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ANÁLISIS DEL MÉTODO DE BIOREMEDIACIÓN APLICADO A LA CONTAMINACIÓN POR HIDROCARBUROS
Carolina Nocua Sánchez Depto. Ingeniería Civil y Ambiental
Universidad de los Andes
1. Introducción
La bioremediación es una metodología que ha venido siendo estudiada en los últimos años para descontaminar los suelos, cuerpos de agua y aire, afectados por hidrocarburos. Con esta se busca emplear una práctica amigable con el ambiente que remueva efectivamente los contaminantes y sea costo-efectiva. Para analizar esta metodología, se recopiló diferente información sobre estudios realizados alrededor del mundo, en países relacionados con actividades petroleras. Con esto y analizando los estudios que se están desarrollando en Colombia, se observó la efectividad de este proceso de descontaminación.
El documento se desarrolla en principio con la definición del proceso de bioremediación, sus tipos y características. Posteriormente se analizaron los casos de estudio de diferentes países relacionados con actividades petroleras. Por último se analiza la situación en Colombia con respecto a los estudios e implementación de esta metodología. Finalmente se desarrollaron las conclusiones con respecto a los hallazgos encontrados en el tema.
2. Objetivo
Analizar los diferentes estudios relacionados con la bioremediación evaluar su efectividad en cuanto a la recuperación de
los suelos contaminados por hidrocarburos, teniendo en cuenta los diferentes factores que la afectan y las características necesarias para ser implementada.
3. Bioremediación 3.1. Definición
Dada la producción actual y uso del petróleo a nivel mundial como fuente de energía, se han generado toneladas de contaminación en recursos hídricos, suelos e incluso en el aire. Teniendo en cuenta la importancia que tiene proteger el medio ambiente de este tipo de afectaciones, gran cantidad de métodos han sido desarrollados en las últimas décadas. Enfocados en el control de la contaminación una de estas metodologías es la bioremediación. La bioremediación de hidrocarburos es un proceso en el que diferentes microorganismos son empleados en suelos contaminados, de forma tal que consuman compuestos tóxicos derivados del petróleo para transformarlos en dióxido de carbono (CO2), el cual es inofensivo [1].
De la misma manera, se ha demostrado que el uso de estimulantes como nutrientes, mejoran el efecto de estos organismos. Para la implementación de esta metodología, existen características físicas y químicas del suelo que pueden influenciar el proceso, estas son: densidad y capacidad de
2 retención de agua, pH, humedad y contenido de carbono, temperatura, disponibilidad de oxígeno y nutrientes en base de carbono, nitrógeno, fosfato y potasio, concentración de metales pesados, entre otros [2].
El fundamento bioquímico de la bioremediación se basa, principalmente, en la serie de reacciones de óxido-reducción (cuyo fin es la obtención de energía) que se producen en la cadena respiratoria, o transportadora de electrones de las células. La cadena la inicia un sustrato orgánico (compuestos hidrocarburados) que es externo a la célula y que actúa como donador de electrones, de modo que la actividad metabólica de la célula acaba degradando y consumiendo dicha sustancia. Los aceptores comúnmente utilizados por los microorganismos son: el oxígeno, los nitratos, el hierro (III), los sulfatos y el dióxido de carbono. Cuando el oxígeno es utilizado como aceptor de electrones la respiración microbiana se produce en condiciones aerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo aerobio; sin embargo, si utiliza los sulfatos, nitratos, hierros o el dióxido de carbono se produce en condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo anaerobio [3].
Ahora bien, dado que el enfoque de este trabajo es en la bioremediación aplicada a la contaminación con hidrocarburos, se tiene que estos contaminantes están formados
principalmente por cuatro familias de compuestos:
Hidrocarburos alifáticos Hidrocarburos aromáticos Resinas
Asfaltenos
Los microorganismos degradan con facilidad los hidrocarburos lineales de la fracción alifática, especialmente los que contienen menos de 28 carbonos, aunque se han llegado a describir biodegradaciones de hidrocarburos de hasta 44 carbonos. Los isoprenoides, y los hidrocarburos cíclicos o nafténicos son degradados más lentamente que los lineales. Respecto a los hidrocarburos aromáticos, a medida que aumenta el número de anillos y los sustituyentes alquilo, por tanto, su peso molecular, aumenta su resistencia a la biodegradación [41]. Para que la degradación de estos componentes sea efectiva se recomienda el uso de procesos aeróbicos. El grado de degradación que se alcance dependerá de la concentración del contaminante y las características del cuerpo contaminado (suelo, agua, etc.), que serán factores relevantes en los resultados del proceso.
