Biorremediación de suelos impactados por hidrocarburos

2. Introducción
3. Materiales y métodos
4. Resultados y discusión
5. Conclusiones
6. Recomendaciones
7. Bibliografía

RESUMEN.

Se aplicó la técnica de Biorremediación a un área impactada (20m3) con 58 barriles de petróleo crudo de 14º API (petróleo pesado) de viscosidad aledaña a un pozo de petrolero situado en la República de Cuba. El seguimiento de los tratamientos se realizó mediante análisis químicos y microbiológicos utilizando técnicas valorimétricas, gravimétricas y espetrofotométricas, mensualmente durante 369 días. El área fue humectada y aireada periódicamente mediante un tractor con arado de disco.

Se observó una disminución en la concentración de hidrocarburos totales del petróleo hasta obtener valores inferiores al 1% recomendado por las normas internacionales, Se logró recuperar el suelo impactado en un periodo de un año. Se identificaron especies de microorganismos degradadores de hidrocarburos en el suelo tratado. No se encontró toxicidad por ninguno de los métodos empleados en el suelo tratado. Se sembraron plantas en el área tratada (Piñon de jardín), que esto no fue efectivo, ya que las plantas autóctonas de la zona resultaron más efectivas, de acuerdo con las condiciones existentes en el suelo. El análisis económico del proceso de Biorremediación arrojó valores dentro del rango internacional estipulado para este tratamiento.

INTRODUCCIÓN.

La contaminación de suelos por hidrocarburos es un problema importante en la mayor parte de los países productores de petróleo. La matriz suelo es espacialmente variable y está demostrado que las propiedades químicas, que juegan un papel importante en la adsorción del contaminante, tales como pH, textura y materia orgánica, muestran una distribución altamente variable.

La Biorremediación es una técnica innovadora que se ha desarrollado en las décadas de los 80 y 90, la cual ha sido aplicada exitosamente en el tratamiento de suelos contaminados con hidrocarburos. Se caracteriza por ser una técnica de bajo costo de operación. La aplicación de este tipo de tecnología ha encontrado cierta resistencia de aplicación por el tiempo que demanda completar un proceso hasta obtener las metas de limpieza deseadas.

La Biorremediación es considerada como la vía más efectiva para la remediación de suelos contaminados, en contraste a alternativas más costosas como la incineración. Los tratamientos biológicos de degradación en suelos pueden ser eficientes y económicos si las condiciones de biodegradación son optimizadas (Álvarez, 2001) (Belloso, 1998) (Cursi y Calleja, 2000). Se define como Biorremediación al proceso de aceleración de la tasa de degradación natural de hidrocarburos por adición de fertilizantes para provisión de nitrógeno y fósforo (Ercolli, y Gálvez, 2001). El proceso de degradación requiere control de variables operacionales tales como nutrientes, humedad y oxígeno.

Esta técnica puede ser aplicada in-situ, en el lugar donde se encuentra el suelo contaminado, o ex-situ, cuando el suelo se traslada a una instalación para su tratamiento. El tratamiento ex-situ de suelos, sedimentos y otros sólidos contaminados con hidrocarburos se puede realizar en un variado número de procesos en fase sólida y en fase lodo. Los procesos en fase sólida son aquellos en donde el suelo se trata con un contenido de agua mínima. En los casos de los procesos en fase lodo se suspende el suelo en agua (Saracino, 2001).

La actividad de los microorganismos presentes en el suelo se puede favorecer mejorando determinadas condiciones edáficas, añadiendo nutrientes, agua, oxígeno y modificando el pH. Otra forma es la introducción de nuevas especies para aumentar la concentración de microbiota presente.

La medición del CO2 producido por unidad de tiempo en un área determinada es una medida indirecta del proceso biodegradativo ya que tiene como objetivo evaluar la actividad respiratoria de los microorganismos del suelo durante el proceso de degradación de los compuestos orgánicos (Infante, 2001).

Los componentes del petróleo son generalmente agrupados en cuatro clases de acuerdo a su solubilidad en solventes orgánicos: saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos. No todos los componentes del crudo son rápidamente degradables, las parafinas de cadenas cortas son los sustratos fácilmente degradables por los microorganismos seguidos en orden descendiente por las parafinas de cadena larga, isoparafinas, cicloparafinas, aromáticos, heterocíclicos, resinas y asfaltenos. Los compuestos polares y los asfaltenos son generalmente considerados resistentes a la biodegradación. El material remanente se denomina "hidrocarburos totales de petróleo" (TPH, total petroleum hydrocarbon) y es considerado biodegradable. La fracción polar y los hidrocarburos totales de petróleo, juntamente, se nombran petróleo total, el cual puede ser estimado gravimetricamente por evaporación de los solventes usados para la extracción (Ercoli, 2001).

