Бактерии в геохимических круговоротах. Палеомикробиология и космическая микробиология. Нефтяная микробиология презентация

Участие бактерий в формировании осадочных пород
Использованы фотографии Палеонтологического института РАН

Ископаемые строматолиты (Южная Африка)
Современные строматолиты (Австралия)

Строматолит в разрезе
Остатки древнейших бактерий
(архей, 3.5 млрд. лет назад, Австралия)

Колониальная (хроококковая) форма из позднего протерозоя Австралии (850 млн. лет назад).
Нитевидная форма Palaeolyngbya оттуда же.

Архейский эон, архей (ἀρχαῖος — древний) — один из четырёх эонов истории 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

ФАНЕРОЗОЙ
Эра Период Эпоха 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

ФРАЗА ДЛЯ ЗАПОМИНАНИЯ ОЧЕРЕДНОСТИ ЦВЕТОВ В СПЕКТРЕ:
КАЖДЫЙ OXOТНИК ЖЕЛАЕТ ЗНАТЬ, ГДЕ СИДЯТ ФАЗАНЫ.
ШУТКА СТУДЕНТОВ-ГЕОЛОГОВ ДЛЯ ЗАПОМИНАНИЯ ПЕРИОДОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ:
КАЖДЫЙ ОТЛИЧНЫЙ СТУДЕНТ ДОЛЖЕН КУРИТЬ ПАПИРОСЫ. ТЫ, ЮРА, МАЛ – ПОДОЖДИ НЕМНОГО.

Фоссилизированные (окаменелые)
цианобактерии в древних породах
Для сравнения:
современные фоссилизированные
цианобактерии:

Ископаемые бактерии (нижний кембрий)
Определение микробной природы окаменелой частички только по ее форме спекулятивно.

Минерализация клеток бактерий и формирование рудных отложений может происходить при отложении минеральных включений в клетке. На нашей фотографии – клетка с включениями фосфатных солей урана.

Коккоидные и нитчатые структуры
из метеорита Мурчисон.
Коккоидные и нитчатые структуры
из метеорита Ефремовка.
От окаменелостей в горных породах один шаг до обсуждения возможности жизни на Марсе

Нанобактерии,
их распространенность
и участие в минерализации

Подавляющее большинство бактерий, изучаемых рутинной микробиологией, имеет линейные размеры примерно 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.

Поскольку мелкие формы неудобны для изучения, исследователи в разрозненных публикациях 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.

Сканирующая электронная микроскопия продемонстрировала такое колоссальное количество «нанобактерий» на поверхности 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

Данные, ограниченные только электронномикро-скопическими наблюдениями геологических образцов представлены в многочисленных 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.

Нанобактерии в осадочных породах (фотографии Р.Л.Фоука)
Кальцит горячих источников.
Глины (иллит).

Х.Бае с соавторами при исследованииях почвы с при-менением электронной микроскопии 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.

Интересно сопоставить эти результаты с данными генетического анализа ДНК 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.

По данным В.Торсвик с соавторами число различных бактериальных типов, определенных 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.

Наши исследования показали, что в тканях плаценты женщины ультрамикробактерии («нанобактерии») откладывали кальцификаты, - вероятно, за счет изменений рН – снаружи клеток (Agababov et al., 2003)

Нанобактерии распространены наряду с бак-териями в разных биогеоценозах. Фотография представляет накопительную культуру бак-терий из нефтешламмов – клетки бактерий и агрегаты нанобактерий (Kaistia)

На этой фотографии показаны ультратонкие срезы тех же агрегатов ультрамикробактерий («нанобактерий») Kaistia

Морфология нанобактерий также может быть самой различной. На фотографиях показаны стадии развития наносимбионта бацилл из вечной мерзлоты

Бактериальные наноклетки
Образование малых форм из бактерий «рутинного размера» может быть 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.

Мы обнаружили, что бактерии могут образовывать множественные наноклетки под клеточной оболочкой – особенно в неблагоприятных условиях. В том числе – вызываемых физическими воздействиями.

При жесткой обработке могут образовываться столь малые наноклетки, что они оказываются не способны к самостоятельному существованию

Более крупные наноклетки могут в благоприятных условиях возвращаться к исходным размерам и форме
Лизис бактерий под воздействием сильного магнитного поля с выходом наноклеток

1. Ультрамикробактерии / нанобактерии реально существуют и распространены – 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.

КОСМИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ:
Происхождение жизни.
Поиск жизни вне Земли.
Влияние космических факторов вне Земли.
Проблемы стерильности и обеспечения нормальной микрофлоры на космических станциях.

НЕФТЯНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ:
1) Роль микроорганизмов в генезисе нефти и углеводородов
2) Микроорганизмы нефтяных пластов
3) Микробиологическое увеличение добычи нефти
4) Ремедиация – очистка от нефтяных загрязнений

Микробиологическое увеличение добычи нефти

Нефтяная микробиология
включает:
1) изучение происхождения нефти;
2) изучение микробных сообществ нефтяных месторождений; 3) микробиологические методы повышения нефтеотдачи (ММПН);
4) микробиологические методы борьбы с нефтяными загрязнениями.

В настоящее время около 65% нефти не извлекается
Журнал «Эксперт», раздел Экономика, публикация 23.05.2005

Потери (неизвлеченная нефть) составляют 360 млн. тонн (на 2000 г.)
Самсонова А., Макаревич А., Журнал «Нефтехимический комплекс», 2009, №1

Проблемы
из-за высокой вязкости
остаточной тяжелой нефти
1. Выборочная разработка наиболее продуктивных зон месторождений.
2. Увеличение фонда простаивающих скважин.
3. Снижение добычи нефти в целом.

Третичные методы увеличения нефтеотдачи (применяют тогда, когда вторичные методы (закачка 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

В мировой практике применение третичных методов увеличения нефтеотдачи проходят по следующим схемам:

Компоненты микробиологического метода увеличения нефтеотдачи
микроорганизмы, утилизирующие углеводороды
минеральные питательные вещества (гранулированные неорганические питательные вещества, в составе которых присутствуют азот, калий, фосфор и микроэлементы)
биокатализатор (ферментные препараты)
биологические
поверхностно-активные вещества
тяжелая нефть легкая нефть

Схема ММПН
J. T. Portwood, Компания Alpha Environmental Midcontinent, Inc., 2007 г.

Описание схемы ММПН
1 Этап:
С помощью насосов закачивают питательный раствор, обогащенный 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%

Технология ММПН для соседних скважин месторождения:
(применяется в США, J. T. 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.

Механизм повышения нефтеотдачи: Микробиологические продукты и их действие

Примеры применения различных вариантов ММПН
Активация микрофлоры = вода, обогащенная воздухом + 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)

ММПН в нашей стране
Академик М.В. Иванов (2005 г.): в Татарстане 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.

• Увеличение легких алканов < С 20
• Уменьшение средних 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:

В ИБФМ РАН создана коллекция микроорганизмов, разрушающих углеводороды и образующих биосурфактанты
Pseudomonas на поверхности нефтяных капель
Rhodococcus
внутри капли

Предполагаемых возможных принципиальных ограничений по применению – нет.
Проблема:
Основными ограничениями 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

Оценка экономической эффективности термических, химических, газовых и микробиологических (ММПН=MEOR) методов
(Volk, 2007)

Статистика о микробиологических методах повышения нефтеотдачи (ММПН)
По результатам анализа применения 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.

Опыт работ ИБФМ РАН
К настоящему времени в опыт использования бактериальной 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);