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ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUMICAS

BIORREMEDIACIN DE VEGETACIN CONTAMINADA CON PETRLEO POR DERRAMES EN EL CAMPAMENTO GUARUMO PETROPRODUCCIN.

TESIS DE GRADOPREVIA A LA OBTENCIN DEL TTULO DE:

INGENIERA EN BIOTECNOLOGA AMBIENTALAUTOR: VERNICA PAULINA OROSCO VERDEZOTO MERCEDES MARGARITA SORIA GUANO RIOBAMBA-ECUADOR 2008

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AGRADECIMIENTO

Agradezco a DIOS por permitirme la vida para poder cursar mis estudios y la exitosa culminacin de mi carrera.

A mis padres Lida Verdezoto, Javier Orozco por convertirse en el motor que siempre me han impulsado para ser mejor persona.

Al excelente grupo de profesores que formaron parte especial en mi vida, por impartirnos todos sus sabios conocimientos y su gran amistad.

Al Dr.Fausto Yaulema, por su valioso aporte y colaboracin en el desarrollo de la presente tesis. A los seores profesores, miembros del tribunal, Dra. Nancy Veloz, Dr. Roberto Erazo.

Al Ing. Kadir Ron jefe del departamento de Unidad de Proteccin Ambiental (PETROPRODUCCIN), con su ayuda ha sido posible dentro de la empresa llevar a cabo nuestro trabajo

A mis amigas y compaeros que directa o indirectamente han contribuido a la culminacin de este proyecto.

PAULINA

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AGRADECIMIENTO

A Dios por el infinito amor y paciencia que brindo a mi vida para concluir con mis metas fijadas, a mis padres; Jos Soria y Rosa Guano quienes con su apoyo y su valiosa colaboracin han permitido el progreso de esta investigacin y el regalo mas hermoso mi proteccin.

Al personal de las cuadrillas del Departamento de Unidad de Proteccin Ambiental (PETROPRODUCCIN), quienes prestaron su incondicional ayuda en el campo de trabajo, durante toda la fase del desarrollo experimental del presente trabajo.

Al personal del Laboratorio del Departamento de Unidad de Proteccin Ambiental de Lago Agrio (PETROECUADOR), quienes prestaron una incondicional colaboracin en el desarrollo de los anlisis fsicos y qumicos del presente trabajo.

Al Ingeniero Kadir Ron, jefe del Departamento de Unidad de Proteccin Ambiental del Campamento (Guarumo), quien estuvo siempre pendiente del trabajo en desarrollo en el Campamento el Libertador (Guarumo) en dnde se ejecuto el proyecto de investigacin.

MARGARITA

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DEDICATORIA

A DIOS, y a

los seres ms preciados y

queridos de mi vida que me han apoyado de manera incondicional en la culminacin de una de las etapas ms importantes de mi carrera superior como son: mis padres Javier Orozco y Lida Verdezoto, mi hermana Luisa Fernanda Orozco a quienes le debo mi progreso y superacin.

PAULINA

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DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mis Padres: Rosa Guano y Jos Soria, quienes con su valiosa compresin, paciencia, colaboracin y cario me han enseado a perseverar hasta logras mis metas y objetivos, en especial a mis hijos por quienes puse un especial esfuerzo para culminar mi carrera. A mis hermanos por brindarme confianza, cario y apoyo.

MARGARITA

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NOMBRE

Dr. Edmundo Calua DECANO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS.

Dr. Robert Cazar DIRECTOR DE LA ESCUELA DE CIENCIAS QUMICAS.

Dr. Fausto Yaulema DIRECTOR DE TESIS

Dra. Nancy Veloz MIEMBRO DEL TRIBUNAL

Dr. Roberto Erazo MIEMBRO DEL TRIBUNAL

Lic. Carlos Rodrguez DIRECTOR DEL CENTRO DE DOCUMENTACIN

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Nosotras, VERNICA PAULINA OROSCO Y MERCEDES MARGARITA SORIA GUANO, somos responsables de las ideas doctrinas y resultados expuestos en esta Tesis de Grado pertenecen a la ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE CHIMBORAZO.

