Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Биотехнология нефтедобычи: принципы и применение

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ И БИОГЕОХИМИИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

В основе биологических процессов, протекающих в нефтяных пластах, лежит функциональная деятельность различных групп микроорганизмов. В связи с этим необходимо иметь общие представления о микроорганизмах и их свойствах, чтобы научиться управлять этими процессами, активностью микроорганизмов, обеспечить целенаправленное регулирование их геологической деятельности для решения практических проблем биотехнологии нефтедобычи. Поэтому биотехнология нефтедобычи начинается с общих сведений о микроорганизмах и основных законах управления процессами их жизнедеятельности.

Микроорганизмы. Биогеохимическая деятельность

Отличительный признак микроорганизмов, отраженный в самом их названии, - крайне малые размеры отдельной микробной клетки. Бактерии (от латинского слова bacterium - палочка) - это наиболее широко распространенная в природе группа микроорганизмов, представляющих собой большой и очень разнообразный мир микроскопических существ. Клетки наиболее мелких бактерий имеют в поперечнике менее 0,1 мкм (т.е. 0,0001 мм). Подавляющая часть бактерий - это палочки, толщина которых в среднем составляет 0,5-1 мкм, а длина - 2-3 мкм. Форма клеток у бактерий может быть самой разнообразной: палочковидной (цилиндрической), шаровидной (кокки), спиральной (вибрионы, спириллы, спирохеты) и т.д. (рис. 4). По характеру движения - подвижные (при помощи жгутиков), неподвижные. По цвету: бесцветные, окрашенные (пурпурные, зеленые, сине-зеленые). Питаются, используя различные органические вещества (гетеротрофы) или создавая органические вещества клеток из неорганических (автотрофы). Способны расти как в присутствии атмосферного кислорода (аэробы), так и при отсутствии (анаэробы). Участвуют в круговороте веществ в природе, формировании структуры и плодородия почв, в образовании и разрушении полезных ископаемых; поддерживают запасы углекислого газа в атмосфере.

Как правило, бактерии размножаются делением надвое (т.н. бинарное деление), следовательно, их число растет в геометрической последовательности: 2° 21 23.....2П. В росте клеток микроорганизмов различных

видов имеются различия (табл. 4).

Как для растений и животных, так и для микроорганизмов применяется бинарная номенклатура: родовое и видовое название. Родовое название пишут с заглавной, видовое с прописной буквы. Присвоение названия и его использование регламентируются твердыми правилами. Классификация микроорганизмов подразумевает распределение единиц

по группам более высокого порядка, которое осуществляется по иерархической схеме. Основной единицей является чистая культура выделенного микроорганизма - «штамм». Штаммы объединяются в виды, виды в роды, а роды- в семейства. Так, когда говорят: «штамм бактерии Pseudomonas aeruginosa» - это значит, что культура бактерий принадлежит к роду Pseudomonas, a aeruginosa - его видовое название.

Формы бактерий

Рис. 4. Формы бактерий:

1 - микрококки; 2 - стрептококки; 3 - сарцины; 4 - палочки без спор; 5 - палочки со спорами (бациллы); 6 - вибрионы; 7 - спирохеты; 8 - спириллы

Таблица 4

Рост и размножение микроорганизмов

Наименование

Тип размножения

Схемы размножения

Примечание

Бактерии

Деление

Обе дочерние клетки одинаковы

Дрожжи

Почкование

Дочерние клетки Материнские клетки

Мицелиаль-ные грибы

Удлинение и разветвление

мицелия

Удлинение

Разветвление

Состав микробов обычно выражают в виде процентного содержания углерода, азота, кислорода, водорода и золы в расчете на сухую массу. На самом деле жизнеспособные микроорганизмы состоят в основном из воды: на ее долю приходится примерно 70% массы клеток.

Средняя бактериальная клетка имеет объем 1 мкм3, что определяет весь активный обмен с окружающей средой и обусловливает также высокую интенсивность метаболизма. Соответственно высокими оказываются и темпы роста микроорганизмов. Так, для сравнения: клетки млекопитающих делятся через одни сутки, дрожжи - через 1,5-2,0 часа, а бактерии через 30-60 минут. Поэтому в организме коровы, которая весит 500 кг, за сутки образуется всего около 0,5 кг белка, тогда как 500 кг клеток микроорганизмов синтезируют за этот же срок более 50 кг белка!

Бактерии вездесущи, они обнаруживаются всюду: в каждой капле даже самой чистой воды, в крупинках почвы, в воздухе, в снегах и водах полярных областей, в водах всех морей, рек, в подземных водах, в почвах пустынь, в грунтах океанов на глубине 4 км, в нефти, добытой из глубокозалегающих нефтяных пластов. Бактерии способны даже жить в водах горячих источников с температурой выше 809С.

