Бактерии в геохимических круговоротах Палеомикробиология и космическая

октября 2019
Вайнштейн М.Б.

лет назад, Австралия)

млн. лет назад).
 
                                 



Нитевидная форма Palaeolyngbya оттуда же.

Земли, охватывающий время от 4,0 до 2,5 млрд. лет назад. Начался

на остывающей Земле без кислородной атмосферы. С архейской эры начинается эволюция жизни на Земле.

Эон (αἰών) —эпоха, над-эра

Начало, лет назад
Кайнозой

Четвертичный Антропоцен ?
Голоцен 11,7 тыс
Плейстоцен 2,6 млн
Неоген Плиоцен 5,3 млн
Миоцен 23,0 млн
Палеоген Олигоцен 33,9 млн
Эоцен 56,0 млн
Палеоцен 66,0 млн
Мезозой Мел 145,0 млн
Юра 201,3 млн
Триас 252,2 млн
Палеозой Пермь 298,9 млн
Карбон 358,9 млн
Девон 419,2 млн
Силур 443,8 млн
Ордовик 485,4 млн
Кембрий 541,0 млн

ГДЕ СИДЯТ ФАЗАНЫ.

ШУТКА СТУДЕНТОВ-ГЕОЛОГОВ ДЛЯ ЗАПОМИНАНИЯ ПЕРИОДОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ:
КАЖДЫЙ ОТЛИЧНЫЙ

СТУДЕНТ ДОЛЖЕН КУРИТЬ ПАПИРОСЫ. ТЫ, ЮРА, МАЛ – ПОДОЖДИ НЕМНОГО.

по ее форме спекулятивно.

отложении минеральных включений в клетке. На нашей фотографии – клетка

с включениями фосфатных солей урана.

нитчатые структуры
из метеорита Ефремовка.
От окаменелостей в горных породах один

шаг до обсуждения возможности жизни на Марсе

в 2-5 мкм.

Мелкие бактериальные формы исследованы меньше. Эти традиции

работ имеют практические основания: пределы разрешения световой микроскопии составляют примерно 0,2 мкм, а на богатых питательных средах мелкие бактериальные формы могут образовывать малые колонии ("ультрамикроколонии"), невидимые невооруженным глазом.

Методические преимущества работы с относительно крупными клетками настолько оттеснили внимание к мелким формам, что обнаружение последних стало восприниматься как особый феномен.

удовлетворялись фактом их обнаружения и измерениями.
Бактериальные формы с линейными

размерами меньше 0,3-0,4 мкм описывались под разными наименованиями: «нанобактерии», «ультрамикробактерии» (ИБФМ РАН), фильтрующиеся формы бактерий», «элементарные тела» и «наноклетки».

Теоретические расчеты показали, что минимальные размеры бактерии могут быть ограничены диаметром 0,14-0,17 мкм.

Эти бактерии не обнаруживаются световой микроскопией.

Ряд микробиологов предполагал, что размер генома у нанобактерий может быть меньше, чем у «обычных» бактерий. В этом случае он мог бы быть использован в качестве «чипа» в генной инженерии.

Если же нанобактерии представляют патогенные формы, то их распространение нельзя остановить стерилизацией путем фильтрации вакцин, сред и т.п.

геологических образцов, что оно позволило утверждать, что рутинные бактерии, с

которыми работали до сих пор микробиологи, составляют малую долю от реальной микрофлоры.

Нанобактерии в геологических образцах

публикациях школы Р.Л.Фоука, введшего в мировую литературу термин «нанобактерии».

Основным

доказательством принадлежности обнаруженных нанобактерий к микробному миру является морфология частиц.

По сведениям о распространенности и численности нанобактерий в геологических образцах им сделан вывод об абсолютном преобладании этих форм в микробном мире:

они составляли более 95 % от общего числа обнаруженных микроорганизмов.

пришли к выводу, что подавляющее большинство (72 %) бактериальных клеток,

отделенных ими от почвенных частиц, имели «карликовые» (dwarf) размеры: менее 0,3 мкм в диаметре.

Большинство бактерий было представлено кокобациллами, т.е. их можно рассматривать как округлые клетки с диаметром 0,35 мкм (приблизительный объем - 0,06 куб.мкм).

Приготовление препаратов тонких срезов клеток стандартными методами (фиксация четырехокисью осмия, обработка уранилацетатом и т.д.) выявили полноценную структуру бактериальных клеток.

