Способы управления биодеградацией нефти

Триметилнафталены

Специфичны для диапазона высокотемпературной зрелости. Найденый эксперементальным путём максимум получается из хромотограм пахучей фракции гидрокарбона.

Изомеры триметилнафталена могут быть разделены с помощьюхромографии капиллярнного газа. Связь риметилнафталена является хорошим показателем зрелости индикатора (Александер и др., 1985с.):

ТНР-1 = 2,3,6-ТМН/(1,4,6-ТМН + 1,3,5-ТМН)

 

C. 645

Параметры биодеградации

В этой главе объясняется, как анализ биомаркера и небиомаркера используется, чтобы проследить величину биодеградации. Составные классы и парамeтры обсуждаютсся в примерном порядке возрастания сопротивляемости биодеградации. Обсуждение покрывает последние достижения в нашем управлении и механизмах биодеградации нефти и связанного с ними значения аеробной и анаэробной деградации во внешней и внутренней среде. Премеры демонстрируют, как предугадать изначальные физические параметры неочищенных нефтепродуктов ещё до биодеградации.

 

Биодеградация нефти, это переработка (дословно: «изменение») неочищенных нефтепродуктов живыми организмами (напр. Милер и др., 1997; Конан, 1984; палмер, 1993; Бланк и Конан, 1994) Многочисленные эобактерии, грибки и, возможно, архебактерии обеспечивают метадолические переходы по потреблению ненасыщенных и ароматических гидрокарбонов. Существование этих переходов в древности и в различные прокареотические периоды обеспечивает косвенное подтверждение тому, что нефтегазоносные системы появились в период раннего докембрийского периода. Биодеградация нефти в первую очередь является процессом окисления гидрокарбона, в течении которого производится CO₂ и частично окисленные породы, такие как органические кислоты. Гетероатомные соединения менее восприимчивы к биологическому воздействию и увеличению числа родственных явлений, таких как процессы биодеградации. Такое увеличению в первую очередь вызвано насыщением предсуществовавшими (другой вариант перевода «уже существующими») нефтяными НСО соединениями согласно выборочной биодеградации других соединений, однако второй причиной является выработка микробами гетероатомных соединений (главным образов окисленных пород). Качество нефти и полезный объём таким образом повышается с повышением биодеградации.

Количество биодеградированной нефти в мировых может привышать количество используемой (напр. Тиссот и Велт, 1984, стр. 480-481) Самое большия скопления нефти находятся в песчанниках, которые насыщены биодеградированной нефтью. По подсчётам, пояс в Ориноко, в восточной Винесуэле, содержи более 1,2 х 10¹² баррелей нефти, в то время как пояса в западной Канаде все вместе содержат такой же объём. С другой стороны, сверхбольшое нефтяное месторождение Гавар в Саудовской Аравии содержит около 1,9 х 10¹¹бареллей недеградированнойнефти (Roadifer, 1987). Глубинные скопления биодеградированной нефти обычны по всему миру, особенно в третичных дельтовых системах, где скопления могут оставаться относительно охлаждёнными на значительных глубинах, и в глубоководных пластах, где только мелководные залежи доступны для бурения.

Примечание: Эта глава главным образом рассматривает микробиологическую деградацию нефтяных гидрокарбонов. Для того, чтобы обозначить этот процесс мы используем термин «биодеградация». Почти все биологические молекулы, включая биополимеры, могут быть биодеградированы. Это единственный существенный процесс, чтобы рециклировать питательные вещества в биосфере. Грибки, к примеру, необходимыдля разложения лигнинов, вырабатываемых наземными растениями. Следовательно, биохимические пути выработки и разложения питательных веществ вероятно протекали в двух напрвлениях. Многие синтетические соединения и полимеры, такие как тринитротолуен (ТНТ) (крауфорд, 1995; Гайс и Кнакмус, 2002), фосфоорганические средства от насекомых, нервно-параллетические вещества (Йоканови, 2001) и полиестр (Абу-Зейд и др, 2001) тоже восприимчивы к биологическому воздействию.

С. 646 Параметры биодеградации

Загрязнение окружающей среды изменяет коренные популяции микробов, обогащая окружающую среду такими организмами, которые способны выживать и утилизировать отходы. Большинство программ по биовосстановлению производят питательные органические и неорганические вещества, чтобы вызвать рост коренных микроорганизмов, вместо того чтобы внедрять микробы с известными ухудшенными характеристиками.

 

Способы управления биодеградацией нефти

Для биодеградации нефти необходимы условия, которые сопровоздают жизнидеятельность микроорганизмов. Когда эти условия полностью соблюдены, большие объёмы нефти могут быть деградированы за относительно короткие, по сравнению с геологическими и геохимическими процессами, сроки (Connan, 1984; Palmer, 1993; BlancandConnan, 1994). Для того, чтобы произошла биодеградация нефти, необходимо следующее:

· Должен быть достаточный доступ к нефти, акцептрам электоронов (напр. молекулярному кислороду, нитратам, сульфатам, трёхвалентному железу) и неорганическим питательным веществам (напр. фосфору и металлическим микроэлементам). Должна присутствовать вода.

· Минералого-петрографическое строение должно быть достаточно пористым и проницаемым, чтобы осуществить диффузию питательных веществ и подвижность бактерий.

· Температура нефтеносного пласта должна сохраняться в пределах необходимой для жизнеобеспечения. Опытным путём было установлено, что идеальны температуры ниже ~80^оС. При обычных геотермических градиентах такие температурысоблюдаются на глубине <2000 м. Если кратковременно подвергнуть нефтяной пласт воздействию более высоких температур, содержащиеся в нём бактерии могут полостью погибнуть.

· Должны присутствовать микроорганизмы, ответственные за биодеградацию гидрокарбона.

· Минерализация пластовой воды должна быть в целом менее ~100-150 к тысячи.

· В нефтяносный пласте должен отсутствовать H₂S, чтобы аэробные микробы были активны. Либо в пласте должно содержаться не более ~5% H₂S для сохранения активности восстановителя сульфата.

 

Класс и состав пород

Класс, состав пород, пористость и проницаемость могутсильно влиять на микробную активность. В целом, открытые горные породы по сравнению сзакрытыми обладают более благоприятными условиями, позволяя распространяться питательным веществами бактериям (Jenneman и др., 1985; Fredrickson и др., 1997; Krumholz, 2000). Например, Brooks и др. (1998) пришли к выводу, что биодеградация нефти в скоплениях в западной Канаде выше в грубых породах в по сравнению с мелкозернёными.

Большинство нефтематеринских пород зернистые, пористые и с низкой проницаемостью. Следовательно,извлекаемое из большинства нефтематеринских пород не биодеградируется из-за того, что микробам не доступны органические вещества. Извлекаемые, которое являются показателем биодеградации, обычно добываются из пдвергнутых гидроразраву пород, которые покрыты перемещающейся по пластам нефтью. Адсорбация нефти из глинистой среды может изолировать её от микробиотических атак. Например, Wengner и Isaken (2002) выявили, что биодеградация не происходит в покрытых нефтью породах, если их концентрация ниже черты насыщения.

 

То, что бактерии чаще предпочитают открытые породы, позволяет производить промежуточные измерения восстановления нефти. На многих месторождениях поздней стадии разработки заводнение пласта отбензинило почти всю нефть из водопроницаемых участков. Росту микробов может поспособствовать появление там питательных веществ, что в свою очередь заблокирует эти участки и поспособствует промывке слабопроницаемых участков с большим количеством остаточной нефти.

 

Температура

Основным фактором биодеградации является температура нефтеносного пласта. В ходе эмпирических наблюдений было установлено, что микробиотическая биодеградация нефти оптимальна при температуре земной поверхности, а предельная температура биодеградации ~60-80^oC. К примеру, нефть, содержащаяся в пластах на глубинах <1500 м. (<~70 ^oC) в нефтяном месторождении Шенли, в Китае, выемку биодерадированных n-алканов, в то время как на больших глубинах природа n-алканов не меняется. Температурные рамки ~60-80^oC совпадают с ростом и жизненными условиями многих мезофильных бактерий. С другой стороны, эти температуры существенно ниже температур, оптимальных для термолюбивых и археи бактерий. Одна из особо термолюбивых бактерий, Pirolobusfumarii, это археи бактерия сферической формы, полученныеиз глубоководного геотермального источника среднеатлантическим хребтом на глубине 3650 м. Pirolobusfumariiразвивается при температурах от 90^oC до 113^oC (оптимальная температура 106^oC), и экспоненциально развивающиеся культуры выживают в течение часа даже во время стерилизации при 121 ^oC.

