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BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR HIDROCARBUROS
KATERINE TORRES DELGADO
TATIANAN ZULUAGA MONTOYA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE MINAS
INGENIERÍA QUÍMICA
MEDELLÍN
2009
2
BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR HIDROCARBUROS
KATERINE TORRES DELGADO
TATIANA ZULUAGA MONTOYA
Trabajo de grado para optar el título de Ingeniería Química
ASESORA
CARMEN ELENA ZAPATA
INGENIERA DE PETROLEOS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE MINAS
INGENIERÍA QUÍMICA
MEDELLÍN
2009
3
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION……………………………………………………………………………...6
1. LOS SUELOS……………………………………………………………………….…….7
INTRODUCCION……………………………………………………………………………7
1.1. COMPOSICIÒN DEL SUELO……………………………………………………….7
1.1.1. La fracción mineral……………………………………………………………..8
1.1.2. Materia orgánica del suelo…………………………………………………...8
1.2. TIPOS DE SUELOS SEGÚN SUS CARACTERISTICAS BIOLOGICAS……10
1.3. ESTRUCTURA DE AGREGACION DEL SUELO……………………………….11
1.3.1. Estructura del suelo……………………………………………………………11
1.3.2. Agregación de un suelo………………………………………………………11
1.4. GASES DE UN SUELO……………………………………………………………...12
1.4.1 difusión de gases en el perfil de un suelo……………………………….12
1.5. HUMEDAD DEL SUELO…………………………………………………………….13
1.6. SISTEMAS DE CLASIFICACION DE SUELOS…………………………………15
1.7. TIPOS DE SUELOS COLOMBIANOS…………………………………………….18
1.7.1. Región de la Orinoquía…………………………………………………….…18
1.7.2. Región Amazónica……………………………………………………………..19
1.7.3. Región del Pacífico…………………………………………………………….19
1.7.4. Región del Caribe………………………………………………………………21
1.7.5. Región Andina…………………………………………………………………..21
2. EL PETROLEO……………………………………………………………………………23
INTRODUCCION…………………………………………………………………………...23
2.1. COMPOSICION DEL CRUDO DEL PETROLEO………………………………..23
2.1.1. Composición general…………………………………………………………..23
2.1.2. Composición por familias de hidrocarburos……………………………24
2.1.3. Composición del crudo según el origen…………………………………27
2.2. COMPOSICION DEL CRUDO SEGÚN GRAVEDAD API………………………28
2.3. EL PETROLEO EN COLOMBIA…………………………………………………….29
2.3.1. Reseña histórica…………………………………………………………………29
4
2.3.2. Potencial petrolífero…………………………………………………………….30
2.3.3. Refinación………………………………………………………………………….31
2.3.4. Transporte………………………………………………………………………….31
3. LOS HIDROCARBUROS Y LA CONTAMINACION………………………………...32
INTRODUCCION……………………………………………………………………………32
3.1. FORMAS DE CONTAINACION POR LA OPERACIÓN PETROLERA……….32
3.2. CAUSAS DE DERRAMES POR LA ACTIVIDAD PETROLERA……………….33
4. BIORREMEDIACION……………………………………………………………………..35
INTRODUCCION……………………………………………………………………………35
4.1. ANTECEDENTES HISTORICOS DE LA BIORREMEDIACION………………36
4.2. FUNDAMENTACION BIOQUIMICA DE LA BIORREMEDIACION…………..36
4.3. FACTORES QUE CONDICIONAN LA BIORREMEDIACION………………….37
4.3.1. Factores Medioambientales……………………………………………………38
4.3.2. Factores Físicos………………………………………………………………….40
4.3.3. Factores Químicos……………………………………………………………….40
4.3.4. Factores Microbiológicos……………………….……………………………..41
4.4. MICROORGANISMOS EN LA BIORREMEDIACION…………………………….41
4.4.1. Bacterias…………………………………………………………………………...42
4.4.2. Hongos……………………………………………………………………………..44
4.4.3. Microorganismos Concretos………………………………………………….45
4.5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIORREMEDIACION…………………..46
4.5.1. Ventajas……………………………………………………………………………46
4.5.2. Desventajas……………………………………………………………………….46
4.6. ETAPAS DEL TRABAJO PARA UNA BIORREMEDIACION MAS EFICAZ…47
4.6.1. Investigación y caracterización de la contaminación…………………47
4.6.2. Análisis y elección de las medidas biocorrectivas……………………..47
4.6.3. Diseño y evaluación del sistema…………………………………………….47
4.6.4. Análisis e interpretación de resultados……………………………………48
5. METODOS DE BIORREMEDIACION…………………………………………………..49
INTRODUCCION……………………………………………………………………………49
5
5.1 BIORREMEDIACION IN SITU………………………………………………………..49
5.1.1. Bioaireación o Bioventeo………………………………………………………49
5.1.2. Inyección de aire a presión……………………………………………………51
5.1.3. Atenuación Natural………………………………………………………………52
5.1.5. Bioaumentación…………………………………………………………………..54
5.2. BIORREMEDIACION EX SITU………………………………………………………55
5.2.1. Disposición del suelo…………………………………………………………..55
5.2.2. Bioceldas o Biopilas…………………………………………………………….58
5.2.3. Tratamiento de Biosuspención……………………………………………….59
5.3. FITORREMEDIACION………………………………………………………………...60
5.3.1. Fitodescontaminación y Fitoestabilización……………………………….61
5.3.2. Tolerancia de las plantas contaminantes………………………………….61
5.3.3. Futuro de la Fitorremediación……………………………………………….63
6. APLICACIÓN EN COLOMBIA…………………………………………………………..64
INTRODUCCION……………………………………………………………………………64
6.1. BIORREMEDIACION DE OXISOLES………………………………………………64
6.2. BIORREMEDIACION DE ULTISOLES…………………………………………….67
6.3. BIORREMEDIACION DE INCEPTISOLES………………………………………..68
6.4. BIORREMEDIACION DE ARIDISOLES Y ENTISOLES………………………..69
6.5. BIORREMEDIACION DE ALFISOLES Y MOLISOLES…………………………70
6.6. BIORREMEDIACION DE ANDISOLES…………………………………………….70
7. NORMATIVIDAD…………………………………………………………………………..72
7.1 REPARACION E INDEMNIZACION………………………………………………….73
8. TABLA RESUMEN………………………………………………………………………..74
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………………….75
10. GLOSARIO……………………………………………………………………………….76
11. ANEXO A…………………………………………………………………………………84
11.1 TRANSPORTE DEL CRUDO……………………………………………………….84
11.2 PRINCIPALES OLEODUCTOS DEL PAIS……………………………………….85
12. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………….91
6
INTRODUCCION
El impacto ambiental de los derrames de crudo en Colombia ha dejado miles de hectáreas afectadas, sin dejar a un lado los kilómetros de ríos y quebradas. Estos daños a las fuentes hídricas, suelos, aire, fauna y vegetación, causados por actos terroristas a la infraestructura petrolera o como resultado de la actividad de la extracción del petróleo, son prácticamente irremediables, ya que los procesos de descontaminación no alcanzan a cubrir todas las áreas afectadas y se realizan mucho tiempo después de que el crudo ha penetrado al ecosistema. La biorremediación surge de la necesidad de disminuir el impacto ambiental que esto conlleva, con el fin de detoxificar contaminantes en los diferentes ambientes (mares, lagos, ríos, estuarios y suelos) usando microorganismos, plantas o enzimas de estos, de manera estratégica. Gracias a la biotecnología se han desarrollado diversas estrategias con el fin de restaurar el suelo y la calidad ambiental, de acuerdo con las necesidades y dimensiones del problema. Con este proyecto se pretende realizar una revisión bibliográfica de la biorremediación
y los métodos mas conocidos de dicha técnica. Se tienen en cuenta los factores que
condicionan la biorremediación, ventajas, desventajas y características de cada uno de
sus métodos.
Además, se nombran los diferentes tipos de suelos, sus características principales,
tipología y su clasificación según estructura y composición en órdenes, con el fin de
hacer una clasificación de los suelos colombianos de cada región.
Se realiza un análisis de la composición del crudo, la clasificación según su gravedad
API y el desarrollo de la industria petrolera en Colombia.
Por último se indican las causas de los derrames de crudo en Colombia y la
normatividad que rige el manejo ambiental que debe dársele a dicha problemática.
También se analiza que métodos pueden ser utilizados en los suelos que conforman el
territorio colombiano, según la región y el tipo de suelo predominante en la misma, que
han sido contaminados por derrames de hidrocarburos o que se encuentran en riesgo
potencial.
7
1. LOS SUELOS
INTRODUCCIÓN
Se denomina suelo al sistema estructurado, biológicamente activo, que tiende a
desarrollarse en la superficie de las tierras emergidas por la influencia de la intemperie
y de los seres vivos. Se trata de un sistema formado por componentes minerales,
componentes orgánicos (humus y derivados, biomasa viva y muerta), gas (aire en el
espacio existente en los poros), y agua envolviendo partículas y el espacio capilar. El
suelo constituye la interfaz entre la tierra, el aire y el agua, lo que le confiere la
capacidad de desempeñar tanto funciones naturales como de uso antropogénico.
Los suelos proporcionan soporte físico y nutrientes para el crecimiento de las plantas y
los microorganismos. Existe una gran variedad de microorganismos (bacterias,
actinomicetos, hongos, algas y protozoos) que casi siempre están presentes en ellos,
aunque las densidades de población de las mismas varían ampliamente. La superficie
de los suelos constituye el lugar donde se producen la mayoría de las reacciones
bioquímicas pertenecientes al ciclo de la materia orgánica, el nitrógeno y otros
minerales, a la meteorización de las rocas y a la toma de nutrientes por parte de las
plantas (Alexander, 1991).
Las propiedades físicas y químicas de los suelos influyen en gran manera sobre la
aireación, la disponibilidad de nutrientes y la retención de agua y, por lo tanto, en la
actividad biológica. Las propiedades más importantes de las que engloban estos
grupos son el tamaño de partícula, la porosidad, la humedad, estado de aireación,
composición química, fracción de arcilla, capacidad de intercambio de cationes y
fracción orgánica. El tamaño de partícula afecta a la química de la superficie de los
suelos y al tamaño de los poros. La cantidad de poros depende de la textura,
estructura y contenido de materia orgánica del suelo.
1.1. Composición del suelo
La matriz de un suelo está compuesta por cinco componentes principales:
Minerales. Los materiales minerales constituyen los principales componentes
estructurales de los suelos y suponen más del 50% del volumen total.
8
Aire – agua. Conjuntamente constituyen el volumen de poros , que, por lo general,
ocupa entre el 25 y 50% del volumen total. La proporción aire – agua varía considerablemente con la humedad del suelo.
Organismos vivos. Ocupan menos del 1% del volumen.
Materia orgánica. Oscilan entre el 3 y 6% del volumen, con valor medio.
1.1.1. La fracción mineral. El mineral predominante en un suelo es el dióxido de silicio (SiO2). Igualmente se encuentran en abundancia el aluminio y el hierro, mientras que el calcio, magnesio, potasio, titanio, manganeso, nitrógeno, azufre, sodio y fósforo están presentes en menor cuantía (Alexander, 1991). La composición química varía de un suelo a otro y, en un mismo suelo, a diferentes profundidades. Los microorganismos obtienen parte de los nutrientes que necesitan de la fracción mineral del suelo, siendo dichos nutrientes nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, azufre, hierro, calcio, manganeso, zinc, cobre y molibdeno. Sin embargo los microorganismos pueden disponer con facilidad únicamente de una pequeña parte de estos minerales, convirtiéndolos más en una provisión de lento empleo, que en una fuente de rápido uso.
Los suelos se clasifican según el tamaño de sus partículas1, teniendo en cuenta
tres componentes principales:
Arcilla. Pasa por un tamiz de 0,002 mm (2 m).
Limo. Queda retenido en el tamiz de 0,002 mm pero pasa a través del tamiz
de 0,05 mm.
Arena. Queda retenida en el tamiz de 0,05mm aunque pasa a través del de
2mm2.
El área específica (área/volumen) de los diferentes tipos de partículas afecta directamente las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo (Tabla 1.1). La arcilla constituye el tipo de partícula que mayor efecto produce sobre las propiedades de un suelo, principalmente debido a la alta actividad superficial que la caracteriza. La mayor parte de sus partículas son de naturaleza coloidal, tienen una carga superficial negativa y de forma plana; además, son buenos absorbentes de agua, iones y gases. Las partículas de
1 En general, la clasificación según tamaños está basada en el análisis granulométrico que proporciona el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) 2 Aquellas partículas que quedan retenidas en el tamiz de 2mm de paso se clasifican como
grava o piedra.
9
mayor tamaño, como la arena, no tienen el mismo nivel de actividad superficial. Los principales efectos asociados a las partículas de arena están relacionados con el tamaño del poro del suelo y, por tanto, con el movimiento del aire y el agua a través del mismo (las arenas no afectan en gran medida a las propiedades químicas y biológicas del suelo).
La presencia en un suelo de superficies que absorban con gran intensidad
determinadas clases de compuestos pueden reducir la disponibilidad de
compuestos orgánicos para la biodegradabilidad. También afecta la
disponibilidad de nutrientes la capacidad de intercambio de cationes en el suelo
de los minerales arcillosos y los compuestos orgánicos que constan de zonas
con carga eléctrica superficial negativa3. El amonio, por ejemplo, que tiene
carga positiva, pasa a estar disponible en menor grado para su uso directo por
plantas y microorganismos y queda retenido en el suelo más tiempo que los
nitratos, oxidándose y pasando a tener carga negativa.
TABLA 1.1. Clasificación de las partículas de un suelo
Tipo de partícula Diámetro, mm
Área específica,
m2/kg
Arena
Gravilla 1,0 – 2,0 1,1
Arena gruesa 0,5 – 1,0 2,3
Arena media 0,25 – 0,5 4,5
Arena fina 0,1 – 0,25 9,1
Arena muy fina 0,05 – 0,1 22,7
Limo 0,002 – 0,05 45,4
Arcilla 0,002 1130,0
Fuente: Millar et al., 1958
1.1.2. Materia orgánica de un suelo. La fracción orgánica del suelo esta compuesta por:
Residuos de plantas y animales.
3 Atraen iones de carga positiva, tales como NH4
+, K
+, Na
+, Ca
2+ y Mg
2+.
10
Células microbianas.
Productos resultantes del metabolismo microbiano, comúnmente llamado humus. El humus es materia orgánica que ha sufrido varias degradaciones y transformaciones. Está compuesto en su mayor parte por sustancias polimerizadas: compuestos aromáticos, polisacáridos aminoácidos, polímeros del ácido urónico y compuestos que contienen fósforo (Alexander, 1991).
Mucha de la materia orgánica de un suelo, en particular el humus, es ligeramente soluble únicamente en agua y de alguna forma, resistente a la biodegradación. El material húmico tiene propiedades coloidales y una carga neta negativa; por lo tanto , la importancia que tiene en el proceso de formación de complejos organometálicos es considerable.
1.2. Tipos de suelos según sus características biológicas
La arcilla y el humus son el asiento de la actividad del suelo; estos dos constituyentes
existen en el llamado estado coloidal. Las propiedades químicas y físicas de los suelos
son controladas, en gran parte, por dichos compuestos, que actúan como centros de
actividad donde ocurren reacciones químicas y cambios nutritivos.
Por sus características biológicas los suelos pueden ser:
Suelos mull o de humus elaborado. Se caracterizan por tener una actividad
biológica intensa, sobre todo de la fauna y microorganismos que se alojan en el suelo y descomponen rápidamente la materia orgánica del mismo. Aparecen en regiones de temperatura elevada y humedad mediana. El suelo está bien aireado. La roca madre suele ser calcítica y la vegetación rica en nitrógeno.
Suelos mor o de humus bruto. Son suelos biológicamente poco activos. La
vegetación tiende a ser acidificante, pobre en nitrógeno, y la roca madre silícica. La lentitud de los procesos de descomposición favorece que se forme un mantillo de materia orgánica mal descompuesta.
Suelos moder. Poseen un tipo de humus intermedio entre el mull y el mor. En
realidad se trata de la degradación desde el bosque caducifolio a la pradera alpina.
Suelos de turba. Son suelos formados en condiciones anaeróbicas,
permanentemente cubiertos de agua. La fauna y la flora se reduce a especies
11
microscópicas y pequeños hongos. La transformación de la materia orgánica es muy lenta, y se acumula en grandes cantidades. Las turbas pueden ser tanto ácidas como básicas. Según las condiciones climáticas y topográficas los suelos pueden variar de un tipo a otro.
Suelo permafrost o pergelisol. Por la falta de calor está permanentemente helado,
lo que impide el desarrollo de la vegetación. En un suelo permafrost podemos diferenciar la zona helada de la capa de mollisol, que se deshiela en verano y se hiela en invierno.
1.3. Estructura y agregación de un suelo
1.3.1. Estructura de un suelo. La estructura de un suelo se puede definir como la disposición y organización de las diferentes partículas del mismo. Dicha estructura constituye una propiedad cualitativa y depende de la porosidad total de un volumen de suelo, de la forma de cada poro y de la distribución global de los tamaños de los poros. Como consecuencia, la estructura de un suelo afecta en gran medida a las propiedades mecánicas de éste, principalmente al movimiento de fluidos, incluidas la infiltración, la retención de agua y la aireación.
Aquellos suelos en los que las partículas están sueltas y no adheridas entre sí (como los depósitos no consolidados de polvo del desierto), se definen como carentes de estructura o como poseedores de una estructura de grano simple. En contraposición, los suelos con partículas estrechamente unidas (como en una arcilla seca), se definen como poseedores de una estructura en masa. Los suelos que poseen una estructura intermedia entre las dos anteriormente descritas, se denominan como agregados (Hillel, 1982).
1.3.2. Agregación de un suelo. La agregación de un suelo consiste en la estabilización de la arena, limos y arcilla, mediante la formación de complejos de materia arcillosa – orgánica en agregados. En comparación con las partículas minerales, los agregados constituyen unidades estructurales temporales, en los cuales, su estabilidad se ve afectada en gran parte por la actividad microbiana, los cambios climáticos y por las prácticas agrícolas (tales como la preparación del terreno para su sembrado).
La formación de agregados es el resultado de los enlaces iónicos originados
entre arcillas, que poseen una gran superficie neta negativa, y materia
orgánica, que también está cargada negativamente para valores de pH neutro,
a través de los cationes polivalentes presentes en el suelo. Los agregados
padecen una consolidación posterior debido a fuerzas físicas tales como
evaporación, deshielo, el crecimiento de raíces y la compactación (Eweis et al.,
1999).
12
1.4. Gases de un suelo
Existe una relación directa entre las cantidades de agua y aire contenidas en un
volumen de suelo, ya que el espacio de poros que no ocupe el gas lo ocupa el agua.
Los principales gases que conforman un suelo son, en esencia, los mismos que se
encuentran en la atmósfera terrestre. El aire de la atmósfera está compuesto,
aproximadamente, por un 78,08% de nitrógeno (N2), un 20,94% de oxígeno (O2), un
0,035% de dióxido de carbono (CO2) y un 0,93% de gases inertes como el argón y el
neón. Sin embargo, las concentraciones relativas de dichos gases en el suelo,
específicamente del O2 y del CO2, dependen de la aireación del mismo y de la
actividad microbiana en todo el perfil.
En un suelo con buena aireación la concentración de O2 puede oscilar entre el 18% y
20% y la concentración del CO2 puede alcanzar valores tan altos como del 1% al 2%.
En suelos con menor aireación (como los suelos arcillosos con un alto contenido en
agua y una actividad microbiana considerable) el CO2 puede llegar a presentarse en
una concentración del 10%.
En cuanto a la actividad microbiana, el nivel de aireación de un suelo no es tan
importante como las condiciones en el interior de los agregados. Aquellos suelos que
en general están bien aireados pueden tener zonas microscópicas anaerobias en el
interior de las formaciones de agregados, las cuales constituyen una explicación
relativa a la presencia de bacterias anaerobias, tales como los clostridium, en las
capas superiores de un suelo (Eweis et al., 1999). Las bacterias aerobias al mismo
tiempo que colonizan zonas microscópicas, consumen todo el oxígeno allí
almacenado, dando lugar a las condiciones que las bacterias anaerobias necesitan
para desarrollarse y sobrevivir. Se calcula que la transición de condiciones aerobias a
anaerobias tiene lugar para valores de la concentración de oxígeno inferiores al 1%; al
mismo tiempo se cree que manteniendo una aireación adecuada del suelo, el
porcentaje del espacio de los poros ocupado por aire no disminuiría por debajo de un
10% (Paul y Clark, 1989).
1.4.1 Difusión de gases en el perfil de un suelo. La difusión de gases en el perfil de un suelo, como describe la ley de Fick, es directamente proporcional al gradiente de concentración en dicho perfil:
(1.1)
dz
dCDq
13
donde
q = flujo difusivo, g/cm2.s
D = coeficiente de difusión, cm2/s
C = concentración del gas, g/cm3
z = profundidad, cm
Los gases se mueven bien en la fase aire, esto es, a través de los poros,
suponiendo que están conectados entre sí y en contacto con la atmósfera, o en
fase líquida en forma disuelta. La solubilidad de los gases en agua depende de
varios factores, incluyendo el propio gas, la temperatura y las presiones
parciales de los gases en el espacio de poros (Eweis et al., 1999). Sin
embargo, la difusión de gases en agua es unas diez mil veces más lenta que
en el aire (Tabla 1.2)
TABLA 1.2. Constantes de difusión de los principales gases.
