EVALUACIÓN DE LA BIOAUMENTACIÓN PARA LA APLICACIÓN

EVALUACIÓN DE LA BIOAUMENTACIÓN PARA LA APLICACIÓN DE
UN BIOTRATAMIENTO A SUELOS CONTAMINADOS CON ACEITES
LUBRICANTES
Windevoxhel, R.1; Bastardo, H.2; Sánchez, N.1; Pérez, J.1
Laboratorio de Investigación y Tecnología de Suelo y Ambiente (LITSA-UC). Facultad de
Ingeniería, Universidad de Carabobo, Valencia, Venezuela
2
Laboratorio de Microbiología Ambiental. Postgrado de Ciencias. Universidad Central de
Venezuela, Caracas, Venezuela
e-mail: [email protected], [email protected], nsá[email protected], japerez@
uc.edu.ve4
1
Resumen: Los derrames ocasionales de aceite lubricante en una empresa de la región son
confinados mezclando el producto derramado con arena, para luego almacenar dicha mezcla en
condiciones de desecho peligroso. Con el objetivo de tratar el contaminante de manera amigable
con el ambiente, se evalúa su eliminación mediante biorremediación asistida mezclando el
material con suelo de la zona, fertilizando y, adicionando un cultivo exógeno degradador productor
de biosurfactante; al no detectarse microorganismos autóctonos degradadores en las pruebas
realizadas. Se hizo seguimiento al contenido de grasas y aceites, evolución de CO2 y densidad
bacteriana. Los resultados indican que la bioaumentación acelera la degradación del aceite,
reduciendo los HTP en un 76% comparado con el 11% del control biótico en 80 días. El análisis
estadístico de la prueba de Tukey corrobora el efecto positivo de la bioaumentación. Se recomienda
utilizar como medio absorbente de aceite, en lugar de la arena, mezcla suelo-arena-aceite ya
tratada, y la incorporación directa del material resultante a una pila de biorremediación, con el
objetivo de evitar el almacenamiento y acumulación de material contaminado.
Palabras clave: Aceite lubricante, biorremediación, bioaumentación, degradación.
Biotreatment in lubricating oil spills in an industrial plant from the central
region
Abstract: Occasional spills of lubricating oil in a company in the region are confined mixing the
spilled product with sand, and then store the mixture in terms of hazardous waste. In order to remove
the contaminant in an environmentally friendly way, we evaluate the enhanced bioremediation
treatment by mixing with ground material in the area, fertilizing, and adding an exogenous degrading
culture that produces biosurfactant, in the absence of degrading indigenous microorganisms. We
followed the content of oil and grease, evolution of CO2 and bacterial density. The results indicate
that bioaugmentation accelerate oil degradation, reducing the TPH by 76% compared to 11% of the
biotic control. Statistical analysis of the Tukey test confirms the positive effect of bioaugmentation.
It is recommended to use the treated material as an absorbent in place of sand, and the direct
incorporation of the resulting material to a biopile, so as to avoid the storage and accumulation of
contaminated material.
Key words: Lubricating oil, bioremediation, bioaugmentation, degradation.
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Windevoxhel, R.; Bastardo, H.; Sánchez, N.; Pérez, J.
INTRODUCCIÓN
Los aceites lubricantes minerales son
ampliamente utilizados en plantas industriales
de distinta naturaleza con la finalidad de
reducir la fricción entre piezas en movimiento
relativo, la cual puede ocasionar pérdidas
de energía, calentamiento, desgaste de las
piezas y acumulación de residuos, y corrosión.
Están constituidos por mezclas complejas de
parafinas ramificadas y sin ramificar, nafténicas
(cicloparafinas) e hidrocarburos aromáticos
con un número de carbonos igual o superior
a quince, con puntos de ebullición en un
rango de 300 °C a 600 °C. Generalmente
contienen también aditivos que le confieren sus
propiedades y determinan sus características,
que permiten utilizarlos en una gran variedad de
aplicaciones (Instituto Nacional de Higiene en el
Trabajo, 2009; SHELL). También existen aceites
llamados “sintéticos” y otros de naturaleza
animal y vegetal, estos últimos menos agresivos
con el ambiente, pero su inestabilidad y alto
costo restringen su utilización a aplicaciones
particulares. Un aceite lubricante usado que
ha sido utilizado para reducir la fricción entre
partes metálicas es muy probable que contenga
además partículas metálicas provenientes
del desgaste de las piezas en movimiento y
fricción (CEMPRE). Los aceites lubricantes no
constituyen un riesgo de inflamación importante
ya que arden a temperaturas por encima de
los 150 °C, sin embargo se convierten en un
peligro cuando se mezclan con aserrín, papel
o tela, materiales ampliamente utilizados para
confinar y recoger los derrames, por lo cual se
recomienda el uso de arena para su recolección
y posterior manejo de forma segura. Al utilizar
arena como material absorbente, el contenido
de aceite le imprime a la mezcla arena-aceite
carácter contaminante para el ambiente debido
a su potencial para inhibir la actividad biológica,
por lo cual debe ser manejada como un desecho
peligroso.
