Vol. 22, núm. 2

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Ingeniería hidráulica en México, vol. XXII, núm. 2, pp. 113-118, abril-junio de 2007

Biorremediación de agua doméstica

contaminada con aceite residual automotriz

David García-Hernández Carlos Rubén Sosa-Aguirre Juan Manuel Sánchez-Yáñez

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México

Un problema ambiental grave en México y el mundo es la contaminación de agua doméstica con derivados de hidrocarburos (HC), como el aceite residual automotriz (ARA). La bioestimulación de los microorganismos nativos de ese sitio por el enriquecimiento con nutrientes esenciales puede inducir la mineralización de los HC del ARA. En el presente trabajo se evaluó la bioestimulación de la micro-biota nativa del agua doméstica de un taller de lavado y engrasado de automóviles, enriquecida con una solución mineral (SM), la que aumentó la producción de CO2en treinta veces, al mineralizar los

HC alifáticos del ARA de entre C11-C20hasta en un 96% en 21 días, en comparación con el agua

usa-da como control. En conclusión, la bioestimulación es viable como estrategia de recuperación de agua doméstica contaminada con ARA.

Palabras clave:bioestimulación, alifáticos, microbiota, sales minerales.

Antecedentes

La contaminación de agua con mezclas complejas de HC, producto de la industria petroquímica como el ARA, es un problema que requiere una pronta solución, en es-pecial por la creciente escasez de agua. En México, el ARA es generado durante el ciclo de lubricación de mo-tores de automóviles y cambio de aceite que se arroja al drenaje en los talleres mecánicos, lo que causa la con-taminación de agua superficial y de los acuíferos (Ubi-ratan, 2002), a pesar de que la normatividad de la Se-cretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (Semarnat) obliga a su confinamiento, según la Ley Ge-neral del Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente (1996) y la NOM-055-ECOL-(Semarnat, 1996; Sedesol/ INE,1993).

El ARA es una mezcla de HC: alifáticos, aromáticos, policíclicos, clorohalogenados y metales pesados (Pot-ter y Simmons, 1998). Algunos de éstos son tóxicos en el ambiente y/o mutagénicos para cualquier forma de vida (Glazer y Nikaido, 1998).

Una alternativa de solución para minimizar su negati-vo impacto ambiental es la bioestimulación de suelos y aguas contaminados con HC por enriquecimiento con nutrientes esenciales con base en nitrógeno y fósforo

que inducen a los microorganismos nativos de esos am-bientes a la mineralización de los HC (Atlas, 1997; Duar-te y Gomes-Ferreira, 2000; Márquez-Rocha et al., 2001). Así, la bioestimulación se ha usado con éxito en la elimi-nación de HC contaminantes de sedimentos marinos (Röling et al., 2002).

En general, en el ambiente, la inducción de la activi-dad biológica natural con nutrientes para la mineraliza-ción de los HC está ampliamente documentada (Piehler y Paerl, 1996; Margesin y Schinner, 2001). No obstante, existen pocos reportes sobre la biorremediación de agua doméstica con ARA. Al respecto, un factor limitante en la eliminación de ese tipo de HC es la concentración del oxígeno disponible (Atlas, 1997; Plohl et al., 2002), mien-tras que la solubilidad de los HC determinan su disponi-bilidad a los agentes biológicos. En general, se reporta que tanto la adición de oxígeno como de un detergente a baja concentración aumenta la solubilidad de los HC y favorece su oxidación por vía biológica (Mahro et al., 2001; Christofi e Ivshina, 2002; Wongsa et al., 2004). Sin embargo, sobre la dinámica de la biorremediación de agua contaminada con ARA, la información es mínima. Los objetivos de este proyecto fueron los siguientes: a) establecer el efecto de una solución mineral sobre los consorcios microbianos en agua doméstica en la

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García-Hernández, D. et al., Biorremediación de agua doméstica contaminada con aceite residual automotriz

ralización de HC alifáticos del ARA; b) determinar la den-sidad de los microorganismos oxidadores de HC alifáti-cos e identificar los dominantes; c) evaluar el efecto de una solución mineral y del H2O2sobre la microbiota

na-tiva oxidante de HC alifáticos del ARA; d) analizar el efec-to de consorcios microbianos y un extracefec-to fúngico de Pleurotus floridaen la eliminación de hidrocarburos aro-máticos del ARA en agua doméstica, y e) demostrar que cultivos axénicos y mezclas de microorganismos del agua doméstica tienen capacidad de mineralizar HC ali-fáticos del ARA.

