42 HIPÓTESIS / APUNTES CIENTÍFICOS UNIANDINOS No. 4 / Dic. 2004

Biorremediaciónde residuos del petróleo

Paola Andrea Vargas Gallego / René Ricardo Cuéllar / Jenny Dussán

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Figura 2.Explotación del crudo

http://www.dep.fem.unicamp.br/boletim/BE13/artigo4.htm

Figura 1.Atentado contra el oleoducto Caño-Limón Coveñas

http://www.yachana.org/reports/colombia/photos/P3170114.JPG

> Biorremediación de residuos del petróleoPaola Andrea Vargas Gallego / René Ricardo Cuéllar / Jenny Dussán

Según la Compañía Colombiana de Petróleos, ECOPETROL,durante los últimos quince años el oleoducto Caño Limón-Coveñas ha sufrido más de novecientos atentados terro-ristas, hechos que han conducido al derramamiento de másde 450 millones de litros de petróleo en el medio ambiente.

El impacto ambiental por los derrames de crudo, ha deja-do más de 2.600 kilómetros entre ríos y quebradas, yalrededor de 1.600 hectáreas de ciénagas afectadas. Sóloen 1998, subversivos del ELN ocasionaron el más grandederrame de crudo en aguas continentales del mundo, conun volumen superior a los 14’787.000 litros de petróleo,tragedia comparable con el accidente del buque petroleroExxon Valdez, que vertió en las aguas de Alaska 42 millo-nes de litros del crudo el 24 de marzo de 1989.

Dadas estas circunstancias los daños a las fuentes hídri-cas, suelos, aire, fauna y vegetación son prácticamenteirremediables, pues los procesos de descontaminaciónno alcanzan a cubrir todas las áreas afectadas y se reali-zan mucho tiempo después de que el crudo ha penetradoel ecosistema.

Sin embargo, no todos los lodos aceitosos son causadospor atentados contra la infraestructura petrolera, tambiénson resultado de la actividad de la broca durante la perfora-ción en busca de yacimientos, la cual genera un lodo acom-pañado de hidrocarburo que se extrae hasta la superficie.

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Figura 3.Microorganismo

degradador de petróleo,fotografía del Centro de

InvestigacionesMicrobiológicas, CIMIC

La biorremediaciónLa biorremediación es el proceso utilizado por el hombrepara detoxificar variados contaminantes en los diferentesambientes –mares, estuarios, lagos, ríos y suelos– usan-do de forma estratégica microorganismos, plantas o en-zimas de estos. Esta técnica es utilizada para disminuir lacontaminación por los hidrocarburos de petróleo y susderivados, metales pesados e insecticidas; además se usapara el tratamiento de aguas domésticas e industriales,aguas procesadas y de consumo humano, aire y gasesde desecho.

Afortunadamente la biotecnología ha permitido el desa-rrollo de diversas estrategias que pueden ser utilizadascon el fin de restaurar el suelo y la calidad ambiental, deacuerdo con las necesidades y dimensiones del proble-ma a solucionar. A continuación se enumeran algunas,pero en general no hay una “fórmula secreta” que garan-tice el éxito de la biorremediación.

BIOESTIMULACIÓN: como su nombre lo indica, consiste en es-timular los microorganismos nativos del suelo adicionan-do nutrientes como nitrógeno o fósforo.

BIOAIREACIÓN: es una forma de estimulación realizada con ga-ses, como por ejemplo oxígeno y metano, estos son adicio-nados de forma pasiva en el suelo para estimular la actividadmicrobiana.

BIOAUMENTACIÓN: es la inoculación de una alta concentra-ción de microorganismos en el suelo contaminado parafacilitar la biodegradación. Como se van a inocular, estosmicroorganismos deben ser seleccionados del suelo quese desea tratar.

COMPOSTAJE: esta estrategia de biorremediación utiliza mi-croorganismos aeróbicos y termófílos, formando pilas dematerial que deben ser mezcladas y humedecidas perió-dicamente para promover la actividad microbiana.

FITORREMEDIACIÓN: es el uso de plantas para remover, con-tener o transformar un contaminante. Esta puede ser di-recta, donde las plantas actúan sobre el compuesto, oindirecta, donde estas se utilizan para estimular microor-ganismos en la rizosfera.

LandfarmingLa técnica más usada para la biorremediación de los lo-dos contaminados con hidrocarburos y de otros desechosde la industria petrolera es la denominada landfarming.Se realiza trasladando los contaminantes a un suelo nocontaminado, el cual ha sido preparado con anterioridad

Es allí donde tiene su génesis nuestro trabajo, que con-siste en apoyar desde la microbiología una labor interdis-ciplinaria para remediar los pasivos ambientales quegenera la empresa petrolera.

Origen y composición del petróleoEl petróleo es el resultado de la degradación anaeróbicade materia orgánica, durante largos períodos de tiempo ybajo condiciones de alta temperatura y presión, que laconvierte en gas natural, crudo y derivados del petróleo.

El petróleo crudo es una mezcla extremadamente com-pleja y variable de compuestos orgánicos, donde la ma-yoría de los ellos son hidrocarburos, que varían en pesomolecular desde el gas metano hasta los altos pesosmoleculares de alquitranes y bitúmenes. Estos hidrocar-buros pueden presentarse en un amplio rango de estruc-turas moleculares: cadenas lineales y ramificadas, anillossencillos, condensados o aromáticos. Los dos gruposprincipales de hidrocarburos aromáticos son los mono-cíclicos, el benceno, tolueno y xileno (BTEX) y los hidro-carburos policíclicos (PAHs) tales como el naftaleno,antraceno y fenantreno.

Diversidad microbiana en ambientes contaminadosLos suelos contaminados contienen gran cantidad de mi-croorganismos que pueden incluir un número de bacte-rias y hongos capaces de utilizar hidrocarburos [1], querepresentan un uno por ciento (1%) de la población totalde aproximadamente 104 a 106 células por gramo de sue-lo. También, se han encontrado cianobacterias y algascapaces de degradar hidrocarburos. Los suelos conta-minados con hidrocarburos contienen más microorga-nismos que los suelos no contaminados, pero sudiversidad microbiana es más reducida [2, 3].

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Figura 4.Diversidad microbiana

presente en una muestra desuelo contaminada con crudo,

fotografía del Centro deInvestigaciones

Microbiológicas, CIMIC

Figura 5.Diversidad microbiana

presente en unamuestra contaminada

con crudo, fotografía delCentro de Investigacio-

nes Microbiológicas,CIMIC

para evitar su contaminación y la de las aguas subterráneascon sustancias que puedan producirse durante el tratamien-to. Para ello se efectúa el diseño del lugar donde se deposi-tan los contaminantes, aislando el material de tratamientodel área no contaminada con una tela impermeable.

Para empezar el procedimiento, se hace una búsqueda yselección de bacterias nativas aisladas de las muestrasde suelos que se encuentran contaminados, ya que estastienen la capacidad catabólica para crecer bajo las condi-ciones físico-químicas y de estrés a las que están some-tidas, y tendrán un mejor desempeño a la hora de labiorremediación.

La búsqueda comienza en el procesamiento de una mues-tra de suelo mediante una serie de diluciones, tratandode obtener aquellos morfotipos cultivables; ya que una

gran parte de los microorganismos del suelo no puedenser recuperados en medios para el cultivo de microorga-nismos. Además de una búsqueda general, se realiza unaespecífica a través de medios selectivos y diferenciales,en la cual se pretende aislar ciertos morfotipos como lasPseudomona sp. y bacterias lactosa positivas –bacteriascapaces de utilizar la lactosa–, debido a su bien conocidaactividad degradadora de hidrocarburos.

Luego, estas diluciones son sembradas en diferentesmedios de cultivo donde grandes familias de morfotiposse hacen presentes; éstas varían en densidad y diversi-dad. La diversidad está determinada por los morfotiposrecuperados que se diferencian según su morfologíamacroscópica –su aspecto físico–, mientras que la den-sidad está determinada por el número total de individuosque pertenecen a un grupo con una morfología macros-cópica común.

Estos datos de densidad y diversidad son de gran valor.Primero, porque nos indican acerca de la calidad micro-biana del suelo, ya que un suelo que tiene gran númerode morfotipos, es un suelo que tiene vida y por ende pre-senta una buena prospección para la biorremediacióndebido a su posible alta actividad microbiana. Segundo,porque aquellos morfotipos que se encuentren en mayornúmero serán seleccionados por su habilidad para so-

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Figura 6.Cultivos puros de morfotipos aislados de una muestra contaminada con crudo,

fotografía del Centro de Investigaciones Microbiológicas, CIMIC

Figura 7.Formulación de un

pool degradador dehidrocarburos a granescala, fotografía del

Centro de Investigacio-nes Microbiológicas,

CIMIC

Figura 8.Trabajo de Landfarming; fotografía: cortesía del ing. Hugo Vladimir Ramírez

brevivir a la presión selectiva del contaminante y parausarlo como fuente de energía y carbono, pues por esoestán creciendo.

Ya seleccionados los morfotipos se conforma un consor-cio o pool de microorganismos degradadores de hidro-carburos y, utilizando la estrategia de bioaumentación, sehace una producción a mayor escala y en proporcionesestratégicas de estos. En esta producción debe tenerseen cuenta el volumen de suelo contaminado para biorre-mediar, la concentración del contaminante y las clases demorfotipos que se aislaron.

Importancia del pool microbianoLa formulación de un pool microbiano permite combinary complementar sus funciones metabólicas para que co-lectivamente biodegraden un compuesto. En muchos ca-sos algunos morfotipos sólo pueden realizar una parte

de toda una cadena de reacciones químicas para llegar acompuestos que puedan ser fácilmente utilizados por losorganismos del mismo consorcio u otros que estén pre-sentes en el ambiente. Además, al estar en grupo losmorfotipos pueden tolerar los cambios físico-químicosque se den en el ambiente durante el proceso de biorre-mediación.

Cabe aclarar que se necesita un análisis más profundopara la identificación de los morfotipos que serán usados

en la biorremediación, ya que alguno de estos puede serpatógeno para plantas, animales o el hombre por el proce-so de bioaumentación. Sin embargo, partimos del principiode que son morfotipos ambientales, los que inmediatamentese acabe su fuente de alimento bajan a un número que nocause disturbio en el ambiente. Además se realiza una cui-dadosa revisión de reportes de enfermedades de origenbacteriano en la zona.

El pool que se formuló es aplicado en el suelo contamina-do por técnicos e ingenieros ambientales para dar inicioa la biorremediación. Durante el tratamiento se hace elmonitoreo de las poblaciones microbianas, con el fin dedeterminar si la cantidad inicial de microorganismos au-menta o disminuye después de ser adicionado al suelocontaminado. Así mismo se realiza la determinación deTPHs –hidrocarburos totales de petróleo–, con el fin deobservar si hubo o no degradación (figura 9).

Otros factores en la degradación de hidrocarburosLa transformación de los compuestos orgánicos en elambiente está influenciada por un número de factores quese pueden agrupar en aquellos que afectan el crecimientoy metabolismo de los microorganismos y aquellos queafectan al compuesto en sí mismo. La biodegradación delos hidrocarburos está asociada con el metabolismo y cre-cimiento microbiano, y por lo tanto cualquiera de los fac-tores que afectan al crecimiento microbiano puedeinfluenciar la degradación.

La degradación aeróbica de los hidrocarburos es consi-derablemente más rápida que el proceso anaeróbico [4],de modo que la oxigenación será necesaria para mante-ner las condiciones aeróbicas para una rápida degrada-ción. Un suelo con una estructura abierta favorecerá latransferencia de oxígeno y un suelo anegado de agua ten-drá un efecto contrario. La temperatura afecta el creci-miento microbiano, así que a bajas temperaturas la

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Figura 9.Curva de degradación aproximada de TPHs en una estación en tratamiento; cortesía: ingeniero Hugo Vladimir Ramírez

degradación será lenta. Así mismo el pH del suelo y lasolubilidad del compuesto que debe ser degradado afec-tan el crecimiento bacteriano. La contaminación por hi-drocarburos también puede estar asociada con altosniveles de metales pesados, que pueden inhibir el creci-miento microbiano, dependiendo de la concentración ytipo de metales.