Una vez el proceso es implementado, su progreso debe ser monitoreado a través de la medición del decaimiento de los componentes objetivo, la aparición de metabolitos o productos finales [4]. Se han encontrado diferentes microorganismos que funcionan mejor en algunos escenarios que otros, dependiendo del tipo de
3 contaminante que se desee tratar [5]; para el propósito de este análisis el enfoque se centrará en la bioremediación para la contaminación por hidrocarburos.
Este método tiene una limitante, la cual es la dificultad en predecir con seguridad y alcanzar los puntos finales. En la biorremediación los puntos finales se definen por la capacidad bioquímica de las muestras de llegar a un nivel objetivo, el cual es consecuencia de la biodisponibilidad de hidrocarburos, el estado físico-químico del suelo y el rendimiento microbiano. Para acoplarse a una estrategia de biorremediación, el usuario debe tener la seguridad que el umbral meta se puede cumplir y que los factores que contribuyen a alcanzar la meta pueden ser cuantificados [6]. Sin embargo es un método ampliamente utilizado debido a que es amistoso con el ambiente y permite remover los contaminantes residuales en el suelo y las aguas subterráneas [7].
3.2. Tipos
Existen 3 tipos de bioremediación: bioestimulación, bioaumentación y bioremediación intrínseca.
Bioestimulación
En el suelo son liberados nutrientes y otras sustancias, de tal manera que los microorganismos se estimulen y crezcan rápidamente, aumentando la velocidad en la que destruyen a los contaminantes [8].
Bioaumentación
En este tipo de tratamiento se introducen organismos exógenos, para que el proceso se acelere. Es deseable que este sea monitoreado para comprobar la contribución del contaminante en el proceso de degradación y evaluar la influencia del mismo en el ecosistema [9].
Bioremediación Intrínseca
Se utiliza de manera subterránea y también es llamado atenuación natural. Es altamente benéfico debido a que convierte los hidrocarburos en CO2, agua y metano, en lugar de hacer repartición de hidrocarburos [9]. Es un método potencial empleado para el tratamiento de locaciones afectadas por derivados del petróleo de hidrocarburos [10].
3.3. In Situ
Existen tratamientos que no pueden ser realizados lejos del suelo afectado, de tal forma que los microorganismos son más efectivos cuando son plantados en el lugar. También son métodos reconocidos y costo-efectivos que usualmente eliminan la necesidad de realizar excavaciones costosas y control de emisiones [9]. Además, la descontaminación microbiológica de hidrocarburos provenientes del petróleo en ambientes contaminados es un proceso eficiente, económico y una alternativa versátil o complementaria, a tratamientos físico-químicos [10].
3.4. Ex situ
Esta metodología se emplea comúnmente, sin embargo presenta altos costos, que la
4 hacen menos llamativa, su ventaja es que se ha demostrado su éxito al ser implementada.
4. Casos de Estudio 4.1. In Situ
Un estudio realizado en un acuífero contaminado con diesel, en Menziken, Suiza, con este procedimiento se midieron las concentraciones de: oxidantes, especies reducidas, productos finales degradados e hidrocarburos disueltos del petróleo (PHC) [11] [12]. Esto se hizo durante 4.4 años y como conclusión se obtuvo que al implementar microorganismos que
degradaban PHC (realizando
bioestimulación por medio de la aplicación de oxidantes), se obtuvo un 25% de disminución en el nivel de contaminación, el cual se mantuvo estable de ese momento en adelante. Esto en relación con la alta cantidad de contaminante es un nivel de remoción muy bajo, por lo que se debe buscar mejorar la eficiencia de esta metodología para que el nivel de contaminación disminuya en cantidades significativas.