Примечание: обнаружение бактерий рядом с источником «чёрного курильщика» (глубоководными выбросами обогащённых рудными компонентами р-ров через подводящие каналы на дне океанов) позволило предположить, что некоторые организмы могут успешно деградировать нефти при гораздо более высоких температурах (~250^oC). Возможно, эти организмы попали в пробы нефти из-за сильной теплоотдачи воды в районе геотермальных источников. Неустойчивость живых макромолекул (напр. протеинов) и мономеров (напр. аденозинтрифосфата) в живых организмах при теипературе выше ~110^oC наводит на мысль, живые организмы могут существовать при более высоких температураДля анаэробная термолюивая архебактерия Pyrodictiumbrockii, полученная из подводных геотермальных источников, оптимальная температура развития достигает 105^oC, что всего на 1^oC ниже, чем у бактерии Pirolobusfumarii.

Некоторые нефтеносные слои заполнялись нефтью при температурах <80^oC, но в настоящее время их температуры выше из-за оседания породы. Эти нефтеносные слои особенно преобладают в быстро оседающих третичных бассеинах. В таких случаях мелководная нефть может диградироваться прежде, чем чем на больших глубинах произошла стерелизация нефтеносных пластов. К примеру, в плеоценских нефтеносных пластах в прибрежной зоне южного нефяного месторождения в Мексиканском заливе биодеградация произошла при температуре ~90^oC. Реконструкция бассеина позволяет предположить, что пески нефтеносного слоя заполнялись нефтью при <70^oC, но позднее осели, и в течении последних одного или двух миллиона лет подвергались более высоким температурам.

 

Наличие микроорганизмов

До недавнего времени считалось, что ниже седиментационной водной среды биосфера распространяется только на несколько метров. Следовательно, только немногие микробиологи проводили исследования пригодности для живых организмов глубоких морских вод. В ранних исследованиях сообщалось об обнаружении теплолюбивых сульфатопроизводящих бактериях в нефтеносных пластах Западной Сибири.

C. 648

До 1990-ых годов в русской научной литературе подвергалось сомнению существование бактерий на глубоких слоях, в то время как большое число исследований выявляло(в основном с помощью 16S rRNA проб) наличие теплолюбивых бактерий во многих глубоководных бассеинах. Бактерии Thrmodesulfobacterium были изолированы от нефтеносного пласта Северного моря (Атлантический океан у берегов Европы) и в последствии рост этих бактерий происходил при похожих условиях.Было доказано, что эти бактерии приспособлены к высоким температурам и давлению, и что нижние слои почвы являются их естественной средой. Бактериидесульфовибрио быливзятыизобразцовводыисточниковПарижскогобассеина (Северо-Французскойнизменности), такжебылозафиксированоналичиегипертермофильных(Archaeoglobus) ипростыхбактерий (Thermotoga, Thermoanaerobacter и Thermodesulfobacterium). Подобные тесно связанные между собой группы бактерий были обнаружены в водных нефтеносных районах по всему миру.

Нижние слои биосферы могут рассматриваться как сплошная микробиотическая масса, которая начинается на уровне осадочных отложений. Сейчас нам известно, что микробная активность может наблюдаться на глубинах более 1000 м. Организмы, находящееся на глубоких слоях, могут вести своё происхождение от микробов, которые сужествовали на поверхности, или попасть в породу сквозь поры с метеоритовой водой. К примеру, штаммы бактерии десульфовибрио из гранитных конусов глубиной 600 м. имеет примерно такие же 16S rRNA последовательности, как и штаммы, развивавшиеся в осадочных отложениях ниже уровня морского дна. Тем не менее, экология и жизнедеятельность микробных колоний в глубоких слоях почвы коренным образом отличаются от того, что можно наблюдать в надонных отложениях.

В конусах породы, взятой в Северном море и Ирландском бассеине минеральных вод, были найдены бактерии местного происхождения. Нужно отметить, что температура в тих областях достигает 150^oC. Кроме того есть косвенное свидетельство жизнедеятельности анаэробных бактерий (H₂S, пирит и экзополимеры) в нефтеносных пластах при температуре 95 ^oC. Обнаружение в нефтеносных породах гипертермофильных бактерий, наравне с обнаружением популяций метаноорганических архебактерий, развивающихся исключительно за счёт неорганических H₂ и CO₂, родило гипотезу о том, что жизнеспособные микробиотические системы могут существовать в верхней части главной зоны нефтеобразования и даже за её пределами.

