i
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
CARATULA
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
TECNOLOGÍAS AMIGABLES CON EL AMBIENTE PARA LA RECUPERACIÓN DE SUELO URBANO CONTAMINADO POR
HIDROCARBUROS EN UN TALLER MECÁNICO, CHILCA PRESENTADA POR:
ELIZABETH GUISELLA MACHUCA MANRIQUE PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
Huancayo – Perú
2021
ii
iii
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
HOJA DE FIRMAS
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
ELIZABETH GUISELLA MACHUCA MANRIQUE PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBADA POR EL JURADO SIGUIENTE:
PRESIDENTE: _______________________________
Dr. Orlando A. Vilca Moreno
SECRETARIO: _______________________________
Ms. Jaime B. Vera Rodríguez
PRIMER MIEMBRO: _______________________________
Dr. Pascual Víctor Guevara Yanqui
SEGUNDO MIEMBRO: _______________________________
Dr. Iván Luis Osorio López
TERCER MIEMBRO: _______________________________
Dr. Elías A. Sanabria Pérez
ASESOR: _______________________________
Dr. Pascual Víctor Guevara Yanqui
Huancayo, 09 de Julio del 2021
TECNOLOGÍAS AMIGABLES CON EL AMBIENTE PARA LA RECUPERACIÓN DE SUELO URBANO CONTAMINADO POR
HIDROCARBUROS EN UN TALLER MECÁNICO, CHILCA
iv
DEDICATORIA
A mis padres Mariano y Litita por el amor a sus hijos y sus enseñanzas.
A mi esposo Jacinto mi compañero incondicional.
A mis hijos, Rosalind y Edsel mis grandes tesoros y fuente de motivación para seguir adelante.
A mi comunidad que me inspira a dar lo mejor de mí.
v
AGRADECIMIENTO
Quiero expresar mi agradecimiento a la Unidad de postgrado de la facultad de Química de la UNCP, a los docentes de la Maestría de Ingeniería Ambiental por haberme guiado durante mi formación como maestra, al Dr. Pascual Guevara Yanqui por el asesoramiento de investigación y a los Doctores Iván L. Osorio López y Elías A. Sanabria Pérez por su valioso apoyo en la corrección del informe de tesis.
Así mismo, mi gratitud a los talleres mecánicos de la localidad de Chilca y en especial a la mecánica Automotriz UNIÓN por las facilidades brindadas para el muestreo e información brindada.
vi
INDICE GENERAL
Contenido
CARATULA ... i
HOJA DE FIRMAS ... iii
DEDICATORIA ... iv
AGRADECIMIENTO ... v
INDICE GENERAL ... vi
ÍNDICE DE FIGURAS ... xi
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
INTRODUCCIÓN ... 14
CAPITULO I ... 17
MARCO TEÓRICO ... 17
1.1 Antecedentes de la investigación ... 17
1.2 Bases teóricas o conceptuales... 25
1.2.1 Hidrocarburos Totales de petróleo (HTP) ... 25
1.2.2 Intereses económicos sociales ... 27
1.2.3 Contaminación de suelos por hidrocarburos ... 29
1.2.4 Fuentes de contaminación de suelos por hidrocarburos ... 30
1.2.5 Los hidrocarburos y el sistema suelo ... 31
1.2.6 Efectos de los hidrocarburos en la fauna y flora ... 33
1.2.7 Efecto de los hidrocarburos en los seres humanos ... 34
1.2.8 Tecnologías de recuperación para suelos contaminados por hidrocarburos ... 35
1.2.8.1 Técnicas biológicas ... 35
1.3 Definición de términos básicos... 55
1.4 Hipótesis de la investigación ... 58
1.4.1 Hipótesis General ... 58
1.4.2 Hipótesis específicas ... 58
1.5 Operacionalización de las variables ... 10
vii
CAPITULO II ... 60
DISEÑO METODOLÓGICO ... 60
2.1Tipo y nivel de investigación ... 60
2.2 Métodos de investigación ... 60
2.2.1 Método general ... 60
2.2.2 Método específico ... 61
2.3 Diseño de investigación ... 61
2.3.1 Estrategia de prueba de hipótesis... 63
2.4 Población y muestra ... 63
2.4.1 Población ... 63
2.4.2 Muestra ... 64
2.4.3 Técnica de muestreo ... 65
2.5 Técnicas e instrumentos de recopilación de datos... 66
2.5.1 Técnicas ... 66
2.5.2 Instrumentos de recolección de datos ... 66
2.5.3 Procedimiento experimental ... 67
2.6 Técnica de procesamiento de datos ... 69
CAPITULO III ... 71
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 71
3.1 Contrastación de hipótesis ... 71
3.2 Análisis e interpretación ... 73
3.2.1 Caracterización físico-química del suelo ... 73
3.2.2 Contenido de Hidrocarburos Totales de Petróleo (HTP) del suelo antes del experimento ... 73
3.2.3 Caracterización físico-química del vermicompost ... 74
3.2.4 Hidrocarburos Totales de Petróleo (HTP) del suelo al final del experimento ... 74
3.2.5 Características físicas del suelo al final del experimento ... 75
3.2.6 Emergencia de plántulas de haba... 76
3.2.7 Emergencia de plántulas de cebada ... 76
3.2.8 Características morfológicas de Vicia faba L. y Hordeum vulgare L. ... 77
3.3 Discusión ... 80
CONCLUSIONES ... 90
viii
RECOMENDACIONES ... 91 REFERENCIA BIBLIOGRAFÍCA ... 92 ANEXOS ... 106
ix
INDICE DE TABLAS
Nº Contenido Página
1 Fracciones de la destilación fraccionada de un crudo de petróleo 28
2 Plantas fitorremediadoras del petróleo y sus derivados……… 48
3 Operacionalización de las variables……… 59
4 Esquema de los tratamientos .………... 62
5 Ubicación geográfica del lugar de muestreo………….……… 64
6 Profundidad del muestreo según el uso del suelo……….….. 65
7 Método de análisis físico-químico del suelo………. 67
8 Método de análisis de HTP en el suelo………. 67
9 Propiedades del suelo contaminado evaluado………. 73
10 Concentración de hidrocarburos totales de petróleo del suelo ……. 73
11 Propiedades del vermicompost o humus de lombriz………..…. 74 12 Tasas de degradación de HTP en el suelo contaminado según
tecnologías ………....
74
13 Tasas de degradación de HTP en el suelo según dosis de vermicompost ………...
75
14 Variación de la densidad aparente del suelo según niveles de vermicompost ….………..
75
15 Variación de la porosidad del suelo según niveles de vermicompost 76 16 Variación de la emergencia de plántulas de haba (Vicia faba L.)
según niveles de vermicompost ………
76
17 Variación de la emergencia de plántulas de cebada (Hordeum vulgare L.) según niveles de vermicompost………. ………
76
18 Variación de la altura de la planta de haba (Vicia faba L.) según niveles de vermicompost……….
77
19 Variación del tamaño de raíz de la planta de haba (Vicia faba L.) según niveles de vermicompost……….………
77
20 Variación del número de hojas de la planta de haba (Vicia faba L.) según niveles de vermicompost……….…………..
78
21 Variación de la biomasa seca aérea de la planta de cebada (Hordeum vulgare L.) según niveles de vermicompost ….………….
78
x
22 Variación de la biomasa seca radicular de la planta de cebada (Hordeum vulgare L.) según niveles de vermicompost ……..………