----------------------------------------------------------VERNICA PAULINA OROSCO VERDEZOTO

--------------------------------------------------------MERCEDES MARGARITA SORIA GUANO

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NDICE DE ABREVIATURAS

Cd DINAPA EPA g LABPAM Petroproduccin mg/kg. m.s.n.m mar N TPH Pb ppm RAOHE

Cdmio Direccin Nacional de Proteccin Ambiental Environmental Protection Agency (USA) Gramo Laboratorio de Proteccin Ambiental de Miligramos por Kilogramo Metros sobre el nivel del Nquel Hidrocarburos Totales de Petrleo Plomo Partes por milln Ambiental para las Operaciones Hidrocarburferas en el Ecuador

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NDICE GENERAL INTRODUCCIN CAPTULO I

1. 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.4.1 1.1.4.2 1.1.4.3 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.5.1 1.3.5.2 1.3.5.3 1.3.5.4 1.3.5.5 1.3.6 1.3.7

MARCO TERICO Petrleo.. 22 Generalidades 22 Origen del Petrleo... 22 Caractersticas Qumicas. 23 Contaminantes.. 25 Hidrocarburos totales de petrleo.. 25 Metales Pesados (Cd, N, Pb). 26 Efectos de los contaminantes en la Salud y el Ambiente... 27 Biorremediacin de vegetacin con hidrocarburos. Vegetacin. Identificacin de la cobertura vegetal Mejoradores y nutrientes. Fertilizantes orgnicos. 28 28 29 30 30

Biorremediacin.. 31 Generalidades 31 Tipos de Biorremediacin Tecnologas de Biorremediacin Fundamento bioqumico de la biodegradacin Composteo. 37 40 41 43

Tcnica de Biorremediacin a aplicarse (Compost) 43 Factores que condicionan el proceso de compostaje. 44 Proceso de compostaje 45 Sistemas de compostaje.. 46 Tipos de Compostaje 48 Biorremediacin por Bioestimulacin. 48 Lmites Permisibles... 50

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1.3.8 1.4 1.4.1 1.4.2

Ventajas y desventajas de la Biorremediacin. 50 Bacterias.................................................................................. Generalidades........................................................................... 52 52

Microorganismos degradadores de petrleo............................. 54

CAPTULO II 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.2.4 2.2.2.5 2.2.2.6 2.2.2.7 2.2.2.8 2.2.3 2.2.3.1 2.3 MATERIALES Y MTODOS.. 56

Materiales... 56 Lugar Experimental... 56 Materiales Experimentales.. 56 Vegetacin Contaminada con Petrleo. 56 Sustratos. 57 Bacterias de la zona Materiales de laboratorio. MTODOS. Recoleccin del material contaminado (Campo) Anlisis de muestra (Laboratorio).. 57 58 60 60 62

Muestreo. 60

Descripcin de la tecnologa a aplicarse... 62 Mtodos Analticos 65 Determinacin de Temperatura. Determinacin de Humedad.. 65 65

Determinacin de (bacterias).. 65 Determinacin de Potencial de Hidrgeno 66 Determinacin de Hidrocarburos Totales.. 66 Determinacin de metales pesados (Cd, Ni, Pb). 66 Determinacin del Nitrgeno global... 67 Determinacin del Fsforo...... Preparacin de la tcnica Aerobios Mesfilos. 68 68 Metodologa Recuento de Aerobio Mesfilos... 68 DISEO EXPERIMENTAL.. 69

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2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.1.3 2.3.1.4 2.3.1.5 2.3.1.6 2.3.1.7

Metodologa... Tipo de Diseo.. Modelo Matemtico..

