Method for assessing the efficiency of the use of a biological preparation in wastewater of oil extraction production

Cover Page

Cite item

Abstract

One of the promising ways to remove fats in the wastewater of food enterprises is the bioenzymatic technology for the decomposition of organic substances, including fats and vegetable oils, at local treatment facilities located directly at the enterprises. Bioenzymatic technologies for the decomposition and utilization of fats in wastewater are based on the use of microbial lipases and microorganisms capable of producing them. The experiment was carried out on the territory of the oil extraction plant in Bezenchuk for 18 days. Based on the samples taken, the concentration of triglycerides was revealed, the destructive ability was determined, as well as lipolytic activity after the introduction of the biological product.

Full Text

Поиск, выделение и изучение возможности использования микроорганизмов для очистки жиросодержащих сточных вод начали наиболее активно проводить в 1970-1980-е гг. Активные исследования в этом направлении велись как в странах бывшего Советского Союза, так и за рубежом [1–5]. Наиболее глубоким исследованием в этот период были подвергнуты бактерии рода Bacillus, Pseudomonas и дрожжи Yarrowia. В 1990 г. расширение поиска микроорганизмов для очистки сточных вод способствовало вовлечению исследователями в список липолитических активных культур микроорганизмов родов Chromobacter, Microccus, Acinetobacter, Rhodococus [4, 6, 7]. Существенный интерес к изучению липолитической активности микроорганизмов Serratia marcescens объясняет пристальное внимание исследователей к данным штаммам благодаря их способности синтезировать продигиозин [8]. С 2000-х гг. и по настоящее время данная культура изучается преимущественно в качестве продуцента липазы [9, 10].

К числу основополагающих технологических характеристик микроорганизмов, используемых для очистки жиросодержащих сточных вод, относится их деструктивная активность, направленная на разрушение липидов до углекислого газа и воды. Наиболее важную роль в процессе распада органических веществ играют ферменты-биокатализаторы, образующиеся в клетке и представляющие собой либо простые белки, либо сложные, содержащие не аминокислотные компоненты [11, 12]. В частности распад нейтральных липидов происходит за счет гидролитического действия липаз. Результатом является образование глицерина и жирных кислот.

Анализ литературных источников показывает, что изучение деструкции ведется как в отношении растительных масел (подсолнечное, оливковое, пальмовое, рапсовое), так и жиров животного происхождения (говяжий, свиной, бараний).

Липазы являются ферментами, синтез которых зависит от скорости роста и развития продуцента, его биосинтетической способности. Как показали многолетние исследования, для каждого штамма свойственны свои оптимальные условия культивирования, включающие компоненты питательной среды (источники углерода, азота, присутствие липидов, неорганические соли) и физико-химические факторы процесса ферментации (температура, PH среды, режим перемешивания и аэрации) [13, 14].

Возможность применения липолитически активных культур, обладающих деструктивной способностью и субстратной специфичностью к жирам в сточных водах пищевых производств, отображена в работах [15–17]. При подборе наиболее активных штаммов и поддержании определенных условий очистки эффект мог бы достигать 80–90 %.

Предмет исследования

Исследования проводились на территории маслоэкстракционного завода в г. Безенчук Самарской области в течение 18 дней.

Эксперимент по определению деструктивной активности микроорганизмов на сточных водах с высоким содержанием жиров, нефтепродуктов и фенольных примесей был осуществлен с помощью биопрепарата «Русский богатырь № 4». Источником триглицеридов служили отобранные пробы сточных вод маслоэкстракционного завода, поступающие на модельную установку, и очищенные сточные воды. Доза введенного препарата составила 6,25 мг/л. Время пребывания в аэрационном сооружении составляло 50–60 мин, отбор контрольных проб производился каждый день работы установки.

Объектом исследования служили пробы сточных вод маслоэкстракционного завода, объем каждого образца составлял 1,5 л, из которого бралась аликвота для определения исследуемых показателей в соответствии с методикой эксперимента. Все исследования выполнены в двух повторах на один образец.

