TECNICAS DE BIO-REMEDIACION ENSAYOS DE TRATABILIDAD - NIVEL II

O.R. Costanza, G.I. Vecchioli, M.T. Del Panno, I.S. Morelli, M.T. Painceira Laboratorio de Biodegradación Microbiológica de Hidrocarburos. UNLP. 47 y 115. (1900) La Plata. E-mail: [email protected]

Palabras Claves: bio-remediación, tratabilidad, hidrocarburos.

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RESUMEN Se desarrollaron tres sistemas para el estudio de tratabilidad a Nivel-II de dos residuos industriales con claros indicios de tratabilidad a Nivel-I. Se evaluó la influencia de la carga, temperatura, presencia de materia orgánica y pérdida por volatilización. La mutagenicidad y el efecto tóxico sobre semillas manifestaron aumentos significativos durante los ensayos, posteriormente descendieron a valores aceptables, excepto con la mayor carga. La eliminación de hidrocarburos fue principalmente atribuida a procesos biológicos y superior en tierras con mayor contenido de materia orgánica. La pérdida abiótica no varió proporcionalmente con la temperatura. La temperatura influyó sobre el nivel de limpieza alcanzado. Los ensayos permitieron evaluar los distintos aspectos de diseño y determinar las variables más relevantes que deberían ser monitoreadas en los ensayos de Nivel-III.

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INTRODUCCION La bio-remediación puede ser definida como el conjunto de operaciones y procesos destinados a controlar y optimizar los parámetros que influyen sobre la degradación microbiológica, a fin de acelerar el proceso de biodegradación natural en ambientes contaminados. Se aplica a derrames accidentales de petróleo y sus derivados, pero también en el tratamiento de efluentes y a residuos peligrosos (DECHEMA, 1992; Vecchioli et al., 1995). Esta metodología presenta la ventaja de ser un proceso económico y sencillo de aplicar, con un bajo riesgo de ocasionar problemas ambientales secundarios. La degradación microbiológica de hidrocarburos en ecosistemas terrestres está fuertemente influenciada por una amplia variedad de factores bióticos y abióticos, los cuales incluyen: temperatura, pH, tipo de suelo, aereación, nutrientes, adaptación microbiana, biodisponibilidad del contaminante, exposición previa al contaminante, disponibilidad de agua, propiedades físicoquímicas de los hidrocarburos, concentración del contaminante y factores estacionales (Cerniglia, 1992; Boethling, 1993). Los estudios de tratabilidad de Nivel II son ensayos de laboratorio que consisten en simular un proceso de tratamiento con una cantidad pequeña de material contaminado que proporcionan información sobre la eficiencia de un proceso de bio-degradación. El objetivo de éste tipo de pruebas es determinar si con la tecnología propuesta se podrán alcanzar valores aceptables de limpieza bajo las condiciones ambientales imperantes en el lugar disponible para el tratamiento. En este trabajo se presenta el desarrollo y puesta a punto de sistemas sencillos que permiten evaluar, en tiempos razonables, la eficacia de distintas estrategias aplicables en un proceso de bioremediación.

MATERIALES Y METODOS Sistemas implementados para la realización de los ensayos de tratabilidad de Nivel II •

TERRARIOS

Preparación de los sistemas tierra-residuo: La tierra es cernida a través de un tamíz de 4 mm para separar piedras, raíces y otros materiales. Luego es nuevamente cernida a través de un tamíz de 2mm (Pramer and Bartha, 1972). Posteriormente es mezclada con el residuo y el sistema tierra-residuo es cernido a través de un tamíz de 2 mm con el fin de lograr una adecuada homogeneización. El material preparado se coloca en frascos de vidrio con tapa a rosca evitando que ocupe un volumen mayor al 50 % del volúmen total del recipiente. Estos sistemas son mantenidos en condiciones constantes de temperatura y humedad y son cernidos semanalmente a fin de garantizar el mantenimiento de homogeneidad y aireación. En todos los ensayos se preparan para cada condición a evaluar tres sistemas: Sistemas testigo: tierra sin contaminar. Sistema contaminado: tierra contaminada con la concentración de hidrocarburos predeterminada.

