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Biorremediación de hidrocarburos

Biorremediación de hidrocarburos 

El ambiente marino posee una pobre capacidad de respuesta al impacto de los hidrocarburos petrolíferos, tanto por la baja concentración de nutrientes disponibles (nitrógeno y fósforo), como por la baja frecuencia de aparición de bacterias hidrocarbonoclastas. Teniendo en cuenta la posibilidad que ofrecen las células inmovilizadas de transformar los hidrocarburos del petróleo sin que ocurra duplicación celular.

Características

Se demostró por Cromatografía Gaseosa de Alta Resolución, que no es necesario añadir nutrientes al agua de mar para que ocurra una degradación eficiente de los hidrocarburos del petróleo por parte del BIOIL y que la acción de este producto no se inhibe por altas concentraciones de hidrocarburos (hasta el 8 %).

BIOIL es efectivo frente a los hidrocarburos del petróleo en ausencia de fuentes de nitrógeno y fósforo lo cual lo hace más económico y menos tóxico al ambiente marino.Este producto mantiene su capacidad degradadora a altas concentraciones de hidrocarburos (hasta el 8 %) sin añadir nutrientes al medio de transformación.

La biodegradación microbiana

La biodegradación microbiana del petróleo es un proceso complejo que consiste en transformarlo en otros compuestos más solubles e inestables. Esta se lleva a cabo por acción de monooxigenasas y dioxigenasas, enzimas que oxidan a los hidrocarburos con incorporación directa de oxígeno molecular [1].

Cada una de estas enzimas controla un paso de las vías metabólicas, por las cuales las sustancias tóxicas son transformadas en productos no tóxicos.[2]

La inoculación directa de microorganismos degradadores de petróleo, principalmente bacterias, ha sido estudiada como una vía para disminuir las consecuencias nocivas de un derrame. La velocidad de degradación de hidrocarburos es mayor por éste método y además se evitan los metabolitos tóxi-cos que se forman durante el proceso de biodegradación cuando se utilizan fertilizantes orgánicos [3].

El uso de células inmovilizadas ofrece una alternativa con respecto a las aplicaciones convenciona-les llevadas a cabo con células libres. Por esta razón en el Instituto de Oceanología se obtuvo un producto de células inmovilizadas patentado y denominado BIOIL [4].

BIOIL

Producto formado por el cultivo mixto A-5 inmovilizado en gel de pectina cítrica.
Medio de degradación empleado: Medio Salino [5], suplementado con 3% de petróleo Romashkino (32 API).

Teniendo en cuenta la posibilidad que ofrecen las células inmovilizadas de transformar los hidrocar-buros del petróleo a través de un mecanismo de bioconversión hasta transformarlo en CO2 y H2O sin necesidad de una duplicación celular, es necesario realizar un estudio de la necesidad o no de añadir nutrientes al BIOIL.

El objetivo de éste trabajo fue analizar la necesidad de adicionar nitrógeno y fósforo al medio cuan-do se usa BIOIL en derrames masivos de hidrocarburos en el mar.

Influencia de la concentración del petróleo en la degradación

Se inoculó 1g del producto en agua de mar con petróleo al 8% (v/v) y se realizó la extracción de hidrocarburos residuales a los 30 días. Todos los experimentos se realizaron con petróleo ligero Romashkino, la esterilización se realizó a 121 ºC durante 15 minutos y como control se utilizó medio estéril sin inocular.

El petróleo residual en todos los casos, fue recuperado mediante la extracción de hidrocarburos del medio utilizando CCl4 como solvente de extracción (tres extracciones sucesivas con 10 mL del sol-vente).

Los extractos de hidrocarburos totales se analizaron cualitativamente por cromatografía gaseosa, en un equipo PU 4400 con detector iónico de llama y columna capilar de sílice fundida de 40mx0.25dm recubierta con SE 54. El gradiente de temperatura programado fue de 50 270oC a 6oC.min-1.

La biodegradación

La biodegradación es el proceso natural más importante para eliminar los hidrocarburos del petróleo presentes en el medio marino mediante la transformación de estos en oxígeno, dióxido de carbono y agua. Este proceso se lleva a cabo por microorganismos capaces de crecer y desarrollarse en el medio, usando dicha materia orgánica como sustrato y fuente de energía.[6]

La velocidad de degradación de las moléculas orgánicas por los microorganismos, bacterias en particular, depende de la configuración del sustrato, por lo cual, compuestos hidrocarbonados como el pristano y el fitano, son utilizados como trazadores biogeoquímicos en la identificación y curso de la biodegradación de crudos [7].

Por esta razón, la disminución en los perfiles cromatográficos de los picos correspondientes a estos compuestos permite asegurar que la degradación es debida a la acción microbiana y no a otras causas.

No se observan diferencias notables entre las diferentes variantes estudiadas por lo que podemos inferir que las células inmovilizadas no necesitan nutrientes para llevar a cabo la degradación del sustrato, aunque el medio se encuentre desbalanceado, utilizando éste por un meca-nismo de bioconversión.

La variante D resulta más atractiva ya que no es necesario fertilizar la mancha, disminuyendo los cos-tos de aplicación y evitando la contaminación del ambiente marino, no sólo por la presencia de estos compuestos químicos, sino también por los productos metabólicos que se forman durante el crecimien-to celular y que pueden ser más dañinos que el petróleo.

Una vez efectuada la recogida mecánica del crudo derramado, la biodegradación es el mecanismo más importante, efectivo y económico para la eliminación final de los hidrocarburos del petróleo presentes en el medio marino. Bajo su acción se ponen en juego múltiples reacciones de oxidación que conducen a la formación de hidrocarburos de menor peso molecular, además de la formación de dióxido de carbono, agua y biomasa microbiana.

Este proceso se lleva a cabo por microorganismos capaces de crecer y desarrollarse en el medio, usando dicha materia orgánica como sustrato y fuente de energía.

El petróleo Romashkino de 32 API está formado fundamentalmente por parafinas ligeras menores de C18, son degradadas fácilmente por los mecanismos de metil y oxidación, dando generalmente CO2 y H2O [8]. Por eso, este tipo de petróleo es muy susceptible a la degradación microbiana.

El BIOIL, producto formado por un cultivo mixto, degrada todos los componentes del petróleo simul-táneamente y no de forma secuencial como cuando son atacados por un cultivo puro.

Unos microor-ganismos degradan las fracciones parafínicas y otros el resto de los componentes según la afinidad por el sustrato y en dependencia del gasto energético, lo cual trae consigo que cada uno realice el proceso de biotransformación a diferentes velocidades. Esto depende en gran medida de la compe-tencia por el sustrato y de la velocidad de degradación de cada microorganismo.

En la bibliografía, se refiere que la oxidación total de un sustrato de múltiples componentes como el petróleo requiere de la acción simultánea o sucesiva de varios microorganismos para lograr una mayor eficiencia en la degradación [9].

Joseph, I.N. en 1996 demostró que el porcentaje de hidrocarburos eliminado con un cultivo mixto es un orden superior que con un cultivo puro.

En la proporción crudo - BIOIL (8:1), se evidencia que el producto, aún en ausencia de nutrientes no se inhibe por altas concentraciones de petróleo.

Omar et al. (1990) demostraron que con estas mismas concentraciones de crudo (8%) Candida parapsilosis inmovilizada degrada el 90% en sólo 3 semanas mientras que con células libres en el mismo período se degradó sólo un 27,5%

Todos los productos descritos en la bibliografía consultada emplean nutrientes para potenciar el proceso de degradación. Entre ellos tenemos el BIOTEMPOSCREEM, producto ruso liofilizado que contiene en su composición 14 especies de microorganismos hidrocarbonoclastas, nutrientes y un catalizador biológico biodegradable.

(Kaushansky, 1994), el PUTIDOIL, producto ruso liofilizado, formado por una cepa de Pseudomonas putida y nutrientes [10] y un producto japonés que contiene nutrientes y microorganismos hidrocarbonoclastas inmovilizados en alginato de calcio [11].

Bibliografía

  • Bellota, M.R. et al. (1994) ”Bioproducto para combatir la contaminación por hidrocarburos del petróleo y sus derivados” Certificado de autor de invención, País: Cuba No 22 323.
  • Bergueiro, J. R. et al. (1994). Bioproducto del crudo de petróleo Brent procedente del siniestro del "Ae-gean sea". III Congreso de Ciencias del Mar. Resúmenes: 193.
  • Bergueiro, J. R. y Domínguez, F., (1996): “Evaporación y mezclas de hidrocarburos”. Editorial Bilbilis. 348 p p.
  • Hideki, O. (1994). A new carrier for oil degrading bacteria. Programa and abstracts fourth international marine biotechnololgy conference, Tromso, Nonvay.
  • Joseph, I.N. (1996): “Microorganismos marinos degradadores de Hcs y sus aplicaciones en la industria petrolera”. Tesis para optar por el título de “Maestro en Ciencias Biológicas. 56 pp.
  • Kaushansky (1994). Comunicación personal.
  • Lee, K. and Levy, E.M. (1989): “Biodegradation of petroleum in the marine enviroment and its en-hancement”. Offprints from aquatic Toxicology and water quality management. Edited by Jerome A. Nriagy 217-243p
  • Lee, K. and Tremblay, G. H., (1995): “Biorremediation of oiled beach sediments. Assessment of inor-ganic and organic fertilizers, evolving technologics” Oil spill Conference: 107-112 p.
  • Omar, S.H.et al (1990): “Degradation of oily sludge from a flotation unit by free and inmovilized micro-organism”. Appl. Microbiol. Biotechnol. 34(2): 259-263p.
  • Rambeloarisoa, E et al (1984): “Degradation of crude oil by mixed culture of bacteria isolated from foams“ Mar. Biol., 83: 69- 81p.
  • Ramos, I et al., (1990): Bioconversión de hidrocarburos petrolíferos presentes en agua de capa en ensa-yos pilotos”. Quimioindustria 90. Memorias, 32p.
  • Rontani, J.F. et al. (1986): “Gas chromatographic and gas chromatography/ mass spectrometry applied to the determination of to new pathway of pristane degradation by to marine mixed bacterial popula-tion”. Mar.Chem., 18: 9-16p.
  • Van der Linden, A. C. (1978) “Degradation of oil in the marine environment. In J. R. Watkinson (Ed), Developments in Biodegration of Hydrocarbons”, Elsevier Applied Science. 1: 165-200p.
  • Vela, G.R. and Ralston, (1978): “The effect of temperature on phenol degradation in waste water” Can. J. Microb. 24(11): 366-370p.
  • Wackett, L. P. and Ellis, L., (1998). “Bioremediation”. Microsoft. Encarta. Encyclopedia. Microsoft Corporation. All rights reserved.

Referencias

  1. (Lee y Levy, 1989)
  2. (Wackett y Ellis, 1998)
  3. (Lee y Tremblay, 1995)
  4. (Bellota et al., 1994)
  5. (Vela y Ralston, 1978)
  6. Bergueiro y Domínguez, 1996)
  7. (Rontani et al, 1986)
  8. (Ramos et al, 1990)
  9. (Van der Linden, 1978; Rambeloarisoa et al., 1984).
  10. (Bergueiro y cols., 1994, patente norteamericana No. 4.822.490)
  11. (Bergueiro y cols., 1994, patente norteamericana No. 4.822.490)

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