Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey
Lic. Arturo Azuara Flores:
Director de Asesoría Legal del Sistema
Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra titulada"
", en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de EL INSTITUTO.
El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas anteriormente de la obra.
De la misma manera, desligo de toda responsabilidad a EL INSTITUTO por cualquier violación a los derechos de autor y propiedad intelectual que cometa el suscrito frente a terceros.
Nombre y Firma AUTOR (A)
Estudio de Bioremediación de un Suelo Contaminado con
Hidrocarburos
Title Estudio de Bioremediación de un Suelo Contaminado con Hidrocarburos
Abstract La revolución industrial trajo consigo grandes ganancias económicas. La rápida industrialización ha dejado cielos grises, ambientes ruidosos e inseguros y ha comprometido severamente las condiciones de la vida. Tomó tres
generaciones hasta el primer esfuerzo concreto para tener la contaminación bajo control. La tecnología es un arma de dos filos, uno capaz de hacer y deshacer el daño a la calidad ambiental. (Austin y Macauley, 2001). Los problemás de contaminación de suelos y aguas
subterráneas a gran escala son consecuencia directa del desarrollo de la moderna sociedad industrializada. La producción de residuos está relacionada con casi todos los aspectos de la vida moderna. Las industrias
transformadoras de materias primás precisan de la extracción y procesamiento de recursos naturales, como minerales, productos forestales y petróleo. La extracción y el tratamiento de recursos, en general, dan lugar a la producción de grandes cantidades de materiales residuales. Los emplazamientos de extracción abandonados muchas veces se convierten en focos de contaminación a gran escala (Levin y Gealt, 1999). Los grandes volÚmenes de contaminantes que habitualmente penetran en el terreno lo hacen desde depósitos subterráneos, vertederos y rellenos que sufren pérdidas. Antes de 1970, existían pocos
controles sobre el diseño y funcionamiento de los rellenos de residuos. La normatividad vigente establece criterios de diseño de pantallas impermeables, distancias hasta las aguas subterráneas y control de fugas, aunque miles de las antiguas localizaciones, no tan bien diseñadas y
controladas aun existen. Pequeñas cantidades de
contaminantes tóxicos pueden inutilizar grandes cantidades de agua y suelo. En el caso de fugas en depósitos de
subterráneo. Los vertidos de aceite de motor en suelos debido al manejo inadecuado del mismo, son tan frecuentes como las fugas de gasolina. El principal foco de
contaminación se produce como consecuencia de los accidentes ocasionados durante el transporte del petróleo (Eweis, et all, 1999). El desarrollo económico en México favoreció la concentración territorial de la industria. Hasta 1970 no se aplicó ningÚn criterio ambiental para su desarrollo, aunque había indicios de impactos crecientes sobre la contaminación atmosférica y la generación de residuos. El resultado de una política de bajos precios de petróleo propició su uso intensivo y, con ello, un
crecimiento de la demanda energética más acelerada. En la segunda parte de la década de los 70´s, la reestructuración productiva de la industria se modificó debido al
crecimiento petrolero. La petroquímica básica se convirtió en la actividad con mayor contribución a la contaminación, también la producción de fibras sintéticas, resinas,
fertilizantes, plásticos, pinturas y pigmentos, y gases industriales que pasaron a ser las actividades más
relevantes por su impacto potencial al ambiente (Quadri, 1994). En México, la industria petrolera en su conjunto ha tenido un gran impacto negativo en materia ambiental. Por la amplia gama de productos derivados del petróleo, no ha sido posible evaluar cuantitativamente la contaminación involucrada desde la fase de explotación hasta la obtención de los petroquímicos básicos El suelo y subsuelo
constituyen un recurso natural difícilmente renovable que desempeña funciones entre las que destaca su papel como medio filtrante durante la recarga del manto acuífero y la protección de los mismos, también están integrados al escenario donde ocurren los ciclos biogeoquímicos, hidrológicos y las redes tróficas, además de ser el espacio donde se realizan las actividades agrícolas, ganaderas y soporte de la vegetación Durante mucho tiempo y hasta hace poco, nadie se preocupaba por el destino de los residuos generados, dando por hecho que la naturaleza limpiaba el ambiente, pero segÚn fue cambiando la
extracción del petróleo no se considera el bienestar del ambiente, lo que ha contribuido a la degradación del aire, agua y suelo. En México se ha realizado poca investigación sobre este Último, en comparación al aire y agua referente a estudios de contaminación, por lo que es necesario llevar a cabo estudios para conocer el estado actual de los suelos cercanos a zonas industriales y urbanas, indispensables para el uso adecuado y conservación de éstos. La industria petroquímica en México se ha desarrollado
aceleradamente. Sin embargo, su expansión y desarrollo ha dado origen a graves problemás ambientales, derivados de emergencias ambientales, con graves repercusiones a la salud de la población y al equilibrio ecológico de los ecosistemás (Quadri, 1994; PROFEPA, 2000). Entre las causas que han generado este deterioro ambiental por la contaminación de cuerpos de agua y suelos a lo largo de todo el país, se encuentran las siguientes: (i) manejo inadecuado y abandono de materiales y residuos
peligrosos; (ii) mantenimiento inadecuado o falta de éste en instalaciones petroleras; (iii) explosiones en instalaciones de alto riesgo; (iv) fugas en líneas de conducción; (v) derrames de hidrocarburos (CENAPRED, 2001; PROFEPA, 2002). Debido a la problemática señalada anteriormente, tanto en México como en otros países, los gobiernos y sus dependencias se han dado a la labor de promover y en otras ocasiones de exigir la restauración de todos y cada uno de los sitios que han sido impactados por algÚn tipo de contaminante. Cómo determinar que tipo de tratamiento utilizar, de la amplia gama de alternativas que se tiene, y más aÚn, que condiciones se deben presentar que garanticen la eficiencia tanto en costo como en tiempo del método implementado. El tratamiento por
bioremediación o tratamiento microbiológico aumentado de ambientes contaminados con una variedad de
compuestos orgánicos e inorgánicos, es una de las más efectivas e innovadoras tecnologías de este siglo.
Discipline Ingeniería y Ciencias Aplicadas / Engineering & Applied Sciences
Item type Tesis
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Ingeniería y Arquitectura
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Campus Monterrey
Rights Open Access
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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES
DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
ESTUDIO DE BIOREMEDIACIÓN DE UN SUELO
CONTAMINADO CON HIDROCARBUROS
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL
GRADO ACADEMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS
ESPECIALIDAD EN SISTEMAS AMBIENTALES
POR:
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
Los miembros del comité de tesis recomiendan que la presente tesis presentada por el Ing.