микрофлоры тундровых почв (Zhou et al., 1997).
Исследования проводили с

экстрагированной из почвы ДНК, проводя амплификацию генов малой субъединицы рибосомальной РНК с применением эубактериальных праймеров, т.е. анализ выполнен для эубактерий.
Оказалось, что не менее 77 % бактериальной флоры почв представлено видами, отсутствующими среди известных выделенных культур.

генетическими методами, достигало 10 тысяч и было в 170 раз

выше разнообразия коллекционных изолятов из тех же проб.
Остается неизвестным, что представляют собой мелкие бактериальные клетки в основной массе:
уменьшенные клетки представителей известных бактериальных групп
или
новые бактериальные таксоны.

откладывали кальцификаты, - вероятно, за счет изменений рН – снаружи

клеток (Agababov et al., 2003)

накопительную культуру бак-терий из нефтешламмов – клетки бактерий и агрегаты

нанобактерий (Kaistia)

(«нанобактерий») Kaistia

стадии развития наносимбионта бацилл из вечной мерзлоты

индуцировано. Здесь и далее мы называем такие формы наноклетками.
Наноклетки могут

быть различного происхождения. Они могут образовываться не только при голодании бактерий. Так, при обработке антибиотиками, подавляющими синтез клеточной оболочки, были получены жизнеспособные протопласты (L-формы) с размерами от 100 до 50 000 нм.

оболочкой – особенно в неблагоприятных условиях. В том числе –

вызываемых физическими воздействиями.

оказываются не способны к самостоятельному существованию

размерам и форме
Лизис бактерий под воздействием сильного магнитного поля с

выходом наноклеток

в том числе в почве и минералах.

2. Если ранее мы

говорили, что учитываемая численность высеваемых бактерий составляет единицы процентов от общей численности по световой микроскопии,
то от общей численности по электронной микроскопии она составляет доли процента.

3. Какова геохимическая активность наноформ в природе – неизвестно.

факторов вне Земли.

Проблемы стерильности и обеспечения нормальной микрофлоры на

космических станциях.

Микроорганизмы нефтяных пластов

3) Микробиологическое увеличение добычи нефти

4) Ремедиация –

очистка от нефтяных загрязнений

сообществ нефтяных месторождений; 3) микробиологические методы повышения нефтеотдачи (ММПН); 4)

микробиологические методы борьбы с нефтяными загрязнениями.

Экономика, публикация 23.05.2005

Самсонова А., Макаревич А., Журнал «Нефтехимический комплекс», 2009, №1

продуктивных зон месторождений.

2. Увеличение фонда простаивающих скважин.

3. Снижение добычи

нефти в целом.

воды) уже неэффективны)
физико-химические методы
заводнение с применением

поверхностно-активных веществ, жидких растворителей, полимерное заводнение, мицеллярное заводнение и т.п.
газовые методы
закачка углеводородных газов, углекислого газа, азота, дымовых газов
тепловые методы
вытеснение нефти теплоносителями, воздействие с помощью внутрипластовых экзотермических окислительных реакций
микробиологические методы
введение в пласт продуктов жизнедеятельности бактерий или их производство бактериями в самом пласте

следующим схемам:

(гранулированные неорганические питательные вещества, в составе которых присутствуют азот, калий,

фосфор и микроэлементы)
биокатализатор (ферментные препараты)
биологические поверхностно-активные вещества

тяжелая нефть легкая нефть

воздухом.
Питательный раствор состоит из углеводородокисляющих микроорганизмов, минеральных удобрений (соли азота

и фосфора), воды, биологических ПАВ, биокатализатора (см. слайд 8).
Происходит: 1) активизация аборигенной АЭРОБНОЙ микрофлоры,
2) окисление углеводородов нефти МИКРООРГАНИЗМАМИ (АБОРИГЕННЫМИ И ВНЕСЕННЫМИ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИМИ) с образованием низкомолекулярных органических кислот (уксусная, пропионовая, масляная) и спиртов (метанол, этанол).
2 Этап:
Закачивают воду, чтобы доставить образовавшиеся продукты (органические кислоты и спирты) к АНАЭРОБНЫМ бактериям, которые присутствуют в нефтяном пласте.
Эти анаэробные бактерии преобразуют органические кислоты и спирты в метан и углекислый газ.
Происходит: 1) снижение вязкости нефти,
2) повышение давления в нефтяном пласте,
3) растворение карбонатных пород пласта,
4) увеличение нефтевытеснения в пласте.
РЕЗУЛЬТАТ – УВЕЛИЧЕНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ НА 10-30%

Portwood (Компания Alpha Environmental Midcontinent, Inc., 2007г.)
1. Биологический раствор закачивают

в соседнюю скважину. Его рассчитанный объем должен на 100% заполнить пористые зоны месторождения.
2. Закачивают объем воды достаточный для продвижения биологического раствора в пласт через зону перфорации.
3. Скважину закрывают.
4. Через 3-7 дней скважину переводят в режим добычи.
5. Всю процедуру повторяют раз в 3 – 6 месяцев.