В Северном море существует связь между температурой нефтеносного пласта и объёмом биодеградации. А вот нефтепродукты Баренцева моря и Уэссекского бассейна не были биодеградированы, хотя температура некоторых из их нефтеносных слоёв значительно ниже. Причина здесь в том, что у этих бассеинов была разная геотермальная история. Температура нефтеносных пластов на грабене Викинг сейчас максимальна, тогда как пласты в Северном море и Уэссекском бассейне в своё время погружались под землю и поднимались обратно. Предполагалось, что последние пласты подверглись стерилизации из-за повышения температуры до >80^оС прежде чем наполниться нефтью. В дальнейшем, единожды лишившись микроорганизмов, эти пласты не были вновь заселены популяциями живыхгидрокарбон-деградирующих организмов. И хотя отсутствие биодеградации в этих более прохладных нефтеносных породах может быть связано с другими факторами, теория о стерилизации поддерживает идею, что активные микробы в глубоких нефтеносных слоях являются потомками микробиотических популяций, существовавших во время напластования нефтеносных осадочных отложений. Это может объяснить то, что нижний предел биодегрдации нефти составляет ~80^oC, а так же общее отсутствие высокотермофильных организмов в нефтеносных слоях с высокими температурами.

Всё ещё не доказано, могут ли микробы попадать в нефтеносные слои с поверхностными водами. Микробы могут оказаться слишком крупными, чтобы проникнуть в мелкопористые породы.

C. 649

Гипертеплолюбивые бактерии, включая те, кторые обитают на глубоководных морских выпускных отверстиях, были одбнаружены в четырёх нефтеносных слоях Северного моря на уровне ~3000 м. ниже уровня дна. Эти микробиотические культуры увеличиваются в объёме при температурах от 85^oC до 102^oC, что соответствует температурам нефтеносных слоёв, в которых они содержатся. Некоторые из этих культур развиваются анаэробно в стерильной морской воде, и единственным источником карбонов и энергии для них является неочищенная нефть. Всё выглядит так, словно эти теплолюбивые бактерии попали в нефтеносные слои вместе с заражённой морской водой, хотя они могли проникнуть туда и через разрывные нарушения. Исследуемые нефтеносные пасты ежедневно затоплялись 40 000 – 127 000 м³ морской воды, чтобы вытеснить необходимую для для производства нефть. Несмотряна применение биоцидов, эти меры не дают 100% эффективности, и живые микроорганизмы всё равно могут сохраняться в воде.

Внимание: Главный вопрос микробиологических нефтерождений – присутствуют ли микробы в нефтеносных пластах изначально, или поподают туда во время бурения и с водой. Несколько исследований оспаривают то, что появление одинаковых микробиотических колоний в разных минеральных водах, которые не подвергались заражению, равноценно тому, что эти колонии – штаммы изначально присутствующих в пластах популляций. Тем не менее, подбор различных проб неинфецированных минеральных вод не гарантирует незаражённые образцы. Например, пробы буровой грязи содержат бактерии ещё до бурения.

 

Минералезация

Геологи давно установили, что биодегродированная нефть чаще всего образуется в места с низкой минерализацией воды (<100-150 частей на тысячу). В пластах с высокой минерализацией нефть обычно не биодеградирована. Многие солёнолюбивые микроорганизмы (напр. различные штаммы зелёных водорослей, бактерии фотосинтезирующие серу и архебактерии) хорошо развиваются в водах с минерализацией более 100-150 частей на тысячу. То, что смещение нефтематочной породы происходит и в солёной и в пресной среде, показывает, что солёнолюбивые организмы могут присутствовать в карбонатах и выпаривать источники и нефтеносные породы.

 

 

Некоторые микроорганизмы способны выжить в очень солёной воде, но это не означают, что они будут и дальше в ней развиваться.К примеру, сорообразующие бактерия, полученная из соляного кристала, возрастом 250 миллионов лет, в пластовом месторождении пермского период Саладо в Нью Мексико. Штамм палочковой бактерии 2-9-3 по всей видимости жил в гипергалинном водоёме на протяжении позднего пермского периода, был заключён в кристалл соли и выжил ввиде спора, пока, наконец, не высвободился и не начал развиваться при абсолютно безмикробных условиях. Месторождениею Саладо примерно столько же лет, как и месторождению Phosphria, богатой нефтематочной породе на западе территории США.