Juan Manuel Anaya Curiel sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado
académico de Maestro en Ciencias en Sistemas Ambientales con especialidad en:
INGENIERÍA AMBIENTAL
Comité de tesis
APROBADO
Enrique Ortiz Nadal, Ph. D. Asesor
Jorge H. García Orozco, Ph D. Sinodal
Federico Viramontes Brown, Ph. D
Director del programa de Graduados en Ingeniería
ÍNDICE GENERAL
1. INTRODUCCIÓN... 8
1.1 Antecedentes... 8
1.2 Definición del problema ... 12
1.3 Justificación ... 13
1.4 Marco Teórico ... 14
1.4.1 Bioremediación...14
1.4.2 Factores que afectan la biodegradación...16
1.4.3 Bioaumentación ...20
1.4.4 Composición del Petróleo...22
1.4.5 Vías Metabólicas de degradación de los Hidrocarburos del Petróleo ...24
1.4.6 Biodisponibilidad de los Hidrocarburos ...27
1.5 Objetivo ... 30
1.5.1 Objetivo General ...30
1.5.2 Objetivos Específicos ...30
1.6 Hipótesis ... 31
1.7 Alcances ... 31
2. METODOLOGÍA... 32
2.1 Selección de la Muestra... 32
2.2 Diseño Experimental ... 32
2.3 Monitoreo y seguimiento experimental... 35
2.3.1 Textura... 35
2.3.2 Contenido de Humedad ... 35
2.3.3 Temperatura... 36
2.3.4 pH ... 36
2.3.5 Tasa de respiración en suelo... 36
2.3.6 Cinética de degradación de los hidrocarburos... 37
2.3.7 Determinación de TPH’s por el método EPA 8015B... 39
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 40
3.1 Textura... 41
3.2 Contenido de Humedad ... 42
3.3 Temperatura... 44
3.4 Tasa de respiración ... 45
3.5 Cinética de degradación de los hidrocarburos... 47
3.5.1 Resultados de la cromatografía de gases ... 54
5. RECOMENDACIONES ... 59
6. Referencia Bibliográfica... 60
ANEXO A. REPORTE FOTOGRÁFICO... 66
ANEXO B. DATOS EXPERIMENTALES... 70
ANEXO C. FACTOR DE CORRECCIÓN... 79
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Fracciones del Petróleo.... 23
Tabla 2.1 Modelo experimental.... 33
Tabla 3.1 Caracterización inicial de la muestra... 40
Tabla 3.2 Análisis granulométrico... 41
Tabla 3.3 Contenido de humedad gravimétrico.... 42
Tabla 3.4 Concentración de hidrocarburos totales del petróleo.... 48
Tabla 3.5 Concentración de Hidrocarburos por cromatografía de gases.... 54
Tabla B.1 Datos experimentales del experimento 1.... 70
Tabla B.2 Datos experimentales del experimento 2.... 71
Tabla B.3 Datos experimentales del experimento 3.... 72
Tabla B.4 Datos experimentales del experimento 4.... 73
Tabla B.5 Datos experimentales del experimento 5.... 74
Tabla B.6 Datos experimentales del experimento 6.... 75
Tabla B.7 Datos experimentales del experimento 7.... 76
Tabla B.8 Datos experimentales del experimento 8.... 77
Tabla B.9 Datos experimentales del experimento 9.... 78
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Compuestos constituyentes del petróleo... 22
Figura 2.1 Correlación entre la concentración de TPH’s y la absorbancia.... 39
Figura 3.1 Distribución del tamaño de partícula.... 41
Figura 3.2 Comportamiento del contenido de humedad.... 43
Figura 3.3 Temperatura ambiental.... 44
Figura 3.4 Tasa de respiración en el suelo.... 45
Figura 3.5 Tasa de respiración microbiana en la charola 9.... 46
Figura 3.6 Cinética de degradación de los hidrocarburos.... 50
Figura 3.7 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en la charola 8.... 51
Figura 3.8 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en la charola 1.... 52
Figura 3.9 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en la charola 3.... 53
Figura 3.10 Cromatogramas de gases, estándar de diesel y muestra inicial de suelo.... 55
Figura 3.11 Cromatograma de gases muestra inicial y charola 5.... 56
Figura A.1 Vista del sitio de obtención de la muestra de suelo, durante los trabajos de excavación donde se puede observar el elevado nivel de contaminación.... 66
Figura A.2 Otra vista del sitio donde se obtuvo la muestra, se puede observar el nivel freático y la presencia de hidrocarburo en fase libre.... 66
Figura A.3 Acomodo y disposición de las nueve charolas con las que contó el trabajo de experimentación en el laboratorio de Ingeniería Química del ITESM Monterrey.... 67
Figura A.4 Apariencia del suelo que contiene estiércol de vaca, visiblemente disgregado.67 Figura A.5 Apariencia del suelo después de ser mezclado y ajustado el contenido de humedad ... 68
Figura A.6 Bioreactor aereado con el cultivo bacteriano Polypetrosolve 2100.... 68
Figura A.7 Vista de la incubación del suelo durante la prueba de respiración.... 69
Figura B.1 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 1.... 70
Figura B.2 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 2.... 71
Figura B.3 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 3.... 72
Figura B.4 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 4.... 73
Figura B.5 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 5.... 74
Figura B.6 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 6.... 75
Figura B.7 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 7.... 76
Figura B.8 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 8.... 77
Figura B.9 Tasa de respiración y concentración de hidrocarburos en el experimento 9.... 78
Figura C.1 Modelo de ajuste sobre el contenido de humedad.... 80
Figura D.1 Cromatograma de muestra inicial y experimento 1.... 81
Figura D.2 Cromatograma de muestra inicial y experimento 2.... 82
Figura D.3 Cromatograma de muestra inicial y experimento 3.... 83
Figura D.4 Cromatograma de muestra inicial y experimento 4.... 84
Figura D.5 Cromatograma de muestra inicial y experimento 5.... 85
Figura D.6 Cromatograma de muestra inicial y experimento 6.... 86
Figura D.7 Cromatograma de muestra inicial y experimento 7.... 87
Figura D.8 Cromatograma de muestra inicial y experimento 8.... 88
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
La revolución industrial trajo consigo grandes ganancias económicas. La rápida
industrialización ha dejado cielos grises, ambientes ruidosos e inseguros y ha comprometido
severamente las condiciones de la vida. Tomó tres generaciones hasta el primer esfuerzo
concreto para tener la contaminación bajo control. La tecnología es un arma de dos filos, uno
capaz de hacer y deshacer el daño a la calidad ambiental. (Austin y Macauley, 2001).
Los problemas de contaminación de suelos y aguas subterráneas a gran escala son
consecuencia directa del desarrollo de la moderna sociedad industrializada. La producción de
residuos está relacionada con casi todos los aspectos de la vida moderna. Las industrias
transformadoras de materias primas precisan de la extracción y procesamiento de recursos
naturales, como minerales, productos forestales y petróleo. La extracción y el tratamiento de
recursos, en general, dan lugar a la producción de grandes cantidades de materiales residuales.
Los emplazamientos de extracción abandonados muchas veces se convierten en focos de
contaminación a gran escala (Levin y Gealt, 1999).
Los grandes volúmenes de contaminantes que habitualmente penetran en el terreno lo
hacen desde depósitos subterráneos, vertederos y rellenos que sufren pérdidas. Antes de 1970,
existían pocos controles sobre el diseño y funcionamiento de los rellenos de residuos. La
normatividad vigente establece criterios de diseño de pantallas impermeables, distancias hasta
las aguas subterráneas y control de fugas, aunque miles de las antiguas localizaciones, no tan
bien diseñadas y controladas aun existen. Pequeñas cantidades de contaminantes tóxicos
pueden inutilizar grandes cantidades de agua y suelo. En el caso de fugas en depósitos de
almacenamiento subterráneos y líneas de conducción, los derrames pueden ser producto libre,
mientras que los derrames en balsas de vertido de residuos suelen estar compuestos en su
mayor parte por agua y contienen una mezcla de contaminantes. La contaminación en rellenos
fondo de los vertederos y se filtran a través de las pantallas de impermeabilización (Eweis, et
all, 1999).
La variedad de compuestos químicos derivados del petróleo utilizados en la sociedad
actual es impresionante: plásticos, productos farmacéuticos, pesticidas, herbicidas y
detergentes. El problema de la contaminación de suelos y aguas subterráneas más habitual en
el mundo lo constituyen, si duda alguna, las fugas de combustibles desde depósitos de
almacenamiento subterráneo. Los vertidos de aceite de motor en suelos debido al manejo
inadecuado del mismo, son tan frecuentes como las fugas de gasolina. El principal foco de
contaminación se produce como consecuencia de los accidentes ocasionados durante el
transporte del petróleo (Eweis, et all, 1999).
El desarrollo económico en México favoreció la concentración territorial de la
industria. Hasta 1970 no se aplicó ningún criterio ambiental para su desarrollo, aunque había
indicios de impactos crecientes sobre la contaminación atmosférica y la generación de
residuos. El resultado de una política de bajos precios de petróleo propició su uso intensivo y,
con ello, un crecimiento de la demanda energética más acelerada. En la segunda parte de la
década de los 70’s, la reestructuración productiva de la industria se modificó debido al
crecimiento petrolero. La petroquímica básica se convirtió en la actividad con mayor
contribución a la contaminación, también la producción de fibras sintéticas, resinas,
fertilizantes, plásticos, pinturas y pigmentos, y gases industriales que pasaron a ser las
actividades más relevantes por su impacto potencial al ambiente (Quadri, 1994).
