Нефтяная микробиология

Нефтяная микробиология — это раздел микробиологии , который занимается изучением микроорганизмов , которые могут метаболизировать или изменять сырую или очищенную нефть . Эти микроорганизмы, также называемые углеводородокластическими микроорганизмами, могут разлагать углеводороды и включают в себя широкое распространение бактерий, метаногенных архей и некоторых грибов . Не все углеводородокластические микробы зависят от углеводородов для выживания, но вместо этого могут использовать нефтепродукты в качестве альтернативных источников углерода и энергии. Интерес к этой области растет из-за все более широкого использования биоремедиации нефтяных разливов . [1] [2] [3]

Приложения

Биоремедиация

Биоремедиация загрязненных нефтью почв, морских вод и масляных шламов на месте является осуществимым процессом, поскольку микроорганизмы, разлагающие углеводороды, распространены повсеместно и способны разлагать большинство соединений в нефтяном масле. В простейшем случае местные микробные сообщества могут разлагать нефть в месте разлива. В более сложных случаях могут применяться различные методы добавления питательных веществ, воздуха или экзогенных микроорганизмов на загрязненный участок. [4] Например, биореакторы включают применение как естественных, так и дополнительных микроорганизмов в контролируемых условиях роста, что обеспечивает высокие показатели биодеградации и может использоваться с широким спектром сред. [4]

Сырая нефть состоит из множества химических соединений, второстепенных компонентов и следов металлов. 50-98% этих нефтепродуктов составляют углеводороды с насыщенными, ненасыщенными или ароматическими структурами, которые влияют на их биоразлагаемость гидронокарбокластами. [5] Скорость поглощения и биоразложения этими углеводородокисляющими микробами зависит не только от химической структуры субстратов, но и ограничивается биотическими и абиотическими факторами, такими как температура, соленость и доступность питательных веществ в окружающей среде. [6] [7]

Alcanivorax borkumensis

Модельным микроорганизмом, изучаемым на предмет его роли в биоремедиации мест разливов нефти и катаболизма углеводородов, является альфа-протеобактерия Alcanivorax , которая разлагает алифатические алканы посредством различных метаболических активностей. [6] Alcanivorax borkumensis использует линейные углеводородные цепи в нефти в качестве основного источника энергии в аэробных условиях. При дальнейшем снабжении достаточным количеством ограничивающих питательных веществ, таких как азот и фосфор, он растет и производит поверхностно-активные глюколипиды, помогающие снизить поверхностное натяжение воды и улучшить поглощение углеводородов. [5] По этой причине нитраты и фосфаты часто добавляются в коммерческих целях на места разливов нефти для привлечения покоящейся популяции A. borkumensis , что позволяет им быстро вытеснять другие микробные популяции и становиться доминирующим видом в среде, зараженной нефтью. [8] [9]

Добавление ограничивающих скорость питательных веществ стимулирует пути биодеградации микроба, включая повышение регуляции генов, кодирующих множественные алкангидроксилазы, которые окисляют линейные алканы различной длины. [10] Эти ферменты по существу удаляют проблемные углеводородные компоненты нефтяного масла, в то время как A. borkumensis одновременно увеличивает синтез анионных глюкопротеинов, которые используются для эмульгирования углеводородов в окружающей среде и повышения их биодоступности. [10] Присутствие сырой нефти вместе с соответствующими уровнями азота и фосфора катализирует удаление нефти либо с помощью механизмов, которые повышают эффективность поглощения субстрата, либо путем прямой биодеградации алифатических цепей.

Коммерческое применение

Два известных разлива нефти являются примерами крупномасштабного применения морской биоремедиации:

В 1989 году танкер Exxon Valdez сел на мель, разлив 41,6 млн литров сырой нефти и запустив одну из первых крупных попыток биоремедиации после разлива нефти. Очистка береговой линии Аляски частично основывалась на применении удобрений для усиления роста бактерий. [11]

В 2010 году разлив нефти BP Deepwater Horizon привел к выбросу 779 миллионов литров нефти в Мексиканский залив. Это был крупнейший разлив нефти за всю историю, и местные нефтяные микроорганизмы сыграли важную роль в разложении нефти и очистке. [12]

Биосурфактанты

Это синтезированные микробами поверхностно-активные вещества , которые позволяют более эффективно проводить микробную биодеградацию углеводородов в процессах биоремедиации. Биосурфактанты участвуют в биоремедиации двумя способами. (1) Увеличивают площадь поверхности гидрофобных водонерастворимых субстратов. Рост микробов на углеводородах может быть ограничен доступной площадью поверхности на границе раздела вода-нефть. Эмульгаторы, вырабатываемые микробами, могут разбивать нефть на более мелкие капли, эффективно увеличивая доступную площадь поверхности. (2) Увеличивают биодоступность гидрофобных водонерастворимых субстратов. Биосурфактанты могут повышать доступность связанных субстратов путем их десорбции с поверхностей (например, почвы) или путем увеличения их кажущейся растворимости. Некоторые биосурфактанты имеют низкие критические концентрации мицелл (ККМ), свойство, которое увеличивает кажущуюся растворимость углеводородов путем секвестрации гидрофобных молекул в центрах мицелл . [ 13]