En muchos casos en los que se presentan
derrames ocasionales de aceites lubricantes y
fluidos de naturaleza similar, la mezcla fluidoabsorbente es almacenada de forma segura
hasta acumular un volumen determinado que
justifique el costo asociado a la contratación
de los servicios de una empresa especializada
en el manejo de desechos peligrosos, los
cuales suelen ser muy elevados. En la región
central del país, núcleo pujante de la industria
manufacturera,
automovilística,
química,
metalmecánica, petroquímica y de refinación
del petróleo, se producen grandes cantidades
de residuos peligrosos de esta naturaleza,
difíciles de cuantificar. Como alternativa al
almacenamiento y/o disposición en rellenos
especiales, se propone el tratamiento en el
lugar de generación mediante técnicas de
biorremediación, tecnología que aprovecha
la capacidad que poseen ciertas plantas y
microorganismos de degradar sustancias
contaminantes a formas menos tóxicas, e
incluso inocuas. No obstante contar con
décadas de investigación en el área, las técnicas
de biorremediación están en permanente
cambio debido a la particularidad de cada caso
(Rahman y col., 2003). Para su aplicación, en la
mayoría de los casos se requerirá hacer ciertos
ajustes al medio para estimular la actividad
biológica degradadora (EPA, 2010; Owsianiak
y col., 2010), mediante la adición de nutrientes
y de enmiendas que actúan como materiales
mejoradores del suelo donde se lleva a cabo
la actividad. En la biorremediación de suelos
y aguas impactados por hidrocarburos se
ha encontrado que uno de los principales
factores que afectan el proceso es la
biodisponibilidad, por tratarse de compuestos
hidrofóbicos, y en muchos casos la adición
de surfactantes acelera significativamente la
biodegradación de los contaminantes debido a
que la solubilización de los mismos en la fase
acuosa brinda una mayor superficie para el
ataque de los microorganismos (Ivey, 2.005;
Riojas y col., 2.010; Franzetti y col., 2.010).
Si el sustrato cuenta con una densidad de
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p. 144-152. 2013
población degradadora del contaminante muy
baja será conveniente además incrementarla
mediante bioaumentación con cultivos nativos,
y en caso de no detectarse la presencia de
microorganismos degradadores entonces se
recurrirá a la inoculación con cultivos exógenos
de actividad degradadora comprobada (Atlas
y Bartha, 2002; US EPA, 2003; Gómez et al.,
2009; MingMing y QiuYu, 2009). No obstante,
los microorganismos capaces de degradar
contaminantes orgánicos en cultivos pueden
abandonar su función cuando se inoculan en
ambientes naturales debido a que pueden ser
vulnerables al efecto de toxinas y/o al ataque de
depredadores en el medio ambiente (Márquez
et al., 2001), y otros efectos.
METODOLOGÍA
El análisis de biotratabilidad de la mezcla arenaaceite (MAA) se realizó sobre una muestra
compuesta preparada a partir de seis muestras
simples tomadas del material almacenado
en dos tambores Para ello la superficie del
material entamborado fue dividida en tres áreas
anulares concéntricas, tal como se muestra en
la Figura 1, y se utilizó un barreno de 3,5 cm de
diámetro y 50 cm de profundidad.
y purificaron 20 colonias seleccionadas al azar
mediante la técnica de repiques sucesivos
en agar nutritivo, y posteriormente fueron
inoculadas en placas con agar Bushnell-Haas
con aceite mineral (3%) como única fuente
de carbono (Instituto Mexicano del Petróleo,
2.006), con incubación por 120 horas a
temperatura ambiente.