 

C. 650

Бактерии обитали в жидких вкраплениях ледяных-VI кристаллов исохраняли жизнеспособность, даже сбрасывая давление после попадаия в атмосферу. Однако, исследования указывают на обратное, они сообразны с геохимическими наблюдениями. Был рассмотрем случий биодеградации нефти в нефтеносных породах на глубине 2500 м. в Атлантическом бассейне.Так же был продемонстрирован пример высокой биодеградации нефти в нефтематочных породах на глубине ~4000 м. в Южном Каспийском бассейне. В обоих случаях биодеградация, похоже, осуществяется под существенным геологическим давлением, хотя температура нефтематочных пород в результате очень низких термальных градиентов была <80^oC.

 

Стр. 651

Присоединение алкила или другой существующей группы к ароматическому кольцу может поспособствовать новым вариантам раскрытия ароматического кольца.

Схема 16.1.

Подписи в левой части схемы сверху вниз:

Конечный

Монооксигенеза

Бета-окисление

Ацетил-CoA

 

Подписи в правой части сверху вниз:

Субтерминальный

Монооксигенеза

+ Ацетат

 

Пояснение к схеме 16.1.

Аэробная биодеградация протекает в нормальных и разветвлённых алканах.

Ацетил-СоА, ацетил коэнзим А; NAD; никотинамид аденин динуклеотид.

 

Схема 16.2

Циклогексан монооксигенеза -> Циклогексан дегидрогенеза ->

-> Циклогексанон монооксигенеза -> бета-Циклогексанон гидролаза

 

Пояснение к схеме 16.2.

Аэробная деградация циклогексана. NAD, никотинамид адени динуклеотид.

 

Стр. 652

Схема 16.3

Dioxygenase - Диоксигенеза

Monooxygenase- Монооксигенеза

Catechol - Катехин

o-cleavage – о-распад

m-cleavage – м-распад

Succinate + Acetyl-CoA – Сукцинат + Ацетил-СоА

Acetaldehyde + Pyruvate – уксусный аксим + пируват

Под действием кислорода биодеградация нефти главным образом происходит из-за бактерий и грибков. Среди основных грамоположительных бактерий, биодеградирующих УВ, можно назвать нокардии, палочковидные бактерии, Micobacterium, Corybacterium, Arthobacter и Rhodococcus.

 

Стр. 653

Конкретныенные штаммы биодеградируют конкретные углеводороды лучше других.Большинство обычных монооксигенез алканов способны реагировать на широкое разнообразие катализаторов, но активнее всего реагируют на nC5-C12 алканы. Другие организмы могут подвергать мотоболизу только определённые гидрокарбонные катализаторы. Например, некоторые аэробные эубактерии способны деградировать только m-диметилбензолы или p-митилбензолы, тогда как другие эубактерии – только о-метилбензолы. В естественной среде эффективнее всего деградируют нефть популяции, состоящие из разных бактерий. К примеру, штаммы псевдомонад леко используют метилбензолы, их единственный источник карбонов, тогда как другие штаммы, такие как нокардия, могут биодеградировать метилбензолы только как сопродукты обмена веществ. Микробиотическое разнообразие изменяется по мере того, как углеводородыоказываются выборочно исчерпаны.

Внимание: биодеградация бактериями неочищенной нефти может нуждаться в комплексе усовершенствований клеточной мембраны, чтобы гарантировать вязкость нефти. Было проведено сравнение характеристик двух штаммов псевдомонад аэрогиноза, U₁ и U₃, которые были получены из одной и той же колонии микроорганизмов неочищенной нефти «бонни лайт». Клеткам U₁ нужно больше времени для развития в неочищенной нефти, чем клеткам U₃. В течение всего временного периода структура клеток U₁ постепенно становится неровной. В тоже время U₃, развиваясь в нефти, постоянно имеют неровную структуру. Неровная структура в обоих штаммах выявилаутрату определённого антигена, что привело к укорочению мембраны липосахаридов, вызвало гидрофобность клеточной мембраны и повысило биодеградацию n-алканов.

 

654

Быстрая и широкая биодеградации н-алканов в нефтепродуктах больше не может считаться исключительно аэробным процессом.Биохимических способы, используемые анаэробными бактериями для активации гидрокарбонов явно отличаются от тех, которые используются аэробные бактерии. Фактические механизмы анаэробного окисления алканов всё ещё не изучены полностью. Были открыты два пути, по которым протекает активация гидрокорбонов: активация с помощью фумаровой кислоты и активация кольцевого атома углерода соединением С₁.

