همان طور که می دانید وقتی سلولی در محیط غلیظ قرار می گیرد به دلیل هیپرتونیک بودن محیط و هیپوتونیک بودن سیتوپلاسم، این اختلاف غلظت سبب می شود که سلول سیتوپلاسم خود را از دست داده و می میرد.
اکنون این سوال پیش می آید که این باکتری چگونه در این درجه شوری زنده می ماند ؟ آنها برای جلوگیری کردن از خروج مواد داخلیشان دو استراتژی را به کار می گیرند و برای اینکار مقداری انرژی مصرف می کنند. اول اینکه هالوفیل ها با متراکم کردن مولکول های زیستی که خود سنتز کرده اند و یا از محیط گرفته اند در سیتوپلاسم غلظت درون خود را با محیط برابر می کنند و دوم اینکه آنها از نفوذ پذیری انتخابی یون پتاسیم به داخل سیتوپلاسم سعی می کنند که خود را با محیط سازگار کنند (۲۲).

هالوفیل ها، هتروتروف و هوازی بوده و انرژی خود را از محیط بدست می آورند (۲۱).
۱-۲۹ اهداف تحقیق
نتایج حاصل از این تحقیق قابل استفاده درصنایع مرتبط با صنعت ومحیط میباشد. چنانچه درفرآیندهایی مثل ازدیاد برداشت میکروبی نفت، سبکسازی نفتهای سنگین، پاکسازی خاکها، آبهای آلوده به هیدروکربنهای نفتی قابل استفاده است. خصوصادرکشوری مثل ایران که مبحث آلاینده های نفتی درمحیطهای آبی ودریاهای جنوب وشمال ایران ویاخاکهای اطراف پالایشگاه وجوددارد، بررسی این موضوع مهم میباشد.
۱-۳۰ سوالات تحقیق
۱)آیا نفت خام ایران حاوی باکتری های احیا کننده نیترات می باشد؟
۲) آیا باکتری های هالوفیل ساکن نفت ایران می توانند نیترات را احیا کنند؟
۳) آیا باکتری های هالوفیل احیا کننده نیترات در نفت ایران توانایی تولید بیوسورفکتانت را به منظور افزایش دسترسی زیستی به هیدروکربن های قابل مصرف دارند؟
۴) بهترین باکتری که هدف ما را تأمین می کنند کدام است؟
۱-۳۱ فرضیه های تحقیق
نفت خام ایران با تنوع میکروبی بالا به احتمال زیاد حاوی تنوعی از باکتری های بی هوازی از جمله باکتری های بی هوازی احیا کننده نیترات می باشد. این باکتری ها با حذف نیترات می تواند برخی ترکیبات هیدروکربنی پلی آروماتیک( PAH )، با وزن مولکولی بالا و حتی آلکانهای بلند زنجیره را شکسته و ترکیبات قابل دسترس تری برای میکروبها فراهم آوردند. لذا در فرایند های آلاینده های نفتی و یا سبک سازی نفت می توانند مثمر ثمر باشند (۲۳).
فصل دوم
پیشینه پژوهش
۲-۱ بیوتکنولوژی و اهمیت بیوتکنولوژی نفت
کلمه بیوتکنولوژی که از دو بخش «بیو» (به معنای زندگی و موجودات زنده) و «تکنولوژی» (به معنای هنر بشر در استفاده از علم) تشکیل شده است، به طور کلی بر استفاده از موجودات زنده یا بخشی از آنها برای تولید فرآورده ویژه ای دلالت دارد.
بیوتکنولوژی (فن آوری زیستی ) علم جدیدی نیست، هزاران سال است که انسان برای حل مشکلات و بهبود شیوه زندگی خود، با دستکاری ژن ها اصلاحاتی را در موجودات زنده به وجود آورده است. سرآغاز بیوتکنولوژی تقریبا به ۱۰ هزار سال پیش بر می گردد، زمانیکه مردم دانه های گیاهانی را که دارای ویژگی ها و صفات بهتری بودند برای کاشتن در سال بعد گردآوری می کردند (۲۴).
۲-۲ بیوتکنولوژی در خدمت صنعت و نفت
نفت خام پس از استخراج از چاه، ناخالصی های فراوانی دارد که از ارزش این طلای گرانبها می کاهد، از این رو باید این ناخالصی ها را با بهره گرفتن از روش های ارزان و کم خرج جدا کرد تا ارزش این طلای سیاه کاسته نشود.
یکی از مواد زاید نفت خام، گوگرد ( Sulphure) است که کشورهای صادر کننده نفت همواره در صدد حذف آن ماده بوده اند.