Благодаря ничтожно малым размерам бактерии легко проникают в трещины, щели, поры, на большие глубины. Они очень выносливы и приспособлены к неблагоприятным условиям существования: переносят высушивание, сильные холода, нагревание до 80—909С, не теряя при этом жизнеспособности. А споры бактерий выдерживают даже температуру кипения воды. Благодаря высокому внутриклеточному осмотическому давлению микроорганизмы устойчивы к высоким давлениям -10-20 атм и выше.

Громадное планетарное значение имеет геологическая деятельность бактерий. Они принимают самое активное участие в круговороте веществ в природе. Все органические соединения и значительная часть неорганических подвергаются при этом существенным изменениям. Этот круговорот веществ является основой существования жизни на Земле.

При сравнительно бедных морфологических признаках микроорганизмы отличаются большим разнообразием осуществляемых ими в природе превращений веществ. Бактерии в совокупности с другими группами микроорганизмов - дрожжами, грибами, водорослями - выполняют колоссальную химическую работу. При их участии происходит разложение сложных органических веществ - растительных и животных остатков - до простых минеральных соединений: углекислоты, аммиака, нитратов, сульфатов и др., которые вновь ассимилируются растениями, а затем поступают в организм животного и человека. Таким образом, с участием бактерий на Земле осуществляется в колоссальном масштабе круговорот жизненно необходимых элементов: углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

Превращая различные соединения, бактерии получают необходимую для их жизнедеятельности энергию и питательные вещества. Процесс обмена веществ, способы добывания энергии и потребности в материалах для построения веществ своего тела у бактерий очень разнообразны. Одни из бактерий нуждаются в готовых органических веществах - аминокислотах, углеводах, витаминах, которые должны присутствовать в среде, так как сами не могут синтезировать их. Такие микроорганизмы называются гетеротрофами. Другие микроорганизмы все потребности в соединениях углерода, необходимых для синтеза веществ тела, удовлетворяют исключительно за счет углекислоты. Они называются авто-трофами, т.е. сами себя питающие. В круговороте углерода в природе принимают участие как авто-, так и гетеротрофные организмы, причем существует определенное равновесие между фиксирующими СО2 и фотосинтезирующими организмами (главным образом растениями) и между организмами, разрушающими органические соединения, т.е. гетеротрофами.

Каждый организм для поддержания жизни и осуществления процессов в клетке, совокупность которых составляют обмен веществ, нуждается в постоянном и непрерывном притоке энергии. Гетеротрофные организмы получают энергию при окислении органических веществ. Если бы в природе существовало какое-либо органическое вещество естественного происхождения, которое не могло бы быть окислено каким-либо микробом, то оно неизбежно накапливалось на поверхности Земли, однако это не происходит. Только в недрах, изолированных от кислорода, могут сохраняться органические вещества, такие как нефть, уголь. Против микробного окисления не могут устоять даже многие искусственно полученные синтетические вещества, отсутствующие в самой природе. Но не все бактерии могут разлагать все органические соединения. Есть бактерии с определенной субстратной специфичностью, есть и более универсальные.

Бактерии способны окислять не только органические, но и неорганические соединения. Эти микроорганизмы способны синтезировать органические соединения ИЗ СО2, а источником энергии у них служит энергия окисления неорганических веществ. Окисление микроорганизмами неорганических веществ: серы, аммиака, водорода, соединений железа и др., - в процессе которого происходит синтез органических веществ из углекислоты, называется хемосинтезом, а микроорганизмы, осуществляющие этот процесс, называются хемосинтетиками.

Различные вещества могут окисляться микроорганизмами не только за счет свободного кислорода, но и за счет связанного, например, нитратов, сульфатов, карбонатов. Денитрифицирующие, сульфатвосстанавли-вающие, или метановые бактерии в анаэробных условиях, т.е. в условиях полного отсутствия свободного кислорода воздуха, могут окислять органические и неорганические вещества с помощью этих соединений, которые при этом восстанавливаются соответственно до аммиака, азота, водорода, метана, сероводорода.

Огромное разнообразие окисляющихся веществ в природе предполагает существование разнообразных механизмов окисления.