Добыча нефти

Микробное повышение нефтеотдачи (MEOR) — это технология, в которой микробная среда подвергается манипуляциям для повышения нефтеотдачи. Питательные вещества вводятся in situ в пористые среды, а местные или добавленные микробы способствуют росту и/или вырабатывают продукты, которые мобилизуют нефть в добывающие скважины. В качестве альтернативы, нефтемобилизующие продукты могут быть получены путем ферментации и закачаны в резервуар. Различные продукты и микроорганизмы полезны в этих приложениях, и каждый из них даст разные результаты. Две общие стратегии повышения нефтеотдачи — это изменение поверхностных свойств интерфейса и использование биологического засорения для изменения поведения потока. [14] Биомасса , биосурфактанты , биополимеры , растворители , кислоты и газы — вот некоторые из продуктов, которые добавляются в нефтяные резервуары для повышения нефтеотдачи. [4] Другие ресурсы для этого приложения: [15] [16]

Биосенсоры

Микробные биосенсоры идентифицируют и количественно определяют целевые соединения, представляющие интерес, посредством взаимодействия с микробами. Например, бактерии могут использоваться для идентификации загрязняющего вещества путем мониторинга их реакции на определенное химическое вещество. Биосенсорная система может просто использовать рост бактерий в качестве индикатора загрязняющего вещества или полагаться на генетические анализы , в которых репортерный ген индуцируется химическим веществом.

Многие аналитические методы требуют дорогостоящей обработки образцов почвы и/или дорогостоящего оборудования для обнаружения присутствия загрязняющих веществ. Бактериальные биосенсорные системы предлагают потенциал для дешевых, надежных систем обнаружения, которые являются селективными и высокочувствительными. Одна из разработанных систем использует Pseudomonas fluorescens HK44 для количественного анализа нафталина с использованием биолюминесценции . [17]

Вызовы

Часто в процессе разложения загрязняющего вещества микроб может создавать промежуточные или побочные продукты , которые также вредны, иногда даже более вредны, чем исходный субстрат . Например, некоторые микробы производят сероводород в качестве побочного продукта при разложении определенных нефтяных углеводородов, и если эти газы не детоксифицируются перед выходом из системы, они могут быть выброшены в атмосферу. [18]

Пути биодеградации

Пути деградации различных нефтепродуктов различаются в зависимости от субстрата и микроорганизма (т. е. аэробные/анаэробные). Конкретные пути деградации многих углеводородных соединений можно найти в базе данных биокатализа/биодеградации Университета Миннесоты.

