Codo Barrasl ,te¡ t- 3

.r 2

N.OR. ALEPH 10188 'l9 W R. Bib . 5318 Signa!. ~lcr.- yO AlcT ,o

AUMENTO DE LA BIODISPONIBILIDAD DE LOS HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS AROMÁTICOS EN UN SUELO RICO EN ARCILLA, MEDIANTE LA APLICACIÓN DE TÉCNICAS ELECTROCINÉTICAS

TRABAJO REALIZADO DURANTE EL XL CURSO INTERNACIONAL DE EDAFOLOGIA y BIOLOGIA VEGETAL

z

JaSE LUIS NIQUI ARROYO (Licenciado en Ciencias Químicas)

SEVILLA:!

~. .,....= .,'"519 '" ~ m ~ ~~ CSlC ...'"

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BIBLIOTECA

U

~

M/CI-40 2003

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS INSTITUTO DE RECURSOS NATURALES Y AGROBIOLOGÍA DE SEVILLA

JULIO DE 2003

AGRADECIMIENTOS

Al Dr. José Julio Ortega Calvo, por su acogida, valiosa ayuda prestada desde el principio y por su acertada labor de dirección, ayuda y asesoramiento en la elaboración de este proyecto, así como por sus consejos y conocimientos transmitidos . Al Dr. Luis Clemente, coordinador del Curso Internacional de Edafología y Biología Vegetal por facilitarme el acceso a este curso. A mis compañeros de laboratorio, Marisa, Patricia y César por la ayuda y amistad que me brindaron en todo momento, y en especial a Rosa por la colaboración prestada en algunos de los resultados presentados en este trabajo.

IN DICE

I.INTRODUCCION

1

1. Recuperación de suelos: tecnologías y problemática

4

2. Biorrecuperación de suelos contam inados

4

2.1 Limitaciones de la biorrecuperación

6

2.2 Requisitos biológicos para la biorrecuperación

7

2.3 Factores que afectan a la biorrecuperación de HPAs

9

2.4 Integración con otras tecnologías

10

3. Fundamentos de la electrorremediación

10

3.1 Fenómenos de transporte electrocinéticos

12

3.2 Perspectivas para el futuro

13

II. OBJETIVOS

14

III. MATERIALES Y METODOS

16

1. Reactivos

17

2. Suelo

17

3. Bacterias, medios y condiciones de cu ltivo

18

3.1 Preparación de los inóculos 4. Experimentos de biodegradación en fase sólida

18

19

4.1 Medida de la producción de CO 2

19

4 .2 Análisis por cromatografía líquida

20

S. Experimento de biodegradación en fangos

20

5.1 Medida de la producción de CO 2

20

5.2 Análisis por cromatografía líquida

21

6. Experimentos de electrorrecuperación

21

6.1 Diseño de la celda experimental

21

6.2 Tratamiento de las muestras

22

6.3 Ensayos inoculados

23

IV. RESULTADOS y DISCUSION 1. Biodegradación en fase sólida 1.1 Con adición de sustrato marcado

24 25 25

1.1.1 Porcentajes de mineralización

25

1.1.2 Final extents y rates máximos

26

1.2 Análisis por cromatografía líquida

2. Biodegradación en fangos 2.1 Con adición de sustrato marcado

27

28 28

2.1.1 Porcentajes de mineralización

28

2.1.2 Final extents y rates máximos

29

2.2 Análisis por cromatografía líquida

3 . Ensayos de biorrecuperación electrocinética

30

31

3.1 Biodegradación

31

3.2 Control pH

34

3.3 Diagramas de potenciales

34

S:lNOlsn1:>NO:> '1\

SE

VI::IVlI9011919 '11\

ot>

NOI~~naO~.LNI

"1

Sólo en el Reino Unido, 200 años de era industrial han conducido a la aparición de unos 200000 emplazamientos contaminados . De ellos, alrededor de un 60 % lo están por una mezcla de metales pesados y productos orgánicos [Maini et al., 2000]. En Estados Unidos, la EPA estima que el 40% de los 750000 depósitos subterráneos

almacenamiento

de

existentes,

la

mayoría

destinados

a

hidrocarburos, presentan fugas. Por otro lado, los accidentes producidos durante el transporte

o

manipulación

concentraciones

de

de

contaminante

productos que

químicos

afectan

a

han

generado

extensiones

altas

relativamente

pequeñas de terreno [Eweiss et al., 1999]. Esta situación se puede hacer extensible a otros muchos países industrializados. La necesidad de recuperar estos suelos para otros usos, un mayor conocimiento sobre los efectos que una larga exposición a así como el peligro de que los contaminantes

esos productos pueda ocasionar,

puedan infiltrarse a través del terreno y degradar los acuíferos, ha obligado a muchos gobiernos, en su mayor parte de países europeos, a elaborar medidas que salvaguarden estos medios de nuevas agresiones, y al mismo tiempo fomenten el desarrollo de tecnologías que permitan su recuperación, y por tanto su reutilización, con total garantía para la salud pública.

La lista de compuestos a considerar, tanto inorgánicos como orgánicos, es prácticamente interminable,

pero dentro de estos últimos,

los hidrocarburos

policíclicos aromáticos (HPAs) se han convertido en un objetivo prioritario, debido a su frecuente aparición en suelos ya su marcada toxicidad y carácter carcinogénico.

PAH

Wood-prescrvin"

Surfa.cc-soil Naphthalme I-Methyl naphlha~ 2-Methyl naphtharene 2.6-Dimethyl naphttlalene 2.3-Dimeth)'1 napnthalene Acenaphthalenc Acenaptuhene Fluorene Phenanthrenc Anthractne 2.Mcthyl anchracene Fluoranthenc

I I I

2 I

5 1 3 11 10

Sut.oil

392'

1452

623 296 168 49 1368 1792 4434 J031 lI6 1629

. BcnZO :ni"""

~

o e

900

~

•

1

./

Contaminación original

• • • • • •

800

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700

O ::J

¡¡:

600 CELDAA

C>

E

500 400 2

4

6

8

10

14

12

Distancia al ánodo (cm)

FIG 13 . Degradación de fluoranteno durante la electrorrecuperación

XL Curso Internacional de Edafología y Biología Vegetal

Resultados y discusión 33

3.2 Control del pH Se tomaron también muestras de suelo para determinar los valores de pH una vez finalizado el tratamiento de electrorrecuperación y comproba r que no se habían producido mod ificaciones importantes que pudie ran resultar perjudiciales para la activ idad de las bacterias. El valor de pH medido en el sue lo sin t ratar fué de 8.56

Para la determinación del pH, se dispersaron submuestras de suelo en el volumen de agua destilada necesario para alcanzar una re lación 1: 5. Se procedió entonces a la agitació n enérgica de la suspensión durante 7 minutos . Después de un reposo de 5 horas se volvió a agitar intensamente durante 1-2 minutos. Sin dejar decantar el suelo se midió el pH usando un pH-metro CRISON Basic 20 . Como se ap recia en la tab la, no se registraron variaciones significativas en el pH del sue lo, con respecto a su valor inicial.

Mue~ ..JL ~ión Ce lda A

IL

A

~--,r

B

8.34

JI

C

ce~1

ji

B

-

8.54

9.13

A

C

pH

8.34 8.54

~L:

8.43

Tabla IV . Valores de pH del suelo tras el tratamiento de electrorrecuperación

3.3 Diagramas de potenciales

A lo largo del experimento se realizaron medidas periódicas de las caídas de potencial.

Estas

medidas sirven para comprobar cómo es de homogéneo el

potencial ap licado a las celdas.