وجود گوگرد در نفت و محصولات نفتی، در بیشتر موارد سبب خوردگی، همچنین آلودگی محیط زیست می
شود (۲۵).
نفت خام ایران نزدیک به ۱/۵ درصد گوگرد دارد که پس از تقطیر، به دلیل آن که فرآورده های سبک آن کم است، این گوگرد در قیر باقی می ماند و به تصفیه قیر نیاز نیست. وجود گوگرد در فراورده های سبک، کیفیت این فرآورده ها را پایین می آورد، اما در فرآورده های سنگین بی تاثیر است و گاه حتی کیفیت این مواد را افزایش می دهد. روش مرسوم و معمول قدیمی برای حذف ترکیبات زاید از سوخت های فسیلی مانند گوگرد، نیتروژن و. . . استفاده از هیدروژن در پروسه شیمیایی هیدرودسولفوراسیون (گوگرد زدایی به وسیله هیدروژن) است.
در این روش، واکنش شیمیایی در دمای ۵۰۰-۳۰۰ درجه سانتی گراد و در فشار بالا انجام می شود که در آن نفت خام با بهره گرفتن از هیدروژن و یک کاتالیزور که سرعت واکنش را بالا می برد، از گوگرد پاک سازی می شود. به این ترتیب که در خلال این پروسه، هیدروژن با گوگرد پیوند بر قرار می کند و در نتیجه سبب جداسازی گوگرد از نفت خام می شود.
این روش بسیار گران و هزینه بر است، زیرا به ساختمان ها، تاسیسات و پالایشگاه های زیادی نیاز دارد. از سویی این پروسه انرژی بسیار زیادی مصرف می کند و به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست. از دیگر پیامدهای فرعی این واکنش ها، دی اکسید کربن است که به لحاظ زیست محیطی مضر است و سبب تغییرات آب و هوایی منطقه می شود (۲).
یک روش پیشنهادی بهتر که نخستین بار شرکتی آمریکایی آن را اجرا کرد، روش Energy Biosystem است. در این روش برای حذف مواد زاید سوخت های فسیلی مانند نفت خام از موجودات زنده به ویژه باکتری ها استفاده میشود. این شرکت نخست دو گونه باکتری به کار گرفت که به طور طبیعی قادر به جداسازی گوگرد را از نفت خام بودند. با تحقیق روی این دو گونه باکتری توانستند با بهره گرفتن از روش های مهندسی ژنتیک، ژن مسئول جداسازی گوگرد را از این باکتری جدا کنند، سپس ژن مورد نظر را در آزمایشگاه دستکاری های ژنتیکی کردند تا قابلیت حذف گوگرد از نفت خام آن افزایش یابد. سرانجام این ژن را به درون ژنوم باکتری میزبان ثانویه انتقال دادند. در نتیجه این فرایند، باکتری ای تولید شد که قادر بود با دقت بسیار بالا گوگرد را از نفت خام جدا کند.
با گسترش مطالعات این شرکت آنها اقدام به ساخت پالایشگاه های کوچکی به نام
«بی. دی. اس»(Biocatalytic Desulphurization) کردند. در « بی. دی. اس » به جای استفاده از روش های شیمیایی از سیستم های بیولوژیک استفاده می شود، در نتیجه دیگر به دما و فشار بسیار که در روش های قدیمی استفاده می شد، نیازی نمی شد. از طرفی با توجه به اینکه سیستم های بیولوژیک روندی طبیعی هستند، آلودگی محیط زیست را هم به دنبال ندارند. در بی. دی. اس، آنزیم های عمل کننده به وسیله میکروارگانیسم ها (باکتری ها ) تولید می شود که این آنزیم ها قادر به شکستن پیوند میان گوگرد و کربن در نفت خام هستند، بدون آن که سبب تجزیه و از دست رفتن خاصیت نفت خام شوند.
این پالایشگاههای کوچک شامل ترکیبی بزرگ از کشت باکتری های مهندسی شده در آب است که همگی درون یک بیوراکتور بزرگ جای گرفته اند. بیوراکتور، در حقیقت یک تانک بزرگ است که در آن واکنش های بیوشیمیایی به وسیله میکروارگانیسم ها رخ می دهد. با رشد باکتری ها در درون این بیوراکتور، نفت خام را به این تانک می افزایند، سپس تمام این مخلوط را با اکسیژن مجاور می سازند. علت وجود اکسیژن این است که باکتری های مورد استفاده هوازی هستند و برای رشد و بقای خود به اکسیژن نیاز دارند تا بتوانند آنزیم های مورد نیاز برای حذف گوگرد از نفت را تولید کنند. با پایان یافتن این فرایند، نفت خام تمیز و پاک، از مخلوط آب، باکتری ها و سولفور جدا سازی می شود. پس مانده های این مخلوط دوباره تحت واکنش های بیشتر قرار می گیرد، برای مثال سولفور فوری باید از آب جدا و به ترکیبات مفید و مورد نیاز مانند سولفات سدیم یا سولفات آمونیوم تبدیل شود. دانشمندان همچنین در صدد استفاده از این فناوری برای حذف ناخالصی های دیگر نفت خام از قبیل نیتروژن و فلزات بر آمده اند.
امروزه از این روش بیولوژیک که بسیار کم خرج و ارزان است، می توان برای فرآوری نفت خام و دیگر سوخت های فسیلی استفاده و سوخت با کیفیت بالاتر به بازار جهانی عرضه کرد (۲۵).
۲-۳ استخراج نفت
کاربرد بسیار مهم بیوسورفکتانت ها در صنعت استخراج نفت خام است. برای استخراج نفت، ابتدا باید عمل حفر چاه را انجام داد (۲۶).
۲-۴ حفر چاه
پس از اطمینان از اینکه لایه های اعماق زمین، مناسب ایجاد نفتگیر است و در صورتیکه ذخیره هیدروکربورهای ( نفت و گاز ) آن قابل ملاحظه باشد، محل حفر چاه را با علامت روی زمین مشخص کرده و دکل حفاری را در محل بر پا می کنند.
عملیات جاده سازی، از جاده اصلی تا سر چاه و کارگذاری یک لوله آب به منظور آبرسانی به دستگاه های حفاری قابل حمل بوده و دکل های بزرگ از چندین قسمت تشکیل شده اند که به هنگام استفاده قطعات آن را به هم وصل می کنند (۲۶).
۲-۵ روش های استخراج نفت
پس از عملیات حغر چاه و اصابت آن به مخزن نفت، به دلیل فشار زیاد موجود در مخزن، جریان نفت به سوی دهانه خروجی چاه سرازیر می شود. این مرحله از استخراج که عامل آن فشار داخل خود مخزن است به بازیافت اولیه نفت موسوم است در برداشت اولیه نفت، از انرژی خود مخزن برای تولید نفت استفاده می شود. البته این بدان معنا نیست که اگر نفت خود به خود به سطح زمین نیاید، برداشت اولیه وجود نخواهد داشت، بلکه وقتی از پمپ برای بالا آوردن نفت استفاده می کنیم، در واقع هنوز در مرحله اول برداشت داریم. در این مرحله انرژی خاصی وارد مخزن نمی شود. با افزایش تولید و کاهش فشار، سرعت تولید نیز کاهش می یابد تا اینکه فشار به حدی می رسد که دیگر نفت خارج نمی شود. در این مرحله ممکن است از ۳۰ تا ۵۰ درصد کل نفت مخزن استخراج شود. علاوه بر فشار مخزن عوامل دیگری مانند خواص سنگ مخزن و میزان تخلخل آنها و هم چنین دمای مخازن نیز در میزان تولید مؤثرند (۲۶).
به عنوان مثال، کل نفت مخازن آمریکا حدود ۱۰۹ تا ۴۰۰ بشکه بوده است که تا سال ۱۹۷۰ حدود ۱۰۰ تا ۱۰۹ بشکه آن توسط روش های اولیه استخراج شده اند. البته هر چه میزان گاز آزاد در مخزن بیشتر باشد، مقدار تولید نفت توسط این روش بیشتر است، زیرا تغییرات حجم گاز در مقابل تغییر فشار بسیار زیاد است. به عنوان مثال در ایالت پنسیلوای آمریکا به دلیل پایین بودن نفوذ پذیری ( کم تر از ۵۰ میلی دارسی ) و انرژی کم مخزن که ناشی از پایین بودن مقدار گاز طبیعی آزاد است، میزان نفت استخراج شده با روش های اولیه بین ۵ تا ۲۵ درصد کل نفت بوده است و به همین دلیل در این ایالت روش های مرحله دوم از سال ۱۹۰۰ شروع شده است (۲۷).
وقتی مخزن تخلیه شد و ما نتوانستیم نفت را حتی با پمپاژ از مخزن به چاه و از چاه به سطح زمین انتقال دهیم، در این صورت استفاده از روش EOR از نوع بازیافت ثانویه شروع می شود که برای استفاده از این
روش، امروزه در دنیا روش تزریق سیال در سیستم مداخله می کنیم و سیال تزریقی، نفت را به طرف چاه تولیدی هدایت می کند. البته به جای آب، می توان گاز نیز تزریق کرد که به آن فرایند تزریق گاز می گویند.
باید توجه داشت که استفاده از این دو روش تزریقی با تزریق آب یا گازی که به منظور حفظ و نگه داری فشار مخزن انجام می گیرد متفاوت است. چراکه در تزریق آب و گاز برای حفظ فشار مخزن، سیال تزریقی باعث حرکت نفت نمی شود، بلکه از افت سریع فشار مخزن در اثر بهره برداری جلوگیری می کند.
در حالت ثانویه برداشت زمانی فرا می رسد که ما ضمن تزربق آب به مخزن، در چاه تولیدی با تولید آب مواجه می شویم. در این حالت، چون نسبت آب به نفت زیاد می شود و تولید در این صورت بازده اقتصادی ندارد، باید از روش دیگر برای افزایش برداشت بهره بگیریم. اگر تزریق آب را متوقف کنیم و از فرایند های دیگری نظیر تزریق گاز _۲Co استفاده کنیم. از روش های مؤثر در مرحله دوم یکی سیلابزنی آبی و دیگری سیلابزنی گازی یا تزریق گاز است.
در روش سیلابزنی آبی، آب با فشار زیاد در چاه های اطراف چاه تولید نفت وارد مخزن شده و نیروی محرکه لازم برای استخراج نفت را به وجود می آورد. معمولا در اطراف هر چاه نفت چهار چاه برای تزریق آب وجود دارد. در روش سیلابزنی گازی، گاز ( مانند گاز طبیعی ) با فشار زیاد به جای آب وارد مخزن شده ونفت را به طرف چاه خروجی به جریان می اندازد. در کشور ونزوئلا حدود ۵۰% گاز طبیعی تولید شده دوباره به چاه های نفت برای استخراج در مرحله دوم برگردانده می شود.
نحوه تزریق گاز شبیه تزریق آب به صورت چاه های پنجگانه است. در مواردی که گرانروی نفت خیلی بالا باشد از تزریق بخار آب، دما را افزایش و گرانروی را کاهش می دهد. در این روش که از بخار آب به جای آب استفاده می شود، با کاهش گرانروی نفت، جریان آن راحت تر صورت گرفته و سرعت تولید بالا می رود.
پس از استخراج به کمک روش های مرحله دوم هنوز هم حدود ۳۰ الی ۵۰ درصد نفت می تواند به صورت استخراج نشده در مخزن باقی بماند. در این جاست که استخراج نفت به کمک روش مرحله سوم صورت صورت گیرد.
یکی از روش های مرحله سوم، تزریق محلول ماسیلار (Micellar Solution) است که پس از تزریق آن، محلول های ماسیلار تا ۵۰ درصد کل روش های مرحله سوم را شامل می شود، محلول ماسیلار مخلوطی از آب، مواد فعال سطحی، نفت، نمک و مواد کمکی فعال سطحی حذف گردیده اند .
گرانروی محلول پلیمری حدود ۲ تا ۵ برابر گرانروی نفت است. غلظت پلیمر حدود ۱۰۰۰ ppm می باشد. در حال حاضر از پلی اکریمیدها و زیست پلیمرها به عنوان پلیمر در محلول بافر استفاده می شود. مواد فعال سطحی معمولا سولفوناتهای نفتی سدیم هستند و از لحاظ خواص و ساختار شیمیایی شبیه شوینده ها
می باشد.
از الکل ها برای مواد کمکی فعال سطحی استفاده می شود. هزینه تهیه محلول های ماسیلار برای تولید هر بشکه نفت در سال ۱۹۷۵ حدود۱/۵ دلار آمریکا بوده است.
یکی دیگر از روش های مرحله سوم، روش احتراقی زیرزمینی است. طی این روش اکسیژن موجود در هوا در زیرزمین با هیدروکربن ها می سوزد و مقداری گاز تولید شده، فشار مخزن بالا می رود. گرما هم چنین گرانروی را کاهش داده و جریان نفت راحت تر صورت می گیرد. یک روش دیگر مرحله سوم که اخیرا مورد توجه قرار گرفته است، روش تزریق گاز کربن دی اکسی می باشد که جزئی از روش جابه جایی امتزاج پذیر است. گاز دی اکسید کربن بسیار ارزان بوده، در نفت نیز حل می شود وگرانروی آن را کاهش می دهد. از روش های دیگر مرحله سوم انفجارهای هسته ای در زیرزمین است که این انفجارها شکاف مصنوعی در سنگ ها به وجود می آورد و جریان نفت را ساده تر می کند. به این گونه فرایندها، مرحله سوم برداشت نفت (rtiary Oil RecoveryTer ) می گویند.