En México, la industria petrolera en su conjunto ha tenido un gran impacto negativo en
materia ambiental. Por la amplia gama de productos derivados del petróleo, no ha sido posible
evaluar cuantitativamente la contaminación involucrada desde la fase de explotación hasta la
obtención de los petroquímicos básicos
El suelo y subsuelo constituyen un recurso natural difícilmente renovable que
desempeña funciones entre las que destaca su papel como medio filtrante durante la recarga
ocurren los ciclos biogeoquímicos, hidrológicos y las redes tróficas, además de ser el espacio
donde se realizan las actividades agrícolas, ganaderas y soporte de la vegetación
Durante mucho tiempo y hasta hace poco, nadie se preocupaba por el destino de los
residuos generados, dando por hecho que la naturaleza limpiaba el ambiente, pero según fue
cambiando la naturaleza y composición de los residuos, y al aumentar su cantidad y
complejidad, esta capacidad (degradativa y amortiguadora) empezó a alterarse.
El desarrollo petrolero y el crecimiento de la industria petroquímica han requerido de
la utilización intensiva de los energéticos fósiles para cubrir las necesidades de una sociedad
más consumista, en artículos indispensables en la industria, hogar, comercio y personal que ha
llevado, a lo largo del tiempo, a una fuerte degradación del ambiente, principalmente el aire.
En la extracción del petróleo no se considera el bienestar del ambiente, lo que ha contribuido a
la degradación del aire, agua y suelo. En México se ha realizado poca investigación sobre este
último, en comparación al aire y agua referente a estudios de contaminación, por lo que es
necesario llevar a cabo estudios para conocer el estado actual de los suelos cercanos a zonas
industriales y urbanas, indispensables para el uso adecuado y conservación de éstos.
La industria petroquímica en México se ha desarrollado aceleradamente. Sin embargo,
su expansión y desarrollo ha dado origen a graves problemas ambientales, derivados de
emergencias ambientales, con graves repercusiones a la salud de la población y al equilibrio
ecológico de los ecosistemas (Quadri, 1994; PROFEPA, 2000). Entre las causas que han
generado este deterioro ambiental por la contaminación de cuerpos de agua y suelos a lo largo
de todo el país, se encuentran las siguientes: (i) manejo inadecuado y abandono de materiales y
residuos peligrosos; (ii) mantenimiento inadecuado o falta de éste en instalaciones petroleras;
(iii) explosiones en instalaciones de alto riesgo; (iv) fugas en líneas de conducción; (v)
derrames de hidrocarburos (CENAPRED, 2001; PROFEPA, 2002).
Debido a la problemática señalada anteriormente, tanto en México como en otros
países, los gobiernos y sus dependencias se han dado a la labor de promover y en otras
por algún tipo de contaminante. Cómo determinar que tipo de tratamiento utilizar, de la amplia
gama de alternativas que se tiene, y más aún, que condiciones se deben presentar que
garanticen la eficiencia tanto en costo como en tiempo del método implementado.
El tratamiento por bioremediación o tratamiento microbiológico aumentado de
ambientes contaminados con una variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos, es una de
1.2 Definición del problema
La bioremediación se ha convertido en una importante herramienta para remediar suelos
contaminados. Un aspecto de controversia excepcional del trabajo es la bioaumentación; la
adición de microorganismos al suelo. La presencia de un gran número de microorganismos
apropiados es la clave para una bioremediación exitosa, pero si no están presentes, ¿cuál es el
significado para proveerlos? El establecimiento satisfactorio de una colonia de
microorganismos en un suelo, es una tarea desafiante (Devinny y Chang, 2002).
Se ha cuestionado mucho la utilización de microorganismos especializados disponibles
comercialmente para la remediación de suelos contaminados con hidrocarburo, debido a la
falta de información confiable que sustente su efectividad.
Cuando se utilizan preparaciones comerciales, no esta claro si la elección de los
organismos microbianos es la apropiada para las condiciones ambientales presentes. El pH del
suelo, la temperatura, salinidad y otros factores diferirán en la selección.
La principal dificultad que se presenta en la remediación de un suelo contaminado por
medio de la aplicación de microorganismos, es la determinación de las condiciones más
favorables para que dicha colonia se establezca en el nuevo medio y efectúen la degradación
1.3 Justificación
Actualmente, la bioremediación es aplicada ampliamente en suelos, aguas subterráneas,
tratamientos de aguas y superficies contaminadas con químicos como el petróleo crudo,
hidrocarburos, combustibles, solventes industriales, entre otros. (Klein, 2002)
Los tratamientos de suelo por técnicas biológicas se encuentran entre el grupo de
menor costo (100 – 250 usd/m3) en comparación con tecnologías más convencionales como la
incineración o confinamiento de residuos (250 – 1000 usd/m3). Por otro lado las tecnologías
como solidificación, estabilización, lavado de suelo, aireación y adsorción sobre carbón
activado únicamente trasladan los contaminantes a un medio diferentes, mientras que el
empleo de biodegradación, elimina los contaminantes tóxicos del ambiente. (Ewis et al, 1999).
Los factores que afectan el rendimiento de la bioremediación pueden clasificarse en
tres grandes grupos: medioambientales, físicos y químicos. Por consiguiente, el mayor gasto
en un proceso de bioremediación se localiza en el control de los parámetros del sistema a
tratar, de ahí la importancia del estudio a nivel laboratorio que determine experimentalmente
las condiciones óptimas que aceleren la velocidad de remediación, lo cual permitirá lograr la
restauración del sitio en el menor tiempo y costo posible (Eweis et al, 1999).
La tecnología de bioremediación puede ser el sistema de tratamiento más atractivo en
1.4 Marco Teórico
1.4.1 Bioremediación
Bioremediación es una tecnología de tratamiento comúnmente utilizada para limpiar suelos
contaminados accidentalmente con hidrocarburos de petróleo. Se refiere a un proceso de
ingeniería en donde la biodegradación natural de los hidrocarburos se efectúa por medio de
bacterias, hongos o protozoarios. Las condiciones del suelo son controladas para promover la
actividad microbiana (Ausma et al, 2002).
El empleo de la bioremediación en el tratamiento de suelos contaminados supone un
concepto relativamente nuevo, aunque se ha convertido en una tendencia de rápido
crecimiento dentro de la gestión medio ambiental.
Normalmente, los compuestos orgánicos fácilmente biodegradables y que no son
tóxicos (para los microorganismos) son oxidados muy rápidamente por los organismos del
suelo.
La técnica de bioremediación está basada en la degradación de compuestos orgánicos
hasta bióxido de carbono, mediante la actividad de microorganismos vivos que son utilizados
como fuente de carbono y energía. Funciona únicamente en suelos y cuerpos de agua donde
los contaminantes son biodegradables o biotransformables, o bien, cuando se trata de
compuestos inorgánicos bioacumulables o biotransformables que están presentes en cuerpos
de agua en movimiento. No funciona para compuestos orgánicos recalcitrantes, porque no son
biodegradables. La biorestauración tiene la desventaja de requerir lapsos muy largos, y que no
aplica en casos donde los materiales geológicos son impermeables o hay presencia de
compuestos que afectan la actividad metabólica de los microorganismos como los metales
Las tecnologías de bioremediación explotan la habilidad natural de los
microorganismos para degradar compuestos químicos orgánicos contaminantes de suelos y
agua subterránea. El objetivo de la bioremediación activa del suelo, es utilizar efectivamente
sistemas microbiológicos para remediar sitios contaminados. En todos los casos, el punto final
deseado es la completa degradación de las sustancias tóxicas en dióxido de carbono, agua y
biomasa (Al-Daher et al, 2001).
Los mecanismos de pérdida a los cuales están sujetos los hidrocarburos durante la
bioremediación incluyen procesos físicos como volatilización y lixiviación, así como procesos
químicos y biológicos de remoción. Adicionalmente se tiene la adsorción de hidrocarburos en
la matriz del suelo, que puede limitar la disponibilidad del contaminante a los
microorganismos para biodegradación o volatilización y lixiviación. Estos procesos
contribuyen tanto en la reducción de la concentración total de hidrocarburos, como en cambios
generales de su composición (Ausma et al, 2002).