El objetivo de este trabajo es ofrecer los resultados obtenidos en la aplicación del proceso de Biorremediación a un área de suelo afectado en la zona aledaña a un pozo de petróleo en la zona central de la República de Cuba, utilizando la técnica de bioestimulación de los microorganismos autóctonos del lugar.

MATERIALES Y MÉTODOS.

Se aplicó la técnica de Biorremediación a un área impactada con 58 barriles de petróleo crudo de 14º API de viscosidad aledaña a un pozo de petrolero situado en la costa norte occidental de la República de Cuba. Debido a la poca homogeneidad de la contaminación, se establecieron dos zonas para el seguimiento del tratamiento: Zona A (área más contaminada) y Zona B (área menos contaminada). El seguimiento de los tratamientos se realizó mediante análisis químicos y microbiológicos utilizando técnicas valorimétricas, gravimétricas y espetrofotométricas, mensualmente durante 369 días. El área fue humectada y aireada periódicamente mediante un tractor con arado de disco.

Debido a las características del petróleo crudo a degradar, él cual al derramarse en el suelo forma trozos muy grandes de difícil disgregación, no fue fácil lograr una distribución homogénea sobre el área de trabajo, razón por la cual se dividió la parcela en 2 partes:

Zona A: área más contaminada

Zona B: área menos contaminada

Es destacar que no se adicionó suelo limpio ni material acondicionante para disminuir la concentración inicial de hidrocarburos, solamente se removió el área impactada con el arado y después se homogenizó con el equipo pesado denominado raspador.

• Acondicionamiento nutritivo – ambiental inicial.

Independientemente de los contenidos iniciales de nutrientes existentes en el suelo, se adicionaron como fuentes de nitrógeno y fósforo, urea y diamino fosfato respectivamente, con el objetivo de estimular el crecimiento de los microorganismos de forma tal de obtener las siguientes relaciones:

C/N = 60

C/P = 800

donde: C = HC * 0.78

C: contenido de carbono orgánico, expresado en g

HC: contenido de hidrocarburos, expresado en %

Sobre la base de la relación HC-Nitrógeno-Fósforo prefijada, se incorporaron los siguientes nutrientes:

. Fuente de Fósforo…………… 0.047 kg / m 2

. Fuente de Nitrógeno……….. 0.22 kg / m2

• Seguimiento del tratamiento aplicado.

La toma de muestra de suelo para los análisis del seguimiento del proceso de Biorremediación se utilizó un muestreo tipo estrella recomendado por el especialista japonés Dr. Itaru Okuda. Las muestras fueron colectadas y envasadas en bolsas de nylon, se preservaron en congelación hasta su posterior procesamiento y análisis. Además, para la determinación de grasas y aceites las muestras fueron homogeneizadas, secadas, y tamizadas a través de un tamiz de 2 mm, de donde se tomó una muestra representativa para ser analizada.

Para determinar la efectividad del tratamiento aplicado se realizaron los siguientes análisis:

Grasas y aceites e hidrocarburos totales, HC Saturados Resueltos, Saturados, Aromáticos, Resinas y Asfaltenos, Contenidos de nitrógeno total y fósforo total, Conteo de microorganismos, Producción de CO2 (Respirometría), Metales totales

La tasa de biodegradación se calculo según la siguiente expresión:

Concentración Inicial – Concentración Final

Tasa (%) = ——————————————————– * 100

Concentración Inicial

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos de los parámetros fundamentales medidos para el seguimiento de la efectividad del tratamiento de Biorremediación. Después de los 4 primeros meses del tratamiento aplicado y debido a la disponibilidad de equipos pesados, se realizó la homogenización del terreno impactado, obteniéndose una mejor distribución de la contaminación en el área, observándose un incremento en los niveles de Grasas y Aceites e Hidrocarburos Totales del petróleo en las dos zonas y por consiguiente una disminución en la tasa de biodegradación. (Ver Tabla 1)

Por otra parte, se observa que en la zona A, durante los primeros 38 días, ocurre una disminución significativa en la concentración de hidrocarburos totales, representada por una tasa de degradación del 29,06 %, resultado ligeramente superior al 25 % recomendado por otros autores (Infante, 2001) (Ercoli, 2001). En general, a los 369 días se obtuvo una reducción en el contenido de hidrocarburos totales del 78.08 %, favorable para este tipo de tratamiento.

