Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Повышение нефтеотдачи с использованием комбинации биоповерхностных веществ

Published: June 3, 2022 doi: 10.3791/63207
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Biochemical Engineering and Biotechnology, Indian Institute of Technology Delhi, 2Indian Oil Corporation, Research and Development Faridabad

Summary

Мы иллюстрируем методы, связанные с скринингом и идентификацией микробов, продуцирующих биоповерхностные вещества. Также представлены методы хроматографической характеризации и химической идентификации биоповерхностных веществ, определяющие промышленную применимость биоповерхностного вещества в повышении остаточного нефтеотдачи.

Abstract

Биосурфактанты представляют собой поверхностно-активные соединения, способные снижать поверхностное натяжение между двумя фазами разной полярности. Биозащитные вещества становятся многообещающими альтернативами химическим поверхностно-активным веществам из-за меньшей токсичности, высокой биоразлагаемости, экологической совместимости и устойчивости к экстремальным условиям окружающей среды. Здесь мы иллюстрируем методы, используемые для скрининга микробов, способных производить биоповерхностные вещества. Микробы, производящие биоповерхност, были идентифицированы с использованием анализа капельного коллапса, разбрасывания нефти и индекса эмульсии. Производство биоповерхностного вещества было подтверждено путем определения снижения поверхностного натяжения среды из-за роста микробных членов. Мы также описываем методы, связанные с характеристикой и идентификацией биоповерхностных веществ. Тонкослойную хроматографию экстрагированного биоповерхностного вещества с последующим дифференциальным окрашиванием пластин проводили для определения природы биоповерхностного вещества. LCMS, 1H ЯМР и FT-IR использовались для химической идентификации биоповерхностного вещества. Далее мы иллюстрируем методы оценки применения комбинации полученных биотвердых веществ для повышения остаточного нефтеотдачи в моделируемой колонне пескоструйной пачки.

Introduction

Биоповерхностные вещества представляют собой амфипатические поверхностно-активные молекулы, продуцируемые микроорганизмами, которые обладают способностью уменьшать поверхность и межфазное натяжение между двумя фазами1. Типичный биотвердовой фактор содержит гидрофильную часть, которая обычно состоит из фрагмента сахара или пептидной цепи или гидрофильной аминокислоты и гидрофобной части, которая состоит из насыщенной или ненасыщенной цепи жирных кислот2. Из-за своей амфипатической природы биоповерхностные вещества собираются на границе раздела между двумя фазами и уменьшают межфазное напряжение на границе, что облегчает диспергирование одной фазы в другую 1,3. Различные типы биозащищенных веществ, о которых сообщалось до настоящего времени, включают гликолипиды, в которых углеводы связаны с длинноцепочечными алифатическими или гидроксиалифатическими кислотами через эфирные связи (например, рамнолипиды, трегалолипиды и софоролипиды), липопептиды, в которых липиды прикреплены к полипептидным цепям (например, сурфактин и лихенизин), и полимерные биозащитные вещества, которые обычно состоят из полисахарид-белковых комплексов (например, эмульсан, липосан, аласан и липоманнан)4. Другие типы биозащищенных веществ, продуцируемых микроорганизмами, включают жирные кислоты, фосфолипиды, нейтральные липиды и биоповерхностные частицы5. Наиболее изученным классом биоповерхностных веществ являются гликолипиды, и среди них большинство исследований было зарегистрировано на рамнолипидах6. Рамнолипиды содержат одну или две молекулы рамнозы (которые образуют гидрофильную часть), связанные с одной или двумя молекулами длинноцепочечной жирной кислоты (обычно гидрокси-декановой кислоты). Рамнолипиды являются первичными гликолипидами, о которых впервые сообщалось из Pseudomonas aeruginosa7.

Биоповерхностные вещества приобретают все большее внимание по сравнению со своими химическими аналогами из-за различных уникальных и отличительных свойств, которые они предлагают8. К ним относятся более высокая специфичность, более низкая токсичность, большее разнообразие, простота приготовления, более высокая биоразлагаемость, лучшее пенообразование, экологическая совместимость и активность в экстремальных условиях9. Структурное разнообразие биоповерхностных веществ (рисунок S1) является еще одним преимуществом, которое дает им преимущество перед химическими аналогами10. Они, как правило, более эффективны и действенны при более низких концентрациях, поскольку их критическая концентрация мицелл (CMC) обычно в несколько раз ниже, чем у химических поверхностно-активных веществ11. Сообщалось, что они обладают высокой термостабильностью (до 100 °C) и могут переносить более высокий рН (до 9) и высокие концентрации соли (до 50 г/л)12 , тем самым обеспечивая ряд преимуществ в промышленных процессах, которые требуют воздействия экстремальных условий13. Биоразлагаемость и более низкая токсичность делают их пригодными для экологических применений, таких как биоремедиация. Из-за преимуществ, которые они предлагают, они получают повышенное внимание в различных отраслях промышленности, таких как пищевая, сельскохозяйственная, моющая, косметическая и нефтяная промышленность11. Биозащищенные вещества также привлекли большое внимание в рекультивации нефти для удаления нефтяных загрязнителей и токсичных загрязнителей14.

Здесь мы сообщаем о производстве, характеристике и применении биоповерхностных веществ, полученных Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 и Paenibacillus sp. IITD108. Этапы, связанные с скринингом, определением характеристик и применением комбинации биоповерхностных веществ для повышения нефтеотдачи, описаны на рисунке 1.

Figure 1
Рисунок 1: Метод повышения нефтеотдачи пластов с использованием комбинации биоповерхностно-активных веществ. Показан пошаговый рабочий процесс. Работа велась в четыре этапа. Сначала микробные штаммы культивировали и просеивали для производства биоповерхностного вещества различными анализами, которые включали анализ на падение коллапса, анализ разбрасывания масла, анализ индекса эмульсии и измерение поверхностного натяжения. Затем биоповерхностные вещества были извлечены из бесклеточного бульона, и их природа была идентифицирована с помощью тонкослойной хроматографии, и они были дополнительно идентифицированы с использованием LCMS, ЯМР и FT-IR. На следующем этапе извлеченные биоповерхностные вещества смешивали вместе, и потенциал полученной смеси для повышения нефтеотдачи был определен с использованием метода колонной пескоструйной упаковки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Скрининг этих микробных штаммов для получения биоповерхностных веществ проводился путем коллапса капель, разбрасывания масла, анализа индекса эмульсии и определения снижения поверхностного натяжения бесклеточной среды за счет роста микробов. Биоповерхностные вещества были извлечены, охарактеризованы и химически идентифицированы С помощью LCMS, 1H ЯМР и FT-IR. Наконец, смесь биоповерхностных веществ, полученных этими микробами, была приготовлена и использована для извлечения остаточной нефти в смоделированной колонне песчаной пачки.

Настоящее исследование лишь иллюстрирует методы, связанные с скринингом, идентификацией, структурной характеристикой и применением комбинации биоповерхностных веществ для повышения остаточного нефтеотдачи. Он не дает подробной функциональной характеристики биоповерхностных веществ, продуцируемых микробными штаммами15,16. Различные эксперименты, такие как определение критических мицелл, термогравиметрический анализ, смачиваемость поверхности и биоразлагаемость, выполняются для детальной функциональной характеристики любого биоповерхностного вещества. Но поскольку этот документ является методологическим документом, основное внимание уделяется скринингу, идентификации, структурной характеристике и применению комбинации биоповерхностных веществ для повышения остаточного нефтеотдачи; эти эксперименты не были включены в данное исследование.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Рост микробных штаммов

  1. Взвесьте 2 г порошка бульона Luria и добавьте к 50 мл дистиллированной воды в коническую колбу объемом 250 мл. Перемешайте содержимое до полного растворения порошка и восполните объем до 100 мл, используя дистиллированную воду.
  2. Аналогично приготовьте еще две колбы по 100 мл бульона Лурия и поместите хлопчатобумажные пробки на шейку колб.
  3. Накройте хлопковые пробки алюминиевой фольгой и автоклавом колбы на 15 мин при 121 °C и 15 фунтов на квадратный дюйм для стерилизации среды.
  4. После автоклавирования дайте среде остыть до комнатной температуры.
  5. Для приготовления первичной культуры штамма отбирают одну колонию из пластины LA с помощью петли инокуляции и инокулируют в пробирке, содержащей 5 мл стерильного бульона Luria.
  6. Инкубировать пробирку в течение ночи при 30 °C при 180 об/мин.
  7. Инокулируют колбы, содержащие 100 мл автоклавного бульона Лурия, добавляя 1 мл выращенных на ночь семенных культур в колбы внутри ламинарного воздушного потока.
  8. Инкубируйте колбы во ротационном инкубаторе при 30 °C и 180 об/мин в течение 7 дней.
  9. После завершения инкубационного периода собирают колбы и переносят питательный бульон в трубы центрифуги. Центрифугируйте культуру при 4 500 х г в течение 20 мин в охлажденной центрифуге при 4 °C.
  10. Осторожно налейте безклеточный супернатант в свежий стакан и используйте его в скрининговых анализах для производства биоповерхностного вещества.