La remediación de suelos impactados por hidrocarburos es a menudo necesaria en
sitios de nueva apertura para desarrollos comerciales, industriales o residenciales. La
biolabranza es un proceso de bioremediación que puede ser aplicado en dos formas,
tratamiento del suelo in situ o bien el proceso de biodegradación puede ser conducido en una
celda de tratamiento designada. Ambos métodos incluyen procedimientos de mezclado del
suelo para homogenizar y airear el suelo, aplicación de fertilizantes y agua para aumentar o
bien mejorar la actividad microbiológica que degrada los hidrocarburos (Wellman, et al,
2001).
Los microorganismos deben estar activos y saludables para que puedan desempeñar su
tarea correctiva. Las medidas de biodegradación facilitan el crecimiento de los
microorganismos y aumentan la población microbiana creando condiciones ambientales
óptimas para que puedan destoxificar la mayor cantidad posible de contaminantes. La medida
biocorrectiva que se use dependerá de varios factores, entre ellos el tipo de microorganismos
contaminantes. Hay diversos microorganismos que degradan distintos tipos de compuestos y
sobreviven en condiciones diferentes.
1.4.2 Factores que afectan la biodegradación
Existen factores que afectan la actividad microbiana, los factores medioambientales son
aquellos necesarios a la hora de proporcionar las condiciones óptimas para el crecimiento de
los microorganismos que llevan a cabo la bioremediación. Los microorganismos son muy
sensibles a los cambios de temperatura, pH, disponibilidad de nutrientes, oxígeno y humedad.
Los microorganismos tienen regiones de temperaturas óptimas y temperaturas por encima de
las cuales la actividad microbiana se detiene. Las bacterias de un terreno actúan habitualmente
en el intervalo de 5 a 40 ºC, aunque la temperatura óptima dentro de dicho rango depende de
cada especie. Con frecuencia, los mohos y levaduras realizan mejor su cometido a valores de
pH bajos que a pH neutros o básicos. La mayoría de los microorganismos se desarrollan mejor
dentro del rango de pH de 6 a 9, encontrándose las condiciones óptimas de crecimiento entre
los pH 7 y 8.
Uno de los factores, sin duda más importantes, es la textura del suelo, que es una
expresión cualitativa y cuantitativa del tamaño de las partículas. Cualitativa ya que se refiere al
comportamiento que resulta del tamaño y de la naturaleza de los constituyentes del suelo, y
cuantitativa por ser una expresión porcentual. Se refiere a la proporción relativa en peso de los
diferentes tamaños de partículas existentes en él, expresada como porcentaje de la fracción
mineral.
Se distinguen básicamente tres tipos de textura o tamaño de partículas: arcilla, limo y
arena. La textura es la propiedad física más importante del suelo, estable en el tiempo y se
relaciona esencialmente a las otras propiedad físico-químicas y biológicas. La textura del
suelo tiene influencia sobre: porosidad, aireación, retención y movimiento de agua, fertilidad y
La descomposición de algunos compuestos presentes en el suelo da origen a la
formación de ácidos intermediarios, lo que ocasiona una disminución en el valor del pH con
respecto al inicial. Otro factor que se ve afectado por el cambio del pH en el suelo es la
biodisponibilidad del fósforo, ya que en ambientes ácidos éste se liga fuertemente a las
partículas de arcilla del suelo y forma compuestos insolubles con hierro y aluminio, en
ambientes alcalinos los compuestos insolubles que se forman son a partir de moléculas de
calcio (Ricklefs R., 2001).
La temperatura influye en la tasa de todas las actividades y procesos bioquímicos y
afecta directa e indirectamente la biodegradación de hidrocarburos. Las variaciones
estacionales influyen en la composición de las comunidades microbianas y esto se refleja en
las tasas del metabolismo de hidrocarburos a una temperatura dada. Además, bajas
temperaturas retardan la volatilización de los hidrocarburos de bajo peso molecular, algunos
de los cuales son tóxicos para los microorganismos lo que tiene una influencia directa en el
metabolismo y reproducción de la comunidad microbiana. Los microorganismos pueden
metabolizar hidrocarburos en un amplio rango de temperatura, desde menores a 0 ºC hasta
mayores a 60 ºC. A 25 ºC la degradación de hidrocarburos por cultivos es mayor que a 5 ºC.
Es deseable que la temperatura fluctúe entre 18-37 ºC (Ministerio de Energía y Minas de Perú,
1997).
La temperatura del suelo es un factor que se debe considerar cuando se evalúa el
potencial de bioremediación y volatilización. La máxima biodegradación típicamente ocurre
entre 30 y 40 ºC. Bajo condiciones de menor temperatura, el combustible diesel se vuelve más
viscoso, resultando en menor volatilización, decrece la actividad enzimática y decrece la
biodegradación (Ausma et al., 2002)
Los nutrientes requeridos con mayor frecuencia son el nitrógeno y el fósforo, cuyas
cantidades son normalmente insuficientes en las localizaciones de regeneración. El oxígeno es
necesario en determinados tipos de reacciones de oxidación-reducción catalizadas por
enzimas.
Ciertos nutrientes además del carbono, como el nitrógeno y el fósforo, son un factor
que limita la tasa y el grado de biodegradación de hidrocarburos. Aparentemente se requieren
altas concentraciones de estos compuestos y se ha reportado una relación óptima de C:N:P de
100-300:10:1. (Peramaki, 1997). Otros elementos importantes, cuya concentración requerida
es menor, son el hierro, azufre, magnesio y sodio, existe además controversia en cuanto a que
el potasio no tiene una influencia importante en la bioremediación de hidrocarburos del
petróleo (Wallworth, 1995).
La adición de fertilizantes inorgánicos de lenta liberación ha sido desarrollada
principalmente para el uso en la agricultura y son lentamente disueltos o degradados por el
contacto continuo o intermitente con el agua para proveer una liberación sostenida de
nutrientes por mayores periodos de tiempo, presentando mejores resultados para mantener un
nivel alto en la actividad microbiana del suelo. En un experimento conducido con arena de
mar contaminada con petróleo, se determinó que el nivel alto de la actividad de los
microorganismos indígenas coincidía con una mayor disminución en los hidrocarburos totales
del petróleo debido a biodegradación (Ran Xu y Obbard J., 2003).
La humedad constituye un factor importante en la bioremediación debido a que los
microorganismos obtienen todos los nutrientes necesarios para su crecimiento de soluciones.
Aunque son pocos autores los que han trabajado a nivel laboratorio con diferentes relaciones
suelo:agua, se ha podido determinar que un aumento en el contenido de humedad del suelo por
arriba de su capacidad de retención acelera el proceso de degradación en forma significativa,
ya que se favorece la difusión del contaminante y de los nutrientes en los sistemas, además de
facilitar la movilidad de los microorganismos (Liu et al., 2001). El término que es
frecuentemente relacionado con el contenido de humedad es la capacidad de retención de agua
(CRA), que establece la capacidad del suelo de retener agua una vez que se ha detenido el
generalmente se asocia una CRA alta en aquellos suelos en los que el contenido de arcillas es
predominante, presentándose el efecto inverso en suelos arenosos (Ewis et al., 1999).
También se ha determinado que este parámetro (CRA) es un factor limitante en el
proceso de biodegradación, especialmente cuando se dan simultáneamente un alto contenido
de humedad y un bajo contenido de oxígeno, ya que se pueden alcanzar condiciones
anaerobias en los sistemas (Liu et al., 2001).
Los compuestos simples de hidrocarburos, fenoles e Hidrocarburos Aromáticos
Polinucleares (HAPs) ligeros, son degradados rápidamente bajo condiciones aeróbicas.