En la zona B se observa que a los 38 días de iniciado el tratamiento existe un aumento en la concentración de hidrocarburos totales del petróleo (HCTP), que esta dado, por contaminación cruzada de la zona B originada por las operaciones de laboreo del terreno con el arado de discos, ya en los 63 días siguientes y tomando como concentración de inicio la de los 38 días, se obtuvo una tasa de biodegradación de 39.70 %, superior a lo recomendado por muchos autores para continuar el proceso de Biorremediación, al término del proceso existe una tasa de biodegradación en esta zona de 40.13 %. Es de señalar que ambas zonas se obtuvieron niveles de hidrocarburos inferiores a los 10 000 mg/kg recomendados para este proceso en las normas internacionales consultadas (Louisiana, 2000). Es de destacar que como en esta zona se parten de valores cercanos a los 10 000 mg/kg de HCTP,para t = 0 días, la variación en las concentraciones de éstos resulta menos acentuada que en la zona A, esto se debe a que a estos niveles la velocidad del proceso de Biorremediación resulta mas lenta y en ocasiones poco perceptibles debido al método analítico empleado (gravimetría), que es muy efectivo para analizar altas concentraciones de HCTP. Si se comparan los valores obtenidos de Hidrocarburos Totales del Petróleo con la norma de referencia para este proceso en Lousiana, se observa que los niveles son inferiores en ambas zonas a los 10 000mg/kg (1 %), valor recomendado para suelos contaminados por hidrocarburos, nótese que estos valores en la zona A se obtuvieron a los 265 días, ocurriendo posteriormente un periodo de meseta o de saturación, donde el decrecimiento en los días subsiguientes no ocurre, si no que ligeramente aumenta o se mantiene en los niveles alcanzados en esa fecha.

Se debe señalar, que en ambas zonas se apreció visualmente una mejoría desde el punto cualitativo de las condiciones del suelo, recuperándose casi totalmente sus condiciones iniciales antes de la contaminación. Es bueno señalar que la variación en los niveles encontrados, en algunos parámetros, se debe a la heterogeneidad de la matriz suelo y a la poca homogeneidad del área impactada.

Tabla 1. Resultados del seguimiento del tratamiento

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(1)Criterios para los constituyentes restrictivos de tierras en Louisiana, Registro de Louisiana, EUA, 2000 (referencia 11)

La figura 1 muestra la variación de los niveles de concentración de hidrocarburos totales reportados en tabla 1, para las zonas estudiadas. En el gráfico se puede observar una disminución marcada de los hidrocarburos totales en el tiempo, lo que corrobora la efectividad del tratamiento aplicado.

Si observamos los valores de Hidrocarburos Totales del petróleo obtenidos en ambas zonas, se puede afirmar que desde t = 265 días existe un periodo estacionario o de meseta anteriormente señalado, donde la disminución de la concentración es casi inapreciable, es lo que se conoce como periodo de saturación, alcanzado este periodo se puede dar por concluido el proceso de Biorremediación. Si se requiere disminuir aún mas este parámetro es necesario analizar si es factible desde el punto de vista económico y del uso futuro que se le quiera a dar al suelo.

Figura 1 Variación de la Concentración de H/C totales del Petróleo en el tiempo

Las Figuras 2 y 3 muestran las variaciones de los contenidos de nitrógeno y fósforo en ambas zonas, apreciándose una disminución en el tiempo de los niveles de concentración de nitrógeno y fósforo, debido a su utilización por los microorganismos como compuestos esenciales para su crecimiento y desarrollo del proceso biodegradativo (Ver Tabla 1). A los 100 días de tratamiento (después de haber tomado la muestra para ese tiempo), el terreno fue fertilizado mediante la adición de las cantidades necesarias de DAP (fósforo) y nitrato de amonio como fuente de nitrógeno, con el fin de mantener la relación C: N: P prefijada, observándose valores máximos para ambas curvas a los 166 días.

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Figura 2.Variación de la Concentración de Nitrógeno Total

Figura 3 .Variación de la Concentración de Fósforo Total

Además, en las figuras antes citadas, se observa un decrecimiento más marcado de las concentraciones de Nitrógeno y Fósforo a partir de t = 166 días, debido a que el laboreo del terreno después de esa fecha se realizó semanalmente, ayudando así a una mejor utilización de los nutrientes por los microorganismos para su crecimiento y desarrollo.

