“Año de la Promoción de la Industria Responsable y el Compromiso Climático”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN-TFACULTAD DE ECOLOGIA

E. A. P. DE INGENIERIA AMBIENTAL

BIORREMEDIACIÓN DEL SUELO Y AGUA CONTAMINADO POR PETROLEO

CÁTEDRA : BIOTECNOLOGÍA

CICLO : VII

DOCENTE : Blgo. M Sc. Luis Eduardo Rodríguez Pérez

INTEGRANTES : Cigueñas Piña Sintia Marlith Morales Chapoñan Ivan Marquez Reategui Carles Rocio del Pilar Mondragon Valles Cam Riva Fiorella

FECHA : Viernes, 04 de Octubre del 2013

I. INTRODUCCIÓN

Como respuesta a la creciente contaminación tanto de suelo y agua, generada por derrames accidentales de hidrocarburo del petróleo, se han implementado diversos sistemas biológicos encaminados a la limpieza y recuperación de las áreas impactadas por estos contaminantes orgánicos.

La contaminación del suelo y agua ha venido en aumento como resultado de la explotación, refinación, distribución y almacenamiento de petróleo crudo y sus derivados.Hasta el año 2004, el volumen de derrames accidentales de petróleo y sus derivados fue calculado en 1.5 millones de toneladas por año, afectando suelo, agua y atmósfera.

El uso de procedimientos biológicos para limpiar suelo y agua contaminada (biorremediación) ha recibido especial atención, por ser de bajo costo y ambientalmente amigable, comparado con los procedimientos químicos y físicos. Sin embargo, la biorremediación puede llevar años para completar la restauración y recuperación de las áreas impactadas, dependiendo entre otros factores, de la cantidad de contaminante y de condiciones ambientales que favorezcan la proliferación y actividad de los organismos que se utilicen.Como alternativa de limpieza de suelos contaminados con hidrocarburos del petróleo se ha acudido a la utilización de elementos biológicos que contribuyen a la oxidación, degradación, transformación y completa mineralización de estos contaminantes. Los métodos de tratamiento biológico dependen de la capacidad de los organismos para degradar los contaminantes orgánicos a productos inocuos como dióxido de carbono, agua y biomasa.Para asegurar el éxito en el uso de la biorremediación de suelos se debe poner especial atención a las limitantes que pueden dificultar su aplicabilidad como lo es la disponibilidad de nutrientes, contenido de arcilla, oxigenación, así como la disponibilidad del contaminante para los organismos.

Existen muchas estrategias encaminadas a la limpieza de suelos tales como la adición de fertilizantes, tensoactivos, agentes de volumen, compuestos de liberación de oxígeno, inóculos especializados y otros (por ejemplo, la microemulsion fertilizante INIPOL EPA 22) productos comercialmente disponibles. De igual forma, el uso de acondicionadores o mejoradores orgánicos del suelo tiene como objetivo principal el adicionar nutrientes y material de fácil degradación en el suelo (composteo) con el fin de reducir la densidad aparente de los suelos y facilitar su remediación.

MOYOBAMBA - PERÚ

La contaminación del ambiente, aunada a las necesidades de alimento y energía, ha conducido a la posibilidad de explorar la recirculación y recuperación de aguas residuales.

II. OBJETIVOS

II.1. OBJETIVO GENERAL Presentar una breve revisión crítica de algunos procesos de biorremediación de

suelo y agua contaminados con hidrocarburos del petróleo.

II.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Conceptualizar “el suelo” y su contaminación. Conocer las distintas medidas de “BIORREMEDIACIÓN de suelos”, ante una

posible contaminación.

III. ANTECEDENTESLas primeras manifestaciones de contaminación antrópica pudieron causar efectos similares a los de otras causas naturales. Así en las primeras culturas sin duda el fuego, que fue un elemento clave para el desarrollo de las mismas, permitió modificar la organización espacial del suelo. En un incendio forestal se producen un gran número de sustancias volátiles, cenizas, etc., que regresan al suelo con la lluvia o simplemente por la acción de la gravedad.

El desarrollo agrícola del Neolítico y sobre todo el posterior descubrimiento de los metales y la manera de transformarlos, debieron ser las causas fundamentales de la contaminación de los suelos. La revolución industrial ha representado una extrema abundancia de productos residuales que han llevado en el siglo XX, y más concretamente en la segunda mitad, los niveles de contaminación mundial a límites insostenibles. En la evolución de la contaminación producida por diferentes compuestos se observa en los últimos años que los compuestos radiactivos tienen tendencia a disminuir mientras que otros como los organoclorados, derivados del petróleo y contaminaciones de origen biológico, no dejan de aumentar.