El presente trabajo describe los resultados de la biorremediación de la microbiota del agua doméstica con ARA mediante enriquecimiento con una SM.

Materiales y métodos

Agua doméstica enriquecida con la SM

En esta etapa del trabajo se utilizaron como microcos-mos matraces Bartha de 500 ml con 100 ml de ARA dilui-do 1:100, procedente de un taller de lavadilui-do y engrasadilui-do de automóviles, que se enriquecieron con una SM: 28 mM K2HPO4, 29 mM KH2PO4, 25 mM MgSO4, 125 mM

NH4NO3, 10 mM CaCO3, 26 mM KCl, 3 mM ZnSO4, 3 mM

CuSO4, 1.3 mM FeSO4, 21 mM EDTA, pH 6, 0.01% (p/v)

de tween 20, como se describe previamente (Leal, 2003), matraces tipo Bartha se agitaron a 100 rpm y se incubaron a 30º C durante tres semanas, luego se deter-minó la mejor temperatura y tiempo de la biorremedia-ción del agua con ARA mediante un gradiente de

tem-peratura sobre los microorganismos nativos a la máxima mineralización de los HC alifáticos del ARA en agua do-méstica, medido por la liberación de CO2. En el cuadro 1

se indica el diseño experimental usado en esta etapa del trabajo, en el que se explica que los controles experimen-tales utilizados fueron un matraz Bartha con agua domés-tica con ARA diluida sin la SM, como relativo; un matraz con agua destilada enriquecido con la SM, como absolu-to, y un matraz con agua doméstica con ARA diluida con la SM, esterilizado a 121º C/15 min, como un control estéril. Para cuantificar la producción de CO2, en uno de

los brazos del matraz Bartha se agregaron 10 ml de 0.1N KOH cada 24 horas durante 21 días; se determinó por titulación con 0.1 N HCl el alcali remanente (Leal, 2003). Análisis de los hidrocarburos alifáticos del ARA en el agua doméstica

En el caso de la técnica empleada para la medición de la desaparición de los HC del ARA en el agua doméstica se usó un cromatógrafo de gases Hewlett-Packard serie 6890, acoplado a un espectrofotómetro de masas serie 5792 A, con una columna capilar HP-5MS de 30 m de longitud, con un diámetro interno de 0.25 mm y un espe-sor de película de 0.25 mm. La inyección fue modo split, el gas de acarreo fue helio, con velocidad de flujo de 37 cm·seg-1_{, la temperatura del horno fue de 40º C por}

ocho minutos, con un incremento a 180º C, a velocidad de 6º C·min-1_{, la temperatura del inyector fue de 250º C,}

acorde con el método modificado de Plohl et al., 2002.

Resultados y discusión

El ARA es una mezcla compleja de HC alifáticos, aromá-ticos, aromáticos policíclicos, halogenados y metales pesados, entre otros componentes (Potter y Simmons, 1998). En esta investigación se analizó específicamente el efecto de una SM en la bioestimulación de la microbio-ta del agua doméstica en la mineralización de los HC ali-fáticos del ARA.

En la ilustración 1a se muestra el perfil de los com-puestos desde 12 hasta 20 átomos de carbono de los HC del ARA, previo a su oxidación por bioestimulación de la microbiota nativa del agua doméstica, en donde se observó que la biorremediación fue dependiente del equilibrio nutricional con base en el nitrógeno, el fósforo de la SM y el carbono orgánico disponible de los HC del ARA (Atlas, 1997; Atlas y Bartha, 2004). En la ilustración 1c se presenta el efecto del enriquecimiento de la SM sobre los consorcios microbianos que estimuló drástica-mente la mineralización de esos HC alifáticos del ARA con cadenas entre 11-20 carbonos; mientras que en la

Cuadro 1. Diseño experimental para determinar el efecto del enriquecimiento con una solución mineral sobre la microbiota nativa del agua doméstica en la mineralización de los HC del ARA.