Difusividad, cm2/s
Gas Aire Agua
Coeficientes
adimensional de la ley
de Henry*
CO2 0,161 0,177 x 10-4 1,07
O2 0,205 0,180 x 10-4 30,7
N2 0,205 0,164 x 10-4 60,4
Fuente: Paul y Clark, 1989
* H = Cg/CL
1.5. Humedad de un suelo
Para darse una idea general de la importancia que tiene el agua para el suelo es necesario resaltar que junto con sus sales disueltas, forma la llamada solución del
14
suelo; ésta es esencial para abastecer de nutrimentos a las plantas que en él se desarrollan.
La humedad del suelo influye significativamente en la actividad biológica, puesto que
un suministro adecuado de agua es esencial para el crecimiento y la estabilidad
microbianos. Un suelo con una humedad demasiado baja da lugar a zonas secas y a
una disminución en la actividad microbiana; sin embargo, demasiada humedad inhibe
el intercambio de gases y el movimiento de oxígeno a través del suelo y deriva en la
aparición de zonas anaerobias, lo cual daría lugar a la eliminación de las bacterias
aerobias y el aumento de la presencia de anaerobios o anaerobios facultativos.
El agua que se encuentra en un suelo se clasifica en tres tipos:
Gravitacional. Es el agua que está disponible para los microorganismos y las
raíces de las plantas. Ésta juega un papel importante en el transporte de contaminantes y otras materias.
Capilar. Es el agua que está contenida en los poros; también está disponible para
los microorganismos del suelo.
Osmótica. Es el agua que está retenida por las partículas de arcilla y el humus y,
opuesto a los otros dos tipos de agua, no es de fácil alcance para los microorganismos y las raíces de las plantas.
El contenido de agua en un suelo, en peso o volumen, es función de la presión de succión o, como también se le conoce, el potencial de la matriz. Como concepto, el potencial de la matriz constituye una medida de la tenacidad con la que es agua es retenida en los poros o en la matriz de un suelo. Principalmente, el agua es retenida en los poros por efecto capilar y por adsorción. En la práctica, el potencial de la matriz es una medida de la succión necesaria para que un determinado volumen de suelo contenga una cierta cantidad de agua. La relación entre el potencial de la matriz y la humedad del cuelo se representa gráficamente mediante la curva característica de la humedad de un suelo, la cual es única para cada tipo de suelo. Según los diferentes tipos de suelo, cuanto mayor sea el contenido de arcilla de un suelo, mayor será su capacidad de retener agua y la variación de la pendiente de la curva característica suelo – agua será más gradual (Eweis et al., 1999).
En la bibliografía la presión de succión puede expresarse en bares (bar) y algunas veces en atmósferas (atm) o en megapascales (MPa), pero en el laboratorio, normalmente se expresa en centímetros de succión de agua. La altura de la columna de agua se traduce como medida de presión mediante la ecuación
(1.2)
ghP
15
donde P = presión, kg/m.s2
= densidad de agua, kg/m3
g = constante gravitacional, 9,81m/s2
h = altura de la columna de agua, m
los tres tipos de agua anteriormente mencionados4, pueden ser eliminados de la matriz
de un suelo si se aumenta la presión de succión, como se ve en la Tabla 1.3. se
estima que la actividad microbiana óptima se obtiene para las humedades
correspondientes a 0,5 bares de presión de succión (Paul y Clark, 1989). A presiones
de succión menores el suelo tiene demasiada humedad y puede encharcarse,
mientras que en presiones mayores el suelo está demasiado seco.
TABLA 1.3. Presión de succión necesaria para eliminar agua en el suelo.
Presión de succión necesaria para
eliminar toda el agua
Tipo de agua m Bares
Gravitacional 0 – 3 0 – 0,3
Capilar 3 – 150 0,3 – 15
Osmótica 150 - 1500 15 - 150
1.6. Sistemas de clasificación de Suelos
Los suelos son clasificados de acuerdo con su estructura y composición en órdenes,
subórdenes, grandes grupos, subgrupos, familias y series. Se ha visto que las
características del suelo varían enormemente de un lugar a otro; se han reconocido
4 Gravitacional, capilar y osmótica.
16
estas variaciones en los diferentes lugares y han establecido distintos sistemas de
clasificación.
Las diferencias que presentan los suelos se utilizan para clasificarlos en diez órdenes
principales:
Aridisoles. Son los suelos de climas áridos ya sean fríos o cálidos, que no
disponen durante largos períodos de agua suficiente para el crecimiento de cultivos o pasturas polifíticas. La mayor parte del tiempo el agua presente es retenida a gran tensión, lo que la hace prácticamente inutilizable para las plantas o bien es agua salada. En general estos suelos se caracterizan por un horizonte superficial claro y pobre en materia orgánica (epipedón ócrico) por debajo del cual puede aparecer una gran variedad de caracteres morfológicos de acuerdo a las condiciones y a los materiales a partir de los que se han desarrollado.
Entisoles. En este Orden están incluidos los suelos que no evidencian o tienen
escaso desarrollo de horizontes pedogenéticos. La mayoría de ellos solamente tiene un horizonte superficial claro, de poco espesor y generalmente pobre en materia orgánica (epipedón ócrico).
Inceptisoles. Son suelos de regiones subhúmedas y húmedas que no han
alcanzado a desarrollar caracteres diagnósticos de otros órdenes pero poseen evidencias de desarrollo mayores que las de los Entisoles. Debe interpretárselos como suelos inmaduros que tienen débil expresión morfológica de los suelos maduros. Muestran horizontes alterados que han sufrido pérdida de bases, hierro y aluminio pero conservan considerables reservas de minerales meteorizables.
Alfisoles. Son suelos que se desarrollan en climas que tienen períodos áridos; por
lo tanto, el perfil se presenta seco en parte del año. El Orden de los Alfisoles se caracteriza por presentar un horizonte subsuperficial de enriquecimiento secundario de arcillas desarrollado en condiciones de acidez o de alcalinidad sódica, y asociado con un horizonte superficial claro, generalmente pobre en materia orgánica o de poco espesor.
Oxisoles. Este orden de suelos son bien conocidos por su presencia en selvas
tropicales húmedas, 15 a 25º norte y sur del ecuador terrestre. Los Oxisoles siempre tienen color rojo o amarillo, debido a la alta concentración de hierro(III) y óxidos e hidróxidos de aluminio. Además contienen cuarzo y arcilla caolinita, más pequeñas cantidades de otros minerales de arcilla y de materia orgánica.
Molisoles. Básicamente son suelos negros o pardos que se han desarrollado a
partir de sedimentos minerales en climas templado húmedo a semiárido, aunque también se presentan en regímenes fríos y cálidos con una cobertura vegetal
17
integrada fundamentalmente por gramíneas. Otras propiedades que caracterizan a los Molisoles son: la estructura granular o migajosa moderada y fuerte que facilita el movimiento del agua y aire; la dominancia del catión calcio en el complejo de intercambio catiónico, que favorece la fluctuación de los coloides. Los Molisoles son utilizados por el hombre, en un alto porcentaje, para la producción de alimentos.
Ultisoles. Se desarrollan en climas con superávit de precipitación, pero con una
estación parcialmente seca. Lo anterior los hace ser lixiviados y pobres en bases. Fuerte desequilibrio entre la cantidad de bases liberadas por meteorización y las bases removidas por lixiviación. La agricultura es imposible sin el uso de fertilizantes.
Espodosoles. Son suelos desarrollados en climas húmedos y fríos, en presencia
de vegetación de bosque. Existencia de un horizonte de eluviación, espódico, en el cual se acumulan sustancias amorfas, tanto coloides orgánicos, como sesquióxidos de aluminio.
Vertisoles. Son suelos en donde hay un alto contenido de arcilla expansiva conocida como montmorillonita que forma profundas grietas en las estaciones secas, o en años. Los Vertisoles se forman típicamente de rocas altamente básicas tales como basalto en climas estacionalmente húmedos o sujetos a sequías erráticas y a inundación. Dependiendo del material parental y del clima, pueden oscilar del gris o rojizo al más familiar negro, además son especialmente buenos para el cultivo del arroz debido a su impermeabilidad cuando se saturan.
Histosoles. Este Orden comprende a los suelos orgánicos, que tienen su origen en
la producción de materia orgánica en forma más rápida que su mineralización, lo que ocurre comúnmente bajo condiciones de saturación con agua casi continua que restringe la circulación del oxígeno a través del suelo. La lentitud resultante en la descomposición de la materia orgánica permite su acumulación. La mayoría tiene una densidad aparente baja (> de 1 gr/cm3). Comúnmente están saturados con agua, tiene una capacidad de retención de humedad extremadamente alta.
Andisoles. El material original lo constituyen fundamentalmente cenizas volcánicas.
son suelos de regiones con temperatura media anual superiores a 0°. Se encuentran en áreas onduladas o montañosas de las regiones húmedas. Tienen una textura fina, aunque su contenido arcilloso no pasa de 20 a 25%, pobre en arenas, estructura muy porosa y permeabilidad elevada.
18
TABLA 1.4. Clasificación de suelos y su porcentaje en el mundo
Tipo de Suelo % de superficie en
el mundo
Aridisoles 19.2
Inseptisoles 15.8
Alfisoles 14.7
Entisoles 12.5
Oxisoles 9.2
Molisoles 9.0
Ultisoles 8.5
Espodosoles 5.4
Vertisoles 2.1
Histosoles 0.8
Suelos diversos 2.8
Total 100
1.7. Tipos de suelos colombianos
1.7.1. Región de la Orinoquía. Su evolución y desarrollo está ligados con el origen de
la megacuenca sedimentaria localizada entre el escudo de la Guayana y el flanco este de la Cordillera Oriental. El clima dominante es tropical con temperaturas entre 26 - 28 ºC con estacionalidad marcada y de tipo monomodal.
El clima define, en consecuencia, épocas lluviosas que influyen en la pérdida de los pocos elementos solubles o intercambiables de los suelos, generando alta acidez. (rangos dominantes de pH inferiores a 5, pudiendo llegar, en profundidad, hasta 5.5) y épocas secas que favorecen tanto la polimerización de substancias húmicas como el endurecimiento de horizontes y la cementación (materiales petroférricos) a partir de la deshidratación de compuestos de hierro.
19
En la fracción arcillosa predominan caolinita, oxihidróxidos de Fe y Al,
intergrados 2:1:1, con aluminio interlaminar, pirofilita y gibsita (IGAC, 2000b).
Los suelos de la altillanura orinocense representan los de mayor grado
evolutivo en el país y están dominados por la tipología de los diferentes
Oxisoles (Haplustox, 19.6% y Hapludox, 14.5%) y, en mucha menor proporción,
de los Ultisoles (Kandiudults, 1.7%, Hapludults, 0.9%, Endoaquults, 0.8% y
Paleudults, 0.6%).
La Orinoquia inundable manifiesta grados avanzados de alteración (cuarzo,
caolinita, integrados, micas) relacionados con sus productos de depósito más
que con la génesis de los suelos, pero tipos de suelos de mucha menor
evolución (Entisoles e Inceptisoles), con Ultisoles y algunos, muy pocos,
Alfisoles en Arauca, como resultantes de procesos evolutivos específicos. El
prototipo de máxima evolución lo constituyen los Endoaquults (15.8%), con
Haplaquox (3.4%) y muy escasos Endoaqualfs.
1.7.2. Región Amazónica. La Región Amazónica hace parte de la extensa megacuenca sedimentaria desarrollada entre el Escudo de la Guayana y el flanco este de la Cordillera Oriental.
El clima dominante en la región es cálido húmedo-muy húmedo, sin estaciones
secas marcadas y con precipitaciones promedio anuales. El promedio de la
temperatura anual es de 25.7%, isotermal, pero con grandes variaciones
diarias, la humedad relativa presenta valores entre 84 - 88%.
En la tipología sobresalen los suelos de alta evolución, representados por los
Oxisoles (Hapludox, Haploperox y Haplaquox) en el 31% de la región (IGAC,
2003) y por los Ultisoles (Kandiudults, Paleudults y Hapludults) en el 20%.
Después de la altillanura, en la Orinoquía colombiana, esta región representa
los suelos más evolucionados del país; se diferencia de la primera por el mayor
componente de Ultisoles (relación Oxisoles a Ultisoles: 1.6) y por una
proporción de 1.5 entre los suelos de mayor evolución (Oxisoles - Ultisoles) a
los de menor (Entisoles - Inceptisoles).
1.7.3. Región del Pacífico. Esta región conocida como Andén del Pacífico, comprende una franja alargada y estrecha, entre el flanco occidental de la Cordillera Occidental hasta la línea de costa, desde la frontera con Ecuador, en el sur, hasta la frontera con Panamá, en el norte.
20
El clima dominante se caracteriza por temperaturas altas e isotermales (promedio de 26.4oC en 11 estaciones seleccionadas, IGAC 2002). Las condiciones previas, aunadas a las altas humedades relativas (88.3%, promedio de 13 estaciones, IGAC, 2002).
La vegetación del Andén Pacífico es una de las más diversas y complejas del país en cuanto a estructura y número de especies, explicada por el medio donde se encuentra: muy altas precipitaciones y temperaturas, tipo y composición de rocas, sedimentos y suelos.
El humus del suelo en los paisajes de interés, está vinculado con el aporte de
biomasa anotado, texturas finas, regímenes perúdicos, údicos e
isohipertérmicos, saturaciones de Al mayores del 60% en el 80% de los suelos
y baja a muy baja saturación de bases de intercambio (IGAC, 2002), asociados
con alta acidez (pH en el rango 4.5 - 5.5).
La tipología de los suelos en los paisajes bajo estudio, dado que en los demás
(planicie y montaña) predominan suelos no sujetos a análisis, excepto
Andisoles (1% de Hapludands y estos más que Melanudands) en montaña y
algunos suelos evolucionados en las terrazas más antiguas, está caracterizada
por Ultisoles (Hapludults, 7%) y Oxisoles (Hapludox y Perox, 8%), en
porcentajes que no alcanzan la tercera parte de los presentes en la región
amazónica. Su distribución se concentra en la parte central de la región,
disminuyendo en sus extremos, especialmente hacia el Sur (Nariño), (IGAC,
1999).
En la Región del Pacífico los Inceptisoles y Entisoles constituyen los suelos
más frecuentes (73%) (Cortés, 1982). Los primeros (49%) están representados
por los Dystrudepts (34%), Eutrudepts (10%) y por los Epi y Endoaquepts.
Entre los Entisoles (24%) se destacan los Udorthents, Udifluvents y
Fluviaquents, los cuales y en conjunto se acercan al 20%; en menor proporción
están los Hidraquents (3%). Resalta el hecho de presentarse suelos
relativamente saturados (Eutrudepts) en el 10% de la región, a pesar de las
extremas condiciones de precipitación, vinculado a la litología másica de los
materiales que los forman.
Los suelos orgánicos (Histosoles), Sulfi y Haplohemists, constituyen el 3%,
mientras que los Andisoles se concentran en montaña y los muy escasos
Vertisoles (Hapluderts, 1%), sólo en la zona menos húmeda del norte de la
región.
21
1.7.4. Región del Caribe. La región Caribe de Colombia está comprendida entre el Golfo de Urabá, en el Sudoccidente hasta la Península de la Guajira en el Nororiente. Geológicamente incluye el bloque tectónico de la Sierra Nevada de Santa Marta, la Depresión Momposina y la parte baja de las cuencas y valles aluviales de los ríos Magdalena, Sinú y San Jorge.
Las temperaturas promedio se aproximan a los 27.6oC, generando un régimen isohipertérmico en el 91.4% de los suelos. La evapo-transpiración potencial varía inversamente con la precipitación.
A pesar del bajo contenido de materia orgánica (65% de los suelos), el humus evoluciona en condiciones de alternancia estacional de precipitación y temperaturas altas (los regímenes ústico y arídico abarcan el 65%), pH superiores a 5.6 (73% de los suelos), adecuadas bases de intercambio, condiciones bajas de saturación de Al (86.8% de los suelos con saturaciones inferiores al 30%) y predominancia de arcillas 2:1 (esmectitas, vermiculita y micas) en el 70 - 75% de los suelos, en especial en la parte central de la región y en la Guajira. Lo anterior repercute en formas evolucionadas (polimerizadas) de humus que influyen notablemente en la dinámica, morfología y propiedades de los suelos de interés (vgr. Molisoles y Vertisoles). Los suelos analizados en la presente tipología incluyen los Alfisoles (Natrustalfs
y Haplustalfs, 3%), Vertisoles (Haplusterts, 4%, Hapluderts, 1%), Molisoles
(Haplustolls, 4%, Hapludolls, 1%), Aridisoles (Haplocalcids y Haplocambids,
4%). Los Oxisoles (Hapludox) sólo están presentes en aproximadamente el 1%
de la Región (zonas de sabanas de Ayapel y San Benito Abad, IGAC, 1983),
igual porcentaje lo alcanzan los Ultisoles (Hapludults). Los suelos de menor
evolución (Entisoles e Inceptisoles) representan el 62% de ella. En los suelos
de interés resaltan los procesos de lexiviación (translocación arcillosa con o sin
concentración de sodio) característico de los Alfisoles, la haploidización en los
Vertisoles ústicos con arcillas expandibles, lustre y estructuras inclinadas
(figura 13), la melanización y altos contenidos en bases, propia de los
Mollisoles y el desarrollo de horizontes cálcicos o cámbicos bajo régimen
arídico asociada a los Aridisoles.
1.7.5. Región Andina. Comprende la cordillera central, La Cordillera Occidental se desprende desde el Nudo de los Pastos en dirección Sur-Norte, pasa por la Hoz de Minamá en la cuenca del Patía y se prolonga hacia el norte hasta perderse en las planicies de la región Caribe. La Cordillera Oriental se inicia en el Macizo Colombiano y se prolonga hacia el norte hasta la Serranía de Perijá, está comprendida entre el Valle del Magdalena por el Occidente y los Llanos
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Orientales por el Oriente. Su litología está conformada en los Macizos de Garzón, Quetame y Bucaramanga.
Las condiciones climáticas de la región andina son muy variadas y difíciles de ser sintetizadas, caso opuesto a las demás regiones comentadas. Los efectos orográficos, las vertientes, el relieve, etc., condicionan grandes cambios en espacios reducidos.
Se destacan fundamentalmente las relacionadas con los Andisoles (suelos derivados de cenizas volcánicas con horizontes A (espesos y oscuros) y con horizontes B (con abundantes alófanas)) y su proceso específico de formación (Andolización: complejo de adsorción dominado por Al-humus o por alófanas-humus).
En los horizontes A el Al es el principal catión de enlace, responsable de la insolubilización de los complejos órgano minerales o complejos sales. Los Andisoles colombianos en su mayoría, corresponden a suelos bajo regímenes údicos, críicos, isomésicos o isotérmicos, de ciclo corto (Holoceno). En ellos son comunes los horizontes enterrados como consecuencia de la actividad volcánica (Cordillera Central).
Los Andisoles a que se ha hecho referencia constituyen los suelos más
representativos desde el punto de vista de la tipología, ya que integran el 16%
(Hapludands, 11% y Melanudands, 5%). Los demás, Mollisoles y Alfisoles, sólo
abarcan el 3% de la región. Los suelos de menor evolución (Inceptisoles y
Entisoles) conforman el 67%, destacándose los Dystrudepts (55%), (IGAC,
2003). En estos suelos los procesos de pérdida por erosión y lixiviación, se
compensan parcialmente por los de ganancia de materiales orgánicos por
efecto del clima (la mayoría presenta contenidos medianos y altos de C. O.: 1.5
a 6% o mayores), ello conlleva la aparición de horizontes A (Úmbricos) sobre,
generalmente, horizontes B (Cámbicos). En medios desaturados, predominan
suelos extremada y fuertemente ácidos y bajos en P. Como referencia
comparativa con las demás regiones naturales, los Oxisoles y Ultisoles sólo
integran el 0.34% del territorio regional.
23
2. EL PETRÓLEO
INTRODUCCIÓN
El petróleo es el producto de la degradación anaeróbica de materia orgánica, durante
largos períodos de tiempo y bajo condiciones de alta presión y temperatura, que la
convierte en gas natural, crudo y derivados del petróleo. El petróleo crudo es una
mezcla extremadamente compleja y variable de compuestos orgánicos, donde la
mayoría de los ellos son hidrocarburos, que varían en peso molecular desde el gas
metano hasta los altos pesos moleculares de alquitranes y bitúmenes. Estos
hidrocarburos pueden presentarse en un amplio rango de estructuras moleculares:
cadenas lineales y ramificadas, anillos sencillos, condensados o aromáticos. Los dos
grupos principales de hidrocarburos aromáticos son los monocíclicos, el benceno,
tolueno y xileno (BTEX) y los hidrocarburos policíclicos (HAPs) tales como el
naftaleno, antraceno y fenantreno.
La degradación microbiana constituye el principal proceso de descontaminación
natural (Prince, 1993). Este proceso se puede acelerar y/o mejorar mediante la
aplicación de tecnologías de biorremediación (Alexander, 1999). El crudo de petróleo
se caracteriza por ser una matriz contaminante que contiene una elevada diversidad
de compuestos, por lo que es un sustrato ideal para evaluar el potencial catabólico de
cepas o consorcios microbianos de interés en biorremediación.
