PETROLEO Y MEDIO AMBIENTE

Utilización de nutrientes en la biodegradación de suelos contaminados con hidrocarburos

Jorge Luis Luque (1),María Estela Amari (1), Viviana Nakamatsu (1), Nicolás Ciano (1), Carlos Lisoni (2), José María Quinteros (2) y Omar Mackeprang (2)

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La contaminación de los suelos por hidrocarburos, generalmente por pérdidas o roturas de cañerías de conducción, tiene un pronunciado efecto sobre las propiedades de los suelos, con procesos de salinización, de toxicidad sobre los microorganismos y mortandad de la vegetación por efectos fitotóxicos. Esto se ve agravado porque la Patagonia extra-andina es un ecosistema sumamente frágil ya que tiene condiciones que limitan naturalmente el crecimiento de las plantas: clima árido frío, elevadas amplitudes térmicas, fuertes vientos y sequía primavero estival.

En 1993 se firma un convenio de vinculación tecnológica entre INTA e YPF S.A. con el objeto de investigar técnicas de saneamiento y de revegetación de áreas afectadas por derrames de petróleo. En el marco de aquel se inicia un plan de trabajo, con los siguientes objetivos:

a) Determinar la cantidad de hidrocarburos totales presentes.
b) Evaluar la susceptibilidad a la degradación de los hidrocarburos remanentes.
c) Determinar la efectividad de los tratamientos de laboreo y fertilización a que fueron sometidos los suelos para lograr su pronta recuperación y posterior revegetación.

Materiales y métodos

Los ensayos de campo de recuperación de los suelos afectados por derrames de petróleo se realizaron en proximidades del Aeropuerto de Comodoro Rivadavia, provincia del Chubut.

Las tres situaciones diferentes fueron:

1.- Un derrame ocurrido en Septiembre de 1994, en el cual se comenzaron las tareas de recuperación en forma inmediata (lo denominaremos "derrame nuevo").

Inmediatamente después de producida la contingencia se recuperó la mayor cantidad de petróleo mediante bombeo con camiones cisterna. Previa confinación dentro de pozos ubicados en los sitios más bajos, a donde confluye naturalmente.

Luego se delimitaron 12 parcelas de ensayo, de 8m x 3m cada una. Seguidamente los tratamientos consistieron en la aplicación de diferentes dosis de Urea (46% de N2) y fosfato diamónico (18:46:0):

Tratamiento 1 =
Testigo (Sin fertilización). T1.

Tratamiento 2 =
30 unidades de nitrógeno y 30 de fósforo que corresponde a
59 Kg./ha de Urea y 65 Kg./ha de fosfato diamónico. T2.

Tratamiento 3 =
60 unidades de nitrógeno y 60 de fósforo que corresponde a
118 Kg./ha de Urea y 130 Kg./ha de fosfato diamónico. T3.

Tratamiento 4 =
90 unidades de nitrógeno y 90 de fósforo que corresponde a
178 Kg./ha de Urea y 195 Kg./ha de fosfato diamónico. T4.

Las dosis se dividieron en cuatro aplicaciones: noviembre a febrero, en el momento previo a un posterior laboreo con cincel, el cual se tratará luego, a fin de que con ello se incorpore el fertilizante.

Atlas (1981) reporta que la temperatura es el principal factor limitante para la biodegradación, por ello recomienda como la mejor época de aplicación de nutrientes y laboreos culturales la estival, porque es cuando puede haber mayor deficiencia de oxígeno y nutrientes a causa del substancial incremento de la actividad microbiana. De acuerdo con este concepto, los trabajos de remoción de suelo con arado cincel, la aplicación de nutrientes y los muestreos se realizaron entre octubre y marzo; mientras que en invierno la actividad de la población microbiana es prácticamente nula a causa de las bajas temperaturas.