Otro factor crucial es la accesibilidad del compuesto parasu degradación en el interior del suelo, la cual está afec-tada por la estructura del mismo, su porosidad, compo-sición y por la solubilidad del compuesto. Algunoscompuestos pueden ser adsorbidos por arcillas y por lotanto pueden ser invulnerables a la degradación. Parasuperar este problema se han añadido surfactantes a sue-los contaminados con el objeto de mejorar la accesibili-dad de los hidrocarburos [5]. Los surfactantes sonsustancias que contienen un segmento liposoluble –solu-ble en aceite–, y otro hidrosoluble –soluble en agua–, locual permite solubilizar el hidrocarburo desde la arcilla.

Por otra parte, la presencia de un gran número de micro-organismos autóctonos en el suelo, capaces de degradarhidrocarburos será claramente una ventaja, porque evitala adición específica de microorganismos no autóctonos,

que aunque degradadores, podrían no funcionar por no es-tar adaptados a las condiciones físico-químicas del lugar.

En conclusiónEn general, en el proceso de landfarming se ha comproba-do la eficiencia de un consorcio microbiano sobre la utiliza-ción de un solo morfotipo, debido a que los morfotipos alestar en grupo pueden tolerar mejor los cambios físico-químicos en el campo y sus actividades metabólicas pue-den interactuar entre sí para la parcial o final biorremediación.

Es necesario conocer las condiciones ambientales en lascuales se desea que los morfotipos trabajen, para así poderoptimizar la biorremediación, cambiando los posiblesparámetros físicos o químicos que puedan ir en contrade la actividad microbiana en el material a biorremediar oen el ambiente.

Por último hay que resaltar la importancia que tiene laselección de microorganismos autóctonos –aislados dellugar para la biorremediación–, debido a que estos mor-fotipos se encuentran mejor adaptados al contaminante;a diferencia de morfotipos foráneos, que aunque con unagran actividad biorremediadora, pueden no funcionar bajolas condiciones ambientales del lugar.

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> Referencias[1] Sutherland, J. B. (1992) Detoxification of

polycyclic aromatic hydrocarbons by fungi. J. IndMicrobiol., 9, 53-62.

[2] Bossert, I. D. and Compeau, G. C. (1995)Cleanup of petroleum hydrocarbon contaminationin soil, in L. Young and C. E. Cerniglia (eds),Microbial Transformation and degradation of ToxicOrganic Chemicals. Wiley – Liss, New York, andJohn Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 77-125.

[3] Messarch, M. B. and Nies, L. (1997) Modificationof heterothropic plate counts for assessing thebioremediation potencial of petroleum –contaminated soils. Environ. Technol., 18, 639 -646.

[4] Holliger, C. and Zehnder, A. J. B. (1996)Anaerobic biodegradation of hydrocarbons.Current Opinion in Biotechnol, 7, 326-330.

[5] Mihelcic, J. R., Lueking, D. R., Mitzell, R. J. andStapleton, J. M. (1993) Bioavailability of sorbed– ans separate – phase chemicals.Biodegradation, 4, 141-153.

[6] http://www.mindefensa.gov.co/derechos_humanos/medio_ambiente/20020308informeagua.html

> Reseña de los autoresPaola Andrea Vargas Gallegop-vargas@uniandes.edu.co

Estudiante de Maestría en Microbiología.

René Ricardo Cuéllarr-cuella@uniandes.edu.co

Estudiante del programa coterminalde Maestría en Microbiología.

Jenny Dussánjdussan@uniandes.edu.co

Profesora asociada,Directora del Centro de InvestigacionesMicrobiológicas, CIMIC, y directora de tesisde los estudiantes mencionados.