Se mezcla el material en estudio con suelo
tomado de un terreno aledaño al sitio de
almacenamiento perteneciente a la empresa
para reducir su carga contaminante hasta
un valor permitido por la norma para la
aplicación de tratamientos de biorremediación
(Decreto 2635 de la Gaceta Oficial de la
República de Venezuela, 1998). El suelo es
tamizado previamente (malla de 5 mm de luz)
y caracterizado mediante los análisis físicoquímicos y microbiológicos indicados en la
Tabla N°1. Se estudia la presencia de bacterias
degradadoras de aceite lubricante en el suelo
mediante la purificación de 30 colonias y
siguiendo el método utilizado para la mezcla
suelo-aceite. La matriz suelo-arena-aceite es
fertilizada con úrea y Fosfopoder (P 2O5) para
obtener una relación C:N:P = 100/5/1 y su pH
es ajustado a 6,8 unidades con cal (US EPA,
2003).
Tabla N°1. Parámetros para caracterización del suelo y
métodos de análisis
Figura 1. Puntos de tomas de muestras de la mezcla
arena-aceite en tambores.
Se determinó en contenido de grasas y aceites
y se realizó el aislamiento y purificación de
colonias bacterianas para detectar la presencia
de bacterias autóctonas degradadoras del
aceite. Para ello la flora bacteriana fue activada
en agua destilada durante 48 h a temperatura
ambiente (25-30 °C) con agitación. Se aislaron
Parámetro
Método
Textura
Heterótrofos mesófilos*†
Aceites y grasas**†
pH*†
Fósforo total*
Carbono total†
Nitrógeno total*
Conductividad eléctrica*
Capacidad de campo†
Bouyucos
9215-B APHA
3540C
4500-H+ APHA
4500-P E APHA
Walkley-Black
4500-N C APHA
2510 APHA
Gravimétrico
*APHA, 1998. **US EPA, 1996
†
Antes y después de la mezcla con MAA
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Windevoxhel, R.; Bastardo, H.; Sánchez, N.; Pérez, J.
Para comprobar la resistencia del cultivo ST-31
a los efectos tóxicos del aceite y su capacidad
de degradarlo, se realiza una prueba de
tratabilidad con el inóculo activado en caldo
nutritivo, el cual es sembrado (por triplicado)
en caldo Bushnell-Haas conteniendo aceite
lubricante (5%) como única fuente de
carbono, en matraces Erlenmeyer. Se deja
incubar durante 48 h a temperatura ambiente
con agitación. Se determinan heterótrofos
mesófilos al inicio y final del tratamiento para
detectar crecimiento bacteriano.
Los tratamientos a evaluar sobre la mezcla
suelo-arena-aceite (MSAA) tuvieron una
duración de 80 días y se indican en la Tabla
Nº2. Para cada uno se utilizaron como
unidades experimentales bandejas con 1 kg
de MSAA cada una, y se realizaron ensayos
destructivos por duplicado con mezclas
compuestas tomadas de dos unidades
experimentales escogidas al azar. La dosis de
inóculo fue de 2% p/v y el suelo del control
abiótico se esterilizó con solución de AgNO 3.
Las unidades se mantuvieron a temperatura
ambiente (25 a 31 °C), las mezclas se airearon
mecánicamente con frecuencia interdiaria y la
humedad (método gravimétrico) se mantuvo
entre un 70% y 80% de la capacidad de campo
(US EPA, 2003; EPA, 2010). Las variables
de seguimiento fueron: contenido residual
de grasas y aceites (3540C APHA, método
gravimétrico con n-hexano como extractante),
densidad bacteriana
(9215-B APHA) y
evolución de CO 2 (captación en álcali dentro
de las bandejas) como indicador indirecto
de la actividad microbiana, evaluadas los
días 0, 20, 40, 60 y 80 de los tratamientos,
llevados a cabo simultáneamente para
asegurar homogeneidad en las condiciones
de temperatura, humedad relativa y presencia
de luz.
