5 Atenuación Natural

INGENIERA Investigacin y Tecnologa VI. 2. 119-126, 2005(artculo arbitrado)

Atenuacin natural en suelos contaminados conhidrocarburos

L. Corona-Ramrez y R. Iturbe-Argelles Instituto de Ingeniera, UNAM

E-mail: [email protected]

(recibido: julio de 2004; aceptado: agosto de 2004)

ResumenSe realiz un experimento con suelo contaminado proveniente de una refinera, el cualcontaba con hidrocarburos derivados de petrleo, especficamente con concen-traciones elevadas de hidrocarburos poliaromticos (HAP). El estudio consisti en

preparar 7 cajones con 7 kg de suelo, cada uno con las siguientes condiciones:

S1 suelo contaminado con hidrocarburos y 15% de contenido de agua.

S2 suelo contaminado con hidrocarburos y adicin de Nitrgeno y Fsforo (N y P) con15% de contenido de agua.S3 suelo contaminado con hidrocarburos y adicin de N y P ms un surfactante no

inico, Emulgin W600, con 15% de contenido de agua.S4 igual a S1 pero con 30% de contenido de agua.S5 igual a S2 con 30% de contenido de agua.

S6 igual a S3 con 30% de contenido de agua.S7 suelo contaminado testigo, sin control de humedad y sin aireacin.

La experimentacin consisti en airear el suelo diariamente y controlar el contenido deagua de manera que ste fuera constante. Los resultados, indican que la mejor remocin se obtuvo para el contenido de agua de 30%, con adicin de nutrientes y surfactante.

Los compuestos con mayor eficiencia de remocin para todas las opciones sonnaftaleno y antraceno. Por lo tanto, de acuerdo con los resultados, los compuestospoliaromticos (HAP) son susceptibles de ser removidos con atenuacin natural y

biorremediacin.

Descriptores: Biorremediacin, HAP, degradacin.

AbstractA con tam i nated soil ex per i ment was per formed us ing sam ples from a re fin ery, con tain ing oil deri vatehy dro car bons, spe cif i cally those with high con cen tra tions of polyaromathic hy dro car bons (PAH). Thetest ing con sisted in 7 pans with 7 kg of soil, the prep a ra tion of 6 pans un der spe cific con di tions and one

as a blank, the con di tions were: wa ter con tent (15 y 30%), ad di tion of nu tri ents (N&P) and ad di tion anon-ionic surfactant.The pro cess con sisted in the daily aer a tion and wa ter con trol of the sam ples. The PAH were an a lyzed:

anthracene, benzo(a)pyrene, chry sene, phenanthrene and naph tha lene. The re sults af ter 8 weeksshowed a grad ual deg ra da tion of PAH, in di cat ing a better re moval ob tained when the wa ter con tent was 30% with nu tri ents ad di tion.

Key words: Bioremediation, PAH, deg ra da tion.

Introduccin

La contaminacin con compuestos orgnicos ensuelos y sedimentos es un problema ambientalimportante por la cantidad de sitios contami-nados. Los hidrocarburos aromticos policclicos(HAP) presentan un inters mayor debido a latoxicidad de muchos de ellos y a la frecuencia conque se detectan.

La biorremediacin y la atenuacin nat u ral sontecnologas que favorecen la remocin de com-puestos orgnicos; sin em bargo, los HAP seconsideran persistentes, y por tanto, difciles dedegradar.

La atenuacin nat u ral es la reduccin de lasconcentraciones del contaminante en el ambientecon los procesos biolgicos, los fenmenos fsicos (adveccin, dispersin, dilucin, difusin, volati-lizacin, sorcin/desorcin) y las reacciones qu-micas (intercambio inico, complejacin, transfor- macin abitica) (US Army, 1995).