2. Скрининговые анализы для производства биоповерхностных материалов

ПРИМЕЧАНИЕ: В следующих разделах коммерческое поверхностно-активное вещество (сапонин) использовалось в качестве положительного контроля, в то время как вода и неинокализованные среды использовались в качестве отрицательного контроля.

  1. Анализ каплевидного коллапса
    1. Возьмите чистую стеклянную горку и покройте поверхность слайда 200 мкл масла.
    2. Добавьте 20 мкл бесклеточного супернатанта к центру масла и оставьте его ненарушенным в течение 2-3 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если капля разрушается, оцените супернатант положительным на наличие биосовреждателя.
  2. Анализ нефтеразбрасывания
    1. Возьмите 20 мл двойной дистиллированной воды в пластине Петри (диаметр 75 мм) и добавьте 200 мкл сырой нефти на поверхность воды.
    2. Добавьте 20 мкл бесклеточного супернатанта в центр масла и оставьте его нетронутым в течение 1 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если зона очистки образуется из-за смещения масла, оцените супернатант положительным на наличие биоповерхностного вещества.
  3. Анализ индекса эмульсии (анализE 24 )
    1. Добавьте 4 мл бензина (бензина) и бесклеточного супернатанта в чистую стеклянную пробирку.
    2. Энергично вращайте смесь в течение 3 мин и оставляйте ее нетронутой в течение следующих 24 ч.
    3. По истечении 24 ч определить индекс Е24 в процентах от высоты эмульгированного слоя (см) по отношению к высоте всего столба жидкости (см).
      Equation 1
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если эмульсия (масло в воде или вода в масле) наблюдается через 24 ч, супернатант, вероятно, будет содержать биосовреждатель.
  4. Измерение поверхностного натяжения
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поверхностное натяжение измеряли с помощью метода17 кольца Дю Нуи. Инструмент, используемый в этом эксперименте (см. Таблицу материалов), очень чувствителен, поэтому обеспечьте надлежащую очистку стеклянного сосуда и зонда.
    1. Включите систему и дважды щелкните соответствующее программное обеспечение, чтобы открыть ее.
    2. Очистите стеклянный сосуд жидкостью, поверхностное натяжение которой необходимо определить.
    3. Добавьте жидкость (40 мл) в сосуд и установите судно на держатель судна.
    4. Разблокируйте держатель зонда и установите на него зонд. Теперь заблокируйте держатель зонда, нажав кнопку Lock на ручном контроллере.
    5. Используя ручной контроллер, отрегулируйте высоту платформы таким образом, чтобы зонд находился на расстоянии около 2-3 мм от поверхности жидкости.
    6. Теперь используйте программное обеспечение для измерения поверхностного натяжения. Нажмите на Файл , расположенный в верхней левой панели экрана. Щелкните Открыть рабочую область. Появится всплывающее окно.
    7. Прокрутите вниз и дважды щелкните значок K100: Поверхностное и межфазное натяжение .
    8. Теперь нажмите на значок файла , расположенный в левом верхнем углу экрана. Щелкните Новая база данных. Введите имя для сохранения данных и нажмите OK.
    9. Опять же, нажмите на Файл > Новое измерение > SFT > Ring. Введите имя измерения. Убедитесь, что в шаблоне конфигурации отображается SFT-кольцо.
    10. Заполните подробные сведения в окне Конфигурация измерения , выбрав зонд и сосуд, который используется для измерения. Кроме того, заполните детали жидкой и газовой фазы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Жидкая фаза будет водой, в то время как газовая фаза будет воздушной. Плотность жидкой фазы — это плотность безклеточного супернатанта. Это можно определить, взяв вес 50 мл жидкости и рассчитав плотность как кг/м3.
    11. Теперь нажмите на вкладку «Процедура » и заполните следующие детали: Скорость обнаружения: 6 мм / мин, Чувствительность обнаружения: 0,005 г, Скорость поиска: 6 мм / мин, Чувствительность поиска: 0,005 г, Скорость измерения: 3 мм / мин, Измерительная чувствительность: 0,001 г, Глубина погружения: 3 мм, Расстояние возврата: 10%, коррекция: Harkins & Jordan, максимальные значения: 5. Нажмите OK.
    12. Во всплывающем окне выберите базу данных для хранения данных и нажмите OK.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь можно создать новую базу данных или добавить новые измерения к существующим данным.
    13. Теперь нажмите на кнопку Play , расположенную в верхней центральной части экрана. Система начнет выполнять скрипт. После того, как система стабилизируется, она обнаружит поверхность. Погрузите зонд в жидкость, переместите зонд вперед и назад и обнаружите натяжение в образовавшейся ламели.
    14. Для получения результатов нажмите на значок Измерение в средней левой части экрана. Нажмите на Данные и запишите измеренное поверхностное натяжение.
    15. После завершения измерений опустите высоту платформы и разблокируйте и смонтируйте зонд и сосуд от прибора.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для определения снижения поверхностного натяжения из-за производства биоповерхностных веществ в качестве контроля следует использовать неинокализованный LB.

3. Извлечение биоповерхностного вещества

  1. Отрегулируйте рН безклеточного супернатанта до 2, используя 2 N HCl. Храните смесь при 4 °C в течение ночи.
  2. Добавьте равный объем смеси хлороформ-метанол (2:1) к надосадочному веществу и энергично перемешайте в течение 20 мин.
  3. Оставьте смесь ненарушенной, чтобы произошло разделение фаз.
  4. Удалите верхнюю фазу, содержащую воду и метанол, и оставьте нижнюю фазу, содержащую биоповерхност, испаряться в вытяжном шкафу.
  5. После испарения органической фазы повторно растворяют сырой биозащитный агент медового цвета в 3 мл хлороформа и используют эту смесь для дальнейшей идентификации и характеристики биоповерхностного вещества.

4. Исследования стабильности эмульсии

  1. Стабильность эмульсии при различных температурах
    1. Возьмите 5 мл бесклеточных супернатантов в разных пробирках.
    2. Добавьте 5 мл бензина в каждую пробирку и энергично перемешайте, вихря в течение 3 минут.
    3. Инкубировать пробирки на ночь на разных водяных банях при разных температурах (30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C и 70 °C).
    4. Через 24 ч оцените показатели эмульсии, как упоминалось ранее.
  2. Стабильность эмульсии при различных значениях рН
    1. Возьмите 5 мл бесклеточного супернатанта в чистых пробирках.
    2. Отрегулируйте pH безклеточных супернатантов (2, 4, 6, 8 и 10), используя 1 N HCl и 1 N NaOH.
    3. Добавьте равное количество бензина в пробирки и энергично перемешайте, вихрев в течение 3 минут.
    4. Оставьте пробирки нетронутыми при комнатной температуре в течение 24 ч.
    5. Оцените индекс эмульсии, как упоминалось ранее.
  3. Стабильность эмульсии при различных концентрациях солей
    1. Возьмите 5 мл бесклеточного супернатанта в чистых пробирках.
    2. Добавьте различные количества соли (NaCl) к надосадочным веществам (0 г/л, 5 г/л, 10 г/л, 20 г/л, 60 г/л и 80 г/л).
    3. Растворите соли в безклеточных супернатантах путем вихря в течение 3 мин.
    4. Добавьте равное количество бензина в пробирки и энергично перемешайте, вихрев в течение 3 минут.
    5. Оставьте пробирки нетронутыми при комнатной температуре в течение 24 ч.
    6. Оцените индекс эмульсии через 24 ч.