Tabla N°2. Características de los tratamientos aplicados
a la mezcla suelo-arena-aceite
Tratamiento
Cultivo
ST-31
Objetivo
Bioaumentación
(TB)
x
Evaluar la tasa de
degradación del
aceite con TB
Control biótico
(CB)
Evaluar la tasa de
degradación del
aceite sin TB
Control abiótico
(CA)
Evaluar la tasa de
degradación del
aceite por efectos
no biológicos
Diseño experimental y Análisis estadístico
El ensayo de biodegradabilidad en MSAA se
estableció por duplicado mediante un diseño
de bloques al azar por duplicado, con tres
tratamientos y cinco tiempos de ensayo, para
un total de 30 unidades experimentales. Los
tratamientos fueron tres niveles de población
microbiana
(bioaumentación,
biótico
y
abiótico). Se efectuaron mediciones a los 0,
20, 40, 60 y 80 días en muestras compuestas
tomadas de las unidades experimentales
correspondientes a cada lapso de tiempo.
Para la medición de la evolución de CO 2,
por cada tratamiento se establecieron dos
unidades experimentales, de las que se
colectaron muestras no destructivas en
los lapsos de tiempo señalados (0, 20, 40,
60 y 80 días), para un total de 6 unidades
experimentales y 30 muestreos.
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Los datos obtenidos fueron sometidos a
un análisis de la varianza utilizando como
herramienta el programa Statistix 8.0,
luego de verificar los supuestos básicos; el
supuesto de normalidad mediante la prueba
de Wilk-Shapiro, la prueba de Barlett para
la verificación de la homogeneidad de las
varianzas y la prueba de Tukey para evaluar
el supuesto de normalidad. Para comparar
diferencias significativas entre los tratamientos
empleados, como método de comparación
múltiple se utilizó la prueba W de Tukey y
para determinar el grado de asociación entre
las variables estudiadas se determinó el
coeficiente de correlación de Pearson.
Tabla N°3. Características del suelo y la mezcla MSSA
antes del tratamiento
Parámetro
Textura
Heterótrofos
mesófilos
Aceites y grasas
pH
Fósforo total
Carbono total
Nitrógeno total
Conductividad
eléctrica
Humedad
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
El estudio de la mezcla MAA permitió detectar
la ausencia de bacterias nativas degradadoras
del aceite, y el análisis microbiológico del
suelo arrojó el crecimiento de una única cepa
degradadora, lo cual conduce a seleccionar
la técnica de bioaumentación con un cultivo
exógeno degradador para el tratamiento
del material contaminado. Se utiliza como
inóculo el cultivo bacteriano ST-31 de
comprobada actividad hidrocarburoclástica
y productora de biosurfactante (Hernández y
Bastardo, 1999). El ensayo en medio acuoso
de biodegradabilidad del aceite con el cultivo
ST-31 evidencia el ataque del contaminante
por parte de la microflora a través del
aumento de la densidad bacteriana, y
permite también identificar la producción
de biosurfactante por la formación de una
emulsión, lo cual facilita la solubilización del
aceite en el agua y su biodegradación, al
ofrecer una mayor superficie para el ataque
de los microorganismos sobre el aceite.
Los resultados de la caracterización físicoquímica y microbiológica del suelo y de la
mezcla MSSA se indican en la Tabla Nº 3.
Resultado
Arenoso-franco 75,31% arena
16,01% limo 8,68% arcilla
8,36E6 UFC/g en suelo 5,31E6
UFC/g en MSAA
0% en suelo
9,53% en MSAA
5,90 en suelo
5,99 en MSSA
0,095 mg/kg en suelo
3,21% en base seca en suelo
350,0 mg/kg en suelo
3,12 mmhos/cm en suelo
1,93% en MSAA
14,83% en MSAAs (base
secailos*imo, 8,68% arcilla)
Capacidad de campo
microbianasibles establecidos
imiento en las pruebas de
biodegradabilidad
En los tratamientos en los cuales se empleó la
biorremediación (TB y CB) se logró la disminución
del contenido de grasas y aceites (figura 2)
debido a la actividad microbiana existente.
Esta biodegradación era de esperar ya que se
aplicaron las medidas correctivas necesarias
para lograr las condiciones adecuadas (pH,
temperatura, humedad, condiciones aeróbicas
y nutrientes) que incentivan la actividad
metabólica de los microorganismos presentes.
El seguimiento al contenido residual de aceites
y grasas (Figura 2) señala una mayor tasa de
degradación del contaminante en el tratamiento
con bioaumentación respecto al tratamiento
no inoculado o bioestimulación. El crecimiento
bacteriano observado en los tratamientos
bióticos (Figura 3) es indicativo de un proceso
microbiano de degradación, ya que no hubo
remoción del contaminante para el control
abiótico (CA). En el tratamiento CB se observan
niveles de degradación del aceite inferiores a
los obtenidos para el tratamiento TB, lo cual
apunta a una biodegradación llevada a cabo
148 Evaluación de la bioaumentación para la aplicación de un biotratamiento a suelos contaminados con aceites lubricantes
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principalmente por las bacterias inoculadas.
También se observa que al inicio del tratamiento
no hay degradación, lo cual se corresponde
con la disminución de la densidad bacteriana
al inicio del ensayo, y posteriormente un ligero
incremento progresivo de la misma. Esto puede
deberse a un efecto tóxico inicial del aceite
sobre la microflora autóctona del suelo, la
cual posteriormente desarrolla mecanismos de
adaptación y de ataque al contaminante para
ser utilizado como fuente de carbono. En el caso
del tratamiento TB, al obtener una respuesta
positiva de crecimiento del cultivo ST-31 en las
pruebas de biodegradabilidad, se espera que la
presencia del contaminante no genere efectos
tóxicos sobre la actividad microbiana, lo cual se
evidencia en la figura 3. La evolución de CO2
(Figura 4) corrobora la actividad microbiana
degradadora sobre el contaminante.
Figura 2. Contenido residual de aceites y grasas en los
tratamientos a MSAA
Figura 3. Crecimiento bacteriano en los tratamientos a
MSAA
Figura 4. Evolución de CO2 en los tratamientos a MSAA
En las figura 5 y 6 se presentan los niveles de
remoción de aceite en los tratamientos TB y CB
determinados según:
Rt = {{CGAt – CGA0}/ CGA0} x 100
(1)
Dónde:
Rt: remoción en el tiempo ”t” (%)
CGAt: contenido de grasas y aceites en MSAA en el
tiempo “t” (%)
CGA0: contenido inicial de grasas y aceites en MSAA
(%)
Figura 5. Remoción acumulada de aceites y grasas en
los tratamientos a MSAA
Figura 6. Remoción total de aceites y grasas en los
tratamientos a MSAA
Ingeniería y Sociedad UC. Vol. 8, No 2 149
p. 144-152. 2013
Análisis estadístico
El análisis de la varianza en el ensayo de
biotratamiento del aceite lubricante mostró
diferencias significativas (P<0,01) entre las
tres alternativas de población microbiana
evaluadas (bioaumentación, biótico y control
abiótico) sobre la mezcla suelo-arena-aceite
(MSAA). Según la prueba de Tukey, los tres
tratamientos difieren significativamente entre
sí en cuanto al contenido residual de grasa
y aceites, densidad bacteriana y evolución
de CO 2. Según el coeficiente de correlación
de Pearson existe una correlación negativa
(P<0,01) entre el contenido residual de grasas
y aceites en el suelo y las alternativas de
población microbiana.
CONCLUSIONES
El tratamiento de la arena contaminada con
aceite lubricante mediante biorremediación
asistida con fertilización y bioaumentación con
el cultivo exógeno ST-31 dio como resultado la
remoción del contaminante en un 89,82 % en
80 días, llevando la carga tóxica en este lapso
a los niveles permisibles establecidos por la
ley venezolana. Este resultado, comparado
con el 11,53 % obtenido para el tratamiento
biótico sin bioaumentación, muestra la baja
capacidad de microflora nativa de la mezcla
contaminada y del suelo de las zonas aledañas
a la empresa de degradar el contaminante;
y señala el tratamiento estudiado con la
inoculación de un cultivo exógeno degradador,
como un método eficaz en su eliminación de
manera amigable con el ambiente. Además
de su alto rendimiento en la degradación del
aceite, los mínimos requerimientos asociados
a su aplicación en cuanto a instalaciones,
equipos y productos químicos presentan el
tratamiento de bioaumentación evaluado como
una alternativa atractiva para ser aplicada
por la empresa. Se obtienen por lo tantos
beneficios en cuanto al manejo de desechos
de forma eficaz y amigable con el ambiente,
así como también un ahorro considerable en
costos asociados al flete y tratamiento final
de los desechos por parte de una empresa
especializada. Se recomienda utilizar el suelo
tratado como absorbente en sustitución de
la arena para reducir el volumen de material
contaminado, y dar inicio al proceso de
biodegradación desde el mismo momento de
recolección del contaminante.
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Fecha de aceptación: 8 de marzo de 2013
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