Por José Alfonso Álvarez González
Se aplicó la técnica de Biorremediación a los sedimentos marinos procedentes de la Reserva Ecológica de la Bahía de la Habana en áreas de la Refinería Ñico López; para esto se montaron a escala de campo tres parcelas (1 m*1m*0.15m) al 3% de contenido de hidrocarburos totales del petróleo. El seguimiento de los tratamientos se realizó mediante análisis químicos y microbiológicos utilizando técnicas valorimétricas, gravimétricas y espetrofotométricas
Resumen
Se aplicó la técnica de Biorremediación a los sedimentos marinos procedentes de la Reserva Ecológica (Ingenito) de la Bahía de la Habana en áreas de la Refinería Ñico López; para esto se montaron a escala de campo tres parcelas (1 m*1m*0.15m) al 3% de contenido de hidrocarburos totales del petróleo. El seguimiento de los tratamientos se realizó mediante análisis químicos y microbiológicos utilizando técnicas valorimétricas, gravimétricas y espetrofotométricas, mensualmente durante 150 días. Las parcelas fueron humectadas y aireadas periódicamente. Los mejores resultados se obtienen cuando se combinan la utilización de material acondicionante (bagazo) y nutrientes, alcanzándose valores de hasta un 80.37 % de remoción de hidrocarburos en un corto tiempo, evidenciándose la presencia natural de microbiota degradadora de hidrocarburos.
Introducción
La Biorremediación es considerada como la más deseable aproximación a la remediación de suelos contaminados en contraste a alternativas más costosa y de menor aceptación pública 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. (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.
Es bueno resaltar que la determinación cuantitativa de hidrocarburos en suelo es compleja ya que la mayor parte de las técnicas se basan en la extracción de las diversas fracciones por solventes. La solubilidad de dichas fracciones en distintos solventes es variable. De allí que, según sea el método utilizado para la determinación de hidrocarburos se obtendrán valores diferentes, que para determinados tipos de suelos e hidrocarburos pueden ser muy marcados. (Ercoli, 1999)
El objetivo de este trabajo es aplicar la Biorremediación a los sedimentos de la Reserva Ecológica de la Zona del Ingenito, Bahía de la Habana, utilizando la técnica de bioestimulación de los microorganismos autóctonos del sitio a remediar a escala de campo para corroborar los resultados obtenidos en las experiencias de laboratorio.
Materiales y métodos
De acuerdo a los resultados obtenidos a escala de laboratorio, se montaron 3 parcelas de 1 m de largo x 1 m ancho y 0.15 m de profundidad (figuras 1-3). Se utilizó el mismo suelo contaminado con hidrocarburos de la Ensenada del Ingenito que se empleó en los experimentos de laboratorio, en este caso todas las parcelas fueron preparadas de forma tal de obtener una concentración inicial de 3 % de hidrocarburos del petróleo. En la tabla 1 se describen las proporciones adicionadas a cada parcela. Es de destacar que las proporciones utilizadas en las parcelas antes señaladas se deben a experiencias previas de los autores (Proyecto 4304. Métodos no Convencionales de tratamientos de suelos contaminados, 2001), (Proyecto 2307. Etapa 5.2, 2002).
Tabla 1. Composición de las Parcelas a Escala de Campo
| Parcela |
Suelo Ingenito con 3 % de Hidrocarburos (g) |
Suelo limpio (g) | Nutrientes (g) |
Bagazo (g) |
|
| Urea | DAP | ||||
| Control | 106 352.11 (0.1 m3) | 53 175.89 (0.05 m3) | – | – | – |
| 1 | 106 352.11 (0.1 m3) | 53 175.89 (0.05 m3) | 135.24 | 25.92 | – |
| 2 | 106 352.11 (0.1 m3) | 53 175.89 (0.05 m3) | 135.24 | 25.92 | 3 988.2 |
En los experimentos a escala de campo se tomaron muestras mensuales para su caracterización físico- químicas y quincenales para los análisis microbiológicos durante un período de 150 días.