La Biorremediación es una técnica innovadora que se ha desarrollado en las décadas de los 80 y 90, la cual ha sido aplicada exitosamente en el tratamiento de suelos contaminados con hidrocarburos. Se caracteriza por ser una técnica de bajo coste de operación. La aplicación de este tipo de tecnología ha encontrado cierta resistencia de aplicación por el tiempo que demanda completar un proceso hasta obtener las metas de limpieza deseadas.

IV. MARCO LEGAL Constitución Política del Perú (CPP); 1993 Artículo 2°. Toda persona tiene derecho:

22) A la paz, a la tranquilidad, al disfrute del tiempo libre y al descanso, así como a gozar de un ambiente equilibrado y adecuado al desarrollo de su vida.”

Artículo 66°. Los recursos naturales, renovables y no renovables, son patrimonio de la Nación. El Estado es soberano en su aprovechamiento.

Artículo 67°.- El Estado determina la política nacional del ambiente. Promueve el uso sostenible de sus recursos naturales.

Política Nacional Del Ambiental (PNA); D. S. Nº 012-2009-MINAM Eje de Política 2. Gestión Integral de la calidad ambiental

Ley General Del Ambiente; LEY N° 28611 y su modificatoria D. L. Nº 1055 Artículo 91°.- El Estado es responsable de promover y regular el uso sostenible

del recurso suelo, buscando prevenir o reducir su pérdida y deterioro por erosión o contaminación. Cualquier actividad económica o de servicios debe evitar el uso de suelos con aptitud agrícola, según lo establezcan las normas correspondientes.

Artículo 113°.- De la calidad ambiental 113.1 Toda persona natural o jurídica, pública o privada, tiene el deber de

contribuir a prevenir, controlar y recuperar la calidad del ambiente y de sus componentes.

D. S. N° 002-2013-MINAM, aprueba los Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para suelo.

V. FUNDAMENTO TEÓRIC

V.1. DERRAMES DE PETROLEOLa 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.

Perú: Desastre ecológico en el Marañón. Cien km. de aguas contaminadas

Servido, 12 de julio, 2010.- Lo que hasta hace unos días era una mancha que no pasaba de 15 metros de largo, se ha convertido en un desastre ecológico que compromete hasta 100 kilómetros de río, aguas abajo.

Este mismo accidente ya había pasado antes, cuando en el año 2000, unos 5.500 barriles de petróleo terminaron en el mismo río luego de que una barcaza con crudo de la misma empresa se hundiera.La empresa tiene como récord 78 derrames de petróleo durante los últimos cuatro años en la Amazonía peruana

Composición del Petróleo

•Hidrocarburos saturados (alifáticos, lineales o ramificados, desde 1 a 50 C y cicloalcanos): 55-70%

•Hidrocarburos aromáticos monocíclicos (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno, BTEX) y policíclicos (hasta 5 anillos, PAHS): 20-30%

•Asfaltenos y resinas: 4-20%

V.2. MÉTODOS DE BIORREMEDIACION

BIOESTIMULACIÓN: consiste en estimular los microorganismos nativos del suelo adicionando.

BIOAIREACIÓN: Se realizada con gases, como por ejemplo oxígeno y metano, estos son adicionados de forma pasiva en el suelo para estimular la actividad microbiana.

BIOAUMENTACIÓN: es la inoculación de una alta concentración de microorganismos en el suelo contaminado para facilitar la biodegradación.

COMPOSTAJE: se utiliza microorganismos aeróbicos y termófilos, formando pilas de material que deben ser mezcladas y humedecidas periódicamente para promover la actividad microbiana.

FITORREMEDIACIÓN: es el uso de plantas para remover, contener o transformar un contaminante.

MICORREMEDIACIÓN: La micorremediación es una forma de biorremediación en la que se emplean hongos para descontaminar un área.

BIOLIXIVIACIÓN: hace posible extraer metales específicos de los minerales en que están encastados

CULTIVO DE TIERRAS: suelos contaminados por purines, sedimentos o lodos tóxicos, se incorporan a la superficie del suelo cultivable, que es arado en varias ocasiones para airear la nueva composición

BIORREACTOR: son meros recipientes que mantienen un ambiente biológicamente activo, como un compostador doméstico.

