42 HIPTESIS / APUNTES CIENTFICOS UNIANDINOS No. 4 / Dic. 2004

Biorremediacinde residuos del petrleo

Paola Andrea Vargas Gallego / Ren Ricardo Cullar / Jenny Dussn

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Figura 2.Explotacin del crudo

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

Figura 1.Atentado contra el oleoducto Cao-Limn Coveas

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

> Biorremediacin de residuos del petrleoPaola Andrea Vargas Gallego / Ren Ricardo Cullar / Jenny Dussn

Segn la Compaa Colombiana de Petrleos, ECOPETROL,durante los ltimos quince aos el oleoducto Cao Limn-Coveas ha sufrido ms de novecientos atentados terro-ristas, hechos que han conducido al derramamiento de msde 450 millones de litros de petrleo en el medio ambiente.

El impacto ambiental por los derrames de crudo, ha deja-do ms de 2.600 kilmetros entre ros y quebradas, yalrededor de 1.600 hectreas de cinagas afectadas. Sloen 1998, subversivos del ELN ocasionaron el ms grandederrame de crudo en aguas continentales del mundo, conun volumen superior a los 14787.000 litros de petrleo,tragedia comparable con el accidente del buque petroleroExxon Valdez, que verti en las aguas de Alaska 42 millo-nes de litros del crudo el 24 de marzo de 1989.

Dadas estas circunstancias los daos a las fuentes hdri-cas, suelos, aire, fauna y vegetacin son prcticamenteirremediables, pues los procesos de descontaminacinno alcanzan a cubrir todas las reas afectadas y se reali-zan mucho tiempo despus de que el crudo ha penetradoel ecosistema.

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

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Figura 3.Microorganismo

degradador de petrleo,fotografa del Centro de

InvestigacionesMicrobiolgicas, CIMIC

La biorremediacinLa biorremediacin es el proceso utilizado por el hombrepara detoxificar variados contaminantes en los diferentesambientes mares, estuarios, lagos, ros y suelos usan-do de forma estratgica microorganismos, plantas o en-zimas de estos. Esta tcnica es utilizada para disminuir lacontaminacin por los hidrocarburos de petrleo y susderivados, metales pesados e insecticidas; adems se usapara el tratamiento de aguas domsticas e industriales,aguas procesadas y de consumo humano, aire y gasesde desecho.

Afortunadamente la biotecnologa 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 continuacin se enumeran algunas,pero en general no hay una frmula secreta que garan-tice el xito de la biorremediacin.

BIOESTIMULACIN: como su nombre lo indica, consiste en es-timular los microorganismos nativos del suelo adicionan-do nutrientes como nitrgeno o fsforo.

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

BIOAUMENTACIN: es la inoculacin de una alta concentra-cin de microorganismos en el suelo contaminado parafacilitar la biodegradacin. Como se van a inocular, estosmicroorganismos deben ser seleccionados del suelo quese desea tratar.

COMPOSTAJE: esta estrategia de biorremediacin utiliza mi-croorganismos aerbicos y termflos, formando pilas dematerial que deben ser mezcladas y humedecidas peri-dicamente para promover la actividad microbiana.

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

LandfarmingLa tcnica ms usada para la biorremediacin 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 all donde tiene su gnesis nuestro trabajo, que con-siste en apoyar desde la microbiologa una labor interdis-ciplinaria para remediar los pasivos ambientales quegenera la empresa petrolera.

Origen y composicin del petrleoEl petrleo es el resultado de la degradacin anaerbicade materia orgnica, durante largos perodos de tiempo ybajo condiciones de alta temperatura y presin, que laconvierte en gas natural, crudo y derivados del petrleo.

El petrleo crudo es una mezcla extremadamente com-pleja y variable de compuestos orgnicos, donde la ma-yora de los ellos son hidrocarburos, que varan en pesomolecular desde el gas metano hasta los altos pesosmoleculares de alquitranes y bitmenes. Estos hidrocar-buros pueden presentarse en un amplio rango de estruc-turas moleculares: cadenas lineales y ramificadas, anillossencillos, condensados o aromticos. Los dos gruposprincipales de hidrocarburos aromticos son los mono-cclicos, el benceno, tolueno y xileno (BTEX) y los hidro-carburos policclicos (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 nmero de bacte-rias y hongos capaces de utilizar hidrocarburos [1], querepresentan un uno por ciento (1%) de la poblacin totalde aproximadamente 104 a 106 clulas por gramo de sue-lo. Tambin, se han encontrado cianobacterias y algascapaces de degradar hidrocarburos. Los suelos conta-minados con hidrocarburos contienen ms microorga-nismos que los suelos no contaminados, pero sudiversidad microbiana es ms reducida [2, 3].

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Figura 4.Diversidad microbiana

presente en una muestra desuelo contaminada con crudo,

fotografa del Centro deInvestigaciones

Microbiolgicas, CIMIC

Figura 5.Diversidad microbiana

presente en unamuestra contaminada

con crudo, fotografa delCentro de Investigacio-

nes Microbiolgicas,CIMIC

para evitar su contaminacin y la de las aguas subterrneascon sustancias que puedan producirse durante el tratamien-to. Para ello se efecta el diseo del lugar donde se deposi-tan los contaminantes, aislando el material de tratamientodel rea no contaminada con una tela impermeable.

Para empezar el procedimiento, se hace una bsqueda yseleccin de bacterias nativas aisladas de las muestrasde suelos que se encuentran contaminados, ya que estastienen la capacidad catablica para crecer bajo las condi-ciones fsico-qumicas y de estrs a las que estn some-tidas, y tendrn un mejor desempeo a la hora de labiorremediacin.

La bsqueda 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. Adems de una bsqueda general, se realiza unaespecfica a travs 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; stas varan en densidad y diversi-dad. La diversidad est determinada por los morfotiposrecuperados que se diferencian segn su morfologamacroscpica su aspecto fsico, mientras que la den-sidad est determinada por el nmero total de individuosque pertenecen a un grupo con una morfologa macros-cpica comn.

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 nmerode morfotipos, es un suelo que tiene vida y por ende pre-senta una buena prospeccin para la biorremediacindebido a su posible alta actividad microbiana. Segundo,porque aquellos morfotipos que se encuentren en mayornmero sern seleccionados por su habilidad para so-

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

fotografa del Centro de Investigaciones Microbiolgicas, CIMIC

Figura 7.Formulacin de un

pool degradador dehidrocarburos a granescala, fotografa del

Centro de Investigacio-nes Microbiolgicas,

CIMIC

Figura 8.Trabajo de Landfarming; fotografa: cortesa del ing. Hugo Vladimir Ramrez

brevivir a la presin selectiva del contaminante y parausarlo como fuente de energa y carbono, pues por esoestn creciendo.

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

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

de toda una cadena de reacciones qumicas para llegar acompuestos que puedan ser fcilmente utilizados por losorganismos del mismo consorcio u otros que estn pre-sentes en el ambiente. Adems, al estar en grupo losmorfotipos pueden tolerar los cambios fsico-qumicosque se den en el ambiente durante el proceso de biorre-mediacin.

Cabe aclarar que se necesita un anlisis ms profundopara la identificacin de los morfotipos que sern usados

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

El pool que se formul es aplicado en el suelo contamina-do por tcnicos e ingenieros ambientales para dar inicioa la biorremediacin. Durante el tratamiento se hace elmonitoreo de las poblaciones microbianas, con el fin dedeterminar si la cantidad inicial de microorganismos au-menta o disminuye despus de ser adicionado al suelocontaminado. As mismo se realiza la determinacin deTPHs hidrocarburos totales de petrleo, con el fin deobservar si hubo o no degradacin (figura 9).

Otros factores en la degradacin de hidrocarburosLa transformacin de los compuestos orgnicos en elambiente est influenciada por un nmero de factores quese pueden agrupar en aquellos que afectan el crecimientoy metabolismo de los microorganismos y aquellos queafectan al compuesto en s mismo. La biodegradacin delos hidrocarburos est asociada con el metabolismo y cre-cimiento microbiano, y por lo tanto cualquiera de los fac-tores que afectan al crecimiento microbiano puedeinfluenciar la degradacin.

La degradacin aerbica de los hidrocarburos es consi-derablemente ms rpida que el proceso anaerbico [4],de modo que la oxigenacin ser necesaria para mante-ner las condiciones aerbicas para una rpida degrada-cin. Un suelo con una estructura abierta favorecer latransferencia de oxgeno y un suelo anegado de agua ten-dr un efecto contrario. La temperatura afecta el creci-miento microbiano, as que a bajas temperaturas la

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Figura 9.Curva de degradacin aproximada de TPHs en una estacin en tratamiento; cortesa: ingeniero Hugo Vladimir Ramrez

degradacin ser lenta. As mismo el pH del suelo y lasolubilidad del compuesto que debe ser degradado afec-tan el crecimiento bacteriano. La contaminacin por hi-drocarburos tambin puede estar asociada con altosniveles de metales pesados, que pueden inhibir el creci-miento microbiano, dependiendo de la concentracin ytipo de metales.

Otro factor crucial es la accesibilidad del compuesto parasu degradacin en el interior del suelo, la cual est afec-tada por la estructura del mismo, su porosidad, compo-sicin y por la solubilidad del compuesto. Algunoscompuestos pueden ser adsorbidos por arcillas y por lotanto pueden ser invulnerables a la degradacin. Parasuperar este problema se han aadido 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 nmero de micro-organismos autctonos en el suelo, capaces de degradarhidrocarburos ser claramente una ventaja, porque evitala adicin especfica de microorganismos no autctonos,

que aunque degradadores, podran no funcionar por no es-tar adaptados a las condiciones fsico-qumicas del lugar.

En conclusinEn general, en el proceso de landfarming se ha comproba-do la eficiencia de un consorcio microbiano sobre la utiliza-cin de un solo morfotipo, debido a que los morfotipos alestar en grupo pueden tolerar mejor los cambios fsico-qumicos en el campo y sus actividades metablicas pue-den interactuar entre s para la parcial o final biorremediacin.

Es necesario conocer las condiciones ambientales en lascuales se desea que los morfotipos trabajen, para as poderoptimizar la biorremediacin, cambiando los posiblesparmetros fsicos o qumicos que puedan ir en contrade la actividad microbiana en el material a biorremediar oen el ambiente.

Por ltimo hay que resaltar la importancia que tiene laseleccin de microorganismos autctonos aislados dellugar para la biorremediacin, debido a que estos mor-fotipos se encuentran mejor adaptados al contaminante;a diferencia de morfotipos forneos, 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

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

Estudiante de Maestra en Microbiologa.

Ren Ricardo Cullarr-cuella@uniandes.edu.co

Estudiante del programa coterminalde Maestra en Microbiologa.

Jenny Dussnjdussan@uniandes.edu.co

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