Para la toma de muestra de los sedimentos de la zona de la Reserva Ecológica del Ingenito, Bahía de la Habana donde, se utilizó un muestreo tipo estrella recomendado por el Dr. Itaru Okuda, (Okuda, 2002)
Para la determinación de grasas y aceites e hidrocarburos, las muestras fueron colectadas y envasadas en bolsas de nylon, se preservaron en congelación hasta su posterior procesamiento y análisis, además, 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, los cuales se realizaron a diferentes periodos de tiempo:
· Grasas y aceites e hidrocarburos totales
· Contenidos de nitrógeno total y fósforo total
· Conteo de microorganismos
· Producción de CO2 (Respirometría)
La determinación de grasas y aceites se realizó por el método de Abboud S.A, 2000 y la determinación de Hidrocarburos totales por el método APHA 5520F. La cuantificación de la fracción de hidrocarburos saturados (separada por cromatografía de adsorción en columna con alúmina neutra activada) se determinó por el método gravimétrico y la concentración de hidrocarburos saturados resueltos se determinó por cromatografía gaseosa (Journal of High Resolution Chromatography, 1999), empleando un cromatógrafo gaseoso CHROMPACK 9001 con detector FID con columna capilar DB-Petro de 50 m de largo y 0.2 mm di y las siguientes condiciones: temperatura del inyector y detector de 330 y 340 oC respectivamente; programación de temperatura isotérmica a 60 oC durante 2 min. de 60 a 330 oC a 8 oC /min.
En la determinación de la concentración de los hidrocarburos aromáticos, resinas y asfaltenos, se utilizó el método de cromatografía de adsorción en columna y posterior cuantificación de las fracciones por separado utilizando el método gravimétrico (Abboud, 2000) (Sawatzky, 1976). Estas fracciones sólo se determinaron al tiempo 150 días. Los contenidos de nitrógeno total y fósforo total se determinaron por métodos recomendados (FAO, 1975)
Desde el punto de vista microbiológico se determinó la cantidad de unidades formadoras de colonias (UFC) a las muestras de suelo, según norma ISO 4833 y la producción de CO2 (Viale e Infante, 1997)
Para el análisis microbiológico del tratamiento aplicado se tomaron 10 g de suelo y se disolvieron en 100 ml de solución salina con Tween 80 para lograr la dispersión del hidrocarburo de las partículas del suelo. Luego de ser agitada esta mezcla, se realizaron diluciones seriadas y se inoculó una porción de este en medio de agar nutriente. Pasadas las 24 horas de incubación se procedió a la lectura de las mismas (ISO 4833:1991)
Para la medición del CO2 producido se colocó un recipiente plástico conteniendo KOH (0.1 N) cubierto por otro recipiente de mayor tamaño de forma tal de evitar cualquier intercambio con el ambiente exterior. Estos permanecen durante 18 horas, tiempo en el cual el CO2 desprendido por la actividad biológica es adsorbido por el KOH, el cual es posteriormente titulado con solución de HCl (0.1 N). La diferencia entre esta valoración y la obtenida de un blanco, nos da los miligramos de CO2 producidos por m2 por hora (Viale e Infante, 1997).
Resultados y Discusión
En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos de los parámetros fundamentales medidos para el seguimiento de la efectividad del tratamiento de Biorremediación, en la misma se observa 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.
Por otra parte, se observa que las tasas de degradación en los tres casos resultaron ser elevadas para este tipo de tratamiento, obteniéndose valores entre el 48 y 57 %, resultados muy superiores al 25 % recomendado por otros autores (Infante, 2001) (Ercoli, 2001). En general, a los 150 días se obtuvo una reducción en el contenido de hidrocarburos totales de alrededor del 80 % en todos los casos, muy favorable para este tipo de tratamiento.
Es de destacar que los niveles de concentración de hidrocarburos totales en el tiempo son inferiores en los composteros 1 y 2 respecto al control, lo que indica que las condiciones aeróbicas, la humedad, la adición de nutrientes y/o de material acondicionante aceleran los procesos de degradación.
El hecho de que en la parcela Control y en los Composteros se obtuvieran resultados similares de tasas de biodegradación evidencia la presencia natural de los nutrientes necesarios en el suelo utilizado para el desarrollo de la microbiota degradadora de hidrocarburos, favoreciendo así altos niveles poblacionales de ésta.
La figura 4 muestra la variación de los niveles de concentración de hidrocarburos totales reportados. Las curvas muestran una disminución de la concentración de hidrocarburos totales en el tiempo para las parcelas analizadas.
Figura 4. Variación de la Concentración de H/C totales del Petróleo en el tiempo
Tabla 2. Resultados del seguimiento del tratamiento
|
Tiempo (días) |
H/C Totales del petróleo (mg/kg) |
Tasa de degradación (%) |
Nitrógeno Total (mg/kg) |
Fósforo Total (mg/kg) |
| Control | ||||
| T= 0 | 25 450 | 73.0 | 142.0 | |
| T=30 | 10 790 | 57.60 | 142.0 | 107.8 |
| T=60 | 10 300 | 59.63 | 127.6 | 107.7 |
| T=120 | 6 440 | 74.69 | 88.3 | 82.5 |
| T=150 | 5 060 | 80.12 | 70.5 | 75.0 |
| Parcela 1 | ||||
| T= 0 | 18 810 | 102 | 139.0 | |
| T=30 | 9 780 | 48.00 | 117.1 | 129.5 |
| T=60 | 6 770 | 64.01 | 97.8 | 102.3 |
| T=120 | 5 570 | 70.39 | 80.5 | 77.1 |
| T=150 | 2 660 | 75.28 | 73.5 | 71.0 |
| Parcela 2 | ||||
| T= 0 | 23 740 | 218.0 | 141.0 | |
| T=30 | 10 650 | 55.14 | 198.4 | 147.0 |
| T=60 | 6 740 | 71.61 | 135.1 | 106.2 |
| T=120 | 6 650 | 71.99 | 87.7 | 73.5 |
| T =150 | 2 910 | 80.37 | 65.3 | 69.4 |
La tabla 3 muestra los niveles de concentración de grasas y aceites y de los componentes del petróleo total extraído de las muestras de suelo de los experimentos montados a t = 150 (saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos).
Tabla 3. Niveles de concentración de grasas y aceites, fracciones de hidrocarburos del petróleo y sustancias relacionadas, expresados en mg/kg
| Tiempo(días) | Grasas y Aceites | H/C Saturados | H/C Saturados Resueltos | H/C Aromáticos | Resinas | Asfaltenos |
| Control | ||||||
| T = 0 | 43 870 | 10 500 | 680 | – | – | – |
| T=30 | 26 520 | 6 170 | 310 | – | – | – |
| T=60 | 43 070 | 7 360 | 320 | – | – | – |
| T=120 | 22 340 | 3 540 | 270 | – | – | – |
| T=150 | 21 560 | 2 940 | – | 2 120 | 4 980 | 10 450 |
| Parcela 1 | ||||||
| T = 0 | 31 940 | 8 550 | 520 | – | – | – |
| T =30 | 28 720 | 6 030 | 300 | – | – | – |
| T=60 | 29 230 | 4 900 | 210 | – | – | – |
| T=120 | 20 940 | 3 200 | 260 | – | – | – |
| T=150 | 18 040 | 2 660 | – | 1 990 | 4 650 | 8 240 |
| Parcela 2 | ||||||
| T = 0 | 47 550 | 10 680 | 570 | – | – | – |
| T =30 | 27 750 | 5 580 | 280 | – | – | – |
| T=60 | 30 940 | 4 530 | 200 | – | – | – |
| T=120 | 20 760 | 3 970 | 320 | – | – | – |
| T=150 | 18 630 | 2 910 | – | 1 750 | 4 590 | 7 600 |
Los valores obtenidos de grasas y aceites a t =0 son significativamente elevados (3,1 – 4,7 %), de éstos, más del 50 % corresponde a los hidrocarburos totales del petróleo (ver tabla 2), que son considerados biodegradables, el resto corresponde a las fracciones más pesadas del petróleo, resistente a la biodegradación. A los 150 días, las fracciones de resinas y asfaltenos en las parcelas alcanzan más del 72 % del petróleo total extraído en las muestras de suelos.
Como se observa, existe 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 degradado del petróleo contaminante.
Comportamiento de las Poblaciones Microbianas
En la tabla 4 se exponen los resultados de las cargas microbianas encontradas en diferentes tiempos y variantes de tratamiento al 1 %, encontrándose concentraciones del orden entre 105 y 108, niveles aceptables para el desarrollo de los procesos biodegradativos, observándose un aumento en el tiempo, casi de forma regular, en todos los casos.
Tabla 4. Conteo de microorganismos, expresado en UFC/g de suelo
| 0 días | 7dias | 14dias | 28dias | 45dias | 60dias | 90dias | 120días | 150días | |
| Control | 2.93×106 | 4.44×106 | 1.37×107 | 6.57×106 | 5.55×107 | 7.8×107 | 2.6×107 | 8.08×106 | 4.84×106 |
| 1 | 7.67×106 | 6.56×106 | 8.99×106 | 1.06×107 | 7.77×107 | 2.18×107 | 2.23×107 | 1.97×107 | 1.56×107 |
| 2 | 1.18×107 | 1.41×107 | 1.02×107 | 7.38×106 | 1.33×108 | 9.44×107 | 1.82×106 | 9.59×106 | 6.66×106 |
En la figura 5 se observa la variación del CO2 en el tiempo. 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. Se logran los valores máximos para el Compostero 2 en el que se adicionaron material acondicionante y nutrientes, en orden decreciente le siguen el Compostero 1 y por último el Control, evidenciando una mayor actividad biológica en los Composteros 1y 2.
Figura 5. Variación de la Producción de CO2 en el tiempo
Conclusiones
1. Se logró reducir las concentraciones de Hidrocarburos Totales del Petróleo con la aireación y humectación periódica de los parcelas.
2. Las mayores tasas de biodegradación se obtienen cuando se combinó la utilización de material acondicionante y nutrientes
3. Las Concentraciones de microorganismos se mantuvo en todos los tratamientos durante el periodo analizado entre 106 y 10 8 UFC/g de suelo.
4. Los experimentos de Campo utilizando el suelo impactado del área del Ingenito evidenciaron la presencia natural de nutrientes necesarias para el desarrollo de la microbiota degradadora de hidrocarburos.
Recomendaciones
· Tratar el sedimento de la Reserva Ecológica del Ingenito mezclando éste con suelo limpio hasta obtener una concentración de hidrocarburos del 3 %. www.EcoPortal.net
* MSc José Alfonso Álvarez González, Lic Esther Ramos Padrón Lic Ana Núñez Clemente, Dr. Miguel A. Díaz Díaz, Téc. Gisela Novoa Rodríguez, Lic. Sandra Miller Palmer
Centro de Investigaciones del Petróleo
Washington # 169, Cerro, Ciudad de la Habana, Cuba.
Bibliografía
1. Abboud, S.A. Comunicación Personal. Alberta Research Council. Canadá, 2000.
2. Álvarez, J. A, E. Ramos, B. Fernández, A. Núñez. Gestión de residuos sólidos petrolizados. Petróleo Internacional (en imprenta), EUA, 2001.
3. Álvarez, J. A, E. Ramos. P2307, Impacto ambiental ocasionado por la actividad petrolífera en Cuba y sus soluciones tecnológicas, Etapa 5.2 CUPET. C. Habana, 2002.
4. Belloso Claudio. XXVI Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Biodegradación de Suelos Contenidos en Terrarios. 1998
5. Cursi, E.; Calleja, C. Biorremediación de suelos contaminados con Hidrocarburos. U.E. Mendoza, Argentina, 2000
6. Ercoli, E. y otros. Análisis y evaluación de parámetros críticos en biodegradación de HC en suelos. Univ. Nac. de Cuyo, Argentina, 2001.
7. Ercoli, E.C.y otros. Biorremediación de suelos altamente contaminados. INGEPET 99, Lima, Perú, 1999.
8. Ercoli E. y otros , Total petroleum hydrocarbon monitoring in biodegradation of weathered crude oily residues. Univ. Nac. de Cuyo, Argentina, 2001
9. FAO. Manual of Methods in Aquatic Environment Research. Part 1. Methods for obtention measurement and monitoring of water pollution. FAO. Fish. Tech. Pap. 137, 1975.
10. Infante, C. Comunicación Personal, 2001
11. ISO 4833:1991 (E). Microbiology-general guidance for the enumeration of micro organism colony count technique at 30 ° C. (1991)
12. Journal of High Resolution Chromatography. Vol. 22, No. 12 , pp 683 – 86, 1999
13. Norma Cubana NC 28016 Determinación de Fósforo Total. 1983.
14. Okuda, I. Comunicación Personal, 2002
15. Ramos, E , Álvarez JA, Casal, A. Proyecto 4304. Informe Final. Aplicación de métodos no convencionales en el saneamiento de la Bahía de la Habana, La Habana, 2001.
16. Saracino, C.; Ercoli·, E.;Gálvez·, J.; Videla, O..Evaluación de dos años de experiencias de campo en Biorremediación de suelos. Universidad de Cuyo, Argentina, 2001
17. Sawatzky, H, Albert, E et al. Hydrocarbon type separation of heavy petroleum fractions. Vol. 55,16, Canada, 1976
18. Viale, R. e Infante, C. Protocolo para medir producción de CO2 en suelo. Documento Técnico. INTEVEP. INT- STE – 0966.97. 1997.
ANEXO
Figura 1. Control
Figura 2 Parcela 1
Figura 3 Parcela 2