5. Определение природы биоповерхностного вещества

  1. TLC экстрагированного биоповерхностного вещества
    1. Обнаружение 20 мкл биотвердых веществ на пластинах TLC. Пятно 2 мкл за один раз.
    2. Обнаружение биотвердовертов на трех различных пластинах TLC.
    3. Приготовьте смесь 100 мл элюента, содержащего хлороформ:метанол (2:1), и добавьте элюент в камеру TLC. Закройте крышку камеры и дайте ей насытиться в течение 20 мин.
    4. После высыхания пластин поместите пластины TLC внутрь камеры, насыщенной смесью хлороформа метанола, и запустите TLC.
    5. После того, как элюент достигнет верхней части пластины TLC (на расстоянии 1 см от вершины), выньте пластины и дайте ему высохнуть на воздухе.
  2. Окрашивание для обнаружения липидов
    1. Возьмите чистую TLC-камеру и добавьте несколько (5-10) гранул йода в свежую камеру и насытите камеру в течение 5-10 минут.
    2. Поместите пластину TLC внутрь камеры и наблюдайте за развитием желтых пятен. При появлении пятен оцените биоповерхност положительное на наличие липидного компонента.
  3. Окрашивание для обнаружения пептидов или аминокислот
    1. Готовят раствор нингидрина, растворяя 0,4 г нингидрина в 20 мл бутанола. Добавьте в смесь 0,6 мл 100% ледниковой уксусной кислоты.
    2. Опрыскайте пластину TLC раствором нингидрина и дайте ей высохнуть на воздухе в течение 2 мин. Нагрейте пластину при 110 °C и наблюдайте за развитием цвета.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если появляются синие пятна, оцените биоповерхностный фактор положительным на наличие любой пептидной цепи или аминокислоты.
  4. Окрашивание для обнаружения углеводов
    1. Готовят раствор п-анизальдегида, добавляя 2 мл п-анизальдегида к 48 мл ледниковой уксусной кислоты, содержащей 1 млH2SO4. Добавьте в смесь 0,6 мл уксусной кислоты.
    2. Распылите смесь равномерно на пластину TLC и дайте ей высохнуть на воздухе в течение 2 минут.
    3. Инкубируйте пластину при 110 °C и следите за развитием пятен.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если появляются зеленые или коричневые пятна, оцените биоповерхностный фактор положительным на наличие каких-либо углеводов.

6. Химическая идентификация биоповерхностного вещества

  1. LCMS биоповерхностного вещества
    1. Растворить 25 мг экстрагированного биосовреждателя в 1 мл хлороформа.
    2. Выполните LCMS (в конфигурации блокировки распыления с опорной частотой сканирования 10 с) с помощью столбца C18.
    3. Используйте хлороформ:метанол (1:1) в качестве подвижной фазы и вводите 2 мкл образца в колонну со скоростью потока 0,1 мл/мин.
    4. Установите экспериментальные параметры: полярность: ES положительная, капиллярное напряжение: 3 кВ, температура источника: 80 °C, температура дезинтегирования: 300 °C, расход газа дезинсоляции: 7 000 л/ч и расход газа ловушки: 0,40 мл/мин.
    5. Сканируйте диапазоны от 100 до 1 200 Да в течение времени обнаружения 20 минут и исследуйте ионы в режиме положительного ES.
    6. Анализируйте значения m/z с помощью любого программного обеспечения масс-спектрометрии.
    7. Для анализа войдите в программное обеспечение.
    8. Нажмите на Пакетный поиск и введите список полученных масс. Изучите результаты в режиме положительного заряда и используйте M + H и M + Na в качестве аддуктов. Поддерживайте точность до 10 PPM и поставьте галочку на Display Structure.
    9. Нажмите на Поиск и из списка соединений выберите тот, который имеет самый низкий уровень PPM.
  2. 1 См. H ЯМР биоповерхностного вещества
    ПРИМЕЧАНИЕ: 1Ч ЯМР биоповерхностного вещества проводили с использованием ЯМР-спектрометра 400 МГц (см. Таблицу материалов).
    1. Растворить 5 мг биотвердоверта в 1 мл дейтерированного хлороформа (CdCl3).
    2. Переложите смесь в ЯМР-трубку. Правильно закройте трубку крышкой и вставьте трубку в гаечный ключ. Отрегулируйте высоту трубки с помощью трубки регулятора.
    3. Поместите трубку вместе с гаечным ключом в ЯМР-машину и выполните шаги, упомянутые ниже, чтобы получить спектр ЯМР.
    4. Для выбора типа пробоотборника: sx N, где N - положение, в котором была помещена трубка (например, sx 13, если трубка была помещена в13-е положение) в соответствующем программном обеспечении.
    5. Введите edc и нажмите клавишу ВВОД , чтобы создать новую папку, в которой могут храниться данные.
    6. Появится всплывающее окно. Выберите растворитель, нажав на CdCl 3 в списке и введите название образца.
    7. Для запуска протокола введите "getprosol"; для блокировки растворителя введите "lock cdcl3".
    8. Введите "topshim", чтобы получить образец, и, наконец, введите "rga;zgefp" для получения данных. Это запустит протокол.
    9. После получения спектров введите "apk;abs n" и нажмите клавишу ENTER для коррекции фазы и исходного уровня.
    10. Чтобы выбрать основные пики, введите "pp" и нажмите Enter. Чтобы выбрать только интенсивные пики, введите «mi» и введите интенсивность, выше которой должны быть выбраны пики. Значение по умолчанию будет 0,2.
    11. Чтобы интегрировать пики, нажмите « Интегрировать» и поместите курсор на левую сторону пика, который должен быть интегрирован, и, удерживая курсор, щелкните и перетащите курсор вокруг пика.
    12. Сохраните данные, щелкнув Файл в левом верхнем углу, а затем нажмите кнопку Сохранить.
    13. Образец можно извлечь из машины, набрав "sx ej".
    14. Проанализируйте пики и определите среду атомов H.
  3. Инфракрасная спектроскопия биоповерхностного вещества с преобразованием Фурье
    ПРИМЕЧАНИЕ: FT-IR экстрагированного биоповерхностного вещества выполняли с использованием коммерчески доступного спектрофотометра в режиме ATR (см. Таблицу материалов).
    1. Включите спектрофотометр и проверьте продувку, осушитель и детектор.
    2. Чтобы собрать спектр, сначала соберите фоновый спектр без образца на месте.
    3. Возьмите экстрагированный биозащитный материал и полностью высушите его. Поместите высушенный биоповерхност непосредственно на кристалл алмаза, нажмите и нажмите на точку касания ATR.
    4. В программе выберите количество сканирований (введите 30) и просканируйте спектр от 400 см-1 до 4000 см-1.
    5. Нажмите ok , чтобы добавить спектр выборки в спектральное окно.
    6. Нажмите «Файлы» > «Сохранить > «Сохранить как » и введите имя файла, за которым следует расширение .spa, и нажмите OK.

7. Применение биоповерхностно-активных веществ (повышение нефтеотдачи)

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте двойная дистиллированная вода использовалась в качестве отрицательного контроля, а 10% SDS, 10% Tween 80 и 10% коммерческого сапонина использовались в качестве положительного контроля.

  1. Возьмите стекло и запечатайте нижнюю розетку стекловатой и стеклянными бусинами.
  2. Упакуйте колонну песчаной почвой таким образом, чтобы в верхнюю часть почвы можно было добавить немного жидкости, а поток можно было собрать внизу. Установите колонну на держатель и добавьте несколько стеклянных бусин поверх почвы.
  3. Залейте столб 50 мл раствора рассола и соберите поток для определения объема пор.
    объем пор = объем рассола, добавленного сверху - объем собранного проточного потока.
  4. Извлеките рассол из колонны, заставив сырую нефть пройти через нее после добавления из верхней части колонны. Соберите объем рассола и масла, выходящего из колонны, чтобы определить начальный объем насыщения маслом. Объем рассола, высвобождаемого из колонны, будет представлять собой начальный объем насыщения маслом или исходное масло на месте.
  5. Оставьте колонну без помех в течение 24 ч.
  6. Через 24 ч залить колонну 10 поровыми объемами рассола и собрать нефть, выходящую из колонны, для оценки вторичной нефтеотдачи. Нефть, оставшаяся в колонне после вторичного извлечения нефти, соответствует остаточной нефти.
  7. Приготовьте смесь биоповерхностных веществ, добавив в стеклянный стакан равные объемы экстрагированного биоповерхностного вещества (экстрагированного после этапа 3.5). Добавьте биозащищенные вещества в верхнюю часть колонны и высиживайте колонку в течение 24 ч.
  8. Через 24 часа измерьте количество нефти и воды, чтобы определить дополнительную или повышенную нефтеотдачу. Объем нефти, выделяемой из колонны, будет соответствовать остаточной добытой нефти.
  9. Оцените повышенную нефтеотдачу по следующему уравнению:
    Equation 2