RIZOFILTRACIÓN: se sirve del filtrado de agua a través de raíces para eliminar sustancias tóxicas o exceso de nutrientes.

El tratamiento más generalizado de la limpieza de derrames de petróleo se da por medio de la adición de fertilizantes con nitratos o

sulfatos para estimular la reproducción de bacterias nativas o exógenas (introducidas) y de esta forma facilitar la descomposición del petróleo crudo.

V.3. MICROORGANISMOS EN LA BIORREMEDIACIÒN QUE DEGRADAN PETROLEO

En suelos se han aislado bacterias de los géneros Pseudomonas, Burkholderia, Acinetobacter, Sphingomonas y diversos hongos.

En agua marina, bacterias de los géneros Alcanivorax, Cycloclasticus, Oleiphilus, Oleispira, Neptunomonas, Planococcus, Marinobacter, Vibrio, Pseudoalteromonas, Marinomonas o Halomonas.

Bacterias hidrocarbonoclásticas

Son verdaderos especialistas en degradar hidrocarburos (no metabolizan ni azúcares, ni aminoácidos ni otras fuentes de C habituales). Destacan los géneros Alcanivorax (especializados en degradar alcanos) y Cycloclasticus (asimila sólo hidrocarburos aromáticos). En ambos casos se trata de bacterias marinas que están presentes en pequeñas proporciones en el agua de mar pero que llegan a ser predominantes en aguas contaminadas con petróleo. Se piensa que en aguas no contaminadas se alimentan de los hidrocarburos producidos por algas y otros organismos marinos.

Microorganismos concretos:

Los microorganismos aislados en suelos poseen actividades de peroxidasas y oxigenasas, que permiten la oxidación de algunas fracciones del petróleo.

• Rhodococcus. Dentro de las aplicaciones industriales y ambientales, se incluye la producción de ácido acrílico y acrilamida, conversión de esteroides, biorremediación de hidrocarburos clorados y fenoles, a lo que se añade su gran capacidad de degradar hidrocarburos alifáticos halogenados y numerosos compuestos aromáticos, como los HAP´s (hidrocarburos poli-cíclicos aromáticos).

• Pseudomonas. Las bacterias de este género poseen la habilidad para utilizar diversos substratos, incluyendo aquellos creados por el petróleo.

V.4. Fundamento Bioquímico De La Biodegradación

El fundamento bioquímico de la biorremediación se basa en que en la cadena respiratoria, o transportadora de electrones de las células, se van a producir una serie de reacciones de óxido-reducción cuyo fin es la obtención de energía. La cadena la inicia un sustrato orgánico (compuestos hidrocarburados) que es externo a la célula y que actúa como dador de electrones, de modo que la actividad metabólica de la célula acaba degradando y consumiendo dicha sustancia.Los aceptores más comúnmente utilizados por los microorganismos son el oxígeno, los nitratos, el hierro (III), los sulfatos y el dióxido de carbono. Cuando el oxígeno es utilizado como aceptor de electrones la respiración microbiana se produce en condiciones aerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo aerobio; sin embargo, si utiliza los sulfatos o el dióxido de carbono se produce en condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo anaerobio (Fig. 1)

La concentración y composición de la comunidad microbiana y la tasa de transformación de contaminantes está influenciada por diversos factores:

– Necesidad de nutrientes: El metabolismo microbiano está orientado a la reproducción de los organismos y éstos requieren que los constituyentes químicos se encuentren disponibles para su asimilación y sintetización. Los nutrientes principalmente requeridos son el fósforo y el nitrógeno. Por lo general suele haber en el suelo una concentración de nutrientes suficiente, sin embargo, si estos no se encontrasen en el rango normal se puede adicionar mayor cantidad al medio. El rango normal de C:N:P depende del sistema de tratamiento a emplear, siendo de modo habitual 100:10:1.

– pH del suelo: afecta significativamente en la actividad microbiana. El crecimiento de la mayor parte de los microorganismos es máximo dentro de un intervalo de pH situado entre 6 y 8. Así mismo el pH también afecta directamente en la solubilidad del fósforo y en el transporte de metales pesados en el suelo. La acidificación o la reducción del pH en el suelo se puede realizar adicionando azufre o compuestos del azufre.

– Temperatura: generalmente las especies bacterianas crecen a intervalos de temperatura bastante reducidos, entre 15 y 45 ºC (condiciones mesófilas), decreciendo la biodegradación por desnaturalización de las enzimas a temperaturas superiores a 40 ºC e inhibiéndose a inferiores a 0 ºC.