79
23 Variación del número de macollos de la planta de cebada (Hordeum vulgare L.) según niveles de vermicompost ………
79
24 Variación de la altura de la planta de cebada (Hordeum vulgare L.) según niveles de vermicompost. ….………
79
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
N° Contenido Página
1 Principales compuestos del petróleo: No hidrocarburos e hidrocarburos………
27
2 Comportamiento físico del contaminante orgánico HTP dentro de los suelos………..
29
3 Biodisponibilidad del contaminante y extractabilidad a través del tiempo de contacto en el suelo………..
30
4 Destino de los hidrocarburos en el suelo………. 32
5 Rutas aeróbicas y anaeróbicas involucradas en los mecanismos de activación de hidrocarburos……….. 38 6 Cultivo de haba……… 51
7 Periodo vegetativo del cultivo de haba (Vicia faba L.)... 51
8 Fases fenológicas de la cebada (Hordeum vulgare L.)………. 52
9 Ubicación del lugar del muestreo del suelo ………. 65
10 Partición de muestras……….. 66
xii
RESUMEN
La investigación determinó la influencia del vermicompost como fuente alterna de nutrientes en las tecnologías biológicas de landfarming (a1), fitorremediación con Vicia faba L.(a2) y fitorremediación con Hordeum vulgare L., (a3) para la recuperación de suelo urbano contaminados con hidrocarburos en un taller mecánico del distrito de Chilca, provincia de Huancayo, región Junín. La contaminación fue el resultado de los derrames accidentales en las labores de la Mecánica UNION por más de 20 años y su concentración de hidrocarburos totales de petróleo (HTP) fue de 43386.7 mg/kg de suelo. El experimento se realizó en invernadero con un diseño factorial de 32; se evaluó 2 factores, 3 niveles para cada uno y tres repeticiones por tratamiento haciendo un total de 27 unidades experimentales. Para el experimento se utilizó la muestra de la capa superficial del suelo urbano y se condujo por 90 días. Los resultados mostraron reducciones de (HTP) en 87.63% para (a1), 82.88% para (a2) y 74.4% para (a3). La dosis de 50% vermicompost fue responsable del 69.59% de las reducciones de HTP, mientras que la dosis de 30% del 44.38%. Así mismo, disminuyó la densidad aparente del suelo, mientras que la porosidad se incrementó. Las características morfológicas de haba y cebada se intensificaron debido a la aplicación de vermicompost.
En conclusión, vermicompost contribuyó en la degradación de HTP, mejoró las propiedades físicas e incrementó las características morfológicas de las plantas utilizadas.
Palabras clave: hidrocarburos, contaminación de suelo, degradación
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ABSTRACT
The research determined the influence of vermicompost as an alternative source of nutrients in the biological technologies of landfarming (a), phytoremediation with Vicia faba L.(b) and phytoremediation with Hordeum vulgare L. (c), for the recovery of urban soil contaminated with hydrocarbons in a mechanical workshop of the district from Chilca, Huancayo province, Junín region. The contamination was the result of accidental spills in the chores of UNION Mechanics for more than 20 years and its concentration of total petroleum hydrocarbons (HTP) was 43386.7 mg/kg of soil. The experiment was carried out in a greenhouse with a factorial design of 32; 2 factors were evaluated, 3 levels for each one and three repetitions per treatment making a total of 27 experimental units. For the experiment, the sample of the urban soil surface layer was used and it was conducted for 90 days. The results showed reductions of HTP in 87.63% for (a), 82.88% (b) and 74.4% for (c). The 50% vermicompost dose was responsible for 69.59% of the HTP reductions, while the 30% dose was 44.38%. Likewise, the apparent density of the soil decreased, while the porosity increased. The morphological characteristics of beans and barley were intensified due to application of vermicompost. In conclusion, vermicompost contributed to the degradation of HTP, improved the physical properties and increased the morphological characteristics of plants used.
Keywords: Hydrocarbons, soil contamination, degradation
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INTRODUCCIÓN
La degradación de suelos por hidrocarburos es una problemática mundial;
en el Perú, la industria nacional de hidrocarburos viene desempeñando un rol importante en la economía y generación de energía; está presente en todas las actividades industriales y en otras cotidianas. Según el Ministerio de Energía y Minas (MINEM) y el Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería (OSINERMIN), quien es el ente rector del sector hidrocarburos en nuestro país, asegura que la demanda de hidrocarburos se concentró en el sector de transporte con un 68% de petróleo crudo y 24.2% de líquidos de gas natural (Tamayo Pacheco, 2017).
En la región Junín, el flujo vehicular se ha ido incrementándose entre vehículos ligeros y pesados en el periodo 2016-2018, según el Instituto de Estadística e Informática (INEI) (Diario Gestión, 2018), generando un crecimiento de las actividades relacionadas al transporte como lavado del motor, engrase del sistema de dirección y articulación, llenado de aceite en dirección y transmisión, cambio de aceite y filtro de motor, sustitución de filtro de gasolina, renovación de autopartes, revisiones, mantenimiento entre otros; los derrames y residuos de gasolina, diésel, aceites, grasas, anticongelantes etc., de las labores realizadas van directamente al suelo generando la contaminación de este.
La contaminación del suelo debido a productos derivados del petróleo destruye la estructura del suelo, impiden el intercambio gaseosos con la atmósfera, tienden a acumularse al unirse firmemente sobre las partículas del suelo (Abdel- Moghny, Mohamed, Sayed, Mohammed, & Gamal, 2012), forma una capa hidrofóbica disminuyendo la permeabilidad lo que garantiza su permanencia en estos lugares por mucho tiempo, induce la fragmentación de los agregados (Díaz- Martinez, Ferrera-Cerrato, Almaraz-Suarez, & Garcia-Barradas, 2013), (Akunwumi et al 2014); perdida de nutrientes tales como potasio, sodio, azufre, fosforo y nitrógeno (Serrano, Torrado, & Pérez, 2013), pero no solo impacta la pedósfera sino también la atmósfera e hidrosfera
Su biodegradabilidad genera graves riesgos para la salud cuando está expuesto al ambiente (kathi y Khan 2011). Los compuestos poli aromáticos presentes en el diésel y en petróleo crudo son calificados potencialmente
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carcinogénicos para una extensa variedad de organismos entre los que se encuentran los mamíferos superiores (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos de América [USEPA], 2019). Puede ingresar a los seres vivos a través del intercambio de gases con el medio externo, roce con la piel e ingesta; degradando la función normal del hígado y riñón (Shuguang, y otros, 2017)
El suelo es considerado un recurso no renovable en el curso de una vida humana. Sin embargo, es el principal depósito de los hidrocarburos de petróleo y sus derivados, las fuentes de contaminación son con frecuencia plantas industriales, vertederos de residuos peligrosos, estaciones de gasolina, estaciones de servicio de automóviles, tráfico urbano y residencial que aumenta la carga de HTP al suelo. Se ha reportado concentraciones de hidrocarburos de petróleo altas en los suelos urbanos y carreteras, mientras concentraciones muy altas son para viejos sitios de obras de gas (Anuluxshy Balasubramaniyan, 2015).
Actualmente el distrito de Chilca, cuya área es de 28.04 Km2 tiene una población de 183 702 habitantes, es uno de los distritos con mayor población y actividad económica del departamento de Junín (Instituto Nacional de Estadística e Informática [INEI], 2018), cuenta con 109 establecimientos de talleres mecánicos, ubicados en la zona comercial y residencial, algunos formales pero la gran mayoría de ellos son informales, 17 cuentan con piso de cemento y 92 son de tierra y su antigüedad alcanza para algunos los 20 años.
La remediación de antiguos sitios industriales o de servicios donde se hizo uso de este tipo de contaminantes, es necesario para satisfacer la demanda de viviendas urbanas, oficinas y espacios de ocio (Cmkovic, Ristic, & Antonovic, 2006), es beneficioso para el ambiente en general reducir estos riegos tóxicos causados por los hidrocarburos de petróleo. Existen diferentes alternativas, siendo las menos invasivas las técnicas biológicas como la fitorremediación (uso de plantas) y landfarming (cultivo de suelos petroleros) consideradas no convencionales, estás son atractivas por su bajo costo económico y beneficio de la mineralización del contaminante en dióxido de carbono y agua (Anuluxshy Balasubramaniyan, 2015).
Sin embargo, estos suelos plantean desafíos para el desarrollo y anclaje de las raíces de las plantas, además el estrés hídrico, la toxicidad química, la impedancia mecánica y la deficiencia de nutrientes (Siciliano & Germida, 2003) (Merkl,
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Schultze-Kraft, & Infante, 2005). Las plantas tienen que superar estos desafíos para crecer en condiciones estresantes para que la fitorremediación sea un éxito.
Mientras que el cultivo de suelos petroleros requiere ciertas condiciones del suelo, del contaminante, del ambiente y de su biodisponibilidad.
La materia orgánica tiene elevado poder adsorbente; en virtud a sus cargas eléctricas, influyen en la movilidad de los contaminantes; mientras que, los hidrocarburos están adsorbido o complejados, carece de movilidad y la microbiota del suelo no lo puede utilizar. La adición de enmienda orgánica como el vermicompost a estos suelos con limitaciones, mejora sus propiedades;
consecuentemente influye en la accesibilidad de los contaminantes, crecimiento de las plantas, disminución de la fitotoxicidad de los HTP, impacto positivo en las poblaciones microbianas del suelo, descompactación del suelo, modificación de la macro porosidad e incremento de la infiltración del agua, lo cual se traduce en mayores tasas de remediación.
El objetivo central de la investigación fue determinar el efecto de vermicompost en las tecnologías biológicas de landfarming, fitorremediación con Vicia faba L. y fitorremediación con Hordeum vulgare L. en la recuperación de un suelo urbano contaminado con hidrocarburos producto de la actividad de la mecánica automotriz. Para ello la investigación se dividió en 3 capítulos. El capítulo I, detalla los antecedentes de la investigación, es decir las investigaciones que antecedieron con respecto al tema, marco teórico, las hipótesis planteadas y la operacionalización de las variables. Capítulo II, presenta el método, diseño, los tratamientos utilizados en la investigación; como también, la población y muestra. Finalmente, el Capítulo III, presenta los resultados de la caracterización inicial del suelo, la enmienda orgánica, así como la concentración de (HTP). Por otro lado, se muestra los análisis de resultados del efecto de vermicompost en las concentraciones de HTP y se demuestra la hipótesis planteada.
CAPITULO I MARCO TEÓRICO 1.1 Antecedentes de la investigación
Khan, Kumar, Kumar, & Patel, (2013), investigadores de la ciudad de Gujarat, India evaluaron las propiedades fisicoquímicas, la concentración de metales pesados y las comunidades de hongos de las muestras de la capa superficial del suelo tomadas de un antiguo garaje contaminado con gasolina por 15 años y de un jardín no contaminado usado como control en Anand, Gujarat, India. 10 muestras fueron colectadas al azar de ambos lugares hasta la profundidad de 0.5 m, se mezclaron, homogenizaron y se extrajo una muestra representativa del suelo contaminado y otro del control para ser analizados. Las concentraciones totales de hidrocarburos de petróleo fueron de 11 500 y 142,65 mg/kg para suelos contaminados con gasolina y no contaminados, respectivamente. La contaminación fue asociada con el incremento del carbono orgánico del suelo, nitrógeno y arcilla (2.77, 0.58 y 35.70%, en comparación con 1.50, 0.15 y 32.4% en el suelo del jardín, respectivamente), es decir, un mayor contenido de nutrientes orgánicos e inorgánicos. También se evidenciaron una mayor concentración Cd, Cu, Fe, Zn y Pb (metales pesados) en el suelo contaminado. Nueve especies de hongos nativos perteneciente a un total de seis géneros fueron identificadas en el suelo contaminado. Los cambios creados por la contaminación con gasolina resultaron
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en la intensificación de la conductividad eléctrica (CE), pH, crecimiento de hongos e índices de fertilidad del suelo.
Hazen, y otros, (1999), tuvieron como objetivo biodegradar 3,300 m3 de suelos impactados por lodos de petróleo ácidos con una concentración de (HTP 30,000ppm) en el sur de Polonia. El estudio, utilizó un diseño de biopila que empleó una combinación de aireación pasiva y activa junto con la aplicación de nutrientes (P y N), agua y luego labrando para airear (oxigenar) y aumentar la biodegradación de los contaminantes de interés. A lo largo de 20 meses, un promedio del 81% (120 toneladas métricas) de HCP se biodegradaron. A pesar del hecho de que el material tratado fue altamente degradado y muy ácido, lograron tasas de biodegradación de 121 mg/Kg de suelo/día para el tratamiento con aireación activa y 82 mg/Kg de suelo/día para el tratamiento pasivo.
Besalatpour A. , Hajabbasi, Khoshgoftarmanesh, & Dorostkar, (2010), investigadores de la Universidad Tecnológica de Isfahan, evaluaron dos suelos contaminados con petróleo: suelo contaminado con petróleo a partir de desperdicios de aceite de tierra de relleno (S1) y tierras agrícolas contaminadas con petróleo (S2) utilizando la técnica de laboreo y su efecto en las propiedades biológicas y químicas. Para la investigación, utilizaron parcelas para cada suelo contaminado (S1 y S2) y se aplicó landfarming (cultivo de tierras) y otras parcelas de control (sin operaciones de cultivo), cada tratamiento tuvo 3 repeticiones. Los tratamientos de cultivo de tierras fueron regados a capacidad de campo y aireados cada 3 días; mientras los de tratamiento control no se irrigo ni aéreo; todos los tratamientos se condujeron en condiciones naturales es decir sin adición de nutrientes. Por otro lado, el experimento fue conducido por 4 meses. Los resultados mostraron eliminaciones entre 50 y 57% del contenido de hidrocarburos de los suelos S1 y S2 (cultivo de tierras) al final del experimento. Los procesos de laboreo de la tierra mejoraron la tasa de respiración microbiana en los suelos. Los valores microbianos de biomasa-nitrógeno en las parcelas de laboreo con aireación y humectación fueron significativamente más alto (P<0.05) que en las parcelas de control (sin aeración y humectación). La actividad de la ureasa aumento en un 21,45, 26 y 23% en las parcelas aireadas y humectadas en comparación a las de control. También hubo cambios en los valores de pH entre el suelo labrado y el suelo control. La conductividad eléctrica del suelo en las
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parcelas fue menor que en los controles. La materia orgánica total y nitrógeno total de las parcelas de laborero con aireación y humectación fueron significativamente menores en comparación con las parcelas control. La aireación y exposición de las capas del suelo a la luz solar facilitaron la degradación de los hidrocarburos de petróleo.
Brown D. , y otros, (2017), llevaron a cabo experimentos de landfarming a gran escala, 9 fueron los tratamientos con dos repeticiones, de los cuales 7 fueron combinaciones de diferentes enmiendas, un testigo absoluto (solo suelo) y otro testigo relativo (suelo y aceite sin enmienda), en el Delta del Níger, Nigeria, para estudiar la degradación del HCP en suelos extraídos de la zona ecológica de
“bosque de tierras bajas”. 25,000 kg de suelo fueron previamente contaminados con aceite crudo fresco (350 Kg). El suelo y el hidrocarburo se mezclaron y transfirieron en 18 conteiner de (1m x 1m x 0.7m) y se dejaron por 115 días. La investigación probó el efecto de la adicción de nutrientes, biosurfactantes, extracto de enzimas Eisenia fétida (lombriz de tierra), agentes de sorción y neutralización del suelo. Los resultados mostraron que estos tratamientos tuvieron éxito en la eliminación de hasta el 53% del total de hidrocarburos de petróleo en el suelo en 16 semanas. Una comparación entre los tratamientos demostró que la más efectiva fue las que se usaron todas las variantes frente a la que se adiciono solo fertilizante agrícola. La mejor estrategia para mejorar el rendimiento fue la combinación de nutrientes, biochar y biosurfactantes, la cual elimino 23% de (HTP) en comparación con el tratamiento del suelo contaminado con fertilizante agrícola. Sin embargo, cuando se consideraron los costos normalizados de rendimiento, este tratamiento se volvió menos atractivo como una opción correctiva. Sobre la base de este mismo análisis, concluyeron que el tratamiento con fertilizante era el más rentable. Como consecuencia, recomendaron que se use fertilizante para mejorar el landfarming de suelos contaminados con hidrocarburos en el Delta del Níger. Una correlación inversa entre la tasa de atenuación y el peso molecular de los hidrocarburos fueron observadas; las fracciones pesadas mostraron tasas de degradación mucho más lentas que las fracciones más ligeras. A pesar de esta diferencia el proceso de biorremediación resultó en la eliminación significativa de todos los compuestos de HTP independientemente del número de carbonos.
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Vouillamoz & Milke, (2001), agregaron compost a los suelos contaminados con diésel, para ello utilizaron 130 contenedores pequeños (200 g) en dos pruebas de detección. La investigación se realizó en un ambiente controlado usando las semillas del pasto ryegrass (Lolium perenne). Se tomaron muestras destructivas en varios momentos y se determinaron la masa vegetal y los hidrocarburos totales de petróleo. Los resultados indican que la presencia de diésel reduce el crecimiento del pasto, y el compost ayuda a aumentar la perdida de diésel de los tratamientos con y sin planta, aunque los tratamientos con planta conducen a niveles más bajos de diésel en comparación con los controles. Un segundo conjunto de experimentos indica que el compost incrementa la fitorremediación, independiente del efecto de dilución que tiene la adicción de compost. La conclusión de la investigación es que la labranza del compost en los suelos combinada con la siembra de césped parece ser una opción valiosa para la limpieza de suelos contaminados con petróleo.
Brown, Okoro, & Gils, (2017), evaluaron el potencial de aplicar un sistema mejorado de cultivo de tierras en el suelo impactado con diésel. Se utilizaron reactores de laboratorio para determinar las condiciones operativas óptimas del landfarming. Excepto por la frecuencia de labranza del suelo para el reemplazo de aire, agregaron diferentes aditivos en cada reactor para mejorar la eficiencia de la eliminación del hidrocarburo total de petróleo (HTP). Los aditivos usados en este estudio incluyeron compost de desechos de cocina, bacterias degradantes de hidrocarburos de petróleo (HP), cáscara de arroz y lodos activados. Las bacterias degradantes del HP se aislaron de los suelos contaminados con HP y el lodo activado se recuperó de una planta de tratamiento de aguas residuales que contenía HP en el efluente. Se agregaron bacterias y lodos degradantes de HP para aumentar la población y la diversidad microbiana. La cáscara de arroz se usó como agente de carga (relación de volumen de suelo a agente de carga = 3:1) para hacer que el suelo sea más permeable. El compost (relación volumen de suelo a compost = 3:1), se usó como enmienda orgánica para aumentar tanto la población microbiana como la porosidad del suelo. Los resultados indican que la tasa más alta de descomposición de HTP de primer orden y la relación de eliminación fueron aproximadamente 0.1/día y 92.4%, respectivamente, observadas en el reactor que contiene compost. En el reactor de compost, la HTP
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cayó de 5.900 a 450 mg/Kg y el recuento total de bacterias viables cayó de 9,4 x 105 a 7,2 x 108 UFC/g de suelo dentro de los 25 días posteriores a la incubación.
Esto indica que el compost de desechos de cocina contenía una alta población microbiana y contenido orgánico, lo que pudo causar el rápido crecimiento bacteriano y mejorar la degradación de HTP. Las relaciones de eliminación de HTP para lodos, bacterias que degradan el HP, cáscaras de arroz y reactores de control fueron 86.9, 83.1, 79.7 y 54% respectivamente. Esto indica que la labranza del suelo jugó un papel importante y una cantidad significativa de modificación de HTP se debió al mecanismo de volatización. Agregar lodos o bacterias que degradan HP podría causar un aumento tanto de la población microbiana total como con consorcios microbianos específicos que degradan el HP, lo que causo una mayor eficiencia de eliminación de HTP.
Ogbo, Zibigha, & Odogu, (2009), mencionaron que el uso de pastos en los trópicos es una nueva área de estudio con mucho potencial para tratar suelos con petróleo crudo. Los mencionados autores investigaron el efecto de diferentes niveles (0.00, 2.50, 5.00, 7.50, 10.0, 12.5 y 15.0 %) de contaminación por petróleo crudo en el crecimiento de Paspalum scrobiculatum, una mala hierba común en Nigeria. Se utilizaron 3, 6 y 9 plantas por maceta para el estudio. Los resultados mostraron que la planta tiene potencial para fitorremediación, ya que creció con éxito en los diferentes niveles o concentraciones de contaminación de crudo. Los diferentes niveles de contaminación por petróleo crudo causaron reducción significativa en el crecimiento de la planta (altura, peso fresco y el área de la hoja).
El efecto aumentó al aumentar los niveles de contaminación (por ejemplo, hubo una reducción en el área de la hoja de 68.47 cm2 en el control a 34.07 cm2 en un nivel de contaminación del 15.00%). La contaminación no causo una reducción significativa en los pesos secos de la planta en 3 plantas por maceta y 6 plantas por maceta; mientras que el tratamiento de 9 plantas por maceta donde el control registro un peso seco significativamente mayor que todos los demás tratamientos.
La maleza puede usarse para la restauración de suelos afectados con petróleo crudo ya que mostro un gran potencial al resistir los altos niveles de contaminación por petróleo crudo. Se observó que la contaminación por petróleo crudo no afectó la producción de biomasa de la planta de prueba utilizando una base de peso
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seco y la densidad de la planta mejoró el rendimiento de la planta en los suelos contaminados.
Ruley, y otros, (2019), evaluaron doce especies de plantas nativas del humedal Sudd en el sur de Sudán por su posible aplicación como fitorremediadoras.
Los tratamientos incluyeron seis concentraciones totales de hidrocarburos de petróleo (HTP) de 0, 25, 50, 75, 100, 125 g/Kg de suelo. Las doce especies de plantas nativas analizadas fueron: Sorghum arundinaceum Des., Oriza longistaminata, Hyparrhenia rufa Nees, Abelmoschus ficulneus L., Gossypium barbadense L., Nicotiana tabacum L., Sorghum bicolour L. Moench, Eleusine coracana Gaerth., Capsicum frutescens L. Zea mays L., Tithonia diversifolia Hemsl.
y Medicago sativa L. Los autores encontraron diferencias en las tasas de fitorremediación entre los tratamientos, con excepción para la concentración de 125 g/Kg de HTP, que fue letal para todas las especies de plantas. Se observó una reducción de más del 50% de HTP en la concentración del suelo de 75 g/ Kg en la fitorremediación de suelo contaminado en H. rufa, G. barbadense, O.
longistaminata, T. diversifolia y S. arundinaceum, lo que las convierte en posibles fitorremediadoras del suelo contaminado.
Banks, Kulakow, Schwab, Chen, & Rathbone, (2003), investigaron la degradación de aceite crudo en la zona de la rizosfera de 4 variedades de Sorghum bicolor. Para la investigación aplicaron un diseño experimental de 4 tratamientos y un control con 4 repeticiones en condiciones de invernadero. Utilizaron suelo agrícola (franco arenoso) no contaminado de una granja agrícola de la Universidad del Estado de Kansas (Manhattan, KS). El petróleo crudo (R1350) fue provisto por una refinería Texaco (El Dorado KS) y colocado en un recipiente de aluminio por siete días. Al final del ciclo de envejecimiento, los compuestos orgánicos volátiles que son tóxicos para las plantas se habían eliminado. El petróleo crudo envejecido fue incorporado al suelo en relación 12.5 g de crudo por 4.5 g de suelo. Las concentraciones iniciales de las macetas fueron de 2710
± 70 mg HTP/Kg. Las cuatro variedades de sorgo fueron germinadas en cámara de crecimiento, y luego trasplantadas a las macetas, se añadieron 15 gramos de fertilizante de liberación lenta, Sierrablend 19-7-10 a cada recipiente. La presencia de sorgo mejoró significativamente la biorremediación de HTP en suelo contaminado; esto es probablemente porque la mayor estimulación de
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microorganismos en la rizosfera aumentó las poblaciones y la actividad microbiana. La presencia de vegetación está asociada a las tasas de degradación de HTP en comparación con los controles sin planta. Se observó diferencias en la etapa de crecimiento en las variedades de sorgo y hay una correlación fuerte entre la eficiencia de la fitorremediación con el peso de la raíz que con la biomasa.
Dominguez, Pichtel, & Coughlin, (2004), señalan que el aceite de motor usado es un contaminante ambiental tóxico y común, y las tecnologías para su remediación varían en el éxito. La degradación del aceite de motor usado en el suelo afectado por el tratamiento de la planta (fitorremediación) se evaluó en un estudio de cámara de crecimiento. La germinación de semillas de varias especies de gramíneas, leguminosas y cereales disminuía a medida que se incrementaba la concentración de aceite usado; a tasas de aceite superiores al 1.0%, las disminuciones en la germinación para la mayoría de las especies fueron significativamente (p<0.05) por debajo de la tasa de control. Las judías verdes (Phaseolus vulgaris), la soja (Glycine max), y el maíz (Zea mays) germinaron mejor que otros tratamientos a concentraciones de aceite usado de hasta el 10%.
En términos de germinación y crecimiento general, las plantas leguminosas fueron generalmente más resistentes a la contaminación por aceites usados que las especies no leguminosas. El aceite usado contenía plomo, cadmio, bario y otros metales potencialmente tóxicos; sin embargo, la absorción por las plantas de estudio fue insignificante. Las bacterias fueron el grupo microbiano más abundante en el suelo contaminado con aceite en comparación con los actinomicetos y hongos respectivamente. Las poblaciones microbianas del suelo experimentaron un crecimiento exponencial hasta 50 días, después de lo cual volvieron a los niveles de pre contaminación. Se identificaron varias especies degradantes de hidrocarburos. Las especies de Brevibacterium y Bacillus fueron comunes en la mayoría de los tratamientos. La respiración acumulativa del suelo aumento en un 43% durante 28 días cuando se agregó aceite usado a los microcosmos del suelo.
Dominguez & Pichtel, (2004), investigaron la capacidad de especies leguminosas y cereales para limpiar suelos impactados con aceite de motor usado. La descomposición del aceite de motor usado en el suelo según la influencia del tratamiento de la planta se monitoreo en un estudio de invernadero.
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El suelo se recogió de los campos agrícolas en el Este de Indiana; el aceite de motor usado se recogió de varios talleres de automóviles. Se prepararon macetas de cerámica que contenían 1 Kg de tierra con (1,5%) de aceite de motor usado, se mezcló y sembró con las siguientes mezclas de especies: soja (Glycine max) / judía verde (Phaseolus vulgaris); girasol (Helianthus annus) / mostaza india (Brassica juncea); pastos mixtos Festuca roja rastrera, Festuca rubra; Festuca alta leonado, F. arundinacea; perenne ryegrass, L. perenne) / maíz (Zea mays) y trébol (trébol rojo, Trifolium pratense; trébol ladino (Trifolium repens). Los tratamientos control recibió aceite, pero no se sembró. El aceite y la grasa extraíbles con Soxhlet que quedaban en el suelo se monitorearon después de 100 y 150 días. Después de 150 días en el tratamiento del trébol, el aceite agregado ya no se detectó. Se eliminó un total del 67% del aceite en girasol, mostaza, y con la adición de fertilizante NPK, el aceite se eliminó por completo. El tratamiento con pasto/ maíz resultó en una reducción de 38% de aceite, que aumento a 67% con la aplicación de fertilizantes. El tratamiento control redujo el aceite en el suelo en un 82% cuando se agregó fertilizante. A los 150 días, los tratamientos de girasol, mostaza, trigo y avena produjeron la mayor biomasa en presencia de aceite usado. Basado en los residuos de aceite /grasa y los resultados de biomasa, los tratamientos de trébol y girasol/ mostaza se consideran superiores a los otros tratamientos de plantas en términos de fitodegradación general de hidrocarburos de aceites usados.
Dadrasnia & Agamuthu, (2013), Dracaena reflexa y Podocarpus polystachyus fueron investigados por su potencial para eliminar los hidrocarburos del 2.5% y 1% de suelo contaminado con combustible diésel enmendado individualmente con 5% de desechos orgánicos: hoja de té (TL), pastel de soya (SC) y piel de papa (PS), por un período de 270 días. Se registró una pérdida de 90 y 99% de aceite en suelos contaminados con 2.5% y 1% de aceite con enmienda de torta de soja respectivamente, en comparación con 52% y 62% en suelo no modificado con D. reflexa al final de 270 días. De manera similar, registraron una pérdida de aceite del 84% y el 91% para P. polystachyus enmendado con desechos orgánicos en 2.5% y 1% de aceite respectivamente.
El combustible diésel desapareció más rápidamente en la enmienda del suelo con SC que en otros desechos orgánicos. Era evidente que las plantas no
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acumulaban hidrocarburos del suelo, mientras que el número de bacterias que utilizan hidrocarburos era alto en la rizosfera, lo que sugiere que el mecanismo de degradación del aceite era la rizodegradación. El resultado del modelo cinético indicó una alta tasa de degradación en la enmienda del suelo con SC al 1% con D. reflexa en comparación con otros tratamientos. Por lo tanto, los autores observaron una relación positiva entre la degradación de hidrocarburos diésel con la producción de biomasa vegetal. Dracaena reflexa con enmienda de desechos orgánicos tiene mayor potencial de restaurar en comparación con P.
polystachyus.
Balderas, Dasgupta, & Sanchez, (2015), utilizaron Sorgo vulgare inoculado con Bacillus cereus y Burcholderia cepacia para tratar un suelo contaminado con 35,000 ppm de aceite residual automotriz (ARA). El estudio demostró que el suelo contaminado no impidió la germinación; sin embargo, en la etapa de plántula, el suelo era fitotóxico, pero en la etapa de floración S. vulgare toleraron la fitotoxicidad gracias también a las bacterias promotoras del crecimiento vegetal (BPCV) que se encontraban en sus raíces y consiguieron después de 90 días valores de 800 ppm.
Los autores concluyeron que el potencial fisiológico de S. vulgare, la acción oxidante del ARA y la actividad de las BPCV potenciaron la fitorremediación de este suelo.
1.2 Bases teóricas o conceptuales
1.2.1 Hidrocarburos Totales de petróleo (HTP)
Es una gran familia de compuestos heterogéneos que se encuentran en el Petróleo crudo y cuyos componentes principales son los átomos de carbono e hidrogeno. Como existen como una mezcla de tantos compuestos diferentes, es más práctico cuantificarlos en muestras ambientales como un grupo de congéneres en lugar de separado (Agnello, 2014). Los HTP incluyen tanto hidrocarburos volátiles como extraíbles (HPV y HPE) que abarcan los compuestos orgánicos de la gama de gasolina (>C6-C10), los compuestos orgánicos de la gama del diésel (>C11-C28) y los compuestos orgánicos de la gama de los aceites (C29-C35). La gasolina, el queroseno, los combustibles para reactores, el solvente stoddard, los aceites de motor a base de minerales, los combustibles de aceite N° 5 y 6, el
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hexano, el benceno, el tolueno, los xilenos y los hidrocarburos aromático policíclicos son los químicos importantes que constituyen los HTP. Estos productos químicos tienen rangos de carbono ≥C5 y ≤C35 (Saranya, Naga, Mallavarapu, &
Kadiyala, 2019). Estas mezclas complejas de hidrocarburos pueden ser distinguidas en dos principales grupos: aromáticas y alifáticas y estas pueden subdividirse en familias o fracciones con cadenas de carbono de diferente longitud, (Marín, 2009), (Agnello, 2014). También se tiene resinas y asfaltenos en un grupo aparte (Viñas, 2005). Algunos autores clasifican en cuatro grupos:
Asfaltenos (fenoles, ácidos grasos), resinas (peridinas, quinolinas) saturas (alcanos) y aromáticos (Marchand, 2017).
El petróleo crudo como una mezcla compleja, se produce por la lenta descomposición incompleta de la biomasa vegetal y animal prehistórica durante un largo tiempo (Ahmed & Fakhruddin, 2018). Los hidrocarburos están compuestos básicamente por carbono e hidrogeno (Fig. 1). El contenido de carbono (C) esta normalmente entre 83-87%, y el hidrogeno (H) fluctúa entre 10 y 14 %. Además, se encuentran cantidades variables de nitrógeno (N), oxigeno (O), azufre (S) y metales níquel (Ni) y vanadio (V) en los aceites crudos (Agnello, 2014). El anillo de benceno es la estructura básica de los hidrocarburos aromáticos y dos o más ciclos fusionados forman hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), estos HAP se forman durante la combustión incompleta a altas temperaturas (500-800 °C) de las sustancias orgánicas durante un periodo prolongado; el cual puede ocurrir por actividades antropogénicas como la quema de combustible fósil o incineración de residuos sólidos municipales y también puede producirse naturalmente por erupciones volcánicas, incendios forestales o exudados de árboles (Haritash &
Kaushik, 2009).
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Figura 1. Principales compuestos del petróleo: No hidrocarburos e hidrocarburos.
Los hidrocarburos son los componentes más abundantes del petróleo crudo:
representan entre el 65 y el 95% de su composición (Geraci y Aubin, 1988).
1.2.2 Intereses económicos sociales
La explotación y el uso del petróleo han crecido exponencialmente desde principios del siglo pasado. Hoy son la pieza clave en la economía del mundo, fuente básica de energía para toda actividad productiva. El uso de productos derivados del petróleo (gasolina, querosene, fueloil, aceite mineral y asfalto) para fines humanos, que se relaciona principalmente con el uso en el transporte, para la calefacción de los hogares y la generación de energía como se muestra en la tabla 1, resulta entonces indispensable en la vida moderna (Agnello, 2014). Es considerada también materia prima importante para una amplia variedad de
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compuestos químicos como el benceno (Adebayo & Tawabini, 2013). El benceno se usa en la industria del plástico, pero también para la fabricación de medicamentos, caucho, lubricantes, detergentes, colorantes y explosivos. El benceno también es una fuente de otros compuestos como el tolueno, el fenol (usado para hacer resinas y adhesivos), la anilina, el naftaleno y el estireno (usado para hacer polímeros). El petróleo es también usado como herbicida (Adebayo &
Tawabini, 2013). Además de los insecticidas y pesticidas, se usa en la producción de fertilizantes y amoníaco en la agricultura (Singh, 2006). El mantillo de petróleo también es usado en la agricultura para promover la humedad y temperatura favorable del suelo y aumentar los rendimientos. Los productos derivados del petróleo incluyen combustible diésel, querosene se utilizan diariamente en el sector transporte. El betún se usa principalmente para prevenir la erosión del suelo y también se usa como aglutinante en la construcción de carreteras (Marchand, 2017).
Tabla 1. Fracciones de la destilación de un crudo de petróleo Fracción T° de ebullición Composición Uso Gasolina ligera
Benzina Ligroina Gasolina
Querosene, Jet fuel
Gasoil, Diésel Aceite lubricante Grasas, Vaselinas Cera de parafina Betún asfáltico (35% peso) Fueloil
20 a 100 70 a 90 80 a 120 20 a 180 200 a 300
200 a 350 250 a 350 245 a 400 245 a 540
>540
175 a 600
C5H12- C7H16 C6 – C7 C7 – C8 C6 – C11 C12 – C16
C13 – C18 C16 – C20 C18 – C22 C20 – C45 C30 - C45 C9 – C70
Disolvente Lavado en seco Disolvente Carburante
Iluminación y carburante Carburante
Lubricante Farmacéutica Velas
Alquitrán asfaltico Coque de petróleo
Combustible para plantas eléctricas, calderas Fuente: Ramos (1997)
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1.2.3 Contaminación de suelos por hidrocarburos
Los hidrocarburos son responsables de la degradación física, química y biológica por su característica de permanecer por mucho tiempo y su habilidad de extenderse tanto en el suelo como el agua. Los contaminantes de HCP existen en fases sólidas, líquidas o gaseosas volátiles, y tienen la capacidad de adherirse a fracciones minerales y materia orgánica (Figura 2). Contaminantes orgánicos con mayor peso molecular pueden ser altamente recalcitrantes a la volatilización o eliminación, mientras que los de bajo peso molecular tienen puntos de ebullición bajo y se volatilizan más rápidamente, haciendo que los componentes sean más fáciles de descomponer (Walker, 2009) citado en (McIntosh, 2014). Con el tiempo las fracciones recalcitrantes se vuelven no extractables ya que disminuye la biodisponibilidad del contaminante (Figura 3) (Semple, Morris, & Paton, 2007) citado en (McIntosh, 2014). Así mismo, siendo una mezcla muy compleja, el tratamiento de sitios contaminadas es dificultoso y problemático.
Figura 2. Comportamiento físico del contaminante orgánico HTP dentro de los suelos (Semple, Morris, & Paton, 2007)
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Figura 3. Biodisponibilidad del contaminante y extractabilidad a través del efecto del tiempo de contacto en el suelo (Semple, Morris, & Paton, 2007).
1.2.4 Fuentes de contaminación de suelos por hidrocarburos
Los contaminantes orgánicos en el medio ambiente son principalmente antropogénicos. Las fuentes incluyen la liberación accidental (por ejemplo: diésel, solventes), actividades industriales (petroquímico, farmacéutica), agricultura (pesticidas, herbicidas) y actividad militar (explosivos) (Pilon-Smits & Freeman, 2006). El lavado de aglutinantes de caminos asfaltados y el humedecimiento de caminos de tierra con aceite (para evitar el polvo) es otra fuente. También hay actividades que pueden generar contaminación de suelos por hidrocarburos; entre ellas, podemos mencionar: las gasolineras y los talleres automotrices, que provocan contaminación con benceno u otros hidrocarburos aromáticos, fenoles e hidrocarburos halogenados (Coria Macías, 2017)
El aporte masivo y continuo que día a día son innumerables, se manifiestan sin ser registrados como desastres ambientales y generan graves impactos al suelo, provienen de otras fuentes tales como transporte terrestre, operaciones de
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limpieza y refacción (talleres mecánicos), expendio de combustible entre otras (Jiménez, 2006), (Vélazquez Arias, 2017).
La cantidad de instalaciones y procesos, así como las diversas formas en que los productos se almacenan y manejan es tan difusa, la contaminación del medio ambiente por ellos no es infrecuente (Osuji & Onojake, 2006), (Russell, y otros, 2009). HTP puede ingresar al medio ambiente a partir de emisiones industriales, a través de derrames accidentales o fugas de contenedores, o como subproductos de usos comerciales o privados. Los HTP que ingresan al medio ambiente puede afectar todos los compartimentos ambientales: agua, aire y suelo (Wang, Chen, Chen, Chien, & Sunkara, 2012).
1.2.5 Los hidrocarburos y el sistema suelo
La contaminación por petróleo podría afectar las propiedades físicas del suelo. Los espacios de poros podrían estar obstruidos, lo que podría reducir el transporte del aire y la infiltración de agua y consecuentemente incrementar la densidad aparente; afectando posteriormente el crecimiento de las plantas. Los aceites más densos que el agua podrían reducir y restringir la permeabilidad del suelo fue señalado por (Abosede, 2013). Así mismo, (Jesna & Hari, 2015), sostienen que la estabilidad de las pendientes, así como la capacidad de soporte de cimientos y otras estructuras son afectadas con el ingreso de aceite, debido a que estos son muy sensibles. Lo que provocaría fallas estructurales o funcionales cuando hay un incremento significativo en la plasticidad del suelo, pérdida de su capacidad de carga, aumento de su asentamiento y/o evita el drenaje de agua u otro líquido. Para las estructuras propuestas, puede causar un abandono de sitio, una reducción en el alcance del proyecto o un aumento en su costo; entonces es necesario aplicar tecnologías de remediación o estabilización del suelo antes de la construcción.
El derrame de hidrocarburos de petróleo dificulta el intercambio reciproco de gases entre el suelo y la atmosfera, originando la evaporación de fracciones volátiles y penetración al suelo de otro tipo de fracciones. Los hidrocarburos suelen acumularse y crear una capa hidrofóbica disminuyendo la permeabilidad, lo que garantiza su permanencia en estos lugares por mucho tiempo, originando la fragmentación de los agregados (Díaz-Martinez, Ferrera-Cerrato, Almaraz-Suarez,
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& Garcia-Barradas, 2013), pérdida de nutrientes tales como potasio, sodio, azufre, fosforo y nitrógeno (Serrano, Torrado, & Pérez, 2013).
Aunque los HCP en el suelo son afectados por la textura del suelo y la materia orgánica, los hidrocarburos de petróleo causan pérdida de materia orgánica biogénica del suelo exponiéndolo a la lixiviación y erosión. Por otro lado, (Serrano, Torrado, & Pérez, 2013), comprobaron que, ante la presencia de aceite, un suelo arenoso, experimento disminución en el parámetro de permeabilidad. Así mismo, la capacidad de carga de los suelos puede disminuir drásticamente con concentraciones de 6% fue señalado por (Shin & Das, 2001). En el suelo los hidrocarburos también pueden adherirse a la materia orgánica, y, en este caso no están disponibles para microorganismos y plantas (Wild & Jones, 1995).
Figura 4. Destino de los hidrocarburos en el suelo Fuente: (McGill, Rowell, & Westlake, 1981)
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McGill, Rowell, & Westlake (1981), describieron la secuencia de procesos de los HCP. Cuando el hidrocarburo llega al suelo, inmediatamente se produce 2 procesos simultáneos; la volatilización y la foto oxidación. Posterior a ello los microorganismos del suelo estimulados por la aireación y los nutrientes del suelo bajo condiciones de pH y textura adecuada biodegradan a productos intermedios, células microbiana y CO2 que se incorpora a la atmósfera. El resultado final de la descomposición biológica toma dos caminos, bien se incorpora al humus del suelo o se lixivia (Figura 4).
1.2.6 Efectos de los hidrocarburos en la fauna y flora
Los efectos de los HCP, tanto en la flora y la fauna son diversos por varias razones: primero, por la existencia de diferentes tipos de compuestos; segundo, por la cantidad derrama o vertida, tercero por el tiempo de exposición del cuerpo receptor y cuarto por factores abióticos como: la temperatura, humedad y textura del suelo. Así, combustibles de la gama de la gasolina resultan ser más tóxicos que los de la gama del Diésel y los aceites por su condición de ser compuestos saturados y poco polares.
El petróleo y sus derivados puede limitar el crecimiento y el desarrollo de las plantas; dificultando la ingesta de agua y sales minerales del sustrato, y también romper una serie de procesos metabólicos. La elevada variabilidad de salinidad podría destruir la estructura terciaria de las proteínas, desnaturalizar las enzimas y deshidratar células (Cando, 2011). Como resultado de la deficiencia de clorofila y nutrientes, las plantas afectadas muestran en su crecimiento raíces, brotes, hojas y flores deformaciones, además de ello necrosis y clorosis (Rusin, Gospodarek, &
Nadgórska, 2015); Consecuentemente, se tiene bajo rendimiento de los cultivos y pérdida de la calidad de los productos obtenidos, alteración en la diversidad microbiana del suelo (Gianfreda, Rao, Piotrowska, Palumbo, & Colombo, 2005).
Además, sucede algo más terrible, cuando la concentración del contaminante sobrepasa la capacidad auto depuradora del suelo, se produce el envenenamiento de la cadena trófica y el impacto negativo en el paisaje.
La contaminación por HCP ejerce entonces efectos adversos, al generar compuestos tóxicos en el suelo disponible para ser absorbidos por las plantas, reportaron (Serrano, Torrado, & Perez, 2013). Diferentes estudios también han
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determinado inhibición de la germinación y disminución del crecimiento vegetativo de diferentes especies de pastos al incrementarse las concentraciones de hidrocarburos (Lopez, y otros, 2006), en ecosistemas forestales y plantas madereras, un efecto de necrosis foliar fue documentado (Schmidt, 2000).
El derrame de petróleo en ecosistemas acuáticos impacta negativamente a moluscos, crustáceos, larvas, huevos de peces y toda especie de movilidad limitada. Las aves al ser impregnadas con petróleo, no pueden volar, nadar y alimentarse; muchas mueren y pocas sobreviven (Sánchez , 2021).
1.2.7 Efecto de los hidrocarburos en los seres humanos
El petróleo es la mezcla de diferentes compuestos químicos, como bifenilo policlorado (PCB), TE, PAH que tienen efectos nocivos sobre la calidad de vida.
Hidrocarburos de bajo peso molecular (BTEX) son compuestos orgánicos volátiles (COV) y se han relacionado con problemas con el hígado, riñones, sistema nervioso y respiratorio, así como efectos fetotóxicos y embriotóxicos en humanos (Meyer- Monath, y otros, 2014). Estos COV son emitidos por fuentes industriales, especialmente plantas petroquímicas y refinerías de petróleo, así como el tráfico vehicular que afecta la calidad atmosférica. Investigaciones continuas han estado usando diferentes especies de plantas para eliminar COV y mejorar la calidad del aire interior y exterior (Nwoko, 2013)
Los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) son de preocupación importante por su toxicidad y tendencia a la bioacumulación (Wrenn & Venosa, 1996). Por causa de su poca solubilidad en agua, pero alta en aceite y grasa (Singh, 2006). Además, debido a su hidrofobia, los HAP permanecen en el ambiente acuático en la superficie o se absorben en la superficie del sedimento y forman un depósito (Borja, Taleon, Auresenia, & Gallardo, 2005). Según la estructura y el mecanismo de activación, muchos HAP exhiben propiedades mutagénicas, tumorigenicas y cancerígenas fue señalado por (Singh, 2006). Estos contaminantes orgánicos persistentes e hidrófobos se encuentran comúnmente en altas concentraciones en suelos contaminados por actividades industriales y cerca de área urbanas, esta situación peligrosa hace que su eliminación es aún más urgente.
Los peligros a la salud también han sido investigados por (Cando, 2011), quien señalo que, compuestos como el antraceno, pireno, fenantreno,
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benzopirenos provocan graves daños a la piel al irritarla, además cuando el daño es severo pueden causar cáncer testicular, pulmonar y dérmica. Así mismo indico que los alcanos presentes en la gasolina son depresores del sistema nervioso central produciendo alteraciones neuropsicológicas y trastornos de personalidad.
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) proporciona la eliminación completa de 16 HAP enumerados entre los 126 contaminantes prioritarios y 5 cinco de ellos figuran entre las 25 sustancias peligrosas que se cree que representan una amenaza potencial más importante para la salud humana (Pazos, Rosales, Alcantara, Gomez, & Sanroman, 2010) (McIntosh, 2014). (Ugrinovic, 2014)
1.2.8 Tecnologías de recuperación para suelos contaminados por hidrocarburos
Las técnicas de recuperación se sitios contaminados, pueden realizarse in situ (en el sitio) o ex situ (fuera del sitio contaminado) (López, Gallegos, Pérez, &
Gutiérrez, 2005), (Pazos, Rosales, Alcantara, Gomez, & Sanroman, 2010). Las tecnologías ex situ implican la excavación y eliminación de suelos contaminados y esto se trata o entierra fuera del sitio, mientras que los tratamientos in situ remedian los contaminantes en el lugar y/o en el sitio (Feng, y otros, 2015). Aunque son menos extensas, las tecnologías in situ son a menudo las opciones de tratamiento preferidas porque son prácticas, rentables y menos intrusivas para el medio ambiente (Cabrejo, y otros, 2010). Las principales técnicas de remediación para compuestos orgánicos en el suelo son la volatilización, la fotooxidación, la oxidación química, la adsorción en partículas del suelo, la lixiviación y el tratamiento microbiano (Wang, Chen, Chen, Chien, & Sunkara, 2012). Los métodos se pueden clasificar en cuatro categorías: extracción, químicas, físicas y bilógicas según (López, Gallegos, Pérez, & Gutiérrez, 2005).
1.2.8.1 Técnicas biológicas
Las técnicas biológicas muy utilizadas en los últimos veinte años tanto para suelos, aguas o efluentes contaminados es conocida como técnicas de biorremediación. La biorremediación ha sido una importante técnica económica en las últimas décadas (McIntosh, 2014). Para (Maletić, Dalmacija, & Rončević, 2013), se puede dividir en dos tipos básicos: (1) atenuación natural, que puede ser
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aplicado cuando las condiciones naturales son adecuadas para la realización de la biorremediación sin intervención humana, y (2) biorremediación de ingeniería, que se utiliza cuando es necesario agregar sustancias que estimulan los microorganismos. El primero es más atractivo por su bajo costo, mínimo mantenimiento y mínimo impacto ambiental. Todavía esta tecnología es aplicable solo en los casos en que el nivel natural de biodegradación es mayor que el grado de contaminación. Sin embargo, esta tecnología se usa con más frecuencia como un suplemento a las otras tecnologías, o después de terminar la biorremediación de ingeniería para evitar la migración de contaminación desde el área tratada. La biorremediación de ingeniería es más rápida que la atenuación natural porque incluye estimulación de la degradación microbiana y se controla la concentración de la contaminación, el oxígeno, nutrientes, humedad, pH, temperatura. La biorremediación de ingeniería puede dividir en dos grupos (1) in situ and (2) ex situ.
En ex situ (landfarming ó cultivo de tierras, compostaje, biorreactores, biofiltros, bombeo y tratamiento) e in situ (biosparing o bioespaciado, bioventilación, bioaumentación, bioestimulación, fitorremediación) (Van Epps, 2006) (Shukla, Singh, & Sharma, 2010) (Maletić, Dalmacija, & Rončević, 2013).
1.2.8.1.1 Mecanismo y productos de biodegradación de hidrocarburos
Los microorganismos transforman o mineralizan contaminantes orgánicos a través de procesos metabólicos o enzimáticos, en sustancias menos nocivos y no peligrosas, que luego se integran en los ciclos biogeoquímicos naturales. La transformación microbiana de los hidrocarburos existe normalmente porque los microorganismos utilizan los compuestos orgánicos como fuente de energía para su crecimiento y reproducción (Harms, y otros, 1999) y (Hernández E. , 2007). El material orgánico puede ser degradado por dos mecanismos de biodegradación:
(1) aeróbicamente, con oxígeno, o (2) anaeróbicamente, sin oxígeno (Figura 5).
Condiciones aérobicas producen degradaciones más rápidas y completas para la mayoría de contaminantes orgánicos. La importancia del oxígeno en la degradación de hidrocarburos es facilitada por las oxigenasas (mezclas de función de oxidasa o dioxigenasas) y por el oxígeno molecular, el cual es requerido para la oxidación de los sustratos y donde los hidrocarburos terminan siendo mineralizados
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a CO2 y H2O., este mecanismo, donde sólo el oxígeno es utilizado como aceptor de electrones en la respiración microbiana para que la biodegradación de hidrocarburos aromáticos y compuestos saturados pudiese llevarse a cabo, era el único mecanismo conocido hasta 1980 (Widdel & Rabus, 2001) (Hernández E. , 2007).
Los procesos anaerobios son conducidos por microorganismos anaerobios y está vía de degradación es muy lenta. En este tipo de biodegradación los contaminantes derivados del petróleo se degradan bajo diversas condiciones de reducción del nitrato, reducción del sulfato, reducción del hierro férrico, reducción del manganeso y condiciones metanogénicas. Trabajos de este tipo han sido poco reportados (Salminen, Tuomi, Suortti, & Jorgensen, 2004). En las últimas décadas, se han detectado bacterias capaces de metabolizar hidrocarburos en ausencia de oxígeno, donde dichos compuestos son utilizados como sustratos por diversas especies de bacterias desnitrificantes, hierro reductoras o sulfato reductoras (figura 1). Los alcanos alifáticos y alquenos con cadenas de 6 a 20 átomos de carbono, alquilbencenos monocíclicos, benceno y naftaleno son ejemplos de hidrocarburos que pueden ser degradados anaeróbicamente (Heider, Spormann, Beller, & Widdel, 1999) (Meckenstock, Safinowski, & Griebler, 2004) citado en (Marín, 2009). Sin embargo, hay algunas limitaciones con este método, incluida la especificidad del sitio y el tiempo de tratamiento extendido para la remediación (Shukla, Singh, &
Sharma, 2010).
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Figura 5. Rutas aeróbicas y anaeróbicas involucradas en los mecanismos de activación de hidrocarburos (Widdel & Rabus, 2001).
1.2.8.1.2 Factores que afectan los procesos de biodegradación de hidrocarburos de petróleo
Los factores que limitan la tasa global de biodegradación pueden agruparse en: características del suelo, características del contaminante, biodisponibilidad, número de microorganismos y evolución del catabolismo (Maletić, Dalmacija, &
Rončević, 2013).
a. Características del suelo
Los principales factores limitantes son: textura del suelo, permeabilidad, pH, capacidad de retención de agua, temperatura del suelo, contenido de nutrientes y
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contenido de oxígeno. La textura del suelo es responsable de la permeabilidad y la densidad aparente del suelo. El suelo con baja permeabilidad (como las arcillas) impide el transporte y distribución del agua, nutrientes y oxígeno. Para habilitar la biorremediación del suelo, se debe mezclar con enmiendas o materiales de carga (paja, aserrín, etc.), ya que los procesos de biorremediación dependen de la actividad microbiana y los microorganismos requieren nutrientes inorgánicos, oxigeno, agua, pH y temperatura óptima para fomentar el crecimiento celular y el sostenimiento de la biodegradación (Jain, y otros, 2011).
b. Características del contaminante
Los componentes de petróleo no se degradan al mismo ritmo. La velocidad a la que degradan los microrganismos a los hidrocarburos depende de sus estructura química y concentración. De las diversas fracciones de petróleo, los n- alcanos de longitud intermedia (C10-C25) son los sustratos preferidos por los microrganismos y tienden a ser los más fácilmente degradables mientras que los compuestos de cadena más corta son bastante tóxicos. Los alcanos de cadena más larga (C25-C40) son sólidos hidrofóbicos y en consecuencia son dificultosos para degradar por su escasa solubilidad en agua y biodisponibilidad; por otro lado, los alcanos y cicloalcanos de cadena ramificada también son de lenta degradación.
Hidrocarburos aromáticos altamente condensado y estructuras cicloparafinicas, alquitranes, betún y materiales asfálticos, tienen los mayores puntos de ebullición y exhiben la mayor resistencia a la biodegradación (Brassington, y otros, 2007).
(Maletić, Dalmacija, & Rončević, 2013), c. Biodisponibilidad
Aun si se proporcionan condiciones adecuadas para la biodegradación de hidrocarburos en el campo; se ha probado que una fracción residual de hidrocarburos permanece sin degradar (Maletić, Dalmacija, & Rončević, 2013). Es decir, después de su llegada al suelo, se puede perder un contaminante orgánico por biodegradación, lixiviación o volatilización, o se puede acumular dentro de la biota del suelo o ser secuestrado y complejado dentro de las fracciones de material mineral y orgánico del suelo. La tasa en que los microorganismos degradadores de hidrocarburos pueden convertir químicos, depende de la tasa de transferencia a la célula y la velocidad de absorción y metabolismos por parte de los
