Биомасса бактерий как источник углеводородов нефти тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.13 ВАК РФ

На правах рукописи

ПОШИБАЕВА Александра Романовна

БИОМАССА БАКТЕРИЙ КАК ИСТОЧНИК УГЛЕВОДОРОДОВ НЕФТИ

02.00.13 - Нефтехимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

'1811нН ¿015

Москва - 2015

005560650

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» на кафедре органической химии и химии нефти

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук,

кандидат химических наук, профессор Гордадзе Гурам Николаевич

Официальные оппоненты:

Лысенко Сергей Васильевич

доктор химических наук, профессор,

ФГБОУВО «Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова»,

профессор кафедры химии нефти и органического катализа

Головко Анатолий Кузьмич

доктор химических наук, профессор, ФГБУН «Институт химии нефти СО РАН» заведующий лабораторией углеводородов высокомолекулярных соединений нефти

Ведущая организация:

ФГБУН «Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН»

Защита диссертации состоится 21 апреля 2015 г. в 12 часов в аудитории 202 на заседанш Диссертационного Совета Д 212.200.12 при Российском государственном университете нефти I газа имени И. М. Губкина по адресу: 119991 , г. Москва, Ленинский просп., д. 65, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина и н сайте www.gubkin.ru.

Отзывы на диссертацию и автореферат направлять по e-mail: ivanova.l@gubkin.ru

Автореферат разослан vfO »,

-ТО »^teyu.

2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Л.В. Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время существуют две основные гипотезы образования нефти: органическая (осадочно-миграционная, биогенная) и неорганическая (абиогенная). Основное внимание в осадочно-миграцнонной гипотезе образования углеводородов (УВ) нефти уделяется термическим и термокаталитическим процессам преобразования исходного органического вещества (ОВ). К сожалению, гораздо меньше внимания в образовании углеводородов нефти уделяется роли бактерий: как правило, им отводится роль лишь на начальном этапе преобразования исходного органического вещества. Вместе с тем, понимание процессов нефтеобразования имеет большое теоретическое и практическое значение с точки зрения поисков нефтяных месторождений и возобновления запасов нефти.

Происхождение нефти, как и происхождение жизни, является фундаментальной проблемой естествознания. При этом происхождение нефти - это и актуальная проблема нефтяной геологии, поскольку для того, чтобы вести обоснованные поиски нефти, необходимо знать, где и из каких источников она образовалась.

В биогенной теории происхождения нефти считается, что углеводороды возникли из органического вещества, представляющего собой остатки живых организмов, обитавших на Земле в прошлые геологические эпохи. Учитывая этапы эволюции живых организмов, можно предположить, что первичным источником нефти являются прокариоты, а именно, археи и бактерии. По всей вероятности, процессы образования нефти из биомассы остатков прокариотических организмов продолжаются и в настоящее время. С учётом широкого распространения прокариот и высокой скорости их размножения, происходит накопление огромных количеств органического вещества, которое может быть источником углеводородов. Однако этот вопрос практически не исследован.

В настоящее время запасы нефти считаются исчерпаемыми, что делает поставленную проблему еще более актуальной.

Целью работы является моделирование процессов образования нефтяных углеводородов из биомассы бактерий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Культивирование биомассы штаммов бактерий и полное выделение ее растворимой части.

2. Проведение термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы бактерий.

3. Идентификация углеводородов и гетероатомных соединений в растворимой части биомассы различных штаммов бактерий и изучение закономерностей их распределения.

4. Идентификация углеводородов в продуктах термолиза и термокаталитнческих превращений нерастворимой части биомассы бактерий и изучение закономерностей их распределения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые показано, что растворимая и нерастворимая части биомассы бактерий являются источником нефтяных углеводородов.

2. Найдено, что в растворимой части биомассы бактерий Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM среди насыщенных углеводородов-биомаркеров образуются только н-алканы и соответствующие им жирные кислоты. Циклические углеводороды-биомаркеры в растворимой части данных штаммов бактерий отсутствуют.

3. Впервые установлено, что в продуктах термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части исследуемых бактерий образуются те же насыщенные углеводороды-биомаркеры (н-алканы, изопренаны, стераны, терпаны), которые находятся в нефтях.

4. Впервые найдено, что в результате термолиза нерастворимой части Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM, образуются только протоадамантаноиды. В продуктах термокаталитических превращений биомассы этих бактерий обнаружены углеводороды алмазоподобного строения - адамантаны Сщ-Сп и диамантаны С14-С16.

Практическое значение результатов:

1. Показана возможность получения насыщенных нефтяных углеводородов-биомаркеров и углеводородов алмазоподобного строения путем термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы бактерий.

2. Установленный факт образования нефтяных углеводородов из биомассы бактерий может значительно увеличить потенциальные ресурсы углеводородного сырья.

Защищаемые положения:

1. В растворимой части биомассы бактерий Pseudomonas aeruginosa. RM и Arthrobacter sp. RV образуются только н-алканы и соответствующие им жирные кислоты, а также непредельный нерегулярный изопренан - сквален (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракоза-2,6,10,14,18,22-гексаен).