2.1. COMPOSICIÓN DEL CRUDO DEL PETRÓLEO
2.1.1. Composición general
El crudo de petróleo se caracteriza por ser un líquido negro, viscoso y con una
composición química sumamente compleja, pudiendo contener un sin numero de
compuestos, básicamente de la familia de los hidrocarburos (Rosini, 1960). Los
hidrocarburos hacen parte de la familia predominante de compuestos5, por lo que
constituyen uno de los grupos de contaminantes ambientales más importantes, tanto
por su abundancia, como por su persistencia en distintos compartimentos ambientales
(Casellas et al., 1995).
5 Un 50 a 98% de la composición.
24
En su mayoría son alcanos de cadena lineal (n – alcanos o n – parafinas), alcanos
ramificados (en menor cantidad), cicloalcanos (o naftenos) y cantidades variables de
hidrocarburos aromáticos. (Fernández et al., 1992). La composición elemental de un
crudo está condicionada por la predominancia de los compuestos tipo hidrocarburo: 84
a 87% de carbono (C), 11 a 14% de hidrógeno (H), de 0 a 8% de azufre (S), y de 0 a
4% de oxígeno (O) y nitrógeno (N) y metales como el níquel y el vanadio (Clark y
Brown 1977; Howe-Grant, 1996). Los principales componentes se subdividen y
purifican en distintas fracciones:
Fracción saturada. n-alcanos, alcanos ramificados con cadenas alquílicas, las
cicloparafinas o cicloalcanos y los hopanos.
Fracción aromática. Hidrocarburos monoaromáticos, diaromáticos y aromáticos
policíclicos (HAP).
Fracción de resinas. Agregados de piridinas, quinolinas, carbazoles, tiofenos,
sulfóxidos y amidas.
Fracción de asfaltenos. Agregados de HAP, ácidos nafténicos, sulfuros, ácidos
grasos, metaloporfirinas, fenoles polihidratados. Son menos abundantes y consisten en compuestos más polares, pudiéndose encontrar hidrocarburos heterocíclicos, hidrocarburos oxigenados y agregados de alto peso molecular (Speight, 1991).
2.1.2. Composición por familias de hidrocarburos
El estudio más detallado de los hidrocarburos de un crudo de petróleo agrupa estos
compuestos en las siguientes familias:
Parafinas volátiles. Representan hasta un 30% del crudo de petróleo. Son n –
alcanos e isoprenoides (alcanos ramificados) de un tamaño C1 a C10 6 .Es la
fracción más volátil del crudo y por lo tanto la más susceptible de pérdidas abióticas por volatilización. La fracción gas natural contiene, principalmente C1 a C5. Los isoprenoides volátiles, están representados principalmente por el isobutano e isopentano. Los isoprenoides volátiles también pueden llegar hasta C10 (2,6 dimetil octano) (Howe-Grant, 1996).
Parafinas no volátiles. Se definen como aquellos n – alcanos e isoprenoides entre C11 y C40. Los n – alcanos oscilan entre C11 y C40, aunque se han descrito cadenas
6 De 1 a 10 átomos de carbono.
25
más largas y pueden constituir entre el 15 y 20% de crudos no degradados; mientras que los isoprenoides varían de C12 a C22 y constituyen entre 1-2% del crudo, llegando a 15% en crudos degradados. Los componentes entre C11 y C15 son de volatilidad intermedia.
Naftenos. Esta familia está compuesta por las cicloparafinas o cicloalcanos. Los
compuestos más abundantes de esta familia son los ciclopentanos alquilados (fundamentalmente metilados), que pueden llegar a representar un 31% del crudo. Los compuestos mono y dicíclicos corresponden entre el 50 y 55% de esta fracción, los tricíclicos al 20% y los tetracíclicos al 25%. Esta familia engloba a los hopanos.
Oleofinas. Son alquenos, los cuales están poco presentes en el crudo de petróleo,
encontrándose en concentraciones traza. Adquieren importancia en los productos resultantes del refinado, ya que se generan durante el proceso de cracking, existiendo hasta un 30% en gasolinas y un 1% en fueles.
Aromáticos. El crudo de petróleo contiene una mezcla muy compleja de
hidrocarburos aromáticos. Esta fracción la componen moléculas que contienen uno o varios anillos bencénicos en su estructura. Así se encuentran hidrocarburos monoaromáticos (un anillo bencénico), diaromáticos (2 anillos bencénicos) y poliaromáticos (HAPs, con más de dos anillos bencénicos).
26
FIGURA 2.1. Estructuras químicas de diferentes compuestos mayoritarios del petróleo.
27
Hidrocarburos monoaromáticos. Se encuentran el benceno y sus alquilados (monoalquilados como el tolueno y dialquilados como los xilenos), formando la familia de los BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) de gran importancia ambiental debido a su volatilidad y toxicidad.
Hidrocarburos poliaromáticos. Entre los hidrocarburos diaromáticos, encontramos el naftaleno y sus alquilados (mono, di, tri y tetrametilnaftalenos). Constituyen la familia mayoritaria de hidrocarburos aromáticos presentes en un crudo.
Entre los hidrocarburos poliaromáticos de tres anillos, encontramos el fenantreno, antraceno, fluoreno, y sus derivados alquilados. El fenantreno y los metilfenantrenos, representan los componentes mayoritarios de los triaromáticos.
Entre los hidrocarburos poliaromáticos de más de tres anillos, encontramos el fluoranteno (3 anillos bencénicos y uno no bencenico), pireno y criseno (4 anillos aromáticos), pireno y benzo(a)pireno (5 anillos aromáticos) y coroneno (un HAP pericondensado con 6 anillos).
Resinas y asfaltenos. Se trata de mezclas complejas, integradas por núcleos
policíclicos o naftenoaromáticos. Contienen cadenas hidrocarbonadas con heteroátomos de oxígeno, nitrógeno y azufre (componentes NOS del petróleo) y a veces están asociadas con pequeñas concentraciones de metales como el vanadio y el níquel. Constituyen entre un 10% en crudos poco degradados o ligeros, hasta un 60% en crudos muy degradados. Es la fracción que presenta una mayor recalcitrancia de un crudo de petróleo. Se trata de agregados de piridinas, quinolinas, carbazoles, tiofenos, sulfóxidos, amidas, HAP, sulfuros, ácidos nafténicos, ácidos grasos, metaloporfirinas y fenoles polihidratados. (Howe-Grant, 1996).
2.1.3. Composición del crudo según el origen
La composición de un crudo varía según su localización (Müller, 1987). Habitualmente,
todos los crudos de petróleo (no degradados) contienen alcanos (de cadena lineal y
ramificada, de C1 a C40 aproximadamente, cicloalcanos o naftenos e hidrocarburos
aromáticos. Las fracciones de punto de ebullición menor, están formadas por alcanos
en todos los casos, mientras que la composición de las fracciones superiores varía
según la fuente del petróleo. Se denomina crudo parafínico o ligero cuando el crudo
contiene una elevada proporción de parafinas (n – alcanos y alcanos ramificados), y
asfáltico o pesado si predominan naftenos (cicloalcanos), alcanos de cadena larga (C30
a C45) y HAPs (Howe- Grant, 1996). Según el origen, se tienen crudos parafínicos o
asfálticos (Tabla 1.3)
28
TABLA 2.1. Tipo de crudo según el pozo de origen.
Pozo de origen Tipo de crudo
Pennsylvania Parafínico
Iran Parafínico
Irak Parafínico
Rumania Parafínico
Méjico Parafínico
Baku Asfáltico
Venezuela Asfáltico
Texas Intermedio
Oklahoma Intermedio
2.2. CLASIFICACIÓN DEL CRUDO SEGÚN GRAVEDAD API
La gravedad API es una unidad implementada por el “American Petroleum Institute” en 1921. Básicamente creada para clasificar líquidos menos densos que el agua en una escala relacionada con la gravedad especifica de dicho fluido. La Gravedad API se calcula así:
5.1315.141
lFluidopecificadeGravedadEsAPI
(2.1)
Como se ve en la ecuación 2.1, los petróleos con menores gravedades específicas (más livianos), tendrán mayores valores API. En líneas generales los petróleos con gravedades API entre 40 y 45 tienen más altos precios en el mercado. El petróleo se clasifica como liviano, mediano o pesado de acuerdo a su gravedad API:
Petróleo liviano. Es el que tiene una gravedad API mayor que 31.1° API.
29
Petróleo mediano. Esta definido por una gravedad API entre 22.3° API y 31.1° API.
Crudos pesados. Se caracterizan por tener gravedades API por debajo de 22.3°
API.
Crudos extrapesados o bitumen. Se caracterizan por tener gravedades API
menores de 10 API.
Estas clasificaciones pueden variar por regiones, especialmente en el caso de crudos
pesados y extrapesados (bitumen). El bitumen se hunde en el agua mientras que el
petróleo flota.
En Colombia se han encontrado petróleos con un amplio rango de grados API, desde
los livianos de Cusiana hasta los más pesados del Magdalena Medio o de los Llanos.
En su gran mayoría el crudo colombiano es pesado, llamado “Crudo Castilla” que
luego de ser mezclado con otros crudos pesados se vende en el mercado como Crudo
Castilla Blend con una Gravedad API de 18.8° API aproximadamente.
Los crudos livianos han empezado a escasear y el mundo ha tenido que comenzar a
mirar los crudos más pesados, o de menor grado API, como alternativa de negocio;
incluso las refinerías han tenido que hacer reconversiones para cargar un mayor
volumen de pesados.
Los petróleos también se clasifican entre “dulces” y “agrios”. Los primeros son aquellos
que contienen menos de 0,5% de azufre; los segundos los que tienen más de 1,0% de
azufre.
Al refinarlos, los petróleos livianos y dulces producen más gasolina y causan menos
contaminación. Por eso son tan apetecidos (ECOPETROL S.A, 2009).
2.3. EL PETRÓLEO EN COLOMBIA
2.3.1. Reseña histórica
Los primeros registros históricos de la existencia de petróleo en Colombia se remontan
a la conquista española, cuando las tropas de Gonzalo Jiménez de Quesada llegaron
30
por el río Magdalena a La Tora, un caserío de los yariguíes situado en lo que hoy es
Barrancabermeja.
En los alrededores encontraron lugares donde manaba un líquido negro y aceitoso que
los yariguíes utilizaban como reconfortante corporal, entre otros usos. Los españoles
lo usaron a su vez para impermeabilizar las embarcaciones. Siglos después ese aceite
vendría a ser la base de lo que hoy es la industria colombiana del petróleo.
Desde los albores del siglo XX, cuando se inició la explotación del petróleo en
Colombia, la política que ha regido a esta industria ha tenido diversos y profundos
cambios por parte de los distintos gobiernos, en sus esfuerzos por mantener una
producción de petróleo que abastezca el consumo nacional y de paso exporte los
excedentes que le generen recursos adicionales a la nación.
En la búsqueda y extracción de hidrocarburos Colombia ha pasado de un sistema de
concesión a un contrato de asociación con variables como el Factor R. Hoy, cien años
después de los primeros hallazgos comerciales de crudo, cuenta con un modelo de
contrato de exploración y producción muy competitivo internacionalmente.
Así mismo, la administración de esos recursos no renovables pasó de una empresa
industrial y comercial del Estado (la Empresa Colombiana de Petróleos, Ecopetrol),
que durante 52 años se encargó de gestionar el mapa de tierras y las reservas de
hidrocarburos en el país, a la Agencia Nacional de Hidrocarburos (ANH), unidad
especial del Ministerio de Minas y Energía (ECOPETROL S.A, 2009).
2.3.2. Potencial petrolífero
El potencial petrolífero (crudo y gas natural) de Colombia se estima en más de 47 mil
millones de barriles de petróleo equivalente, distribuidos en 18 cuencas sedimentarias
que abarcan un área de 1.036.400 km2.
Alrededor de 82% de esa área sedimentaria se encuentra disponible para adelantar
trabajos de exploración y explotación de petróleo y gas natural.
Las cuencas de mayor actividad exploratoria son las de los valles Superior y Medio del
Magdalena, Catatumbo, La Guajira, cordillera Oriental, Putumayo y Llanos Orientales.
Los más importantes descubrimientos hechos en Colombia son los de La Cira-
Infantas, en Barrancabermeja; Chuchupa, en La Guajira; Caño Limón, en Arauca; y
Cusiana-Cupiagua, en Casanare.
31
Los centros de producción petrolera se encuentran en los departamentos del Meta,
Casanare, Arauca, Santander, Antioquia, Bolívar, Boyacá, Huila, Tolima, La Guajira,
Putumayo y Norte de Santander (ECOPETROL S.A, 2009).
2.3.3. Refinación
Colombia tiene una capacidad de refinación promedio de 315 mil barriles por día. En
las dos principales refinerías del país (en Barrancabermeja y Cartagena) se procesan
los crudos y se obtienen los combustibles con los cuales se atiende la mayoría de la
demanda nacional. También se atiende cerca del 75% de la demanda de productos
petroquímicos e industriales con producción del Complejo Industrial de
Barrancabermeja.
Actualmente, tanto el Complejo como la Refinería de Cartagena son objeto de
programas de optimización para incrementar su capacidad y mejorar la calidad de los
combustibles para que éstos se ajusten a las nuevas exigencias ambientales
(ECOPETROL S.A, 2009).
2.3.4. Transporte
Actualmente se cuenta para el transporte de hidrocarburos con una red de tubería de
4.184 km de oleoductos para transporte de petróleo y 3.952 km de poliductos para
transporte de productos refinados. El total de estaciones de bombeo y terminales es
de 67, distribuidas en 37 para oleoductos y 30 para poliductos (ver Anexo A).
Para atender las exportaciones o importaciones de petróleo y refinados se tienen tres
puertos de embarque por el mar Caribe, que son Coveñas, Cartagena y Pozos
Colorados (Santa Marta), y dos puertos por el Océano Pacífico en Tumaco y
Buenaventura (ECOPETROL S.A, 2009).
32
3. LOS HIDROCARBUROS Y LA CONTAMINACION
INTRODUCCION
Desde el inicio de la actividad petrolera, el entorno en le que se desarrolla, se ve
afectado por numerosas intervenciones que dañan severamente el medio ambiente.
Las huellas mas evidentes que se encuentran en todo el planeta donde se ha dado
extracción de petróleo, frecuentemente han sido ocasionadas por accidentes en
tanques de almacenamiento o en oleoductos. Sin embargo los accidentes que son los
acontecimientos mas notorios no son las únicas fuentes de contaminación o
degradación del medio, ni siquiera las mas importantes.
Todas las actividades que están envueltas en la exploración y explotación del petróleo
provocan impactos potencialmente negativos sobre el medio ambiente y sobre las
personas que lo usan o que están en contacto con él.
Gran parte de los ecosistemas afectados por la exploración y explotación de
hidrocarburos cuentan con formas de vida muy diversas y complejas. A pesar de este
hecho, la expansión petrolera muy a menudo se enfoca en dichos ecosistemas.
3.1 FORMAS DE CONTAMINACION POR LA OPERACIÓN PETROLERA
La operación sísmica. Es una de las mas utilizadas en la etapa de exploración, y
consiste en la medición de las ondas de resonancia que produce la detonación de
cargas de dinamita. Esto significa que la zona explorada queda completamente llena
de agujeros dinamitados. Al encontrarse el lugar donde probablemente se puede dar la
explotación del mineral, se procede a abrir los pozos exploratorios.
La fase exploración. Durante este proceso son utilizados lodos químicos, los cuales
son altamente contaminantes, para la mayor penetración en el terreno de los taladros
que deben ser enfriados constantemente con agua. También se construyen piscinas
para depositar las aguas acidas y los lodos contaminados que salen junto con el
petróleo. Esta fase altera el equilibrio natural, ya que requiere de grandes cantidades
de agua del lugar y aumenta los niveles de contaminación. También en las
perforaciones se producen lodos con metales pesados y tóxicos como cadmio, cobre,
arsénico, mercurio y plomo.
La fase de extracción. Comienza cuando alguno de los pozos exploratorios toca un
yacimineto. En tierra o en mar las operaciones a realizarse en esta etapa alteran el
ambiente natural y lo contaminan. Esta etapa presente riesgos adicionales de
accidentes, relacionados con gases tóxicos, aguas acidas y los depósitos de crudo.
33
El transporte. Se da después de la extracción del crudo. El transporte del crudo es una
de las etapas mas riesgosas y costosas en términos de destrucción ambiental. Desde
que se transporta el crudo masivamente, son millones de barriles que se han
derramado en zonas selváticas, ríos, lagos y mares. Las consecuencias de tales
derrames continúan afectando estos ecosistemas muchos años después.
Dentro de las etapas de exploración y explotación también se da una compactación de
los suelos por la maquinaria pesada donde por la pérdida de vegetación, se produce
una erosión y contaminación de los suelos de la zona. Los microorganismos del suelo
son alterados por la contaminación con hidrocarburos, desapareciendo o
disminuyendo las especies menos resistentes sin dejar atrás las altas tasas de
mutaciones. Las alteraciones al suelo producen cambios en el pH de este y del agua,
que pueden causar un deterioro crónico de los ecosistemas.
Por lo tanto un manejo inadecuado de dicha fuente energética puede causar
problemas de gran envergadura socio-ambiental.
3.2 CAUSAS DE DERRAMES POR LA ACTIVIDAD PETROLERA
Los derrames de petróleos constituyen uno de los aspectos mas vergonzoso tanto
para las naciones como en general para la especie humana, pues debido a sus
manifestaciones tanto a corto como a largo plazo, se ponen de presente la inevitable
necesidad de llevar con continuidad una política de desarrollo sostenible que eviten
que este tipo de desastres se vuelvan una pesadilla futura.
En Colombia se ha vivido con frecuencia este tipo de situaciones, debido por o general
a actos violentos a los que se encuentra sometidos tanto la industria petrolera, como la
población cercana a la infraestructura dedicada a esta actividad.
Dentro de las doctrinas que tratan este tema se define vertimiento al derrame
accidental; es decir, no provocado, no deseado, súbito, imprevisible e irresistible, no
contable que afecta un recurso natural no renovable.7 En estos eventos la
contaminación puede tener una fuente o varias causas que participan de una forma
determinante al desastre contaminador o complicar el problema por los elementos o
desechos que de forma independiente no tienen carácter contaminador, pero que por
combinación o adición con las fuentes procedentes de la misma u otras, llegan a
contaminar.
Las causas mas frecuentes de contaminación en la industria petrolera por transporte
por medio de tubería u oleoducto, son:
Falla operacional. Se da por un desajuste o asincronismo en la actividad normal de la
operación de un oleoducto, un poliducto o estación, ya sea en la manipulación de los
7 Domingo Gómez. Articulo “Responsabilidad por daño ambiental en la actividad petrolera de
Colombia” en Responsabilidad por daños ambientales. Universidad Externado de Colombia. 2001.P.123
34
instrumentos o en la parte operativa por parte de los operadores, que ocasiona una
sobrepresión de la línea de transporte.
Fatiga de Materiales. Ocasionado por el inadecuado mantenimiento de las
instalaciones, llámese tubo, pozo o múltiple abastecimiento, provocando un pittinges,
un agujero por el cual se genera una fuga del líquido.
Cuando un derrame es provocado por la acción dolosa de un tercero, en dicho caso es
habitual que el origen del mismo se pueda dar por:
Hurto. Cuando los terceros que acometen el hecho punible no tienen por motivo nada
distinto que obtener un lucro con el crudo que extraen de la tubería.
Acto terrorista. Es aquel que se atribuye por lo general a grupos u organizaciones
armadas que enarbolando un carácter político acometen el daño con le interés de
desestabilizar.
35
4. BIORREMEDIACIÓN
INTRODUCCIÓN
La biorremediación es una tecnología que utiliza el potencial metabólico de los
microorganismos (fundamentalmente bacterias, pero también hongos y levaduras)
para transformar contaminantes orgánicos en compuestos más simples poco o nada
contaminantes, y, por tanto, se puede utilizar para limpiar terrenos o aguas
contaminadas (Glazer y Nikaido, 1995).
Su ámbito de aplicabilidad es muy amplio, pudiendo considerarse como objeto cada
uno de los estados de la materia (Atlas y Unterman, 1999):
Sólido. Con aplicaciones sobre medios contaminados como suelos o
sedimentos, o bien directamente en lodos, residuos, etc.
Líquido. Aguas superficiales y subterráneas, aguas residuales.
Gases. Emisiones industriales, así como productos derivados del tratamiento
de aguas o suelos.
También se puede realizar una clasificación en función de los contaminantes con los
que se puede trabajar (Alexander, 1999; Eweis et al., 1999):
Hidrocarburos de todo tipo (alifáticos, aromáticos, BTEX, PAHs,...).
Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, pesticidas, herbicidas,...).
Compuestos nitroaromáticos (TNT y otros).
Metales pesados. Estos no se metabolizan por los microorganismos de manera
apreciable, pero pueden ser inmovilizados o precipitados.
Otros contaminantes. Compuestos organofosforados, cianuros, fenoles, etc.
Los microorganismos transforman y metabolizan aeróbicamente los hidrocarburos y
otros compuestos orgánicos hasta dióxido de carbono, agua y fuentes de alimento
para sustentar su crecimiento y reproducción, es decir, la biodegradación ocurre
naturalmente. Es conocido que los microorganismos indígenas tienen la capacidad de
adaptarse y eventualmente degradar cualquier compuesto orgánico natural sin
asistencia del hombre; sin embargo, esta adaptación requiere la presencia de
condiciones ambientales apropiadas tales como el pH, temperatura, el aceptor final de
electrones (que en procesos aeróbicos es el oxígeno), concentraciones de
contaminante no tóxicas para los microorganismos y adecuadas condiciones de
humedad y conductividad del medio, entre las mas importantes. La ausencia de alguna
o varias de las anteriores condiciones puede limitar parcial o totalmente la actividad
36
biológica y es cuando la mano del hombre juega un papel fundamental en la
optimización del proceso, ya sea mejorando estas condiciones para aumentar la
población de microorganismos (bioaumentación) y/o manipulando genéticamente los
microorganismos para la degradación específica de algunos compuestos químicos.
