Biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos

Biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos Características

Biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos. En la actualidad los suelos contaminados con hidrocarburos representan el 70% del total de los ecosistemas impactados. A partir del aislamiento, selección y conservación de bacterias marinas degradadoras de hidrocarburos y productoras de sustancias tensioactivas se formuló un producto denominado BIOIL-FC. Este producto ha sido aplicado satisfactoriamente en derrames de hidrocarburos en el mar.

La biorremediación por bioestimulación de suelo contaminado con hidrocarburos empleando el producto BIOIL-FC es superior a la técnica de bioestimulación tradicional con nutrientes, lo cual evidencian las potencialidades de este bioproducto para el saneamiento de ambientes terrestres impactados con petróleo y sus derivados.

La Contaminación con hidrocarburos

La contaminación con hidrocarburos en diferentes ecosistemas se ha incrementado en los últimos años debido al aumento en la actividad de exploración y producción de la industria petrolera. En la actualidad los suelos contaminados con estos compuestos representan el 70% del total de los ecosistemas impactados.

Los derrames de petróleo y sus derivados son considerados de gran impacto al ambiente por los nefastos daños que ocasionan en los ecosistemas impactados. Las investigaciones relacionadas con la biorremediación como alternativa eficiente para la recuperación de los mismos cobran cada vez mayor importancia.

La bioorremediación

La biorremediación está basada en la capacidad que tienen los microorganismos de crecer a partir de la utilización de sustancias recalcitrantes al medio ambiente . Algunos de ellos son capaces de degradar estos compuestos hasta dióxido de carbono, sales, agua y otros productos inocuos al medio ambiente   los cuales se integran posteriormente a los ciclos biogeoquímicos naturales . Esta técnica permite tratar grandes volúmenes de contaminantes con un impacto ambiental mínimo, a diferencia de otros procedimientos de descontaminación .

La biorremediación puede ser aplicada “in situ” o “ex situ”. Las tecnologías “in situ” se refieren a las que se aplican en el área a tratar, mientras que en las “ex situ” los productos son aplicados al material contaminado donde pueda ser tratado .

Los procesos de biorremediación clasifican en técnicas de bioestimulación y bioaumentación. La técnica de bioestimulación se basa en el uso de nutrientes, sustratos o aditivos con actividad superficial para estimular el crecimiento y desarrollo de organismos capaces de biodegradar compuestos contaminantes del medio ambiente ).

Las técnicas de bioaumentación describe la adición de organismos o enzimas a un material con el propósito de eliminar sustancias indeseables . La bioaumentación asegura que estén presentes los microorganismos específicos capaces de degradar al compuesto contaminante no deseado hasta sus moléculas básicas . Las bacterias son los microorganismos más comúnmente utilizados para la bioaumentación .

A partir de un programa de aislamiento, selección y conservación de bacterias marinas hidrocarbonoclastas y productoras de sustancias tensioactivas se han formulados diferentes bioproductos para su aplicación en derrames de hidrocarburos, teniendo en cuenta que la extensión y diversidad taxonómica de los microorganismos marinos representan un potencial para obtener productos naturales bioactivos que garanticen la conservación del medio ambiente.

El cultivo mixto A-5, compuesto por bacterias marinas hidrocarbonoclastas forma parte del bioproducto BIOIL-FC . Este bioproducto presenta una alta capacidad de oxidación del petróleo y sus derivados como resultado de la actividad metabólica de las cepas que lo integran.

Materiales y Métodos

Se diseñó un experimento con tres bloques, donde se evaluaron las técnicas de bioestimulación y bioaumentación con el producto BIOIL-FC, el cual está formado por bacterias degradadoras de hidrocarburos aisladas de la plataforma cubana y que forman parte de la colección de bacterias marinas del Centro de Bioproductos Marinos.

Los estudios fueron realizados en parcelas (41 cm de largo x 30 cm de ancho x 2,5 cm de profundidad) de 3 Kg de suelos contaminados con un 10% de fuel oil o gasolina regular (85% o 96% de octanaje). Las parcelas fueron arreadas semanalmente y la humedad fue controlada a un 20%, además se añadió inicialmente 6% (w/w) de (NH4)2HPO4. Se tomaron muestras integradas de las parcelas cada 7 días para las determinaciones de concentración de bacterias heterótrofas, biodegradadores de petróleo, índice de respirometría y concentración hidrocarburos totales.

• Concentración de hetrótrofos totales presentes en el suelo (ISO 4833: 1991 e ISO 6837: 1993): A partir de muestras de suelo se realizaron diluciones seriadas, las cuales fueron inoculadas a razón de 100µL en placas, que fueron incubadas a 30⁰C durante 48 horas. Luego del tiempo de incubación se realizó el conteo directo de las colonias viables formadas expresado en UFC•g-1 de suelo.

• Determinación de microorganismos degradadores: Se utilizó el conteo de viables expresados en UFC g-1 de suelo en el medio propuesto por Finnerty (1994) y utilizando petróleo crudo Varadero de 11 API como única fuente de carbono y energía.

• Producción de CO₂ (Respirometría): Se determinó la cantidad de CO₂ producido como indicador indirecto de la actividad microbiana, expresado en mg de CO₂ producidos por m2 de suelo por días .

• Velocidad específica de crecimiento (µ): Se determinó en la fase exponencial del crecimiento, utilizando el modelo de crecimiento no restringido .

• Determinaciones analíticas Gravimetría: Se realizó por la metodología descrita en el Standard Methods, según la norma internacional APHA 5520. .

• Espectroscopia Infrarroja: El extracto obtenido por gravimetría, fue resuspendido en 10 mL de nhexano y sometido a espectroscopía infrarroja en un espectrómetro Konik, en celdas de Bak con separador de teflón de 0,025 mm.

• Cromatografía gaseosa de alta resolución: Para la determinación cuantitativa y cualitativa el petróleo residual después de interactuar con las bacterias, el hidrocarburo fue inyectado en un cromatógrafo de gases HP6890 con detector iónico de llama (GC/FID), con columna capilar HP-5MS 5% Phenyl Methyl Siloxane de 30 m de longitud y 0,25 mm de diámetro interno impregnada con 0v-101. Se utilizó helio como gas portador. El gradiente de temperatura programado fue de 45-100oC a 3⁰C min-1 y de 100-300⁰C a 5⁰C min-1.

Tratamiento estadístico de los resultados

Todas las experiencias se realizaron con tres repeticiones y una vez que se verificó el cumplimiento de la distribución normal de los datos según Kolmogorov y Smirnov y la homogeneidad de varianzas por el método de Bartlett, se realizó el análisis de varianza de clasificación simple y la prueba de comparación de medias de rangos múltiples de Duncan (12) (Lerch, 1977) en la cual las medias que se diferencian se expresan con diferente letra. Todos los resultados fueron procesados con el paquete estadístico Statistica 4.0 y/o Excel 7.0 para Windows.

Consecuencias de la contaminación con hidrocarburos

La manipulación y transporte de crudo y sus derivados ha incrementado notablemente los derrames de éstos en diferentes ecosistemas. Los suelos contaminados requieren de tratamientos eficientes que permitan su recuperación y su posible reutilización.

Para las parcelas donde se evaluó el producto BIOIL-FC se obtuvo mayores µ de heterótrofos totales y degradadores de hidrocarburos con respecto a las alcanzadas en el método tradicional de biorremediación (bioestimulación). Este comportamiento debe estar determinado por la adición de microorganismos degradadores de crudo que garantizan la multiplicación celular en estas condiciones y que son los responsables de la degradación de los hidrocarburos a diferencia de la variante de bioestimulación donde la actividad metabólica de la microbiota autóctona se inhibe por la presencia de estos contaminantes.

Para todas las variantes se detectó la disminución de los hidrocarburos en el tiempo, aunque en los casos donde se evaluó la bioestimulación tradicional el porcentaje de remoción fue significativamente inferior a las parcelas con BIOIL-FC, ya que la microbiota autóctona no debe presentar una alta velocidad de biotransformación.

En las parcelas con BIOIL-FC se logró una mayor eficiencia en la oxidación de los hidrocarburos aunque para cada uno se alcanzaron diferentes porcentajes de remoción, de manera que para el fuel oil y gasolina de 85% de octanaje se alcanzaron 50 y 61% de remoción respectivamente en 28 días, mientras que para gasolina de 96% se alcanzó un 98% en solo 15 días. Es conocido que las diferencias en la composición y concentración de hidrocarburos en el petróleo influyen en su biodegradación. Así, un mismo microorganismo, puede presentar diferentes porcentajes de degradación ante crudos de diferente procedencia o composición química en iguales condiciones experimentales.

La adición de microorganismos degradadores de crudo en las parcelas con BIOIL-FC facilita los procesos de bioconversión de estos en compuestos no tóxicos y biodegradables, aún cuando pudiera existir un agotamiento de algún nutriente. Estudios realizados por Núñez (2003) demostraron que una de las cepas integrante de ese biopreparado (Bacillus alcalophilus CBM-225) puede llevar a cabo la bioconversión de diferentes hidrocarburos presentes en el petróleo hasta CO₂ y H₂O.

Además, es importante destacar que en la formulación del bioproducto se incluye un biotensioactivo de tipo emulgente producido por una de las cepas que lo integran (Bacillus licheniformis CBM-60), que favorece los procesos de emulsificación de hidrocarburos y por tanto una mayor disponibilidad de este sustrato como fuente de carbono (Ortiz, 2004).

La presencia de tensioactivos debe modular la hidrofobicidad de la superficie celular facilitando la adhesión y colonización de la interfase (Köhler et al, 2000). Esto permite la incorporación del hidrocarburo a la célula para llevar a cabo los procesos metabólicos que conduzcan a la multiplicación celular a partir de los hidrocarburos como única fuente de carbono y energía (Ábalos, 2001), sin que se produzcan reacciones adversas que inhiban la permeabilidad de la membrana celular como ocurre para tensioactivos obtenidos por síntesis química (Ducreux et al, 1994).

En cuanto al comportamiento de la concentración de CO₂ se detectaron fluctuaciones a lo largo de la experiencia para cada hidrocarburo evaluado, aunque en general los máximos valores se alcanzaron en la parcela con BIOIL-FC, lo cual nos indica que en dicha parcela existió una mayor actividad microbiana pues existe un mayor porcentaje de remoción de hidrocarburos que no sólo debe estar relacionado con su oxidación; sino también por reacciones de biotransformación de este sustrato que facilitan su biodegradación posterior hasta CO₂ y H₂O.

El análisis cualitativo de la degradación de la gasolina de 96% de octanaje demostró las diferencias entre los perfiles cromatográficos de este hidrocarburo sin degradar y los residuos luego del contacto con el bioproducto BIOIL-FC.

Referencias

Fuentes

• Abalos, A. (2001). Producción de ramnolípidos por Pseudomonas aeruginosa AT10 aplican-do la Metodología de Superficie de Respuesta. Caracterización y aplicación del producto. Tesis de Doctorado. Facultad de Farmacia. Departamento de Microbiología y Parasitología Sanitarias. Universidad de Barcelona.
• (2000). Why add microbes? Advanced BioTech, California, USA. Advanced BioTech
• APHA (1995). Standard Methods for the examination of water and wastewater. Grasas y aceites. 18th ed. APHA_AWWA-WEF. 5520, pp: 534-540.
• Baheri, H. y Meysami, P. (2002). Feasibility of Fungi Bioaugmentation in Composting a Flare Pit Soil. Journal of Hazardous Materials. 89: 2-3: 279-286
• Ducreux, J., Ballerini, D. y Bocard, C. (1994). The role of surfactants in enhanced in situ bioremediation. Hydrocarbon Bioremediation. Ed. Lewis Publishers. Boca Raton. pp 237-242.
• Finnerty, N.R. (1994). Biosurfactants in enviromental Biotechnology. Curr. Opin. Biotechnol. 5(3): 291-295
• Gruiz, K y Kriston, E. (1995). In situ bioremediation of hydrocarbon in soil. Journal of Soil Contamination. 4(2): 163-173.
• ISO 4833:1991 (E). International Standard. Microbiology-general guidance for the enumera-tion of micro organism colony count technique at 30 °C.
• ISO 6887:1993 (E). International Standard. Microbiology: General guidance for the prepara-tion of dilutions for microbiologicla examination.
• Jackson, W. A. y Pardue, J. H. (1999). Potential for intrinsic and enhanced crude oil biodeg-radation in Louisiana's freshwater marshes. Wetlands. 19(1): 28-34.
• Köhler, T., Kocjancic, L., Barja, F., van Delden, C. y Pechére, J.C. (2000). Swarming of Pseudomonas aeruginosa is dependent on cell-to-cell signaling and requires flagella and pili. J. of Bacteriol. 182, 5990-5996.
• Lee, K. y Levy, E. M. (1989). Enhancement of the natural biodegradation of condensate and crude oil on beaches of Atlantic Canadá. Proceedings of the Oil Spill Conference, American Petroleum Institute. Washington, D.C. pp 479-487.
• Lee, K. y Tremblay, G. H. (1995). Biorremediation of oiled beach sediments. Assessment of inorganic and organic fertilizers, evolving technologics. Oil spill Conference, API. Washington DC, USA. 107-112.
• Lerch, G. (1977). La experimentación en las ciencias biológicas y agrícolas. Ed. Científico Técnica. La Habana.
• López Santín, J. y Gódia Casablancas, F. (1998). Ingeniería Bioquímica. 1ra Edición. Ed. SINTESIS, S.A.
• Mac Kay, N.I. (2001). 1-4. Biorremediación. Noticias Medio Ambiente
• Magot, M.; Ollivier, B.; Patel, B. (2000). Microbiology of petroleum reservoirs. Antonie van Leeuwenhoek. 77: AMOP. 12:103-116.
• Molnaa, B.A y Grubbs, R.B. (2001). Bioremediation of petroleum contaminated soil using microbial consortia as inoculum. Bugsatwork
• Núñez R. (2003). Obtención, caracterización y aplicación de un bioproducto bacteriano para la bioremediacion de derrames de hidrocarburos. Tesis de doctordo. Universidad de La Habana. Cuba.
• Núñez, R., Oramas, J., Ortiz, E., Fonseca, E. y otros. (2003). BIOIL-FC: Tecnología de Biorremediación de derrames de petróleo en ecosistemas marinos. Memorias del V Congreso Internacional sobre Desastres Naturales. La Habana. Cuba.
• Ortiz, E. (2004). Obtención de un tensioactivo a partir de una bacteria marina para la biorre-mediación de la contaminación con hidrocarburos. Tesis de Doctorado. Facultad de Biología. Universidad de La Habana.
• Saponaro, S; Bonomo,L.; Petruzzelli, G. Romele, L. y Barbarafieri, M. (2002). Polyciclic aro-matic hydrocarbons (PAHs) slurry face biorremediation of manufacturing gas plant (MGP) site age soil. Water, air and soil pollution. 135: 1-4: 219-236.
• Shmaefsky, B.R. (1999). Bioremediation: Panacea or fad? Access Excellence. The National Health Museum. Aaccessexcellence
• Tuttle, A y Lester, S. (2001). Biological remediation. Noticias Medio Ambiente
• Viale, R. e Infante, C. (1997) Protocolo para medir producción de CO₂ en suelo. Documento Técnico. INTEVEP. INT- STE – 0966.97.
• E. Ortiz; R. Núñez.; E. Fonseca; J. Oramas; V Almazán; Y. Cabranes; A. Miranda; O .Barbán, C. Martínez; Y. Díaz; y G. Borges.
• Centro de Bioproductos Marinos (CEBIMAR), Agencia de Medio Ambiente