Жизнедеятельность микроорганизмов протекает при участии ферментов - органических соединений, катализирующих все реакции, протекающие в живой клетке. Большая часть белков в микробной клетке представлена именно в виде ферментов. В любой микробной клетке их 1000-2000. Одни ферменты, относящиеся к экзоферментам (например, амилаза, целлюлаза и др.), выделяются микробными клетками наружу и участвуют в подготовке (расщеплении) субстрата для его проникновения в клетку; другие ферменты, например, пермеазы, участвуют в процессах транспорта веществ через клеточные мембраны, третьи - катализируют процессы разложения органических веществ и генерирование энергии, биосинтез макромолекул непосредственно в самой клетке, это эндоферменты.

В живой клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса: распад молекул - катаболизм и их синтез - анаболизм, составляющие в целом процесс обмена веществ - метаболизм.

Клетка микроорганизмов является открытой биологической системой, для обмена веществ ей необходимы внешние источники энергии, поскольку процессы синтеза требуют расхода энергии. Клетки микробов должны совершать непрерывную работу (процессы активного транспорта веществ внутрь клетки, движения и деления и др.), что также требует энергии. Источником энергии для клетки являются богатые энергией вещества - пища для микробов (рис. 5).

Микробный метаболизм отличается значительной интенсивностью. Малые размеры микробных клеток, высокая величина отношения их поверхности к объему облегчает быстрый транспорт питательных компонентов в клетку и поддерживает высокую метаболическую активность.

У большинства организмов расщепление органических веществ происходит в присутствии кислорода, это т.н. аэробный обмен, а микроорганизмы, участвующие в них, называются аэробными. В результате превращения органических веществ остаются бедные энергией конечные продукты - СОг и Н2О, но высвобождается много энергии. Аэробный обмен веществ называют дыханием, анаэробный называют брожением.

Поток углерода

-?

Поток углерода

? 1>

Рис. 5. Потоки углерода и энергии для гетеротрофных микроорганизмов

и образование продукта

Дыхание является совершенной формой окислительного процесса и наиболее эффективным способом получения энергии. При дыхании энергия используемого микроорганизмом субстрата потребляется наиболее полно. Поэтому при дыхании перерабатывается гораздо меньше субстрата для получения определенного количества энергии, чем при брожении. Процесс дыхания заключается в том, что углеводы (или белки, жиры и др. органические соединения) разлагаются, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды, выделяющаяся при этом энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности микроорганизмов, рост и размножение. Бактерии вследствие ничтожно малых размеров своего тела не могут накапливать значительного количества запасных веществ, поэтому они с высокой скоростью используют питательные соединения среды. В общем виде дыхание можно представить в виде уравнения

С6Н120б + б02 = 6С02 + 6Н20 + 2,87 • 106 Дж

За этой простой формулой скрывается сложная цепь химических (биохимических) реакций, каждая из которых катализируется специфическими ферментами.

Дыхание является процессом, дающим энергию, однако его биологическое значение этим не ограничивается. В результате химических реакций, сопровождающих дыхание, образуется большое количество промежуточных соединений, т.н. метаболитов. Из этих соединений, имеющих различное количество углеродных атомов, могут синтезироваться самые разнообразные вещества клетки: аминокислоты, жирные кислоты, жиры, белки, витамины. Поэтому обмен углеводов определяет остальные обмены веществ - белков и жиров, и в этом его огромное значение.

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях схематически можно представить в виде следующего уравнения:

СхНуОлЫ + (х+ у/4 + л/3 + 3Л02) -? хС02 + (у - 3) / 2Н20 + Ш3 + АН; (1)

СхНуОлИ + Ш3 + 02 С5Н7Ш2 + С02 + АН (2)

Реакция 1 показывает характер окисления органического вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки, реакция 2 -для синтеза клеточного вещества. Как видно из реакций, химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии.

Микроорганизмы способны использовать только связанную химическую энергию. Универсальным переносчиком энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в ходе реакции присоединения остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозин-дифосфорной кислоты (АДФ):

АДФ + Н3Р04 -»> АТФ + Н20

Жизнь микроорганизмов возможна и без доступа кислорода воздуха. Энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизма, в этих условиях образуется в результате брожения. Брожение никогда не приводит к полному окислению органических веществ. Анаэробный способ извлечения энергии - брожение, более древний, чем процесс дыхания. Известны различные типы брожения: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др., которые вызываются различными микроорганизмами. Сбраживаться могут только углеводы и притом весьма избирательно.

Схематично спиртовое брожение изображается в виде уравнения

С6Н1206 С2Н5ОН + 2С02 + 23,5 ТО4 Дж

Обычно при спиртовом брожении в небольшом количестве образуются также амиловый, бутиловый и др. спирты, смесь которых называют сивушным маслом.

При молочнокислом брожении конечным продуктом является молочная кислота:

C6Hi206 -? CH3CHOH + 21,8 • 104 Дж

Этот вид брожения вызывают молочнокислые бактерии.