La tabla 2 muestra los niveles de concentración de los componentes del petróleo total extraído del suelo de la Zona A y Zona B a tiempo = 0 (saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos). Como se puede observar la mayor concentración de hidrocarburos totales del petróleo (reportadas en la Tabla 1), en ambas zonas corresponde a la fracción de saturados y en menor cuantía se encuentran los hidrocarburos aromáticos, siendo ambos considerados biodegradables. Los niveles de concentración de resinas y asfaltenos constituyen una parte importante del petróleo total extraído (40 – 56 %) y los mismos son considerados resistentes a la biodegradación., se debe destacar que una vez finalizado el tiempo del tratamiento aplicado existe biodegradación de esas fracciones, alcanzándose en la zona A un 41.10% y 23.4 % (respectivamente de las fracciones de resinas y asfaltenos) , lo que corrobora lo señalado por otros autores (Ercoli, 2002, Infante, 2001), que todas las fracciones del petróleo son biodegradables. En ambas zonas se observan incrementos de las diferentes fracciones, pudiendo deberse a la heterogeneidad de la contaminación en el suelo. Con relación al contenido de hidrocarburos aromáticos se aprecia una disminución en ambas zonas al final del periodo analizado de un 32.32 % para la zona A y de un 25.21 % para la zona B. Por otra parte, en dicha tabla se observa una disminución significativa de la concentración de los hidrocarburos saturados en el tiempo, debido a que esta fracción la conforman los sustratos más susceptibles de degradar por los microorganismos. Los niveles de concentración relativamente bajos de Hidrocarburos Saturados Resueltos muestran el carácter poco parafínico del petróleo contaminante del suelo tratado.

De forma grafica, en la figura 4, se aprecia la variación de los niveles de hidrocarburos saturados en ambas zonas, nótese la disminución de las concentraciones de estos compuestos antes señaladas.

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Figura 4. Variación de la Concentración de Hidrocarburos Saturados.

La Tabla 2 muestra los contenidos de Metales Pesados obtenidos al término del tratamiento aplicado, los cuales se encuentran por encima de lo estipulado todos los casos, exceptuando el Zn, a la normativa internacional consultada y en la referencia de CUPET. Los altos contenidos de Fe resultan significativos debido a las características ferralíticas del suelo.

Tabla 2. Contenido de Metales Pesados, expresados en mg/kg base seca

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(1) Regulaciones Ambientales 01/95 y 07/96, CUPET (referencias 1y 6)

(2) Se regula Cromo VI.

(23Criterios para los constituyentes restrictivos de tierras en Louisiana, Registro de Louisiana, EUA, 2000 (referencia 7)

Si este suelo en un futuro se decidiera utilizar con fines agrícolas, que no es el caso debido a su ubicación, (cercano a una zona cenagosa), donde la concentración de metales pesados fuera un parámetro importante a valorar, sería necesario utilizar la Fitorremediación, donde con la utilización de plantas adecuadas para este proceso, se logra la disminución del contenido de metales pesados, terminado el proceso, estas plantas son cortadas y tratadas adecuadamente.

Comportamiento de las Poblaciones Microbianas.

En la tabla 3 se reportan las concentraciones de microorganismos encontrados en el tratamiento a diferentes tiempos, pudiéndose apreciar la variación de éstas durante todo el periodo analizado. A partir de los 265 días, comienza el decrecimiento de la concentración de microorganismos heterótrofos totales, coincidiendo con el periodo de saturación alcanzado en los niveles de hidrocarburos. Es de destacar que la concentración de microorganismos viables se mantuvo durante todo el proceso en el orden entre 106 y 108, valores favorables para que se efectúe el proceso biodegradativo.

Tabla 3. Conteo de microorganismos heterótrofos totales, expresados en UFC/g x 108

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En la figura 5 se puede observar de forma gráfica el comportamiento de la concentración de microorganismos en ambas zonas durante el proceso de Biorremediación aplicado al suelo impactado en áreas del Pozo Guásimas 18, nótese las variaciones que se observan en las mismas debido al tiempo del proceso analizado en que de forma cíclica, crecimientos y decrecimientos, se repiten las fases de desarrollo de los microorganismos: adaptación, crecimiento acelerado, régimen estacionario y muerte súbita.

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Figura 5. Comportamiento de la concentración de microorganismos

Lo niveles de microorganismos degradadores de hidrocarburos encontrados fueron:

Zona A: 7.2 x 105 a t = 229 días

Zona B: 4.8 x 106 a t = 229 días

En ambos casos estas concentraciones resultaron superiores al rango de 103 y 104 recomendado en la literatura (Ercoli, 2000) para que se efectué el proceso de Biorremediación satisfactoriamente.