4.2. Ex Situ
Para tratar mazut1 se realizó una biopila para eliminar la contaminación. Esta se construyó en asfalto a prueba de agua con
una superficie de 1500 m2
aproximadamente y con una pendiente del 1%. La biopila consiste de 270 m3 de PS mezclado con 60 m3 de aserrín blando como
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De baja calidad, pesado (cadena larga de 12–70 C átomos) petróleo residual
fuente adicional de carbono y 300 m3 de arena de río sin graduado, que fue añadido como material de volumen y porosidad creciente [2]. Se obtuvo más del 90% de biodegradación de hidrocarburos como consecuencia de la actividad microbiana y la fracción alifática (mayor al 70%).
4.3. Alaska
En Alaska, uno de los casos más reconocidos es el del derrame causado por Exxon Valdez el 24 de Marzo de 1989, en Prince William Sound, donde se derramaron 30.000/ton de petróleo que se expandieron en más de 1.000 km de costa, a causa de la colisión del buque contra los arrecifes de Blight [13]. Desde el derrame se han llevado a cabo controles del nivel de contaminación midiendo en sedimentos y mejillones, concentraciones de hidrocarburos saturados (SHC) y policíclicos (PAH). Desde 1999 se tiene una cantidad por debajo de 100ng/g de peso seco de PAH y SHC [14].
El proceso de limpieza se hizo en tres fases [15]:
1) Se utilizaron skimmers para recoger el crudo, sin embargo por contar con tan pocos medios de recolección, la cantidad recogida de este fue mínima. 2) Retirada del crudo en las playas, se hizo
en mayor parte de forma manual. 3) Monitoreo de la calidad del agua y se
realizó lavado físico de las arenas afectadas. Se tomó la decisión de empezar un programa para la aplicación de tratamientos con bioremediación en las costas que se vieron afectadas.
5 Para la aplicación de la bioremediación se trabajó con microorganismos que eran capaces de degradar hidrocarburos aromáticos y alifáticos, que desarrollaban más rápido su labor al recibir nutrientes [13]. Con esto en mente, se empleó el fertilizante Inipol EAP22, que proporcionaba nitrógeno y fósforo, permanecía en la zona afectada y no presentaba riesgo toxicológico. En la Figura 1 se observa la distribución obtenida del crudo, luego de tres años del accidente, en donde se tiene un 50% que ha sido biodegradado– fotodegradado en el proceso.
Figura 1. Estimación NOAA de la distribución del crudo tres años después del incidente [13]
Los resultados obtenidos no fueron satisfactorios, ya que no se logró la recuperación del daño ocasionado por el derrame. Esto se debió a varios factores como la cantidad de nitrógeno cambiante en las diferentes zonas, las condiciones de temperatura presentes en la zona de Alaska y la tasa de oxígeno, entre otros. Años después aún persisten rastros de crudo en el subsuelo de las playas de grava, por las diferentes características biodegradativas de la zona [16].
4.4. Arabia Saudita
Siendo esta una de las regiones que mayor cantidad de petróleo produce a nivel mundial, 10.520.000 barriles/día [17], se tiene un nivel alto de contaminación por el mismo. Por esta razón se hace necesaria la implementación de métodos de remediación.
El Golfo Pérsico, recibe la contaminación de todos los países árabes que lo rodean y que contaminan con crudo el cuerpo de agua que allí se encuentra. Se realizó un estudio sobre las condiciones que permiten la efectividad del efecto de los consorcios microbianos para el tratamiento de hidrocarburos. El desarrollo del mismo, se hizo por medio de tapetes microbianos con
Halomonas aquamarina, Marinobacter
hydrocarnoclasticus, Marinobacter sp,
Dietzia maris y Alcanivorax sp. [18]. Estos inoculos junto con la utilización de hidrocarburos y la fijación de nitrógeno, demostraron conformar un consorcio autosuficiente. La cantidad de hidrocarburos hallada luego de la implementación del inoculo, fue baja lo que sugiere que los microorganismos tienen una reacción con los derrames de manera continua, razón por la cual estos inoculos resultan útiles para tratar desechos líquidos de petróleo.