Factores Tratamientos

Muestra Control Control Control problema relativo estéril absoluto

ARA* * *

ARA estéril *

Agua destilada *

Sol mineral** * * *

Tween20: 0.01% * * * *

Agitación: 100 rpm * * * *

* ARA: agua doméstica con aceite residual automotriz.

** Sol. mineral: 28 mM K2HPO4, 29 mM KH2PO4, 25 mM MgSO4, 125 mM

NH4NO3, 10 mM CaCO3, 26 mM KCI, 3 mM ZnSO4, 3 mM CuSO4, 1.3 mM FeSO4,

21 mM EDTA, pH6, 0.01% (p/v) de tween20.

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ilustración 1b se muestra que sin la adición de la SM, la microbiota en el agua doméstica no fue estimulada para la oxidación de los HC del ARA, ello sugiere que tampo-co hubo una degradación abiótica de la mezcla de los alifáticos. Estos resultados fueron concordantes con los reportados por Plohl et al.(2002) sobre el efecto de la bioestimulación con una SM de la cepa AL-12 aislada de un depósito de materia orgánica en Eslovenia en la mineralización de HC alifáticos en un medio de cultivo acuoso en el laboratorio, en donde no se detectó la de-gradación abiótica de los alifáticos. En la ilustración 2 se

presenta que entre los consorcios microbianos del agua doméstica existe una evidente diversidad bioquímica, ya que se eliminaron los HC alifáticos del ARA de cadenas de entre 11-20 carbonos en un 96% en los 21 días de du-ración del experimento. Lo que reafirma lo anterior, es que en esta condición del ensayo, los alifáticos de cade-na corta de entre C11 y C12 se oxidaron en un 100%,

mientras que los HC alifáticos restantes dominantes, el hexadecano, el heptadecano y el octadecano, se mine-ralizaron en un 96%.

Abundancia

Tiempo 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 C13 C14C15

C16 C17

C18 C19 C20 Abundancia

Tiempo 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 C13 C14 C15 C16C17 C18 C19 C20 c) b) 1,600,000 1,500,000 1,400,000 1,300,000 1,200,000 1,100,000 1,000,000 900,000 800,000 700,000 600,000 500,000 400,000 300,000 200,000 100,000 0 Abundancia

Tiempo 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 C13 C14 C15 C16C17 C18 C19 C20 a) C12 C11 C12 C11 1,600,000 1,500,000 1,400,000 1,300,000 1,200,000 1,100,000 1,000,000 900,000 800,000 700,000 600,000 500,000 400,000 300,000 200,000 100,000 0 1,600,000 1,500,000 1,400,000 1,300,000 1,200,000 1,100,000 1,000,000 900,000 800,000 700,000 600,000 500,000 400,000 300,000 200,000 100,000 0

Ilustración 1. Perfil cromatográfico del efecto de la bioestimula-ción de una solubioestimula-ción mineral sobre la microbiota del agua do-méstica en la mineralización de los HC alifáticos del aceite resi-dual automotriz; (a) control al tiempo 0 del experimento sin SM, (b) muestras a los 21 días sin SM, y (c) con SM (c). C11-C20 = hidrocarburos alifáticos de 11 hasta veinte átomos de carbono.

