Biodegradación de crudo Guzmán, Rocío Miluska.

de

petróleo

en

terrarios.

Escalante

3. MATERIALES Y MÉTODOS

3.1 MATERIALES

§

Medios de cultivo (Ver anexos 8.1, Pág 39)

§

Suelo contaminado con crudo de petróleo, procedente de Trompeteros, Iquitos.

§

Suelo de cultivo, procedente de una zona aledaña a la huaca San Marcos.

§

Petróleo crudo procedente de la refinería “La Pampilla”.

3.2 MÉTODOS

3.2.1 MUESTREO

a) Muestreo de suelos para el aislamiento de microorganismos con capacidad degradativa. Se obtuvieron seis muestras de aproximadamente 1 kg de suelo contaminado con crudo de petróleo, procedentes de la zona de Trompeteros, Iquitos y fueron llevadas al laboratorio en bolsas de polietileno etiquetadas, para realizar el aislamiento de microorganismos oleofílicos.

b)Muestreo de suelos para evaluar la biodegradación de crudo en terrarios. Se obtuvieron tres muestras de 30 kg de suelo de cultivo de alfalfa procedente de una zona aledaña a la huaca San Marcos, para determinar la biodegradación en terrarios. Cada muestra de 30 kg fue introducida en un terrario y una vez contaminada con crudo de petróleo intencionalmente, de cada terrario se tomaron

muestras de aproximadamente 1 kg en el tiempo

inicial y cada treinta días durante noventa días, para determinar: hidrocarburos totales, humedad, pH, número de microorganismos aerobios mesófilos, número de microorganismos oleofílicos, temperatura y tiempo.

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petróleo

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3.2.2 PROCESAMIENTO DE LAS MUESTRAS

3.2.2.1 AISLAMIENTO Y PURIFICACIÓN DE BACTERIAS DEGRADADORAS DE HIDROCARBUROS.

Se obtuvieron muestras de suelo de 1kg de una zona contaminada con crudo de petróleo de Trompeteros, Iquitos, para aislar cepas bacterianas por el Método de aislamiento de bacterias degradadoras y emulsificantes de petróleo utilizado por Merino en 1998. Para lo cual se suspendieron cinco gramos de suelo en 25 mL de solución salina estéril al 0.85% y a partir de la suspensión se sembró en 25 mL de medios de pre-enriquecimiento: Caldo Palleroni y Caldo Acetato Mineral, ambos medios se incubaron a 30º C con agitación constante a cientocincuenta revoluciones por minuto durante setentaidos horas. Al cabo de ese tiempo, se sembró por estría en agar King-B a partir de caldo Palleroni y en agar Cerebro Corazón (BHI) a partir de caldo Acetato Mineral, se incubó a 30 ºC por venticuatro a cuarentaiocho horas, posteriormente se aislaron colonias de las diferentes placas, tomando en cuenta su morfología de crecimiento y la procedencia de la muestra. Las colonias seleccionadas se resembraron para su purificación en tubos que contenían 2 mL de caldo nutritivo. Cada colonia fue rotulada. Transcurridas las cuarentaiocho horas de incubación, para verificar la pureza de las cepas bacterianas se procedió a sembrar por estría en Agar nutritivo, incubando a 30ºC por 48 horas. Después se seleccionaron las colonias aisladas y se sembraron en viales por triplicado conteniendo agar nutritivo en plano inclinado, se volvió a incubar a 30 ºC por 48 horas. Una vez observada la pureza de las cepas bacterianas, se procedió a taponar los viales con tapones de goma estériles y a sellar con parafina. El cepario fue mantenido en refrigeración a 4º C hasta que se realizaron las pruebas de capacidad degradativa.

3.2.2.2 ACTIVIDAD EMULSIFICANTE DE LAS BACTERIAS DEGRADADORAS DE PETRÓLEO.

Se realizó según la metodología propuesta por Goldman y col. (1982) Se procesaron ciento veintinueve cepas bacterianas aisladas de seis muestreos, para evaluar la capacidad que tienen de producir emulsificantes de petróleo en agua. Se empleó el Medio Mínimo de Goldman.

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(Ver anexos, Pág 41 ),

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petróleo

en

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Escalante

al cual se le adicionó extracto de levadura al 3% P/V (peso sobre

volumen) Se utilizó petróleo crudo, proporcionado por la refinería

“La Pampilla”. Se esterilizó

el medio a 121 ºC por quince minutos, excepto el etanol, el cual fue agregado posteriormente en condiciones de esterilidad.

Las cepas bacterianas se reactivaron en 2 mL de caldo Nutricio y se les incubó a 37 ºC por venticuatro horas. Luego se repartió en matraces de 100 mL, 18 mL de medio Mínimo con Extracto de Levaduras al 3 %. Se adicionó después los 2 mL de cultivo. Los matraces se incubaron a 30 ºC por setentaidos horas en agitación constante. Transcurrido el tiempo de incubación, se procedió a centrifugar el cultivo a 5000 r.p.m por treinta minutos.

Se obtuvieron 10 mL del sobrenadante en tubos de prueba de 16 x 150 mm, previa decantación, luego se le agregó a cada tubo con sobrenadante 0.2 mL de petróleo crudo y se agitó manualmente por cinco minutos (esto facilitó la posible producción de una emulsión) Se trasvasaron 5 mL, de la preparación anterior a tubos de Spectronic de 13 x 100 mm. para la lectura de la absorbancia a 540 nm. de longitud de onda en el Espectrofotómetro "Spectronic 20D" Milton-Roy.

El blanco fue un tubo conteniendo el medio de cultivo sin inoculación, y se procedió de la misma manera que con las otras muestras. La absorbancia leída se convirtió en unidades de actividad emulsificante por mililitro (UAE/mL), siendo 0.816 de absorbancia equivalente a una unidad de actividad emulsificante por mililitro.

3.2.2.3

DETERMINACIÓN

DE

LA

ACTIVIDAD

DEGRADATIVA

DE

LAS

CEPAS

BACTERIANAS.

La actividad degradativa sobre el petróleo se evaluó según la metodología de Mills y col. (1978).

El análisis semicuantitativo se aplicó a las cepas bacterianas con actividad emulsificante. Las cepas bacterianas se reactivaron en Caldo Nutricio y se les incubó a 30 ºC por doce horas. Se

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utilizó el Medio Mineral propuesto por Mills y col. (1978).(Ver anexos página 40), al cual se le añadió petróleo crudo como única fuente de carbono.

Se repartieron 9 mL del medio en tubos de 16 x 150 mm. y se le añadió 1 mL de cultivo, incubando por treinta días a temperatura ambiente. El crecimiento se midió por la turbidez visible en el medio de cultivo. Se consideró como blanco negativo un tubo conteniendo los componentes del medio descrito sin inoculación. Las lecturas se hicieron tomando en cuenta que una turbidez de (2+) , equivalente a una población superior a 6 x 10

8

m.o/mL ,en la escala

Turbidimétrica de Mc. Farland, corresponde a un crecimiento regular, una turbidez de tres (3+) con una población superior a 9x 10

8

m.o/mL, equivale a un crecimiento bueno, y una turbidez

de cinco (5+) con una población superior a 15 x 10

8

m.o/mL, igual a un crecimiento muy

bueno.

3.2.2.4 IDENTIFICACIÓN TAXONÓMICA

Para la identificación taxonómica, primero se efectuó la coloración de Gram de todas las cepas bacterianas seleccionadas, y según esto se les agrupó en bastones y cocobacilos gramnegativos, bastones y cocobacilos grampositivos, cocos gramnegativos y cocos grampositivos. Para diferenciar entre bastones grampositivos y cocos grampositivos, se realizó la prueba de catalasa, mientras que la prueba de oxidasa fue aplicada a todas las cepas bacterianas grampositivas y gramnegativas. (Manual de Bacteriología Determinativa de Bergey´s, 1997). Los bastones cocobacilos

gramnegativos

oxidasa

negativos,

fueron

identificados

mediante

y

pruebas

bioquímicas según Bergey, 1997 y para la identificación taxonómica de los bastones y cocobacilos gramnegativos, positivos a la prueba de oxidasa, se utilizó el Sistema API 20 NE 1 (9), el cual es un sistema estandarizado que combina ocho pruebas bioquímicas y doce pruebas de asimilación, además de la prueba de oxidasa. Este sistema

se aplica a cepas bacterianas que

no pertenecen a la Familia de las Enterobacterias. La galería API 20 NE está compuesta de veinte microtubos que contienen medios y/o substratos en forma deshidratada. Ver flujograma Nº 01. Pág 17.