Как было сказано выше, алкилбензены (С₁-С₅) стали первыми соединениями, в которых была доказана деградация анаэробными бактериями. Было выявлено, что benzylsuccinate является продуктом объмена веществ в обогащенной культуре толуоло-деградирующих сульфато-восстанавливающих бактерий. Он оказался промежуточным продуктом, образовавшимся при реакции толуола на фумарововую кислоту через двойную связь. Затем Benzylsuccinate превращается в процессе обмена веществ в ацетил-СоА и бензол-СоА. Бензол-СоА подвергается восстановительной деароматизации и разрыву колец, сходным с β-окислением жирных кислот. Связь фумаровой кислоты, это обычный способ протекания биодеградации в алкилбензолах, который осуществляется не только в сульфатовосстанавливающих бактериях, но так же и в нитрато- и железо-восстанавливающих, а так же – в фототрофных и метанопроизводящих культурах.

Механизмы протекания деградации бензола, ароматических углеводородов нафталенового, фенантренового и дибензотиофенового ряда, а ещё фенантрена, остаются неизестными. В отличии от алкил-бензолов, биодеградация бензолов требует извлечения водорода из ароматического кольца для создания радикала фенила и затрачивает больше энергии, чем биодегадация метана. Поэтому маловероятно, что в ходе биодеградации возникает связь фумаровой кислоты,по крайней мере на начальном этапе. Были проведены эксперименты, в ходе которых полиароматические углероды, такие как ароматические углеводороды нафталенового, фенантренового и дибензотиофенового ряда и фенантрены были биодеградированы неизвестными сульфатопоглощающими организмами. В ходе экспериментов были использованы морские отложения, которые высвободили ¹⁴СО₂в условиях восстановления сульфатов в присутствии вышенаванных ароматических углеводородов нафталенового, фенантренового и дибензотиофенового ряда ¹⁴С. Добавление молибдата, который присутствует при восстановлении сульфатов, прекращает выработку ¹⁴СО₂ Считается, что анаэробная биодеградация алкилнафталенов протекает так же, как и биодеградация толуола, когда активация происходитблагодаря связи фумаровой кислоты и метиловой группы. Биодеградация нафталена продолжается введением карбоксильной группы, после чего следует ступенчатое снижение ароматического кольца и его расщепление. Биодеградация алкилированных нафталенов может происходить путём активаии фумаровой кислоты.

Схема 16.3

Toluene – толуол

Fumarate – фумаровая кислота

 

Нормальные алканы могут активироваться с помощью фумаровой кислоты так же, как это происходит с алкилбензолами (схема 16. 5). Додецил янтаной кислоты сохраняет все атомы детерия. Предполагается, что метаболиты формеруюся путем добавления через двойную связь фумаратовой кислоты.

 

655

Схема 16.5

Β-oxidation – β-окисление

Chainelongation – цепное удлинение при разрыве

 

Альтернативный механизм активации алканов вовлекает связь части С₁ с концевым атомом углерода. Опеделённые сульфато-всстанавливающие бактерии распределяют жирные кислоты, что означает, чтоуглеродные цепи предшественникав качестве конечного дополнения). Когда один мезофильный штамм (Hxd3) был выращен в гексодекан, были получены жирные кислоты с нечётным числом атомов карбона. Напротив, сульфатовосстанавливающие бактерии, выросшие на гептадекане, производят жирные кислоты с чёиным количеством карбонов. Также, когда сульфатовосстанавливающие бактерии выращивались на [1,2¹³С₂] гексадекане, было зафиксировано, что 2-, 4-, и 6-этиловые жирныех кислоты содержат ¹³С-помеченные карбоны в метиле и среди прилеающих карбонов. Это показывает, чтокарбоны метила ранее были конечными карбонами. Таким образом, экзогенные карбоны были изначально добавлены к алканам в позиции C-2, так, что прежние конечные алканы стали группой метилов, которые впоследствии сформировали жирные кислоты (схема 16.6).

 

656

 

В породах, используемых в экспериментах по образованию ¹⁴С, не хватало свободного кислорода, натратов или сульфатов, и более 95% HCl (0.5 M).Кроме того, извлекаемое железо чаще всего было представлено Fe(II) нежели Fe(III). Возможно, некоторое окисление происходит при помощи небольшого количества Fe(III), которое может писутствовать в этих штаммов. Тем не менее, был сделан вывод, что во многих анаэробных залежах нефти имеет место существенное превращение алканов в метан.