2. В результате термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы исследуемых штаммов бактерий образуются те же насыщенные углеводороды-биомаркеры, которые находятся в нефтях: н-алканы, изопренаны, стераны и терпаны.

3. В результате термолиза нерастворимой части биомассы Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV образуются протоадамантаноиды, а в продуктах термокаталитических превращений - углеводороды алмазоподобного строения (адамантаны Сщ-Си и диамантаны Cl4-Cl6).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 20-ой Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (МГУ имени М.В.Ломоносова, Москва, 2013 гг.), Kazan workshop on abiotic hydrocarbons (Kazan, 2013), Юбилейной десятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика)» (РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, Москва, 2013 г.), Petrochemistry and Chemical Engineering (Hilton San Antonio Airport, TX, USA, 2013), Балтийской школе-семинаре «Петромодель» (Петергоф, Санкт-Петербург, 2014 г.), 13-ой международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Грузинский государственный технический университет, Грузия, Тбилиси, 2014 г.), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, 2014 г.).

Публикации. Основные положения и результаты исследования отражены в 13 научных работах, в том числе в 6 статьях, пять из которых, реферируемы ВАКом, и 7 тезисах докладов на международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка использованной литературы. Содержание диссертации изложено на 124 страницах; включает 35 рисунков, 12 таблиц и перечень использованной литературы из 180 наименований.

Автор искренне благодарит зав. кафедрой органической химии и химии нефти РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, д.х.н., проф. В.Н. Кошелева за создание благоприятных условий для выполнения данной диссертационной работы, а также сотрудников и преподавателей кафедры - д.х.н., проф. В.Д. Рябова, д.т.н., проф. Р.З. Сафиеву, д.т.н., проф. В.Р. Мкртычана, к.т.н., доц. Л.В. Иванову, к.х.н., доц. H.A. Сокову, к.т.н., доц. O.A. Стоколос, к.х.н., доц. Л.В. Зиновьеву, к.х.н., доц. О.Б. Чернову, зав. лаб. Н.П. Тюрину за доброе отношение, внимание и полезные консультации; зав. кафедрой физической и коллоидной химии РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, д.х.н., проф. В.А. Винокурова, а также сотрудников - к.х.н., м.н.с. М.С. Котелева, аспиранта Д.А. Шарипову, магистрантов лаборатории биотехнологии для нефтяной и газовой промышленности за возможность проводить часть микробиологических исследований, а особенно к.б.н., доц. И.В. Ботвинко за помощь и привитие интереса к микробиологии. Искренняя благодарность сотрудникам лаборатории химии углеводородов

нефти - к.х.н., доц. М.В. Гируцу за поддержку и конструктивные советы, помощь в ходе выполнения работы, магистрантам С.О. Богатыреву и C.B. Кирееву

Глубокую благодарность и признательность автор выражает своему научному руководителю д.г-м.н. и к.х.н., проф., академику РАЕН Г.Н. Гордадзе за веру в автора, постоянную поддержку, ценные советы и замечания в работе над диссертацией, отеческую опеку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость диссертационного исследования и перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Глава I. Углеводороды в нефтях и биосфере.

В литературном обзоре основное внимание уделено насыщенным УВ нефти -углеводородам-биомаркерам (н-алканам, изопренанам, стеранам, терпанам) и преобразованным углеводородам (в частности, адамантанам и диамантанам), а также их происхождению в нефти. Проведен сопоставительный анализ имеющихся в литературе данных по углеводородному составу биосферы (эукариотических и прокариотических организмов) и нефти. Из литературы видно, что в настоящее время основное внимание в биогенной теории образования нефти уделяется эукариотическим организмам, а прокариотам отводят роль лишь на начальном этапе преобразования эукариотического ОВ.

В литературе имеются отрывочные данные, что эукариотические и прокариотические организмы способны к синтезу УВ, которые как таковые или в виде гидрированных аналогов, входят в состав нефти. К таким УВ относятся н-алканы, алкены, алкадиены, изопреноиды, а у прокариот еще и циклоалканы (циклопентаны, циклогексаны, гопаны). Однако в литературе недостаточно сведений по закономерностям распределения УВ различного класса, синтезированных прокариотами и эукариотами на молекулярном уровне. Полностью отсутствуют данные о наличии УВ алмазоподобного строения в прокариотических и эукариотических организмах, хотя адамантаноиды найдены во всех нефтях мира. В настоящее время основное внимание в осадочно-миграционной теории происхождения нефти уделяется термическим и термокаталитическим процессам превращения исходного ОВ, в частности, керогена. Однако в литературе отсутствуют данные по термолизу и термокаталитическим

превращениям нерастворимой части прокариот и эукариот, с последующим изучением образовавшихся соединений на молекулярном уровне.

Глава И. Объекты и методы исследования.

В качестве объектов исследования были выбраны хемоорганогетеротрофные аэробные бактерии Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM, способные к анаэробному росту в процессе денитрификации. Роды Arthrobacter и Pseudomonas являются мезофильными бактериями, выделенными из нефтяных пластов с температурой 20-45°С.