Mientras que compuestos molecularmente más pesados de cinco o más anillos son más
resistentes a la degradación bacteriana. La conducta recalcitrante de tales compuestos puede
ser atribuida a su limitada biodisponibilidad y fuerte adsorción a las partículas del suelo y
materia orgánica. El ataque microbiano depende de la solubilidad de los hidrocarburos y de la
capacidad de adsorción a las partículas del suelo (Al-Daher et al, 2001).
El oxígeno disponible en el ambiente es otro factor importante, a pesar de la
controversia en cuanto a si el oxígeno es absolutamente requerido para la biodegradación de
hidrocarburos. La importancia del oxígeno es evidente debido a que las principales rutas
metabólicas utilizadas por los microorganismos para la degradación de compuestos aromáticos
y saturados requieren de la partición de enzimas oxigenasas, y la biodegradación anaerobia de
hidrocarburos procede a tasas despreciables de desaparición de los mismos, para fines
prácticos se puede afirmar que la degradación completa de hidrocarburos requiere la presencia
de oxígeno en forma molecular (Baro, 1999).
El contenido de oxígeno que está presente en el sistema depende del contenido de agua
y la actividad microbiana. En pruebas a nivel laboratorio (microcosmos) se ha reportado que el
contenido de oxígeno no debe ser menor al 10% de la composición total de la atmósfera, ya
Ya se ha demostrado que la agitación y aireación favorecen el proceso de degradación
en sistemas semisólidos (lodos), además de que la agitación favorece la desintegración del
suelo en la fase acuosa y la disponibilidad del contaminante (Gray et al., 2000).
En algunos sitios contaminados la población microbiana que se encuentra presente en
el suelo no tiene la capacidad de utilizar el contaminante como fuente de carbono, además de
que en ocasiones esta población puede perder su biodiversidad al no tolerar las condiciones
ambientales y de contaminación en que se encuentran. Por lo anterior algunos autores
recomiendan la introducción de microorganismos exógenos preadaptados a las condiciones
ambientales del sitio y a la concentración y el tipo de contaminante. Este tema se aborda con
mayor detalle más adelante en el apartado 1.4.3 Bioaumentación.
Existen diversas opiniones en relación a si los microorganismos tienen límites en sus
capacidades de degradar cualquier compuesto que el hombre pueda producir. Indudablemente,
la verdad se sitúa entre estos dos puntos de vista extremos. No obstante, los microbios pueden
degradar multitud de compuestos bajo condiciones distintas. Muchos compuestos sintéticos
pueden también modificarse o transformarse mediante el uso de una bacteria, hongo o algún
tipo de población microbiológica trabajando en asociación. Estos procesos varían desde la
putrefacción de comida hasta la limpieza de derrames de petróleo en las playas costeras (Levin
y Gealt, 1999).
1.4.3 Bioaumentación
Bioremediación puede consistir simplemente en ajustar las condiciones ambientales en el
suelo asumiendo que los organismos están presentes. En el otro extremo, los esfuerzos pueden
ser conducidos para preparar soluciones líquidas con altas densidades de cultivos para la
continua aplicación al suelo o bioaumentación. A pesar del gran número de proyectos de
bioremediación conducidos con éxito, se cuenta con poca información confiable (Devinny y
Chang, 2002). Incluso si un diseño experimental se lleva a cabo de forma cuidadosa, los
El uso de bioaumentación se ha visto entorpecido por la falta de una definición clara
del propósito del esfuerzo y los mecanismos por los cuales se espera que sea exitoso.
Bioaumentación para proveer especies microbianas ausentes, se conducirá de forma distinta de
bioaumentación que intente incrementar la abundancia de las especies que están presentes pero
escasas (Devinny y Chang, 2002).
Los gastos y dificultades asociadas con la preparación y aislamiento de culturas locales
enriquecidas puede ser evitada comprando productos comerciales. Los proveedores de ellas
han obtenido microorganismos conocidos que degradan los contaminantes y los han cultivado
en laboratorio. Pueden ser compradas como un material granular para la aplicación en sitios
contaminados.
Cualquier uso comercial de microorganismos conduce pronto a ciertas especulaciones
sobre la posibilidad de que determinadas modificaciones genéticas posiblemente mejorarían
las actividades desarrolladas por los mismos. Los científicos han realizado aproximaciones
genéticas que pretende mejorar las cepas de microorganismos degradadores (Levin y Gealt,
1999).
Cuando el organismo apropiado es introducido, rápidamente crecerá produciendo un
gran número de células necesarias para degradar el contaminante. Este enfoque requiere un
organismo que se va a reproducir vigorosamente bajo las condiciones ambientales existentes.
Otro acercamiento es la inoculación en masa, utilizando grandes y densos cultivos de
microorganismos creados fuera del suelo que será remediado. El propósito es proveer
organismos en suficiente cantidad. No es necesario asumir que el microorganismo
bioaumentado se encuentra ausente en el suelo, sólo que no se encuentra en la cantidad
necesaria (Devinny y Chang, 2002).
Bioaumentación representa un intento humano para ingeniar una invasión exitosa
dentro del diverso ecosistema microbiológico del suelo. Van Elsas y Heijnen (1990) señalaron
“Las bacterias introducidas pueden tener después grandes dificultades en encontrar en el suelo
1.4.4 Composición del Petróleo
El petróleo es una mezcla extremadamente compleja de hidrocarburos. De los cientos de
componentes individuales, pueden ser reconocidas diversas clases basadas en la afinidad de
estructuras. La mezcla de petróleo puede ser fraccionada por cromatografía en sílica gel. Se
reconocen cuatro clases: una fracción saturada o alifática, una fracción aromática, una fracción
asfáltica o polar (fenoles, ácidos grasos, cetonas, ésteres y parafinas) y una fracción resinosa
[image:27.612.86.514.264.507.2](piridinas, quinolinas, carbazoles, sulfóxidos y amidas) (Leahy, 1990).
Figura 1.1 Compuestos constituyentes del petróleo.
Otros autores como Huesamann (1994) separan al petróleo en dos componentes
principales: una fracción hidrocarbonada y una fracción polar. La fracción polar o NSO
consiste en compuestos que contienen en su estructura molecular nitrógeno, azufre u oxígeno
en adición al carbono e hidrógeno. Los compuestos polares son clasificados en grandes
categorías como asfaltenos, resinas, etc., dependiendo de los procedimientos analíticos
utilizados para su separación. La fracción hidrocarbonada (HC) consiste de compuestos
saturados y aromáticos. Los compuestos aromáticos contienen uno o más anillos en su
estructura y pueden ser clasificados como monoaromáticos y aromáticos polinucleares
Petróleo
Polares (SNO)
a) Asfaltenos Resinas
Hidrocarburos (HC)
Saturados e) Insaturados Aromáticos
Alcanos d) Cíclicos f) Mononucleares g) HAP's
b) Lineales c) Ramificados
a)
COSN
b)
Fuente: Ruíz I. J., 2005, Destilación Fraccionada del Petróleo.
Los compuestos saturados consisten de alcanos (parafinas) o estructuras cíclicas
saturadas (naftenos) con variación en el número de los anillos saturados y cadenas laterales
Fracción Inicial
Subfracción
Núm. aproximado
de átomos de C
Intervalo de
ebullición (ºC) Usos
Gas ligero C1 – C5 a - 20 Combustible
a. Metano y etano C1 – C2 gas Combustible
b. Olefinas C2 – C4
Alcohol, hule,
plásticos
c. Propano y butano C3 – C4 Combustible
Gasolina C5 – C10 20 – 200
Combustible para
autos
a. Eter de petróleo C5 – C6 30 – 60 Disolvente
b. Ligroína C6 – C8 60 – 100 Disolvente
c. Naftas C8 – C11 100 – 200 Disolvente
Queroseno C12 – C16 200 – 300
Combustible,
disolvente
Aceite combustible C15 – C18 280 – 380
Diesel, combustible
para calderas
Aceite lubricante C16 – C20 Lubricante
Petrolato o vaselina C18 – C22
Lubricante,
medicamentos
Parafina sólida C20 – C30 p.f. 50 – 60
Velas, lacres,
impermeabilizante
Cera microcristalina C30 – C50 p.f. 50 – 60 Plásticos, etc.