Архебактерии принимают участие в в анаэробном совместном превращении n-алканов в CH₄ и CO₂. Было вынесено предположение, что аэробные микробы биодеградируют нефтьв небольшие функционирующие штаммы, которые затем могут поглощаться метанопродуцирующими бактериями. Тем не менее, процесс анаэробной биодеградации гидрокарбонов был продемонстрирован лишь недавно, когда обнаружилось, что гексадекан может подвергаться биодеградации только смещанными культурами при условии отсутствия кислорода. Гидрокарбон был впервые биодеградирован в ацетат и Н₂ бактерией, произодящей ацетон. Подобные бактерии могут функционировать, только если бактерии, производящие метан и поглощающие сульфаты, поддерживают ацетат и Н₂ в небольших количествах. Когда смещенные культуры развивались при доступе кислорода, не наблюдалось вообще никакой активности, и это показывает, что анаэробные бактерии не учавствуют в суммарной реакции. Ограничения энергии, применяемые к росту микробов в чистых культурах, невозможно применить к естественным скоплениям микробов.

Получены данные, что синтропические реакции протекают в грунтовом слое.

 

Биодеградация метана

Метан активизировать тяжелее, чем большие алканы, и аэробная метанотрофия долгое время считалась единственным биологическим способом потребления метана. Метанотрофы превращают метан в метанол, используя свободный кислород и специальные энзимы, монооксигенезу метана. Тем не менее, пока выработка метана в бескислородных морских отложниях ограничена теми зонами, где сульфаты уже исчепаны, окисление метана осуществляется в промежуточных зонах, в которых ощущается нехватка и метана, и сульфатов. Было сделано предположение, что за анаэробное окисление метана ответственны сульфатопоглощающие бактерии.¹³С-исчерпанный СО₂ в промежуточных зонах является непрямым свидетельством анаэробного окисления метана. Реакция «обратного метаногенезиса» СН₄ + 2Н₂О -> СО₂ + 4Н₂ поддерживается энергетически,если продукт Нможет быстро перемещаться.Сульфатопоглощающие бактерии моут уничтожать водород, в результате чего происходит суммарная реакция СН_{4 +} SO₄^-2 -> НСО₃^- + HS^- +H₂O.

Непрямым доказательством обратного метаногенезиса оказались жизненноважные липиды, настолько исчерпанные в ¹³С(ð¹³С = -90 ± 10‰), что метан вероятнее всего должен быть источником карбонов.

Полученный из метана карбон успешн переносится из окислителей метана в сульфатопоглощающие бактерии. Геномные пробы 16S rRNA показывают, метанотрофичные архебктерии относятся к новой группе, наиболее тесно связанной с метанопроизводящими бактериями Methanosarcinales. Были изучены под микроскопом помеченные флюоресцентом филогенетические штаммы, и появилась возможность установить структурированные объединения архе- и сульфатообразующих бактерий. Архебактерии развиваются в сконцентрированных совкупностях из ~ 100 клеток, окружённых сульфатообразующими бактериями. Совокупности в избытке присутствовали в осадочных породах, связанных с гидратами газа и большим количеством поглащающих сульфаты бактерий. Синтропические объединения являются связующим звеном анаэробного окисления метана. Были обнаружены внушительные 4-ёх метровые скопления карбонатов и источники метана в неокисленных водах Чёрного моря.Карбонаты были покрыты внушительным количеством биомассы, расположенной на структорированных скоплениях.

В конечном итоге Methanosarcinales стали ассоциироваться с источниками метана в осадочных морских отложениях.Текущие исследования бактериальных рДНК показали преобладание β-протеобактерий,в частности, близких к Desulfosarcinavariabilis. Анализ отложений биомаркеров показал наличие бактериальных жирных кислот с сильным истощением углеродов ¹³С, которые, вероятно, являются продуктами этих сульфато-восстанавливающих бактерий. Множество таких углеродов эфирнх жиров предполагаемо имеет бактериальное происхождение, но те, что относятся к Desulfosarcinavariabilis, не связаны с эфирами жиров. Исследования показали, что в окисление метана, происходящее в морских отложениях, также вовлечены и другие бактерии и архебактерии.