Углеводородокисляющие штаммы Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV культивировали жидкофазным и, чтобы приблизиться к росту в природных условиях, твердофазным методами. При сравнительном анализе образовавшихся соединений относительное распределение углеводородов как при твердофазном, как и при жидкофазном культивировании, было практически одинаковым. Pseudomonas aeruginosa RM растили на минерально-органической среде следующего состава, г/л: NaNCb - 2.0; КН2РО4 - 1.0; MgS04-7H20 - 0.25; СаС12-2Н;0 - 0.01; дрожжевой экстракт - 2.0; глюкоза - 20.0; вода дистиллированная; pH 7.0. Arthrobacter sp. RV выращивали в жидкой среде «rieh» следующего состава, г/л: пептон - 2.0, дрожжевой экстракт - 1.0; гидролизат казеина - 1.0; глюкоза - 1.0; мел - 2.0; глицерин - 10 мл/л; вода водопроводная; pH 6.7-7.2. Культивировали штаммы в колбах на качалке при температуре 28°С в течение 24 и 96 ч, соответственно. На агаризованной среде (концентрация агара 17.0 г/л) штаммы Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV культивировали в чашках Петри при 28°С в течение 24-96 ч. Биомассу исследуемых штаммов бактерий выделяли из жидких культур центрифугированием (6000 мин"1). Биомассу Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV лиофилизировали. Лиофильную сушку проводили при температуре 25°С, давлении 10-10-6 Бар, в течение 24 часов.

Исследование УВ в нативной биомассе, а также в продуктах термолиза и термокаталитнческих превращений биомассы бактерий осуществляли по следующей схеме (Рисунок 1). Экстракцию лиофильной биомассы исследуемых бактерий проводили хлороформом в ультразвуковой ванне в течение 15 ч при комнатной температуре: это время, как выяснилось в ходе экспериментов, оказалось самым оптимальным для полного извлечения всех соединений растворимой части. Хлороформ предварительно очищали на ректификационной колонке.

Нерастворимую часть биомассы исследуемых бактерий подвергали термолизу и термокаталитнческим превращениям при 340°С и 280°С, в запаянных ампулах, в течение 16-18 и 8-10 ч, соответственно; в качестве катализатора использовали предварительно активированный (450°С, 4 ч) аморфный алюмосиликат. Продукты термолиза в дальнейшем

подвергали каталитическим алюмосиликатом при 280°С.

превращениям с АШгз при комнатной температуре и с

1

Наращивание биомассы п лиофильиая сушка

Экстракция ОВ хлороформом

в ультразвуковой ванне

Рисунок 1 - Схема исследования углеводородов в нативной биомассе и в продуктах термолиза и термокаталитического превращения биомассы бактерий. Примечание: ОВ -

органическое вещество

С помощью термолиза и термокаталитических превращений биомассы планировалось приблизиться к тем условиям, при которых, как считается, происходит преобразование

органического вещества бактерий в глубинной биосфере Земли и, как следствие, накопление УВ нефти.

Продукты термолиза и термокаталитических превращений анализировали методами капиллярной газожидкостной хроматографии и хроматомасс-спектрометрии. Основное внимание уделялось образованию УВ-биомаркеров (н-алканов, изопренанов, стеранов и терпанов), преобразованных УВ (адамантанам и диамантанам) и гетероатомных соединений.

Анализ образцов методом высокотемпературной капиллярной газо-жидкостной хроматографии проводили на приборе Bruker 430-GC с пламенно-ионизационным детектором (ПИД). Программирование температуры проводили в интервале от 80 до 320°С со скоростью подъема 4°С/мин. Газ-носитель - водород.

Анализ образцов методом хроматомасс-спектрометрии проводили на приборе Agilent 6890N/5975C в двух режимах TIC и SIM. Основное внимание уделялось образованию УВ-биомаркеров (н-алканов и изопренанов m/z 71, стеранов m/z 217, 218 и терпанов m/z 191, 177), преобразованных УВ (адамантанов m/z 136, 135, 149, 163 и диамантанов m/z 188, 187, 201) и гетероатомных соединений. Программирование температуры проводили в интервале от 70 до 290°С со скоростью подъема 4°С/мин. Газ-носитель - гелий. Все спектры были сняты при энергии ионизации 70 эВ и ускоряющем напряжении 3500 В. Температура в камере ионизации 250°С.

Разделение углеводородов методами высокотемпературной капиллярной газожидкостной хроматографии и хроматомасс-спектрометрии осуществляли на одинаковых капиллярных колонках НР-1 с параметрами 25 м* 0.25 мм х 0.5 мкм.

Идентификацию соединений проводили путем добавления к исследуемым образцам предполагаемых эталонных соединений, а также с помощью использования библиотеки масс-спектров NIST.

Глава III. Углеводороды и кислоты, образующиеся в растворимой части биомассы бактерий.