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Три бактериальных штамма (Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 и Paenibacillus sp. IITD108) были проверены на получение биоповерхностных веществ различными анализами, которые включали анализ коллапса капли, анализ смещения масла, анализ индекса эмульсии и снижение поверхностного натяжения. Бесклеточные супернатанты всех трех бактериальных штаммов и раствор химического поверхностно-активного вещества приводили к коллапсу капель и, следовательно, были оценены положительно на наличие биоповерхностных веществ (рисунок 4а). С другой стороны, капля воды не разрушалась и поэтому была оценена отрицательно из-за присутствия биоповерхностного вещества. Коммерческое поверхностно-активное вещество и бесклеточные супернатанты трех бактериальных культур также успешно вытесняли слой масла в анализе на разбрасывание масла и, следовательно, были оценены положительно на наличие биоповерхностного вещества (рисунок 4b). Вода, с другой стороны, не могла вытеснить масло и, следовательно, была оценена отрицательно. В анализах индекса эмульсии стабильная эмульсия наблюдалась в пробирках, содержащих коммерческое поверхностно-активное вещество и супернатанты трех микробных штаммов. Однако эмульсии не наблюдалось в пробирке, содержащей неинокализованную культуральную среду (рисунок 4с). Это снова говорит о том, что Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 и Paenibacillus sp. IITD108 производят биоповерхностные вещества. Подтверждение производства биоповерхностного вещества получено путем измерения поверхностного натяжения бесклеточного бульона и сравнения его с неинокализованным контролем. Было обнаружено, что биозащитные вещества Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 и Paenibacillus sp. IITD108 снижают поверхностное натяжение среды с 58,89 мН/м до 45,41 мН/м, 45,82 мН/м и 28,43 мН/м соответственно (рисунок 5).

Измерения IFT проводились с использованием метода кольцевого вытягивания. Биоповерхностные вещества из всех трех штаммов были способны значительно снижать межфазные напряжения между различными водными и органическими фазами (таблица S1). Измерения поверхностного натяжения и межфазного натяжения подтверждают, что все три штамма производят биоповерхностные вещества.

Экстракция биозащищенных веществ растворителем из бесклеточных культур Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 и Paenibacillus sp. IITD108 привела к концентрациям биосовреждателя 820 мг/л, 560 мг/л и 480 мг/л соответственно.

Как показано на фиг.4С, эмульсия, образованная биозащитным веществом, представляла собой воду в масляной микроэмульсии. Анализы стабильности эмульсии показали, что биоповерхностные вещества демонстрируют хорошую стабильность в различных условиях окружающей среды (рисунок 6). Полученные эмульсии были очень стабильны при различных температурах (рисунок 6a), значениях pH (рисунок 6b) и концентрациях соли (рисунок 6c).

Тонкослойная хроматография была выполнена для определения природы биоповерхностных веществ. Окрашивание пластин парами йода приводило к образованию желтых пятен во всех биоповерхностях и контроле (Biosurfactant from Bacillus sp. IITD 106 (Рисунок 7a). Это указывало на то, что биозащищенные вещества содержали липидный фрагмент. Ни в одной из пластин TLC при окрашивании нингидрином (рисунок 7b) не было получено пятен синего цвета. Это показало, что биоповерхностно-активные вещества не содержали пептидного фрагмента. Синие и зеленые пятна наблюдались во всех пластинах TLC при окрашивании анизальдегидным пятном (рисунок 7c). Это показало, что биоповерхностные вещества содержали углеводный фрагмент. Из результатов TLC был сделан вывод, что все биоповерхностные вещества были гликолипидами.

Химическая идентификация биоповерхностных веществ с использованием LCMS показала, что Rhodococcus sp. IITD102 и Lysinibacillus sp. IITD104 производят один и тот же тип биоповерхностного вещества, который был идентифицирован как ди-рамнопиранозическая гидроксидекановая кислота с массой 480,25 Да. Структура биоповерхностного вещества поддерживалась данными ЯМР 1Ч и FT-IR (рисунок 8).

В 1-часовомЯМР-спектре химические сдвиги, полученные при 7,2, представляли протоны карбоксильных групп. Химические сдвиги, соответствующие протонам метильной группы, были получены в диапазоне 1-2 ppm. Сдвиги, соответствующие протонам, присоединенным к алкильным группам, были получены при 2,3 ppm. FT-IR спектры биоповерхностных веществ, извлеченных из Rhodococcus sp. IITD102 и Lysinibacillus sp. IITD104, показали наличие сильных пиков при волновом числе 3,290 см-1, что подтверждает наличие функциональной группы OH. Небольшой пик при волновом числе 2,951 см-1 соответствует растяжению CH. Сильный пик в 1 620 см-1 представлял собой присутствие карбоксильной группы в биоповерхностях. Другие пики, которые были получены при 1,530, 1,410, 1,200 и 1,060, подтвердили наличие функциональных групп алкила, CH3, C-O-C и C-CH3 соответственно. Как ЯМР, так и FT-IR данные подтвердили структуру биоповерхностного вещества, определенного из исследований LCMS. LCMS сырого биоповерхностного вещества из Paenibacillus sp. IITD108 (рисунок 9) показал, что он производит рамнолипид, содержащий три липидные цепи, образующие объемное гидрофобное ядро биоповерхностного вещества. Биозащитный фактор был идентифицирован как 2деканоил)-αL рамнопиранозил-3-гидроксидекановая кислота с массой 802 Да. Результаты LCMS были подтверждены данными ЯМР за 1Ч и FT-IR.

Установка на повышение нефтеотдачи показана на рисунке 2.

Figure 2
Рисунок 2: Экспериментальная установка для повышения нефтеотдачи пластов с использованием песчаной колонной техники. Колонна, заполненная грунтом, была установлена на держателе. Нижняя розетка была запечатана стекловатой и стеклянными бусинами. После вторичного извлечения остаточную нефть внутри колонны подвергали повышенному извлечению нефти путем добавления к ней смеси биоповерхностного вещества. Трубка, помещенная в нижней части колонны, использовалась для сбора элюированной фракции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В смоделированном эксперименте с повышенным извлечением нефти из 50 мл рассола, добавленного в верхнюю часть колонны, в проточной части было собрано 12 мл и, следовательно, объем пор оценивался в 38 мл. Когда масло проталкивалось через колонну, из колонны высвобождалось 33 мл рассола. Это представляло собой начальный объем насыщения маслом. Вторичное извлечение с использованием 10 поровых объемов рассола приводило к элюированию 10 мл масла. Остаточная нефть, оставшаяся в колонне, составляла 23 мл. Вода, содержащая смесь биоповерхностных веществ, смогла извлечь из колонны 13 мл нефти (рисунок 3).

Figure 3
Рисунок 3: Моделирование повышенной нефтеотдачи с использованием колонны пескоструйной пачки. Первоначальный объем насыщения маслом как контрольной, так и испытательной колонны составлял около 33 мл. Во время вторичной добычи нефти было извлечено около 10 мл нефти как из контрольной, так и из испытательной колонн. Различия в профилях извлечения испытательной и контрольной колонн наблюдались только при извлечении остаточного масла, оставшегося в колонне. Смесь биоповерхностных веществ привела к дальнейшему извлечению 13 мл остаточного масла, оставшегося от испытательной колонны, в то время как в контрольной колонне на этом этапе было извлечено только 1,03 мл масла. Это показывает, что смесь биоповерхностных веществ обладает большим потенциалом в повышении извлечения остаточной нефти из коллекторов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Это означало повышение нефтеотдачи. Поэтому вода, содержащая смесь биотвердых веществ, была способна извлекать 56,52% остаточной нефти из колонки (таблица 1). С другой стороны, растворы 10% SDS, 10% Tween 80 и 10% сапонина смогли восстановить 85%, 68% и 73% остаточного масла из колонки.