Asfalto Variado Pinturas, pavimentos, etc.
moléculas de aromáticos con frecuencia contienen subestructuras parafínicas o nafténicas y
estos productos refinados también pueden contener moléculas insaturadas (alquenos). La tabla
1.1 muestra la composición fraccionada del petróleo.
1.4.5 Vías Metabólicas de degradación de los Hidrocarburos del Petróleo
Los hidrocarburos difieren en su susceptibilidad al ataque microbiano y en el pasado, han sido
ordenados por su decreciente susceptibilidad: n-alcanos > alcanos ramificados > compuestos
aromáticos de bajo peso molecular > ciclo alcanos. Las velocidades de degradación han
mostrado ser mayores para los saturados, seguidas de los aromáticos ligeros, aromáticos de
alto peso molecular y por último los compuestos polares que exhiben velocidades de
degradación extremadamente bajas (Leahy, 1990).
Debido a que la energía liberada de la respiración aeróbica es mayor que la respiración
anaeróbica la cual utiliza sulfatos, nitratos, etc. como aceptor de electrones para el proceso
oxidativo y mayor que la fermentación anaeróbica que utiliza compuestos orgánicos como
aceptor de electrones, en el proceso de respiración aeróbico se observa la mayor velocidad de
degradación de los hidrocarburos de petróleo. La respiración aeróbica utiliza oxígeno
molecular para oxidar finalmente el carbono orgánico, que es degradado aeróbicamente por un
mecanismo oxidativo que se sucede de la siguiente manera: la oxidación es mediada por
enzimas, que son catalizadores biológicos que facilitan las reacciones de oxidación, al
disminuir la energía de activación requerida para la reacción química, provocando con ello un
incremento en la velocidad de reacción. La oxidación de estos compuestos puede ocurrir
espontáneamente en la ausencia de enzimas. Sin embargo, sin su presencia, la reacción puede
tomar meses o años para realizarse (Atlas, 1991).
El proceso oxidativo es provechoso para las bacterias aeróbicas desde dos puntos de
vista: utilización del carbono y obtención de energía. El carbono derivado de la oxidación
puede ser usado para el anabolismo o catabolismo. El anabolismo se refiere al proceso
mediante el cual el carbono orgánico es usado para propósitos biosintéticos (como C
agua, durante lo cual se genera energía. Debe resaltarse que este es un proceso dinámico más
que estático y ambos están operando en cualquier tiempo dado. La fracción relativa de carbono
que se emplea en cada proceso dependerá de los requerimientos de energía en el momento,
pero generalmente el 50% del carbón metabolizado es convertido en biomasa (C estructural)
mientras que el otro 50% es convertido a CO2. La suma de todos los procesos celulares
oxidativos para el carbón orgánico son referidos como respiración celular. La energía derivada
de la respiración es usada para digerir el anabolismo y para el mantenimiento de energía. La
gran cantidad de energía (como ATP) derivada de la respiración aeróbica impulsa la reacción,
manipulando las concentraciones de compuestos intermediarios (manteniéndolos en
concentraciones extremadamente bajas) y de esta forma facilita la degradación rápida del
carbono orgánico (Bartha y Atlas, 1987).
Los hidrocarburos dentro de la fracción saturada incluyen los n-alcanos, alcanos
ramificados y ciclo alcanos, y debido que los n-alcanos están considerados como los
compuestos más fácilmente degradables en una mezcla de petróleo, su biodegradación
normalmente procede como una oxidación por una enzima oxigenasa, la cual inserta un
oxígeno molecular en la cadena carbonada. Esto es considerado como una oxidación
monoterminal e involucra la oxidación del alcano para formar un alcohol primario. Este
alcohol primario es entonces oxidado formando un aldehído por una alcoholdeshidrogenasa y
este aldehído es posteriormente oxidado a un ácido carboxílico (graso) por una enzima
aldehidodeshidrogenasa. El ácido graso formado puede así incorporarse como biomasa celular
o ser degradado posteriormente a través de una β-oxidación con la subsiguiente formación de
ácidos grasos de unidades cortas de dos carbonos y acetil coenzima A, con la eventual
liberación de CO2 (Bartha y Atlas, 1987). Los ácidos grasos, los que algunos son tóxicos, se ha
encontrado que se acumulan durante la degradación de estos hidrocarburos. La oxidación
subterminal ocurre con frecuencia con la formación de un alcohol secundario y una cetona
subsiguiente, pero esto no parece ser la vía metabólica primaria utilizada por los
microorganismos que utilizan n-alcanos (Atlas, 1981).
Los cicloalcanos son particularmente resistentes al ataque microbiano. Los compuestos
componentes más persistentes de los derrames de petróleo en el ambiente. Existen diversos
reportes de oxidación directa y degradación co-oxidativa de cicloalcanos sustituidos y no
sustituidos. Se ha reportado que varios cicloalcanos no sustituidos, incluyendo cicloalcanos
condensados, son sustratos para la co-oxidación con formación de una cetona o un alcohol.
Una vez oxigenados, la degradación de estos compuestos puede proseguir con la división de
anillos. Le degradación de cicloalcanos sustituidos al parecer ocurre con más facilidad que la
degradación de las formas no sustituidas, particularmente si existe un sustituyente n-alcano
con longitud de cadena adecuada. En tales casos, el ataque microbiano normalmente ocurre
primero en la posición sustituida, liberando un producto intermedio de ácido carboxílico
ciclohexano, que es un compuesto relacionado. Una vía novedosa para la degradación de
ácidos carboxílicos ciclohexanos involucra la formación de un compuesto aromático
intermediario, seguido del rompimiento del anillo de la estructura aromática (Atlas, 1981).
La degradación bacteriana de compuestos aromáticos normalmente involucra la
formación de un diol seguido por rompimiento y formación de una diácido como el ácido
cis,cis-Mucónico. Estos compuestos aromáticos pueden ser divididos en dos clases para los
propósitos de degradación: aquellos que son degradados a catecol como intermediario
metabólico clave y aquellos que son degradados a protocatecuato como intermediario clave.
Los compuestos aromáticos altamente sustituidos pertenecen a ésta última categoría. El
catecol es eventualmente metabolizado a acetaldehído y piruvato vía meta, o a succinato y
Acetil CoA por vía orto. El protocatecuato es metabolizado a piruvato y succinato/Acetil CoA
por las vías metabólicas meta y orto respectivamente. En cualquier caso, todos estos
compuestos son intermediarios metabólicos celulares y son rápidamente convertidos a
biomasa celular y CO2 (Bartha y Atlas, 1987).
Debe hacerse notar que estas vías de degradación de los hidrocarburos aromáticos, al
igual que aquellas para hidrocarburos alifáticos, se realizan con una rápida velocidad.
Frecuentemente, en sistemas sólidos los únicos compuestos presentes en cantidades suficientes
para poder ser medidas son los productos iniciales y finales. Los compuestos intermediarios
Los hidrocarburos aromáticos ligeros están sujetos a volatilización y al ataque
microbiano en el estado disuelto. El ataque enzimático inicial puede ser en el sustituyente
alquilo o alternativamente, directamente en el anillo. Las estructuras aromáticas condensadas
están sujetas a la degradación microbiana por una vía metabólica similar a las estructuras
monocíclicas; pero los hidrocarburos de anillos aromáticos condensados, sin embargo, son
relativamente resistentes al ataque enzimático. Las estructuras con cuatro o más anillos
condensados han mostrado ser atacadas en algunos casos, por la co-oxidación o como
resultado de comensalismo (Atlas, 1981).
Las vías metabólicas para la degradación de compuestos asfalténicos del petróleo son
probablemente las menos comprendidas, debido a que los asfaltenos tienen estructuras
complejas difíciles de analizar con metodología química corriente. La degradación de varios
componentes que contienen sulfuros ha sido examinada, pero no ha logrado establecerse
ninguna vía degradativa, comparable a las vías metabólicas establecidas para hidrocarburos
aromáticos y alifáticos. Los avances en la determinación de estas vías degradativas es
dependiente de la innovación de la metodología analítica. La elucidación del destino
bioquímico de los componentes asfálticos del petróleo es uno de los principales retos para la
futura investigación de la biodegradación del petróleo. (Atlas, 1981).
1.4.6 Biodisponibilidad de los Hidrocarburos
Los contaminantes usualmente sólo son degradados cuando están disueltos en una solución
acuosa o por lo menos en contacto directo con el agua. La accesibilidad es de particular interés
al referirse a los hidrocarburos del petróleo, que tienen bajas soluciones acuosas. Debido al
medio físico del suelo, éstos tienden a adsorberse o fraccionarse en la matriz de suelo para
formar fases orgánicas separadas en los espacios de los poros. Debido a la presencia y
adsorción de muchos aromáticos y del hecho de que los compuestos no adsorbidos son con
frecuencia fácilmente biodegradados, es plausible que la adsorción resulte en una protección
Por lo tanto, para incrementar la biodegradación de estos compuestos, es necesario
acelerar su velocidad de desorción y/o solubilización. Se ha encontrado que, la desorción o
solubilización puede ser acelerada con la adición de surfactantes, haciéndose notar el potencial
para incrementar la solubilización de un compuesto escasamente soluble a través de la adición
de un surfactante, al observar que la adición de éste aumenta la velocidad de degradación de
hidrocarburos del petróleo. Se han realizado experimentos de biodegradación usando un
aparato para medir Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y se encontró un incremento en
la utilización de oxígeno así como un incremento de la velocidad de degradación de los
hidrocarburos del petróleo al adicionar el surfactante (Tai y Maier, 1992). Como la
solubilización es una función del área de superficie disponible y del coeficiente de
transferencia de masa, la adición de un surfactante resulta en el incremento de ambos factores
(Sundaram et al., 1994).
El uso de surfactantes en los esfuerzos para mejorar la bioremediación de ambientes
contaminados ha logrado un considerable interés en años recientes. Las investigaciones
actuales han reportado mejoramientos al igual que inhibiciones en la biodegradación de
compuestos orgánicos en presencia de surfactantes. Muchas bacterias bajo condiciones
adecuadas, pueden producir biosurfactantes y bioestimulantes para ayudarse en su ataque a
compuestos específicos. Los surfactantes comerciales pueden también servir para incrementar
el transporte de hidrocarburos inmiscibles dentro de una solución, pero en ciertas ocasiones
provocan efectos inhibitorios para los microorganismos. Los mecanismos que provocan un
aumento de la degradación debida a surfactantes y al mismo tiempo una inhibición
microbiana, no son bien comprendidos todavía.
El efecto de un surfactante en la disponibilidad de compuestos orgánicos puede ser
explicado por tres mecanismos: (i) dispersión de los hidrocarburos líquidos en la fase no
acuosa, logrando un incremento en el área de contacto, causada por una reducción de la
tensión interfacial entre la fase acuosa y la fase no acuosa; (ii) incrementando la solubilidad,
causado por la presencia de micelas que pueden contener altas concentraciones de compuestos
orgánicos hidrofóbicos; y (iii) facilitando el transporte del compuesto orgánico desde la fase
disminución de la tensión superficial de los poros de agua en las partículas de suelo, la
interacción del surfactante con la fase sólida y la interacción del contaminante con las micelas
1.5 Objetivo
1.5.1 Objetivo General
Determinar de forma experimental las condiciones de operación más favorables para efectuar
la remediación de un suelo contaminado con hidrocarburos, mediante el proceso de
bioremediación denominado biopilas/composteo.
1.5.2 Objetivos Específicos
• Diseñar e implementar un equipo experimental a nivel piloto para efectuar la bioremediación de suelos contaminados con hidrocarburos en un esquema de
tratamiento por composteo.
• Obtener las condiciones de operación mas favorables (humedad, textura,
temperatura, nutrientes) para la bioremediación de un suelo contaminado con
hidrocarburos por biopilas/composteo.
• Realizar una comparación de efectividad de tratamiento entre los
microorganismos mejorados (Polypetrosolve 2100) y los presentes de manera natural
en el suelo (indígenas); así como entre el uso de nutrientes de origen orgánico e
inorgánico. La efectividad se medirá con el porcentaje de TPH’s removidos y el tiempo
1.6 Hipótesis
El uso de microorganismos especializados/mejorados incrementa la tasa de degradación de
TPH’s en suelos contaminados con hidrocarburos, obteniéndose mejor respuesta de la cinética
de degradación.
1.7 Alcances
El estudio y la remediación del suelo contaminado es a nivel laboratorio, se debe señalar que
es a escala piloto. Utilizando una muestra de suelo proveniente de un sitio contaminado.
El proyecto incluyó la utilización de una mezcla comercial de microorganismos
(Polypetrosolve 2100) cultivados en el laboratorio y posteriormente inoculando el suelo
contaminado.
El periodo de remediación fue de 100 días. Tomándose muestras de suelo para su
análisis por lo general cada dos semanas, para darle así un mejor seguimiento a la degradación
2. METODOLOGÍA
2.1 Selección de la Muestra
La muestra de suelo sujeta al proceso de bioremediación, procede de un taller de ferrocarriles
ubicado en Empalme Sonora, el cual hace algunos años salió de operación.
El suelo contiene una mezcla de hidrocarburos, principalmente compuesta de diesel y
en menor cantidad de aceite (hidrocarburos de fracción media), propios de los combustibles,
insumos y reparaciones de las locomotoras y demás trabajos realizados en ese lugar.
Debido a que el suelo proviene de un sitio que ha presentado contaminación desde hace
algunos años, los microorganismos nativos ya se encuentran adaptados a tales condiciones.
La muestra de suelo obtenida fue trasladada al laboratorio de Ingeniería Química del
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Se conservó en un recipiente
cerrado a temperatura ambiente, mismo en el que se trasladó desde su origen, para su posterior
análisis.
2.2 Diseño Experimental
Para el desarrollo del experimento se consideraron cuatro aspectos como los de mayor
importancia para realizar la bioremediación, siendo estos: contenido de humedad, nutrientes,
surfactante biodegradable y cultivo bacteriano. Debido a que el contenido de humedad en el
suelo es un factor crítico en los procesos de bioremediación, se decidió mantener un valor
Cada uno de los experimentos consistió de 5 kg de la muestra de material contaminado
colocado en una charola de acero inoxidable de aproximadamente 42 x 28 x 3 cm; donde se
llevó a cabo la remediación, simulando las condiciones de una biopila a escala. Cada uno de
los experimentos se mantuvo a condiciones ambientes de humedad y temperatura.
La Tabla 2.1 muestra la configuración final del diseño experimental, en total se
realizaron nueve pruebas. El experimento denotado con el número uno, corresponde al control
(C), en el cuál únicamente se mantuvo el nivel de humedad, del número dos en adelante las
condiciones fueron cambiando según se muestra, el parámetro marcado con “9” denota su
[image:39.612.119.510.293.548.2]uso.
Tabla 2.1 Modelo experimental
Experimento
Agregado Orgánico (O)
Agregado Inorgánico (I)
Surfactante (S)
Cultivo Bacteriano (B)
1 (C)
2 (O) 9
3 (I) 9
4 (B) 9
5 (O + S) 9 9
6 (I +S) 9 9
7 (S+ B) 9 9
8 (O + S + B) 9 9 9
9 (I + S + B) 9 9 9
C: Control
O: Agregado Orgánico I: Agregado Inorgánico S: Surfactante
B: Cultivo Bacteriano
Debido a que los resultados obtenidos en el presente trabajo pretenden ser utilizados
para su aplicación en futuros proyectos, las restricciones y/o manipulación de las distintas
variables a considerar, no será muy estricto.
El contenido de humedad recomendado para los procesos de bioremediación
laboratorio, el contenido de humedad óptimo es del 20%, haciéndose un ajuste semanal
(Kuyukina, et. al., 2003).