70 70 70

Factores de estudio tratamientos y rplicas. 71 Preparacin de tratamientos... 71 Parmetros de Control. Anlisis de Datos.. 74 77 Parmetros de Medicin. 75

CAPTULO III 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3.3 3.3.4 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 RESULTADOS Y DISCUSIN Caracterizacin de vegetacin contaminada por derrames de petrleo... Parmetros de control durante la biorremediacin 79 Potencial de Hidrgeno 80 Humedad.... 81 Microorganismos aerbios mesfilos........ 81 Control de Nutrientes C, N , P...................... 83 Parmetros de medicin durante la biorremediacin 86 Hidrocarburos Totales de Petrleo (TPH). 86 Metales pesados (Cadmio).. 90 Nquel.. Plomo.. Eficiencia de los parmetros de medicin de los tratamientos durante la biorremediacin.. Eficiencia de Hidrocarburos de Petrleo (TPH)... 94 Eficiencia de Metales Pesados (Cd).. 94 Eficiencia de Metales Pesados (N)... 95 Eficiencia de Metales Pesados (Pb).. 96 91 92 93 78 78

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CAPTULO IV 4.1 4.2 Conclusiones. Recomendaciones 97 99

RESUMEN SUMARY BIBLIOGRAFA ANEXOS

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NDICE DE ANEXOS ANEXO 1. ANEXO 2. Diagnstico Ambiental de la Regin. RH-300 derivados ANEXO 3. ANEXO 4. ANEXO 5. ANEXO 6. ANEXO 7. Hoja de seguridad del material: Aerobios Mesfilos). Valores medios de los parmetros de medicin (TPH, Cd, N, Pb). Fotografas (Compost). Fotografas anlisis realizados laboratorio(LABPAM) del Centro de Acopio Biorremediacin RH-300 Valores medios de los parmetros de control (pH, Humedad, Producto Biodegradable para tratamiento de residuos aceitosos, suelos contaminados por hidrocarburos y

NDICE DE TABLAS

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Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5 Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8. Tabla 9. Tabla 10. Tabla 11. Tabla 12. Tabla 13. Tabla 14. Tabla 15. Tabla 16. Tabla 17. Tabla 18. Tabla 19.

Composicin elemental del petrleo Tipos de Hidrocarburos.. Impactos de TPH en la Salud y Ambiente.

23 25 28

Impactos de metales pesados en la Salud y Ambiente. 27 Principales caractersticas de las unidades de vegetacin.. 29 Principales especies 29 Capacidad de biodegradacin... 43 Lmites permisibles para la identificacin y remediacin de suelos contaminados en la Industria Hidrocarburfera.. Grupos de microorganismos segn su Temperatura.... 53 Materiales, Reactivos.. 58 Equipos utilizados 59 Mtodos de anlisis procedimiento laboratorio.. 640 Parmetros de Control (pH, T ,%H ,UFC/g)............ 74

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Parmetros de Medicin (HAP`s, TPH, Cd, N, Pb)................. 75 Represtacin generalizada de las repuestas experimentales 76 en un diseo de bloques Frmulas para ANOVA para un diseo de un factor. 77 Caracterizacin de vegetacin contaminada con Petrleo.. 79 Anlisis tabla de ANOVA TPH..... Prueba de TUKEY para TPH ..... 88 89

NDICE DE FIGURAS

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Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7. Figura 8. Figura 9. Figura 10. Figura 11. Figura 12. Figura 13. Figura 14. Figura 15. Figura 16. Figura 17. Figura 18. Figura 19. Figura 20. Figura 21. Figura 22. 98Figura 23.

Parmetros implicados en la Biorremediacin. 32 Diferentes modos de Biorremediacin... 38 Metabolismo Microbiano.. 40 Degradacin aerobio, anaerobia. 42 Representacin esquemtica de biopilas alargadas... 47 Representacin esquemtica de bioplilas estticas 47 Estructura de la clula bacteriana.. 53 Esquema de la gradilla de muestreo............................. Ubicacin de Tratamientos y Rplicas.. Monitoreo del pH durante toda la Biorremediacin Monitoreo de Humedad durante la Biorremediacin.. Monitoreo de Microorganismos de Aerbios Mesfilos durante la Biorremediacin.. Monitoreo de Carbono Orgnico. 84 Monitoreo de Fsforo 85 Monitoreo de Nitrgeno Total.. 86 Monitoreo del TPH durante la Biorremediacin 87 Monitoreo del Cadmio durante la Biorremediacin.. 91 Monitoreo del Nquel durante la Biorremediacin... 92 Monitoreo del Plomo durante la Biorremediacin... 93 Eficiencia del TPH. Eficiencia del Cd Eficiencia del N. Eficiencia del Pb 94 95 95 96 61 73 81 82 83

