количество штаммов микроорганизмов они быстро адаптируются к различным условиям среды обитания.  Консорциум как бы “настраивается” на работу с определенными углеводородами, содержащимися в сточных водах. При изменении условий среды, в том числе и состава загрязнителей они быстро перестраивают свой метаболизм за счет изменения структуры консорциума. Препарат не оказывает разрушающего действия (в отличие от агрессивных химических средств) на оборудование и является  экологически безопасным.

Консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов предназначен для глубокой очистки и доочистки углеводородсодержащих стоков:

1) автономно-плавающих судов, автозаправочных станций, станций мойки и ремонта автомашин, механизированных транспортных станций, предприятий местной промышленности и объектов малой канализации;

2) крупнотоннажных заводских стоков различных отраслей промышленности сельского хозяйства и быта с широким спектром остаточных нефтепродуктов и углеводородов;

3) при подготовке высококонцентрированных углеводородсодержащих сточных вод локальных производств, цехов органического синтеза и хозяйств до нормы отвода в биологические очистные сооружения для полного их обезвреживания;

4) при очистке и доочистке промаслянных балластных сточных вод автономно-плавающих судов;

5) при доочистке крупнотоннажных технологических стоков от остатка  нефтепримесей после биологической очистки сточных вод.

6) Консорциум может быть использован и для очистки больших морских акваторий.

С полным вариантом статьи можно познакомиться на сайте Московского общества испытателей природы (https://www.moip.msu.ru)

Авторы: Николай Васильевич Морозов, Ольга Вадимовна Жукова (Казанский  (Приволжский) федеральный университет morozov_nv@mail.ru  olga29783@mail.ru ), Анатолий Павлович Садчиков (Международный биотехнологический центр Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова aquaecotox@yandex.ru)