Другой тип брожения - маслянокислое. Бактерии, осуществляющие этот тип брожения, могут сбраживать разнообразные вещества - углеводы, спирты, кислоты, высокомолекулярные соединения, такие как крахмал, гликоген, декстрины. Маслянокислое брожение в общем виде описывается следующим уравнением:

С6Н1206 СН3СН2СООН + 2С02 + 2Н2

При этом брожении наряду с масляной кислотой, С02 и Н2 образуются этиловый спирт, молочная и уксусная кислоты. Некоторые маслянокислые бактерии, кроме того, образуют ацетон, бутанол и изопропиловый спирт.

Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение, являются облигатными анаэробами, т.е. могут функционировать только лишь в отсутствии кислорода воздуха, а некоторые являются факультативными анаэробами. Последние способны расти как в присутствии кислорода, так и без него. Однако при наличии кислорода брожение подавляется и сменяется дыханием.

Три основные типы брожений органически связаны между собой -начальные пути разложения углеводов у них одинаковы.

В табл. 5 указаны известные основные типы брожения. Некоторые из этих типов брожения, в частности метановое, играют существенную роль в преобразовании веществ в нефтяных пластах, а процессы сбраживания углеводных веществ используются в биотехнологиях нефтедобычи.

Таблица 5

Типы брожения

Брожение и возбудитель

Суммарное химическое уравнение реакций

Кол-во

молекул

АТФ

Спиртовое (Sacharomyces, Pseudomonas linderi)

С6Н1206 + 2АДФ + 2Ф -? 2С2Н5ОН +

+ 2АТФ + 2С02

2

Молочнокислое:

  • • гомоферментативное (Lactobacillus )
  • • гетеротрофное (Betabac-terium, Leuconostoc)

С6Н120б -*? 2СН3СНОНСООН

С6Н1206 + АДФ — С6Н5ОН +

+ СН3СНОНСООН + С02 + 2АТФ

  • 2
  • 1

Пропионовокислое (Propionobacterium )

С6Н1206 + АДФ + Na -> NaOH + Н+ +

+ С2Н5ОН + АТФ

2,6

Маслянокислое (Clostridium)

C6Hi206 -»• СН3СН2СН2СООН +

+ 2С02 + 2Н2

2

Метановое (Methanobacte-rium; Methanobacillus; Methanosarcina )

4СН3ОН -»? ЗСН4 + С02 + 2Н20

С02 + 4Н2 -> СН4 + 2Н20 НСООН + ЗН2 -*• СН4 + 2Н20

4

Брожение и дыхание являются основными источниками энергии, необходимой микроорганизмам для нормальной жизнедеятельности.

В основе любого процесса, протекающего при участии микроорганизмов, лежит та или иная реакция или последовательность реакций. Основную роль при превращении органических веществ играют процессы, протекающие внутри микробной клетки. Эти процессы завершаются окислением вещества, выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии. Чтобы имели место биохимические превращения органических веществ, они должны прежде попасть внутрь микробной клетки.

К поверхности микробных клеток вещества поступают за счет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны. Однако большая часть веществ попадает внутрь клеток с помощью специфического бел-ка-переносчика - пермеазы.

Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень сложный процесс биохимических превращений. В строго определенной последовательности с высокой скоростью протекает большое количество реакций. Скорость биохимических реакций и их последовательность зависит от вида микроорганизма, содержания ферментов, которые выполняют роль катализаторов. Ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с очень маленькой скоростью. Ферменты представляют собой сложные белковые соединения с молекулярной массой, достигающей сотен тысяч и миллионов. Каталитические реакции протекают на поверхности молекул ферментов, на которых возникают активные центры. По сравнению с химическими катализаторами ферменты способны действовать в более «мягких» условиях, т.е. при невысоких температурах, нормальном давлении и реакции среды, близкой к нейтральной. Другой особенностью ферментов является их субстратная специфичность, т.е. каждый из них взаимодействует только с определенным химическим соединением и катализирует одно из многих превращений, которым подвергается данное химическое вещество.

При изменении состава и концентрации вещества необходимы ферменты иного состава. Следовательно, каждую реакцию катализирует один соответствующий фермент. При этом продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Все это является существенным отличием ферментного катализа.

Клетки каждого вида микроорганизмов имеют определенный набор ферментов. Некоторые из них независимо от субстрата постоянно присутствуют в клетке микроорганизмов. Такие ферменты называются конститутивными. Другие ферменты синтезируются в клетке вследствие каких-либо изменений в окружающей среде, например, изменения состава поступающих в нефтяной пласт органических веществ. Эти ферменты называются индуцибельными. Сроки адаптации микробных клеток к новым субстратам питания различны и продолжаются от нескольких часов до десятков и сотен дней.

Скорость биохимических превращений органических веществ определяется активностью ферментов, которая зависит от температуры, pH, наличия биогенных элементов. С повышением температуры скорость ферментативных процессов повышается, но до определенного предела. Для каждого фермента имеется оптимум температуры, выше которой скорость реакции падает. Для разложения сложной системы (смеси) органических соединений необходимо 80-100 различных ферментов.

Скорость образования и распада ферментов в микробной клетке зависит от условий роста микроорганизмов и определяется скоростью поступления в клетку веществ, ингибирующих или активизирующих биохимические процессы.

К числу веществ, которые могут активизировать деятельность ферментов, относятся многие витамины, а также катионы Са+2, Мд+2, Мп . Наряду с этим соли тяжелых металлов, антибиотики ингибируют процессы разложения. Они блокируют активные центры ферментов, препятствуют их реакции с субстратом, т.е. резко снижают активность.

Для жизнедеятельности микроорганизмов большое значение имеют условия внешней среды. Организмы для роста и развития нуждаются в определенных питательных веществах. Среди всех питательных элементов наибольшее значение имеет углерод, содержание которого в сухом весе клеток микроорганизмов достигает 50%. Элементный состав клеток микроорганизмов в среднем характеризуется следующими величинами (% массы сухого вещества): углерод - 50, кислород - 20, азот -14, водород - 8, фосфор - 3, сера - 1, калий и натрий - по 1, кальций, магний и хлор - по 0,5, железо -0,2, другие элементы - 0,3. Углерод, кислород, водород и азот являются основными элементами органических соединений, содержащихся в клеточных компонентах. Наряду с этими соединениями фосфор, сера, калий, кальций, магний и железо являются биоэлементами, которые требуются микроорганизмам в относительно высоких концентрациях (>1(Г4моль). Помимо этих биоэлементов, микроорганизмам требуются и другие элементы, но в относительно малых количествах. Это цинк, марганец, молибден, медь - это так называемые микроэлементы. Помимо макро- и микроэлементов большинство микроорганизмов нуждается в небольших количествах веществ, получивших название факторов роста. Это витамины и родственные им соединения, а также аминокислоты, пурины и пиримидины.

Микроорганизмы обладают широкими возможностями в отношении путей превращения органических и минеральных соединения. Многообразие процессов жизнедеятельности у микроорганизмов привело к формулированию «доктрины метаболической безотказности микробов», согласно которой любое имеющееся в природе соединение углерода используется каким-либо микробом. Однако, несмотря на широкое разнообразие источников углерода и энергии, каждый данный микроорганизм может использовать какие-то определенные из этих соединений.

Микроорганизмы, характеризуясь высокой пластичностью, обладают широким спектром биохимических возможностей. Они осуществляют процессы окисления, гидрирования, гидролиза, этерификации, конденсации, метилирования, декарбоксилирования, дегидратации, дезаминирования, аминирования и многие другие реакции, в которых субстратами служат самые разнообразные органические вещества. Многие из них поли-функциональные и в зависимости от условий жизнедеятельности могут осуществлять подавляющее большинство из указанных реакций.

Любой гетеротрофный микроорганизм способен расти на самых разных субстратах - источниках углерода и энергии. Большинство углеводов служат субстратом для очень широкого спектра микроорганизмов; для углеводородов этот спектр значительно уже; на некоторых синтетических органических соединениях способны расти лишь очень немногие микроорганизмы, а большинство таких соединений вообще не может служить субстратами. Так, легко окисляется бензойная кислота, этиловый и амиловый спирт, гликоли, ацетон, глицерин, сложные эфиры. Одно-, двух- и трехатомные спирты, а также вторичные спирты легко окисляются, а третичные труднее. Наличие функциональных групп повышает способность к биологическому разложению соединений в следующей последовательности: СН3, -ООССН3, -СНО, -СН2ОН, -СНОН, -СООН, Ш2, -ОНСООН, -Б03Н.

Наличие двойной связи в ряде случаев облегчает микробное окисление соединений. С повышением молекулярной массы вещества скорость биологического окисления снижается. ПАВ окисляются с разной скоростью: биологически «жесткие» ПАВ трудноокисляемы, а «мягкие» -легкоокисляемы.

Вещества, находящиеся в водах или вносимые туда в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворимые в воде. В первую очередь из смеси веществ окисляются те, которые лучше усваиваются микроорганизмами.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы