Biorremediación de humedales contaminados con petróleo · Contaminación de humedales por...
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Biorremediación de humedales contaminados
con petróleo
[email protected]@javeriana.edu.co
Fabio Roldan Ph.DUnidad de Saneamiento y Biotecnología Ambiental
(USBA )
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Shoreline environmental sensitivity index (ESI)
123456
66b78
8b9
1010b10c10d Ambientes mas sensibles a
derrames de petróleo yestrategias de remediación
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Importancia y servicios ecosistémicos de los humedales
• Ecosistema altamente productivo
• Criaderos y áreas de reproducción
• Refugio de fauna
• Ciclaje de nutrientes
• Almacenamiento de agua
• Mantienen la calidad del agua
http://www.fredhoogervorst.com/photo/03582134db/
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Contaminación de humedales por hidrocarburos (HCs )
Fuentes
� Navegación
� Descarga de aguas
Efectos� Pérdida equilibrio
ecosistémico
� Ciclos biogeoquímicos
� Residuales
� Derrames de
petróleo
� Toxicidad organismos expuestos
� Permanencia a largo plazo
� Penetración profunda dentro del sustrato
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Técnicas de limpieza empleadas en marismas contaminadas
Métodos físicos- Remoción mecánica- Chorros de agua caliente ó a gran presión - Reubicación de sedimentos “destruirla para salvarla”- Corte de la vegetación
- Corte de la vegetación- Quema in situ Bajos % remoción
Métodos químicos- Dispersantes/surfactantes- LimpiadoresPueden generar mayor contaminación
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Biorremediación
Remediación de ambientes contaminados utilizando microorganismos, plantas ó enzimas
Biodegradación de compuestos orgánicos (contaminantes) generalmente por microorganismos, produciendo:� Biomasa celular
� Biomasa celular � Compuestos menos complejos� Agua, metano y CO2
Transformación de compuestos potencialmente tóxicos (contaminantes) en productos menos tóxicos ó inocuos
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Biorremediación
Ventajas :- Económico- Menor intervención al ecosistema- Ambientalmente amigable- No transferencia del contaminante a otra matriz
- No transferencia del contaminante a otra matriz- Mineralización del contaminante
Desventaja :- Mayores tiempos de remediación
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Biorremediación activa
BioestimulaciónModificar condiciones ambientales (adición de factoreslimitantes) para estimular el metabolismo microbiano y lautilización del contaminante
• Nutrientes• Aceptores terminales de electrones (ATEs)
• Aceptores terminales de electrones (ATEs)• Donadores de electrones, pH, humedad
BioaumentaciónAdición de microorganismos• Nativos• Alóctonos (externos)Resultados muy limitados en campo
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Estudio de caso
Biorremediación in situ con la adición de oxigeno y nitrato como aceptores de electrones en una marisma contami nada
Oxygen and Nitrate Enhanced in situ Bioremediation of an Oil-Contaminated Salt Marsh
Fabio Roldán, PhD
University of New HampshireDepartment of Civil Engineering
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El derrame de petróleo del Julie N
� El carguero Julie N impactó el puente de la ruta 77 (Portland, ME)
� Liberación de ~350 m3 y ~330 m3 de aceites No. 2 y 4, respectivamente.
respectivamente.– Respuesta inmediata– Fuertes vientos y oleaje movieron ~150 m3 hacia el
río Fore
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Fore River Creek salt marsh after the Julie N spill
Fore River
[email protected] NOAA
Fore River Creek
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Objetivo general
Evaluar la habilidad de dos aceptores terminales deelectrones (ATEs) (O2 y NO3
-) para estimular labiodegradación in situ.
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Tratamientos evaluados
Aire• Metabolismo aeróbico• O2 como ATE• O2 alto rendimiento
energético
Solución de nitratos• Desnitrificantes• Inyección semanal
• 430 g Nitrato de sodio (NaNO3)/28.4 L agua
2energético
• Suministro continuo• Bomba de bajo flujo :3.2
m3/h
(NaNO3)/28.4 L agua
• Concentración en el volumen de poro (2.27 m3) • 130 mg NO3
--N /L
• Colocado por gravedad
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Diseño experimental de los plots para O2 y NO3
-
0.6 m(2 ft) 0.3 cm0.3 cm
10 m
3 m
(30 ft)
(10 ft)
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Instalación de los pozos horizontales
20 cm(8 in)
Hollow Metal
Plastic Pipe
Salt Marsh Surface
Hollow MetalPipeLoose Bolt
PerforatedPlastic Pipe
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Sistema de distribución
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Experimental plot volume
3 m
10 m
20 cm
0.6 m
Plot Volume : 2.27 m3
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Cuadrículas experimentales en las parcelas
1 2 3 4 5 6 7
8
9 10 11
12
13 14 15 16 17 18 19 20
21
22
23 24
25
26
27 28 29 30 31 32
33 34
35 36
37 38
39
40 41 42 43
44
45 46 47 48
49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
Catwalk Right of Ways
a
c
0.6 m
0.3 m
49 50 51 52 53 54
55 56
57
58 59
60
61 62 63 64 65
66 67 68
69 70
71
72
73 74 75
75 77
78 79 80
81
82 83 84
85 86 87 88
89 90 91 92
93 94 95 96
97 98
99 100 101 102 103 104
105 106 107
108
109 110 111 112 113 114 115
116
117 118
119
120
Delivery System
bc
d
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Subplots seleccionados durante el muestreo Pasarelas
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Pasarelas usadas durante el estudio
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Monitoreo de la biorremediación
� Hidrocarburos totales de petróleo (TPHs)
� Concentración:- Alifáticos de cadena corta, SC (C - C )
- Alifáticos de cadena corta, SC (C9 - C18)- Alifáticos de cadena larga, LC (C18 - C36)- Aromáticos (C11- C22)
� Análisis GC–FID
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Abundancia de microorganismos degradadores
� Reducción de INT acoplado a metodo del NMP
Positivo
metodo del NMPEl color cambia cuando el INT acepta e- del No. 2 fuel oil como donador de e-.
Negativo
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Analysis of covariance linear model (ACLM)
A Plot B Subplot C Sample D Time Y
i1 Air j1 a k1 aa k2 ab 1,2,…,365 SC aliph.
i2 NO3- j2 b k3 ba k4 bb LC aliph.i2 NO3 j2 b k3 ba k4 bb LC aliph.
i3 Control j3 c k5 ca k6 cb l1… .l365 aromatics
j4 d k7 da k8 db
Log Y= m + Ai +Bj(i) + Dl + ADil + C(i,j,k,l) + E(i,j,l)
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Modelo de regresión de variables indicadoras (MRVI)
Zi = variables indicadoras (Z1, Z2)aire = 1,0 NO3
- = 0,1 control = 0,0
Log Y = m +b Z + b Z +b time(Z )+b time(Z ) + b (time)Log Y = m +b1Z1 + b2Z2+b3time(Z1)+b4time(Z2) + b5(time)
Aire: Log Y = (m+b1) + (b3+b5)timeNO3
- : Log Y = (m+b2) + (b4+b5)time, andcontrol: Log Y = m + b5time
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Tratamientos con reducción significativa (p<0.2) y sus tasas de biodegradación (mg/kg dw /d+2s)
Control (7.8±2.1)NO3
- (4.7±2.4)----
Cont. (13.1±12.8)Air (27.6±17.5)
NO3- (20.6±10.9)
SC aliphatics
TotalprimaveraVerano, otoño
Color indicates degradation rates greater than control
Control (6.9±4.8)NO3
- (4.5±3.3) ----
Cont. (19.2±11.2)Air (16.9±9.9)
Aromatics
Control (3.0±1.0) ----Cont. (13.6±12.2)NO3
- (23.7±13.0)LC aliphatics
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NO3--N
agua de poro
� Concentraciones muy variables
� Concentración in situ de NO3
- baja en el plot para mantener desnitrificación
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
NO
3- C
once
ntra
tion,
mgN
/L
0.0
0.2
0.4
0.8
1.0
Con
cent
ratio
n, m
gN/L
0.4
0.6
0.8
1.0
Control
Air
mantener desnitrificación� 32 mg NO3
--N /L concentración objetivo
� Con base en la estequiometría solamente ~11% fue inyectado
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
NO
3- C
once
ntra
tion,
mgN
/L
0.0
0.2
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
NO
3- C
once
ntra
tion,
mgN
/L
0.0
0.2
0.4
0.8
1.0
NO3-
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Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
NH
4+ Con
cent
ratio
n, m
gN/L
0
2
4
6
8
10
12
14 C
once
ntra
tion,
mgN
/L
8
10
12
14
205
Control
Air
NH4+-N
agua de poro
� Concentraciones muy variables
� Mayor concentración en la marisma por las
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
NH
4+ Con
cent
ratio
n, m
gN/L
0
2
4
6
8
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
NH
4+ Con
cent
ratio
n, m
gN/L
0
2
4
6
8
10
12
14
NO3-
en la marisma por las condiciones de reducción
� Baja concentración como nutrientes para mantener la biorremediación
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PO4-3-P
agua de poro
� Concentraciones muy variables
� El control y la parcela del NO3
- presentaron altas
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
PO
4-3 C
once
ntra
tion,
mgP
/L
0
1
2
3
4
Con
cent
ratio
n, m
gP/L
2
3
4
Control
Air
NO3- presentaron altas
concentraciones al final de 1998 seguido de una caída drástica
� Plot de aire tuvo menor concentración en espacio intersticial
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
PO
4-3 C
once
ntra
tion,
mgP
/L
0
1
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
PO
4-3 C
once
ntra
tion,
mgP
/L
0
1
2
3
4
NO3-
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S. AlternifloraAltura del tallo
� Patrón estacional de crecimiento
� Acondicionamiento no tuvo un efecto sig.
Ste
m H
eigh
t, cm
60
90
120
150
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
Ste
m H
eigh
t, cm
0
30
60
90
120
150Control
Air
� IVRM analysis� No hay relación entre
altura y degradación de SC, alifáticos LC ó aromáticos
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
Ste
m H
eigh
t, cm
0
30
60
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
Ste
m H
eigh
t, cm
0
30
60
90
120
150NO3-
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Densidad de S. Alterniflora
� NSD entre control y tratamientos
� Mayores densidades cuando hay plantas
Den
sity
, # o
f ste
ms/
m2
900
1200
1500
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
Den
sity
, # o
f ste
ms/
m2
0
300
600
900
1200
1500Control
Air
pequeñas � No hay relación entre
densidad y degradaciónJun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
Den
sity
, # o
f ste
ms/
m
0
300
600
Jun Aug Oct Dec Feb Apr Jun
Den
sity
, # o
f ste
ms/
m2
0
300
600
900
1200
1500
NO3-
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Resultados
� Pendientes negativas por el IVRM indicaron una reducciónde TPHs durante 1998 y todo el estudio (1998-1999)
� La biodegradación fue considerada como el procesoprincipal
� Durante el verano y otoño el aire degradósignificativamente los SC mientras que el NO - degradó
significativamente los SC mientras que el NO3- degradó
alifáticos SC y LC
� Durante la primavera no se observo degradaciónsignificativamente mayor a Atenuacion natural.
� Durante el año ninguno de los tratamientos presento unatasa de biodegradación significativamente mayor a la delcontrol (AN) para las diferentes fracciones de TPHs
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Factores limitantes de la biodegradación
� Presencia de fracciones arcillosas ó húmicas lo que ocasionó que los TPHs fueran menos biodisponible
� Rápida utilización de ATEs para degradar materia orgánica natural y oxidación de sulfitos reducidos
� Baja concentración in situ de N en espacios intersticiales
� TPH más resistentes a biodegradación
� Cobertura vegetal de S. alterniflora
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Limitaciones ingenieriles I
� Tratamientos: adición homogénea? � Solución NO3
- : rutas de menor resistencia?• a la superficie• Después de remover tubería metálica
• Después de remover tubería metálica durante instalación
� Permeabilidad limitada del gas a través de los sedimentos
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� Limitación en la transferencia de masas– Baja solubilidad de TPH– Baja temperatura– Mezcla limitada
Limitaciones ingenieriles II
– Mezcla limitada
� Uso de bajas concentraciones de los tratamientos
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Conclusiones I
� Sedimentos de la marisma muy complejos– Alta variabilidad espacial– Altas heterogeneidad de condiciones (e.g., sedimentos finos y
raíces)
� Interferencias MON
� Interferencias MON� Durante todo el estudio los TEAs no mejoraron
degradación in situ de TPH respecto a la atenuación natural
� Bajas concentraciones in situ de N y limitacion en transferencia de masa puedieron ser los principales factores que afectaron biodegradación de TPH in situ