La biodegradacin es uno de los principalesprocesos que ayudan a la atenuacin nat u ral en elsuelo, siendo los microorganismos esenciales para cambiar la qumica del mismo. La adaptabilidadque tenga la poblacin microbiana, as como elrequerimiento nutricional, es lo que permite degra- dar a los contaminantes por medio de reacciones.Entonces, los cambios qumicos causados por losmicroorganismos pueden disminuir directa o in-directamente las concentraciones de los conta-minantes.

Dentro de la clasificacin de los hidrocarburosse encuentran los HAP, los cuales se presentancomo resultado de diversos tipos de actividadhumana. Los procesos de combustin in dus trialcontribuyen en gran medida, debido prin ci pal-mente al humo generado por carbn, com bus ti -bles fsiles y petrleo refinado, las descargas deaguas municipales, las actividades de transporte ylos derrames son algunas de las principalesfuentes de estos contaminantes. Los HAP soncontaminantes orgnicos que provienen de loshidrocarburos del petrleo y de la pirlisis de com -bus ti bles, as como sus homlogos alquil y lossustituidos con azufre o nitrgeno. Los HAP, por lo gen eral, se producen a altas temperaturas de400-500C. Son sustancias liposolubles que seforman como productos de la combustin delpetrleo y residuos del procesamiento del carbn.

La caracterstica qumica prin ci pal es su estructurade varios anillos bencnicos que pueden tener unorigen nat u ral (las plantas y las bacterias sonfuente de hidrocarburos) o antropognico, deri-vado tanto de las actividades que emplean pe-trleo, como de combustiones incompletas, (in-cineracin de residuos urbanos e industriales,incendios forestales, centrales trmicas, etc.) (Blu-mer, 1975).

Por su persistencia en el ambiente y la ge-notoxicidad, actualmente se realizan investiga-ciones para la remediacin de estos compuestos,ya que son removidos de los sitios contaminados,principalmente por la degradacin microbiana. Sinem bargo, pueden sufrir procesos tales como vo-latilizacin, fotoxidacin, oxidacin qumica, bioacu- mulacin y adsorcin en la matriz del suelo.

Hay dos clases de hidrocarburos aromticos:los de bajo peso mo lec u lar que tienen de 2 a 3anillos aromticos como el naftaleno, fenantreno,antraceno y derivados, y los de alto peso mo lec u -lar que tienen de 4 a 7 anillos aromticos como elcriseno y benzo(a)pireno. Sus caractersticas fsi-cas y qumicas varan de acuerdo con su peso mo -lec u lar y, en consecuencia, en su distribucin yefecto en el ambiente, lo mismo sus efectos en lossistemas biolgicos.

Los compuestos que se identificaron en unestudio realizado en aceite crudo menciona que se encuentran con mayor frecuencia el naftaleno ycriseno, tambin se presentan con un 100% defrecuencia el fenantreno con un 98%, seguido delbenzo(a)pireno con un 75% y finalmente elantraceno con un 40% (Kerr et al., 2001).

En el caso del fenantreno, varios estudiosreportan la alta degradaci n que se alcanza,gracias a las bacterias nativas del suelo; es poresto que el fenantreno ha sido usado como modelo en estudio de vas de degradacin, ya quesu estructura es muy sim i lar a la del benzo(a)pireno; tomando en cuenta que dicha situacin sepresenta si el contenido de agua que se tenga en el suelo es elevada, aproximadamente el 40% de sucapacidad de campo (Liu et al., 2001). En esteestudio se reporta que a los 2 meses comienza una notoria disminucin en su concentracin.

120 INGENIERIA Investigacin y Tecnologa FI-UNAM

Atenuacin natural en suelos contaminados con hidrocarburos

Metodologa

Caracterizacin del suelo

Se utiliz un suelo contaminado con compuestospoliaromticos provenientes de una refinera. Laprimera parte de la experimentacin consisti enla caracterizacin del suelo. En la tabla 1 sepresentan los resultados.

Tabla 1. Caractersticas del suelo

PruebaSuelo

contaminadocon HAP

Conductividad elctrica ( mS/m) 1.608

Densidad aparente (g/cm3) 1.421

Densidad real (g/cm3) 2.646

Fraccin de carbono orgnicofoc (%)

1.3938

pH 6.37

Porosidad 0.4624

Materia orgnica (%) 2.3973

Fsforo (mg/kg) 7.0312

GranulometraCu 31.75

Cc 0.6375

Experimentacin

El experimento consisti en la colocacin de 6cajones que sirvieron como contenedores, a loscuales se les colocaron 7 kg de suelo contaminadoa cada uno. Las vari ables consideradas fueron lassiguientes: contenido de agua (15% y 30%), adicin de nutrientes y adicin de surfactantes.

Para la adicin de nutrientes se consider laconcentracin de carbono en el suelo como el 80% de la concentracin inicial de hidrocarburos to-tales del petrleo (HTP) y con la relacin paraC:N:P de 100:10:1.

A los cajones S2, S3, S5, S 6 se les agregaronnutrientes en la proporcin mencionada. A loscajones S3 y S6 adems, se les agreg el sur-factante no inico probado en estudios previos(Iturbe et al., 2002) para que sirviera como coad-yuvante para la degradacin (John et al. , 1998). Los

cajones S1 y S4 nicamente tuvieron suelocontaminado. El experimento tuvo una duracinde 60 d as con un muestreo cada 30 das. Laclasificacin de los cajones es la siguiente:

Tabla 2. Distribucin de cajones

Nmero decajn Caractersticas

S1 Suelo (15% de contenido de agua)

S2Suelo (15% de contenido de agua)

+ nutrientes

S3 Suelo (15% de contenido de agua)+ nutrientes + surfactante

S4 Suelo (30% de contenido de agua)

S5 Suelo (30% de contenido de agua)+ nutrientes

S6 Suelo (30% de contenido de agua)+ nutrientes + surfactante

S7 Testigo

No se realiz un anlisis estadstico del experi-mento, ya que para ser representativo deberanllevarse a cabo duplicados y ms combinacionesde los tratamientos. Dado que el tiempo fuelimitado no fue factible aumentar el nmero decajones experimentales.

Resultados y discusin

Caracterizacin del suelo

Con base en los resultados obtenidos de lacaracterizacin del suelo, puede decirse que es unsuelo nor mal en salinidad, es decir, que las pro-piedades morfolgicas y fisiolgicas del perfil noestn influenciadas por el carcter salino. La de-terminacin de la conductividad elctrica de unsuelo es un parmetro importante, ya que tiende acambiar el contenido de agua, parmetro que eneste caso se considera relevante en la degradacin de los hidrocarburos.

De acuerdo con el conteo de bacterias haypresencia de bacterias hetertrofas en el suelo,encontrndose dentro del intervalo establecidopara suelos contaminados con hidrocarburos(106 108 UFC/g).

Vol.VI No.2 -abril-junio- 2005 121

L. Corona-Ramrez , R. Iturbe-Argelles

En la prueba de anlisis granulomtrico de acuerdocon el sistema unificado de clasificacin de suelos(SUCS) se obtiene un suelo arenoso mal graduado,con muy poca cantidad de finos.

De acuerdo con la concentracin de nutrientes,es un suelo con concentracin baja en fsforo y me-dianamente pobre en nitrgeno total.

Concentracin y eficiencias de remocin de HAP

En las tab las 3 y 4 se presentan las concentracionesiniciales y fi na les de los HAP en el suelo contaminado.

Las eficiencias totales de remocin en cada cajnresultaron satisfactorias, es decir, que la concentracinde los HAP disminuy en ms de 80%, con respecto ala que se tena en el suelo inicialmente (Tabla 5).



Tabla 3. Concentraciones iniciales de HAP

Contenidode agua

Nmero decajn

Concentraciones de HAP (mg/kg)

Antraceno Benzo (a) pireno Criseno Fenantreno Naftaleno

15%

S1 3.5944 0.0724 0.1410 ND 4.3655

S2 2.4132 0.0523 0.1180 ND ND

S3 6.5072 0.1090 ND 5.6842 ND

30%

S4 4.0465 0.0527 0.1287 0.0321 0.2632

S5 1.7812 0.0419 0.1009 0.0492 0.2046

S6 3.5183 0.1098 0.2584 0.0615 0.4787

ND= No Detectado

Tabla 4. Concentraciones finales de HAP

Contenidode agua

Nmero decajn

Concentraciones de HAP (mg/kg)


15%

S1 0.3250 0.0145 ND ND ND

S2 0.1736 0.0205 0.0215 ND ND

S3 0.7350 0.0279 0.0524 1.0356 ND

30%

S4 0.2467 0.0079 0.0155 0.0026 0.0049

S5 0.1106 0.0050 0.0121 0.0030 0.0058

S6 0.0450 0.0022 0.0135 0.0027 0.0058

Tabla 5. Eficiencias totales de remocin en cada cajn

Contenidode agua

Nmero decajn

Eficiencias totales de remocin hT


15%

S1 90.96 79.97 99.99 - 99.999

S2 92.80 60.80 81.92 - -

S3 88.70 74.40 - 81.78 -

30%

S4 93.90 85.00 87.96 91.90 98.14

S5 93.79 88.07 88.00 93.90 97.16

S6 98.72 98.00 94.77 95.61 98.79

De acuerdo con las concentraciones obtenidaspuede notarse que, aproximadamente el 90% de los casos present disminucin en la concentracin delos hidrocarburos considerados, obteniendo en lamayora altas eficiencias de remocin.

Las curvas de eficiencia para cada cajnmuestran la degradacin de los HAP (Figura 1),donde se presentan las eficiencias de remocincon respecto a los hidrocarburos estudiados;antraceno, benzo(a)pireno, criseno, fenantreno ynaftaleno. Se puede observar la baja eficiencia enel caso del criseno en el cajn S5 y la no deteccinen los cajones con el 15% de contenido de aguapara el fenantreno y naftaleno.

Respirometra

Conocer la tasa de respiracin microbiana en elsuelo (mg de CO2/kg de suelo/tiempo de incu-bacin), es de gran importancia, puesto que conayuda de los resultados de las concentraciones,eficiencias de remocin y bacterias hetertrofas,puede tenerse un completo pan orama para iden-tificar el motivo por el cual se ve favorecida ladegradacin de los HAP.

Se realizaron pruebas de respirometra (Pruebade Jarras Cerradas) (Gauger, 1999), para conocer sila poblacin microbiana estaba asimilando a loshidrocarburos como fuente de energa y con esto,la capacidad de degradarlos. Esta actividadmicrobiana se demuestra por la produccin de

CO 2 por parte de los microorganismos, lo que in -dica que al consumir los contaminantes estnconsumiendo oxgeno y lo liberan como CO 2.

Como se observa en la figura 2, en todos loscajones se obtuvo produccin de CO 2, a diferencia del testigo, en el cual se present liberacin deCO 2 por parte de los microorganismos du rante lasprimeras 24 horas, tiempo en el cual comienza ahaber menor produccin de CO2, ocasionado porla falta de aireacin en ese suelo.

Puede observarse en la figura 2 que la mayorade los cajones tienen tendencia a producir CO2con respecto al tiempo, a excepcin de los cajones S4 y S6, los cuales aumentan en las primeras 24 h yen el perodo siguiente medido de 24 a 48 h sutendencia es relativamente constante; siendo no-toriamente menor en el cajn S4.

En los dems cajones, S1, S2, S3, S5 sutendencia va en aumento; sin em bargo, en estecaso los cajones con el 15% de contenido de agua son los que presentan mejor comportamiento encuanto a la produccin de CO2, es decir, encuanto a la actividad microbiana. En los cajones S1 y S3, con el menor contenido de agua se en-cuentran los microorganismos, con mejor acti-vidad metablica y nicamente el cajn S5, concontenido de agua de 30% es uno de los tresmejores cajones en cuanto a las pruebas derespirometra realizadas. En la figura 3 puedeobservarse la produccin de CO2 a sus distintostiempos de incubacin, 6, 24 y 48 h.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

S1 S2 S3 S4 S5 S6

Cajones

An tr ace no

Be nzo(a )pireno

Cr ise no

Fe na nt ren o

Na ft ale no

Figura 1. Eficiencia de remocin de los HAP estudiados

Debido a que las mayores eficiencias de remocinse presentan en los cajones con contenido deagua del 30%, es de suponerse que de igualmanera la produccin de CO2 sea mayor con estecontenido de agua; sin em bargo, la tasa derespiracin en el suelo es muy variada, pues a untiempo de incubacin de 6 h, los cajones S1, S6, S3y S5 son los que tienen mayor produccin de CO 2(de 0.19010.1027 mg/kg de suelo/tiempo de in-cubacin) y los de menor produccin, S4 y S2 (con0.0697 y 0.0293 mg/kg de suelo/tiempo de in-cubacin) respectivamente, de igual manera su-cede a las 48 h, siendo menor el CO2 producidoque en las primeras horas.

Como puede observarse en la figura 3, en todos los cajones de manera gen eral, se tiene mejor pro-duccin a las primeras horas, y conforme es mayorel perodo, menor es la actividad metablica quepresentan los microorganismos, mostrando enpromedio mejor comportamiento el cajn S 6.

De manera muy sim i lar sucede a las 24 h deincubacin, cambiando nicamente S2 y S5 comolos cajones de menor produccin. Aunque enestos seis cajones se haya obtenido una mayoreficiencia de remocin, la diferencia entre losmiligramos (mg) de CO

2 producido por kilogramo

(kg) de suelo por tiempo de incubacin (h), puedeser justificado por la poblacin microbiana que



00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

0 1 0 20 30 40 50tiempo de in cubacin (h)

S1S2

S3S4S5S6SB

Figura 2. Respiracin microbiana en el suelo de los cajones estudiados

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

S1 S2 S3 S4 S5 S6 SB

Cajones

t incubacin 6h

t incubacin 24h

t incubacin 48h

Figura 3. Tasa de respiracin microbiana en el suelo

habita en el suelo, considerando que no todos losmicroorganismos presentes en el suelo desempe-an una actividad metablica favorecedora para labiodegradacin de los HAP.

Para favorecer la produccin de CO2, dia-riamente se airearon cada uno de los cajones paraestimular a las bacterias hetertrofas presentes enel suelo, las cuales se encargan de la biodegra-dacin de los compuestos de inters.

Conclusiones

La caracterizacin fsica, qumica y biolgica delsuelo es fun da men tal para conocer si la atenua-cin nat u ral y biorremediacin son viables comotcnicas de saneamiento, pues es parte de laperspectiva microbiolgica y el esencial conoci-miento de su hab i tat nat u ral de las poblacionesmicrobianas degradadoras de hidrocarburos, talescomo las Pseu do mo nas, Flavobacterium, Achrom- bacter, Anthrobacter, Micrococcus y Actinobacter , prin ci pal-mente.

La adicin de un surfactante sirve comocoadyuvante a los microorganismos del suelo paradegradar los HAP presentes, siempre y cuando ladosis suministrada al suelo no altere la preferenciadel hidrocarburo como sustrato al microorganismo.

En gen eral, se obtuvo el 90% de degradacin en los hidrocarburos de inters (HAP), siendo el altocontenido de agua fac tor importante para favo-recer la tasa de degradacin en un menor perodo.Teniendo que para un suelo arenoso el contenidode agua constante de 30% presenta mejores efi-ciencias de remocin que a un 15%.

