Contaminación

Biorremediación de Sedimentos Marinos

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; El seguimiento de los tratamientos se realizó mediante análisis químicos y microbiológicos utilizando técnicas valorimétricas, gravimétricas y espetrofotométricas.

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

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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


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