Lección 36. Introducción
La bioestimulación así como la bioaumentación son métodos de bioremediación que implican la circulación de oxígeno a través del suelo contaminado, para mejorar la biodegradación de contaminantes orgánicos o la inmovilización de contaminantes inorgánicos (Van Deuren, Wang, & Ledbetter, 1997). En muchos trabajos se requiere que ambos métodos sean utilizados de forma simultánea o intercalada, brindando los mejores resultados de degradación de contaminantes, sin embargo hay situaciones en donde solo uno de ellos es necesario o adecuado para descontaminar el suelo o agua.
En actividades como el compostaje es una de estas situaciones particulares, donde se adicionan los contaminantes a degradar en conjunto con el suelo, sustrato vegetal o materia orgánica, cal, lo que constituye una bioestimulación, pero adicionalmente se adicionan mezclas de microorganismos con el potencial de poder degradar los contaminantes agregados, por lo tanto se está haciendo bioaumentación. En este caso es necesario realizar ambos procesos para que se realice el compostaje, la diferencia radica en los microorganismos utilizados, los cuales pueden ser generalistas o adicionados con aislamientos especializados en la degradación de los contaminantes agregados.
Otro caso muy común es el landfarming o labranza del terreno, en la cual lo más común es el arado del suelo con el fin de brindar oxígeno a la flora autóctona del suelo, en algunas ocasiones con retroexcavadoras para hacer una labor mas profunda, en este caso se puede hablar de una bioestimulación, sin embargo se encuentran reportes en literatura donde para mejorar el proceso se adicionan nutrientes como N y P al suelo con el fin de estimular la degradación de los contaminantes por la flora nativa. Actualmente con miras a mejorar el proceso se ha optado por dos alternativas para la adición de microorganismos, la primera es obtener los organismos nativos y cultivar aquellos que presenten el potencial de degradación, o la segunda es agregar microorganismos alóctonos con capacidad reconocida de degradación de los contaminantes; cualquiera sea el caso se procura hacer la bioaumentación con el fin de acelerar o mejorar los procesos biodegradativos.
En el capítulo 9 referente a la bioaumentación se hará más énfasis en los procesos de compostaje y labranza de terreno “landfarming”, dando lugar a que en el presente capítulo se haga énfasis en algunos procesos más específicos de aplicación de la técnica de bioestimulación.
La bioestimulación es un método de bioremediación in-situ, que implica la circulación de soluciones acuosas que contengan nutrientes y/o oxígeno a través del suelo contaminado,
135 para estimular la actividad de los microorganismos autóctonos y mejorar asi la biodegradación de contaminantes orgánicos o la inmovilización de contaminantes inorgánicos in-situ (Van Deuren et al., 1997).
La bioestimulación no es un método recomendable para suelos arcillosos, altamente estratificados o demasiado heterogéneos, ya que pueden provocar limitaciones en la transferencia de O2. Otros factores que pueden limitar su aplicación, incluyen:
a) Que el tipo de suelo no favorezca el crecimiento microbiano. b) El incremento en la movilidad de los contaminantes.
c) La obstrucción en los pozos de inyección provocada por el crecimiento microbiano. La bioestimulación puede favorecer que los procesos se realicen de forma más acelerada que con otros métodos de bioremediación como la atenuación natural, de tal forma que en periodos prolongados los resultados pueden ser los mismos con diferentes procedimientos, haciendo que la bioestimulación haga más rapidos los procesos como se ha demostrado por V. Vallejo, Salgado, & Roldan, (2005) con los hidrocarburos totales de petróleo, en un estudio realizado en la Universidad Javeriana sede Bogotá.
La bioaumentación también se ha usado con éxito para remediar suelos contaminados con gasolinas, Compuestos Orgánicos Volátiles, Compuestos Orgánicos Solubles y pesticidas (Alexander, 1994); incluso estudios a escala piloto, han mostrado la biodegradación de suelos contaminados con desechos de municiones. También se ha demostrado su eficiencia en el tratamiento de aguas subterráneas contaminadas con hidrocarburos, derivados de petróleo, pesticidas, disolventes, conservantes de la madera y otros químicos contaminantes.