На основании исследования соединений в экстрактах растворимой части (т.е. в нативной биомассе) хемоорганогетеротрофных бактерий Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV идентифицированы н-алканы и соответствующие жирные кислоты. Установлено, что у обоих штаммов бактерий среди низкомолекулярных образуются преимущественно н-алканы с нечетным числом атомов углерода (состава С?, С9, Си, С13, Си и Сп) в молекуле и соответствующие им кислоты с четным числом атомов углерода (состава С«, Сю, С12, Си, Ci6 и Ci8) в молекуле (Рисунок 2). Можно предположить, что подобные углеводороды могли образоваться как в процессе декарбоксилирования жирных кислот с четным числом атомов

углерода, так и являться непосредственными продуктами метаболизма бактерий. Этот интересный вопрос требует дальнейшего исследования.

Среди высокомолекулярных н-алканов превалируют н-алканы с четным числом атомов углерода в молекуле состава С22, С24, Сзо, С32, С 34.

Важно отметить, что оба штамма синтезируют непредельный нерегулярный изопренан -сквален (2,6Л0,15,19,23-гексаметилтетракоза-2,6,10,14,18,22-гексаен). В нефтях он отсутствует, однако, присутствует его гидрированный аналог - сквалан (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан).

80,00 50,00

% 70,00 % 45,00

40,00

60,00

35,00

50,00 30,00

40,00 25,00

30,00 20,00

15,00

20,00 1

10,00 й

10,00 0 00 л 5,00 0 00 = I. 1

С7 С9 СИ С13 С15 С17 С8 С 10 С12 С14 :1б С18

Число атомов "С" в н-алкане Число атомов " С" в кислоте

Рисунок 2 - Относительное содержание низкомолекулярных н-алканов и кислот в биомассе

Агг1и-оЬас1ег $р. ИУ

Интересно отметить следующее: в настоящее время считается, что н-алканы с нечетным числом атомов углерода в молекуле превалируют в слабопреобразованных нефтях, генерированных глинистыми толщами, а более высокомолекулярные н-алканы с четным числом атомов углерода в молекуле превалируют в слабопреобразованных нефтях, генерированных карбонатными толщами. В нашем случае, как уже отмечалось выше, в результате бактериальной деятельности наблюдается одновременно превалирование н-алканов как с нечетным числом атомов углерода, так и с четным числом атомов углерода в молекуле.

Глава IV. Углеводороды, образующиеся в продуктах термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы бактерий.

Известно, что в процессе созревания ОВ керогеном продуцируются УВ разных классов с разной скоростью. Ранее было показано, что в результате термолиза и термокаталитических

превращений керогена генерируются те же УВ, которые находятся в нефтях. Как известно, кероген (нерастворимое OB) представляет собой сложный геобиополимер, поэтому можно предположить, что нерастворимая часть бактериальной биомассы, в частности, Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM, может являться частью керогена. В связи с этим, интересно было выяснить, образуются ли углеводороды при термолизе и термокаталитических превращениях нерастворимой части биомассы бактерий (дебриса).

Как показали наши исследования, действительно, в результате термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части бактерий образуются все те УВ, которые находятся в нефтях, а именно: н-алканы, изопренаны, стераны, терпаны и углеводороды алмазоподобного строения.

н-Алканы и изопренаны. В результате термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM образуются н-алканы и изопренаны состава С13-С20 (Рисунок 3, Таблица 1).

В продуктах термолиза образуются н-алканы состава С9-С35 с мономодальным распределением, а в продуктах термокатализа - н-алканы состава С9-С39 с бимодальным распределением. В продуктах термолиза обоих штаммов наблюдается превалирование н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле над четным (н-С% н-Сц, и-Сц и н-Сп), в то время как в продуктах термокаталитичских превращений преобладают н-алканы с четным числом атомов углерода (//-C16, h-Cis и н-С20). Интересно отметить, что близкое распределение н-алканов наблюдается и в растворимой части биомассы данных бактерий. Известно, что такая нечетность н-алканов наблюдается в слабопреобразованных нефтях морского генезиса, а четность - в нефтях, генерированных в карбонатных толщах. Аналогично напоминает морской тип OB и величина отношения пристана к фитану, которая в продуктах термолиза и термокаталитических превращений исследуемых бактерий варьирует в пределах 0.83-1.05.

Интересно отметить, что среди изопренанов нами обнаружен и регулярный изопренан состава С17. Так, относительное содержание его на сумму изопренанов С13-С20 в продуктах термолиза Pseudomonas aeruginosa RM и Arthrobacter sp. RV составляют 24 и 57%, соответственно, а в продуктах термокаталитических превращений обоих штаммов - 9%. Известно, что этот псевдорегулярный изопренан состава С17 отсутствует практически во всех нефтях мира, что объясняется малой вероятностью одновременного разрыва двух связей у третичного атома углерода при распаде фитола. Можно предположить, что изопреноид состава 017 образовался в результате термического распада молекулы нерегулярного изопренана 2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозана (сквалана). Как было сказано ранее, в растворимой части был обнаружен сквален (Рисунок 4).

t И

С 10

= О

6 -

(пристал)

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 3R 39

фитан

Количество атомов "С " в //-алкане

(пристан) 17*1

(пристан)

9 10 II 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Количество атомов "С " в калкане

Рисунок 3 - Распределение «-алканов и изопренанов в продуктах термолиза (а) и термокаталитических превращений (б) на примере Pseudomonas aeruginosa RM (I) и Arthrobacter sp. RV (II). Цифры над столбцами указывают количество атомов углерода в изопренане. Звездочкой отмечен изопренан С п

Таблица 1 - Распределение н-алканов и изопренанов в продуктах термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM

Образец пристан пристан фшпан пристан + фшпан " - С15 Н — С, 7 + Н — С15

фит an н-С„ н- С18 я - С17 + н - С18 « - с25 2 * (« - Ci6)

1 2 1 г 1 2 1 2 1 2 1 2

Arthrobacter sp. RV 1.0 1.05 0.04 0.43 0.08 0.34 0.05 0.38 151.0 7.2 1.5 0.72

Pseudomonas aeruginosa RM 0.83 1.04 0.06 0.42 0.13 0.34 0.08 0.38 54.0 19.67 1.54 0.64

Примечание: 1 - термолиз, 2 - термокаталитические превращения

2-метилгептан

\ С,4 С15 С,Л С

—% Ь£:

1каны i-C,, отсутству

2,6-диметилалканы i-C,, отсутствует

С-2о(фитан) С19 (пристан)

'17 отсутствует

Рисунок 4 - Схемы распада фитола (а) и сквалана (б)

Стераны и терпаны. В результате термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM образуются и циклические углеводороды-биомаркеры - стераны и терпаны (Рисунки 5-7, Таблицы 2-5). Причем, распределение регулярных стеранов С27-С29 напоминает таковое в морских нефтях. Величина отношения диастеранов к регулярным (диа/рег) в термолизатах варьирует в пределах 0.33-0.49, а в термокатализатах 0.48-0.84. Такое распределение в нефтях соответствует генерированию исходного органического вещества в глинистых толщах. Как и следовало ожидать, величина отношения диа/рег в термокатализатах выше, чем в термолизатах (0.33 против 0.48 у Arthrobacter sp. RV и 0.49 против 0.84 у Pseudomonas aeruginosa RM).

m/z 217

L

10| 13

VW

40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00

m/z 218

40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00

Время выхода, мин. Рисунок 5 - Типичные масс-хроматограммы стеранов, образующихся в результате термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части Pseudomonas aeruginosa RM. Обозначения пиков приведены в таблице 2

Таблица 2 - Стераиы, идентифицированные в продуктах термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM

№ пика Стераны Стереохимическая индикация Количество атомов углеводородов

m/z 217, 218

1 Изопрегнан 5а, 14ß, 17ß 21

2 ß,a - диахолестан 10а, 13ß, 17а, 20S 27

3 ß,a - диахолестан 10а, 13ß, 17а, 20R 27

4 а -холестан 5а, 14а, 17а, 20S 27

Изохолестан+ 5а, 14ß, 17ß, 20R 27

24-этил-Р, а-диахолестан 10а, 13ß, 17а, 20S 29

6 Изохолестан 5а, 14ß, 17ß, 20S 27

7 а-холестан 5а, 14а, 17а, 20R 27

8 24-метилизохолестан 5а, 14ß, 17ß, 20R 28

9 24-метилизохолестан 5а, 14ß, 17ß, 20S 28

10 24-этил-а-холестан 5а, 14а, 17а, 20S 29

11 24-этилизохолестан 5а, 14ß, 17ß, 20R 29

12 24-этилизохолестан 5а, 14ß, 17ß, 20S 29

13 24-этил-а-холестан 5а, 14а, 17а, 20R 29

Примечание: всюду указана ориентация (Н)

Величина отношения адиантана к гопану (Г;</Гзо) в термолизатах нерастворимой части исследуемых бактерий варьирует в пределах 0.92-1.05, а в продуктах термокаталитических превращений - в пределах 0.81-0.90. Такое распределение характерно для органического вещества, генерированного в карбонатных толщах. Наблюдается противоречие, аналогично результатам в растворимой части в случае распределения н-алканов, где оно характерно как для глинистых, так и для карбонатных толщ одновременно. В этой связи, при корреляциях углеводородного состава нефтей рассеянного органического вещества пород использовать эти коэффициенты необходимо с большой осторожностью. Тритерпаны превалируют над стеранами как в термолизатах, так и в продуктах термокаталитическнх превращений исследуемых штаммов бактерий (величина отношений Г30/СТ29 варьирует в пределах 1.33-3.00).

Выход насыщенных УВ в среднем составляет 13-18% на сухую биомассу бактерий.

m/z 191

ч

ч

10

171

ГП

"I—'—1—1—1—I—•—'—1—1—I—1—■—1—1—r

40.00 45.00 50.00 55.00 60.00 65.00 70.00

Время выхода, мии.

Рисунок 6 - Типичные масс-хроматограммы терпанов, образующихся в результате термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части Pseudomonas aeruginosa RM. Обозначения пиков приведены в таблице 3

Таблица 3 - Терпаны, идентифицированные в продуктах термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM

Терпаны Стереохимическая Количество атомов

№ пика индикация углеводородов

m/z 191, 177

1 Трициклический терпан 13ß, 14а 23

2 Трициклический терпан 13ß, 14а 24

3 Трициклический терпан 13ß, 14а 25

4 Тетрациклический терпан 13ß, 14а 24

5 Трициклический терпан I3ß, 14а; 22S+22R 26

6 22, 29, 30-трисноргопан (Ts) 17а-метил, 18а 27

7 22, 29, 30-трисноргопан (Тш) 18а-метил, 17а 27

8 30-норгопан (адиантан) 17а, 21ß 29

9 Гопан 17а, 21ß 30

10 Гомогопан 17а, 21ß;22S+22R 31

11 Гомогопан 17а, 2 lß; 22S+22R 32

12 Гомогопан 17а, 2 lß; 22S +22R 33

13 Гомогопан 17а, 2lß; 22S+22R 34

14 Гомогопан 17а, 21 ß; 22S+22R 35

Примечание: всюду указана ориентация (Н)

Таблица 4 - Характеристика продуктов термолиза и термокаталитических превращений дебрисов (Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM) по стеранам

Образец Регулярные стераны диа/рег Г30/СТ29 К2)Р

С27/С29 С28/С29 С27:Сг8:Сг9

1 2 1 2 I 2 1 2 1 2 1 2 1 2

Arthrobacter sp. RV 1.64 1.06 1.18 0.72 43:31:26 38:26:36 0.33 0.48 2.80 3.00 0.50 0.50 0.65 0.71

Pseudomonas aeruginosa RM 1.66 1.45 1.07 0.81 44:29:27 45:25:30 0.49 0.84 1.33 1.58 0.46 0.50 0.68 0.74

Примечание: 1 - термолиз, 2 термокаталитические превращения

Таблица 5 - Характеристика продуктов термолиза и термокаталитических превращений дебрисов (Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM) по терпанам

Образец Ts/(Ts+Tm) Ts/Tm Г29/Г30 нсоГи/Ггч Г27:Гг9:Гзо:Гз| три/пента тетра/три

1 2 • 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

Arthrobacter sp. RV 0.42 0.33 0.45 0.60 0.92 0.81 0.14 0.18 22:27:30:21 17:26:33:24 1.04 0.55 0.33 0.34

Pseudomonas aeruginosa RM 0.43 0.38 0.60 0.65 1.05 0.93 0.20 0.16 28:28:25:19 21:27:30:22 1.70 0.90 0.34 0.32

Примечание: 1 - термолиз, 2 - термокатапитические превращения

(Я)

Г29/ГЗО

Ts/Tm

диа/рег

Pr/Ph

(б)

С27/С29

Г29/Г30

С28/С29 Ts/Tm

диа/рег

С27/С29

С28/С29

К1зр

Термолиз

Термокаталнтические превращения

К2зр К2зр

Рисунок 7 - Сравнительная характеристика продуктов термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы

Arthrobacler sp. RV (а) и Pseudomonas aeruginosa RM (6). Pr/Ph - отношение пристана к фитану, К'зр = aS/(aS+aR), К2,р = ctßß/(aßß+aR)

(показатели степени преобразованное™ по стеранам См>), С27-С29 - стераны, диа/рег - отношение диастеранов к регулярным, Г29/Г30 -

отношение адиантана к гопану

Углеводороды алмазоподобного строения. Нами найдено, что в результате термолиза нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM, на масс-хроматограммах адамантанов (m/z 136, 135, 149, 163) и диамантанов (m/z 188, 187, 201) присутствуют пики неадамантановых углеводородов. По аналогии с нефтями мы предположили, что эти пики соответствуют протоадамантановым и протодиамантановым углеводородам. При термокаталитических превращениях обоих штаммов бактерий образуются углеводороды алмазоподобного строения - нефтяные адамантаны Сю-Сп и диамантаны С14-С16 (Рисунки 8 и 9).

Для подтверждения того, что посторонние пики на масс-хроматограммах с характеристическими ионами адамантанов являются протоадамантанами, а диамантанов -протодиамантанами, мы провели каталитические превращения продуктов термолиза в присутствии А1Вгз. Так, на рисунках 8 и 9 представлены масс-хроматограммы продуктов термолиза и термокаталитических превращений с алюмосиликатом нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и продуктов их изомеризации с А1Вгз. На масс-хроматограммах продуктов термолиза (рис. 8а и 9а) видно присутствие многочисленных пиков с характеристическими ионами адамантанов С10-С13 (m/z 135, 136, 149, 163) и диамантанов Cm-Cis (m/z 187, 188, 201), времена удерживания которых не совпадают с адамантанами и диамантанами. В то же время, в продуктах термокаталитических превращений (рис. 86 и 96) нерастворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV, наблюдаются пики образовавшихся адамантанов и диамантанов (указаны цифрами над пиками). Аналогичные результаты получены нами в случае продуктов каталитических превращений Pseudomonas aeruginosa RM.

Из масс-хроматограмм продуктов каталитических превращений с АШгз видно, что все протоадамантановые углеводороды изомеризовались в термодинамически более устойчивые адамантаны и диамантаны (на рис. 8в и 9в присутствуют только пики адамантанов и диамантанов, соответственно). Таким образом, можно заключить, что многочисленные пики на масс-хроматограммах с теми же характеристическими ионами, что и для адамантанов и диамантанов, относятся к протоадамантанам и протодиамантанам, которые аналогичны нефтяным.

На наш взгляд, протоадамантаны и протодиамантаны, в отличие от адамантанов и диамантантанов, являются углеводородами-биомаркерами мостикового строения и изучение их строения на молекулярном уровне может иметь большое практическое значение.

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 т/г 135

•5 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 X

т/г 149

_^.Л—^Ьл—_■_——.——

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22 00 24.00

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00

.1 4

—и

8.00 10.00 12 00 14.00 16.00 18.00 20.00 22 00 24.00 т/г 149

8.00 10.00 1 2.00 14.00 16-00 18.00 20.00 22.00 24.00

1314 12 ,

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00

3 4 5

I ---—I-1л

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 т/г 149

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 II

12

-дх.

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00

Время, мин

Рисунок 8 - Масс-хроматограммы протоадамантанов и адамантанов Сщ-Сп в продуктах термолиза (а), в продуктах каталитических превращений термолизата (б) и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы АпкгоЪас1ег эр. ЯУ (в). Цифрами

обозначены: 1 - адамантан; 2 - 1 -метиладамантан; 3 - 2-метиладамантан; 4 - 1-этиладамантан; 5 - 2-этиладамантан; 6-1,3-диметиладамантан; 7 и 8 - цис- и транс-1,4-диметиладамантаны; 9 - 1,2-диметиладамантан; 10-1 -этил-3-метиладамантан; 11 - 1,3,5-триметиладамантан; 12- 1,3,6-триметиладамантан; 13 и 14 - цис- и транс-1,3,4-триметиладамантаны

т/г 188

т/г 188

т/г 188 /

и

18.00 20.00 22.00 24,00 26.00 28.00

т/г 187

11111' 11

18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00

т/г 187

2

18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00

т/г I 87

2

' I " " ! I ' ' | ' ■ ■ ' ! I • ■ '

..................«щ}***'

3 4

18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 18.00 20.00 22.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00

т/г 201

УМ*

18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00

Время, мин

Рисунок 9 - Масс-хроматограммы протодиамантанов и диамантанов С14—С16 в продуктах термолиза (а), в продуктах каталитических превращений термолизата (б) и термокаталитических превращений нерастворимой части биомассы обозначены: I -диамантан; 2 - 4-метилдиамантан; 3

АпкгоЬас(ег ер. ЯУ (в). Цифрами •метилдиамантан; 4 - 3-метилдиамантан; 5 - 4,9-диметилдиамантан; 6 - 1,4- и 2, диметилдиамантаны; 7 - 4,8-диметилдиамантан; 8 - 3,4-диметилдиамантан

ВЫВОДЫ

1. Показано, что одним из источников нефтяных углеводородов является биомасса бактерий.

2. Найдено, что в растворимой части биомассы Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM среди низкомолекулярных углеводородов образуются преимущественно н-алканы с нечетным числом атомов углерода состава С7, С9 , Си, Сп, С15, С17, С19, С21 и соответствующие им жирные кислоты с четным числом атомов углерода в молекуле состава С8, Сю, С|2, С14, Ci6, С18. Среди высокомолекулярных н-алканов, преобладают н-алканы с четным числом атомов углерода в молекуле состава С22, С24, Сю, С32. Обнаружен непредельный нерегулярный изопренан - сквален (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракоза-2,6,10,14,18,22-гексаен).

3. Впервые установлено, что в продуктах термолиза и термокаталитических превращений нерастворимой части исследуемых бактерий образуются все те насыщенные углеводороды-биомаркеры, которые находятся в нефтях, а именно: н-алканы, изопренаны, стераны и терпаны. Причем, распределение изопренанов, стеранов и терпанов напоминает таковое в морских нефтях. Среди изопренанов состава С13-С20, обнаружен псевдорегулярный изопренан состава С17, который отсутствует в нефтях.

4. Впервые найдено, что в результате термолиза нерастворимой части Arthrobacter sp. RV и Pseudomonas aeruginosa RM образуются протоадамантаны и протодиамантаны, а в продуктах термокаталитических превращений - углеводороды алмазоподобного строения - адамантаны Сщ-Сп и диамантаны С14-С16.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Строева1, А.Р. Бактериальный синтез н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле/ А.Р. Строева, М.В. Гируц, В.Н. Кошелев, Г.Н. Гордадзе// Нефтехимия. - 2013. - Т. 53. - № 5. - С. 374-377. [Stroeva, A.R. Bacterial Synthesis of n-Alkanes with an Odd Number of Carbon Atoms in the Molecule/ A.R. Stroeva, M.V. Giruts, V.N. Koshelev, G.N. Gordadze// Petroleum Chemistry. - 2013. - V. 53. - N0. 5. - P. 331-334.]

2. Gordadze, G.N. Formation of /i-alkanes by bacteria Arthrobacter sp. RV and Pseudomonas aeruginosa RM/ G.N. Gordadze, A.R. Stroeva// Journal of Petroleum and Environmental Biotechnology. - 2013. - V. 4. - N0.6. - P. 94.