Dado que los microorganismos requieren nitrógeno y fósforo para incorporar en la biomasa, el aprovechamiento de estos nutrientes en un suelo con derrame es un factor crítico para su posible degradación. Es posible la aceleración de aquel proceso por adición de urea, fosfatos, fertilizantes del tipo NPK, según se cita en numerosos trabajos (Davies y Hughes, 1968; Colwell, 1971; Atlas y Bartha, 1972; Colwell et al, 1973; Cook y Westakle, 1974). Aunque otros han tenido resultados contrarios (Song et al, 1986) han sido atribuidos a la composición variable y compleja de los suelos y a otros factores tales como las reservas disponibles de nitrógeno y a la presencia de bacterias fijadoras de este nutriente.

Por último, se procedió a realizar labores agronómicos periódicamente cada 30 días, entre octubre y marzo. Ello consistió en la roturación con cincel hasta una profundidad de 20-30 cm. con los siguientes objetivos:

a) mezclar el petróleo remanente con el mayor volumen de suelo,
b) evitar la mortandad de la avifauna silvestre (estas quedan atrapadas en las "lagunas" de petróleo cuando existe en ellas un brillo característico que asemeja a un espejo de agua; pero con este tipo de labor la superficie queda rugosa),
c) dejar toda la superficie expuesta al sol y a los vientos para evaporar los componentes livianos del petróleo.

Atlas (1981) obtuvo la mayor tasa de degradación donde el suelo fue fertilizado y posteriormente utilizado el rotocultivador en repetidas oportunidades. La tasa de degradación de hidrocarburos disminuye con el aumento de la anaerobiosis (baja el potencial de reducción del oxígeno (1975), y Calabresi y Kostecky (1993) observaron un fuerte incremento en el número de bacterias después de haber realizado labores culturales en suelos contaminados con petróleo.

2.- Suelo de un derrame ocurrido en 1992 y posteriormente removido mediante topadoras y acumulado en piletas (denominaremos "derrame viejo").

A diferencia del primer caso en que el suelo afectado se comenzó a tratar inmediatamente después de ocurrida la contingencia, aquí los tratamientos de laboreo, fertilización y épocas de tratamientos no fueron los mismos que en la primera situación tratada.

El objetivo ha sido determinar si la técnica de recuperación propuesta es efectiva en suelos con el petróleo con cierto grado de degradación, por haber transcurrido un tiempo relativamente prolongado entre la contingencia y el tratamiento de saneamiento.

3.- Suelo contaminado con petróleo, sin remover, proveniente del derrame de 1992.

En esta situación hubo laboreos con cincel pero sin fertilización, en la misma época. Se ha muestreado periódicamente, con el objetivo de determinar si naturalmente hay biodegradación en el suelo con petróleo "viejo", y en qué niveles.

En las tres situaciones, a laboratorio se estableció mediante análisis de muestras de suelo empetroladas, los siguientes parámetros:

a) La cantidad de hidrocarburos totales presentes. Para ello se puso a punto un método para determinar contenido de petróleo, denominado del Soxhlet (Dibble and Bartha, 1979). Básicamente consiste en la separación del hidrocarburo del suelo mediante la destilación con cloroformo, para luego determinar por diferencia el contenido de petróleo en el suelo (%). Los muestreos, se efectuaron periódicamente en primavera y verano de 1994 y otoño de 1995.

b) Los contenidos de Pristano, Fitano e Hidrocarburos de 17 y 18 carbonos se evaluaron mediante cromatográfica gaseosa. Ello nos indicaría la existencia de procesos de evaporación y biodegradación, y la susceptibilidad de los hidrocarburos remanentes a la degradación.

Los parámetros Pristano/Hidrocarburo normal de 17 átomos de carbono (Pr/nC17) y Fitano/Hidrocarburo normal de 18 átomos de carbono (Fi/nC18) dan idea del avance de la biodegradación. Los biomarcadores Pristano y Fitano son resistentes a los procesos de degradación. Los hidrocarburos de 17 y 18 átomos son hidrocarburos saturados.

Las bacterias atacan primero a estos últimos, luego con menor eficiencia a los aromáticos y finalmente a los ramificados isoprenoides, o sea a los considerados biomarcadores (Calabrese y Kostecki, 1993). A medida que aumenta Pr/nC17 y Fi/nC18 hay una tendencia creciente de la actividad de degradación. Los valores umbrales que indican que no hubo biodegradación son 0,5 y 0,3 respectivamente.

Se analizaron las propiedades fisicoquímicas y de fertilidad del suelo de la zona del Aeropuerto, a fin de caracterizarlo (cuadro 1). Está clasificado como un Nadurargids típico. Son suelos salino sódicos, ya que superan los valores máximos admisibles de aquellos sin problemas químicos (5 dS/m y 15 por ciento de sodio intercambiable). El primer horizonte se encuentra seriamente degradado por compactación y encostramiento. Tanto la materia orgánica como nitrógeno y fósforo se encuentran en cantidades muy bajas. Son suelos muy pobres en nutrientes.

Resultados y Discusión

Inmediatamente después de ocurrido un derrame de petróleo, especialmente en época de altas temperaturas hay pérdida de los hidrocarburos más livianos por evaporación (componentes de 5 carbonos (C4) a 14 carbonos (C5)).

Luego se inicia la biodegradación. Este proceso, efectuado por poblaciones naturales de microorganismos, representa uno de los mecanismos primarios por el que la contaminación con petróleo es eliminado del medio ambiente. Las más importantes especies de bacterias descomponedoras de petróleo encontradas han sido de los géneros Arthrobacter y Pseudomonas (Lehtomake y Niemela, 1975; Colwell et al, 1978; Atlas, 1981; Lehahy y Colwell, 1990).

Los resultados alcanzados en cada una de las tres áreas de ensayo, han sido los siguientes:

1.- Derrame nuevo

Los tenores de hidrocarburos iniciales, al momento del primer muestreo, antes de efectuar la primera fertilización y utilizar el cincel en la remoción, variaban desde 12,8 a 17,4% según las áreas, que depende de las características de movilización del petróleo en el terreno, de su topografía y la magnitud del derrame. Pero a medida que transcurrieron los meses, el porcentaje de hidrocarburos totales en el suelo fue disminuyendo, hasta llegar a 7,5-8% en el otoño de 1995. En promedio la disminución respecto a los niveles iniciales osciló entre 58 y 42 %.

Consideremos que los tenores de hidrocarburo finales no estarían relacionados con el grado de biodegradación, ya que no se observó ninguna relación entre los tratamientos y el nivel de disminución de hidrocarburos Si pudo tener su origen en:

a) El trabajo mecánico de mezcla de petróleo con el suelo mediante cincel, ya que los muestreos son una determinada profundidad, 20 cm., mientras que las púas de la herramienta mezclan el petróleo y el suelo hasta la profundidad de 30-35 cm. (llevan parte de hidrocarburo a más profundidad).

b) Evaporación de los componentes más livianos (hidrocarburos de 5 carbonos a 14 carbonos). Este proceso está directamente relacionado con la exposición del petróleo a la atmósfera. En la medida que haya remoción mediante las labores con cincel, habrá una mayor evaporación.

En Octubre los valores de las relaciones Pr/nC17 y Fi/nC18 indicaban que aún no se había iniciado el proceso de biodegradación; luego la actividad se fue incrementando paulatinamente. Cuando se inició el verano, con 30 unidades de nitrógeno y fósforo hubo el mismo nivel de degradación, que en las parcelas no fertilizadas ó testigos (P<0,01), mientras que con 60 y 90 unidades la actividad aunque incipiente, se incrementó un 28% la relación Pr/nC17 y en F/nC18 el 19% en T3 a 22% para T4 respecto al testigo (P<0,05). Pero a principios del otoño, o sea habiendo ya transcurrido la época de mayores actividad degradatoria, Pr/nC17 aumentó solo un 20% en T2 y 70 a 80 % en T3 y T4 respectivamente; mientras que para Fi/nC17.

El aumento de la actividad degradatoria con 90 unidades de nitrógeno y fósforo, respecto a 60 unidades, no fue notable en relación al incremento de la cantidad de fertilizante aplicado.

2.- Suelo de un derrame ocurrido en 1992 y posteriormente removido mediante topadoras y acumulado en piletas (denominaremos "derrame viejo").

El contenido inicial de hidrocarburos ha sido menor que en el sitio denominado "derrame nuevo", 9 a 11,3% contra 13 a 19% Eso se debe a que han transcurrido dos años entre la contingencia y la fecha de muestreo en el área de "derrame viejo", dando tiempo a la evaporación de los componentes livianos, a la degradación natural de los componentes saturados (los más susceptibles de ser atacados por los microorganismos) y al mezclado del petróleo con el suelo en el trabajo de las topadoras. Proporcionalmente, se alcanzó un contenido de hidrocarburos algo menor a la finalización de la temporada que el derrame nuevo.

Aunque es un petróleo con un tiempo relativamente prolongado expuesto al ambiente, igualmente dio resultado el laboreo con cincel ya que se logró disminuir entre 27 y 38 % el contenido de hidrocarburos totales presentes en el suelo, independientemente de los diferentes tratamientos de fertilización. Ello representa aproximadamente la mitad del nivel de disminución alcanzado en el "derrame nuevo".

Los niveles iniciales de Pr/nC17 y Fi/nC18 en el comienzo de la temporada primavero estival (Septiembre y Octubre de 1994), han sido substancialmente más altos que en el sitio "derrame nuevo", a causa de que en los dos años transcurridos entre la contingencia y el muestreo hubo degradación natural, en el "derrame viejo". En promedio Pr/nC17 es de 1,2 y Fi/nC18 oscila entre 0,6 y 0,7 Ya se ha expresado que 0,5 y 0,3 respectivamente, son valores que indican ausencia de actividad degradatoria.

Los valores más altos de Pr/nC17 y Fi/nC18 e obtuvieron con el tratamiento de 60 unidades de nitrógeno y fósforo (P<o,5), no habiendo diferencias estadísticamente significativas entre T1, T2 y T4 en la relación Pr/nC18, como tampoco entre T1 ó T2 ni T3 con T4 en Fi/nC18. Ambos coeficientes mostraron que T3 ha sido el tratamiento de donde e obtuvo una biodegradación más eficiente de los hidrocarburos saturados.

3.- Suelo contaminado con petróleo viejo, sin remover

El contenido de hidrocarburos totales (HT%) se redujo en un 21 %, en promedio en los distintos puntos de muestreo de la transecta, entre Septiembre y Marzo (p<0,05) , siendo similares estas disminuciones en el HT% a los obtenidos en el sitio denominado "derrame viejo". Con ello se demostraría que con a aplicación de fertilizantes no se obtiene una disminución en el nivel total de hidrocarburos y en derrames. En ambos casos de derrames antiguos, tanto el nivel inicial de HT% como su disminución durante la temporada de tratamiento con cincel, son sensiblemente menores al de un derrame donde el problema es atacado inmediatamente después de ocurrida la contingencia.

El aumento en el cociente Pr/nC17, respecto a Septiembre ha sido del 9% en Diciembre y 24% en Marzo. Para Fi/nC18 fue de 12 y 17% para comienzos del verano y del otoño respectivamente. Ello es indicativo de que la actividad biodegradatoria ha sido mínima, respecto a las otras dos zonas ya evaluadas. Se puede atribuir a que este tercer caso a) es un derrame antiguo (ya con cierto grado de degradación natural), y b) no ha tenido tratamiento de aplicación de nutrientes que aceleren la actividad degradatoria.

Conclusiones

Nuestros ensayos mostraron que bajo condiciones favorables de temperatura y nutrientes, la biodegradación aeróbica puede recuperar el suelo contaminado por derrames de petróleo.

Aproximadamente entre el 50 y el 70% de la cantidad de hidrocarburo existente al momento del inicio de los tratamientos permanecía en el suelo a la finalización de los tratamientos de la temporada.

En las áreas tratadas hubo un aumento de las relaciones Pr/nC17 de 17 átomos y Fi/nC18, lo que es indicativo de que hubo actividad de biodegradación. Esta ha sido máxima entre los meses de Diciembre y Febrero, coincidente con los de mayor temperaturas anuales.

El "derrame nuevo" es el que presentó mayor actividad de biodegradación.

Para la biodegradación hay un límite de eficiencia: Los hidrocarburos de derrames antiguos han tenido un menor grado de ataque.

*Bibliografía

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