Computational Screening of Potential Inhibitors of Desulfobacter postgatei for Pyrite Scale Prevention in Oil and Gas Wells

Sulfate-reducing bacteria (SRB) such as Desulfobacter postgatei are often found in oil and gas wells. However, they lead to the release of hydrogen sulfide which in turn leads to the formation of iron sulfide scale such as pyrite. ATP sulfurylase is an enzyme present in SRB, which catalyzes the formation of adenylyl sulfate (APS) and inorganic pyrophosphatase (PPi) from ATP and sulfate which is one of the first steps in hydrogen sulfide production by D. postgatei. Virtual screening using molecular docking and machine learning tools was used to identify three potential inhibitors of ATP sulfurylase from a database of about 40 million compounds. These selected hits ((S,E)-1-(4-methoxyphenyl)-3-(9-((m-tolylimino)methyl)-9,10-dihydroanthracen-9-yl)pyrrolidine-2,5-dione;,methyl 2-[[(1S)-5-cyano-2-imino-1-(4-phenylthiazol-2-yl)-3-azaspiro[5.5]undec-4-en-4-yl]sulfanyl]acetate and (4S)-4-(3-chloro-4-hydroxy-phenyl)-1-(6-hydroxypyridazin-3-yl)-3-methyl-4,5-dihydropyrazolo[3,4-b]pyridin-6-ol), which are known as A, B and C respectively) all had good binding affinities with ATP sulfurylase and were further analyzed for their toxicological properties. The molecular docking results showed that all the compounds have negative binding energy with compound A having the highest docking score. However, based on the physicochemical and toxicological properties, compound C is the best choice as it does not violate any of the recommended properties that relate to absorption and distribution. Only compound C was predicted to be both safe and effective as a potential inhibitor of ATP sulfurylase. The binding mode of compound C revealed favorable interactions with the amino residues LEU 213, ASP 308, ARG 307, TRP 347, LEU 224, GLN 212, MET211 and HIS 309.ImportanceScale formation formed by hydrogen sulfide, which is produced by sulfate reducing bacteria such as Desulfobacter postgatei has been a persistent problem in the oil and gas industry leading to loss of money, time and even lives. The three selected hits from the virtual screenings of about 40 million compounds would possibly inhibit the enzyme, ATP sulfurylase, which is involved in the first reaction in hydrogen sulfide formation in Desulfobacter postgatei. The selected inhibitors are expected to significantly reduce the formation of hydrogen sulfide and consequently prevent the development of pyrite scale in oil and gas wells.

Παράμετροι βιοκαταβύθισης ιόντων μετάλλων σε βιολογικούς αντιδραστήρες κλίνης

Σκοπός της διατριβής ήταν η ανάπτυξη θειοαναγωγικού αντιδραστήρα υψηλής απόδοσης για την επεξεργασία όξινων διαλυμάτων θειικών ιόντων και ιόντων δισθενούς Fe, Zn, Cu και Ni και την καταβύθιση των μεταλλικών αξιών με τη μορφή θειούχων ενώσεων. Για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας, μελετήθηκαν τρεις απλές πηγές άνθρακα/ηλεκτρονίων (γαλακτικό ιόν, αιθανόλη και οξικό ιόν) προκειμένου να ελεγχθεί η καταλληλότητά τους για τη διατήρηση θειοαναγωγικού βιολογικού στρώματος, την επιτυχή αναγωγή των θειικών ιόντων, την ποσοτική απομάκρυνση των ιόντων των μετάλλων και την ελαχιστοποίηση του υπολειπόμενου οργανικού φορτίου στο επεξεργασμένο διάλυμα αντιδραστήρων σταθερής κλίνης που λειτούργησαν με διαφορετικές αναλογίες άνθρακα:θειικών ιόντων στο διάλυμα τροφοδοσίας. Με βάση τα αποτελέσματα της πειραματικής μελέτης, προτείνεται κατ’ αρχήν ένα απλό σύστημα μιας βαθμίδας με αντιδραστήρα σταθερής κλίνης και ανοδικής ροής, με αδρανές πληρωτικό υλικό συγκεκριμένων προδιαγραφών που εξασφαλίζει την υδραυλική σταθερότητα του συστήματος αλλά και τη ζητούμενη ακινητοποίηση των θειοαναγωγικών βακτηρίων σε λεπτό βιολογικό στρώμα. Από τη διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον εμπλουτισμό και την προσαρμογή του αρχικού εμβολίου σε απλές πηγές άνθρακα/ηλεκτρονίων, προέκυψε βακτηριακός πληθυσμός όπου επικράτησε το είδος Desulfobacter postgatei, το οποίο έχει τη χαρακτηριστική ιδιότητα να αποικοδομεί το οξικό ιόν που σχηματίζεται ενδιαμέσως κατά την οξείδωση του γαλακτικού ιόντος και της αιθανόλης. Το αποτέλεσμα αυτό είναι ιδιαιτέρως σημαντικό στην περίπτωση που επιλεχθούν αυτές οι πηγές άνθρακα/ηλεκτρονίων καθώς, έτσι, αξιοποιείται το υψηλότερο δυνατό ποσοστό του οργανικού άνθρακα που τροφοδοτείται στο σύστημα και ελαχιστοποιείται το οργανικό φορτίο στο επεξεργασμένο διάλυμα. O αντιδραστήρας αποδείχθηκε ότι, όταν τροφοδοτηθεί με αιθανόλη ως πηγή άνθρακα/ηλεκτρονίων, έχει δυνατότητα ποσοτικής απομάκρυνσης ιόντων δισθενούς Fe, Zn, Cu και Ni (αρχικής συγκέντρωσης 0,1 g/L) από όξινα (pH 3-3,5) συνθετικά διαλύματα θειικών ιόντων (αρχικής συγκέντρωσης 1,8 g/L). Σε αυτήν την περίπτωση, ο ρυθμός αναγωγής των θειικών ιόντων μπορεί να προσεγγίσει τα 7 g/Ld ενώ ο υπολειπόμενος ολικός οργανικός άνθρακας στο επεξεργασμένο διάλυμα προσδιορίστηκε σε τιμή χαμηλότερη από 40 mg/L. Στην παραγόμενη ιλύ, που αποτελείται κυρίως από άμορφες φάσεις θειούχων ενώσεων των μετάλλων, αναγνωρίστηκαν συμπλέγματα μικροκρυσταλλικών δομών μαρκασίτη, βουρτσίτη, σφαλερίτη, κοβελλίνη και χιζελγουντίτη.