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PREPARACIÓN DE LA GALERÍA API 20 NE.

Se depositó aproximadamente 5 mL, de agua destilada en los alvéolos de la cámara, para proporcionar una atmósfera húmeda a la cámara de incubación. Se rotuló la cámara con la clave de la cepa respectiva. Luego , la galería de la bolsa hermética estéril fue incubada.

Preparación del inóculo. En un tubo conteniendo 2 mL de cloruro de sodio al 0.85%, se realizó una suspensión bacteriana, la turbidez debía ser igual al patrón 0.5 de la Escala Mc. Farland. Las colonias fueron obtenidas del cultivo puro en agar nutritivo.

Inoculación de la Galería Se llenaron los microtubos, (no las cúpulas) de las pruebas Nitrato de Potasio o NO3 a P-nitrofenil-BD galactopiranosido o PNPG, con la suspensión bacteriana utilizando una pipeta Pasteur, evitando que se formen burbujas. Luego se transfirió cuatro a ocho gotas de la suspensión bacteriana a una ampolla de medio Auxiliar (AUX Medium). Se homogenizó con la pipeta evitando la formación de burbujas. Después se llenaron los microtubos y las cúpulas de las pruebas Glucosa (GLU) a

Fenil-acetato (PAC) , de tal manera que el nivel del líquido quedaba

horizontal o ligeramente convexo en la cúpula, nunca cóncavo. Se llenó luego con aceite de parafina estéril las cúpulas de las tres pruebas subrayadas (GLU; Arginina (ADH); Urea (URE), de tal manera que se formó un menisco convexo. Luego se cubrió la cámara y se incubó a 30 ºC durante veinticuatro horas.

Lectura de la Galería Después de veinticuatro horas de incubación, la lectura se llevó a cabo utilizando la tabla de lectura del API 20 NE. Se anotaron todas las reacciones espontáneas: GLU, ADH, URE, Esculina ( ESC), Gelatina (GEL), PNPG y se registraron en las fichas respectivas según el catálogo analítico. Las pruebas de NO 3 y Triptófano (TRP) se realizaron protegiéndolas de la contaminación.

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Prueba de reducción de Nitratos a Nitritos Se añadió una gota del reactivo Nitrato uno NIT1 y Nitrato dos NIT2 en la cúpula de NO 3 . El viraje al color rojo, después de cinco minutos, indicó una reacción positiva.

Prueba de producción de indol.(TRP). Se añadió una gota del reactivo para Indol. La presencia de un color rosa en la cúpula indicaba una reacción positiva.

Prueba de asimilación. Se observó el crecimiento bacteriano, el cual se evidencia por la turbidez de la cúpula. En algunos casos, fue necesario una reincubación por veinticuatro horas más, excepto las pruebas de NO3 , TRP, y GLU que debían ser leídas únicamente a las veinticuatro horas. Ver Flujograma Nº 01.

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FLUJOGRAMA Nº 01 IDENTIFICACIÓN DE BACTERIAS OLEOFÍLICAS.

Reactivación de las cepas bacterianas

Coloración de Gram

Cocos grampositiv os

Bastones y Cocobacilos grampositivos

Cocos gramnegativo s

Bastones y cocobacilos gramnegativos

Catalasa

Oxidasa

Pruebas Bioquimicas Oxidasa positivos

Sistema API 20 NE

Oxidasa negativos

Pruebas Bioquímicas

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3.2.2.5 SELECCIÓN DEL CONSORCIO BACTERIANO EXÓGENO

Se seleccionaron como miembros del consorcio bacteriano exógeno a las cepas bacterianas que presentaron mayor actividad emulsificante y degradativa.

3.2.2.6 PREPARACIÒN DEL INÓCULO.

Las cepas integrantes del consorcio bacteriano exógeno fueron reactivadas y a las veinticuatro horas fueron inoculadas cada una por separado en 3.5 mL de caldo nutritivo, al cabo de veinticuatro horas, nuevamente fueron inoculadas en 35 mL de medio mineral el cual contenía, como única fuente de carbono, extracto etéreo de crudo de petróleo, n-hexadecano o crudo de petróleo al 5 % . Finalmente, después de un día fueron inoculadas en 350 mL de medio mineral con las fuentes de carbono mencionadas. Este procedimiento se realizó por triplicado para cada cepa hasta alcanzar un volumen aproximado de tres litros, cantidad adecuada por ser el 10% del volumen del terrario. El recuento de la población bacteriana de cada cepa se realizó, utilizando cámara Neubauer.

3.2.2.7

DETERMINACIÓN

DE

LA

COMPOSICIÓN

QUÍMICA

DEL

CRUDO

DE

PETRÓLEO.

Se determinó la composición química porcentual del destilado de crudo de petróleo procedente de la refinería “La Pampilla” a 200 ºC mediante cromatografía de gases, determinando las diferentes clases de hidrocarburos: saturados acíclicos, saturados cíclicos, insaturados olefínicos. El análisis fue realizado en la Unidad de Servicios de Análisis Químicos (USAQ) de la Facultad de Química e Ingeniería Química de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos.(Ver anexos Pág 42)

3.2.2.8 CARACTERIZACIÓN DEL SUELO DE CULTIVO.

Se determinaron las principales características fisicoquímicas del suelo de cultivo, entre ellas: textura, salinidad, materia orgánica, Carbono, Nitrógeno, Fósforo, Potasio y pH, mediante diversos análisis efectuados en el Laboratorio de Agua y Suelo de la Facultad de Ingeniería

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Escalante

Agrícola de la Universidad Nacional Agraria La Molina. (Ver Pág 45 ).

3.2.2.9 ESTERILIZACIÓN DEL SUELO CON LUZ ULTRAVIOLETA.

Los treinta kilogramos de suelo fueron separados en porciones de aproximadamente 5 kg y se extendieron sobre bandejas de 60 cm de largo por 38 cm de ancho, recubiertas con bolsas de polietileno de boca ancha, el suelo no debía tener una profundidad mayor a cinco centímetros, la esterilización con luz ultravioleta (intensidad de 253-260 nm) se realizó a una distancia de 20 cm. Durante treinta minutos, removiendo el suelo cada quince minutos. La esterilidad del suelo se comprobó mediante una prueba de esterilidad, en la cual 5 g de suelo fueron suspendidos en solución salina estéril al 0.85% y a partir de la suspensión se sembró en 25 mL de caldo nutritivo y a su vez en agar nutritivo, al cabo de venticuatro horas de incubación, no hubo crecimiento mic robiano, por tanto, después de la esterilización con luz ultravioleta, el suelo fue inoculado inmediatamente para evitar cualquier contaminación.

3.2.2.10 BIODEGRADACIÓN DE CRUDO DE PETRÓLEO EN TERRARIOS.

Se evaluó con la tecnología Landfarming, utilizada por Belloso y col.,1998. Se acondicionaron tres terrarios o recipientes metálicos de aproximadamente 50 kg de capacidad, los cuales fueron cubiertos interiormente con una capa gruesa de pintura epóxica no biodegradable para evitar el contacto del suelo de cultivo con el metal. Posteriormente, las tres muestras de suelo de cultivo de 30 kg fueron introducidas en cada terrario y se adicionó intencionalmente crudo de petróleo a estas muestras hasta una profundidad aproximada de 5 cm., el crudo de petróle o se mantuvo en la superficie del suelo. Cuadro Nº 01. Se determinó al comienzo del ensayo y cada treinta días en cada suelo contenido en los terrarios los siguientes parámetros: temperatura, pH, humedad, contenido de hidrocarburos, recuento de microorganismos aerobios totales y microorganismos degradadores de hidrocarburos hasta los noventa días.

Los terrarios fueron:

TERRARIO Nº 01.- Denominado control abiótico, este primer terrario fue tratado con un litro de hipoclorito de sodio al 5.25 %, para inhibir el crecimiento microbiano y poder evaluar

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petróleo

en

terrarios.

Escalante

únicamente la influencia de los factores ambientales en la degradación de hidrocarburos.

TERRARIO Nº 02.- En este terrario el suelo se mantuvo en observó

únicamente

la

influencia

de

los

condiciones normales,

microorganismos

nativos

del

y se

suelo

en

la

biodegradación.

TERRARIO Nº 03.- En el tercer terrario se introdujo suelo previamente esterilizado con luz ultravioleta, ver esterilización del suelo con luz U.V. (3.2.2.9 Pág 19 ). Posteriormente se inoculó en el suelo el consorcio bacteriano exógeno seleccionado. Los tres

terrarios se mantuvieron a la intemperie durante noventa días aireándose semanalmente

mediante mezclado de todo el contenido. Cuadro Nº 01. (Ver foto Nº 01, anexos Pág 47 ).

CUADRO Nº 01 REMEDIACIÓN POR TECNOLOGÍA LANDFARMING*

TERRARIO

SUELO CONCENTRACIÓN

HIPOCLORITO

*CONSORCIO

AGUA

kg

AL 5.25%

BACTERIANO

DESTILADA

DE CRUDO DE PETROLEO 5 %

Litros

kg/kg 1.Control

30

5

1 litro

--

5

30

5

--

--

5

30

5

--

Exógeno

2

abiótico

2 . Consorcio bacteriano nativo

3. Consorcio bacteriano

(3 litros de

exógeno.

cultivo)

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3.2.2.11 CUANTIFICACIÓN DE HIDROCARBUROS TOTALES

Los hidrocarburos de cada muestra se extrajeron mediante soxhlet por el método 3540 EPA (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos) que consiste en mezclar 25 g de muestra con 25 g de sulfato de sodio anhidro y proceder a la extracción de hidrocarburos por soxhlet utilizando como solvente éter etílico a una temperatura constante de 60 ºC durante doce horas, luego de ese tiempo reducir el volumen del solvente en un rota vapor hasta obtener un volumen menor a 10 mL Secar el extracto adicionando 0.1 g de sulfato de sodio anhidro y transferir mediante enjuagues a un vial previamente pesado. Después de la evaporación del solvente a 25 ºC, cuantificar gravimétricamente el hidrocarburo extractable.

3.2.2.12 RECUENTO DE BACTERIAS AEROBIAS MESÓFILAS Y OLEOFILÍCAS POR DISEMINACIÓN.

De cada muestra de suelo se pesó 10 gramos que se suspendieron en 90 mL de solución salina estéril al 0.85%, esta fue la dilución 1:10 o 10

–1

, de la dilución 1:10 se obtuvo 1 mL y se llevó a

un tubo con 9 mL de dilución, y así sucesivamente hasta la dilución 10

–6

. Las diluciones podían

continuar dependiendo del experimento. Par a hacer el recuento de bacterias aerobias mesófilas, de cada tubo de dilución se transfirió 0.1 mL a cada placa petri que contenía agar Plate Count, este procedimiento se hizo por duplicado y para el recuento de las bacterias oleofílicas también se obtuvo 0.1 mL de cada dilución y se inoculó a cada placa petri que contenía agar Cetrimide más petróleo al 1 % por duplicado.

El inóculo fue depositado en un margen del agar y con

la varilla

horizontal de la espátula

Drigalsky, se distribuyó por toda la superficie del agar evitando pasar dos veces por el mismo plano. La tapa de la placa se levantó sólo lo necesario para evitar contaminación. Las placas fueron incubadas en posición invertida de veinticuatro a cuarenta y ocho horas.

Al cabo de ese tiempo se escogieron las placas que contenían de treinta a trescientas colonias para el recuento. Para expresar el resultado final, el número total de microorganismos se multiplicó

por la inversa del volumen de inóculo y por la inversa de la dilución y se reportó

como unidades formadoras de colonias por mililitro (UFC/mL)

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3.2.2.13 MEDICIÓN DEL pH DEL SUELO

Para determinar el pH se obtuvo una muestra de 1 kg de suelo, el pH se determinó en suspensiones del suelo al 40% peso sobre volumen (P/V) en una solución de bicloruro de Calcio al 0.01 molar ( CaCl2 0.01 M), utilizando potenciómetro.

3.2.2.14 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO

Antes de determinar la humedad se obtuvo una muestra de 1 kg de suelo, la humedad se determinó gravimétricamente por secado de 25 g de suelo a 105 ºC hasta obtener peso constante.

3.2.2.15 MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA

La temperatura se determinó utilizando un termómetro digital en el suelo contenido en cada terrario.

3.2.2.16 ANÁLISIS ESTADÍSTICO POR REGRESIÓN MÚLTIPLE

En el presente estudio, la biodegradación de crudo en terrarios cuantificada en concentración de hidrocarburos (variable Y), puede depender del tiempo, temperatura, pH, humedad, bacterias oleofílicas, tipo de suelo 1: suelo del control abiótico, tipo de suelo 2: suelo del consorcio bacteriano nativo, tipo de suelo 3: suelo del consorcio bacteriano exógeno y bacterias aerobias mesófilas. (X1,X2,X3 ,X4 ,X5 ,X6, X7,X8 ,X9 ). Por tanto la ecuación de regresión múltiple es: Y = B1 X1 + B2 X2 + B3 X3 +B4 X4 + B5X5+ B6 X6 + B7X7+ B8 X8 + B9 X9. Donde: Y=

Concentración de hidrocarburos (HIDROCARBUROS)

X1 =

Tiempo

X2 =

Temperatura

X3 =

pH

X4 =

Humedad

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Escalante

X5 =

Microorganismos oleofílicos (MICROORGANISMOS)

X6 =

Suelo 1

X7 =

Suelo 2

X8 =

Suelo 3

X9 =

Bacterias aerobias mesófilas.

B1 , B2, B3, B4 , B5 , B6 B7 , B8, B9.

Coeficientes de regresión neta

Para obtener el modelo final, se utilizó el programa SPSS

9.0

Windows con análisis de

Regresión Múltiple por Pasos o Stepwise, (ver anexos Pág 48) con selección de variables, el cual permitió seleccionar las variables independientes de influencia significativa en el proceso de degradación, mediante la regresión por pasos, se puede manejar un gran número de variables en ejecución y calcular una secuencia de ecuaciones de regresión, incorporando o eliminando en cada paso una variable independiente, el programa de cómputo SPSS registra las variables en pasos individuales de la mejor a la peor, siempre que cumplan con el criterio estadístico establecido.

En el programa, se registra primero la variable independiente que explica la mayor cantidad de varianza en la variable dependiente. La siguiente variable por registrar, explica la mayor cantidad de varianza en conjunción con la primera y así sucesivamente. En cada paso, se registra en la ecuación la variable que explica la mayor cantidad de varianza no explicada por la variable que ya está incluida en el modelo.

En la validación del modelo, la hipótesis nula se rechaza

cuando el coeficiente de regresión es diferente de cero en forma significativa, el valor F es elevado y el nivel de significación es menor que 0.10, 0.05 y 0.01. La hipótesis nula indica que los coeficientes que acompañan a las variables seleccionadas son iguales a cero en forma simultánea.

Si se rechaza la hipótesis nula, se afirmaría que las variables elegidas son importantes en el proceso de biodegradación. Entonces se tiene:

H0 : B1= B2 = 0 Ha: B1

B2

0

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Donde:

H0 : hipótesis nula. Ha: hipótesis alterna. B1 : coeficiente de la primera variable seleccionada. B2 : coeficiente de la segunda variable seleccionada.

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