INTRODUCCIN

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Las actividades petroleras en el Ecuador, han constituido la fuente de financiamiento ms importante del presupuesto del estado. Es innegable su importancia en la economa nacional y en los cambios operados en el desarrollo de las fuerzas productivas, sin embargo, tambin ha generado graves problemas de contaminacin ambiental, prdida irreversible de especies animales y vegetales, deterioro de las fuentes de agua y un agresivo proceso de aculturacin de sus comunidades nativas

La actividad petrolera estatal ha sido la principal fuente de contaminacin por los derrames provocados en el Distrito Amaznico. Un hecho inusual y alarmante es el alto porcentaje de atentados o sabotajes a las lneas de produccin.

Los daos ambientales ocasionados por la industria petrolera estatal, sea cual fuere su origen, son causales de sanciones estipuladas en la Constitucin de la Repblica, la Ley de Gestin Ambiental, el Reglamento Sustitutivo del Reglamento Ambiental para las Operaciones Hidrocarburferas en el Ecuador (D.E.1215), entre otros, que pueden ir desde multas hasta paralizaciones de la actividad e incluso la crcel para algunos funcionarios que por accin u omisin permitieran la alteracin del medio ambiente. (22)

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El campo Guarumo la primera necesidad que se hizo latente, fue la eliminacin de los residuos contaminados con Petrleo que son almacenados en las piscinas de Secoya.

La contaminacin por hidrocarburos es un problema importante en la mayor parte de los pases productores de petrleo, por tal razn tanto la empresa estatal como privada ve la necesidad de realizar trabajos basados en la Legislacin Ambiental que permiten de alguna manera remediar este problema de contaminacin ambiental, a travs de tcnicas de biorremediacin es el uso de los microorganismos vivos para la eliminacin de contaminantes ambientales es una de las tecnologas aplicables a este fin, se caracteriza por ser una tcnica de bajo costo de operacin. La aplicacin de este tipo de tecnologa ha encontrado cierta resistencia de aplicacin por el tiempo que demanda completar un proceso hasta obtener las metas de limpieza deseadas. (15)

Es as que a travs del convenio PETROECUADOR-ESPOCH se da la oportunidad de realizar nuestra investigacin, la cual est enmarcada dentro de la Biotecnologa Ambiental ya que se va a utilizar microorganismos autctonos para el control de la contaminacin. Junto con el personal de Unidad de Proteccin Ambiental, hemos trabajado con los residuos de vegetacin de la estacin Shuara 09 tal caso ocurrido en el mes de Noviembre del 2007 en un derrame en la lnea de transferencia.

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El residuo contaminado fue trasladado desde la estacin hasta el Campamento Guarumo para dar su respectivo tratamiento a los desechos generados por desbroce de vegetacin en los suelos con crudo, se utiliz la tcnica de

Biorremediacin por Compost que es una tcnica innovadora, de bajo costo de operacin.

Estos sistemas de descontaminacin se basan en la digestin de las sustancias orgnicas por los microorganismos, de la cual obtienen la fuente de carbono necesaria para el crecimiento de sus clulas y una fuente de energa para llevar a cabo todas las funciones metablicas que necesitan sus clulas para su crecimiento. Para que estos procesos metablicos se lleven a cabo, y puedan ser utilizados como una tcnica remediativa, ser necesario que existan en el medio unas condiciones fsico-qumicas ptimas. (17)

Cada uno de estos sistemas, bioventing y biopilas, precisarn de unos parmetros de evaluacin adecuados a cada uno, que deben encontrarse dentro de un intervalo ptimo para que la aplicacin de dicha tcnica sea factible y efectiva.