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Sistema envenenado: tierra contaminada con la concentración de hidrocarburos predeterminada y adicionado de Cl2 Hg al 1 %. Sobre estos sistemas se efectúan periodicamente recuentos de bacterias, análisis toxicológicos y químicos. •

RESPIROMETROS

La evolución de CO2 es usada como un indicador de la actividad microbiana y descomposición relativa del contaminante (Brown, 1983). A tal fin se utilizan equipos según lo descripto por Pramer y Bartha (1965). Estos equipos están constituidos por un erlenmeyer que tiene adosado un tubo lateral. El erlenmeyer contiene el suelo que está siendo evaluado y el tubo lateral KOH 0,1 N donde es retenido el CO2. Ambos recipientes se mantienen cerrados mediante tapones de goma. El tapón correspondiente al erlenmeyer está atravesado por una columna de vidrio que contiene ascarita que permite el libre intercambio gaseoso reteniendo el CO2 del aire que ingresa en el sistema. El tapón del tubo lateral está atravesado por una aguja con un trocar que impide la entrada de CO2 y permite la renovación periódica del KOH. El CO2 producido es determinado por titulación del KOH con HCl 0,05 N previo agregado de BaCl2 2 N. Como indicador de punto final se utiliza fenolftaleína. En los equipos se coloca una cantidad de muestra equivalente a 50 g secos del sistema a evaluar. La humedad es determinada por diferencia de peso. En todos los ensayos se preparan para cada condición a evaluar tres sistemas: Sistemas testigo: tierra sin contaminar. Sistema contaminado: tierra contaminada con la concentración de hidrocarburos predeterminada. Sistema envenenado: tierra contaminada con la concentración de hidrocarburos predeterminada y adicionado de Cl2 Hg al 1 %. •

TRAMPA PARA VOLATILES

En estos sistemas se coloca 50 g de la mezcla tierra-residuo en un recipiente de 1 l. Se conecta la entrada del recipiente a una bomba de aire y la salida a una trampa con solvente que se mantiene en baño de hielo. Se hace circular aire, que penetra en el sistema al ras de la superficie de la tierra, 30 minutos cada día. En estos sistemas se cuantifican los constituyentes arrastrados por el flujo de aire. − Hidrocarburos totales cromatografiables en la mezcla tierraresiduo al inicio y al fin del proceso. − Hidrocarburos totales cromatografiables en el solvente que retiene los hidrocarburos arrastrados el sistema tierra-residuo por el flujo de aire.

4

•

Características de los residuos Muestra

HTC (mg/kg de residuo)

Residuo-1 174.758 Residuo-2 28598 HTC: hidrocarburos totales cromatografiables.

Cenizas (%) 7,58 1,48

Agua (%) 55,81 66,53

Volátiles a 105 ºC (%) 65,20 96,09

El Residuo-1 se caracteriza por su alto contenido de hidrocarburos policíclicos aromáticos que representa más del 50 % de los hidrocarburos totales. El Residuo-2 se caracteriza por su alto contenido de hidrocarburos volátiles: la fracción cromatografiable comprendida entre tolueno y nC10 representa el 87 % de los hidrocarburos totales. •

Caracterticas de las tierras

Las tierras utilizadas no habían sido sometidas a contaminación con hidrocarburos previamente a su utilización en los ensayos que se describen en este trabajo.

Tierra A

Corg 3,60

MO 6,21

N2tot 0,296

Pasim 4,2

CIC 23,7

pH 5,8-5,9

Análisis granulométrico arcilla limo arena 23,9 56,1 20,0

CT Franco limosa Franca

Tierra B 0,04 0,07 0,032 3,0 26,5 7,8-7,9 12,7 44,1 43,2 Corg: carbono orgánico (%), método de Walkley-Black. MO: materia orgánica (%), Corg x 1,724. N2tot: nitrógeno total (%), método de Kjeldahl. Pasim: fósforo asimilable (mg/kg), método de Bray-Kurtz I. CIC: capacidad de intercambio catiónico (meq/100 g), saturación con acetato de amonio, desplazamiento de éste con ClNa y cuantificación por volumetría. Análisis granulométrico: método de Bouyoucos. Las fracciones están expresadas en porcentaje. CT: clase textural.