De las concentraciones de microorganismos degradadores de hidrocarburos anteriormente señaladas, se aislaron un total de 7 cepas diferentes en medio agar – petróleo, 5 de bacterias y 2 de hongos. Las cepas de bacterias se identificaron por el API 20 NE y resultaron ser: Pseudomona putida, Pseudomona stutzen, Pasteurella spp, Sphingo spiitevorum y Brevum vesicularis.. Estas bacterias son bacilos, aerobias, Gram negativas.

Las Pseudomonas sp es reportada por otros investigadores (Lawlor y colaboradores, 1997) como el grupo de bacterias heterótrofas aeróbicas degradadoras de hidrocarburos mas comúnmente encontradas en el pool de microorganismos en suelos contaminados por petróleo.

En la tabla 4 se muestran los valores de la producción de CO2 para el caso de estudio. Los valores obtenidos para la producción de CO2, se corresponden con las concentraciones de microorganismos encontradas para cada zona siendo los valores mayores para la zona A de acuerdo con los microorganismos presentes.

Tabla 4. Producción de CO2, expresada en mg de CO2/ cm2. h

De forma grafica (Figura 6) se puede observar que en ambas zonas se observan patrones típicos de procesos biodegrativos, valores de producción de CO2 entre 80 y 140 mg de CO2/ cm2. h, según experiencias de los autores en otros trabajos realizados a escala de campo (Álvarez, Ramos, Núñez y otros, 2003), indicando que se está llevando a cabo la biodegradación del crudo.

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Figura 6. Variación de la Producción de CO2

Se sembraron plantas en el área tratada (Piñon de jardín), lo cual, no resultó efectivo debido a las condiciones existentes en el suelo, siendo el crecimiento de las plantas autóctonas de la zona indicativo de la recuperación del suelo,

Se realizaron ensayos de toxicidad al suelo tratado por dos métodos diferentes, bioensayo con lombrices de tierra y por el equipo MICROTOX, no encontrándose toxicidad por ninguno de los métodos empleados.

El análisis económico del proceso de Biorremediación arrojó valores dentro del rango internacional estipulado para este tratamiento (51.10 USD/ m3),

CONCLUSIONES.

1. El tratamiento de Biorremediación aplicando la técnica de bioestimulación al área impactada del pozo resultó efectivo, observándose una disminución en la concentración de hidrocarburos totales del petróleo hasta obtener valores inferiores al 1% recomendado por las normas internacionales
2. Mediante la adición de nutrientes esenciales para el desarrollo de los microorganismos existentes, aireación y humectación periódica del área tratada., se logró recuperar el suelo impactado en un periodo de un año. 
3. Se han identificado las especies de microorganismos degradadores de hidrocarburos en el suelo tratado.
4. De acuerdo a los ensayos toxicológicos, los suelos remediados no presentan toxicidad para el desarrollo de la biota del suelo y confirman que la contaminación.
5. La reforestación artificial con la especie de planta seleccionada no resultó efectiva, creciendo en el suelo recuperado la vegetación autóctona del lugar.
6. La evaluación económica del tratamiento aplicado dió valores dentro del rango internacional para la tecnología de Biorremediación, resultando muy atractiva desde este punto de vista para ser generalizada en el tratamiento de suelos contaminados por hidrocarburos en países en vías de desarrollo.
7. Se ha desarrollado un esquema tecnológico para aplicar el proceso de Biorremediación en nuestras condiciones naturales, aunque debe señalarse que no existe un tratamiento de Biorremediación único para los suelos contaminados ya que todos difieren entre sí y como tal se deben tratar.

RECOMENDACIONES.

• Generalizar el uso de la tecnología de Biorremediación para el tratamiento de suelos contaminados por hidrocarburos en la República de Cuba.

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ANEXO

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AGRADECIMIENTOS.

El colectivo de autores de este trabajo quiere agradecer especialmente a: los doctores Carmen Infante e Itaru Okuda por su asesoría y colaboración en la implantación de esta tecnología en Cuba.

MSc. José A. Álvarez González,

MSc. Ana C. Núñez Clemente,

Tec. Gisela Novoa Rodríguez,

Dr. Miguel A. Díaz Díaz,

Lic. Silvia Acosta,

Lic. Esther Ramos Padrón,

Lic. Ricardo Campos Rodríguez,

Lic. Sandra A. Miller Palmer,

Tec, Cristina Laffitta Rivera,

Tec. Francisca González.

Centro de Investigaciones del Petróleo

Washington # 169, Cerro, Ciudad de la Habana, Cuba.

Telef. 6494101