En general, se necesitar la existencia de determinadas poblaciones de microorganismos autctonos de pertenecen utilizar los a la familia como de fuente

Pseudomonaceae capaces

hidrocarburos

nutricional y de energa, as como unas condiciones adecuadas de pH, nutrientes, temperatura, humedad, concentracin de los contaminantes. Dadas las condiciones favorables de la vegetacin no hubo necesidad de inocular microorganismos exgenos, se

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utilizo microorganismos autctonos es considerada como la va ms efectiva para remediar la vegetacin contaminada en contraste a alternativas ms costosas como la incineracin. Adems es una tcnica que puede ser aplicada in situ o ex situ. (16)

En el presente trabajo se plantea los siguientes objetivos:

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OBJETIVOSGENERAL: Biorremediar los desechos generados por desbroce de vegetacin en los suelos contaminados con crudo en el campamento Guarumo Petroproduccin. ESPECFICOS: Determinar el nmero ms probable de microorganismos presentes en la vegetacin. Estimular los microorganismos nativos apropiados para biodegradar el crudo presente en la vegetacin. Controlar por medio de parmetros fsico qumicos y microbiolgicos la biorremediacin. Evaluar el seguimiento de la biorremediacin de la vegetacin contaminada, aplicando el metodologa de Compostaje Determinar la eficiencia de degradacin. Determinar el tratamiento ms eficiente para degradar los residuos.

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CAPTULO I

1 1.1 1.1.1

MARCO TERICO PETROLEO Definicin (generalidades)

Es un lquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgnicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria qumica. 1.1.2 Origen del petrleo

Segn la teora ms aceptada, el origen del petrleo y del gas natural es de tipo orgnico y sedimentario. Se form como resultado de un complejo proceso fsico-qumico en el interior de la tierra, que, debido a la presin y las altas temperaturas, se van descomponiendo las materias orgnicas que estaban formadas especialmente por fitoplancton y el zooplancton marinos, as como por materia vegetal y animal, que se fueron depositando en el pasado en lechos de los grandes lagos, mares y ocanos. A esto se unieron rocas y mantos de sedimentos. A travs del tiempo se transform esta sedimentacin en petrleo y gas natural.

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La composicin elemental del petrleo normalmente est comprendida dentro de los siguientes intervalos: Tabla 1. Composicin elemental del petrleo Elemento Carbn Hidrgeno Azufre Nitrgeno Peso % 84-87 11-14 0-2 0.2

Fuente: Jos Luis Lascano; quinua, tarwi Universidad Catlica Santa Maria, Arequipa. www.ucsm.edu.pe.

1.1.3

Caractersticas

Todos los tipos de petrleo se componen de hidrocarburos, aunque tambin suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxgeno. El petrleo contiene elementos gaseosos, lquidos y slidos. La consistencia vara desde un lquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un lquido tan espeso que apenas fluye.

Existen categoras de petrleos crudos los de tipo parafnico, los de tipo asfltico y los de base mixta. Dependiendo del nmero de tomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petrleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes.

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Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrgeno, constituyen las parafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre los tomos de carbono se forman las olefinas; las molculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo bencnico) se tiene la familia de los aromticos.

Adems hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrgeno y oxgeno formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos las estructuras se hacen verdaderamente complejas y difciles de identificar qumicamente con precisin. (8)

Cuanto ms ligero es un crudo, mayor es su nmero de API. Los valores del peso especfico relativo en API para los crudos normales oscilan entre 5 a 60

API. En general, los crudos ligeros poseen un peso especfico elevado en API,

pequea viscosidad, escasa tendencia aditiva y alta tendencia a emulsificarse. Lo inverso ocurre para los crudos pesados.

Al agua (en donde se inicia la escala de valores de la densidad expresada en grados API), le pertenece un valor de 10 API. (4)

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Los grados API se utilizan asimismo para determinar el precio de un crudo determinado, dado que cuanto mayor sea el valor en API, mayor es la proporcin de crudo utilizable, principalmente en fracciones ligeras (nafta ligera, etc.).

Segn la densidad, los crudos pueden ser clasificados en:

Tabla 2. Tipos de Hidrocarburos Tipo de Hidrocarburo Liviano Medio Pesado Extra Pesado0

API

>31,1 22,3 31,1 10,0 22,3