4.5. Canadá
Dadas las condiciones climáticas de este país, se ha observado que a bajas temperaturas el tratamiento de los hidrocarburos con microorganismos es
6 complicado [19]. En base a estudios realizados, se ha encontrado que existen varias regiones polares que cuentan con una alta concentración de contaminantes que son recalcitrantes a la bioremediación [20]. En climas fríos la biodegradación va más lento y se detiene al alcanzar los 0°C, sin embargo la volatilización aún se puede dar en este estado [21] [22]. Se tuvo así como en los estudios vistos anteriormente, que el efecto del uso conjunto de fertilizantes y surfactantes mejora el efecto del proceso. Con una pequeña cantidad de fertilizante es suficiente para estimular a las bacterias para que degraden los hidrocarburos. Sin embargo, se observó la existencia del traspaso de la contaminación del suelo al ambiente debido al uso de este tipo de sustancias, asimismo emplear parcelas agrícolas para el tratamiento resulta de bastante utilidad [23].
4.6. Costa Ártica
Se tiene que debido a la creciente explotación, producción, transporte y almacenamiento de petróleo en esta región, el nivel de contaminación es mayor en los últimos años [24] y dado el efecto que la temperatura tiene sobre el desempeño de la biodegradación, se realizó un estudio en el archipiélago de Kerguelen, donde se diseñaron 2 locaciones, una en la que se contaba con cubierta vegetal y la otra era desértica, las cuáles recibían petróleo proveniente de Arabia. Mientras una se dejaba al aire libre la otra era cubierta con un plástico [25]. Este desarrollo se realizó debido a que se ha determinado que en los
últimos años el problema más representativo de la región es la contaminación con crudo [26] y se quería evaluar la eficiencia de la implementación de bioremediación en la zona, dadas las condiciones particulares meteorológicas. Como resultados se obtuvo que con la adición del petróleo se aumentaron las cantidades de bacterias heterótrofas y de degradación de hidrocarburos [27]. Se observó que los parámetros que afectan los procesos físico-químicos y biológicos, son los mismos que los observados en estudios anteriores y que fueron mencionados anteriormente, y por ende afectan el desempeño del método. Además se pudo comprobar que los microorganismos siguen actuando a temperaturas de 0°C o inferiores [28] y se obtuvo que bajo estas condiciones el 80% de los hidrocarburos se degradaban sin tener algún tipo de tratamiento, lo que da pie al desarrollo de un protocolo de bioremediación y un aumento en la temperatura (en este caso debido al uso del plástico) mejoro el comportamiento frente a los alcanos. También se observa que estas comunidades biológicas son más sensibles al clima como consecuencia de la complejidad y variabilidad del clima [29].
4.7. Estados Unidos
Con el fin de evaluar la efectividad de la bioremediación se analizó el comportamiento del petróleo en un ambiente controlado, en este caso humedales cerca de Houston, Texas. Se emplearon 3 estrategias de tratamiento [30]:
7 Bioremediación intrínseca.
Bioestimulación con nutrientes inorgánicos.
Bioestimulación con nutrientes inorgánicos con un aceptor de electrones alternativo.
Se agregó petróleo de forma controlada en la zona. En la Figura 2 se muestra el planteamiento de los tratamientos por bloques. Estos bloques, son 6 áreas (corresponden a los bloques A, B, C, D, E y F, como se observa en la figura) en las que en cada una de ellas se aplicó una sección con cada una de las estrategias mencionadas anteriormente, es decir, por cada locación seleccionada se tenía un bloque de control de petróleo, un bloque con adición de nutrientes, un bloque con nutrientes y nitratos, y sólo en el bloque C se agregaron bloques de control que no contenían petróleo. El crudo aplicado se llevó a la temperatura adecuada para simular el estado en el que se manejaría en el momento en el que se presente un derrame. Para el estudio se emplearon 21/L de crudo que se esparcieron en unas secuencias de tiempo determinadas en las 18 secciones determinadas. Además se utilizó un fertilizante, fosfato de diamonio, para estimular el desempeño de los microorganismos.
Figura 2. Diagrama de asignación de los tratamientos en el humedal [30]
Una vez realizado el estudio, se observó que el petróleo se encontraba acumulado en los sedimentos, y con las diferentes estrategias empleadas se tuvo que el empleo de nutrientes fue más efectivo que la bioremediación intrínseca [31]. Con estos tratamientos el tiempo de recuperación de las condiciones del humedal fueron más cortas como se tiene en la Figura 3 con lo que se tiene que esta metodología puede ser empleada en recuperación de ambientes como bahías.