Материалы и методы

Определение содержания триглицеридов в сточных водах проводили в лабораторных условиях с применением методики по определению нейтральных жиров.

Принцип метода заключается в том, что триглицериды экстрагируются смесью гептана и изопропилового спирта, в которую переходят только неполярные липиды. Триглицериды гидролизуются щелочью, глицерин окисляется йодной кислотой до формальдегида, который определяется по цветной реакции с ацетилацетоном.

Далее требуется внести во флакон с завинчивающейся тефлоновой крышкой навеску сухой измельченной ткани, доведенной до постоянной массы (25–30 мг). Добавить 3,5 мл изопропилового спирта и 2 мл гептана. Интенсивно встряхнуть и поставить в термостат при температуре 37 °С на ночь. На следующий день добавить в каждый флакон 0,5 мл воды и 1,0 мл 0,16 М раствора серной кислоты. Закрыть флакон крышкой, интенсивно встряхнуть, смесь перелить в центрифужную пробирку и центрифугировать 15 мин при 1500 об/мин. Из верхнего (гептанового) слоя отобрать 0,4 мл и перенести в стеклянную мерную пробирку со шлифом и притертой пробкой. Добавить 2,0 мл изопропилового спирта и 40 мкл 6,25 М раствора КОН. Перемешать, закрыть пробкой и нагреть на водяной бане 10 мин при температуре 70 °С. После охлаждения добавить 0,2 мл раствора йодной кислоты и 1 мл ацетилацетонового реактива. После перемешивания снова закрыть пробкой и нагревать еще 10 мин при 70 ºС. Развивается желто-зеленое окрашивание, интенсивность которого измеряют, фотометрируя образцы при длине волны 425 нм в кюветах с длиной оптического пути 0,5 см против контрольной пробы, которую ставят так же, как и опытную, но без навески исследуемого материала.

Определение содержания триглицеридов проводили с использованием калибровочного графика, построенного по стандартному раствору. 20,4 мг топленого животного жира растворяли в 1 мл изопропилового спирта.

Проба № 1. В стеклянную мерную пробирку со шлифом внести 200 мкл калибровочного раствора, добавить 3,3 мл изопропилового спирта (4,08 мг жира).

Проба № 2. К 100 мкл калибровочного раствора добавить 3,4 мл спирта (2,04 мг жира).

Проба № 3. К 50 мкл калибровочного раствора добавить 3,45 мл изопропилового спирта (1,02 мг жира).

Проба № 4. Отобрать 25 мкл калибровочного раствора и внести 3,48 мл спирта (0,51 мг триглицеридов).

Проба № 5. Включает 12,5 мкл калибровочного раствора и 3,50 мл изопропилового спирта (0,255 мг).

Калибровочные пробы обрабатываются так же, как и экспериментальные. Расчёт результатов проводился по калибровочной кривой.

Определение содержание триглицеридов проводили с использованием калибровочного графика, построенного по стандартному раствору. 20,4 мг топленого животного жира растворяли в 1 мл изопропилового спирта.

Расчет триглицеридов производился по формуле

Соп=0,816·Еоп-Ек2,10·5·20, (1)

где Соп – концентрация триглицеридов в исследуемом образце, мг/л;

0,816 мг – одержание триглицеридов в пробе стандарта (0,4 мл из 2 мл гептана, стандартный р-р 4,08 мг);

Еоп – оптическая плотность опытной пробы;

Ек – средняя оптическая плотность контроля, 0,126 ед;

2,10 – средняя оптическая плотность стандарта (0,816 мг/пробу) с вычетом оптической плотности контроля;

5 – коэффициент пересчета (так как по методике в пробу берется 0,4 мл из 2 мл гептана);

20 – коэффициент пересчета на 1 л (так как выпаривается 50 мл).