 

Схема 16.8

Концентрация растворенного метана и сульфата в поровых водах, темпы окисления метана на литр осадков в зависимости от глубины морских отложений в проливе Каттегат. Окисление метана уменьшается узкой зоне перехода. Также показаны значения β¹³C пристана и пик газовой хроматографии, содержащей фитана и тетраметилгексадекана. Если предположить, что β¹³C фитана является тем же, что и β¹³C пристана, то β¹³C могут быть рассчитаны совместно элюированный тетраметилгексадекан изопреноидов для изучения архебактерий.

 

658

Схема 16.9

Газовые хроматограмы претерпевают систематические изменения в связи с увеличивающимся биологическим распадом отобранной сырой нефти из Африки. Невть была удаленаиз той же самая материнской породы при сходныхтеипературных условиях. Показанная температура резервуара, сила тяжести API, вязкость, и pristane/phytane (Pr/Ph) и pristane/ n C₁₇). MCH, метилциклогексан; UCM, неразложенная сложная смесь.

 

660

Схема 16.10

Hydrocarbongases - гидрокарбоновые газы

Veryslight – очень лёгкие

Slight - лёгкие

Moderate - средние

Heavy - тяжёлые

Severe - очень тяжёлые

Метан

Этан

Пропан

Изо-бутан

Н-бутан

Пентан

Н-алканы

Изоалканы

Бензол, толуол, этил, ксилон

Алкилциклогексаны

Н-алканы, изоалканы

Изопрны

Нафталены

Фенантрены

Хризены

 

Устойчивые стераны

Гопаны

Триароматические стераны

Моноароматические стераны

Гамма цераны

Олананы

Стераны

Трицикличные терпаны

Диастераны

Диагопаны

Норгопаны*

Секо-гопаны*

 

Обобщенная биодеградации. Стрелки показывают, где составные классы сначала изменяются, затем существенно исчерпываются и полностью устраняются.

* Норгопаны и секо-гопаны появляются в ходе биодеградации.

 

Корреляция нефти была произведена при помощи биостойких цикличных ароматических углеводородов, включая множество биомаркеров, которые в значительной степени неизменны на этом уровне биологического распада. Лабораторные и эмпирические наблюдения показали, что биомаркеры также потребляются в избирательномпорядке. Устойчивые стераны и алкилированные ароматические вещества – больше других подвержены биологическому распаду, сопровождаемому появлением ароматическх стероидных углеводороов гопанов, диастеранов, и трициклическихтерпанов. На поздних стадиях изменения производятся определенные биомаркеры, такие как 25-норгопаны.

Схема 16.11

Степень биологического распада зрелой сырой нефти может быть оценена в масштабе 1-10 на основании различного сопротивления составных классов, может подвергнуться воздействию среды перед полным распадом менее стойких классов. Стрелки указывают, где составные классы сначала изменены, существенно исчерпаны и полностью устранены.

Бициклические терпаны

Уильямс и др. (1986 г.) селективно удалял 8β (Н)-гомодриман и другие бициклические сесквитерпаны вместе с 8β(H)-дриманом в нефтях без признаков деградации стеранов или гопанов. Дуга бициклических терпанов отсутствует в тяжелых нефтях Альберты, Канада, где стераны и гопаны были частично биодеградированы (Hoffmann иШтраус, 1986). Эти наблюдения позволяют предположить, что бициклические терпаны изменяются в 4 ряду нефтей и полностью удалён ряд 5.

Тем не менее, Куо (1994b) обнаружил, что распределение бициклических терпанов может быть изменена в лаборатории моделированием вымывания водой. Отношение дримана к 8β (H)-дриману значительно увеличилось, в то время как соотношение 8 β (H)-дриман к 8β(H)-гомодриман увеличилась незначительно. Эти замечания контрастируют с дитерпанами и тетрациклические терпанами, где выявлены небольшие изменения при промывке водой. Мы призываем быть осторожным при недостатке бициклических терпанов,который является показателем ранга биодеградации, потому что есть большой потенциал для их изменения путем промывки водой, многие сильно биодеградированные нефти потеряли существенную часть своих полу-летучих углеводородов, а также сохраненить бициклические терпаны в образце фракционирования трудно.

 

Алкилфенолы

Алкилфенолы,относительно растворимые в воде и следовательно часто наблюдаются в пластовых водах,связаны с нефтяными накоплениями. Следовательно,их истощения в биодеградации нефти может быть результатом либо микробного удаления или промывки водой. Taylor и соавт. (2001) изучал распределение С0-С3 алкилфенолов в нефти Северного моря с аэробной биодеградацией обогащенной кул