Experimento mediante biorremediación en un suelo contaminado con hidrocarburos en una planta de coque
Este trabajo tuvo como objetivo experimentar la biorremediación en un suelo arcilloso con alto contenido de materia orgánica proveniente de una planta de coque. El sitio contaminado está ubicado en un antiguo complejo industrial que generó hidrocarburos poliaromáticos (HAP) como subproducto de la producción de coque. El mal manejo del diésel almacenado (hidrocarburos de fracción media, HFM) también contaminó el suelo. La superficie contaminada es de aproximadamente 90,000 m2.
Tanto los HFM como los HAP superan los límites permisibles de acuerdo con la normatividad. Sus mayores concentraciones se encontraron entre los 2 y 4 m de profundidad. A pesar de que las características del suelo y las altas concentraciones de hidrocarburos indican que la biorremediación no es una opción para remediar el sitio, este trabajo tiene como objetivo experimentar con alternativas que puedan mejorar las condiciones del suelo para que la biorremediación pueda ser utilizada para tratar el suelo contaminado. Para ello, se añadió harina de sangre al suelo contaminado para mejorar las condiciones del suelo.
Se obtuvo una buena eficiencia de remoción para HFM (67%) a pesar de sus altas concentraciones y del contenido de materia orgánica. La degradación de los HAP fue nula con sólo biorremediación, por lo que se llevó a cabo un experimento adicional en el que se lavó el suelo con un surfactante, posteriormente, se aireó, obteniéndose una eliminación de HAP de 70% (no mostrado en este artículo).
Introducción
La biorremediación de suelos es actualmente un tema relevante porque implica un proceso en el que los contaminantes orgánicos del subsuelo se biodegradan y pueden mineralizarse, convirtiéndose finalmente en compuestos no tóxicos.
La biorremediación ha demostrado ser una de las técnicas más utilizadas en el mundo (Jergensen et al. 2000; Sarkar et al. 2005), tiene como objetivo mantener el máximo crecimiento posible de microorganismos hasta que la fuente de carbono (hidrocarburos) disminuya, para que, en consecuencia, la población microbiana crezca a un ritmo más lento (Abatenh et al. 2017; Cookson 1995; Nyer 2000; Suthersan 1997).
Los factores físicos y químicos que deben mantenerse dentro de rangos específicos para un proceso de biorremediación eficiente son: oxígeno, contenido de agua, temperatura, pH y nutrientes (C:N:P). Los factores que pueden limitar la actividad de los microorganismos son las bajas temperaturas, los valores de pH muy bajos o muy altos y los agentes químicos, como metales pesados, halógenos, así como contaminantes orgánicos y oxidantes.
La actividad microbiológica puede estimularse mediante el suministro de oxígeno (a través de la aireación), agua y nutrientes (nitrógeno y fósforo). Debido a que la biorremediación se basa en alterar las condiciones ambientales para estimular el crecimiento de microorganismos, cuyas enzimas metabolizan los compuestos tóxicos, un aumento en la actividad microbiana es directamente proporcional a la reducción en las concentraciones de hidrocarburos totales (TPH).
Los principales métodos existentes para aplicar biorremediación en suelos contaminados con hidrocarburos son: a) Biopilas que consisten en excavar el suelo y apilarlo con un sistema de aireación que mejora la actividad microbiana mediante la introducción de oxígeno manteniendo el contenido de agua y los nutrientes en equilibrio. b) La biolabranza que se utiliza principalmente en zonas agrícolas con accidentes de derrames de hidrocarburos. Este método dispersa el suelo contaminado y airea el suelo mediante el movimiento del suelo (labranza) (Cookson 1995; Iturbe et al. 2015; Martín y Bardos 1996; Nyer 2000; Patterson et al. 1999).
Las bacterias heterótrofas son incapaces de producir su propio alimento, por lo que se alimentan de otras fuentes de carbono orgánico, principalmente materia vegetal o animal. Esto apoya su papel en la biodegradación. La cantidad de bacterias (unidades formadoras de colonias, UFC) es el principal parámetro para saber si es posible la degradación. La UFC/g mínima para que se produzca la degradación debe ser igual o superior a 103 (Fahnestock et al. 1998).
La eficiencia de la biorremediación depende de varios parámetros agrupados en tres categorías: características del suelo, tipo de contaminantes y condiciones climáticas.
Según Fahnestock et al. (1998), para que la biorremediación sea factible deben cumplirse los siguientes criterios: concentración total de hidrocarburos inferior a 50,000 mg/kg; número de bacterias heterótrofas > 1000 UFC/g; pH entre 6 y 9; contenido de agua entre 40 y 85% de la capacidad de campo; bajo contenido en arcilla y caliza; relación carbono, nitrógeno y fósforo, C:N:P, de 100:10:1; concentración de metales por debajo de 2500 mg/kg.
El tipo de suelo es muy importante porque el agua, los nutrientes y el aire deben migrar con facilidad a través de los poros del suelo para permitir que los microorganismos logren la degradación. Kuo (1999) indica que el suelo debe tener al menos 10% de poros libres para que se produzca una degradación aeróbica.
El sitio contaminado estudiado se encuentra dentro de un antiguo complejo industrial (200 ha), donde sus procesos generaron altas concentraciones de HAP. La superficie contaminada aproximadamente es de 90,000 m2 y un volumen aproximado de 200,000 m3.
La fuente de hidrocarburos en el área de estudio se explica principalmente por el uso de diésel en diferentes áreas de producción de la planta y por el proceso de coquización, que depositó los hidrocarburos aromáticos policíclicos en el suelo circundante (García Martínez, 2005; Rachwa et al. 2015).
La normatividad mexicana (NOM138-SEMARNAT/ SSA-2012) (DOF 2013) considera tres fracciones de hidrocarburos: ligera, mediana y pesada, dependiendo del número de carbonos en sus cadenas. Así, el diésel pertenece a la fracción media (HFM), sus moléculas contienen entre 10 y 28 átomos de carbono (C10 a C28).
Los suelos contaminados con hidrocarburos y HAP de 2 y 3 anillos se han biorremediado con éxito; sin embargo, para los HAP de 4, 5 y 6 anillos no hay éxito. Lors et al. (2012) encontraron que las tasas de degradación de los HAP de 3 anillos eran aproximadamente 32 veces mayores que las de los HAP de 5 y 6 anillos. Hay pocos casos exitosos en los que se haya logrado una degradación significativa en suelos contaminados con HAP de 4, 5 y 6 anillos cuando se tratan con composta (Guerin, 2000).
Debido a la dificultad de degradar altas concentraciones de hidrocarburos en suelos finos, el objetivo de este trabajo fue ensayar, a través de la experimentación en el laboratorio, una técnica de biorremediación utilizando harina de sangre como nutriente.
La harina de sangre es un polvo inerte seco hecho de sangre, utilizado como fertilizante orgánico con alto contenido de nitrógeno y alimento para animales con alto contenido de proteínas con 13.25% de nitrógeno, 1% de fósforo y 0.6% de potasio. Es una de las mayores fuentes no sintéticas de nitrógeno. Por lo general, proviene del ganado vacuno o porcino utilizado como fertilizante. Se utilizó por primera vez para la biorremediación in situ de suelos contaminados con HAP con resultados positivos por Heuze et al. (2000).
Materiales y métodos
El área contaminada se dividió en cuatro sitios denominados S1, S2, S3 y S4. De cada sitio se tomaron aproximadamente 50 kg de suelo entre la superficie y 4.0 m de profundidad con una excavadora, luego se empacaron y transportaron en contenedores de hielo al laboratorio del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). El suelo se mantuvo húmedo a baja temperatura y sin luz; hasta el inicio de los experimentos, momento en el que se dejó secar el suelo a temperatura ambiente, se mezcló y las muestras obtenidas se analizaron para obtener los valores medios de HFM (26,000 mg/kg) y de HAP que en todos los casos sobrepasan el valor permitido en la normatividad.
Se determinaron los principales parámetros físicos, químicos y biológicos (pH, porosidad, contenido de materia orgánica, granulometría del suelo, contenido de agua y contenido de bacterias heterótrofas [UFC]). Para la harina de sangre, se analizó el contenido de materia orgánica (MO), pH, conductividad eléctrica (CE), N y P.
Las concentraciones de harina de sangre seleccionadas para el experimento fueron 10 y 20 veces superiores a la concentración utilizada por Wang et al. (2017) teniendo en cuenta las partículas finas y el alto contenido de materia orgánica.
En la Tabla 1 se muestra el diseño experimental con seis recipientes de suelo contaminado, con adición de harina desangre a dos concentraciones.
Tabla 1. Experimento con harina de sangre (BM)
NOTA: BM – harina de sangre
Cada semana se realizó el conteo de bacterias heterótrofas a partir del día 1. Los HFM y los HAP se analizaron cada dos semanas.
El suelo de los seis recipientes se aireó diariamente. Se agregó agua todas las semanas para mantener la misma capacidad de campo. El experimento duró 75 días.
Debido a que las bacterias aeróbicas se alimentan del carbono de los hidrocarburos y nutrientes añadidos, su población puede disminuir con la biodegradación (Suthersan, 2001). Por tanto, se decidió agregar más nutrientes a partir de 45 días de iniciado el experimento. El objetivo de añadir nutrientes en el día 45 fue sustituir los consumidos por las bacterias durante los primeros 45 días.
Resultados y discusión
Los resultados de la caracterización del suelo indican un alto contenido de materia orgánica, lo cual, en general, es inconveniente para la biorremediación debido a que la adsorción de contaminantes dificulta la biodisponibilidad (Hamoudi-Belarbi et al. 2018; Wang et al. 2017).
La evolución de la comunidad bacteriana durante el experimento de laboratorio con harina de sangre indica que en la semana 4 existe un incremento de bacterias superior a 100,000 veces con respecto a la población inicial (Figura 1).
Figura 1. Crecimiento bacteriano en el suelo con harina de sangre (líneas punteadas)
y eliminación de HFM en el experimento con harina de sangre (líneas continuas)
La concentración inicial de HFM en el suelo fue de 26,000 mg/kg. En la semana 6, se logró una eficiencia de eliminación entre 66 y 70% con la concentración de harina de sangre de 25 g (Figura 2).
Los resultados del análisis de HAP sólo mostraron una disminución en la concentración de benzo (k) fluoranteno. Aunque los resultados de la eliminación de HFM se pueden mejorar mediante la adición de harina de sangre, es un hecho que la biorremediación no es una opción para la eliminación de HAP en este tipo de suelo con una concentración tan alta. Knox et al (1993) mencionan que en las partículas finas del suelo existe mayor adsorción y menores condiciones de biodisponibilidad para que ocurra biodegradación y se considera que éste es el caso que se estudia, aunado a las altas concentraciones de HAP.
Figura 2. Disminución de HFM en el experimento con harina de sangre a los 75 días. PL: límite permisible
Conclusiones
La remoción de hidrocarburos derivados del diésel fue muy significativa, aunque no se alcanzaron los niveles permisibles, las eficiencias de remoción fueron superiores a 65% en menos de 3 meses, a pesar de la presencia de alta materia orgánica y partículas finas en el suelo. Los HAP no presentaron ninguna remoción.
Referencias
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