Для определения активности фермента использовали набор «ЛИПАЗА» (LPS) («ДиаВетТест», Россия) для полуавтоматических анализаторов, адаптировав для определения в пробах сточных вод.

Расчет активности липазы производили по формуле

А=154·ЕопЕкЕстЕк, (2)

где А – активность липазы, Е/л;

154 – активность липазы в стандартной сыворотке, Е/л;

(∆Еоп – ∆Ек) – разница оптической плотности опытной и контрольной проб;

(∆Ест – ∆Ек) – разница оптической плотности стандартной и контрольной проб.

Данные, полученные при применении данного метода, позволят оценить интенсивность развития углеводородокисляющих микроорганизмов, а также биодеградации в отношении конкретных веществ, что позволит утверждать о возможности биохимической очистки сточных вод биопрепаратом.

Результаты

Зависимость оптической плотности раствора от концентрации триглицеридов, представленная на калибровочном графике, построенном по стандартам с концентрациями от 0,255 до 4,08 мг на пробу, носила прямолинейный характер (см. рисунок).

 

График зависимости оптической плотности раствора от содержания триглицеридов

 

Из полученных результатов видно (см. таблицу), что содержание триглицеридов в образцах составило от 2,72 мг/л в пробе №8 до 95,55 мг/л в пробе №5. Пик деструктивной активности приходился на 3–6-е сутки, через трое суток – 73,62 %, через 5 суток – 22, 66 %, на 7-е и 9-е сутки – концентрация загрязнений была незначительной, снижение на 81,16–96,96 %.

 

Концентрация триглицеридов и активность липазы в образцах сточных вод

пробы

Концентрация триглицеридов в исходной воде, мг/л

Активность липазы в исходной воде Е/л

пробы

Концентрация триглицеридов после введения биопрепарата, мг/л

Активность липазы после введения биопрепарата Е/л

1

90,54

0,00

2

90,15

0,00

91,16

0,00

90,54

0,00

3

42,74

4,53

4

12,51

9,06

43,29

13,59

11,42

13,59

5

95,55

0,00

6

68,16

0,00

94,62

0,00

66,33

4,53

7

89,48

2,43

8

2,72

69,06

90,55

7,34

2,80

77,00

9

10,69

4,53

10

1,94

9,06

11,15

13,59

10´

2,10

13,59

 

Липолитическая активность в образцах сточных вод составила от 0,00 до 77,00 Е/л, наиболее активный рост зафиксирован на 5-е сутки после введения разовой дозы биопрепарата 6,25 мг/л.

Выводы. 1. Перспективным направлением является разработка технологии биологической очистки жиросодержащих сточных вод с помощью микроорганизмов, обладающих липолитической активностью и способных утилизировать жировые вещества различной природы.

  1. Под действием микроорганизмов биопрепарата, в исследуемых пробах сточных вод была определена динамика изменения концентрации триглицеридов от 2,72 до 95,55 мг/л, липолитическая активность – от 0,00 до 77,00 Е/л, что свидетельствует о биодеградации загрязняющих веществ в сточных водах маслоэкстракционного завода г. Безенчук Самарской области.
  2. Полученные результаты могут служить дополнительным инструментом для внедрения новых методов контроля сточных вод предприятий пищевой промышленности.
×

About the authors

Alexander K. Strekkov

Samara State Technical University

Email: a19400209@yandex.ru

Doctor of Engineering Science, Head of the Water Supply and Wastewater Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Anastasya O. Bazarova

Samara State Technical University

Email: bystranova14@mail.ru

Postgraduate Student of the Water Supply and Wastewater Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Svetlana Yu. Teplyh

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: kafvv@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor the Water Supply and Wastewater Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

  1. Laskov Yu.M. Izyskanija i issledovanija jekologicheskih i jeffektivnyh metodov i sooruzhenij dlja ochistki stochnyh vod predprijatij legkoj promyshlennosti. Avtoref. Doct. Diss. [Surveys and studies of ecological and effective methods and facilities for wastewater treatment of light industry enterprises. Doct. Diss. Ext. Abst.]. Moscow, 1974. 25 p.
  2. Baig N., Grenning E. The use of bacteria to reduce clogging of sewer lines by grease in municipal sewage. Biological Control of water Pollution: University of Pennsylvania Press. J Tourbier, R. W. Pierson (eds.), 1976, pp 245-253.
  3. Cavagnaro P.V., Kaszubowski K.E., Needles H. Pretreatment limits for fats, oil and grease in domestic wastewater. Proceedings of 43 Industrial Waste Conference: Purdue University, West Lafayette, 1988, pp. 777-789.
  4. Kokusho H, Machida H., Iwasaki S. Study on alkaline lipase isolation and identification of lipase producing microorganism. Arg. Bio. Chem., 1982, pp. 1159-1164.
  5. Suwansunthichai K. Selection of lipase producing bacteria from soil and optimization of enzyme production. MS Thesis. Bangkok, 1989, pp. 265-274.
  6. Murzakov B.G., Zaikina A.I., Zobnina V.P., Listov E.L., Zornina L.V., Rogacheva R.A. Biotehnologicheskij sposob ochistki stochnyh vod ot masel i zhirov [Biotechnological method of wastewater treatment from oils and fats.]. Patent RF, no. RU 2161595, 2001.
  7. Mohanan S. Biodegradation of palmarosa oil (green oil). International Journal of Environmental Science Technologies, 2007, vol. 4, no. 2, pp. 227-181.
  8. Ksenofontov B.S. Flotacionnaja obrabotka vody, othodov i pochvy. [Flotation treatment of water, waste and soil]. Moscow, 2010.
  9. Proskoryakova N.V. Razrabotka osnovy biopreparata dlja destrukcii zhirov. Avtoref. Cand. Diss. [Development of the basis of a biological product for the destruction of fats. Cand. Diss. Ext. Abst.]. Ufa, 2007. 24 p.
  10. Jameel A.T., Olanrewaju A.A. Aerobic biodegradation of oil and grease in palm oil mill effluent using consortium of microorganisms Islamic University Malaysia (IIUM). Kuala Lumpur, 2011, vol. III, pp. 43-51.
  11. Berezov T.T., Korovkin B.F. Biologicheskaja himija [Biological Chemistry]. Moscow, Medicine Publ., 1998. 704 p.
  12. Ksenofontov B., Senik E., Ivanov M. Analysis of hydraulic modes of operation of the divergent plates block of the flotation-sedimentation tank. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 492, article number 012024. doi: 10.1088/1757-899X/492/1/012024
  13. Jaeger K.E., Eggert T. Lipases for biotechnology. Current Opinion in Biotechnology, 2002, vol. 13, pp. 390-397.
  14. Macrae A.R. Lipase catalyzed interesterification of oil and fat. Journal of American Oil Chemistry, 1983, vol. 60, no. 2, pp. 243A-246A.
  15. Ksenofontov B.S., Kozlov A.S., Tarakano R.A.v, Balina A.A., Vinogradov M.S., Sazonov D.V. Wastewater treatment of food industry enterprises from surfactants and fats by flotation methods. Jekologija i promyshlennost’ [Ecology and Industry], 2013, no. 11, pp. 4-7. (in Russian)
  16. Hong M.C., Chang M.C. Purification and characterization of an alkaline lipase from a newly isolated Acinetobacter redioresistens. Biotechnological Letters, 1998, vol.20, pp 1027-1029.
  17. Stoll U., Gupta H. Management strategies for oil and grease residues. Was. Manage. Res., 1997, vol. 15, pp. 23-32.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig.

Download (216KB)

Copyright (c) 2022 Strekkov A.K., Bazarova A.O., Teplyh S.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies