Нефтехимия, 2020, T. 60, № 6, стр. 755-764

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объектами исследования являлись штамм биомассы бактерий Shewanella putrefaciens¹¹ и асфальтены, выделенные из нефтяного месторождения Даган (КНР) [5–7].

Для выделения и культивирования исследуемых бактерий, использовали среду следующего состава (г × л^–1): бакто-триптон – 5.0, дрожжевой экстракт – 2.5, глюкоза – 1.0. Для получения плотной среды вносили агар до конечной концентрации 20 г/л. Штамм M-8m-1 выращивали как на плотной среде, так и на жидкой, аэробно, в стационарных условиях при 60°С и pH 7.0–7.2 в течение 3 сут. Полученную биомассу снимали с чашки стерильным шпателем или осаждали центрифугированием в течение 20 мин при 8000 об./мин.

Биомассу исследуемых бактерий лиофилизировали при температуре 25°С, давлении 10 × × 10⁻⁷ МПа, в течение 24 ч.

Экстракцию лиофильной биомассы исследуемых бактерий проводили при комнатной температуре н-гексаном, предварительно перегнанным на ректификационной колонке. Растворимую часть бактерии отбирали через 40 и 60 ч. Экстракцию проводили до полного исчезновения экстрагируемых веществ. Термолиз нерастворимой части биомассы бактерий и асфальтенов проводили в одинаковых условиях, при температуре 330°C в запаянной ампуле.

Анализ УВ в растворимой части, продуктах термолиза нерастворимой части биомассы бактерий и асфальтенов проводили методами капиллярной газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) и хромато-масс-спектрометрии. ГЖХ проводили на приборе Bruker 430-GC с пламенно-ионизационным детектором, программирование температуры от 80 до 320°C – cо скоростью подъема 4°C/мин. Газ-носитель – водород. Разделение УВ осуществляли на капиллярных колонках HP-1 25 м × × 0.25 мм × 0.5 мкм.

Хромато-масс-спектрометрические исследования (ГХ/МС) в режиме электронной ионизации осуществляли на приборе Agilent 6890N/5975С. Все спектры были сняты при энергии ионизации 70 эВ и ускоряющем напряжении 3500 В. Температура камеры ионизации составляла 250°С. Использовали режим МВИ с записью следующих характеристических ионов: m/z 71 – для н-алканов и изопренанов, m/z 217 и 218 – для стеранов, m/z 191 и 177 – для терпанов. Программирование температуры осуществляли от 70 до 290°C cо скоростью подъема 4°/мин. Разделение УВ проводили на капиллярных колонках с неподвижной фазой HP-1MS (25 м × 0.25 мм × 0.5 мкм). Газ-носитель – гелий.

Идентификацию соединений осуществляли путем добавления к исследуемым образцам предполагаемых эталонных соединений, а также с помощью использования библиотеки масс-спектров NIST 2.0.

Ниже представлена схема исследования насыщенных УВ-биомаркеров (схема 1 ).

Схема 1 . Схема исследования насыщенных УВ-биомаркеров.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

н-Алканы и изопренаны. В табл. 1 представлено распределение н-алканов состава С₁₀–С₃₆, пристана и фитана, в табл. 2 – распределение изопренанов состава С₁₁–С₂₀ в экстрактах (растворимой части), отобранных в разное время, а также в продуктах термолиза биомассы бактерий Shewanella putrefaciens и асфальтенов, выделенных из нефти месторождения Даган.

В растворимой части (продуктах жизнедеятельности) биомассы бактерий образуются гомологический ряд н-алканов С₁₀–С₃₆ и изопренанов С₁₁–С₂₀. Относительное содержание н-алканов в экстрактах, отобранных в разное время, значительно отличается друг от друга. В экстракте, отобранном через 40 ч, в отличие от экстракта, отобранного через 60 ч, наблюдается значительное превалирование высокомолекулярных н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле С₂₃,С₂₅, С₂₇, С₂₉, С₃₁ и С₃₃ над н-алканами с четным числом атомов углерода в молекуле С₂₄, С₂₆, С₂₈, С₃₀, С₃₂ и С₃₄. Среди более короткоцепочечных н-алканов в экстракте, отобранном через 60 ч, в отличие от экстракта, отобранного через 40 ч, наблюдается значительное превалирование н-алканов с четным числом атомов углерода в молекуле состава С₁₆,С₁₈, С₂₀ и С₂₂ над таковыми с нечетными составами С₁₇,С₁₉, С₂₁ и С₂₃. Особенно отмечается превалирование докозана (табл. 1, рис. 1).

Рис. 1.

Распределение н-алканов С₁₀–С₃₆ и изопренанов С₁₉ (пристан) и С₂₀ (фитан) в экстрактах растворимой части, отобранных в разное время, и в продуктах термолиза (330°C) нерастворимой части (керогена) биомассы бактерий Shewanella putrefaciens и асфальтенов нефти м-ния Даган

Рис. 2.

Распределение изопренанов С₁₁–С₂₀ в экстрактах растворимой части, отобранных в разное время, и в продуктах термолиза (330°C) нерастворимой части (керогена) биомассы бактерий Shewanella putrefaciens и асфальтенов нефти м-ния Даган.

Рис. 3.

Сравнительная характеристика растворимой части биомассы бактерий Shewanella putrefaciens, отобранной в разное время, по н-алканам и изопренанам.

Распределение изопренанов состава С₁₁–С₂₀ в обоих экстрактах довольно близко (табл. 2, рис. 2). Величина генетического показателя – отношения пристан/фитан – ниже единицы (0.69 и 0.92), что соответствует нефтям, генерированным в морских условиях (табл. 3, рис. 3). В обоих экстрактах найден псевдорегулярный изопренан состава С₁₇, который практически отсутствует во всех нефтях мира, и отсутствует изопренан состава С₁₂. В обоих экстрактах обнаружен нерегулярный непредельный изопренен сквален (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракоза-2,6,10,14,18,22-гексаен), причем в экстракте, отобранном через 40 ч, этого УВ содержится в три раза больше, чем в экстракте, отобранном через 60 ч (табл. 3).

В продуктах термолиза нерастворимой части (керогена) биомассы бактерий Shewanella putrefaciens наблюдается нефтяное распределение н-алканов состава С₁₀–С₃₆ со значительным превалированием н-гексадекана и с незначительным превалированием высокомолекулярных н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле (рис. 1).

Наряду с термолизом нерастворимой части биомассы бактерий, как было сказано выше, мы, в аналогичных условиях, провели термолиз асфальтенов, выделенных из той же нефти месторождения Даган. Асфальтены являются продуктами наиболее близкими к керогену (отличие заключается в том, что кероген – биополимер, а асфальтены – биоолигомеры), и в результате их термолиза образуются те же УВ-биомаркеры, которые присутствуют и в нефтях [1, 8–10]. Кроме того, асфальтены также являются продуктами переработки исходного ОВ, в том числе, очевидно, и бактерий.

В продуктах термолиза асфальтенов, аналогично термолизатам нерастворимой части биомассы бактерий Shewanella putrefaciens, наблюдается нефтяное распределение н-алканов С₁₀–С₃₆ и изопренанов С₁₁–С₂₀. Отличие заключается в том, что в термолизатах асфальтенов н-алканов образуется значительно больше по сравнению с изопренанами: величины отношений пристан/С₁₇ и фитан/С₁₈ в термолизатах асфальтенов составляют 0.25 и 0.22, соответственно, против 0.56 и 0.60 в термолизатах биомассы бактерий (табл. 3, рис. 4). Кроме того, в термолизатах асфальтенов практически отсутствует псевдорегулярный изопренан состава С₁₇.

Рис. 4.

Сравнительная характеристика продуктов термолиза (330°C) нерастворимой части (керогена) биомассы бактерий Shewanella putrefaciens и асфальтенов нефти м-ния Даган по н-алканам и изопренанам

Стераны и терпаны. В табл. 4 и 5 и на рис. 5 и 6 представлена сравнительная характеристика углеводородного состава экстрактов растворимой части биомассы бактерий Shewanella putrefaciens, а также продуктов термолиза нерастворимой части биомассы и асфальтенов, выделенных из нефти м-ния Даган, по стеранам и терпанам. Важно отметить, что, в отличие от биомассы бактерий Geobacilus jurassicus, выделенных из нефти того же месторождения [8], в растворимой части и в продуктах термолиза нерастворимой части биомассы бактерии Shewanella putrefaciens найдены стераны и терпаны.

Рис. 5.

Сравнительная характеристика биомассы бактерий Shewanella putrefaciens и асфальтенов, выделенных из нефти м-ния Даган, по стеранам.

Рис. 6.

Сравнительная характеристика биомассы бактерий Shewanella putrefaciens и асфальтенов, выделенных из нефти м-ния Даган, по терпанам.

Из табл. 4 и рис. 5 видно, что термическая зрелость асфальтенов значительно ниже, чем таковая в растворимой части и термолизате нерастворимой части биомассы бактерий. Коэффициенты зрелости, рассчитанные по регулярным стеранам состава С₂₉ ${\text{К}}_{{{\text{зр}}}}^{1}$ и ${\text{К}}_{{{\text{зр}}}}^{2}$ составляют, соответственно, 0.42 и 0.71 в среднем против 0.28 и 0.43. Они еще не достигли равновесного состояния, в котором ${\text{К}}_{{{\text{зр}}}}^{1}$ и ${\text{К}}_{{{\text{зр}}}}^{2}$ равны 0.55 и 0.86, соответственно. Относительное распределение регулярных стеранов состава С₂₇–С₂₉ во всех случаях довольно близко между собой. Величина отношения диа/рег-стеранов как в случае экстрактов биомассы бактерий, так и в случае продуктов термолиза нерастворимой части биомассы варьирует в пределах 0.52–0.64. Это характерно для ОВ, генерированного в глинистых толщах. В случае же продуктов термолиза асфальтенов эта величина составляет 0.29, что характерно для ОВ, генерированного в глинисто-карбонатных толщах.

Среди терпанов так же, как и среди стеранов, наблюдается их нефтяное распределение (табл. 5, рис. 6). Во всех случаях величина отношения коэффициентов зрелости Тs/Tm ниже единицы и варьирует в пределах 0.19–0.73, свидетельствуя о низкой степени термической зрелости ОВ. Также о низкой степени термической зрелости свидетельствуют и довольно большие относительные концентрации моретана С₃₀.

Таким образом, на основании изучения закономерностей распределения УВ в экстрактах (растворимой части) биомассы бактерий Shewanella putrefaciens, выделенных из нефти месторождения Даган, а также в продуктах термолиза нерастворимой части биомассы этих бактерий и асфальтенов, выделенных из этой нефти, можно предположить, что в образование углеводородов-биомаркеров нефти месторождения Даган внесла определенный вклад и биомасса бактерий Shewanella putrefaciens.