3. Строева, А.Р. К вопросу участия бактерий в образовании углеводородов нефти/ А.Р. Строева// Материалы 20-ой Международной конференции студентов, аспирантов

' Строева - дев. фамилия А.Р. Пошибаевой

и молодых ученых «Ломоносов-2013». Москва, МГУ нменн М.В. Ломоносова, биологический факультет. - М.:МАКС ПРЕСС. - 2013. - С. 213.

4. Строева, А.Р. Новый взгляд на происхождение н-алканов нефтей и конденсатов/ А.Р. Строева, М.В. Гируц// Материалы X Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика)». Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - 2013. - С. 31.

5. Stroeva, A.R. Bacterial synthesis of n-alkanes/ A.R. Stroeva, I.V. Botvinko, M.V. Giruts, G.N. Gordadze// Kazan Workshop on Abiotic Hydrocarbons. Abstracts Volume: Abstracts of Kazan workshop on abiotic hydrocarbons. Russia, Kazan. - 2013. - P. 51.

6. Stroeva, A.R. Formation of n-alkanes by bacteria Arthrobacter sp. RV and Pseudomonas aeruginosa RM/ A.R. Stroeva, G.N. Gordadze// Petrochemistry and Chemical Engineering. - Hilton San Antonio Airport, TX, USA. - 2013. - P. 94.

7. Гируц, М.В. Адамантаны Сц-С|з в биодеградированных и небиодеградированных конденсатах/ М.В. Гируц, А.Р. Строева, Г.А. Гаджиев, О.А. Стоколос, В.Н. Кошелев, Г.Н. Гордадзе// Нефтехимия. - 2014. - Т. 54. - № 1. - С. 12-16. [Giruts, M.V. Adamantanes Сц-С|з in Biodegraded and Nonbiodegraded Condensates/ M.V. Giruts, A.R. Stroeva, G.A. Gadzhiev, O.A. Stokolos, V.N. Koshelev, G.N. Gordadze// Petroleum Chemistry.-2014.-V. 54.-No. l.-P. 10-15.]

8. Строева, А.Р. Моделирование процессов образования нефтяных углеводородов-биомаркеров путем термолиза и термокатализа биомассы бактерий/ А.Р. Строева, М.В. Гируц, В.Н. Кошелев, Г.Н. Гордадзе// Нефтехимия. - 2014. - Т. 54. - № 5. - С. 352-359. [Stroeva, A.R. Modeling of Formation of Petroleum Biomarker Hydrocarbons by Thermolysis and Thermocatalysis of Bacterium Biomass/ A.R. Stroeva, M.V. Giruts, V.N. Koshelev, G.N. Gordadze// Petroleum Chemistry. - 2014. - V. 54. - No. 5. - P. 347-354.]

9. Гируц, М.В. Генерация углеводородов алмазоподобного строения из биомассы бактерий/ М.В. Гируц, Г.Н. Гордадзе, А.Р. Строева, О.А. Стоколос, С.О. Богатырев, В.Н. Кошелев// Химия и технология топлив и масел. - 2014. - № 4. С. 15-20. [Giruts, M.V. Generation of Hydrocarbons Having Adamantine Structure from Bacterial Biomass/ M.V. Giruts, G.N. Gordadze, A.R. Stroeva, O.A. Stokolos, S.O. Bogatyrev, V.N. Koshelev// Chemistry and Technology of Fuels and Oils. - 2014. - V. 50. - No. 4. - P. 290-298.]

10. Гируц, М.В. К вопросу образования углеводородов нефти из биомассы бактерий/ М.В. Гируц, Г.Н. Гордадзе, А.Р. Строева, В.Н. Кошелев// Труды РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - 2014. - № 2(275). - С. 82-93.

11. Гируц, М.В. Моделирование процессов образования углеводородов алмазоподобного строения из биомассы бактерий/ М.В. Гируц, А.Р. Строева, С.О.

Богатырев, В.Н. Кошелев, Г.Н. Гордадзе// Материалы XIII Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». Москва—Тбилиси, 2014; под ред. А.Е. Воробьева, Т.В. Чекушиной. - Москва: РУДН, 2014. -С. 17-18.

12. Строева, А.Р. Биомасса бактерий как источник нефтяных углеводородов-биомаркеров/ А.Р. Строева, М.В. Гируц, В.Н. Кошелев, Г.Н. Гордадзе// Материалы XIII Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». Москва-Тбилиси, 15-21 сентября 2014 г. Под ред. А.Е. Воробьева, Т.В. Чекушиной. - Москва: РУДН, 2014. - С. 450.

13. Пошибаева, А.Р. Образование углеводородов нефти путем термолиза и термокатализа нерастворимой части биомассы бактерий/ А.Р. Пошибаева, М.В. Гируц, С.О. Богатырев, Г.Н. Гордадзе// Тезисы Всероссийского симпозиума с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов»,-Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 2014. - С. 189.

Отпечатано в типографии «Буквы и цифры», 28.02.2015 105064, г. Москва, Нижний Сусальный переулок, д.9, стр.6. Тираж: 200 экз.