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Lección 37. Parámetros de diseño
La bioestimulación requiere para su diseño los siguientes estudios iniciales:
A. Caracterización general del área: Comprende entre otros la topografía, hidrogeología, las características climáticas, características edáficas del suelo, características microbiológicas, procedencia y composición del residuo. La entrega de nutrientes depende de las características hidrogeológicas del terreno: Terrenos compactos, rocosos, impermeables así como fracturas en la superficie disminuyen distribución de nutrientes. B. Caracterización fisicoquímica y edafológica del suelo: Los parámetros edáficos que determinan y condicionan la elección de un suelo para landfarming son la textura, estructura, pH, temperatura, porosidad, velocidad de percolación, capacidad de retención de agua, infiltración, contenido de oxígeno, contenido de macro y micronutrientes, y humedad (María Graciela Pozzo Ardizzi, Ferrari, & Calderón, 2010).
C. Caracterización microbiológica: Se debe estudiar la compatibilidad residuo-población microbiana autóctona.
1) Microorganismos nativos con el hidrocarburo como única fuente de carbono. 2) Microorganismos alóctonos de suelos empetrolados, en medio mínimo y con gasoil como única fuente de carbono.
3) Microorganismos de preparación comercial (alóctonos), en medio mínimo y con gasoil como única fuente de carbono.
4) Microorganismos nativos, en medio mínimo y con emulsión inversa pura como única fuente de carbono.
5) Microorganismos nativos con medio mínimo desarrollado con agua extraída del pozo y gasoil como fuente de carbono.
6) Microorganismos nativos, en medio mínimo desarrollado con agua destilada y con gasoil como fuente de carbono.
D. Monitoreo y evaluación del biotratamiento:
1) El seguimiento, control y eficiencia del laboreo mecánico permiten visualizar en escala macroscópica la marcha del bioproceso.
2) El registro de parámetros climáticos, ayuda a la toma de decisiones respecto a ciertas acciones de manejo, por ejemplo frecuencias a intensidades de riego. 3) Los resultados de las pruebas fisicoquímicas y microbiológicas que se obtienen en los monitoreos, reflejan en escala microscópica la eficiencia del laboreo y permiten corregir acciones.
El plan de monitoreo debe realizarse respecto al sistema suelo- microorganismos – residuo:
137 a) Seguimiento superficial del bioproceso, es decir en el sector de suelo de los primeros 20 a 30cm, donde se realiza el tratamiento biológico del residuo.
b) Seguimiento del proceso en el perfil del suelo.
E. Modificación del ambiente para estimular el crecimiento o la actividad de bacterias ya existentes: la adición de nutrientes y aceptores de electrones (fósforo, nitrógeno, oxígeno o carbono) por medio de una inyección de aire en forma de burbujas o como peróxido de hidrogeno soluble.
En los lugares de clima frio donde la temperatura del agua es baja, el uso de calefactores sobre el terreno ayuda a aumentar la temperatura del suelo y la tasa de degradación. Cuando la fuente de contaminación es profunda o cuanto la contaminación no solo es superficial sino principalmente a unos cuantos metros de la superficie del suelo, las consideraciones anteriores tienen ciertos cambios.
En algunos casos la mayor parte del residuo de hidrocarburos en el sitio contaminado se encuentra en la zona vadosa del suelo, en el margen de capilaridad e inmediatamente por debajo de la tabla de agua, en estas circunstancias el aire a presión se inyecta por debajo de la tabla de agua y a medida que va llenando los poros desplaza el agua de la matriz del suelo y con ella los contaminantes (Figura 39), proceso que generalmente es conocido como bioventeo. Los compuestos que presentan baja presión de vapor difícilmente se volatilizan por lo que su desaparición se le atribuye a la biodegradación incentivada por el bioventeo. El proceso de bioventeo estimula la actividad biológica in-situ y promueve la biorremediación (Manacorda & Cuadros, 2005).
Figura 39. Proceso de bioremediación in-situ de agua y suelo. http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c4-3-2-2.html
138 Generalmente debe ser aplicado en zonas vadosas y es aplicado para aquellos químicos que son biodegradados aeróbicamente, aunque en principio se ha utilizado para sitios contaminados con petróleo. Es uno de los métodos considerado de mayor costo-beneficio para la remediación de la zona vadosa.
El excesivo calcio, magnesio o hierro en el agua subterránea puede reaccionar con el fosfato, el cual es suministrado como un nutriente en la forma de tripolifosfato, o con el dióxido de carbono (producido por los microorganismos en la respiración aeróbica). Los productos de estas reacciones pueden afectar negativamente la operación de un sistema de biorremediación in-situ. Cuando el calcio, magnesio o hierro reaccionan con el fosfato o el CO2, se forma sarro o cristalina precipitada; produciendo una compresión en los canales de flujo, pudiendo dañar los equipos (por ej: pozos de inyección). Además los precipitados de fosfatos de calcio o de magnesio unidos a compuestos fosforados no se encuentran disponibles por los microorganismos para ser usados como nutrientes (Manacorda & Cuadros, 2005).
El oxígeno introducido como aceptor de electrones, puede reaccionar disolviendo el Fe(II) a una forma insoluble del mismo (oxido férrico), este precipitado puede ser dispuesto en el flujo de canales del acuífero, reduciendo su permeabilidad y dejando pozos de inyección inoperables; entonces, el manejo de O2, nutrientes y régimen de agua es fundamental para contener hidráulicamente a la zona contaminada y prevenir la migración de contaminantes móviles o de metabolitos potencialmente tóxicos fuera del sistema.
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Lección 38. Funcionamiento
Como funciona la bioestimulacion? Básicamente es la aplicación de oxígeno y los nutrientes necesarios para la que la microbiota funcione mejor que procesos como la atenuación natural monitoreada. Pero la conveniencia de aplicación de éstos depende de una evaluación previa de las condiciones del sistema, en donde se determina los principales contaminantes y su concentración, la presencia de microorganismos con la capacidad degradadora de estos contaminantes y su concentración en el sustrato, la presencia de los nutrientes básicos para su crecimiento y las proporciones de éstos con respecto al contaminante, los niveles de oxígeno en el sustrato contaminado y finalmente la actividad biodegradadora in-situ, dadas las condiciones actuales del sistema.
Para realizar la bioestimulación se deben seguir los siguientes pasos:
1) Realizar un estudio para determinar si la adición de nutrientes es la tecnología apropiada para el vertido y la zona, si lo es, entonces.
2) Aplicación de nutrientes.
3) Realizar estudios adicionales para evaluar las técnicas de aplicación de nutrientes.
4) Poner en marcha un programa de larga duración para monitorizar la zona tratada.
5) Evaluar el potencial de utilización de microorganismos en la zona.
Por lo general se usan nutrientes aplicados de liberación lenta, solubles en agua aplicados en forma de briquetas y granulares o con aspersores y con nutrientes oleofilicos liquidos. Uno de los ejemplos exitosos mas conocidos de bioaumentación sucedió en las playas de Alaska con la empresa EXXON VALDEZ, los cuales tuvieron en en 1989 una catástrofe ambiental por vertimiento de hidrocarburos en 470 millas de playa y la tecnología mas apropiada fue la aplicación de nutrientes en 110 de éstas (Figura 40). Como resultado se obtuvo un incremento en la velocidad de biodegradación entre 2 y 4 veces, adicionalmente se evaluó el potencial de la utilización de microoganismos a esas playas para favorecer la biodegradación (Chau, 2003).
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) determinó que el método mas práctico para estas playas era la aplicación de nutrientes oleofílicos (superficial) y granulares de liberación lenta (superficial + sub-superficial)(Chau, 2003).
140 Figura 40. Localización geográfica del vertimiento EXXON VALDEZ en Alaska y foto del proceso de bioremediación.
En el trabajo de Arrieta Ramírez (2011) con bacterias heterótrofas e hidrocarbonoclastas se ha encontrado que bacterias como Enterobacter sp, Bacillus sp, Staphylococcus aureus, Sanguibacter soli, Arthrobacter sp y Flavobacterium sp. se encuentran entre las responsables de los procesos de degradación de hidrocarburos en procesos de bioestimulación.
En estudios de laboratorio desarrollados por Gómez, Gaviria, & Cardona (2009) se ha podido confirmar la mayor eficiencia (7.66%) de la bioestimulación con respecto a la atenucación natural, en aspectos como cantidad de hidrocarburos degradados y tiempos de acción, sin embargo los resultados son similares a los obtenidos con procesos de bioaumentacion. En el estudio de Gómez et al. (2009), tanto para el tratamiento de atenuación natural como de bioestimulación la población microbial decrece después de la séptima semana, comportamiento que fue similar al encontrado por Menéndez et al. (2007) después de 4 meses.
Finalmente un área que está tomando fuerza es el uso de algas para procesos de bioremediación en casos específicos a cambio de hongos y bacterias; en un trabajo de laboratorio desarrollado por Aguirre Ramírez et al. (2007), se evaluó el efecto de diferentes concentraciones de nitrógeno y fósforo sobre las poblaciones de Chlorella vulgaris, un alga bioremediadora. Se encontró que para una proporción de N:P de 46,67:1, correspondiente al 200% del control de nitrógeno (8,4 mg/L N) se presentó inhibición, mientras para una proporción de N:P de 11,67:1, correspondiente al 200% del control de fósforo (0,36 mg/L P) se presentó estimulación. Este contraste implica que el fósforo es el nutriente limitante, sin embargo, el fósforo no debe ser analizado independientemente; su estudio debe ser realizado en términos de la relación estequiométrica con respecto a la concentración del nitrógeno; por lo tanto, al aumentar estequiométricamente el
141 nitrógeno la concentración el fósforo se hace limitante; es por ello que existe una inhibición en el crecimiento de la población cuando la relación N:P estequiométricamente favorece al nitrógeno; a su vez, cuando la cantidad de fósforo es mayor su condición no es limitante puesto que proporcionalmente la relación N:P favorece en este caso a dicho nutriente y en consecuencia la tasa de crecimiento poblacional aumenta. A pesar de que en la naturaleza el fósforo es considerado el nutriente más limitante, las concentraciones de nitrógeno deben conservar una proporción mayor en relación al fósforo.
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Lección 39. Posibles costos.
Los costos de la bioestimulación son bajos comparados con otros métodos de remediación usados para el tratamiento de vertimiento de hidrocarburos, pero son un tratamiento a largo plazo, que puede llevar muchos años para su completo funcionamiento.
Son muy escasos los reportes donde se de una información clara acerca de los costos de diferentes casos exitosos de bioremediación por medio de bioestimulación (Olguin et al., 2007), sin embargo todos ellos coinciden en mencionar que es una de las alternativas más económicas que pueden existir dentro de todas las técnicas de bioremediación in-situ (Arrieta Ramírez, 2011; Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).
La naturaleza y profundidad de los contaminantes y el uso de bioaumentación puede aumentar los costos (Van Deuren et al., 1997). Cuando la contaminación se realiza en suelos permeables, la filtración de los contaminantes pueden constituir un gran problema debido al incremento de los costos por el movimiento de tierra requerido (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009). También es importante considerar los costos implicados en la selección y aplicación de los nutrientes apropiados; después de la evaluación de los contaminantes se procede a seleccionar los aislamientos más promisorios para la degradación y a la selección de los nutrientes y cantidades adecuadas para agregar al suelo y promover el crecimiento microbiano. Sin embargo no es suficiente con agregar nutrientes y esperar a que estimulen el crecimiento, también se requiere de una dosificación permanente y mantener las condiciones de aireación, o bien la adición de estos fertilizantes por mecanismos de lenta liberación, todo dependiente del contaminante y de las condiciones del terreno donde se ha producido la contaminación. No es lo mismo agregar fertilizantes inorgánicos compuestos (FIC) que sales inorgánicas simples (SIS). El FIC es de fácil aplicación, bajo costo y, por ser un fertilizante de liberación lenta, aporta los nutrientes en forma gradual y continua, a una tasa ajustada a las necesidades de los microorganismos. Sin embargo, su presentación en forma de gránulos secos en algunos casos dificulta su distribución uniforme y la homogenización en el suelo. Por el contrario, aunque las SIS se disuelven más rápidamente en el agua, son más costosas y aportan una baja cantidad de fósforo, el cual se consume rápidamente por los microorganismos degradadores al inicio de la biodegradación (V. Vallejo et al., 2005). De acuerdo al estudio realizado en la costa da Morte en una playa de sobre la costa del Golfo de Alaska, se aplicaron nutrientes a 110 millas de playa contaminada, el costo de la bioestimulación oscila entre 30 y 100 dólares/m3. En la bioremediación usada el tratamiento de bioestimulación fue económico, tras comparar el gasto de 12.000 euros por 500m de costa limpiados, frente al millón de euros necesarios en la catástrofe del Exxon Valdez para la limpieza física de cada kilómetro de litoral.
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Lección 40. Parámetros de monitoreo y seguimiento.
Desde un principio y a lo largo de todo el proceso es necesario realizar el seguimiento a algunos parámetros que se dividen en dos categorías:
a. Análisis fisicoquímico de suelos y aguas. Toma de muestras de suelos, calidad del suelo, contenido de hidrocarburos, cromatografía separativa fase sólido-líquido, cromatografía gaseosa, pH por potenciometria, conductividad eléctrica, humedad, gravimetría, capacidad de retención de agua, nitrógeno total, carbono orgánico y total, fosforo asimilable, metales alcalinos y metales pesados.
b. Análisis microbiológicos. Toma de muestras, manejo y almacenamiento para ensayos con microorganismos aeróbicos, población heterótrofa total, población hidrocarburolitica.
Los datos microbiológicos obtenidos en los monitoreos temporales y espaciales de los suelos del biotratamiento, graficados en función de la concentración de hidrocarburos totales permiten el seguimiento global del biotratamiento. Estos gráficos permiten visualizar cuando un bioproceso llega a un estado estacionario, donde tanto la población hidrocarburolitica como la concentración de HTP remanente permanecen casi constantes. (Eusebi, Sosa, Altamirano, & Pozzo Ardizzi, 1998; M. G. Pozzo Ardizzi, 1998).
Se pueden medir variables como humedad, temperatura, pH y potencial redox, pruebas de respirometria para cuantificar el CO2 producido y asi evaluar la actividad metabólica de los microorganismos del suelo durante el proceso de degradación del diesel. Los resultados muestran que el tratamiento de bioestimulación es el mas eficiente en la remoción de hidrocarburos totales de petróleo (Arrieta Ramírez, 2011).
El pH es uno de los parámetros que mas variaciones registra pues favorece el desarrollo de los microorganismos degradadores (Arrieta Ramírez, 2011). Esto puede deberse a la adicion de nutrientes que estimula el crecimiento de microorganismos aumentando la biomasa y generando incrementos de pH; el descenso de pH observable aproximadamente después de la decima semana se deben a que la cantidad de oxígeno en el medio disminuye, presentándose incluso condiciones anóxicas, aumentando la cantidad de CO2 en el medio.
La humedad debe mantenerse alrededor del 25%, cuando se observa exceso de agua en el microcosmos, el suelo se torna pantanoso y puede interferir en el transporte de oxígeno en el medio. La aireación en el medio favorece la degradación del hidrocarburo por volatilización, facilitando la migración de la fase volátil de los contaminantes, y por biodegradación, ya que al incrementar la oxigenación del suelo se va a estimular la actividad bacteriana.
144 La temperatura influye en la velocidad de degradación de los hidrocarburos, las temperaturas más adecuadas para un óptimo proceso de bioremediación se encuentran entre 20ºC y 40ºC.
Los suelos contaminados con una población de microorganismos heterotróficos superior a 1000 UFC/g suelo (Troy, 1994), indica que puede llevarse a cabo la degradación de hidrocarburos mediante el uso de la bioestimulación (Arrieta Ramírez, 2011).
Los procedimientos para valorar variables físico-químicas y baceriológicas están definidos según normas, lo que garantiza que siempre van a medirse de la misma manera y no van a diverger en los valores obtenidos, estas normas según María Graciela Pozzo Ardizzi et al. (2010) son:
Normas ASTM D 5745 –95 Standard Guide for Developing and Implementing Short Terms Measures or Early Actions for Site Remediation.
Análisis fisicoquímicos de suelos y aguas:
Guía de diseño para toma de muestras en suelos, según Norma IRAM 29481-1; ISO-DIS 10381-1: 1993. Soil quality.
Toma de muestras de suelos, según Norma IRAM 29481-2; ISO-DIS 10381- 2: 1993