%HC alifáticos residuales del ARA 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20

ARA sin SM ARA + SM

Ilustración 2. Efecto de la bioestimulación con una solución mineral sobre la microbiota para la eliminación de los HC alifáti-cos en el agua doméstica con aceite residual automotriz. Estas mediciones fueron tomadas al final del tratamiento de 21 días.

mmoles CO2/ml

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

ARA + agua ARA + tween 20 ARA + SM Agua + SM ARA estéril + SM

a

b

cc c

Ilustración 3. Efecto del enriquecimiento con una SM sobre la microbiota nativa en la producción de CO2por la mineralización

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En la ilustración 3 se muestra que la microbiota del agua doméstica enriquecida con la SM oxidó los HC alifáticos del ARA, lo cual se midió indirectamente por la producción de CO2, que alcanzó una máxima

concentra-ción de 3.5 mmoles·ml-1_{, en contraste con la microbiota}

en el agua doméstica que, sin enriquecer con la SM, no oxidó esos HC del ARA; en consecuencia, la generación de CO2 fue apenas de 0.56 mmoles·ml-1. Estos datos

fueron consistentes con los obtenidos por el análisis de cromatografía de gases acoplado a masas, que mostra-ron la desaparición de los HC alifáticos cuando el agua doméstica se enriqueció con la SM, lo cual hace eviden-te que la biorremediación (eliminación de los HC) de esta clase de agua requiere de un equilibrio nutricional que la SM proporcionó a la microbiota para la minerali-zación de los HC del ARA.

Conclusión

La microbiota del agua doméstica, estimulada con el en-riquecimiento de la SM, mineralizó los HC alifáticos del ARA, probablemente porque favoreció el equilibrio de nutrientes en la relación N, P, C, pues en esta condición experimental no se observó degradación del ARA en el agua doméstica sin tratar con la SM, como tampoco por procesos abióticos. Estos resultados apoyan que la bio-estimulación es una estrategia viable en el tratamiento de agua doméstica contaminada con aceite residual au-tomotriz, al comprobarse una mineralización de más del 95% de los HC alifáticos.

Los resultados referentes a los otros objetivos seña-lados en esta investigación serán dados a conocer en un siguiente artículo, actualmente en preparación.

Agradecimientos

Al proyecto 2.7 de la CIC-UMSNH (2005-2006) por el apoyo para la realización de esta investigación. Agradecemos la valiosa participación de la bióloga Yolanda García Rodríguez en el análisis de HC alifáticos.

Recibido: 25/01/2006 Aprobado: 16/11/2006

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Abstract

GARCÍA-HERNÁNDEZ, D., SOSA-AGUIRRE, C.R. & SÁNCHEZ-YÁÑEZ, J.M. Bioremediation of domestic sewage polluted with waste motor oil.Hydraulic engineering in Mexico(in Spanish). Vol. XXII, no. 2, April-June, 2007, pp. 113-118.

One of the greatest environmental problems in Mexico and the world is pollution of domestic sewage with hydro-carbon derivatives (HC), such as waste motor oil (WMO). Sewage enrichment with essential nutrients for native microbes or biostimulation induces the mineralization of WMO. This paper evaluates bioestimulation on sewage from car wash and paint workshops enriched with a mineral solution (MS). Sewage microbiote biostimulated with MS increased CO2production 30 times when compared with control water by mineralizating up to 96% of

aliphat-ic HC C11-C20from WMO in 21 days. In conclusion, biostimulation is a viable strategy for waste water treatment

polluted with WMO.

Keywords:biostimulation, aliphatic HC, microbiote, mineral salts.

Dirección institucional de los autores:

M.C. David García-Hernández

Estudiante de doctorado.

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas, Laboratorio de Microbiología Ambiental,

Ciudad Universitaria, edificio B-3, 58060 Morelia, Michoacán, México, teléfonos: + (52) (443) 326 5788 y 323 4605,

fax: + (52) (443) 326 5788, [email protected], [email protected]

Dr. Carlos Rubén Sosa-Aguirre

Profesor investigador.

Ciudad Universitaria, edificio B-3, 58060 Morelia, Michoacán, México, teléfonos: + (52) (443) 326 5788, extensión 121,

fax: + (52) (443) 326 5788, [email protected]

Dr. Juan Manuel Sánchez-Yáñez

Profesor investigador.

Ciudad Universitaria, edificio B-3, 58060 Morelia, Michoacán, México, teléfonos: + (52) (443) 326 5788, extensiones 109 y 128,