Ensayos de Tratabilidad de Nivel II

Utilizando el equipamiento y metodología descripta se estudia la influencia de determinados parámetros con el fin de evaluar los diferentes aspectos del diseño de los ensayos de Nivel II. Ø Ø Ø Ø

Carga a aplicar Temperatura Contenido de materia orgánica del suelo Pérdida por volatilización

El monitoreo del proceso de bio-remediación en los diferentes sistemas implementados se realiza mediante: • • •

la determinación de la población bacteriana heterótrofa y degradadora de hidrocarburos. la caracterización de la toxicidad por los ensayos de inhibición de la germinación y elongación de la raiz de semillas de Lactuca sativa y el ensayo de mutagenicidad de Ames. la determinación cuantitativa de hidrocarburos por cromatografía gaseosa (CG).

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RESULTADOS Y DISCUSION Ø

Evaluación de la carga a aplicar

Se trabaja con cuatro niveles de concentración del Residuo-1 (1,25 g, 2,50 g, 5,00 g y 10,00 g de residuo/100 g de tierra seca) sobre la Tierra-A, manteniendo las condiciones de temperatura (22±2 ºC) y humedad (21 %) constantes. La máxima concentración aplicada estuvo limitada por el contenido de agua del residuo. El agregado del residuo produce un aumento significativo sobre la población bacteriana (Figura 1) y sobre la actividad biológica de la tierra (Figura 2).

18000 SISTEMATESTIGO SISTEMA1,25% SISTEMA2,50% SISTEMA5,00% SISTEMA10,00%

LogNMP/gsistemaseco

109

108

107

6

10

105

104 0

50

100

150

200

250

300

350

400

micromoles de CO2 / 50 g sistema seco

10

10

16000 14000 12000 SISTEMA 1,25 %

10000

SISTEMA 2,50 % SISTEMA 5,00 % SISTEMA 10,00 %

8000 6000 4000 2000 0 0

50

100

TIEMPO (dias)

150

200

250

300

350

400

TIEMPO (Dias)

Figura 1: Evolución de bacterias degradadoras

Figura 2: Evolución de la actividad biológica neta (actividad biológica total – actividad biológica del testigo)

Se observa una relación lineal simple entre el CO2 producido y la concentración de residuo -3 aplicado (r: 0,998, P: 2 x 10 ). Al año de tratamiento, la eliminación de hidrocarburos totales cromatografiables (HTC) varía entre 79 % y 98 %, mientras que la eliminación de hidrocarburos policiclicos aromáticos (HPAs) alcanza un 97 % promedio, observándose una acumulación relativa de alguno de ellos (Figuras 3 y 4).

SISTEMA 1,25 % SISTEMA 5,00 %

SISTEMA 2,50 % SISTEMA 10,00 %

100

16

CONCENTRACION RELATIVA (%)

DIA 0

ELIMINACION (%)

80

60

40

20

0

NAP ACY ACE FLU PHE ANT FLA PYR BaACHRHPAsHTC

Figura 3: Eliminación de hidrocarburos.

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SISTEMA 1,25 % SISTEMA 5,00 %

12

SISTEMA 2,50 % SISTEMA 10,00 %

10 8 6 4 2 0 NAP

ACY

ACE

FLU

PHE

ANT

FLA

PYR

BaA

CHR

Figura 4: Acumulación relativa (%) de los HPAs respecto a HTC en los sistemas luego de un año de tratamiento

Referencias correspondientes a Figuras 3 y 4: NAP: naftaleno, ACY : acenaftileno, ACE: acenafteno, FLU: fluoreno, PHE: fenantreno, ANT: antraceno, FLA: fluoranteno, PYR: pireno, BaA: benzo (a) antraceno, CHR: criseno, HPAs: hidrocarburos policíclicos aromáticos, HTC: hidrocarburos totales cromatografiables.

6

En la Figura 5 se muestra la variación del efecto inhibitorio sobre la germinación de semillas durante el proceso de bio-remediación. Se observa un aumento del efecto tóxico sobre la germinación en los sistemas contaminados cuya magnitud y duración depende de la concentración aplicada. Al finalizar el ensayo sólo el sistema 10,00 % evidencia efecto tóxico. La Figura 6 muestra la evolución de la mutagenicidad durante el ensayo. La aplicación del residuo provoca un aumento inicial de la mutagenicidad en los sistemas 2,50 %, 5,00 % y 10,00 % que decrece a lo largo del proceso alcanzando valores similares al testigo con excepción del sistema 10,00 %.

6000

2500 2000

SISTEMA CONTROL SISTEMA 1,25 % SISTEMA 2,50 % SISTEMA 5,00 % SISTEMA 10,00 %

5000

Testigo 1,25% 2,50% 5,00% 10,00%

B (indice de mutagenicidad)

UT (UNIDADES TOXICAS)

3000

1500 1000 500

4000

3000

2000

1000

0

0 0

50

100

150

200

250

300

350

0

400

100

Figura 5: Evolución de la inhibición de la germinación de L sativa.

200

300

400

TIEMPO (dias)

TIEMPO (días)

Figura 6: Evolución de la mutagenicidad

La concentración 5,00 % muestra los mejores resultados: las bacterias degradadoras se mantienen por encima de los demás sistemas durante los 365 días que dura el proceso, es la concentración que logra la mayor remoción de HTC con la menor concentración de HPAs remanentes, el índice de mutagenicidad alcanza valores cercanos al obtenido en el sistema testigo y las concentraciones individuales de los HPAs seleccionados son compatibles con lo exigido por las normas nacionales e internacionales para calidad de suelos de uso industrial. Ø

Evaluación del efecto de la temperatura

A las tres temperaturas el agregado de residuo provoca un aumento de la población bacteriana heterótrofa y degradadora respecto de sus correspondientes sistemas testigo (sistemas no contaminados). Este aumento de la flora bacteriana es acompañada por un aumento de la actividad biológica (Figura 7). En los sistemas envenenados con HgCl2 no se detecta flora bacteriana a lo largo del ensayo.

micromoles de CO2/50 g de sistema seco

Se trabaja con tierra de las mismas características descriptas en el ensayo anterior. Las temperaturas de trabajo son 4 ºC, 15 ºC y 30 ºC. Se trabaja con una concentración fija de hidrocarburos totales cromatografiables y humedad constante. Sobre estos sistemas se evalúa: • la eliminación que se puede alcanzar a cada temperatura. • la influencia que procesos abióticos tales como volatilización tiene sobre la eliminación de hidrocarburos. 9000 8000 7000

SISTEMA 4 ºC SISTEMA 15 ºC

6000

SISTEMA 30 ºC

5000 4000 3000 2000 1000 0 0

30

60

90

120

150

180

210

TIEMPO (dias)

Figura 7: Evolución de la actividad biológica neta.

7

El análisis de los hidrocarburos remanentes muestra eliminación a las tres temperaturas. A 4 ºC se alcanza una eliminación del 32 % de los HTC, sin eliminación de fluoreno, pireno, benzo (a) antraceno y criseno. A 15 ºC la eliminación de HTC alcanza el 36 % sin eliminación de benzo (a) antraceno y criseno. A 30 º C la eliminación de HTC es del 84 % sin acumulación de ninguno de los HPAs evaluados (Figura 8). La pérdida de HTC en los sistemas envenenados (adicionados de HgCl2) es del 4% en los sistemas a 15 ºC y 30 ºC, no detectándose a 4 ºC.

SISTEMA 4 ºC SISTEMA 15 ºC

100

SISTEMA 30 ºC

80

%

60 40 20 0

NAP ACY ACE

FLU

PHE ANT

FLA

PYR BaA CHR HTC

Figura 8 Eliminación total de hidrocarburos Estos resultados demuestran: • que la eliminación de hidrocarburos en estos sistemas es fundamentalmente debido a procesos biológicos. • que la eliminación abiótica de hidrocarburos no es proporcional a la temperatura. • que la calidad y cantidad de hidrocarburos remanentes está fuertemente influenciada por la temperatura a la que se efectúa el proceso. Ø

Evaluación de la influencia del contenido de materia orgánica del suelo

Se trabaja con una concentración fija de hidrocarburos y a temperatura constante (15 ºC). Los resultados obtenidos se comparan con los obtenidos en las mismas condiciones con la tierra A cuyas características son descriptas en evaluación de la carga a aplicar. El agregado de residuo estimula la actividad biológica neta en el sistema con tierra A no observándose estímulo en el sistema con tierra B (Figura 9). También se observa un estímulo sobre la flora bacteriana respecto del sistema testigo (sin contaminar) en el sistema con tierra A y en menor proporción en el sistema con tierra B. Los HTC son eliminados en un 36 % en la tierra A y en un 25 % en la tierra B, con acumulación de HPAs de peso molecular superior a pireno en la tierra A y superior a antraceno en la tierra B (Figura 10). La eliminación de hidrocarburos originada en volatilización (proceso abiótico) es del 4 % en el sistema con tierra A y del 27 % en el sistema con la tierra B.

100

8000 TIERRA A TIERRA B

7000

90 80

6000 5000

70 60

4000

50

%

micromoles de CO2/50g de sistema seco

TIERRA A TIERRA B

3000

40 30

2000

20

1000

10 0

0 0

30

60

90

120

150

180

NAP ACY ACE FLU PHE ANT FLA PYR BaA CHR HTC

210

TIEMPO (dias)

Figura 9: Evolución de la actividad biológica neta.

Figura 10: Evolución de hidrocarburos

8

El contenido de materia orgánica del suelo utilizado en procesos de bio-remediación tiene influencia sobre: • Los niveles de limpieza que pueden alcanzarse. • La calidad y cantidad de hidrocarburos remanentes. • El nivel de eliminación de hidrocarburos por procesos abióticos. Ø

Evaluación de la pérdida por volatilización

La tierra utilizada tiene las características de la tierra A descripta en los ensayos anteriores. Se trabaja con una concentración fija de hidrocarburos, temperatura (22±2 ºC) y humedad (21 %) constante. Debido al alto contenido de hidrocarburos volátiles presentes en este residuo, además de terrarios y respirómetros, se preparan sistemas con trampa para volatiles para evaluar pérdida por volatilización.

SISTEMA TESTIGO SISTEMACONTAMINADO ACTIVIDAD BIOLOGICA NETA DEL SISTEMA CONTAMINADO 100 90

14000

80 12000

70

10000

60

8000

%

micromoles de CO2/50 g de sistema seco

16000

6000

50 40 30

4000

20

2000

10 0

0 0

10

20

30

40

50

60

TIEMPO (dias)

Figura 11: Evolución de la actividad biológica

TOL O-X M/P-X ETIL N-C10 BIF ACE FLU HTC BIODEGRADACION VOLATILIZACION

Figura 12: Orígen de la eliminación de hidrocarburos

Referencias correspondientes a Figura 12: TOL: tolueno, O-X: o-xileno, M/P-X: m/p-xilenos, ETIL: etilbenceno, N-C10: n-C10, BIF: bifenilo, ACE: acenafteno, FLU: fluoreno. La incorporación del residuo estimula la actividad biológica respecto al testigo sin contaminar durante los 60 días que duró el ensayo (Figura 11). Acompañando el aumento de actividad biológica se observa un aumento de bacterias heterótrofas que alcanzan niveles un orden superior al del testigo. El aumento de bacterias degradoras estuvo dos ordenes por encima de los valores presentados por el testigo. Los análisis químicos efectuados sobre los terrarios mostró una eliminación de HTC del 98,5 % con una alta eliminación de los componentes mayoritarios del residuo. Cuando la misma evaluación se efectúa sobre la tierra y el solvente de la trampa del sistema para retener compuesto volátiles se observa que los hidrocarburos se eliminaron del sistema por contribución de un proceso de biodegradación (72 %) y volatilización (27 %), perdurando en tierra 1 % de los hidrocarburos incorporados (Figura 12). La incorporación del sistema denominado trampa para volátiles ha permitido evaluar la contribución de la volatilización al proceso de eliminación de hidrocarburos sin necesidad de utilizar sistemas estériles difíciles de mantener y sin utilizar venenos como HgCl2 que deben manejarse con precaución y son un problema al momento de ser dispuestos luego de su utilización en el ensayo de laboratorio.

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CONCLUSIONES Con el conjunto de sistemas utilizados es posible: Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø

Efectuar ensayos de tratabilidad en tiempos cortos, estimados en 60 días. En algunos casos puede ser necesarios extenderlos más allá de éste tiempo cuando se observa aumento de toxicidad que no disminuye a valores de sistemas sin contaminar en el tiempo propuesto. Evaluar la degradabilidad de mezclas complejas de hidrocarburos de distintos orígenes en suelo, permitiendo trabajar sobre una matriz natural a fin de otorgarle a los ensayos el mayor realismo ecológico posible. Determinar la factibilidad de realizar un tratamiento de bio-remediación en suelo de acuerdo con el contenido de materia orgánica del sitio disponible y de las temperaturas medias imperantes en la zona. Determinar los parámetros más relevantes a ser monitoreados en caso de ser implementado el tratamiento. Cuantificar la contribución de los procesos biológicos y abióticos en la eliminación de hidrocarburos, que deberá tenerse en cuenta en el diseño y adecuación del sitio de tratamiento. Evaluar pérdidas de compuestos volátiles, el el caso de contaminantes con alto contenido de éstos compuestos, sin necesidad de usar sistemas estériles o envenenados. Evaluar distintas modificaciones de parámetros que regulan la bio-degradación, con el fin de seleccionar la estrategia que permita lograr una mayor eficiencia del proceso. Describir mediante modelos cinéticos sencillos la eliminación del contaminante y el nivel de limpieza que sería posible alcanzar.

Bibliografía − DECHEMA, Germany. (1992). Soil decontamination using biological processes. International Symposium. − Vecchioli GI, Costanza OR y Painceira MT. (1995). Bio-remediación. En actas VII Congreso Argentino de Microbiología. − Cerniglia C. (1992). Biodegradation de polycyclic aromatic hydrocarbons. Biodegradation. 3 : 351-368. − Boethling R. (1993). Biodegradation of xenobiotic chemicals. Handbook of Hazardous Materials. Pp. 55-67. − Vecchioli G., Costanza O., Giorgieri S. and Remmler M.. (1997). Extent of cleaning achievable by bioremediation of soil contaminated with petrochemical sludges. J. Chem. Tech. and Biotech. 70 : 331-336. − Vecchioli G., Del Panno MT. and Painceira MT. (1990). Use of selected autuchtonous soil bacteria to enhance degradation of hydrocarbons in soil. Environ. Pollution. 67 : 249-258. Pramer D. and Bartha R.. (1972) Preparation and processing of soil samples for biodegradation studies. Environ. Letters. 2 : 217-224. − Reasoner D. and Geldreich E.. (1985). A new medium for the enumeration and subculture of bacteria from potable water. Appl. Environ. Microbiol. 40 : 1-7. − Hong-Gyu Song and Bartha R. (1989). Effects of fuel spilld on the microbial community of soil. Appl. Environ. Microbiol. 56 : 646-651. − Solari A. y Painceira MT.. (1976). Estudio de una Pseudomonas aislada del suelo que es capaz de utilizar naftaleno. Acta Bioq. Cli. Lat. 10 : 321-326. − Pramer D. and Bartha R.. (1965). Features of a flask and method for measuring the persistence and biological effects of pesticides in soils. Soil Science. 100 : 68-70. − Brown KW. and Associates. (1983). Hazardous waste land treatment. Costanza O., Vecchioli G., Giorgieri S., Painceira MT.. (1998). Métodos analíticos para el análisis de mezclas complejas de hidrocarburos. UFZ-Bericht Nº 18 : 203-207.

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