Параметры Контроль затопления Комбинированное затопление биоповерхностного вещества 10 % SDS 10 % Анимация движения 10 % Сапонин
ФОТОЭЛ (мл) 37 38 38 35 37
ООИП / ИОСВ (мл) 33 33 33 29 33
POS (%) 89.91 86.84 86.84 82.85 89.18
SV (мл) 330 330 330 330 330
SOR (мл) 9.77 10 11.5 9.2 10
ROC (мл) 23.23 23 21.5 18.8 23
РОС (%) 70.39 69.69 65.15 64.82 69.69
Rv (мл) 60 60 60 60 60
РОР (мл) 1.03 13 18.5 12.8 16.8
АОР (%) 4.43 56.5 85 68.08 73.04

где PV = объем пор, определяемый после первоначального насыщения колонки рассолом, OOIP = исходное масло на месте, IOSV = начальный объем насыщения нефтью, POS = процентное насыщение маслом, Sv = объем рассола, добавленного для вторичного извлечения, SOR = вторичное масло, извлеченное после затопления рассола, ROC = остаточная нефть в колонне после вторичного извлечения, ROS = остаточное насыщение нефтью, ROR = остаточная нефть, извлеченная после затопления биоповерхностным веществом, AOR = дополнительная добыча нефти

Таблица 1: Моделирование повышенной нефтеотдачи пластов в колонне пескоструйной пачки.

Figure 4
Рисунок 4: Скрининговые анализы для производства биоповерхностных веществ (a) Анализ коллапса капли: Капля воды не разрушилась после добавления на поверхность с масляным покрытием, в то время как химическое поверхностно-активное вещество и бесклеточные супернатанты трех бактериальных штаммов привели к коллапсу капли. b) Анализ вытеснения масла: падение воды не приводило к вытеснению масла, в то время как химическое поверхностно-активное вещество и бесклеточные супернатанты трех бактериальных штаммов вытесняли слои масла (c) Анализ индекса эмульсии: Безклеточные супернатанты и коммерческий раствор поверхностно-активного вещества привели к образованию стабильного эмульсионного индекса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Снижение поверхностного натяжения за счет производства биоповерхностных веществ. Определение снижения поверхностного натяжения среды вследствие роста микробов подтвердило выработку биоповерхностного вещества микробными элементами. Вследствие роста Rhodococcus sp. IITD 102 и Lysinibacillus sp. IITD 104 поверхностное натяжение среды снизилось с 59 мН/м до 45 мН/м. В связи с ростом Paenibacillus sp. IITD 108 поверхностное натяжение среды снизилось с 59 мН/м до 28 мН/м. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6: Стабильность эмульсии при различных (a) температурах, (b) значениях pH и (c) концентрациях соли. Все эмульсии, полученные с использованием супернатантов трех микробных штаммов и смеси коммерческих поверхностно-активных веществ, демонстрируют большую стабильность в различных условиях окружающей среды. В диапазонах температуры, рН и концентрации соли, измеренные показатели эмульсии были сходными, и при более высоких значениях различных факторов, подразумевающих, что биоповерхност может быть использован в экстремальных условиях окружающей среды, не наблюдалось значительного снижения ЭИ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7: Характеристика TLC биоповерхностных веществ (a) Пластины, окрашенные парами йода: Различные пятна, образующиеся на пластине TLC, показывают, что извлеченные биоповерхностные вещества представляют собой смесь различных соединений, содержащих липидную группу. Пятна, отмеченные синей стрелкой, представляют собой биоповерхностные вещества, которые окрашены положительно на наличие липидного фрагмента. Другие пятна представляют собой остальные соединения, присутствующие в смеси сырого биоповерхностного вещества. b) Пластины, окрашенные нингидрином: при окрашивании пластин нингидрином фиолетовых пятен не появлялось. Это представляло собой отсутствие каких-либо аминокислот в смеси биоповерхностных веществ и (c) пластин, окрашенных анизальдегидом: на пластине TLC появились светло-зеленые и желтые пятна, которые представляют собой соединения, содержащие сахара. Пятна, отмеченные черными стрелками, представляют собой биозащитные вещества, которые окрашены положительно на присутствие углеводного фрагмента. Пятна, которые окрашены как йодом, так и анизальдегидом, представляют собой соединения, содержащие как липидные, так и углеводные фрагменты, и, возможно, могут быть гликолипидным биосовреждателем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 8
Рисунок 8: Химическая характеристика биоповерхностного вещества, извлеченного из Rhodococcus sp. IITD 102 и Lysinibacillus sp. IITD 104. (a) представляет собой FT-IR спектры биоповерхностных веществ, извлеченных из Rhodococcus sp. IITD 102 и Lysinibacillus sp. IITD 104, (b) представляет собой спектрыH1 ЯМР биоповерхноводов, извлеченных из Rhodococcus sp. IITD 102 и Lysinibacillus sp. IITD 104, и (c) показывает структуру сырых биоповерхностных веществ, извлеченных из Rhodococcus sp. IITD 102 и Lysinibacillus sp. IITD 104. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 9
Рисунок 9: Химическая характеристика биоповерхностного вещества, извлеченного из Paenibacillus sp. IITD 108. (a) представляет собой FT-IR спектры биоповерхностных веществ, извлеченных из Paenibacillus sp. IITD 108, (b) представляет собой 1H ЯМР-спектры биосовреждателей, извлеченных из Paenibacillus sp. IITD 108, и (c) показывает структуру сырых биоповерхностных веществ, извлеченных из Paenibacillus sp. IITD 108. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок S1: Структура различных типов биоповерхностных веществ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Таблица S1: Влияние биоповерхностных веществ на межфазное натяжение (ИФТ) между водой и углеводородами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Биоповерхностные вещества являются одной из наиболее универсальных групп биологически активных компонентов, которые становятся привлекательными альтернативами химическим поверхностно-активным веществам. Они имеют широкий спектр применения во многих отраслях промышленности, таких как моющие средства, краски, косметика, пищевая промышленность, фармацевтика, сельское хозяйство, нефть и очистка воды из-за их лучшей смачиваемости, более низкого CMC, диверсифицированной структуры и экологичности18. Это привело к повышенному интересу к открытию большего количества микробных штаммов, способных к производству биоповерхностных веществ. Здесь мы иллюстрируем методы скрининга, идентификации и применения смеси биоповерхностных веществ, полученных Rhodococcus sp. IITD 102, Lysinibacillus sp. IITD 104 и Paenibacillus sp. IITD 108, для повышения нефтеотдачи. Производство биоповерхностного вещества было просеяно путем каплеобразования, разбрасывания масла, анализа индекса эмульсии и подтверждено измерением снижения поверхностного натяжения среды из-за роста микробов. Различные сообщения о производстве биотвердых гликолипидов (рамнолипидов и трегалолипидов) из родококка имеются в литературе 19,20,21,22,23,24. Najafi et al. сообщили о производстве и оптимизации липопептидного биоповерхностного вещества из Paenibacillus sp. alvei ARN6325. Bezza et al. сообщили о биодеградации пирена липопептидным биосовреждателем, продуцируемым Paenibacillus dendritiformis CN526. О производстве биоповерхностных веществ (липопептидов и гликолипидов) также сообщалось другими штаммами Paenibacillus 27,28,29,30,31. Сообщалось, что различные виды Lysinibacillus производят биоповерхностныевещества 32,33,34. Сообщалось, что Lysinibacillus sphaericus производит рамнолипид, способный к солюбилизации гидрофобных пестицидов35.

Одним из преимуществ, которые предлагают биоповерхностные вещества по сравнению с их химическими аналогами, является их стабильность в экстремальных условиях окружающей среды. Биоповерхностные вещества, полученные Rhodococcus sp. IITD 102, Lysinibacillus sp. IITD 104 и Paenibacillus sp. IITD 108, были проанализированы на их стабильность в различных диапазонах температур, рН и концентраций соли и были признаны стабильными при экстремальных значениях этих параметров. Ранее Habib et al. сообщили о липопептиде, полученном углеводородным разлагающим Rhodococcus sp., который показал стабильность в различных диапазонах температур, значений рН и концентраций соли36. Сообщалось, что увеличение концентрации неорганических солей повышает стабильность эмульсии37. Склонность коллоидов к агломерации или разделению является функцией сил притяжения (силы Ван-дер-Уоллса) и сил отталкивания (электростатические силы), которые участвуют во время взаимодействия частиц38. Кристаллы соли при растворении в воде устанавливают свои собственные электрические заряды, а ионы, высвобождаемые адсорбцией, попадают в капли эмульсии. При повышении концентрации соли уменьшается расширение и отталкивание второго слоя. Кроме того, чем выше плотность заряда иона, тем меньше длина электрического слоя. Таким образом, двухвалентные катионы, такие как Na2+, приводят к образованию более стабильных эмульсий по сравнению с одновалентными катионами39.