+ удобрения = питательный раствор
Биопрепарат = микроорганизмы-нефтедеструкторы
Технологические затраты при

микробиологической добыче = 5$ США на 1 тонну
дополнительной нефти, тогда как при использовании лучших американских
технологий аналогичные затраты составляли около 14 $ США
(Bryant R.S. et al., 1996)

в 1976-1988 гг. при поддержке «Татнефть» было дополнительно добыто 700

000 тонн нефти. Повышение нефтеотдачи составило от 10 до 30% на различных месторождениях.

Проф. Самонова А. и Макаревич А. считают (2009 г.): ММПН позволяют на 5 – 7% увеличить извлекаемые запасы нефти, в 1,5 – 2 раза повысить продуктивность скважин, а текущую добычу нефти на 15 – 25%. По их мнению повышение нефтеотдачи пластов на 10-15% равносильно открытию новых месторождений.

алканов С 20 - С 40 • Разрушение высокомолекулярных тяжелых

углеводородов • Расщепление структурных ароматических колец • Расщепление структурных фенольных колец • Преобразование серных органических соединений • Уменьшение концентрации металлических микроэлементов • Эмульгирование сырой нефти

Кроме увеличения объемов добычи происходит повышение качества добываемой нефти:

биосурфактанты

Pseudomonas на поверхности нефтяных капель
Rhodococcus
внутри капли

по применению ММПН является высокая температура и большая концентрация солей

в скважине.
Решение проблемы:
В коллекции имеются микроорганизмы способные работать в экстремальных условиях.

Ограничения по применению

(Volk, 2007)

ММПН на 2000 скважин
в 322 проектах J.

T. Portwood (Alpha Environmental Midcontinent, Inc., 2007 г.) установлено:
78% - стабилизация или увеличение нефтедобычи
22% - не оказало влияния на производительность
Ни в одном случае не наблюдалось падения добычи нефти

В среднем повышение нефтеотдачи составляет 36%.
Эффект повышения нефтеотдачи наблюдается
в течение 6 месяцев.
Показатель возврата инвестиций составляет 5:1 через 24 месяца действия ММПН. Период окупаемости - в среднем 6 месяцев.

нефтепереработке и добычи нефти в ИБФМ РАН входят:

1) коллекция нефтеразрушающих

бактерий (более 300) и база данных об этих штаммах;

2) обширный опыт ремедиации участков, загрязненных нефтью (Ямало-Ненецкий АО, Казахстан, Тульская область, Московская область);

полициклических ароматических углеводородов и углеводородов нефти. Патент Российской Федерации на

изобретение №2344170. Приоритет изобретения 10.03.2006.
Ассоциация штаммов бактерий, продуцирующих биоэмульгаторы, для деградации нефти и нефтепродуктов в почвах, пресной и морской воде. Патент Российской Федерации на изобретение №2312891. Приоритет изобретения 10.03.2006.
Биопрепарат для очистки почв от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, способ его получения и применения. Патент Российской Федерации на изобретение №2378060. Приоритет изобретения 05.07.2007.
Способ получения сухой формы биопрепарата для очистки территорий от загрязнений нефтью и нефтепродуктами. Заявка на патент Российской Федерации №2010121688. Приоритет 27.05.2010.
Гарейшина А.З., Ахметшина С.М., Лебедев Н.А., Хисамов Р.С., Тахаутдинов Ш.Ф., Вайнштейн М.Б., Шестернина Н.В. Способ добычи высоковязкой нефти. Патент России 2195549, 2002.
Вайнштейн М.Б., Кудряшова Е.Б., Арискина Е.В., Лебедев Н.А., Гарейшина А.З., Ахметшина С.М. Штамм Pseudomonas species 45, используемый для обессеривания нефти и нефтепродуктов. Патент России 2189391, 2002.