– Humedad: los microorganismos requieren unas condiciones mínimas de humedad para su crecimiento. El agua forma parte del protoplasma bacteriano y sirve como medio de transporte a través del cual los compuestos orgánicos y nutrientes son movilizados hasta el interior de las células. Un exceso de humedad inhibirá el crecimiento bacteriano al reducir la concentración de oxígeno en el suelo. El rango varía en función de la técnica.

– Estructura química del hidrocarburo: la inherente biodegradabilidad de un hidrocarburo depende, en gran medida, de su estructura molecular.

Siendo los parámetros que más van a afectar la halogenación, la existencia de ramificaciones, la baja solubilidad en el agua y la diferente carga atómica.

V.5. Factores Que Determinan La Eficacia De La Técnica Bioventing o inyección de aire: Es un tratamiento de biorrecuperación de tipo “in situ”, consistente en la ventilación

forzada del suelo mediante la inyección a presión de oxígeno (aire) en la zona no saturada del suelo a través de pozos de inyección.

Los factores a tener en cuenta en la aplicación del bioventing o inyección de aire natural son: Se degradarán más fácilmente las moléculas más pequeñas (hasta C20), siendo

más fácilmente biodegradables los compuestos parafinados o de cadena lineal que los compuestos aromáticos.

Los suelos deben contener bajos contenidos en arcilla y ser lo más homogéneamente posible, con un valor de permeabilidad al aire adecuado (> 10-10 cm2).

El principal problema es la biodisponibilidad de los microorganismos. Cuanto menor es la solubilidad de los contaminantes menor será la biodisponibilidad.

Los aportes de oxígeno deben ser suficientes, así como la existencia de fuentes de carbono, aceptores de electrones y energía suficientes.

Necesidad de tiempos de actuación cortos (meses) y coste medio-alto.

Biopilas:Es un tratamiento de biorrecuperación de tipo “ex situ” en condiciones no saturadas, consiste en la reducción de la concentración de contaminantes derivados del petróleo en suelos excavados mediante el uso de la biodegradación.

En principio, las biopilas se pueden aplicar a la mayoría de los compuestos orgánicos, siendo más eficaz en los compuestos de carácter más ligero.

Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas destacan: Los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el suelo en

concentraciones menores a 50.000 ppm. Dada la necesidad de excavación y posterior depósito del suelo contaminado, se

requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensiones dependen del volumen de suelo a tratar.

Necesidad de una densidad de poblaciones microbianas (>1.000 CFU/gramo de suelo), condiciones de humedad (40-85% de capacidad de campo), temperatura (10 y 45ºC), textura (baja proporción de arcillas), pH del suelo adecuadas (6 y 8) y baja presencia de metales pesados (< 2.500 ppm).

El tiempo de actuación puede ser alto (meses a años) y el coste bajo.

Atenuación natural:La atenuación natural, aunque no está considerada como una técnica de descontaminación propiamente dicha, está englobada dentro de las técnicas de remediación in situ de muy bajo coste. Su característica principal es la utilización de los procesos físico-químicos de interacción contaminante-suelo y los procesos de biodegradación que tienen lugar de forma natural en el medio.

Los procesos de biotransformación natural son aquellos que van a reducir la concentración de los contaminantes y entre los que se encuentran la dilución, dispersión, volatilización, adsorción, biodegradación y aquellas reacciones químicas que se producen en el suelo o en el agua y que contribuyen de alguna forma a la disminución de la contaminación.

Esta técnica se aplica en aquellos casos en los que exista contaminación tanto en suelos como aguas subterráneas producida por hidrocarburos de tipo halogenado o no halogenado

Factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuación natural destacan La exigencia de protección y el riesgo de los potenciales receptores durante el

tiempo que dura la atenuación.

La existencia de unas condiciones geológicas y geoquímicas favorables. Confirmación de la existencia de los tipos y número de poblaciones de

microorganismos que puedan biodegradar los contaminantes. Para condiciones aerobias la condición ambiental óptima de concentración de

oxígeno disuelto en el agua debe ser superior a 0,5 mg/l. La concentración de los compuestos utilizados como aceptores de electrones en

condiciones anaerobias debe ser superior a 0,21 mg/l para nitratos, la de Fe3+

para que pueda ser reducido a Fe2+ debe ser superior a 21,8 mg/l y la de sulfatos mayor de 0,21 mg/l.