Еще одно преимущество биоповерхностных веществ перед химическими поверхностно-активными веществами заключается в том, что они биоразлагаемы40. Zeng et al. сравнили способность к деградации синтетического поверхностно-активного вещества Triton X 100, линейных алкилбензолсульфонатов (LAS) и рамнолипида и обнаружили, что биосуход рамнолипида был полностью деградирован, тогда как LAS и Triton X 100 были только частично деградированы41. Liu et al. также сообщают, что в отличие от синтетических поверхностно-активных веществ CTAB, Triton X 100 и SDS, рамнолипид не проявляет токсичности и может легко разлагаться B. subtilis и другими компостными микроорганизмами42.

Было обнаружено, что биоповерхностные вещества, продуцируемые всеми тремя микробными штаммами, являются гликолипидами. Ранее сообщалось, что родококк производит гликолипид различными исследовательскими группами 20,21,23. Аналогичные сообщения о производстве биофактантов гликолипидов Lysinibacillus и Paenibacillus также имеются в литературе 31,32,35,43,44. Химическая идентификация биоповерхностных веществ показала, что они являются рамнолипидами. Рамнолипиды представляют собой класс гликолипидных биоповерхностных веществ, которые содержат одну или две единицы рамнозы, соединенные с липидной цепью45. Они являются наиболее изученным типом биоповерхностных веществ. Сообщалось, что различные микробные штаммы производят рамнолипиды 7,46,47,48,49. Сообщалось, что рамнолипиды демонстрируют высокий потенциал для повышения извлечения остаточной нефти 50,51,52,53. В нашем исследовании мы обнаружили, что смесь биоповерхностных веществ, полученных Rhodococcus sp. IITD 102, Lysinibacillus sp. IITD 104 и Paenibacillus sp. IITD 108, успешно извлекла около 56,52% остаточной нефти в смоделированном испытании колонки пескоструя. Это показало, что смесь биотвердых веществ может быть использована для извлечения остаточной нефти из грунтовых коллекторов. В аналогичном тесте на песчаную упаковку Sun et al. сообщили, что биосовреждатель был успешным в извлечении 50% остаточного масла54. Сообщалось также, что биоповерхностные вещества, содержащие бесклеточный бульон Bacillus subtilis, эффективны в извлечении 33% остаточного масла55. Остаточное извлечение нефти в размере 27% и 26%-36% также было сообщено Darvishi et al. и Wahabi et al.56,57.

Экономическая оценка биоповерхностных веществ для извлечения остаточной нефти из коллекторов показывает, что использование биоповерхностных веществ в ЭОР является экономически жизнеспособным вариантом. Моутинью и др. сообщили, что типичная стоимость коммерческого биоповерхностного вещества (рамнолипидов) составляет около 59,6 долларов США за кг58. В другом исследовании также сообщалось, что концентрация биоповерхностного вещества 28 мг/л биоповерхностного вещества повысила остаточное извлечение нефти и привела к получению 52,5м3 дополнительной нефти59. Исследования показали, что концентрация биоповерхностного вещества 10 мг/л была достаточной для мобилизации нефтеотдачи. Согласно представленным данным, количество биоповерхностного вещества, необходимое для производства 52,5м3 дополнительной нефти, составляет около 0,525 кг. Общая стоимость производства 52,5м3 нефти составляет около 21463 долларов США, из которых только 30 долларов США составляют затраты на производство биоповерхностного вещества. Данные показывают, что процентная стоимость биоповерхностного вещества в добыче нефти на баррель составляет всего 0,0000139%.

Наши результаты показывают, что комбинация биоповерхностных веществ может быть эффективно использована для извлечения остаточной нефти из резервуаров. Насколько нам известно, это первый отчет об усилении извлечения остаточной нефти из пласта с использованием смеси биоповерхностных веществ, полученных различными микробными штаммами. Хотя наше исследование четко описывает методы, связанные с скринингом, структурной характеристикой и применением биоповерхностных веществ при повышении нефтеотдачи, исследование не дает подробной функциональной характеристики биоповерхностных веществ, которые влияют на их эффективность в различных применениях. Критическая концентрация мицелл, которая является мерой эффективности любого поверхностно-активного вещества в образовании мицелл и определяет предельную концентрацию поверхностно-активного вещества для его осмысленного использования, не была определена в настоящем исследовании60. Аналогичным образом, термическая стабильность биоповерхностного вещества, определяющая его применимость в пластовых условиях для ЭОР, также не была описана61. Биоповерхностные вещества в некоторых применениях также используются в качестве антибиопленочных агентов. Их поверхностная смачиваемость играет важную роль в определении их антибиопленочной природы. Исследования смачиваемости поверхности также не проводились в настоящей работе62. Другие функциональные характеристики, важные в различных применениях биоповерхностных веществ, которые включают их биоразлагаемость и антимикробную природу, также не были определены в этом исследовании63,64. Таким образом, мы сосредоточились на структурной характеристике биоповерхностных веществ. В зависимости от целевого применения может быть выполнена функциональная характеристика, такая как стабильность, биоразлагаемость и антимикробная активность.

При падении коллапса анализа и маслоразбрасывающего анализа, чтобы увеличить видимость, лучше использовать масло, которое имеет некоторый цвет. В анализе на разбрасывание масла эмульсию следует наблюдать через 24 ч. Легкие пены, если они образуются, распадаются через 24 ч. Тензиометры являются очень чувствительными инструментами, поэтому во время измерений поверхностного натяжения сосуд и зонд должны быть надлежащим образом очищены перед каждым измерением, чтобы избежать каких-либо ошибок из-за переноса последних измерений. Экстракция биоповерхностного вещества включает добавление смеси хлороформа метанола к бесклеточному супернатанту. Этап должен быть либо выполнен в вытяжной вытяжке, либо колба должна быть покрыта алюминиевой фольгой сразу после переноса экстракционной смеси. Во время вторичного восстановления в эксперименте EOR солевой раствор следует добавлять в избытке до тех пор, пока из колонки не выйдет масло.

В методе обсуждается область применения смеси биотвердых веществ при извлечении остаточной нефти из колонн. Процесс зависит от многих факторов. Стадия роста микробов, на которой собирают исходные культуры. Сообщалось, что некоторые биоповерхностные вещества производятся на лесозаготовительной фазе, в то время как другие, как сообщается, производятся на стационарной фазе. Культуры должны быть собраны соответствующим образом на конкретном этапе, когда производство биоповерхностных веществ достигло своего максимума. Скрининговые анализы биоповерхностных веществ менее чувствительны, поэтому все анализы должны быть выполнены до того, как будут сделаны выводы о способности биоповерхностно-продуцирующей способности конкретного штамма. Очистка биоповерхностного вещества должна быть выполнена перед химической характеристикой биоповерхностного вещества, если концентрация биоповерхностного вещества низкая в сыром биоповерхностном веществе. Эксперименты по повышению нефтеотдачи пластов сильно зависят от типа грунта, используемого для упаковки колонны. Почва должна быть полностью сухой и должна быть просеяна для удаления более крупных гранул и других твердых загрязнений. Смесь песчаной почвы и сухой садовой почвы (в равном соотношении) должна быть предпочтительной для упаковки колонны. Выходное отверстие колонны должно быть надлежащим образом запечатано стекловатой и стеклянными шариками, чтобы избежать утечки грунта из колонны в ходе эксперимента.

Описанный способ полезен для определения значимости полученных биоповерхностных веществ и их смесей в извлечении дополнительной нефти в смоделированном эксперименте с колонной пескоструйной пачки. Различные биоповерхностные вещества имеют разную специфику, поскольку содержат разные функциональные группы65. Комбинация биоповерхностных веществ позволит солюбилизировать различные углеводороды и, следовательно, увеличит остаточное извлечение нефти из коллекторов. Описанный метод поможет определить потенциал биоповерхностных смесей в полевых приложениях, таких как повышение нефтеотдачи из нефтяных скважин.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Acknowledgments

Авторы хотели бы поблагодарить Департамент биотехнологии правительства Индии за финансовую поддержку.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1 ml pipette Eppendorf, Germany G54412G
1H NMR Bruker Avance AV-III type spectrometer,USA
20 ul pipette Thermo scientific, USA H69820
Autoclave JAISBO, India Ser no 5923 Jain Scientific
Blue flame burner Rocker scientific, Taiwan dragon 200
Butanol GLR inovations, India GLR09.022930
C18 column Agilent Technologies, USA 770995-902
Centrifuge Eppendorf, Germany 5810R
Chloroform Merck, India 1.94506.2521
Chloroform-d SRL, India 57034
Falcon tubes Tarsons, India 546041 Radiation sterilized polypropylene
FT-IR Thermo Fisher Scientific, USA  Nicolet iS50
Fume hood Khera, India 47408 Customied
glacial acetic acid Merck, India 1.93002
Glass beads Merck, India 104014
Glass slides Polar industrial Corporation, USA Blue Star 75 mm * 25 mm
Glass wool Merk, India 104086
Hydrochloric acid Merck, India 1003170510
Incubator Thermo Scientific, USA MaxQ600 Shaking incubator
Incubator Khera, India Sunbim
Iodine resublimed Merck, India 231-442-4  resublimed Granules
K12 –Kruss tensiometer Kruss Scientific, Germany K100
Laminar air flow cabnet Thermo Scientific, China 1300 Series A2
LCMS Agilent Technologies, USA 1260 Infinity II
Luria Broth HIMEDIA, India M575-500G Powder
Methanol Merck, India 107018
Ninhydrin Titan Biotech Limited, India 1608
p- anisaldehyde Sigma, USA 204-602-6
Petri plate Tarsons, India 460090-90 MM Radiation sterilized polypropylene
Saponin Merck, India 232-462-6
Sodium chloride Merck, India 231-598-3
Test tubes Borosil, India 9800U06 Glass tubes
TLC plates Merck, India 1055540007
Vortex GeNei, India 2006114318
Water Bath Julabo, India SW21C