8 Figura 3. Coeficientes de biodegradación, representado el
95% de nivel de confianza para los 3 tratamientos [30]
En estudios similares, realizados en humedales contaminados con petróleo, se tuvo que los microorganismos eran capaces de degradar alrededor del 95% de los hidrocarburos en 150 días [32], desmintiendo así informes previos en los que se aseguraba que estos contaminantes duraban por años en el lugar afectado [33].
5. Prácticas de bioremediación en Colombia Colombia es un país que posee una cantidad considerable de hidrocarburos, por lo que la implementación de esta metodología ha ido tomando importancia en los últimos años. La Universidad de los Andes en su Centro de Investigaciones Microbiológicas (CIMIC), lidera diferentes líneas de investigación en este tema, las cuáles son: biosensores, metales, compuestos aromáticos y landfarming.
5.1.Landfarming
Debido a las extracciones petroleras y los atentados al oleoducto Caño Limón-Coveñas, los suelos, cuerpos de agua y aire se han visto afectados por la presencia de hidrocarburos, por lo que se ha implementado la bioremediación como solución alternativa a este problema. En este caso se utiliza la
metodología de landfarming, en donde se mezclan los contaminantes con un suelo no contaminado que ha sido preparado previamente [39]. Este material contaminado es aislado por medio de una tela impermeable.
Para el desarrollo de este procedimiento se realiza un análisis y selección de bacterias nativas, que se encuentran aisladas de la muestra contaminada y están en la capacidad de crecer bajo las condiciones físico-químicas y de estrés a las que están sometidas. Por medio de diluciones se identifican los morfotipos cultivables, se busca generalmente del tipo de la
Pseudomona sp y bacterias lactosa positivas, que degradan efectivamente hidrocarburos. Luego de estas diluciones las cepas son sembradas en los diferentes medios de cultivo y se empiezan a desarrollar los diferentes tipos de morfotipos (se busca que se desarrollen la mayor cantidad posible para que así se aumente la actividad microbiana) [39]. Con esto se crea un pool microbiano que debe tener en cuenta la cantidad de suelo que se va a tratar, para así saber cuánto se necesita para descontaminarlo.
Con este estudio, se observó la importancia de emplear morfotipos nativos y de formar consorcios microbianos que fueran capaces de adaptarse a los posibles cambios físico-químicos que se puedan presentar, resaltando la importancia de conocer las características del suelo para que así el método funcione.
6. Conclusiones
En relación a los diferentes estudios analizados, se observa la creciente relevancia que ha ido tomando el hecho de descontaminar los suelos, cuerpos de agua, entre otros, afectados por hidrocarburos, siendo la bioremediación una metodología apta para cumplir con esta labor. Como se observó en los casos de Alaska y
9 Canadá, la temperatura es uno de los factores que afectan el desempeño de los diferentes consorcios microbianos en lo referente a la degradación de los hidrocarburos. De la misma manera la presencia de nutrientes, permite que los microorganismos desempeñen una labor más efectiva y dependiendo de las características del lugar contaminado, se debe determinar que metodología es más adecuada para realizar el tratamiento (in situ o ex situ).
Colombia tiene como desafío descontaminar las diferentes zonas que se han visto afectadas por el petróleo y se están desarrollando diferentes estudios en este tema, así como en los diferentes países petroleros del mundo, ya que la prioridad es preservar el medio ambiente y descontaminar aquellas zonas que se han visto afectadas por las diferentes actividades petroleras. Y el método empleado para solucionar esto debe ser amigable con el ambiente, de bajo costo y alta efectividad para poder ser útil en esta misión. Con esto en cuenta, la bioremediación es una solución viable sin embargo se debe seguir desarrollando ya que los niveles de remoción que presenta son muy bajos en comparación con la alta cantidad de contaminantes que aún se quedan en el ambiente una vez empleado este procedimiento.
Por último, uno de los grandes desafíos que enfrenta esta metodología es entender la contribución biológica en el efecto de la bioremediación y su impacto en el ecosistema, para así poder desarrollar tecnologías más seguras y confiables [40].
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