V.6. DISEÑO Y APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE BIOTRATAMIENTO

El diseño de estos sistemas de tratamiento se llevará a cabo estableciendo varias etapas de trabajo (Fig. 2):

Fase de investigación y caracterización de la contaminación y del emplazamiento:

El primer paso para preparar el diseño de biotratamiento en el suelo es la realización de una completa investigación del medio, que incluye principalmente el estudio exhaustivo de la caracterización del emplazamiento y del tipo y concentración de la contaminación existente. La caracterización del emplazamiento se llevará a cabo mediante el estudio del mismo detallando la volumetría del suelo a tratar, las condiciones geológicas e hidrogeológicas, analizando las características del suelo y sus propiedades (pH, granulometría, humedad, porosidad, etc).

La caracterización del contaminante se centrará en la investigación del tipo y concentración del mismo, así como la biodisponibilidad de los compuestos en el suelo (aceptores de electrones, metales pesados, nutrientes, etc).

Análisis y elección de las medidas biocorrectivas:De la fase de investigación inicial, una vez identificadas las características del emplazamiento, del suelo y del contaminante, se podrá pasar al análisis y elección de las medidas biocorrectivas más adecuadas. Para ello será necesario:

1. Identificar y cuantificar los contaminantes. Definiendo sus propiedades físico-químicas más importantes.

– Identificación y clasificación de compuestos.– Concentración en suelos y aguas subterráneas.– Caracterización de la presión de vapor, constante de Henry, densidad y grado de solubilidad.

2. Conocer los factores que influyen en la transformación biológica de los contaminantes

– Factores ambientales: tales como humedad, oxígeno disuelto, temperatura, pH, disponibilidad de nutrientes.– Factores microbiológicos: presencia de microorganismos y aclimatación de las poblaciones microbianas.

2. Designar las medidas biocorrectivas. En función de los factores anteriormente expuestos, se elegiría el sistema de biotratamiento más adecuado.

Diseño y evaluación del sistemaPara el diseño de un sistema de biorrecuperación es necesario establecer unas etapas de trabajo, en las cuales se determinan y evalúan los parámetros fundamentales necesarios para su eficacia.

Las etapas a seguir en el diseño de un sistema de biotratamiento son:

1. Evaluación de la viabilidad de la técnica. Se estudiarán los parámetros de evaluación que definen el sistema elegido, así como se evaluará las condiciones de biotratabilidad, los objetivos de limpieza exigidos y los costes de tratamiento necesarios.

2. Evaluación del diseño. Se estudiarán los factores que afectan la eficacia de la técnica y las posibles mejores o acondicionamientos a aplicar.

3. Evaluación del control y seguimiento.

Control y seguimientoPara asegurar la correcta ejecución y un progreso adecuado del tratamiento se debe llevar a cabo un plan de control y seguimiento del sistema. Control de las condiciones de degradación y biodegradación. Se registrará la

variación de concentración de TPH, BTEX, COV’s, CO2 desprendido y Oxígeno disuelto, variación de nutrientes (N, P, etc.)

Control de los parámetros que afectan directamente en el funcionamiento del sistema.

Análisis e interpretación de resultados En esta última etapa se analizan los resultados obtenidos, haciendo un balance

de los objetivos alcanzados y los marcados inicialmente. En este punto, si fuese necesario, se deberán proponer y estudiar aquellas mejoras o modificaciones necesarias para la optimización del sistema.

VI. CONCLUSIONES

Las medidas biocorrectivas o los sistemas de biorremediación son técnicas de descontaminación suficientemente estudiadas y evaluadas, basados en los procesos de biodegradación y fácilmente aplicables.

Es necesario una investigación y caracterización de la contaminación y del emplazamiento de forma rigurosa para evaluar y elegir la medida biocorrectiva más adecuada y diseñar el sistema de manera óptima, así como es necesario llevar a cabo un control y seguimiento del mismo.

VII. BIBLIOGRAFIA

EWEIS, J et all. Principios de biorrecuperación. Ed. Mac Graw Hill. (1999).

ITGE. Contaminación y depuración de suelos. (1995)

LAGREGA, M. et al. Gestión de Residuos Tóxicos. Tratamiento, eliminación y recuperación de suelos.Ed. Mc Graw Hill. (1996)

LEVIN, L.; GEALT M. Biotratamiento de residuos tóxicos y peligrosos. Selección, estimación, modificación de microorganismos y aplicación. Ed. Mc Graw Hill. (1997).