Experimentalmente, el cajn S1 con 15% decontenido de agua es el que presenta la mejor efi-ciencia de remocin para todos los compuestos,principalmente el naftaleno.

De los experimentos en cajones con 30% decontenido de agua el que presenta mejor eficiencia de remocin es el S6, con adicin de nu tri entes ysurfactante.

Las grficas de respirometra evidencian laimportancia que hay entre la actividad microbianay la aireacin, comprobando experimentalmenteen el suelo que se tom como blanco (SB) quedespus de las 24 horas ya no hay produccin deCO2, indicando que hay presencia de bacteriashetertrofas degradadoras de hidrocarburos, perodespus de cierto tiempo la actividad microbiana

disminuye, debido a que las bacterias no tienen suprin ci pal aceptor de electrones, el O2.

Considerando que la respiracin es un indi-cador de la actividad microbiana bajo condicionesaerobias, se determina que la atenuacin nat u ral y biorremediacin son una opcin vi a ble y efectivaen suelos arenosos contaminados con HAP,debido a la poca inversin que requiere; lo cualdepender de las concentraciones y el tipo decontaminante, pues esto determinar la rapidez yla eficiencia que se obtenga.

No se llev a cabo un anlisis estadstico delexperimento porque para esto se requiere au-mentar el nmero de cajones experimentales, locual para esta etapa no era posible. Sin em bargo,debido a que los resultados se consideran muyalentadores se va a continuar la investigacin conHAP y se desarrollar el diseo de experimentocorrespondiente.

Referencias

Blumer M. (1975). Policyclic Aromatic Hydro -car bons in Soils and Recent Sedi ments.Science. p. 188.

Gauger W.K. (1999). Pruebas de Biotrata- bilidadpara el Suelo. Radian Corpo ra tion,Texas.

Iturbe A.R., Orantes J.L. y Torres L.G. (2002).Biodegradation of two Anionic Surfac tantsEmployed for Oil-Contaminated-Soils in Situ-Flushing. Envi ron mental Geosciences.

John G.F., White (1998). Mecanism for Biotrans-forma tion of Nonylphenol Polyethoxilates inPseu do monas Putida. Journal of Bacteriology,pp. 4332-4338.

Kerr J.M., McMillen S.J., Magaw R.I., MeltonH.R y Naughton G. (2001). Risk-Based SoilScreening Levels for Crude Oil: The Role ofPolyaromatic Hydro car bons. The Petro -leum Envi ron mental Research Forum, USA.

Liu-Baozhi, Banks M.K. y Schwab P. (2001).Effects of Soil Water Content on Biode-grada tion of Phenanthrene in a Mixture ofOrganic Contam i nants. Soil and Sedi mentContam i na tion. An Inter na tional Journal. Vo-lumen 10, Issue 6.

U.S. Army Science Board. (1995). Infra struc tureand Envi ron mental Issue Group, Remediation ofContam i nated Army Sites: Utility of Natural



Atten u a tion. Draft Report, Depart ment o fthe Army, Wash ington, D.C.



Semblanza de los autoresLilia Corona-Ramrez . Es ingeniera ambiental egresada del IPN en el ao 2002. Realiz la maestra en ingeniera ambiental con

especialidad en suelos y agua subterrnea en la Divisin de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniera, UNAM.Actualmente forma parte del grupo de saneamiento de suelos y acuferos del Instituto de Ingeniera de la UNAM, dirigido

por la Dra. Rosario Iturbe-Argelles. Rosario Iturbe-Argelles . Ingeniera civil y doctora en ingeniera egresada de la Facultad de Ingeniera, UNAM es investigadora del

rea de ingeniera ambiental en el Instituto de Ingeniera, principalmente dedicada a la caracterizacin y saneamiento de

suelos contaminados por hidrocarburos desde hace ms de diez aos. Actualmente dirige el grupo de saneamiento desuelos y acuferos en el que participan ms de 20 acadmicos y alumnos de posgrado.

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