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Desai, J. D., Banat, I. M. Microbial production of surfactants and their commercial potential. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 61 (1), 47-64 (1997).
  2. Banat, I. M. Biosurfactants production and possible uses in microbial enhanced oil recovery and oil pollution remediation: a review. Bioresource Technology. 51 (1), 1-12 (1995).
  3. Singh, A., Van Hamme, J. D., Ward, O. P. Surfactants in microbiology and biotechnology: Part 2. Application aspects. Biotechnology Advances. 25 (1), 99-121 (2007).
  4. Shah, N., Nikam, R., Gaikwad, S., Sapre, V., Kaur, J. Biosurfactant: types, detection methods, importance and applications. Indian Journal of Microbiology Research. 3 (1), 5-10 (2016).
  5. McClements, D. J., Gumus, C. E. Natural emulsifiers-Biosurfactants, phospholipids, biopolymers, and colloidal particles: Molecular and physicochemical basis of functional performance. Advances in Colloid and Interface Science. 234, 3-26 (2016).
  6. Nguyen, T. T., Youssef, N. H., McInerney, M. J., Sabatini, D. A. Rhamnolipid biosurfactant mixtures for environmental remediation. Water Research. 42 (6-7), 1735-1743 (2008).
  7. Maier, R. M., Soberon-Chavez, G. Pseudomonas aeruginosa rhamnolipids: biosynthesis and potential applications. Applied Microbiology and Biotechnology. 54 (5), 625-633 (2000).
  8. Banat, I. M., Makkar, R. S., Cameotra, S. S. Potential commercial applications of microbial surfactants. Applied Microbiology and Biotechnology. 53 (5), 495-508 (2000).
  9. Mulugeta, K., Kamaraj, M., Tafesse, M., Aravind, J. A review on production, properties, and applications of microbial surfactants as a promising biomolecule for environmental applications. Strategies and Tools for Pollutant Mitigation: Avenues to a Cleaner Environment. , 3-28 (2021).
  10. Sharma, J., Sundar, D., Srivastava, P. Biosurfactants: Potential agents for controlling cellular communication, motility, and antagonism. Frontiers in Molecular Biosciences. 8, 727070 (2021).
  11. Vijayakumar, S., Saravanan, V. Biosurfactants-types, sources and applications. Research Journal of Microbiology. 10 (5), 181-192 (2015).
  12. Curiel-Maciel, N. F., et al. Characterization of enterobacter cloacae BAGM01 producing a thermostable and alkaline-tolerant rhamnolipid biosurfactant from the Gulf of Mexico. Marine Biotechnology. 23 (1), 106-126 (2021).
  13. Nikolova, C., Gutierrez, T. Biosurfactants and their applications in the oil and gas industry: current state of knowledge and future perspectives. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 9, (2021).
  14. Rastogi, S., Tiwari, S., Ratna, S., Kumar, R. Utilization of agro-industrial waste for biosurfactant production under submerged fermentation and its synergistic application in biosorption of Pb2. Bioresource Technology Reports. 15, 100706 (2021).
  15. Zargar, A. N., Lymperatou, A., Skiadas, I., Kumar, M., Srivastava, P. Structural and functional characterization of a novel biosurfactant from Bacillus sp. IITD106. Journal of Hazardous Materials. 423, Pt B 127201 (2022).
  16. Adnan, M., et al. Functional and structural characterization of pediococcus pentosaceus-derived biosurfactant and its biomedical potential against bacterial adhesion, quorum sensing, and biofilm formation. Antibiotics. 10 (11), 1371 (2021).
  17. Du Nouy, P. L. A new apparatus for measuring surface tension. The Journal of General Physiology. 1 (5), 521-524 (1919).
  18. Akbari, S., Abdurahman, N. H., Yunus, R. M., Fayaz, F., Alara, O. R. Biosurfactants-a new frontier for social and environmental safety: a mini review. Biotechnology Research and Innovation. 2 (1), 81-90 (2018).
  19. Bicca, F. C., Fleck, L. C., Ayub, M. A. Z. Production of biosurfactant by hydrocarbon degrading Rhodococcus ruber and Rhodococcus erythropolis. Revista de Microbiologia. 30 (3), 231-236 (1999).
  20. Kuyukina, M. S., et al. Recovery of Rhodococcus biosurfactants using methyl tertiary-butyl ether extraction. Journal of Microbiological Methods. 46 (2), 149-156 (2001).
  21. Philp, J., et al. Alkanotrophic Rhodococcus ruber as a biosurfactant producer. Applied Microbiology and Biotechnology. 59 (2), 318-324 (2002).
  22. Mutalik, S. R., Vaidya, B. K., Joshi, R. M., Desai, K. M., Nene, S. N. Use of response surface optimization for the production of biosurfactant from Rhodococcus spp. MTCC 2574. Bioresource Technology. 99 (16), 7875-7880 (2008).
  23. Shavandi, M., Mohebali, G., Haddadi, A., Shakarami, H., Nuhi, A. Emulsification potential of a newly isolated biosurfactant-producing bacterium, Rhodococcus sp. strain TA6. Colloids and Surfaces B, Biointerfaces. 82 (2), 477-482 (2011).
  24. White, D., Hird, L., Ali, S. Production and characterization of a trehalolipid biosurfactant produced by the novel marine bacterium Rhodococcus sp., strain PML026. Journal of Applied Microbiology. 115 (3), 744-755 (2013).
  25. Najafi, A., et al. Interactive optimization of biosurfactant production by Paenibacillus alvei ARN63 isolated from an Iranian oil well. Colloids and Surfaces. B, Biointerfaces. 82 (1), 33-39 (2011).
  26. Bezza, F. A., Chirwa, E. M. N. Pyrene biodegradation enhancement potential of lipopeptide biosurfactant produced by Paenibacillus dendritiformis CN5 strain. Journal of Hazardous Materials. 321, 218-227 (2017).
  27. Jimoh, A. A., Lin, J. Biotechnological applications of Paenibacillus sp. D9 lipopeptide biosurfactant produced in low-cost substrates. Applied Biochemistry and Biotechnology. 191 (3), 921-941 (2020).
  28. Liang, T. -W., et al. Exopolysaccharides and antimicrobial biosurfactants produced by Paenibacillus macerans TKU029. Applied Biochemistry and Biotechnology. 172 (2), 933-950 (2014).
  29. Mesbaiah, F. Z., et al. Preliminary characterization of biosurfactant produced by a PAH-degrading Paenibacillus sp. under thermophilic conditions. Environmental Science and Pollution Research. 23 (14), 14221-14230 (2016).
  30. Quinn, G. A., Maloy, A. P., McClean, S., Carney, B., Slater, J. W. Lipopeptide biosurfactants from Paenibacillus polymyxa inhibit single and mixed species biofilms. Biofouling. 28 (10), 1151-1166 (2012).
  31. Gudiña, E. J., et al. Novel bioemulsifier produced by a Paenibacillus strain isolated from crude oil. Microbial Cell Factories. 14 (1), 1-11 (2015).
  32. Pradhan, A. K., Pradhan, N., Sukla, L. B., Panda, P. K., Mishra, B. K. Inhibition of pathogenic bacterial biofilm by biosurfactant produced by Lysinibacillus fusiformis S9. Bioprocess and Biosystems Engineering. 37 (2), 139-149 (2014).
  33. Manchola, L., Dussán, J. Lysinibacillus sphaericus and Geobacillus sp biodegradation of petroleum hydrocarbons and biosurfactant production. Remediation Journal. 25 (1), 85-100 (2014).
  34. Bhardwaj, G., Cameotra, S. S., Chopra, H. K. Biosurfactant from Lysinibacillus chungkukjangi from rice bran oil sludge and potential applications. Journal of Surfactants and Detergents. 19 (5), 957-965 (2016).
  35. Gaur, V. K., et al. Rhamnolipid from a Lysinibacillus sphaericus strain IITR51 and its potential application for dissolution of hydrophobic pesticides. Bioresource Technology. 272, 19-25 (2019).
  36. Habib, S., et al. Production of lipopeptide biosurfactant by a hydrocarbon-degrading Antarctic Rhodococcus. International Journal of Molecular Sciences. 21 (17), 6138 (2020).
  37. Shao, P., Ma, H., Zhu, J., Qiu, Q. Impact of ionic strength on physicochemical stability of o/w emulsions stabilized by Ulva fasciata polysaccharide. Food Hydrocolloids. 69, 202-209 (2017).
  38. Trefalt, G., Borkovec, M. Overview of DLVO theory. , Available from: https://archive-ouverte.unige.ch/unige:148595 (2014).
  39. Kazemzadeh, Y., Ismail, I., Rezvani, H., Sharifi, M., Riazi, M. Experimental investigation of stability of water in oil emulsions at reservoir conditions: Effect of ion type, ion concentration, and system pressure. Fuel. 243, 15-27 (2019).
  40. Chong, H., Li, Q. Microbial production of rhamnolipids: opportunities, challenges and strategies. Microbial Cell Factories. 16 (1), 1-12 (2017).
  41. Zeng, G., et al. Co-degradation with glucose of four surfactants, CTAB, Triton X-100, SDS and Rhamnolipid, in liquid culture media and compost matrix. Biodegradation. 18 (3), 303-310 (2007).
  42. Liu, G., et al. Advances in applications of rhamnolipids biosurfactant in environmental remediation: a review. Biotechnology and Bioengineering. 115 (4), 796-814 (2018).
  43. John, W. C., Ogbonna, I. O., Gberikon, G. M., Iheukwumere, C. C. Evaluation of biosurfactant production potential of Lysinibacillus fusiformis MK559526 isolated from automobile-mechanic-workshop soil. Brazilian Journal of Microbiology. 52 (2), 663-674 (2021).
  44. Naing, K. W., et al. Isolation and characterization of an antimicrobial lipopeptide produced by Paenibacillus ehimensis MA2012. Journal of Basic Microbiology. 55 (7), 857-868 (2015).
  45. Wittgens, A., et al. Novel insights into biosynthesis and uptake of rhamnolipids and their precursors. Applied Microbiology and Biotechnology. 101 (7), 2865-2878 (2017).
  46. Rahman, K., Rahman, T. J., McClean, S., Marchant, R., Banat, I. M. Rhamnolipid biosurfactant production by strains of Pseudomonas aeruginosa using low-cost raw materials. Biotechnology Progress. 18 (6), 1277-1281 (2002).
  47. Bahia, F. M., et al. Rhamnolipids production from sucrose by engineered Saccharomyces cerevisiae. Scientific Reports. 8 (1), 1-10 (2018).
  48. Kim, C. H., et al. Desorption and solubilization of anthracene by a rhamnolipid biosurfactant from Rhodococcus fascians. Water Environment Research. 91 (8), 739-747 (2019).
  49. Nalini, S., Parthasarathi, R. Optimization of rhamnolipid biosurfactant production from Serratia rubidaea SNAU02 under solid-state fermentation and its biocontrol efficacy against Fusarium wilt of eggplant. Annals of Agrarian Science. 16 (2), 108-115 (2018).
  50. Wang, Q., et al. Engineering bacteria for production of rhamnolipid as an agent for enhanced oil recovery. Biotechnology and Bioengineering. 98 (4), 842-853 (2007).
  51. Câmara, J., Sousa, M., Neto, E. B., Oliveira, M. Application of rhamnolipid biosurfactant produced by Pseudomonas aeruginosa in microbial-enhanced oil recovery (MEOR). Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 9 (3), 2333-2341 (2019).
  52. Amani, H., Mehrnia, M. R., Sarrafzadeh, M. H., Haghighi, M., Soudi, M. R. Scale up and application of biosurfactant from Bacillus subtilis in enhanced oil recovery. Applied Biochemistry and Biotechnology. 162 (2), 510-523 (2010).
  53. Gudiña, E. J., et al. Bioconversion of agro-industrial by-products in rhamnolipids toward applications in enhanced oil recovery and bioremediation. Bioresource Technology. 177, 87-93 (2015).
  54. Sun, G., Hu, J., Wang, Z., Li, X., Wang, W. Dynamic investigation of microbial activity in microbial enhanced oil recovery (MEOR). Petroleum Science and Technology. 36 (16), 1265-1271 (2018).
  55. Jha, S. S., Joshi, S. J., SJ, G. Lipopeptide production by Bacillus subtilis R1 and its possible applications. Brazilian Journal of Microbiology. 47 (4), 955-964 (2016).
  56. Darvishi, P., Ayatollahi, S., Mowla, D., Niazi, A. Biosurfactant production under extreme environmental conditions by an efficient microbial consortium, ERCPPI-2. Colloids and Surfaces. B, Biointerfaces. 84 (2), 292-300 (2011).
  57. Al-Wahaibi, Y., et al. Biosurfactant production by Bacillus subtilis B30 and its application in enhancing oil recovery. Colloids and Surfaces. B, Biointerfaces. 114, 324-333 (2014).
  58. Moutinho, L. F., Moura, F. R., Silvestre, R. C., Romão-Dumaresq, A. S. Microbial biosurfactants: A broad analysis of properties, applications, biosynthesis, and techno-economical assessment of rhamnolipid production. Biotechnology Progress. 37 (2), 3093 (2021).
  59. Youssef, N., Simpson, D. R., McInerney, M. J., Duncan, K. E. In-situ lipopeptide biosurfactant production by Bacillus strains correlates with improved oil recovery in two oil wells approaching their economic limit of production. International Biodeterioration & Biodegradation. 81, 127-132 (2013).
  60. Ruckenstein, E., Nagarajan, R. Critical micelle concentration and the transition point for micellar size distribution. The Journal of Physical Chemistry. 85 (20), 3010-3014 (1981).
  61. de Araujo, L. L., et al. Microbial enhanced oil recovery using a biosurfactant produced by Bacillus safensis isolated from mangrove microbiota-Part I biosurfactant characterization and oil displacement test. Journal of Petroleum Science and Engineering. 180, 950-957 (2019).
  62. Banat, I. M., De Rienzo, M. A. D., Quinn, G. A. Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents. Applied Microbiology and Biotechnology. 98 (24), 9915-9929 (2014).
  63. Klosowska-Chomiczewska, I., Medrzycka, K., Karpenko, E. Biosurfactants-biodegradability, toxicity, efficiency in comparison with synthetic surfactants. Research and Application of New Technologies in Wastewater Treatment and Municipal Solid Waste Disposal in Ukraine, Sweden, and Poland. 17, 141-149 (2013).
  64. Fernandes, P. A. V., et al. Antimicrobial activity of surfactants produced by Bacillus subtilis R14 against multidrug-resistant bacteria. Brazilian Journal of Microbiology. 38 (4), 704-709 (2007).
  65. Santos, D. K. F., Rufino, R. D., Luna, J. M., Santos, V. A., Sarubbo, L. A. Biosurfactants: multifunctional biomolecules of the 21st century. International Journal of Molecular Sciences. 17 (3), 401 (2016).

Tags

Науки об окружающей среде выпуск 184
Повышение нефтеотдачи с использованием комбинации биоповерхностных веществ
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nissar Zargar, A., Patil, N., Kumar, … More

Nissar Zargar, A., Patil, N., Kumar, M., Srivastava, P. Enhanced Oil Recovery using a Combination of Biosurfactants. J. Vis. Exp. (184), e63207, doi:10.3791/63207 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter