Exxon Valdez - Universidad Politécnica de Madrid

MEDIO AMBIENTE
La biorremediación, frente al vertido
del "Prestige"
Por José L R. Gallego
(Área de Prospección e
Investigación Minera,
final se presentará un proyecto que
están afrontando los a u t o r e s del
trabajo en tres emplazamientos de
la costa de la Muerte.
como PCBs, TCE, PCE, pesticidas,
herbicidas; compuestos nitroaromáticos como el TNT, etc..)
Las principales ventajas de la bio­
rremediación son las siguientes:
Biorremediación: fundamen­
tos y aplicaciones
• Amplio ámbito de aplicabilidad
(sólidos, líquidos e incluso gases).
• Es una tecnología poco agre­
siva con el medio y generalmente
no requiere componentes estructu­
rales o mecánicos dignos de desta­
car.
• Comparativamente es muy eco­
nómica y, al tratarse de un proceso
natural, suele tener aceptación por
parte de la opinión pública. Por el
contrario se ha criticado habitualmente la lentitud los procesos de de­
gradación biológica.
Universidad de Oviedo)
Jesús Sánchez y Ana I. Peláez
(Área de Microbiología,
Universidad de Oviedo)
María Jesús García
(Departamento de Ingeniería
Química, ETSIM, Universidad
Politécnica de Madrid)
José E. Ortiz, Trinidad Torres y
Juan F. Llamas (Departamento
de Ingeniería Geológica,
ETSIM, Universidad
Politécnica de Madrid)
E
l accidente del Prestige y la
posterior secuencia de aconte­
cimientos de todos conocida ha de­
s e m b o c a d o en u n a larga y c o m ­
pleja operación de remediación en
las costas a f e c t a d a s . En m u c h a s
zonas se ha alcanzado ya el límite
de la efectividad de los métodos fí­
sicos de l i m p i e z a , por lo que se
presenta una oportunidad muy im­
portante para otras t é c n i c a s q u e
pueden permitir la reducción de la
c o n t a m i n a c i ó n residual aún pre­
sente en playas de arena, zonas ro­
cosas y acantilados. Entre las posi­
b i l i d a d e s m á s s u g e s t i v a s se e n ­
cuentra la biorremediación, basada
en la capacidad de muchos micro­
organismos para degradar los com­
ponentes de los productos petrolí­
feros. Sobre sus ventajas, limita­
ciones, y su aplicación en el caso
del "Exxon Valdez" trataremos en
este artículo. Además, en la parte
30
La biorremediación es una tecno­
logía que utiliza el potencial metabólico de los microorganismos (funda­
mentalmente bacterias, pero también
hongos y levaduras) para transformar
contaminantes orgánicos en com­
puestos más simples poco o nada
contaminantes. Los mayores rendi­
mientos de la biorremediación se han
obtenido siempre en casos de conta­
minación por hidrocarburos, pero
ello no es óbice para que otros conta­
minantes sean susceptibles de trata­
miento (hidrocarburos clorados tales
Como ya se ha explicado, el fun­
damento último de la biorremedia-
Figura 1. Actividades microbianas en el proceso de biorremediación
OILGAS - MAYO, 2003
I
Medio Ambiente
(
r
'InSitu' •<
ATENUACIÓN NATURAL
BIOESTIMULACIÓN
BIOAUMENTACIÓN
BIORRE MEDIACIÓN
<
BIOESTIMULACIÓN
'Ex Situ' <
BIOAUMENTACIÓN
V
Figura 2. Aproximaciones a la
biorremediación
ción reside en las capacidades enzimáticas de los microorganismos del
subsuelo (figura 1). Entre los factores que pueden limitar o impedir la
biodegradación los más habituales
son la carencia de nutrientes esenciales para los microorganismos, la
ausencia de receptores de electrones
adecuados (oxígeno, nitratos u
otros) o de buenas condiciones medioambientales (pH, potencial redox, humedad) y, finalmente, la ausencia de poblaciones microbianas
necesarias para degradar los contaminantes. Obviamente, si aportamos al medio alguno de los elementos de los que carece o bien potenciamos los existentes, favoreceremos la eliminación del posible contaminante ("engineered bioremediation strategies").
De esta forma, a partir de las limitaciones de la atenuación natural
de los c o n t a m i n a n t e s , surgen las
dos aproximaciones biotecnológicas b á s i c a s : (i) i n t r o d u c c i ó n de
modificaciones en el m e d i o mediante el aporte de nutrientes, aireación y otros procesos (bioestimulación) y (ii) la adición de microorg a n i s m o s ( b i o a u m e n t a c i ó n ) . La
implementación de estos procedimientos se puede realizar en tratamientos 'in situ' o bien "ex situ"
(figura 2).
En España se ha c o m e n z a d o a
aplicar estas técnicas con un considerable retraso con respecto a otros
países desarrollados. No obstante,
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tienen experiencia (más o menos
amplia) de la aplicación de la biorremediación algunas empresas especializadas en contaminación de
suelos y aspectos relacionados, así
como compañías del ámbito petroquímico. El emplazamiento 'tipo'
en el que las técnicas empleadas se
han m o s t r a d o c o m p e t i t i v a s r e s p o n d e a un t e r r e n o c o n t a m i n a d o
por un vertido de hidrocarburos de
medio peso molecular (gasoil y en
ocasiones gasolina o incluso fueloil):
• Vertidos producidos por la rotura
de oleoductos.
• Suelos contaminados en instalaciones petroquímicas tratados gener a l m e n t e en b i o p i l a s o m e d i a n t e
"landfarming".
• Vertidos procedentes de los tanques de gasolineras (se suele aplicar
la técnica conocido como "bioventing").
• Zonas contaminadas por la actividad de antiguas instalaciones industriales ("brownfields").
En cuanto a la problemática causada en las costas por las mareas negras no existe experiencia alguna en
nuestro ámbito en lo que se refiere a
la biorremediación (sí desgraciadamente en cuanto a accidentes, tabla
1), por lo que hay que remontarse a
la limpieza del vertido del "Exxon
Valdez" en Alaska para tener datos
fiables.
La e x p e r i e n c i a del
Valdez"
"Exxon
La idea de que la biodegradación
del petróleo vertido en un accidente
se podía mejorar con la adición de
nitrógeno y fósforo inorgánico se
propuso por primera vez hace casi
treinta años. Por entonces el conocimiento se reducía a experimentos
de laboratorio o a pequeñas demost r a c i o n e s en el c a m p o . Sin e m bargo, otro famoso accidente, el del
"Amoco Cádiz" en 1978, supuso un
nuevo impulso a la investigación. A
finales de los ochenta la comunidad
científica ya tenía la certeza de que
si no la mejor, si era una buena manera de enfrentarse a los efectos de
los vertidos de petróleo. El último
y d e c i s i v o i m p u l s o v e n d r í a después.
El 24 de marzo de 1989 el "Exxon Valdez" se incrustó en los arrecifes de Blight cubriéndose la bahía
de Prince William en Alaska con
aproximadamente 35.000 toneladas
de crudo. Pasados unos meses del
accidente los procesos de limpieza
físico-química (figura 3) alcanzaron
su límite de efectividad y se planteó
la utilización de la biorremediación.
En ella el protagonismo principal lo
tuvo el uso de un fertilizante oleofílico (Inipol EAP22) que estimuló
adecuadamente la degradación de
los hidrocarburos. Las playas de la
zona eran claramente deficitarias en
nitrógeno y fósforo por lo que la
biodegradación propiciada por los
microorganismos autóctonos convenientemente estimulados con el fertilizante fue efectiva como se demostró con la utilización de biomarcadores (figura 4) para el cálculo de los índices de degradación
biológica. Así, estimaciones de la
National Oceanic and Atmospheric
A d m i n i s t r a t i o n ( N O A A ) sobre la
distribución del crudo vertido en
1992, más de tres años después del
accidente, cifraron en un 50 por 100
del total vertido el porcentaje eliminado por biodegradación y fotode-
OILGAS - MAYO, 2003
Medio Ambiente
gradación, frente a valores que no
superan el 25 por 100 para la volatilización y la retirada por medios físicos. El éxito en términos económicos también resultó importante,
habiéndose señalado que el coste de
la biorremediación de 120 kilómetros de costa resultó menor que el
de un sólo día de lavado físico.
Proyecto desarrollado para
t r e s p l a y a s d e la c o s t a d e l a
Muerte
En el transcurso de los últimos
cinco años un grupo de investigadores de las E s c u e l a s de M i n a s de
Oviedo y Madrid y del área de Microbiología de la Universidad de
Oviedo han abierto una línea de investigación sobre técnicas de biorremediación de hidrocarburos aplicadas a la remediación de vertidos
en el subsuelo de gasoil y residuos
pesados del petróleo. Gracias a la
experiencia acumulada, en este año
2003 el Consejo Superior de Colegios de Ingenieros de Minas financia un proyecto de aplicación de las
técnicas de biorremediación en las
Tabla 1. Algunas de las principales "mareas negras" producidas
por accidentes de petroleros en las últimas décadas
AÑO
LUGAR
PETROLERO
VERTIDO (TONI
1967
T. CANYON
CANAL DE LA MANCHA
120.000
1970
POLYCOMANDER
VIGO
116.000
1974
METULA
ESTRECHO DE MAGALLANES
50.000
1976
URQUIOLA
GALICIA
20.000
1978
A M O C O CÁDIZ
BRETAÑA
85.000
1989
E X X O N VALDEZ
ALASKA
35.000
1992
M A R EGEO
GALICIA
80.000
1999
ERIKA
BRETAÑA
20.000
playas afectadas por el vertido del
"Prestige" contándose con la colaboración de las Administraciones
competentes. En el proyecto se intenta, mediante ensayos "in situ" a
escala piloto, seleccionar y optimizar las técnicas de biorremediación
que aceleren la degradación natural
de los hidrocarburos que permanecen en las costas después del final
de las labores de limpieza física. La
metodología seguida se basa en la
experiencia acumulada tras el vertido del "Exxon Valdez" en Alaska
Figura 3. Limpieza mediante chorros a presión en las costas de Alaska (cortesía de
"Exxon Valdez OH Spill Trustee Council")
y en los últimos avances científicos
en este terreno. El objetivo general
del proyecto es la evaluación, selección y aplicación de las técnicas de
b i o r r e m e d i a c i ó n más a d e c u a d a s
para la degradación de los hidrocarburos que, después de la finalización de las labores de limpieza física, permanecen en las playas afectadas por el fuel objeto del proyecto
(figura 5).
Consideraciones
de partida
Como criterio general se considera que el proceso puede llevarse
a cabo (con diferencias según se
trabaje sobre roca o sobre arena)
con la combinación de un producto
surfactante que permita el acceso
microbiano a los hidrocarburos y
un fertilizante que aumente la presencia de Nitrógeno y Fósforo disponible. Este enfoque puede permitir que se reduzca la concentración
de hidrocarburos y evitar la acumulación definitiva de los no degradados en el sedimento marino. Pese a
ser este el procedimiento general
más recomendado, hay más posibilidades que deben estudiarse (por
ejemplo en el caso del "Exxon Valdez" se utilizó el Inipol por ser el
único producto comercialmente
disponible en las cantidades necesarias).
34
O I L G A S
- M A Y O ,
2003
Medio Ambiente
Cabe r e c o r d a r que en las costas
afectadas por el vertido del "Exxon V a l d e z " la b i o r r e m e d i a c i ó n
o c u p ó tres o cuatro períodos de
v a r i o s m e s e s (el p r o b l e m a eran
allí las bajas temperaturas) por lo
q u e no se c e r r ó el t r a t a m i e n t o
h a s t a más de tres años d e s p u é s
del vertido; es más, el informe final sobre el conjunto de las labor e s de l i m p i e z a no se p u b l i c ó
hasta 1997 (ochos años d e s p u é s
del vertido). Pese a todo ello se
piensa que sea posible obtener resultados preliminares a principios
del verano.
Biomarcadores como los
hopanos permiten evaluar
Índices de biodegradación
La técnica analítica idónea para
el control de los procesos de
biorremediación es la
cromatografía de gasesespectrometria de masas (GCMS).En la figura de arriba se
muestra el cromatograma de un
crudo sin degradar, mientras
que abajo aparece el mismo
crudo tras diez días en contacto
con una cepa degradadora de
hidrocarburos.
Protocolo
O-CH-lCHjk-CH]
CH¡
Los Biosurfactantes permiten a
los microorganismos el acceso a
las masas de hidrocarburos
general
Se seguirán los siguientes pasos
(algunos de ellos ya en marcha):
I
ir
a) D e t e r m i n a c i o n e s 'in situ' y
muestreo
Figura 4. Métodos analíticos y moléculas de importancia en la evaluación de los efectos
de la biodegradación
Para la determinación de parám e t r o s a m b i e n t a l e s sobre el terreno se cuenta con los siguientes
equipos:
La influencia de la temperatura
va a ser obvia en cuanto a que en
los meses más cálidos la acción
m i c r o b i a n a se r e f o r z a r á a u n q u e
puedan aparecer escenarios adicionales si los restos de fuel se licúan
con las altas t e m p e r a t u r a s . Otro
a s p e c t o f u n d a m e n t a l es la dinámica marina; ésta lleva meses ayud a n d o a r e t i r a r r e s i d u o s de la
costa, colabora en la oxidación del
fuel, e t c . , aunque por otro lado,
fuertes mareas pueden impedir la
aplicación de p r o d u c t o s o evitar
que se fijen los microorganismos
si se efectúa algún tipo de bioaumentación.
En su breve historia, la biorremediación ha tenido éxitos y fracasos en playas de arena y en z o nas rocosas. En cuanto a playas de
piedra o acantilados el problema
• Terminales y electrodos de todo
tipo para la medida de pH, Eh, conductividad, salinidad, oxígeno disuelto y temperatura.
• Métodos indirectos de tipo geoquímico para medir la presencia de
hidrocarburos (TCD semiconductores, cromatógrafo portátil, FID, PID,
Petroflag).
• Espectrofotómetros de campo
para la determinación de contenido
en nutrientes y de metales. Cuando
se considere necesario se realizará
una caracterización de la fracción
inorgánica de las muestras, para lo
que se u t i l i z a r á a n a l í t i c a tipo
plasma (ICP), Absorción Atómica y
Rayos X.
• L á m p a r a s UV para el c a r t o grafiado de las zonas contaminadas.
• Los muéstreos que se realicen
se efectuarán con sondas manuales
OILGAS - MAYO, 2 0 0 3
operacional es grande ya que no se
tienen las facilidades de muestreo,
a n a l í t i c a , e t c . q u e h a y en u n a
arena. La a p r o x i m a c i ó n r e q u i e r e
fuentes oleofílicas de nutrientes y
biosurfactantes, siendo conscientes de que la monitorización va a
ser en gran parte visual, además de
la u t i l i z a c i ó n d e b i o m a r c a d o r e s
( c o m p u e s t o s del p e t r ó l e o ú t i l e s
para la medida de la biodegradación). En las zonas arenosas apar e n t e m e n t e todo es más fácil ya
que se puede plantear una metodología in situ o incluso ex situ en
función de las mareas, el medio es
más o menos homogéneo, es fácil
parcelar, e t c . .
En lo que se refiere a los plaz o s e s i m p o s i b l e p r e d e c i r la e f e c -
tividad que van a tener los tratam i e n t o s así c o m o su d u r a c i ó n .
35
Medio Ambiente
tipo Auger o semimecánicas. Los
procedimientos seguirán mallados
regulares en la medida de lo posible para facilitar el tratamiento geoestadístico de los resultados.
• Las muestras de sustratos contaminados ( a r e n a , r o c a , fuel p u r o ,
suelo, agua etc.) con destino al aislamiento de microorganismos especializados se tomaran en condiciones estériles, asegurando su representatividad.
• Las bacterias procedentes de la
colección del grupo que lleva adel a n t e el p r o y e c t o se u t i l i z a r á n
como referencia en experimentos
de laboratorio frente a la actividad
de los aislados en las zonas de trabajo.
• Los experimentos que se realicen en las diferentes parcelas acotadas para ello contarán con un diseño estadístico previo y con control del mismo tipo. También se tratará de conseguir que los posibles
efectos positivos sean visibles y
comparables con zonas de control
no tratadas.
Una vez obtenidos todos los datos del muestreo se dividirán en
varias parcelas las zonas seleccionadas. En ellas se procederá a la
realización de, al m e n o s , los siguientes experimentos de biorremediación:
• Bioestimulación mediante fertilizantes. La selección de estos es
un punto clave de todo el trabajo).
Probablemente más importante que
su composición química puede ser
su "físico" y su relación con las
mareas. En estos momentos ya se
han iniciado contactos con los suministradores para conseguir cantidades pequeñas con las que realizar los ensayos. Las posibilidades
son muy diversas: Briquetas, granulos ('Customblen'), 'Inipol' (fertilizante oleofílico líquido), surfactantes de origen químico biodegradables, sales minerales y otros productos.
36
• En cuanto a la bioaumentación,
la experiencia existente y la prudencia necesaria no recomiendan la utilización de productos con "bacterias
comerciales" por lo que en principio se descarta. La única posibilidad que se contempla es la utilización de bacterias autóctonas mediante un consorcio preparado con
parte de las aisladas en la primera
fase del trabajo.
• Experimentos de control.
La monitorización que se realice
con posterioridad al inicio de los ensayos abarcará los siguientes parametros (se busca en todo momento un
control mixto químico y microbiológico).
• La medida de hidrocarburos totales se realizará por medio de Espectrometría Infrarroja (TPH-IR) y
el cálculo de índices de biodegradación m e d i a n t e C r o m a t o g r a f í a de
G a s e s - E s p e c t r o m e t r í a de M a s a s
(GC-MS) con respecto a biomarcadores c o m o Pristano y Fitano en
una primera aproximación y Hopanos en una segunda más fina. Esta
última técnica también permitirá
determinar el fraccionamiento actual del fuel y el estudio de la evolución de cada una de las fracciones
(alifáticos, aromáticos, resinas y asfáltenos).
• La cinética de los procesos degradativos y la evaluación de la posible producción de biosurfactantes (figura 6) se efectuará con métodos desarrollados en el laboratorio de microbiología de los participantes en el
proyecto.
• La identificación de los mic r o o r g a n i s m o s se e f e c t u a r á mediante técnicas m o l e c u l a r e s , que
consisten esencialmente en la amplificación del gen del ARN ribosomal 16S utilizando oligonucleótidos c o n s e r v a d o s de eubacterias
como iniciadores en reacciones de
a m p l i f i c a c i ó n en un e q u i p o de
PCR
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Figura 6. Dos cepas bacterianas degradando masas de hidrocarburos. La primera de ellas
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masas ya puestas en "disolución " acuosa (Fotografía lOOOx)
38
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•
OILGAS - MAYO, 2 0 0 3