En este estudio, la actividad metabólica de los microorganismos en el suelo se estimó
por medio de la producción de CO2 derivada de la respiración celular. Debido a que los
métodos tradicionales de conteo de microorganismos sufren de grandes incertidumbres por la
inherente hetereogenidad en la distribución de la población microbiana y adherencia de células
a la matriz del sustrato (Ran Xu y Obrad J., 2003).
Respecto a la adición de nutrientes, ésta se realizó de dos distintas maneras, utilizando
estiércol de vaca como agregado orgánico (O) y urea comercial como agregado inorgánico (I).
La razón es proporcionar una fuente de nitrógeno y fósforo para los microorganismos. El
agregado orgánico se adicionó en una proporción de 5% en peso base seca, mientras que la
urea a una razón de 0.3% en peso (Wellman et al., 2001). La adición de los nutrientes se
realizó al inicio del proceso de remediación únicamente.
En algunos de los casos se empleó surfactante Quantum Clean (S), con una
concentración del 1% (p/v), dosis recomendada por el fabricante en pruebas realizadas para
el lavado de suelo que contiene hidrocarburos. La aplicación de surfactante se realizó
únicamente al inicio de la remediación, con una proporción de 8 ml de solución por kilogramo
de suelo a tratar. El proveedor y distribuidor comercial del surfactante es International
Products and Organic Solutions (IPOS).
El consorcio microbiano Polypetrosolve 2100 (B), se obtuvo a partir del mismo
proveedor que el surfactante, desarrollado a partir del enriquecimiento de diversas cepas
microbianas capaces de degradar hidrocarburos. Se estandarizó el funcionamiento óptimo de
la cepa de bacterias al producir un caldo de cultivo con extractos biológicos e hidratos de
carbono asimilables.
Por medio de la densidad óptica (DO) se obtuvo el tiempo para alcanzar la fase de
horas de puesto el inóculo. Transcurridas las primeras 24 horas, se tomó una lípota para
resembrar el cultivo a un reactor biológico con mayor volumen de medio acuoso.
Dentro de la metodología se tomo en cuenta hacer un reactor biológico abierto con
aireación continua, que contuviera macro y micro nutrientes, además de una fuente de carbono
inicial, con un pH dentro del rango óptimo; para inocular bacteria en un medio acuoso y
aeróbico.
Una vez estimulada la bacteria se inoculó en proporción acuosa de 2.2 ml por
Kilogramo de suelo a tratar, en total se hicieron dos aplicaciones, a los 28 y 38 días de iniciado
el proceso de remediación.
2.3 Monitoreo y seguimiento experimental
2.3.1 Textura
La textura del suelo se determinó siguiendo el procedimiento descrito por el Departamento de
Agricultura de los Estados Unidos (USDA); el cual hace referencia al análisis granulométrico
para la determinación de la distribución del tamaño de partícula y por consiguiente el tipo de
suelo al cuál pertenece.
2.3.2 Contenido de Humedad
La determinación de la humedad en el suelo, se realizó por medio de medición gravimétrica de
agua, que se refiere a la relación de la masa de agua contenida en los poros del suelo o rocas,
respecto de la masa sólida de las partículas en ese material expresada como un porcentaje, de
2.3.3 Temperatura
Periódicamente se tomó lectura de la temperatura del sitio donde se desarrolló el proceso de
bioremediación, con el fin de llevar un seguimiento de las condiciones ambientales del lugar.
Es importante señalar que la bioremediación se realizó dentro del laboratorio y por lo tanto, la
variación de la temperatura fue muy baja en comparación con las condiciones que se pudieran
presentar a la intemperie.
2.3.4 pH
Al inicio de la bioremediación y al día 38 se efectuó la medición del pH, únicamente con el
fin de confirmar estar dentro del rango óptimo para la actividad microbiana. La medición se
realizó con un potenciómetro y siguiendo la metodología descrita por el método EPA 9045C
(1995).
2.3.5 Tasa de respiración en suelo
El monitoreo de la actividad microbiológica se realizó por medio de la tasa de respiración del
suelo en jarras cerradas (Kassem A. y Nannipieri P., 1995). Donde se determina la cantidad de
CO2 emitido por unidad de masa de suelo en un periodo de tiempo específico.
El principio del método se basa en la estimación del bióxido de carbono (CO2) emitido
durante la incubación del suelo en un sistema cerrado. El bióxido de carbono es atrapado en
una solución de Hidróxido de Sodio (NaOH), la cual se titula con ácido clorhídrico (HCl).
Periódicamente se determinó la tasa de respiración en el suelo para así darle
seguimiento al comportamiento de la actividad microbiana, medida como emisión de CO2, que
2.3.6 Cinética de degradación de los hidrocarburos
La determinación de la cinética de biodegradación se realizó a nivel de charola (simulación de
una biopila a escala). Se compararon los procesos de bioestimulación y bioaumentanción a
través de la serie de experimentos realizados simultáneamente, adicionando al suelo las
condiciones propicias para la degradación de los hidrocarburos, según el diseño experimental
descrito con anterioridad.
Se determinó la concentración de hidrocarburos al inicio del proceso y a diferentes
puntos en el tiempo, en cada una de las nueve charolas. La concentración de los hidrocarburos
esta medida como Hidrocarburos Totales del Petróleo (TPH’s) en ppm utilizando el método de
absorbancia; además de la medición de la tasa de respiración del suelo como emisión Bióxido
de Carbono (CO2/g-día).
a) Muestreo y Extracción de suelo
Para tomar una muestra que fuese representativa de cada uno de los nueve experimentos,
mezclado el suelo previamente se dividió la superficie de la charola en seis secciones
aproximadamente iguales, de cada una de las áreas se toman alrededor de 5 g para hacer una
muestra compuesta de 30 g en total, de la cual una vez perfectamente homogenizada se toman
3 g y se colocan en un vial para realizar la extracción en 30 ml de Hexano.
Una vez la muestra de suelo y el hexano en el vial, se agita manualmente por un
intervalo de dos minutos, posteriormente se coloca en un baño de ondas ultrasónicas por un
minuto (Fisher Scientific FS60); esto con el fin de extraer todos los hidrocarburos de la matriz
del suelo. Realizado lo anterior la muestra se somete a centrifugación durante diez minutos a
1,500 rpm en un equipo SOL-BAT (Modelo C-600). Por último se toma una muestra del
extracto, aproximadamente 5 ml y se filtra (0.45 µc) para evitar el contenido de sólidos
Se siguió el mismo procedimiento para el total de los ocho muestreos y extracciones
realizadas a lo largo del periodo de la bioremediación. Sin embargo cabe señalar que, para las
tres primeras determinaciones no se utilizó extracción con ondas ultrasónicas.
b) Determinación de la concentración de hidrocarburos en la matriz de suelo
Este método permite conocer de forma aproximada la concentración de hidrocarburos totales
del petróleo en el suelo mediante la ayuda de una curva de calibración construida a diferentes
concentraciones de diesel de esta forma se puede estimar la concentración del contaminante en
el suelo.
Cabe mencionar que siendo el hexano el solvente utilizado, contaminantes con pesos
moleculares muy altos como son los asfaltenos, no serán detectados mediante esta
metodología.
Del extracto obtenido, se tomaron 20µl y se inyectaron a un cromatógrafo líquido de
alta resolución (HPLC, Agilent serie 1100) donde se utilizó únicamente el detector
ultravioleta, las concentraciones de hidrocarburos se determinaron cuantificando la
absorbancia a 254nm del extracto a analizar.
c) Curva de Calibración
Al aplicar la metodología para la determinación de la concentración de hidrocarburos medida
como TPH’s por el método de absorbancia, primeramente fue necesario realizar la respectiva
curva de calibración. Además comprobando así, que efectivamente existe una correlación
entre la concentración de hidrocarburos expresada en partes por millón (ppm) y la
absorbancia, dada como miliunidades de absorbancia (mUA).
Se hicieron muestras de hexano, mismo solvente empleado en la extracción de
hidrocarburos de la matriz del suelo, a concentraciones conocidas de diesel (hidrocarburo) en
el rango de 200 a 100,000 ppm. La figura 2.1 muestra claramente que se tiene una relación