4.1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA BIORREMEDIACIÓN
A mediados del siglo XX se desarrollaron las primeras investigaciones encaminadas a estudiar el potencial de los microorganismos para biodegradar contaminantes (Zobell, 1946; Davis, 1956). Este “uso” intencionado recibió entonces el nombre de biorremediación ("bioremediation"). Las primeras técnicas que se aplicaron fueron similares al "landfarming" („labranza‟) actual y sus actores, lógicamente, compañías petrolíferas. Las primeras patentes, fundamentalmente para remediación de vertidos de gasolina, aparecen en los años 70. En los años 80 se generalizó el uso del aire y peróxidos para suministrar oxígeno a las zonas contaminadas mejorando la eficiencia de los procesos degradativos. Durante los años 90 el desarrollo de las técnicas de "air sparging" (burbujeo de oxígeno) hizo posible la biorremediación en zonas por debajo del nivel freático. Al mismo tiempo, la implementación en la práctica de aproximaciones experimentales en el laboratorio permitió el tratamiento de hidrocarburos clorados, los primeros intentos con metales pesados, el trabajo en ambientes anaerobios, etc. Paralelamente, se desarrollaron métodos de ingeniería que mejoraron los rendimientos de las técnicas más populares para suelos contaminados ("landfarming", "composting", etc.) (Riser-Roberts, 1998). En la actualidad, la biorremediación enfrenta un nuevo reto: el de convencer a las compañías y a los organismos oficiales de su alto potencial. En algunos países, la biorremediación fue una técnica poco reconocida y marginada, hoy en día se ha convertido en una verdadera industria. Esta “industria” busca seguir mejorando en sus líneas interdisciplinares, que se pueden resumir en los siguientes puntos:
Integración en el proceso de técnicas innovadoras que ayuden a comprender y controlar los fenómenos de transporte de nutrientes y otros posibles aditivos.
Desarrollo de técnicas rápidas de biología molecular que permitan caracterizar las poblaciones indígenas de los emplazamientos contaminados así como su potencial enzimático (Theron y Cloete, 2000; Watanabe, 2001).
Exploración de las implicaciones del concepto de biodisponibilidad ("bioavailability") definido por las propiedades físico-químicas de los contaminantes. Se trata de un factor que en muchos casos está limitando la biodegradación y en otros reduciendo la toxicidad de los contaminantes.
Desarrollo definitivo de técnicas de bioaumentación realmente útiles (Major et al., 2002).
37
4.2. FUNDAMENTACIÓN BIOQUÍMICA DE LA BIODEGRADACIÓN El fundamento bioquímico de la biorremediación se basa, principalmente, en la serie de reacciones de óxido-reducción (cuyo fin es la obtención de energía) que se producen en la cadena respiratoria, o transportadora de electrones de las células. La cadena la inicia un sustrato orgánico (compuestos hidrocarburados) que es externo a la célula y que actúa como dador de electrones, de modo que la actividad metabólica de la célula acaba degradando y consumiendo dicha sustancia (Maroto Arroyo, articulo internet). Los aceptores más comúnmente utilizados por los microorganismos son el oxígeno, los nitratos, el hierro (III), los sulfatos y el dióxido de carbono. Cuando el oxígeno es utilizado como aceptor de electrones la respiración microbiana se produce en condiciones aerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo aerobio; sin embargo, si utiliza los sulfatos o el dióxido de carbono se produce en condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo anaerobio (Figura. 3.1)
FIGURA 4.1. Esquema de las reacciones
4.3. FACTORES QUE CONDICIONAN LA BIORREMEDIACIÓN DE UN SUELO La biodegradabilidad de una mezcla de hidrocarburos presente en un suelo contaminado depende de diversos factores, los cuales como pueden clasificarse en cuatro grupos:
Medio ambientales.
Físicos.
Químicos.
Microbiológicos.
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4.3.1. Factores medio ambientales
Los factores medio ambientales son aquellos necesarios a la hora de proporcionar las
condiciones óptimas para el crecimiento de los microorganismos que llevan a cabo la
recuperación. Los microorganismos son muy sensibles a los cambios de temperatura,
pH, disponibilidad de nutrientes, oxígeno y humedad.
El pH. Afecta significativamente la actividad microbiana. En consecuencia,
cuanto mayor sea la diversidad de microorganismos existentes, potencialmente
mayor será el rango de tolerancia. No existen unas condiciones
preestablecidas que sean óptimas en todos los casos, pero en términos
generales el crecimiento de la mayor parte de los microorganismos es máximo
dentro de un intervalo de pH situado entre 6 y 8. En general, el pH óptimo para
las bacterias heterótrofas es neutro (pH 6 - 8), mientras que es más ácido para
los hongos (pH 4 - 5). El pH óptimo establecido para procesos de
biodegradación es neutro (pH 7,4 - 7,8) (Dibble y Bartha, 1979).
Así mismo el pH también afecta directamente en la solubilidad del fósforo y en el transporte de metales pesados en el suelo. La acidificación o la reducción del pH en el suelo se puede realizar adicionando azufre o compuestos del azufre.
Temperatura. Es uno de los factores ambientales más importantes que afecta
la actividad metabólica de los microorganismos y la tasa de biodegradación. Generalmente, las especies bacterianas crecen a intervalos de temperatura bastante reducidos, entre 20 y 30 ºC (condiciones mesófilas), decreciendo la biodegradación por desnaturalización de las enzimas a temperaturas superiores a 40 ºC e inhibiéndose a inferiores a 0 ºC. Sin embargo, también se ha dado la biodegradación de hidrocarburos a temperaturas extremas:
10ºC en suelos subárticos y subalpinos (Sparrow y Sparrow, 1988;
Margesin y Schinner, 1997a,b).
5ºC en suelos árticos (Whyte et al., 1999)
60ºC por una cepa termófila de Bacillus stearothermophilus aislada de un suelo contaminado con crudo de petróleo del desierto kuwaití (Sorkoh et al., 1993).
Humedad. Los microorganismos requieren unas condiciones mínimas de
humedad para su crecimiento. El agua forma parte del protoplasma bacteriano y sirve como medio de transporte a través del cual los compuestos orgánicos y nutrientes son movilizados hasta el interior de las células. Un exceso de humedad inhibirá el crecimiento bacteriano al reducir la concentración de oxígeno en el suelo (el rango varía en función de la técnica).
Por lo anterior, la humedad del suelo puede limitar de forma severa la biodegradación, fundamentalmente en suelos superficiales afectados por oscilaciones importantes en el contenido de agua. No obstante el nivel óptimo de humedad depende de las propiedades de cada suelo, el tipo de contaminación y si la biodegradación es aeróbica o anaeróbica.
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El oxígeno. Es el aceptor final de electrones generalmente empleado en
procesos biológicos y también es necesario en determinados tipos de reacciones de oxidación – reducción catalizada por enzimas. Los microorganismos, oxidan compuestos orgánicos o inorgánicos, obteniendo así la energía necesaria para su crecimiento. El proceso de oxidación da lugar a electrones que intervienen una cadena de reacciones en el interior de la célula y, al final, deben ser vertidos en el entorno. El aceptor final de electrones es el receptor de los mismos y, en el caso de un metabolismo aerobio, O2 es el aceptor y H2O es el producto.
La mayor parte de hidrocarburos presentes en los productos petrolíferos son degradados con mayor extensión y rapidez de forma aeróbica (O2 como aceptor final de electrones), ya que en ausencia de O2, y en presencia de aceptores de electrones alternativos (NO3
-, SO42-, CO2, Mn4+ y Fe3+) los
hidrocarburos pueden ser degradados, pero con unas tasas de biodegradación muy inferiores a las aeróbicas (Holliger y Zehnder, 1996; Grishchenkov et al., 2000; Boopathy, 2002; Massias et al., 2003).
Necesidad de nutrientes inorgánicos. El metabolismo microbiano está orientado
a la reproducción de los organismos y éstos requieren que los constituyentes químicos se encuentren disponibles para su asimilación y sintetización. Los nutrientes principalmente requeridos son el fósforo y el nitrógeno, por tanto, las concentraciones asimilables de dichos elementos presentes en el suelo, suelen ser limitantes para un incremento y activación de la población microbiana, mientras que otros nutrientes esenciales como el Ca2+, Na+, Fe2+ y SO4
2- ya están presentes en cantidades suficientes (Menn et al., 2000).
La adición de fuentes de N y P inorgánicas, generalmente tiene un efecto positivo incrementando las poblaciones microbianas y las tasas de biodegradación de hidrocarburos en suelos contaminados (Dott et al., 1995; Breedveld y Sparrevik, 2001; Chaineau et al.,2003). Las proporciones molares de C:N:P, descritas en la bibliografía, respecto al contenido de carbono a degradar son muy distintas; el rango normal de C:N:P depende del sistema de tratamiento a emplear, siendo de modo habitual 100:10:1.
Aunque en general la adición de fuentes inorgánicas de N y P al suelo es beneficiosa para los procesos de biodegradación, de igual manera, el uso excesivo de nutrientes inorgánicos también puede inhibir los procesos de biodegradación (Zhou y Crawford, 1995; Margesin y Schinner, 1997; Genouw et al., 1994). Para evitar el exceso de nutrientes, así como la pérdida de los
mismos por lixiviación, también se han utilizado fertilizantes inorgánicos oleofílicos de liberación lenta (Inipol EPA® 22) para la biorremediación de suelos contaminados (Lindstrom et al., 1991; Pritchard y Costa, 1991) Además es importante destacar que la acción de los nutrientes inorgánicos puede estar limitada debido a la interacción química con los minerales del suelo. (el amonio se puede unir a las arcillas por intercambio catiónico y el fosfato puede unirse y precipitar con iones calcio, hierro y aluminio) (Morgan y Watkinson ,1992).
40
4.3.2. Factores físicos
Los factores físicos de mayor importancia en la biorremediación son la biodisponibilidad, la presencia de agua y la provisión de un aceptor de electrones adecuado, por ejemplo, el oxígeno (descrito en este capítulo, en el numeral 4.3.1.).
Biodisponibilidad. La tasa de degradación depende tanto de la capacidad de
transporte y del metabolismo microbiano, como de la transferencia de masas del compuesto. La relación entre estos factores se conoce como biodisponibilidad. En los suelos uno de los factores limitantes para la biodegradación es la transferencia de masas, ya que los microorganismos de los suelos contaminados, suelen tener amplias capacidades biodegradativas al estar expuestos a una gran variedad de compuestos orgánicos diferentes. Por lo tanto la adsorción, la absorción, desadsorción, disolución y la difusión son fenómenos, propios de la transferencia de masas, que condicionan la biodisponibilidad de los contaminantes (Stucki y Alexander, 1987; Tabak et al., 1994 y 1995; Harms et al., 1996; Bosma et al., 1997). Un fenómeno que afecta de forma negativa a la biodisponibilidad de los contaminantes es el envejecimiento o ageing que se define como la pérdida de la biodegradabilidad
de los compuestos a lo largo del tiempo en el suelo (aunque la población microbiana mantenga intacto su potencial catabólico), el cual es más importante en suelos con elevado contenido en materia orgánica (Huesemann, 1995; Nocentini, 2000; Breedveld y Sparrevik, 2001). Este efecto se produce por una serie de fenómenos como son: la adsorción con la materia particulada del suelo, absorción a la materia orgánica del suelo, a la baja difusividad de los compuestos, principalmente desde los microporos; a la disolución en fases líquidas no acuosas (FLNAs), o a la formación de uniones covalentes con la materia orgánica e inorgánica del suelo ( Loosdrecht et al., 1990; Weissenfels et al., 1992; Erickson et al., 1993; Alexander, 1995; Shuttleworth y Cerniglia, 1995; Alexander, 1999; Bosma et al., 1997). Con la finalidad de aumentar la biodisponibilidad de los contaminantes existen numerosos ejemplos en la bibliografía de la utilización de tensoactivos sintéticos y biotensoactivos en la biorremediación de suelos contaminados por hidrocarburos (Volkering y Breure, 1998 ; Chritofi y Ivshina, 2002).
Presencia de agua. Ésta es necesaria ya que, como se ha visto con anterioridad, los microorganismos toman en carbono orgánico, los nutrientes inorgánicos y los aceptores de electrones, necesarios para el crecimiento microbiano, de la fase líquida. Por lo tanto, el agua debe estar en contacto con los contaminantes estar presente en cantidades que permitan el desarrollo de las comunidades microbianas. Sin embargo, el agua puede llegar a inhibir el flujo de aire y reducir el sumito de oxígeno necesario para la respiración microbiana. Existen valores de humedad óptima para biorremediación de terrenos no saturados, que habitualmente están entre 150 y 250 grados de agua por kg de terreno seco.
4.3.3. Factores químicos El factor químico más importante en la biorremediación es la estructura molecular del contaminante, cómo ésta afecta a sus propiedades químicas y físicas y su capacidad para ser biodegradado. La capacidad para ser biodegradado está relacionada con
41
factores tales como la solubilidad, el grado de ramificación, el grado de saturación y la naturaleza y el efecto de los sustituyentes.
Estructura química. La inherente biodegradabilidad de un hidrocarburo
depende, en gran medida, de su estructura molecular. Siendo los parámetros que más van a afectar la halogenación, la existencia de ramificaciones, la baja solubilidad en el agua y la diferente carga atómica.
De las distintas familias de hidrocarburos del petróleo, los n-alcanos y los alcanos ramificados (isoprenoides) de cadena intermedia (C10-C20) son los sustratos más fácilmente degradables por los microorganismos del suelo, y que por lo tanto tienden a ser eficazmente biodegradados. Sin embargo, los alcanos de cadena larga (>C20) son más difíciles de degradar debido a su (elevado peso molecular) y su baja solubilidad en agua (Chaineau et al., 1995). Los cicloalcanos, por norma general, se degradan más lentamente que los n-
alcanos y alcanos ramificados. De igual forma, los HAPs que contienen de 2 a 3 anillos aromáticos pueden ser biodegradados eficazmente en el suelo en condiciones ambientales óptimas, mientras que los HAP de 4 anillos, y especialmente, los de 5 o más anillos bencénicos presentan una mayor recalcitrancia inherente y una baja solubilidad (Kästner, 2000). Las fracciones de resinas y asfaltenos son las que presentan una menor degradabilidad debido a las complejas estructuras químicas y al elevado peso molecular de sus moléculas (Harayama et al., 1997, 1999).
4.3.4. Factores microbiológicos El factor microbiológico más importante en la biorremediación es la transformación biológica de compuestos orgánicos, catalizada por acción de las enzimas. La biodegradación de un compuesto específico es frecuentemente un proceso que se realiza paso a paso en el cual se involucran muchas enzimas y muchos organismos. Las enzimas son específicas en términos de los compuestos que atacan y las reacciones que catalizan. Más de una enzima es normalmente requerida para romper una sustancia orgánica. Frecuentemente, los organismos que tienen las enzimas para degradar están presentes en el suelo. 4.4. MICROORGANISMOS EN LA BIORREMEDIACIÒN Existen varias clases de microorganismos: mohos, levaduras, bacterias, actinomicetos,
protozoos, algas, virus. La Figura 3.1 muestra el tamaño comparativo de algunos
microorganismos.
42
FIGURA 4.1. Tamaño comparativo de algunos microorganismos (Fuente: Stanier et al,
1984)
El suelo es un ambiente muy apropiado para el desarrollo de los microorganismos tanto eucariotas (algas, hongos, protozoos) como procariotas (bacterias y arqueas), además de encontrar virus y bacteriófagos. Todos estos organismos establecen relaciones entre ellos en formas muy variadas y complejas y también contribuyen a las características propias del suelo por su papel en la modificación de las fases sólida, líquida y gaseosa antes mencionadas. Los microorganismos desempeñan funciones de gran importancia en relación con procesos de edafogénesis; ciclos biogeoquímicos de elementos como el carbono, el nitrógeno, oxígeno, el azufre, el fósforo, el hierro y otros metales; fertilidad de las plantas y protección frente a patógenos; degradación de compuestos xenobióticos, etc. En un suelo agrícola están presentes alrededor de 1010 organismos por g de suelo y constituyen una biomasa de aproximadamente 1500 kg por Ha. Un gramo de suelo fértil puede contener 5 m de micelio fúngico, 108 células bacterianas, 106 esporos de actinomicetos. Los microorganismos hacen parte fundamental de los procesos de biorremediación.
En gran parte, las bacterias casi siempre son los degradadores primarios, aunque en
algunas ocasiones los hongos juegan un papel importante. Las bacterias desempeñan
el papel de mayor importancia en la biodegradación de contaminantes orgánicos en
suelos; los hongos también metabolizan compuestos orgánicos pero no son tan
eficientes como las bacterias.
4.4.1. Bacterias
Las bacterias son el grupo de organismos más abundante en los suelos y la cantidad
de especies presentes en el mismo parece relativamente constante alrededor del
43
mundo. Dichos organismos son un grupo diverso con variaciones extensivas en las
propiedades morfológicas, ecológicas y fisiológicas y son los principales degradadores
de compuestos orgánicos naturales y xenobióticos encontrados en el suelo. Las más
comunes son Pseudomonas, Arthrobacter, Achromobacter, Micrococcus, Vibrio,
Acinetobacter, Brevibacterium, Corynebacterium y Flavabacterium.
Por su diversidad, las bacterias se encuentran regularmente en comunidades
heterogéneas; algunas especies son degradadores primarios, es decir, ellas inician la
degradación de la materia orgánica en el suelo; otras crecen en compuestos
resultantes de la degradación parcial de complejos orgánicos o productos residuales
de degradadores primarios.
Las bacterias tienen tres apariencias físicas generales (ver Figura 3.2.):
Esféricas (cocos)
Forma de bastones (bacilos)
Forma de espiras (espirilos)
Y se clasifican usando sus características físicas, químicas, genéticas y metabólicas.
Figura 4.2. Apariencias físicas generales de las bacterias (Fuente: Schlegel, 1993)
El uso y tolerancia al oxígeno que es uno de los métodos más generales de
clasificación. Los aerobios estrictos son bacterias que requieren oxígeno como aceptor
final de electrones y crecen solamente en presencia del mismo. Las aerobias
facultativas son bacterias que pueden utilizar aceptores de electrones terminales
alternativos y crecer en presencia o ausencia de oxígeno. Algunas anaerobias son
tolerantes al oxígeno, pero éste es tóxico a muchas anaerobias estrictas.
Las bacterias también se pueden clasificar como eutrofas, las cuales crecen en
presencia de altas concentraciones de sustratos, y oligotrofas, las cuales crecen con
concentraciones trazas.
Los actinomicetos son un grupo intermedio entre las bacterias procariotas más
primitivas y los hongos eucariotas; éstos están presentes en un gran número de
suelos. Toleran un intervalo amplio de pH y temperatura, crecen bajo condiciones
limitadas de nutrientes y son resistentes a desecación. Aunque su tasa de crecimiento
es más baja que la de las bacterias, la habilidad de los actinomicetos para crecer en
44
condiciones adversas permiten a estos predominar cuando las condiciones del medio
son difíciles8.
Algunas bacterias son capaces de formar esporas cuando las condiciones de
crecimiento son muy adversas, como cuando el suelo está seco o cuando los
nutrientes están limitados. Las esporas son muy resistentes al calor y no son fáciles de
destruir por radiación u otros factores químicos tales como ácidos y desinfectantes.
Las bacterias formadas de esporas son muy comunes en suelos donde las
condiciones pueden ser muy variables.
4.4.2 Hongos
Los hongos son altamente protistas, no tienen movimiento y emplean materia orgánica como fuente de carbono y energía. Algunos de los hongos mejor conocidos son mohos, levaduras y setas (ver Figura 3.3 y Figura 3.4).
Figura 4.3. Aspecto de un moho (Fuente: Webster, 1986)
Figura 4.4. Aspecto de una levadura y una seta (Fuente: Hawksworth et al., 1995; Webster, 1986)
8 Se ha demostrado que los actinomicetos degradan fenoles, aromáticos, esteroides,
aromáticos clorados y lignocelulosas (US EPA, 1983)
45
En comparación con las bacterias, los hongos son menos numerosos y crecen a
velocidades considerablemente bajas; además, los procesos metabólicos de éstos son
menos diversos. Como grupo, los hongos tienden a ser más tolerantes a los ácidos
que las bacterias (muchas especies crecen a un pH óptimo de 5 o menos) y son más
sensibles a la variación en la humedad.
Un hongo que tiene un considerable potencial en el tratamiento de compuestos
orgánicos peligrosos es Phanerochaete chrysoporium, hongo de la podredumbre
blanca. Este organismo produce una encima extracelular peroxidasa que degrada la
lignina en presencia del peróxido; se ha encontrado que degrada una alta variedad de
compuestos altamente clorados y recalcitrantes. El uso de dicho hongo está limitado
para condiciones en las cuales el nitrógeno esté limitado porque la peroxidasa no se
produce de otra manera.
4.4.3 Microorganismos concretos
Los microorganismos aislados en suelos poseen actividades de peroxidasas y oxigenasas, que permiten la oxidación de algunas fracciones del petróleo. Esta oxidación cambia las propiedades de los compuestos haciéndolos susceptibles a ataques secundarios y facilitando su conversión a bióxido de carbono y agua.
Rhodococcus. Uno de los géneros bacterianos más explotados en bioprocesos
no convencionales es Rhodococcus, un grupo único consistente en
microorganismos que presentan una gran diversidad metabólica, capaz de
transformar, biodegradar y utilizar como única fuente de carbono compuestos
hidrófobos.
El Rhododoccus posee una gran variedad de vías metabólicas para la
degradación y modificación de compuestos aromáticos, incluyendo las
actividades de di-oxigenasa y mono-oxigenasa sobre anillos, así como la
actividad de ruptura de catecol. Algunas cepas presentan también la vía del 3-
oxoadipato. Lo anterior sumado a su capacidad de crecimiento en medios con
escasos nutrientes, la carencia de un sistema de represión catabólica y su
persistencia ambiental las hacen excelentes candidatas para los tratamientos
de biorremediación.
Dentro de las aplicaciones industriales y ambientales, se incluye la producción
de ácido acrílico y acrilamida, conversión de esteroides, biorremediación de
hidrocarburos clorados y fenoles, a lo que se añade su gran capacidad de
degradar hidrocarburos alifáticos halogenados y numerosos compuestos
aromáticos, como los HAP´s (hidrocarburos policíclicos aromáticos).
Nuevas especies de Rhodococcus que presentan una nueva mutación tienen la
capacidad de degradar compuestos alifáticos con enlaces dobles
principalmente en el noveno carbono del grupo metilo terminal (alquenos).
46
Pseudomonas. Las bacterias de este género poseen la habilidad para utilizar
diversos substratos, incluyendo aquellos creados por el petróleo. Las
Pseudomonas son bacterias Gram negativas, obicuas, que pertenecen a la
subclase gamma de las Proteobacterias.
Las Pseudomonas son bacterias productoras de biosurfactantes. Algunos
microorganismos productores de biosurfactantes extracelulares solubilizan y
facilitan la penetración de los hidrocarburos a través de la pared celular
hidrofílica; contienen además enzimas degradadoras de hidrocarburos en la
membrana citoplasmática.
La Pseudomonas aeruginosa, es otro de los microorganismos más usado y
estudiado en biorremediación. Estudios con relación al desempeño metabólico
de esta Pseudomona ha permitido identificarla como degradadora de gran
cantidad de sustratos como el n-hexadecano, mineralización de compuestos
alifáticos en condiciones anaerobias, y degradadora de hidrocarburos
aromáticos y poli aromáticos.
4.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIORREMEDIACIÓN 4.5.1 Ventajas
Mientras que los tratamientos físicos y buena parte de los químicos están basados en transferir la contaminación entre medios gaseoso, líquido y sólido, en la biorremediación se transfiere poca contaminación de un medio a otro.
Es una tecnología poco invasiva y generalmente no requiere componentes estructurales o mecánicos que signifiquen una amenaza para el medio.
Comparativamente, es económica viable y al tratarse de un proceso natural, suele tener aceptación por parte de la opinión pública.
4.5.2 Desventajas
La biodegradación incompleta puede generar intermediarios metabólicos inaceptables, con un poder contaminante similar o incluso superior al producto de partida y algunos compuestos contaminantes son tan resistentes que pueden incluso inhibir a biorremediación.
Es difícil predecir el tiempo de requerido para un proceso adecuado y el seguimiento y control de la velocidad y/o extensión del proceso es dispendioso.
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4.6 ETAPAS DEL TRABAJO PARA UNA BIORREMEDIACIÓN MÁS EFICAZ 4.6.1 Investigación y caracterización de la contaminación y del emplazamiento
La caracterización del emplazamiento se lleva a cabo mediante el estudio del mismo detallando la volumetría del suelo a tratar, las condiciones geológicas e hidrogeológicas, analizando las características del suelo y sus propiedades (pH, granulometría, humedad, porosidad, etc).
La caracterización del contaminante se centra en la investigación del tipo y concentración del mismo, así como la biodisponibilidad de los compuestos en el suelo (aceptores de electrones, metales pesados, nutrientes, etc).
4.6.2 Análisis y elección de las medidas biocorrectivas
Para ello se hace necesario:
a) Identificar y cuantificar los contaminantes. Definiendo sus propiedades físico químicas más importantes: Identificación y clasificación de compuestos. Concentración en suelos y aguas subterráneas. Caracterización de la presión de vapor, constante de Henry, densidad y
grado de solubilidad.
b) Conocer los factores que influyen en la transformación biológica de los contaminantes: Factores ambientales tales como humedad, oxígeno disuelto, temperatura,
pH, disponibilidad de nutrientes. Factores microbiológicos tales como presencia de microorganismos y
aclimatación de las poblaciones microbianas.
c) Designar las medidas biocorrectivas. En función de los factores anteriormente expuestos, se debe elegir el sistema de biotratamiento más adecuado.
4.6.3 Diseño y evaluación del sistema Para el diseño de un sistema de biorrecuperación es necesario establecer unas etapas de trabajo, en las cuales se determinan y evalúan los parámetros fundamentales necesarios para su eficacia. Las etapas a seguir en el diseño de un sistema de biotratamiento son:
a) Evaluación de la viabilidad de la técnica. Se deben estudiar los parámetros de evaluación que definen el sistema elegido, así como se deben evaluar las condiciones de biotratabilidad, los objetivos de limpieza exigidos y los costes de tratamiento necesarios.
b) Evaluación del diseño. Se deben estudiar los factores que afectan la eficacia de la técnica y las posibles mejores o acondicionamientos a aplicar.
48
c) Evaluación del control y seguimiento. Para asegurar la correcta ejecución y un progreso adecuado del tratamiento se debe llevar a cabo un plan de control y seguimiento del sistema. Para una correcta optimización se deberán controlar los siguientes puntos: Control de las condiciones de degradación y biodegradación. Se debe
registrar la variación de concentración de TPH, BTEX, CO2 desprendido y Oxigeno disuelto, variación de nutrientes (N, P, etc).
Control de los parámetros que afectan directamente en el funcionamiento del sistema.
4.6.4 Análisis e interpretación de resultados En esta última etapa se deben analizar los resultados obtenidos, haciendo un balance de los objetivos alcanzados y los marcados inicialmente. En este punto, si fuese necesario, se deben proponer y estudiar aquellas mejoras o modificaciones necesarias para la optimización del sistema.
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5. MÉTODOS DE BIORREMEDIACIÓN
INTRODUCCIÓN
El término biorremediación se aplica a cualquier sistema o proceso en el que se empleen métodos biológicos para transformar contaminantes en el suelo o en las aguas. La biorrecuperación en suelos contaminados puede llevarse a cabo “In Situ”: excavando el terreno y tratándolo a pie de excavación, o bien “Ex Situ”, en instalaciones aparte.
Existen parámetros que aumentan o disminuyen la probabilidad de obtener buenos resultados en el proceso de biorremediación en un medio contaminado por hidrocarburos. La técnica apropiada para llevar a cabo este proceso, debe ser el resultado de la valoración de una serie de variables y de características del sitio o del contaminante a tratar.
5.1. BIORREMEDIACIÓN “IN SITU”
Este tipo de tratamiento normalmente es la opción más adecuada para la recuperación de suelos, ya que no es necesaria la preparación y excavación del material contaminado. No obstante, antes de decidir el tipo de tratamiento deben valorarse numerosos factores entre los que se destacan:
Impacto ambiental en la zona.
Actividades industriales que pueden verse afectadas.
Costos comparativos con otros tratamientos.
La dificultad de acceso a la zona contaminada para proveer de oxígeno y nutrientes.
La determinación del porcentaje de tratamiento.
La velocidad del proceso.
El potencial peligro de extensión de la contaminación.
El método de la biorremediación “In Situ” de suelos se puede dividir en dos tipos: tratamiento de compuestos volátiles y tratamiento de compuestos semivolátiles y no volátiles. Las técnicas más utilizadas se ven con detalle a continuación:
5.1.1. Bioaireación o bioventeo
Es una variante de la técnica de extracción de gas con vapor (“Soil Gas Extraction” o “Volatilización”), que consiste en suministrar aire al terreno contaminado para
50
promover la actividad de los microorganismos presentes en el subsuelo y biodegradar los hidrocarburos. El aire se suministra mediante un sistema de extracción e inyección.
Para diseñar estos sistemas es necesario conocer la permeabilidad del suelo a los gases, con el fin de determinar el radio de influencia de los pozos de venteo, la distancia entre pozos y las dimensiones de los equipos de inyección. La bioaireación generalmente se lleva a cabo en áreas poco profundas y pequeñas; a menudo es factible la instalación de barreras para guiar el flujo, el uso de cubiertas, un control intensivo, un plan de muestreo y un sistema de ventilación.
Una característica determinante en la selección de esta técnica es el tipo de
contaminante, puesto que es de mayor efectividad donde los contaminantes tienen
baja volatilidad. Además se deben tener en cuenta las características físicas del suelo,
la profundidad de la zona contaminada y el potencial para transportar contaminantes
fuera de la zona.
Ventajas.
Es una técnica altamente efectiva para tratar contaminaciones con
compuestos con baja presión de vapor (menos de 1 mmHg), ya que su
tasa de degradación es mucho mayor que la de volatilización
(Matthews, 1993).
Como todos los tratamientos “In Situ”, cuando los costos de excavación
son altos el bioventeo puede ser una alternativa económicamente
interesante. No requiere área adicional para llevar a cabo el tratamiento,
ni el uso de maquinaria pesada.
Desventajas. Las limitantes de este método son:
Tipo y concentración del contaminante.
Perdida de nutrientes en el subsuelo.
Bajo contenido de humedad del suelo y la dificultad de lograr el caudal
de aire a través de la zona contaminada; por ello requiere
características especiales del suelo en cuanto a humedad, porosidad,
conductividad hidráulica, etc.
Requiere largos períodos de tiempo para obtener la concentración final
de hidrocarburo deseada. Los tiempos de limpieza pueden durar de
meses a años.
La descontaminación puede llevarse a cabo por efecto de la
volatilización de compuestos más que por su biodegradación.
51
5.1.2. Inyección de aire a presión
Consiste en inyectar aire a presión en la parte inferior para deslazar el agua de los
espacios intersticiales de la matriz del suelo. Esta inyección genera principalmente dos
efectos:
1. El aire inyectado absorbe gran cantidad de los hidrocarburos volátiles
presentes en el agua y el suelo.
2. El aire eleva los niveles de oxígeno del agua mejorando la biodegradación de
los contaminantes (Matthews, 1993).
Con la inyección de aire a presión se llevan a cabo dos mecanismos de remoción del
contaminante, la volatilización de compuestos de la zona insaturada y la fase acuosa y
la biodegradación. El mecanismo gobernante depende de las características de los
contaminantes.
Las características determinantes en la selección de esta técnica son:
El tipo de contaminante. Se degradan fácilmente las moléculas más
pequeñas (hasta C20), siendo más biodegradables los compuestos
parafinados o de cadena lineal que los compuestos aromáticos. En
general, son favorables los compuestos de alta volatilidad (presión de
vapor mayor de 10 mm de Hg a 20ºC).
Tipo de suelo. Los suelos deben contener bajos contenidos en arcilla y
ser lo más homogéneamente posible, con un valor de permeabilidad al
aire adecuado (> 10-10 cm2).
Los aportes de oxígeno deben ser suficientes, así como la existencia de
fuentes de carbono, aceptores de electrones y energía suficientes.
Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 a 8), de humedad (12
a 30% en peso), potencial redox mayor de -50 mV, temperatura entre 0
y 40 ºC y los nutrientes del suelo en relación N:P de 10:1.
Ventajas.
Es un proceso excelente para casos donde los compuestos volátiles son
los contaminantes principales.
Necesidad de tiempos de actuación cortos (meses).
No requiere área adicional para llevar a cabo el tratamiento, ni el uso de
maquinaria pesada.
Desventajas.
52
El principal problema es la biodisponibilidad de los microorganismos.
Cuanto menor es la solubilidad de los contaminantes menor será la
biodisponibilidad.
En este sistema hay poco control del movimiento del agua subterránea
y los contaminantes, lo cual puede acelerar y agravar la extensión de la
contaminación.
En cuanto a las profundidades, la literatura recomienda profundidades
mínimas aproximadas de 1,2 metros, necesarias para confinar
adecuadamente el aire inyectado; y máximas aproximadas de 9 metros,
por debajo de las cuales sería muy difícil controlar la dirección del
desplazamiento del aire.
Los cambios en la litología del suelo pueden afectar la dirección y la
velocidad del flujo, más aún si se tiene en cuenta que el aire a presión
viaja aceleradamente.
5.1.3. Atenuación natural
La atenuación natural, aunque no está considerada como una técnica de
descontaminación propiamente dicha, está englobada dentro de las técnicas de
remediación “In Situ”. Su característica principal es la utilización de los procesos
fisicoquímicos de interacción contaminante-suelo y los procesos de biodegradación
que tienen lugar de forma natural en el medio. Estos procesos se conocen como
procesos de biotransformación natural. Los procesos de biotransformación natural son
aquellos que van a reducir la concentración de los contaminantes y entre los que se
encuentran la dilución, dispersión, volatilización, adsorción, biodegradación y aquellas
reacciones químicas que se producen en el suelo y que contribuyen de alguna forma a
la disminución de la contaminación. Esta técnica se aplica en aquellos casos en los
que exista contaminación producida por hidrocarburos de tipo halogenado o no
halogenado.
La atenuación natural puede darse en presencia (condiciones aeróbicas) o ausencia
de oxigeno (condiciones anaeróbicas).
En presencia de oxígeno los microorganismos convierten en última instancia los
contaminantes en dióxido de carbono, agua y masa celular microbiana
(mineralización).
En el caso de escasez de oxígeno, los microorganismos dependen de otros aceptores
de electrones disponibles (nitrato, sulfato, formas oxidadas de Fe o Mn,...). Se trata de
una biodegradación anaerobia, cuyos mecanismos y significado se están comenzando
a comprender en los últimos años (Heider et al., 1999).
Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuación natural
destacan:
53
La existencia de unas condiciones geológicas y geoquímicas favorables.
Las necesidades de reducción de la masa contaminante en un intervalo
razonable de tiempo (meses a años), tanto en la superficie del suelo
como en la zona más subsuperficial del mismo.
Confirmación de la existencia de los tipos y número de poblaciones de
microorganismos que puedan biodegradar los contaminantes.
La concentración de los compuestos utilizados como aceptores de
electrones en condiciones anaerobias debe ser superior a 0,21 mg/l
para nitratos, la de Fe3+ para que pueda ser reducido a Fe2+ debe ser
superior a 21,8 mg/l y la de sulfatos mayor de 0,21 mg/l.
El potencial redox debe estar situado entre un rango de -400 y 800 mV.
Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 a 8), de humedad (12
a 30% en peso), temperatura entre 0 y 40 ºC y los nutrientes del suelo
en relación N:P de 10:1.
Existencia de un coeficiente de retardo favorable para que se produzcan
los fenómenos de sorción con suficiente eficacia.
Si se aportan al medio algunos de los elementos de los que carece o bien se potencian los existentes, se favorece la eliminación del posible contaminante. En muchos casos este tipo de intervención será necesario para reforzar el proceso natural o bien para implantar unas condiciones que reduzcan el riesgo. En esto se basan la bioestimulación y la bioaumentación, que son aproximaciones biotecnológicas de la atenuación natural.
Ventajas.
Es una técnica de biorremediación “In Situ” de muy bajo costo.
Puede darse en presencia o ausencia de oxígeno, por tanto no se hace
necesario adicionar oxígeno al medio contaminado.
Desventajas.
La exigencia de protección y el riesgo de los potenciales receptores
durante el tiempo que dura la atenuación.
Producción y conservación en el medio de subproductos de carácter
persistente o más tóxico que los iniciales, durante y después de la
atenuación natural.
54
5.1.4. Bioestimulación
En este sistema, el agua subterránea es conducida a la superficie por medio de un
sistema de pozos de extracción, se acondiciona en un reactor para volverla a inyectar
y estimular la degradación bacteriana de los contaminantes del subsuelo y del
acuífero. En el reactor en superficie se agregan al agua: nutrientes, oxígeno,
microorganismos previamente seleccionados y adaptados, y el efluente se retorna al
subsuelo por medio de pozos de inyección, aspersores superficiales o galerías de
infiltración distribuidas a lo largo y ancho del sitio que se requiere remediar. Algunas
veces esta técnica utiliza biosurfactantes para ayudar al lavado de contaminantes del
suelo (Zitrides, 1990); (Cole, 1994).
Las características determinantes en la selección, el éxito o el fracaso de esta técnica
de remediación son:
Tipo de suelo. Los suelos deben ser lo más homogéneos posible, con
un valor de porosidad y permeabilidad al aire adecuado (> 10-10 cm2).
Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 y 8), de humedad (12-
30% en peso), temperatura entre 0 y 40 ºC y los nutrientes del suelo en
relación N:P de 10:1.
Ventajas.
Esta técnica es muy útil en el tratamiento de extensas zonas
contaminadas de centros industriales donde no es posible o
conveniente parar el proceso operativo para realizar el tratamiento
requerido.
5.1.5. Bioaumentación
Otras líneas de investigación han llevado a la introducción de microorganismos
aclimatados o incluso modificados genéticamente en el medio, con el fin de mejorar la
biodegradación (Walter, 1997; Atlas y Unterman, 1999). Esta técnica funciona en
condiciones de laboratorio o bioreactor, pero en ambientes externos (suelo o agua) su
implantación depende de una serie de factores (Alexander, 1999).
Presencia de toxinas, nutrientes y condiciones ambientales, movilidad
y/o distribución de los microorganismos y la presencia de abundante
materia orgánica.
Los microorganismos añadidos deben sobrevivir a los depredadores y
competir con éxito con la población autóctona antes de ocupar los
nichos potenciales.
En general, los ambientes más selectivos y la utilización de consorcios
microbianos favorecen la bioaumentación.
55
Ventajas.
No requiere área adicional para llevar a cabo el tratamiento, ni el uso de
maquinaria pesada.
Desventajas.
El tamaño de la población de microorganismos degradadores crece rápidamente como respuesta a la contaminación del medio y es muy difícil, si no imposible, incrementar la población microbiana más allá de esos valores.
5.2. BIORREMEDIACIÓN “EX SITU”
Dos son los tratamientos que se distinguen cuando el procedimiento se realiza fuera
del lugar donde está la contaminación: tratamiento por vía sólida y tratamiento por vía
suspensión.
La biorrecuperación vía sólida se puede realizar por dos métodos: tratamiento en
lechos y tratamiento por compostaje. La diferencia fundamental entre ambos es el
sistema de aireación, mientras que en el primero sólo se pueden tratar las capas de
suelo menos profundas, en el compostaje se requiere la formación de grandes
apilamientos de material degradable.
En el tratamiento vía suspensión se excava el material contaminado y se traslada a un
reactor. La característica de este método es la suspensión en un medio acuoso del
suelo contaminado, es decir, el tratamiento se lleva a cabo bajo condiciones de
saturación de agua.
La ventaja de estos procedimientos frente a los primeros radica en la posibilidad de
optimizar mejor los parámetros microbiológicos, así como el control del proceso; a
cambio, lógicamente, de un mayor costo.
5.2.1. Disposición sobre el suelo
También conocido como “Landfarming”, tratamiento en lechos o tratamiento vía sólida.
Esta es la técnica más usada para la biorremediación de los lodos contaminados con
hidrocarburos y de otros desechos de la industria petrolera. Esta técnica consiste en
excavar los suelos contaminados, extenderlos sobre un área suficientemente amplia y
estimular las variables de incidencia en el proceso para promover la actividad de los
microorganismos encargados de degradar los hidrocarburos. Antes de extender el
suelo contaminado se deben adecuar las condiciones de la superficie para controlar
los lixiviados y las aguas lluvias (Zitrides, 1990).
56
Una vez extendido el suelo contaminado se irriga con las soluciones de nutrientes, los
microorganismos y los aditivos químicos en el caso que sean necesarios para la
biodegradación. Periódicamente se debe airear el suelo para suministrarle oxígeno,
con la ayuda de tractores y retroexcavadoras (aireación mecánica) o sistemas de
inyección de aire comprimido. Además, el espesor del suelo extendido debe ser menor
de 70 u 80 cm, con el fin de permitir la transferencia de oxígeno del aire atmosférico a
la pila del suelo,
El sitio donde se realice el tratamiento debe ser adecuado para el manejo de aguas
lluvias y control de agua de escorrentía. El suelo extendido debe tener una pendiente
para retirar excesos de humedad en la pila. Se deben construir canaletas o diques en
tierra o suelo – cemento para evitar la entrada de agua de escorrentía a la zona de
tratamiento. En áreas de riesgo de contaminación de acuíferos, se debe
impermeabilizar la zona de tratamiento con sellos de arcilla o geomembranas para
evitar el arrastre de hidrocarburos solubles de las lluvias hacia las aguas subterráneas.
Para empezar el procedimiento, se hace una búsqueda y selección de bacterias
nativas aisladas de las muestras de suelos que se encuentran contaminados, ya que
estas tienen la capacidad catabólica para crecer bajo las condiciones físico-químicas y
de estrés a las que están sometidas, y tendrán un mejor desempeño a la hora de la
biorremediación.
La búsqueda comienza en el procesamiento de una muestra de suelo mediante una
serie de diluciones, tratando de obtener aquellos morfotipos cultivables; ya que una
gran parte de los microorganismos del suelo no pueden ser recuperados en medios
para el cultivo de microorganismos.
Además de una búsqueda general, se realiza una específica a través de medios
selectivos y diferenciales, en la cual se pretende aislar ciertos morfotipos como las
Pseudomona sp. y bacterias lactosa positivas (bacterias capaces de utilizar la lactosa),
debido a su bien conocida actividad degradadora de hidrocarburos.
Luego, estas diluciones son sembradas en diferentes medios de cultivo donde grandes
familias de morfotipos se hacen presentes; éstas varían en densidad y diversidad. La
diversidad está determinada por los morfotipos recuperados que se diferencian según
su morfología macroscópica (su aspecto físico), mientras que la densidad está
determinada por el número total de individuos que pertenecen a un grupo con una
morfología macroscópica común.
Estos datos de densidad y diversidad son de gran valor. Primero, porque indican
acerca de la calidad microbiana del suelo, ya que un suelo que tiene gran número de
morfotipos, es un suelo que tiene vida y por ende presenta una buena prospección
para la biorremediación debido a su posible alta actividad microbiana. Segundo,
porque aquellos morfotipos que se encuentren en mayor número serán seleccionados
por su habilidad para sobrevivir a la presión selectiva del contaminante y para usarlo
como fuente de energía y carbono, pues por eso están creciendo.
Ya seleccionados los morfotipos se conforma un consorcio o pool de microorganismos
degradadores de hidrocarburos y, utilizando la estrategia de bioaumentación, se hace
57
una producción a mayor escala y en proporciones estratégicas de estos. En esta
producción debe tenerse en cuenta el volumen de suelo contaminado para
biorremediar, la concentración del contaminante y las clases de morfotipos que se
aislaron.
Los factores a tener en cuenta en la aplicación del “Landfarming” son:
La existencia de unas condiciones geológicas y geoquímicas favorables.
El manejo de un consorcio microbiano sobre la utilización de un solo
morfotipo, debido a que los morfotipos al estar en grupo pueden tolerar
mejor los cambios físico-químicos en el campo y sus actividades
metabólicas pueden interactuar entre sí para la parcial o final
biorremediación.
Conocer las condiciones ambientales en las cuales se desea que los
morfotipos trabajen, para así poder optimizar la biorremediación,
cambiando los posibles parámetros físicos o químicos que puedan ir en
contra de la actividad microbiana en el material a biorremediar o en el
ambiente.
Resaltar la importancia que tiene la selección de microorganismos
autóctonos (aislados del lugar para la biorremediación), debido a que
estos morfotipos se encuentran mejor adaptados al contaminante; a
diferencia de morfotipos foráneos, que aunque con una gran actividad
biorremediadora, pueden no funcionar bajo las condiciones ambientales
del lugar.
Ventajas.
Es económico con respecto a otras técnicas de biorremediación.
Es un proceso considerado de bajo nivel tecnológico que no requiere
exigentes consideraciones de ingeniería, y a la vez permite una fácil
manipulación y control de las variables de diseño y operación.
Desventajas.
Requiere grandes extensiones de terreno para disposición de suelos y
no es viable si no se cuenta con suficiente área.
Cuando los contaminantes son hidrocarburos livianos la remediación
puede ser acelerada por su volatilización, lo cual generaría problemas
con las autoridades ambientales donde las regulaciones de emisiones
atmosféricas son exigentes.
Cuando la contaminación es profunda los costos de excavación y
movimiento de tierras pueden ser altos.
58
5.2.2. Bioceldas o biopilas La técnica conocida como bioceldas o biopilas es un tratamiento de biorrecuperación en condiciones no saturadas, que consiste en la reducción de la concentración de contaminantes derivados del petróleo en suelos excavados mediante el uso de la biodegradación a partir de la construcción de un sistema cerrado que permita controlar lixiviados, hidrocarburos volátiles y algunas variables de diseño mediante el suministro de nutrientes y oxígeno a través de la pila del suelo. La técnica consiste en la formación de pilas de material biodegradable de dimensiones variables, formadas por suelo contaminado y materia orgánica (compost) en condiciones favorables para el desarrollo de los procesos de biodegradación de los contaminantes. En el fondo de la pila el sistema cuenta con un aislante que generalmente son geomembranas o canales plásticos para el control de lixiviados. Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireación, con distribución permanente de nutrientes, microorganismos y aire. En principio, las biopilas se pueden aplicar a la mayoría de los compuestos orgánicos, siendo más eficaz en los compuestos de carácter más ligero. Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas se destacan:
Los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el suelo en concentraciones menores a 50.000 ppm.
Dada la necesidad de excavación y posterior depósito del suelo
contaminado, se requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensiones dependen del volumen de suelo a tratar.
Necesidad de una densidad de poblaciones microbianas (>1.000
CFU/gramo de suelo), condiciones de humedad (40 a 85% de capacidad de campo), temperatura (10 a 45ºC), textura (baja proporción de arcillas), pH del suelo adecuadas (6 a 8) y baja presencia de metales pesados (< 2.500 ppm).
La concentración de nutrientes en el suelo cuyo rango normal de C:N:P sea
de 100:10:1.
Ventajas.
Esta técnica es muy eficiente en el tratamiento de residuos con bajas
concentraciones de hidrocarburos.
Por ser un sistema cerrado permite un mayor control de las variables del proceso, como el control de condiciones climatológicas adversas (baja temperatura o alto régimen pluviométrico).
Cuando no se dispone de espacio suficiente para extender el suelo, este sistema permite construir pilas de suelo cuatro o cinco veces más altas que en una disposición sobre el suelo (ocupa diez veces menos área)(Zitrides, 1995).
59
Desventajas.
Si en el proceso se generan gases o vapores de hidrocarburos volátiles
regulados por la autoridad ambiental, o las condiciones climatológicas de la zona pueden afectar negativamente la eficiencia del proceso, la pila del suelo se debe cubrir con membranas o poner techo de forma similar a los invernaderos. Los vapores generados en el proceso se deben colectar y tratar antes de ser emitidos a la atmósfera. Lo que incurre a costos adicionales.
Como todos los tratamientos “Ex Situ”, cuando la contaminación es muy
profunda, el movimiento de tierra puede requerir costos más altos.
5.2.3. Tratamiento de biosuspensión
También conocido como sistema biorreactor o contacto líquido-sólido. El procedimiento consiste en excavar el suelo contaminado y luego introducirlo en un reactor añadiendo nutrientes, agua, y los cultivos microbianos adecuados para que se lleve a cabo la degradación. Se mezcla bien y se airea la suspensión hasta que las transformaciones de los compuestos seleccionados para su eliminación alcanzan el nivel deseado. A continuación se detienen el mezclado y la aireación, y se deja a los sólidos separarse de los fluidos por sedimentación. El sedimento es retirado y, si la transformación ha tenido éxito, el suelo se devuelve a su lugar de origen, mientras que los líquidos se tratan como aguas residuales. El suministro de oxígeno puede realizarse mediante aireación difusa, turbina difusora y aireación superficial (Metcalf y Eddy, 1991). La tasa de transferencia de oxígeno necesaria es función de la tasa de degradación de los compuestos orgánicos y de la tasa de crecimiento microbiano. Su determinación no es fácil de hacer, sin embargo, las tasas de transferencia disminuyen al aumentar la concentración de sólidos suspendidos. El mezclado y el suministro de nutrientes también son fundamentales, ya que por el primero se incrementa el contacto entre los microorganismos y los componentes contaminantes, dando como resultado un incremento de las velocidades de transferencia de masa y de reacción. Los nutrientes normalmente optimizan la biorrecuperación por favorecer el crecimiento de los microorganismos. Por otro lado, el mezclado y la aireación ayudan a romper los flóculos de tierra y a disolver los contaminantes.
Ventajas.
En comparación con otros procesos de tratamiento, los reactores vía
suspensión proporcionan el mayor contacto entre los contaminantes, los microorganismos, el oxígeno, el agua y los nutrientes.
La capacidad de controlar los sistemas del tratamiento vía suspensión es mucho mayor y por tanto puede ser la tecnología más efectiva.
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El tratamiento vía suspensión puede aplicarse en particular a los
suelos contaminados con residuos oleosos y de consistencia alquitranada (siendo estos compuestos difíciles de biodegradar).
Es más rápido y requiere menos superficie que otros sistemas.
Desventajas.
Debido al energético mezclado y a la aireación forzada se favorece
el escape de emisiones de aire, por ello la suspensión no es una buena elección para suelos donde los compuestos volátiles sean mayoría.
Esta técnica demanda mayor cantidad de dinero a comparación de otras técnicas de biodegradación.
5.3. FITORREMEDIACIÓN: OTRA ALTERNATIVA DE BIORREMEDIACIÓN
La fitorremediación constituye una variación de las técnicas de biorremediación, que
se basa en el uso de plantas verdes y los microorganismos asociados a ellas así como
las enmiendas del suelo y técnicas agronómicas dirigidas a liberar, contener, o
transformar en compuestos inocuos a los contaminantes del suelo (48).
Inicialmente, el término de fitorremediación se asoció al uso de plantas capaces de
bioconcentrar niveles inusuales de metales en sus tejidos. La mayor parte de ellas
están constituidas por pequeñas plantas herbáceas que se desarrollan en zonas
metalúrgicas naturales o en depósitos (49).
Hoy en día, las investigaciones en fitorremediación se encaminan no sólo al
tratamiento de contaminantes inorgánicos (metales, metaloides, haluros y
radionucleidos), sino también al tratamiento de contaminantes orgánicos (50); algunas
especies de plantas probadas con éxito en la fitorremediación de suelos contaminados
con hidrocarburos del petróleo son: Zea mays L., Panicum maximun Jacq., Paspalum
virgatum L., Echinochloa polystachya H.B.K., Sorghum vulgare L., Phaseolus vulgaris
L., Phaseolus coccineus L., Chamaecrista nictitans (L.) Moench., Brachiaria brizantha
(Hochst. ex A. Rich) Stapf., Triticum aestivum L., Hordeum vulgare L., entre otras.
(Revista Latinoamericana de Microbiología vol 48. Abril - Junio de 2006)
Comprendiendo tanto los procesos dirigidos a liberar el contaminante de la matriz del
suelo (descontaminación), como los encargados de secuestrarlos en dicha matriz
(estabilización).
61
La fitorremediación comprende tanto los procesos dirigidos a liberar el contaminante
de la matriz del suelo (descontaminación), como los encargados de secuestrarlos en
dicha matriz (estabilización).
5.3.1. Fitodescontaminación y fitoestabilización
La fitodescontaminación es el proceso por el cual la concentración de contaminantes
del suelo se reduce a niveles tolerables a través de la acción de las plantas, su
microflora asociada y de las técnicas agronómicas apropiadas. A su vez, comprende
los siguientes procesos:
Fitoextracción. Es el proceso por medio del cual, tanto los contaminantes
metálicos, como los contaminantes orgánicos del suelo, son absorbidos
directamente por las plantas e incorporados a su biomasa, que con
posterioridad será recolectada para su destrucción.
Fitovolatilización. Proceso por el cual las plantas y la actividad microbiana
asociada, a través de enzimas especializados, pueden transformar, degradar y
finalmente volatilizar los contaminantes desde el suelo. La volatilización puede
producirse tanto desde el sistema radicular como desde la parte superficial del
suelo.
Fitodegradación. Es el proceso mediante el cual las plantas toman el
contaminante y lo metabolizan transformándolo en un material sin riesgos para
el medio natural.
Rizodegradación. Es el proceso por medio del cual las raíces de las plantas, su
microflora asociada y/o los productos excretados destruyen el contaminante en
la zona radicular.
La fitoestabilización es el proceso que está encaminado al secuestro y estabilización
de los contaminantes en los suelos. Se utilizan plantas tolerantes al contaminante,
capaces de estabilizarlo mecánicamente, y por tanto impiden su transporte a otros
medios, incluyendo el agua subterránea.
5.3.2. Tolerancia de las plantas a los contaminantes
Una característica esencial en cualquier tecnología de fitorremediación es la tolerancia
de las plantas a los contaminantes, que se define como la capacidad para resistir la
acumulación en sus tejidos de elevados niveles de compuestos tóxicos. Para
comprender el desarrollo de las plantas hipertolerantes es necesario conocer las
estrategias moleculares que adoptan para resistir los efectos tóxicos de los
contaminantes inorgánicos y orgánicos.
62
Tolerancia a los metales pesados. La tolerancia a los metales pesados por las
plantas está limitado tanto por la admisión celular, como por la resistencia de
los metales una vez que han penetrado en las células.
Las estrategias empleadas por las plantas, para resistir los efectos tóxicos
causados por los metales pesados, se relacionan con los siguientes
mecanismos:
Establecimiento de enlaces entre los metales y la pared celular.
Nivel de tolerancia por la membrana celular hacia los metales.
Reducción del transporte por la membrana celular.
Flujo activo de metales desde las células hacia el exterior.
Nivel de tolerancia de los enzimas vegetales hacia los metales.
Compartimentación o acumulación del exceso de metales en órganos
subcelulares como son las vacuolas.
Quelación del metal por ligandos orgánicos y/o inorgánicos
(fitoquelatos).
Precipitación del metal al formar compuestos de baja solubilidad.
Tolerancia a los contaminantes orgánicos. Las plantas muestran una variación
considerable de su tolerancia hacia los contaminantes orgánicos; dos son los
mecanismos por los que las plantas pueden incrementar su resistencia a los
contaminantes orgánicos. El primero de ellos consiste en la transformación de
los elementos tóxicos en la rizosfera, para ello la planta libera más del 20% de
su fotosintato dentro del suelo en forma de exudado radicular. El fotosintato
liberado está constituido por una mezcla de azúcares, alcoholes, fenoles,
ácidos orgánicos y proteínas que rápidamente son utilizados por las
comunidades microbianas existentes en la rizosfera. Estas poblaciones pueden
ser, de 100 a 10.000 veces mayores que las poblaciones presentes en la
matriz del suelo, y se caracterizan por presentar enzimas específicos capaces
de metabolizar los contaminantes orgánicos hacia formas menos tóxicas.
El segundo mecanismo se produce una vez que los contaminantes han
atravesado el sistema radicular. En este caso, los elementos tóxicos pueden
seguir dos vías de transformación, por un lado se trasladan hacia brotes y
hojas para, posteriormente, volatilizarse, y por otro pueden sufrir procesos de
metabolización hacia nuevas formas. Estos nuevos compuestos pueden
mineralizarse o pueden acumularse como nutrientes o como nuevos
contaminantes. La inclusión en órganos subcelulares y la formación de otros
compuestos representan las principales vías para la desintoxicación de
xenobióticos en plantas.
63
5.3.3. Futuro de la fitorremediación
La fitorremediación es una tecnología emergente en el tratamiento de la
contaminación, su aplicación es cada vez mayor y sus resultados se están valorando
como muy positivos. La utilización de técnicas, en campo, con plantas herbáceas,
gramíneas, vegetación arbórea y algunos mutantes transgénicos, pone de manifiesto
que la fitorremediación empieza a ser una tecnología competitiva en la recuperación
de suelos contaminados.
El conocimiento de los procesos fisiológicos que tienen lugar en la planta, junto al
conocimiento de los compuestos tóxicos, está haciendo que se puedan seleccionar
plantas con mayores niveles de tolerancia hacia contaminantes específicos. Además,
por técnicas genéticas se pueden incrementar la biomasa vegetal, su morfología,
densidad radicular o penetración en profundidad, así como favorecer la existencia de
asociaciones específicas de microorganismos-raíces.
La fitorremediación podría ser particularmente atractiva en medios con bajo riesgo,
donde los contaminantes estén limitados a la zona radicular y donde no hubiera
fuertes contrastes climáticos. En estas condiciones, la velocidad de la toma de
contaminantes por especies fitoextractoras y la velocidad de fitodegradación por
enzimas específicos podrían, probablemente, ser mayores que la velocidad de difusión
de los contaminantes.
Sin embargo, la fitorremediación está limitada por las condiciones que impiden un
crecimiento normal de las plantas como son: el clima. la topografía, los procesos de
erosión, y concentraciones de contaminante que exceda del nivel de tolerancia de las
plantas.
También limita la utilización de esta técnica el tiempo que haya para la
descontaminación (la fitorremediación es lenta), y la distancia del contaminante a
zonas sensibles: ríos, lagos, lagunas y aguas subterráneas.
64
6. APLICACIÓN EN COLOMBIA
INTRODUCCION
En los suelos existe dentro de su población habitual, un reducido número de microorganismos con capacidad biodegradadora de hidrocarburos. Las moléculas orgánicas constituyentes del material vegetal y animal que como detritos, se incorporan al suelo para cumplir luego los ciclos biogeoquímicos de degradación, liberan compuestos orgánicos con estructuras y propiedades iguales o similares a las que se generan en la biodegradación de hidrocarburos, acá es importante recordar el origen del petróleo y su formación geoquímica.
El trabajo de biorremediación, se plantea como objetivo prioritario, incentivar la población autóctona para realizar el bioproceso de degradación, siguiendo estrategias de bioaumentación, primero agotando las medidas “in situ”, ya que son menos costosas y pueden generar un menor impacto al suelo.
6.1. Bioremediación de Oxisoles
Las alternativas de biorremediación para suelos de este tipo son variadas, cualquiera de las que se mencionarán mas adelante son una opción para la recuperación del terreno contaminado.
La metodología que se puede aplicar para limpiar las riberas de las zonas pantanosas e inundables (características de este tipo de suelos) que han sido afectadas por el derrame de crudo y para la descontaminación del suelo contaminado con petróleo, es el resultado de la observación en campo del comportamiento del contaminante derramado y que se ha distribuido a través del suelo y sedimento en las áreas cenagosas, así como también en el agua superficial existente. Con el fin de un proceso mas óptimo se hace necesario que el tratamiento se realice en dos fases.
Fase1.Tratamiento del suelo mediante hidrolavado: Para iniciar el tratamiento del
suelo y sedimentos de las áreas inundables, se procede a remover la vegetación (tallos, hojas y raíces). La vegetación que presente contaminación es sometida a lavado a presión con agua y con ayuda de agentes desgrasantes; una vez limpia, se deposita en los alrededores del área de tratamiento para que se degrade naturalmente. Al suelo y a los sedimentos se les trata con una solución acuosa de biodesengrasantes compuestos principalmente por aceites de origen vegetal, que químicamente contienen Ramnolípidos, fosfolípidos y lipoalcoholes de diferente contenido de carbono. Con esta mezcla de biosurfactantes catiónicos, aniónicos, terpenoides y moléculas lipoliticas lo que se logra es:
• Bajar la tensión superficial y disminuir las fuerzas de capilaridad dentro de las partículas de hidrocarburo y/o minerales de las superficies rocosas, limosas y arcillosas.
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• Crear una microemulsión del tipo Winsor III9 que sea estable.
• Solubilizar las moléculas individuales para que formen miscelas o una simple fase de microemulsiones.
El hidrocarburo desprendido se recupera utilizando sustratos vegetales oleofílicos en forma de barreras, evitando así que los productos del lavado fluyan por los cuerpos de agua. Si la cantidad de petróleo desprendido es grande justificará el uso de un skimmer de tambor o rodillo para su recuperación y almacenamiento.
Las siguientes son las actividades que se realiza para la limpieza, descontaminación y remediación del área afectada:
• Adecuación y construcción de campamento y de vías de acceso al área de trabajo.
• Desbroce y remoción de la vegetación existente en las riveras y suelos/sedimentos dentro de las zonas inundables. Este material se almacena en las áreas de lavado preestablecidas a fin de proceder a lavar y separar el hidrocarburo que esté impregnado.
• Construcción de muros de separación y delimitación del área de trabajo. Asegurarse que en los pantanos aledaños no se tenga almacenada gran cantidad de agua que pudiera afectar los procesos de lavado y remediación.
• Construcción de camas para el lavado de vegetación contaminada. El hidrocarburo liberado será colectado mediante la aplicación de agentes absorbentes.
• Instalación de casetas de bombeo: Sitios de captación de agua para el funcionamiento de las bombas e hidrolavadoras que se emplea en el lavado de las riveras y suelos/sedimentos de los pantanos.
• Lavado de sedimentos y suelos contaminados con hidrocarburos. Para este lavado se aplica biodesengrasantes a alta presión con ayuda de pitones de vástago y compresores. Con el fin de remover los sedimentos y permitir que el hidrocarburo se libere de las arcillas, limos y arenas presentes en el pantano. De igual forma, el hidrocarburo liberado se colecta en las trampas establecidas al final de cada muro de contención. Este proceso de lavado se aplica tantas veces como sea necesario a fin de remover la mayor cantidad de hidrocarburos.
• Debido a condiciones climáticas de la zonas húmedas donde se hay oxisoles, se evalúa la necesidad de encausar las aguas provenientes de los pantanos que pueden estar ubicados aguas arriba, de tal forma que el área de trabajo no este totalmente inundada.
Las siguientes son las actividades que se realizan para el tratamiento del material vegetal contaminado con hidrocarburo, material confinado y almacenado en sacos de polipropileno:
• El lavado del suelo es una técnica que consiste en el uso de agentes desengrasantes orgánicos a base de cítricos (Orange Truch), generalmente agua, acompañada de un
9 Ciertos sistemas agua - aceite- surfactante forman microemulsiones al equilibrio. Las microemulsiones
son sistemas monofásicos, termodinámicamente estables, generalmente transparentes o translúcidas, de baja viscosidad, que contienen micro-dominios deformables de agua y de aceite separadas por una película delgada y fluctuante de surfactante. Existe una microemulsión en equilibrio a la vez con una fase oleosa y una fase acuosa (Winsor III). En este caso, la formulación del sistema es calificada de “óptima” cuando la microemulsión media contiene cantidades iguales de agua y de aceite.
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procedimiento mecánico vibratorio que permite clasificar y separar el crudo de los sedimentos con el fin de depurar el suelo.
• El elemento mecánico esta conformado por zarandas vibratorias montadas sobre un tanque abierto que permite capturar el hidrocarburo recuperado; al momento de pasar el material o sedimentos por la malla este es sometido a una presión de agua combinada con agente desengrasante que remueve el hidrocarburo del sedimento.
• En el procedimiento de lavado del suelo se separa la tierra fina (limo y arcilla), de la tierra gruesa (arena y grava).
- Las partículas de grava y de arena más pesadas se asientan y son sometidas a pruebas para detectar contaminantes. Si están limpias, este material se puede usar en el sitio o llevarse a otro lugar para usarlo como relleno. Si aun quedan vestigios de contaminantes, se puede someter el material a otro ciclo de lavado, recogerlo para aplicarle un tratamiento diferente o disponerlo en otro lugar.
- El limo y la arcilla contaminados que están en el agua del lavado se asientan y se separan del agua del lavado; luego, se los somete a una prueba para determinar si contienen contaminantes. Si están limpios, este material se puede usar en el sitio o llevarse a otro lugar para usarlo como relleno. Si por el contrario, el material todavía presenta trazas de hidrocarburos, se dispone en forma de biopilas para someterlo a un proceso de degradación mediante la aplicación de nutrientes y bioventilación para que el material en contacto con el oxigeno oxide los hidrocarburos residuales.
• El agua del lavado es sometida a tratamiento, previo vertimiento o reutilización.
Fase 2. Cualquiera de las siguientes técnicas se podrá aplicar siempre y cuando se
haya realizado una primera fase de tratamiento, es decir el lavado de suelos, ya que con este primer tratamiento es posible disminuir la concentración del contaminante en al menos un 60%:
• Biorremediación in situ: El tratamiento biológico de suelos contaminados involucra el uso de microorganismos y/o vegetales para la degradación de los contaminantes orgánicos. La actividad biológica altera la estructura molecular del contaminante y el grado de alteración determina si se ha producido biotransformación o mineralización, (La biotransformación es la descomposición de un compuesto orgánico en otro similar no contaminante o menos tóxico, mientras que la mineralización es la descomposición a dióxido de carbono, agua, y compuestos celulares). Se realizan las siguientes tareas:
a. Se Construye un canal de drenaje en el área de confinamiento del material contaminado a fin de eliminar la mayor cantidad de agua posible del bajo existente; este canal de drenaje deberá atravesar los pantanos.
b. Remover el suelo y sedimentos de los pantanos con la finalidad de recuperar el hidrocarburo libre, facilitar la homogenización del material y permitir evaporación del exceso de agua presente.
c. Incorporar material de soporte: Este puede ser residuos vegetales que permitirán una fácil aireación y oxigenación del medio en tratamiento.
d. Aplicación de fertilizantes: Se usarán fuentes de nitrógeno, fósforo y potasio necesarios para el incremento y desarrollo de población microbiana con capacidad degradadora de petróleo.
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e. Aplicación de fertilizantes orgánicos: Estos pueden ser gallinazas, estiércoles y otros que a mas de aportar con cepas microbiana con capacidad de degradación de petróleo, proporcionaran fuentes de nutrientes y oligoelementos necesarios para el desarrollo biológico en el suelo en tratamiento.
f. Aireación mecánica, a fin de incrementar la disponibilidad de oxigeno para el crecimiento microbiano y para el proceso de evapotranspiración del agua existente.
g. Aplicación de caldos y medios de cultivo provistos de cepas endémicas de organismos degradadores de petróleo, aisladas del sitio de remediación, clasificadas, potenciadas y bioaumentadas.
Esta técnica de biorremediación in situ se puede aplicar siempre y cuando los niveles de hidrocarburos no sean tan altos y no haya presencia de hidrocarburo intemperizado.
• Bioventing: Técnica de tratamiento de biorrecuperación de tipo “in situ”, consistente en la ventilación forzada del suelo mediante la inyección a presión de oxígeno (aire) en la zona no saturada del suelo a través de pozos de inyección. Debido a la aireación del suelo se va a favorecer la degradación de los hidrocarburos por dos motivos: por volatilización, facilitando la migración de la fase volátil de los contaminantes, y por biodegradación, ya que al incrementar la oxigenación del suelo se va a estimular la actividad bacteriana.
• Biopila: También conocidos como bioceldas. Son usadas para reducir las concentraciones de los constituyentes del petróleo en suelos excavados mediante la biodegradación. Esta tecnología involucra el apilamiento del suelo en celdas y la estimulación de la actividad aeróbica de los microorganismos dentro del suelo a través de la aireación y o adición de minerales, nutrientes y humedad. Las biopilas son similares al landfarming, los dos métodos son en la superficie del terreno, pero en las biopilas se utilizan sistemas de ingeniería que usan oxigeno, generalmente aire, para estimular el crecimiento y reproducción de las bacterias aeróbicas, las cuales degradan los constituyentes del petróleo absorbidos en el suelo. Mientras que los landfarmig son aireados por labrado o arado, las biopilas son aireadas mas a menudo forzando aire a moverse por inyección o extracción a través de ranuras o tuberías perforadas en toda la pila.
El proceso de biodegradación empieza con la mezcla de los residuos aceitosos o suelos contaminados con la tierra del sector dispuesto para el tratamiento, previa caracterización físico-química y microbiológica del suelo, y posterior adición de nutrientes fundamentales para la estimulación del crecimiento bacteriano nativo, como el Nitrógeno, Fósforo y Potasio.
6.2. Bioremediación de Ultisoles
Se ha evaluado la efectividad de varios productos comerciales formulados para la biorremediación de sitios contaminados con hidrocarburos de petróleo, en combinación de dichos productos y un fertilizante agrícola en una vegetación pantanosa contaminada con petróleo crudo a una concentración de aproximadamente 30% y encontraron que entre los diferentes tratamientos el mejor fue el fertilizante agrícola, pero también el producto surfactante ligero con nutrimentos funcionó relativamente bien.
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El remediador aplicado consiste en una formulación a base de biomasas vegetales que combina diferentes partes aéreas de plantas en proporciones específicas que suministran nutrimentos, particularmente nitrógeno, a los procesos de biorremediación. Además del contenido de nitrógeno y otros nutrimentos, las biomasas vegetales actúan mejorando la estructuración del desecho, al incrementar la porosidad en el desecho y por ello el intercambio de oxígeno. Todas estas características favorecen el proceso de biodegradación de los componentes saturados y aromáticos de un crudo, cuya dosis de aplicación del producto varía en función de la concentración del crudo en el desecho.
Este producto ha sido aplicado exitosamente en áreas sensibles como los ultisoles, para restaurar suelos altamente meteorizados que han sido afectados por derrames de crudo.
Además de la biodegradación de los componentes saturados y aromáticos, los productos remediadores actúan como un mejorador orgánico, restaurando el equilibrio ecológico del suelo al favorecer el desarrollo de la cobertura vegetal. Una vez aplicado, el producto se mezcla por medio de maquinarias en los primeros horizontes del suelo, ajustando el porcentaje de humedad del suelo a un 60 % de la capacidad de campo. La aplicación del producto remediador no sólo se limita a la recuperación de suelos impactados por crudo, al mejorar los procesos de biodegradación, sino que se aplica al manejo de desechos durante la perforación, conocidos como ripios base aceite, y a la recuperación de áreas, mediante el tratamiento orgánico, como es el caso de las arenas petrolizadas. Después de las labores de recolección del crudo, siempre queda un remanente de arenas petrolizadas. Éstas son apiladas y tratadas con el remediador al 3%, previa evaluación, a nivel de laboratorio, de su efectividad. El producto remediador es aplicado para mejorar la calidad orgánica. La mejora de las arenas desde el punto de vista biológico permite su disposición efectiva, estableciéndose una rápida cobertura vegetal propia del ecosistema característico de regiones con este tipo de suelos.
Se han observado resultados del efecto positivo del uso del remediador sobre algunas propiedades químicas de las arenas petrolizadas. Se observa un incremento del contenido de materia orgánica, nitrógeno y fósforo total; así como una disminución de la relación de adsorción de sodio, pH, y contenido de aceites y grasas. Estos cambios, generados por la adición del producto remediador permiten la restauración efectiva de estas áreas.
6.3. Bioremediacion de Inceptisoles
Los suelos que corresponden al orden Inceptisoles, incluyen suelos de regiones subhúmedas y húmedas, que no han alcanzado a desarrollar caracteres diagnósticos de otros ordenes, pero muestran evidencias de desarrollo progresivo, son suelos inmaduros, con escasa expresión morfológica.
Los parámetros edáficos que determinan y condicionan la elección de un suelo para "landfarming" son: textura, estructura, pH, temperatura, porosidad, velocidad de percolación, capacidad de retención de agua, infiltración, contenido de oxígeno, contenido de macro y micronutrientes, humedad.
La textura del suelo incide en la aireación, en su capacidad de retención de agua, porosidad y velocidades de percolación e infiltración. Los suelos dicho orden, pueden
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ser predominantemente limo-arcillosos en superficie y netamente arcillosos en profundidad, poseen buen drenaje.
La temperatura del suelo, recomendada para la biodegradación del petróleo se encuentra entre 20 y 30 ºC; si se utiliza la población microbiana autóctona del suelo se puede lograr que los microorganismos involucrados posean estrategias adaptativas de sobrevivencia para soportar la variabilidad climática de su hábitat natural.
La estructura, textura y materia orgánica del suelo son factores determinantes de la porosidad del mismo, entonces estos parámetros deber ser determinados antes, durante y luego de finalizado el biotratamiento. Otros nutrientes como zinc, calcio, hierro, molibdeno, azufre, etc., llamados micronutrientes, por sus pequeñas concentraciones, también deben controlarse y suministrarse en caso necesario.
El laboreo agrícola debe iniciarse previo a la incorporación del residuo, con el objeto de descompactar, airear y homogeneizar el material de las capas superficiales, de modo que pueda aumentarse mecánicamente el número de poros.
Para este tipo de suelos se hace posible utilizar uno o varios métodos a la vez para recuperar la actividad microbiológica del suelo, pues es necesario que en las temporadas secas donde se evidencia la compactación del terreno, se haga riego del terreno y en las temporadas de lluvias se realicen calicatas exploratorias y laboreo agrícola con herramientas convencionales.
Las celdas Landfarming, la bioaumentación y la fitorremediacion son métodos que se pueden utilizar en este tipo de casos, en algunos, se hace necesaria la utilización de los tres métodos, lo que depende del daño (antecedentes del suelo), de las características climáticas de la zona y de la actividad microbiológica del suelo, estudiada con anterioridad.
6.4. Biorremediación de Aridisoles y Entisoles
El tratamiento para la recuperación de áreas de este tipo consiste en la aplicación de procesos de biorremediación y Landfarming in situ, en un trabajo artesanal y manual, efectuando una bioaumentación con bacterias autóctonas, con el objeto de acelerar el proceso de degradación del contaminante. De esa manera se aumentan las posibilidades de mantener las características bióticas de la tierra, y se reducen los tiempos para la resolución del problema.
Durante los primeros días se realizan las siguientes actividades:
Extracción de muestras para determinar la calidad del hidrocarburo y la concentración presente del mismo.
Se retiran las tierras afectadas, impregnadas, tratando las mismas en la cancha de Landfarming de una empresa asentada en el lugar.
Se remueve el suelo en forma manual, evitando alterar la flora nativa.
Se agrega material granular para asegurar que la porosidad se mantenga, para así crear cámaras de oxígeno indispensables para el metabolismo de las bacterias (aeróbicas).
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Se controla la humedad hasta obtener la humedad ideal, y se siembran bacterias hidrocarburolíticas y nutrientes en el suelo afectado.
Para mantener el proceso degradativo, se remueve el suelo periódicamente y se controla la humedad del mismo.
6.5. Biorremediacion de Alfisoles y Molisoles
Los alfisoles y molisoles son los tipos de suelos con mayor fertilidad natural. La Bioestimulación es una buena alternativa ya que en ella es indispensable el acondicionamiento o ajuste de los principales factores abióticos, tales como pH, humedad, aireación y nutrientes, entre otros que favorecen o estimulan el desarrollo de poblaciones bacterianas. Son muchos los estudios conducidos tanto a escala laboratorio como en campo que demuestran la efectividad del proceso de biodegradación bajo la modalidad de bioestimulación, sin necesidad de añadir preparaciones biológicas, o usar la bioaumentación. Esta técnica ha sido aplicada con éxito en este tipo de suelos y se han demostrado sus bondades en comparación con la bioaumentación en diversos desechos de la industria petrolera, tales como ripios de perforación, suelos contaminados por derrames de productos y crudo, lodos de fondo de tanques y saneamiento de fosas. Su aplicación ha sido realizada como Landfarming, referida a la biodegradación del contaminante en la capa arable del suelo; composting aeróbico, formando pilas de hasta 3 m de altura y 2 m de ancho con incorporación de mejoradores orgánicos y tratamiento “in situ”, como en el caso de fosas, en las cuales se aplica el biotratamiento o biorremediación dentro de la misma, sin necesidad de remover y extraer el desecho para tratarlo en otra área.
6.6. Biorremediación de Andisoles
A este tipo de suelos se les puede aplicar la técnica llamada bioelectrocinética. Se combina la aplicación de la corriente eléctrica directa con alguna de las técnicas de biorremediación. Se busca estimular la biodegradación de contaminantes orgánicos al introducir nutrientes y bacterias dentro del suelo, de manera que el campo eléctrico desorbe los contaminantes incrementando su disponibilidad para que los microorganismos los incorporen a su metabolismo, o bien sean estabilizados como resultado de reacciones químicas entre el contaminante y productos metabólicos como el sulfuro y metales divalentes (Maini y Sharman 1999, Gent y Bricka 2001). Esta modificación ha sido probada con moléculas orgánicas sintéticas como TNT, BPC y pesticidas, entre algunos otros (Marks et al. 1994) y metales pesados como cobre (Maini y Sharman 1999). En este grupo se encuentran los procesos de "lasagna", en los cuales se intercalan estratos de materia orgánica para absorber los contaminantes que se liberaron del suelo y que migran por acción del campo eléctrico. Una vez que los contaminantes (generalmente orgánicos) se encuentran en la zona de materia orgánica, se inicia la biodegradación de los mismos en esta zona.
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7. NORMATIVIDAD
La legislación sobre contaminación del suelo no se encuentra de forma específica en
una Ley o Decreto de orden nacional, se tienen normas de ámbito regional o local
(Resoluciones por parte de las Corporaciones Autónomas Regionales), esto se debe
principalmente a que el recurso del suelo necesariamente hace parte fundamental de
los ecosistema terrestres, por lo tanto no se hace referencia exclusiva a la
contaminación del suelo como tal, sino que generaliza a la protección de los recursos
naturales.
En la Constitución Nacional de 1991 se presentan 17 artículos relacionados con la
protección, conservación, control y mejoramiento de los recursos naturales. De forma
específica sobre el suelo se menciona en los artículos 360, 361 y 366, a los cuales se
refiere la corte constitucional.
El código penal sanciona los delitos en contra de los recursos naturales en los
artículos 242 al 247. Específicamente el articulo 247 se refiere a la sanción que se
aplica a quien por contaminación ambiental ilícitamente, incurrirá, sin perjuicio de las
sanciones administrativas a que hubiere lugar y siempre que el hecho no constituya
otro delito, en prisión de uno a seis años y multa de cincuenta mil a dos millones de
pesos.
En la ley 23 de 1997 se relacionan aspectos como la prevención y control de la
contaminación del medio ambiente, mejoramiento, conservación y restauración de los
recursos naturales renovables, determinando como vienes contaminables el aire, el
agua y el suelo.
Esta ley define como contaminación a “la alteración del medio ambiente por
sustancias o formas de energía puestas allí por la actividad humana o de la
naturaleza, en cantidades, concentraciones o niveles capaces de interferir con el
bienestar y la salud de las personas, atentar contra la flora y la fauna, degradar la
calidad del medio ambiente o afectar los recursos de la nación o de particulares”.
También define Contaminante como todo elemento, combinación de elementos o
forma de energía que actual o potencialmente pueda producir alguna o algunas de las
alteraciones ambientales descritas en la definición de contaminación.
En el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio
Ambiente (Decreto 2811 de 1974), en sus artículos relacionados con el medio
ambiente, específicamente con el recurso suelo, se tienen los siguientes artículos:
Artículo 8º. Se consideran factores que deterioran el ambiente, entre otros: La
degradación, la erosión, el revenimiento de suelos y Las alteraciones nocivas de la
topografía
Artículos 182º al 186º . Relacionado con el uso y conservación de los suelos
Artículos 324º al 326º Relacionados con los distritos de conservación de suelos.
72
7.1. Reparación e indemnización
Si los demandantes se sitúan en el derecho civil común como en el derecho ambiental
o el contencioso administrativo, los perjuicios que reconozcan los tribunales y
ocasionen la compensación, han de ser actuales, directos y ciertos, cualquiera que
sea la intensidad de los mismos.10
Las posibles respuestas a la reparación ambiental pueden ser las siguientes:
La Adopción de Reglamentos. Buscan poner a prueba la responsabilidad financiera
de aquellos que con su actividad económica pueden poner en riesgo el medio
ambiente.
Fondos de Compensación. Constituidos de manera particular o mixta entre el
gobierno y los particulares, precaviendo los costes en que se pudiera llegar a incurrir
por la restauración ambiental, mientras se determina la responsabilidad legal o en los
eventos en que no se pudiera determinar el responsable.
Adhesión a Convenios Internacionales. Para buscar tanto la prevención como la
unificación normativa de todos aquellos reglamentos que regulan el caso petrolero.
Seguros Ecológicos. Por medio de los cuales se traslada la responsabilidad a la
aseguradora, son de importancia si se impone de manera obligatoria para las
actividades de alto riesgo o que puedan considerarse como peligrosas como la
actividad petrolera.
Al hablar de prevención y reparación en materia petrolera, es necesario fijar la
atención en el Sistema de Prevención y Atención de desastres, pero especialmente en
le “Plan nacional de contingencia contra derrames de hidrocarburos, derivados y
sustancias nocivas en aguas marinas, fluviales y lacustres” adoptado por el Gobierno
Nacional mediante el decreto 321 de 1999, que constituye el instrumento rector del
diseño y realización de actividades dirigidas a prevenir, mitigar y corregir los daños
ocasionados por derrames de hidrocarburos, buscando una única línea de acción. El
decreto 321 es un esfuerzo de coordinación institucional que busca atender este tipo
de emergencia a través de tanto en el sector público como privado, bajo criterios
unificados.
En cuanto a reglamentación se encuentran diversos cuerpos normativos, como es le
caso del decreto 1895 y 1973 del artículo 95, por el cual se dictan normas de
explotación y exploración petrolera11. El decreto 1945 y 1984 fija los estándares y las
normas a los se deben someter los vertimientos, normalmente asociados a la
producción.
10
Contaminación y Seguro 5º Congreso mundial del Seguro. Mapfre.1975.p.199. 11
Se debe mencionar que el Art.95 del decreto en mención dispone que:” Los operadores responsables
de cualquier tipo de contaminación, removerán a su costa de la zona afectada cualquier material
contaminante. El Ministerio podrá suspender de plano las operaciones de perforación, producción,
transporte o almacenamiento, cuando se compruebe que se han violado las normas consagradas en este
capitulo.”
73
De acuerdo con el Art. 2º de la ley 491 de 1999 en Colombia el seguro ecológico
tendrá por objeto “amparar los perjuicios económicos cuantificables producidos a una
persona determinada como parte de la consecuencia de daños al ambiente y a los
recursos naturales, en los casos de responsabilidad civil excontractual, cuando tales
daños hayan sido causados por un hecho imputable al asegurado siempre y cuando
no sea producido por un acto meramente potestativo o causado con dolo o culpa
grave; o en los casos de los seguros reales como consecuencia de un hecho
accidental, súbito e imprevisto de la acción de un tercero o por causas naturales.”
La determinación del daño a dispuesto la ley 491/99 Art.6 donde se necesita la
certificación sobre la ocurrencia y cuantía por parte de la autoridad ambiental
correspondiente. En los eventos en que el valor amparado no cubra la cuantia del
daño, quien fuere el causante del hecho deberá responder con su propio patrimonio
por todos los daños o perjuicios causados en exceso (Art.8 L491/99).
Las voladuras de oleoductos, hurtos y atentados terroristas que ocasionen derrames
no son actividad petrolera, pues en sentido estricto, el Estado no ha creado el riesgo
que origino el daño. Por tal motivo, una responsabilidad ambiental por actos terroristas
no es imputable, toda vez que el daño no ha sido ocasionado por este sino por un
tercero, lo que constituirá una causa extraña.
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TABLA RESUMEN
Región Orinoquía Amazonia Pacífico Caribe Andina
Ubicación
Se encuentra ubicada en la Megacuenca sedimentaria entre el escudo de la Guayana el flanco de la cordillera Oriental
Hace parte de la extensa Megacuenca sedimentaria desarrollada entre el Escudo de la Guayana y el flanco este de la Cordillera Oriental.
Comprende una franja larga y estrecha entre el flanco occidental de la cordillera Occidental hasta la línea dela costa, desde la frontera del Ecuador en el sur hasta la frontera con Panamá en el norte
Comprende el Golfo de Uraba en el suroccidente hasta la península de la guajira hasta el nororiente. Incluye el bloque tectónico de la Sierra nevada de Sta Marta, la depresión de la Momposina y la prte baja de las cuencas y valles aluviales de los ríos Magdalena, Sinú y San Jorge
La cordillera Central y la cordillera Occidental desde el Nudo de los Pastos en dirección sur norte pasando por la Hoz de Minamá en la cuenca de Patía y hasta las se prolonga hasta las planicies dela región Caribe. En la cordillera desde el Valle Magdalena por el occidente y los llanos Orientales por el oriente su litología la conforman los macizos de Garzón, Quetame y Bucaramanga.
T° promedio(°C) 27 28 26,4 27,6 28 - 0 en los nevados
Clima Lluvioso Cálido húmedo-muy húmedo Cálido - Isotermal Cálido Montaña tropical- selva tropical
pH < 5 5.5 - 3.7 4.5 - 5.5 > 5.6 Basico cercano a la
neutralidad
Humedad relativa >75% 84 - 88% 88.3% 80% 65% aprox
Suelos mas predominantes
Oxisoles Oxisoles - Ultisoles Inceptisoles-Entisoles Alfisoles - Molisoles
Entisoles -Inceptisoles (62%) Andisoles
Suelos menos predominantes
Ultisoles Entisoles - Inceptisoles Andisoles(montañas),
Vertisoles - Ultisoles, Oxisoles - Histosoles
Oxisoles - Ultisoles Molisoles -Alfisoles Oxisoles-
Ultisoles
Tipo de bioremediación
Hidrolabado + Bioveting o Biopilas o Bioaumentacion (in-
situ)
Hidrolabado + Bioveting o Biopilas o Bioaumentacion (in-
situ) Adición de producto
remediador (in-situ)
Land Farming+ Bioaumentación + Fitorremediación
Land Farming+ Bioestimulacion
Hidrolabado + Bioveting o Biopilas o Bioaumentacion (in-
situ) Adición de producto
remediador (in-situ)
Bioelectrocinética
75
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En general, la contaminación de suelos por productos, compuestos o desechos
orgánicos de la industria petrolera pueden ser tratados y recuperados ecológicamente
con la biorremediación, basada en la estimulación de los microorganismos para
adecuación de los factores abióticos.
Así mismo podría indicarse que en suelos de textura contrastantes como los arcillosos
y arenosos, deben emplearse acondicionadores orgánicos que permitan mejorar la
estructura de la mezcla para favorecer así la biorremediación.
Tanto los tratamientos ex-situ como in-situ son una buena alternativa para conseguir
degradar el contaminante, siendo los tratamiento ex-situ los que mejores resultados
presentan, ya que las variables pueden ser mejor controladas, es un tratamiento
costoso a causa del transporte del terreno contaminado a la zona de tratamiento. El
tratamiento in situ es el mas recomendado para suelos permeables cuando la
contaminación afecta a los horizontes subsuperficiales.
En cualquier tratamiento de biorremediación la velocidad de descomposición por los
organismos va a depender de su concentración, de determinadas características del
suelo (disponibilidades de oxígeno y de nutrientes, pH, humedad y temperatura) y de
la estabilidad del contaminante. Para definir el tratamiento mas apropiado es necesario
un estudio previo del las características edáficas del suelo y el nivel de contaminación
que presenta, con el fin recuperar sus características biológicas y morfológicas.
76
10. GLOSARIO
A
Abiótico: Que carece de vida. Se dice de los factores no vivos que conforman
un ecosistema, tales como el clima, el suelo, etc.
Actinomicetos: Grupo de bacterias de aspecto bacilar o filamentoso que según el
medio de desarrollo forman bacilos aislados o largos filamentos con aspecto
de micelios fúngicos, por lo que han sido considerados mucho tiempo como hongos.
Agua de escorrentía: son las aguas que caen y corren sobre los techos de los
edificios, en calles, aceras y en cualquier otra superficie impermeable durante un
evento de lluvia. Estas aguas en lugar de introducirse en el suelo, corren sobre las
superficies y llegan a los drenajes pluviales. En el Recinto estos drenajes descargan
en los terrenos y cuerpos de agua cercanos sin ningún tratamiento.
Alófana: Silicato de alúmina hidratado, que tiene el brillo y transparencia de la cera.
Aluvial: Se aplica al terreno que se ha creado por aluvión de materiales arrastrados por las
corrientes de agua.
Antropogénico: se refiere a los efectos, procesos o materiales que son el resultado
de actividades humanas a diferencia de los que tienen causas naturales sin influencia
humana. Normalmente se usa para describir contaminaciones ambientales en forma
de desechos químicos o biológicos como consecuencia de las actividades
económicas, tales como la producción de dióxido de carbono por consumo de
combustibles fósiles
Asfaltenos: son una familia de compuestos químicos orgánicos, resultan de
la destilación fraccionada del petróleo crudo y representan los compuestos más pesados
y por tanto, los de mayor punto de ebullición.
Aunado: unificado, aliado, unido
B
Bacteriófago: Del agente o virus que infecta y se reproduce en el interior de
las bacterias provocando su lisis (Destrucción o disolución de células o bacterias)
Bacterias Gram: Forma de clasificación de bacterias. Estas se pueden dividir en dos
grupos: Gram positivo (+) y Gram negativo (-). Esta división se basa en la capacidad
de reacción de las bacterias frente al método de coloración, desarrollado por Christian
Gram en 1884. Las que se tiñen con el colorante son Gram + y aquella que no toman
el colorante son Gram -.
77
Bacterias Obicuas: Son bacterias que se presentan en todos los hábitats y debido
principalmente a su gran adaptabilidad metabólica, pueden sobrevivir en muchos
medios que no permitirían en ningún tipo de vida.
Basalto: Roca ígnea de grano fino y composición máfica, es decir, con un alto contenido
de hierro. Se compone mayormente de piroxeno yolivino, conteniendo cantidades
menores de feldespato y cuarzo.
Biodisponibilidad: Es la fracción ingestada de un nutriente que es disponible para un
organismo. Es decir, que se refiere al porcentaje de los compuestos que dicho
organismo consume y que pueda asimilar y utilizar en sus funciones biológicas
normales.
Biogeoquímico: Ciclo que se refiere al movimiento de cantidades masivas
de carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, sulfuro, fósforo y
otros elementos entre los componentes vivientes y no vivientes del ambiente
(atmósfera y sistemas acuáticos) mediante una serie de procesos de producción y
descomposición.
Biótica: Propio de los seres vivos
C
Cámbico: Horizonte arcilloso, con menos arcilla que el argílico y el espódico, formado
por alteración.
Cementación: Trabazón sólida de fragmentos clásticos sueltos mediante un cemento
o pasta pétrea, generalmente arcillosa, ferruginosa, calcárea o silícea, que une los
elementos alógenos de las rocas clásticas, tales como areniscas, conglomerados,
brechas, pudingas, etc.
Compostaje: Ciclo aeróbico (con alta presencia de oxígeno) de descomposición de la
materia orgánica.
Cracking: Desintegración del petróleo que consiste en la ruptura o descomposición
de hidrocarburos de elevado peso molecular, como los contenidos en las fracciones de
alto punto de ebullición del petróleo crudo, en compuestos de menor peso molecular,
de punto de ebullición más bajo
D
Desadsorción: o desorción. Es lo opuesto a la adsorción, se trata de un fenómeno en
el que las moléculas adsorbidas abandonan la superficie del material adsorbente.
Desbrozar: limpiar, despejar, descombrar
Detoxificar: Proceso de eliminación de sustancias tóxicas
78
Detrito: Material de meteorización y fragmentos rocosos de cualquier tipo. Los
agentes móviles (por ejemplo, la soliflucción) los convierten en material móvil
E
Edáfico: Del suelo o relativo a él, especialmente en lo que se refiere a las plantas
Edafogénesis: Proceso de formación y evolución de un suelo
Eluviación: Proceso de arrastre de las sustancias solubles o coloidales del suelo que
lleva a la formación de horizontes eluviales, pobres en tales sustancias y designados
por la letra A. Los productos arrastrados, se acumulan en el horizonte B o de
acumulación
Epipedon ócrico: suelos que en su mayoría solamente tiene un horizonte superficial claro,
de poco espesor y generalmente pobre en materia orgánica
Esmectita: filosilicatos, son eminentemente plásticas esto es consecuencia de su
morfología laminar, a su pequeño tamaño de partícula y alta capacidad de
hinchamiento
Espódico: Horizonte con acumulación de compuestos amorfos de materia orgánica y
sesquióxidos
Exudado radicular: Se extienden todos aquellos compuestos orgánicos, liberados al
medio por raíces de plantas sanas e intactas. Bajo condiciones no estériles de trabajo,
se hace difícil establecer si los compuestos detectados son realmente excretados por
las raíces, o son el resultado de la actividad de microorganismos presentes en el suelo
o medio de cultivo.
F
Fitodegradación: Consiste en el metabolismo de contaminantes dentro de los tejidos de la planta, a través de enzimas que catalizan su degradación
Fitoextracción: Implica la captación de contaminantes del suelo y su translocación hacia los tejidos de la planta, que finalmente se cosechan y tratan. El Ni y el Zn son los metales absorbidos más fácilmente Flanco: Cada una de las partes de un pliegue (ver definición) a uno y otro lado del plano axial. Foráneos: Forastero, extranjero
Fosfolípidos: son moléculas anfipáticas, decir, tienen una región apolar hidrófoba que
repele el agua y una región polar hidrófila que tienen afinidad por la misma
Fotosintato: Carbohidratos y otros compuestos que se producen en la fotosíntesis
79
G
Geomembranas: Son geosintéticos de mayor utilización para evitar la contaminación
de los suelos generados por rellenos sanitarios, residuos de la explotación de
minerales, lodos generados en la refinería del petróleo entre otros
Gibsita: Mineral que se encuentra en suelos altamente meteorizados tales como
Ultisoles y Oxisoles, y en circunstancias especiales, en Inceptisoles y Andisoles.
Gramínea: Planta monocotiledónea, de tallos cilíndricos, huecos, con nudos llenos,
hojas alternas y largas, con flores en espiga y granos secos.
H
Haploidización: se refiere a los procesos naturales (excluyendo la erosión, por cuanto
se reducen a extraer y exportar materiales edáficos)
Hidrocarbulítica:
Hidrofilíco: que tiene afinidad con el agua
Hidrófoba: sustancias repelidas por el agua, que no pueden tener contacto o
mezclarse con ella.
Hipertolerante: En este contexto se refiere a las planas que poseen características
múltiples: crecimiento rápido, abundante biomasa, raíces profundas, fácil de cosechar
y ser capaz de tolerar y acumular una amplia gama de metales pesados en sus partes
aéreas.
Holoceno: Es la última y actual época geológica del período Cuaternario. Comprende
los últimos 11.784 años, desde el fin de la última glaciación. Es un período interglaciar
en el que la temperatura se hizo más suave y la capa de hielo se derritió, lo que
provocó un ascenso en el nivel del mar
Horizonte A: Horizonte eluvial es la parte del horizonte A a la que el agua le ha
arrebatado sus materias nutritivas.
Horizonte B: Horizonte de alteración de la roca madre a la vez que horizonte de
acumulación o iluvial.
Hopanos: biomarcadores petrogénicos útiles en el estudio de la evolución de la
degradación del petróleo cuando se emplean microorganismos
I
80
Intemperizado: Material que ha sido sometido a procesos de meteorización y/o
erosión, es decir, que ha sufrido algún cambio, sea físico o químico de como era
originalmente
Isohipertérmico: Régimen de temperatura mayor a 20ºC
Isomesicos: Régimen de temperatura de 10 a 13ºC
M
Melanización: Es el proceso responsable de la coloración oscura, más o menos
negra, que adquieren los horizontes A de los suelos. Es el resultado de la
impregnación de los restos orgánico en la masa del suelo.
Mesófila: Bacteria que descompone la materia orgánica a temperaturas que oscilan entre 30
y 400ºC
Meteorización: es la desintegración y descomposición de una roca en la superficie
terrestre o próxima a ella como consecuencia de su exposición a los agentes
atmosféricos, con la participación de agentes biológicos.
Mica: Minerales pertenecientes a un grupo numeroso de silicatos
de alúmina, hierro, calcio, magnesio y minerales alcalinos caracterizados por su
fácil exfoliación en delgadas láminas flexibles, elásticas y muy brillantes, dentro del
subgrupo de los filosilicatos
Micelio fúngico: Masa de hifas (elementos filamentosos cilíndricos característicos de
la mayoría de los hongos. Están constituidos por una fila de células alargadas
envueltas por la pared celular que, reunidas, forman el micelio)
Miscelas:
Moléculas lipolíticas: Molécula orgánica de pequeño tamaño que facilita el transporte
de las grasas hacia las mitocondrias (con ello, se agiliza su metabolismo y
degradación).
Montmorillonita: Mineral del grupo de los Silicatos, subgrupo Filosilicatos y dentro de
ellos pertenece a las llamadas arcillas. Es un hidroxisilicato de magnesio y aluminio, con
otros posibles elementos.
Morfotípos: Especies que presentan varias formas, cada uno en los estados
distinguibles
O
Oleofílicos: Absorbente para capturar petróleo o sus derivados y repeler el agua.
81
Oligoelementos: Son bioelementos que se encuentran en cantidades pequeñísimas
en los seres vivos y tanto su ausencia como una concentración por encima de su nivel
característico puede ser perjudicial para el organismo
Organofosforado: Grupo de químicos usados como plaguicidas artificiales aplicados
para controlar las poblaciones plagas de insectos
Organometalicos: Compuestos en los que los átomos de carbono forman enlaces
covalentes, es decir, comparten electrones
Oxigenasa: Cualquier enzima que oxida un sustrato mediante la transferencia
de oxígeno presente en el oxígeno molecular (O2, como en el aire)
P
Pedogénico:
Percolación: Se refiere al movimiento y filtración de fluidos a través de materiales
porosos no saturados. Por ejemplo el movimiento de un solvente a través de papel
filtro (cromatografía) y el movimiento de petróleo a través de una roca fracturada
Peroxidasa: Tipo de enzimas muy extendidas en toda la escala filogenética.
Pertenecen a la categoría de las oxidorreductasas y según el Comité de Nomenclatura
de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular se clasifican con los
números EC 1.11.
Perúdico: Régimen de humedad caracterizado porque las precipitaciones supren a las
evapotranspiraciones todos los mese del año.
Pirofilita: Recurso compuesto principalmente por el mineral pirofilita, que contiene,
además, caolinita, alunita y cuarzo.
Proteobacterias: son uno de los principales grupos de bacterias. Incluyen una gran
variedad de patógenos, como Escherichia, Salmonella, Vibrio, Helicobacter, Neisseria
gonorrhoeae y muchos otros
Protoplasma: Es un citoplasma más el núcleo. Se encuentran las proteínas, entre otros
componentes químicos
R
Radionucleidos: Elementos químicos con configuración inestable que experimentan
una desintegración radiactiva que se manifiesta en la emisión de radiación en forma de
partículas alfa o beta y rayos X o gama
Ramnolípidos: Bacterias productoras de biosurfactantes involucrados en procesos de remoción de aceites y productos relacionados
82
Rizosfera: Parte del suelo inmediata a las raíces donde tiene lugar una interacción
dinámica con los microorganismos. Las características químicas y biológicas de la
rizosfera se manifiestan en una porción de apenas 1 mm de espesor a partir de las
raíces.
S
Sequias herráticas:
Sesquióxidos: Conjunto de hidratos de hierro y de aluminio, generalmente coloidales,
que se presentan bajo una forma mas o menos libre y móvil, en el suelo
Sistema radicular: Se denomina así al conjunto de raíces
Sorción: Retención de una sustancia por otra cuando están en contacto; incluye las
operaciones de absorción, adsorción, intercambio iónico y diálisis
T
Termófilo: Se aplica a organismos vivos que pueden soportar condiciones extremas
de temperatura relativamente altas, por encima de los 45ºC, o relativamente bajas
Terpenoide: Diversas clases de compuestos orgánicos similares a los terpenos.
Pueden verse como formados por unidades de 5-carbono isopreno, ensambladas y
modificadas de muchas maneras diferentes, siempre basadas en el esqueleto del
isopentano
U
Údico: Regimen de humedad característico de los suelos de climas con una
distribución regular de la pluviometría a lo largo del año. En verano llueve lo suficiente
para que el aua almacenada en el suelo iguale o supere la evaporación potencial. Si
hay sequías, son cortas y muy poco frecuentes.
Ústico: Régimen de humedad del suelo intermedio entre los regímenes arídico y
údico, y que es caracteristicos de algunas regiones subhumedas o semiáridas, o de
las regiones tropicales y subtropicales del clima monzónico
V
Vacuolas: Órgano celular presente en plantas y en algunas células protistas eucariotas.
Las vacuolas son compartimentos cerrados que contienen diferentes fluidos, tales
como agua o enzimas, aunque en algunos casos puede contener sólidos
83
Vermiculita: Mineral formado por silicatos de hierro o magnesio, del grupo de las micas.
X
Xenobiótico: Se aplica a los compuestos cuya estructura química en la naturaleza es
poco frecuente o inexistente debido a que son compuestos sintetizados por el hombre
en el laboratorio
84
11. ANEXO A
PRINCIPALES OLEODUCTOS EN COLOMBIA
11.1 TRANSPORTE DEL CRUDO
FIGURA A1. Esquema del transporte del petróleo desde el campo petrolífero hasta el
puerto marítimo (Fuente: ECOPETROL S.A, 2009)
El paso inmediato al descubrimiento y explotación de un yacimiento es su traslado
hacia los centros de refinación o a los puertos de embarque con destino a la
exportación.
Para ello se construye un oleoducto, trabajo que consiste en unir tubos de acero a lo
largo de un trayecto determinado, desde el campo productor hasta el punto de
refinación y/o de embarque. La capacidad de transporte de los oleoductos varía y
depende principalmente del diámetro de la tubería. Es decir, cuanto más grande sea el
diámetro, mayor la capacidad. En Colombia hay oleoductos desde 4 hasta 36
pulgadas de diámetro.
Estas líneas de acero pueden ir aéreas en puentes colgantes y sobre la superficie o
85
bajo tierra y atraviesan la más variada topografía. En Colombia, las tuberías bajo tierra
generalmente van enterradas a 1,20/2,0 metros de profundidad.
En la parte inicial del oleoducto una “estación de bombeo” impulsa el petróleo y,
dependiendo de la topografía por donde éste pase, se colocan estratégicamente otras
estaciones denominadas de reimpulso o refuerzo, necesarias para que le permitan
superar sitios de gran altura, como las cordilleras en Colombia, y transportar el
petróleo hasta la estación terminal.
Los oleoductos disponen también de válvulas de seccionamiento y válvulas de choque
que permiten controlar el paso del petróleo entre la estación inicial y terminal y atender
oportunamente situaciones de emergencia.
El gas natural se transporta en idénticas circunstancias, pero en este caso la tubería
se denomina “gasoducto”. Hay ductos similares que cumplen funciones específicas:
poliductos para gasolinas, A.C.P.M. y otros derivados; propanoductos para gas
propano, combustoleoductos para combustóleo, etc.
Los buque-tanques son enormes barcos dotados de compartimentos y sistemas
especiales diseñados para el transporte marítimo de petróleo crudo, gas, gasolina o
cualquier otro derivado. Son el medio de transporte más utilizado para el comercio
mundial del petróleo. La capacidad de cada una de estas naves varía según su
tamaño, el servicio que preste y la ruta que cubra. Usualmente transportan cientos de
miles de barriles (ECOPETROL).
La operación de cargue puede tardar de 12 horas a dos días, contando el amarre
inicial y el desamarre final del buque en el sitio de cargue. En ella intervienen, desde
las autoridades portuarias y ambientales de la Nación donde se realiza la operación y
los representantes de las compañías que venden y compran el crudo, hasta el capitán
del buque y los buzos de puerto que conocen las tuberías por donde se transporta el
petróleo en el lecho marino.
11.2. PRINCIPALES OLEODUCTOS DEL PAÍS
Los oleoductos más importantes son:
Oleoducto Caño Limón – Coveñas. Tiene 770 kilómetros de longitud y a través
de él se transportan los crudos producidos en el campo Caño Limón (Arauca).
Oleoducto de Alto Magdalena. Transporta los crudos que se obtienen en el
Valle Superior del Magdalena.
86
Oleoducto Central de los Llanos.
Oleoducto Central S.A. (Ocensa). Con 790 kilómetros de longitud, transporta
fundamentalmente los crudos del piedemonte llanero (Cusiana – Cupiagua) hasta el terminal marítimo de Coveñas.
Oleoducto de Colombia. Tiene 481 kilómetros y conecta la estación de
Vasconia con el puerto de Coveñas.
87
FIGURA A2. Infraestructura petrolera de Colombia – Oleoductos (Fuente:
ECOPETROL S.A, 2009).
88
FIGURA A3. Oleoducto Caño Limón – Coveñas (Fuente: ECOPETROL S.A, 2009).
FIGURA A4. Oleoducto del Alto Magdalena (Fuente: ECOPETROL S.A, 2009).
89
FIGURA A5. Oleoducto Central de los Llanos (Fuente: ECOPETROL S.A, 2009).
FIGURA A6. Oleoducto Ocensa (Fuente: ECOPETROL S.A, 2009).
90
FIGURA A7. Oleoducto de Colombia (Fuente: ECOPETROL S.A, 2009).
91
12. BIBLIOGRAFÍA
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http://www.ecopetrol.com.co/especiales/elpetroleoysumundo/sumundo.htm