XL Curso Internacional de Edafología y Biol ogía Vegetal

Resultad os y discusión 34

•

•

11.6 10.5

•

•

•

9.1

7.7

5.6

• 4.1

•

•

•

2.6

1.5

0.4

Cátodo

Anodo

·0

1;.3

•

•

•

•

•

•

•

11.1

9.8

7.8

5.3

3.8

2.4

1.3

0.1

1¡.1

1~.2

9.1

7/

5.7

4.1

~5

1.4

C:¡.6

12.9

FIG 14 . Perfil de potenciales para la celda A

•

•

12.3 11.1

•

•

•

9.6

7.7

4 .9

• 3.2

•

•

1.4

0.7

Anodo

Cátodo

O·

•

·

14.84 14 .2 12.9

114 1P

•

•

•

•

•

10.3 7.8

4.9

3.0

1.4

0.6

7.2

4.7

~9

\5

C:¡.5

9.1

•

·0

•

FIG 15 . Perfil de potenciales para la celda B

XL Curso Internacional de Edafología y Biología Vegetal

Resultados y discusión 35

16 14 12

"'

10

~

8

o

:¡:¡ (5

'"

';0 ~

(5

6

>

4 2 O O

5

10

15

20

15

20

Distancia al ánodo (cm)

14 12

"' o :E o

~ .~

'"

10 8

6

~

(5

>

4 2 O O

5

10 Distancia al ánodo (cm)

FIG 16 . Potenciales de la celda A (arriba) y B (abaja)

Como se observa en los diagramas (FIG 14 Y 15), para una distancia dada al ánodo, el potencial es muy sim il ar para cua lquier punto de la celda situado a esa distancia,

lo cual

impl ica

que el sistema diseñado se comporta de forma

monodimensional. Esto favo rece una limpieza más homogenea del suelo, al evitar la aparición de zonas muertas o menos afectadas po r el campo eléctrico que otras . La alta linea lidad del potencia l con respecto a la distancia que se aprecia en la FIG

XL Cu rso Internacional de Edafología y Biología Vegetal

Resu ltados y discusión 36

16 evidencia que la resistencia eléctrica es bastante uniforme en todo el suelo. En las cercanías del ánodo, la generación de hidrogeniones, de alta movilidad, podría ser la causa de una mayor disminución de la resistencia en esa zona y de una cierta pérdida de la linealidad.

XL Cu rso In ternaciona l de Edafología y Bi ología Vegeta l

Resu ltad os y discusión 37

S3NOlsnl~NO~

"A

1.

Un simple ajuste de humedad y una relativa aireación durante la

manipulación bastan para poner de manifiesto la existencia de una comunidad bacteriana capaz de degradar, aunque de forma lenta, los hidrocarburos policíclicos aromáticos objeto de este estudio.

2.

Cuando

se

dan

condiciones

mucho

más

favorables

para

la

biodegradación, como adición de nutrientes, agitación e inoculación con cultivos enriquecidos de especies con demostrada eficacia en metabolizar este tipo de sustratos, se observa un aumento considerable tanto en la extensión final como en la cinética del proceso (de 180 a 45 días). Los resultados reflejan la existencia de una elevada fracción, alrededor del 90% del contenido inicial, altamente disponible para la degradación bacteriana.

3.

A pesar de una reducción considerable en las cantidades iniciales de

contaminante, en ambos casos persiste en el suelo una fracción residual resistente a la biodegradación, que resulta inaccesible para las bacterias. Esta fracción supone, hoy por hoy, un obstáculo insalvable para las técnicas basadas en la biorrecuperación.

4.

Los resultados sugieren que el uso de la electrorrecuperación de

forma conjunta con la biorrecuperación puede ser una alternativa razonable para el tratamiento de este tipo de compuestos en suelos de muy baja conductividad hidráulica. El efecto beneficioso observado puede ser explicado en base a diferentes causas: una disminución del espesor de la capa límite entorno a las partículas del suelo, lo cual se traduciría en una mayor transferencia de soluto a la fase acuosa, un mayor aporte de nutrientes y oxígeno al suelo, gracias al flujo electroosmótico inducido o un aumento de temperatura que potenciaría la actividad de la población bacteriana

XL Curso Internacional de Edafología y Biología Vegetal

Conclusiones 39

V'1.:IV'~E>OI1818

"A

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