Ссылки

  1. ^ Десаи, Анджана; Вьяс, Пранав. «Прикладная микробиология_Нефтяная и углеводородная микробиология» (PDF) .
  2. ^ Маго, Мишель; Оливье, Бернар; К. С. Патель, Бхарат (февраль 2000 г.). «Микробиология нефтяных резервуаров». Антони ван Левенгук . 77 (2): 103– 116. doi :10.1023/A:1002434330514. PMID  10768470. S2CID  354538.
  3. ^ Басс, Кэтрин. "Вклад ЗоБелла в микробиологию нефти" (PDF) . Микробные биосистемы: новые рубежи .
  4. ^ abc JD, Van Hamme; A, Singh; OP., Ward (2003). «Последние достижения в нефтяной микробиологии». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 67 (4): 503–49 . doi :10.1128/mmbr.67.4.503-549.2003. PMC 309048. PMID  14665675. 
  5. ^ Нефть в море: входы, судьбы и последствия . Вашингтон: National Academies Press. 1985. ISBN 978-0-309-07835-1.
  6. ^ ab Head, Ian M.; Jones, D. Martin; Röling, Wilfred FM (март 2006 г.). «Морские микроорганизмы питаются нефтью». Nature Reviews Microbiology . 4 (3): 173– 182. doi :10.1038/nrmicro1348. PMID  16489346. S2CID  251141.
  7. ^ Дашти, Нарджес; Али, Недаа; Элияс, Мохамед; Ханафер, Маджида; Сорхох, Насер А.; Радван, Самир С. (2015). «Большинство гидрокарбокластических бактерий в общей среде являются диазотрофными, что подчеркивает их ценность в биоремедиации углеводородных загрязнителей». Микробы и окружающая среда . 30 (1): 70–75 . doi :10.1264/jsme2.ME14090. PMC 4356466. PMID 25740314  . 
  8. ^ Атлас, Рональд М.; Хазен, Терри К. (15 августа 2011 г.). «Биодеградация и биоремедиация нефти: история двух худших разливов в истории США». Environmental Science & Technology . 45 (16): 6709– 6715. Bibcode : 2011EnST...45.6709A. doi : 10.1021/es2013227. PMC 3155281. PMID  21699212 . 
  9. ^ Каппелло, Симоне; Денаро, Рената; Дженовезе, Мария; Джулиано, Лаура; Якимов, Михаил М. (апрель 2007 г.). «Преобладающий рост Alcanivorax во время экспериментов по «биоремедиации нефтяных разливов» в мезокосмах». Микробиологические исследования . 162 (2): 185–190 . doi : 10.1016/j.micres.2006.05.010 . PMID  16831537.
  10. ^ аб Шнайкер, Сюзанна; дос Сантос, Витор А. П. Мартинс; Бартельс, Даниэла; Бекель, Томас; Брехт, Мартина; Бурместер, Йенс; Черникова Татьяна Н; Денаро, Рената; Феррер, Мануэль; Гертлер, Кристоф; Гёсманн, Александр; Голышина Ольга Владимировна; Камински, Филип; Хачане, Амит Н; Ланг, Зигмунд; Линке, Буркхард; Макхарди, Элис С; Мейер, Фолкер; Нечитайло, Тарас; Пюлер, Альфред; Регенхардт, Даниэла; Рупп, Оливер; Сабирова Юлия С; Сельбичка, Вернер; Якимов Михаил М; Тиммис, Кеннет Н; Форхёльтер, Франк-Йорг; Вайднер, Стефан; Кайзер, Олаф; Голышин, Питер Н (30 июля 2006 г.). «Геномная последовательность повсеместной углеводородоразлагающей морской бактерии Alcanivorax borkumensis». Nature Biotechnology . 24 (8): 997– 1004. doi : 10.1038/nbt1232 . PMC 7416663 . PMID  16878126. 
  11. ^ Boufadel, Michel C.; Geng, Xiaolong; Short, Jeff (декабрь 2016 г.). «Биоремедиация нефти Exxon Valdez на пляжах залива Принца Уильяма». Marine Pollution Bulletin . 113 ( 1– 2): 156– 164. doi : 10.1016/j.marpolbul.2016.08.086 . PMID  27622928.
  12. ^ T, Van Siddique; T, Penner; J, Klassen; C, Nesbo; JM, Foght (2012). «Микробные сообщества, участвующие в производстве метана из углеводородов в хвостохранилищах нефтеносных песков». Environmental Science & Technology . 46 (17): 9802– 10. Bibcode : 2012EnST...46.9802S. doi : 10.1021/es302202c. PMID  22894132.
  13. ^ EZ, Ron; E, Rosenberg (2002). «Биосурфактанты и биоремедиация нефти». Curr Opin Biotechnol . 13 (3): 249– 52. doi :10.1016/S0958-1669(02)00316-6. PMID  12180101.
  14. ^ Грей, Мюррей; Йенг, Энтони; Фогт, Джулия; Яррантон, Харви В. (2008). «Потенциальные микробные процессы повышения нефтеотдачи: критический анализ». Ежегодная техническая конференция и выставка SPE . doi :10.2118/114676-MS.
  15. ^ Банат, ИМ (1995). «Производство биосурфактантов и возможное использование в микробиологическом повышении нефтеотдачи и ликвидации нефтяных загрязнений: обзор». Bioresource Technology . 51 : 1– 12. doi :10.1016/0960-8524(94)00101-6.
  16. ^ Стосур, Г. Дж. (1991). «Нетрадиционные концепции повышения нефтеотдачи». Crit. Rep. Appl. Chem . 33 : 341–73 .
  17. ^ Trögl, Josef; Chauhan, Archana; Ripp, Steven; Layton, Alice C.; Kuncová, Gabriela; Sayler, Gary S. (6 февраля 2012 г.). "Pseudomonas fluorescens HK44: уроки, извлеченные из модельного цельноклеточного биорепортера с широкой историей применения". Sensors . 12 (2): 1544– 1571. doi : 10.3390/s120201544 . PMC 3304127 . PMID  22438725. 
  18. ^ Сиддик, Тарик; Пеннер, Тара; Классен, Джонатан; Несбё, Камилла; Фогт, Джулия М. (2012). «Микробные сообщества, участвующие в производстве метана из углеводородов в хвостохранилищах нефтеносных песков». Environmental Science & Technology . 46 (17): 9802– 9810. Bibcode : 2012EnST...46.9802S. doi : 10.1021/es302202c. PMID  22894132.

Дальнейшее чтение

  • Дэвис, Джон Б.; М. Апдеграфф, Дэвид (1954). «Микробиология в нефтяной промышленности». Bacteriol Rev. 18 ( 4): 215–38 . doi : 10.1128/MMBR.18.4.215-238.1954. PMC  440986. PMID  13219047.
  • Джонс, Тревор; Вандекастил, Жан-Поль. Нефтяная микробиология . Издания ОФРИС. ISBN 978-2710811350.
  • Оливье, Бернар; Маго, Мишель (2005). Нефтяная микробиология_ Серия Американского общества микрофонов . ASM Press. ISBN 978-1555813277.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Petroleum_microbiology&oldid=1172892974"