Universidad de La Frontera Frontera Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración
B RRE ED N DE EL CONTAMINADOS
Olga Rubilar
SUELOS Parte mineral: Es una sustancia sólida, natural,
homogénea, de origen inorgánico, de composición química definida. Materia orgánica: Es la formada por los restos animales y vegetales en diferentes diferentes estados de descomposición. atmósfera Aire: Son los gases que constituye la atmósfera terrestre, terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. las formas conocidas de vida. Microorganismos: Dentro de los microorganismos microorganismos se s e encuentran organismos unicelulares procariotas, como las bacterias, y eucariotas, como los protozoos, protozoos, una parte de las algas y los hongos, e incluso los organismos de tamaño ultramicroscópico, ultramicroscópico, como los virus. Organismos: Igual que los microorganismos, pero perceptibles perceptibles a la vista (gusanos, escarabajos,..).
SUELOS Parte mineral: Es una sustancia sólida, natural,
homogénea, de origen inorgánico, de composición química definida. Materia orgánica: Es la formada por los restos animales y vegetales en diferentes diferentes estados de descomposición. atmósfera Aire: Son los gases que constituye la atmósfera terrestre, terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. las formas conocidas de vida. Microorganismos: Dentro de los microorganismos microorganismos se s e encuentran organismos unicelulares procariotas, como las bacterias, y eucariotas, como los protozoos, protozoos, una parte de las algas y los hongos, e incluso los organismos de tamaño ultramicroscópico, ultramicroscópico, como los virus. Organismos: Igual que los microorganismos, pero perceptibles perceptibles a la vista (gusanos, escarabajos,..).
MICROORGANISMOS Y ORGANISMOS DEL SUELO
FUNCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS Y ORGANISMOS DEL SUELO Los organismos del suelo aportan una serie de servicios fundamentales para la sostenibilidad de todos los ecosistemas. - Son el principal agente del ciclo de los nutrientes. - Regulan la dinámica de la materia orgánica del suelo. - Participan en la retención del carbono y la emisión de gases de efecto invernadero. - Modifican la estructura material del suelo y los regímenes del agua. - Mejoran la cantidad y eficacia de la adquisición de nutrientes de la vegetación y la salud de las plantas.
Estos servicios no sólo son decisivos para el funcionamiento de los ecosistemas naturales, sino que constituyen un importante recurso para la gestión sostenible de los sistemas agrícolas.
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO IÓNICO DEL SUELO
CONTAMINACIÓN DE SUELOS
DINÁMICA DE LOS CONTAMINANTES EN EL SUELO
CONTAMINANTE
Volatilización Fotodescomposición
Arrastre
Superficie de suelo Descomposición microbiana Lixiviación Descomposición química Capa freática
ADSORCIÓN (materia orgánica, arcilla)
Descomposición química: Tiene lugar por procesos de oxidación, reducción, hidroxilación, dealquilación, rotura de anillos, hidrólisis e hidratación.
Descomposición fotoquímica: fotoquímica: Se produce por efecto del espectro de luz ultravioleta de la luz solar. Las fuentes de luz y su intensidad regulan el grado de descomposición de un compuesto. compuesto.
Descompo Descomposició sición n microbiana microbiana:: Los Los microo croorrgani anismos del del suel suelo o, bact bacter eriias, as, alg algas y hongos, obtienen alimento y energía para su crecimiento por descomposición de estos compuestos orgánicos sobre todo cuando carecen de otr otras fuen fuenttes. es.
Volatilización: Es la pérdida del compuesto en forma de vapor. Todas las sustancias orgánicas son volátiles en algún grado dependiendo de su presión de vapor, del estado físico en que se encuentre y de la temperatura ambiente. d Movimiento, el transporte de un plaguicida en el suelo, por disolución o arrastre mecánico, se hace bajo la influencia del agua. El grado de lixiviación está influido por las características físicoquímicas del suelo, solubilidad del producto, frecuencia e intensidad de la lluvia, etc.
Descomposición por las plantas y organismos, como consecuencia de los procesos metabólicos que tienen lugar en las plantas.
ESTADO DE LOS CONTAMINANTES EN EL SUELO
Soluble en agua Ligado a la materia orgánica Adsorbido Ocluido en las láminas de las arcilla Precipitado Incorporado organismos
MAS IMPORTANTE QUE LA CONCENTRACIÓN TOTAL ES SU ESTADO - BIODISPONIBILIDAD: Asimilación potencial por los organismos. - MOVILIDAD: Dis ersión or el medio a ua seres vivos . - PERSISTENCIA: Período de actividad del contaminante. - TOXICIDAD: Máxima concentración tolerable.
PROPIEDADES DEL SUELO QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DE LOS CONTAMINANTES Textura Estructura Porosidad y permeabilidad Capacidad de cambio iónico Materia orgánica Mineralogía de arcillas pH Microorganismos
CONTAMINANTES ORGÁNICOS
Pentaclororfenol
Simazina
Clorpirifos
INFORMACIÓN NECESARIA DEL SITIO CONTAMINADO 1. Tipo de contaminante orgánico o inorgánico, si es biodegradable, si el material peligroso para la salud de las personas y animales. 2. Cuanto contaminante fue agregado al suelo. 3. Cuáles son las caraterísticas del suelo contaminado materia orgánica).
H
4. Cuánto tiempo ha estado el contaminante en contacto con el suelo. 5. Qué tipo de tratamiento podría aplicarse.
BIORREMEDIACIÓN Y BIPROFILAXIS Biorremediación comprende el uso de microorganismos para eliminar o reducir la concentración de sustancias tóxicas presentes en suelos contaminados. Los mismos procesos biológicos empleados para limpiar un suelo ya contaminado pueden ser usados en el diseño de sistemas que previenen la contaminación, es decir que evitan o limitan el transporte de los contaminantes en el medio ambiente. Esto es lo que se conoce como Bioprofilaxis.
BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS La BIORREMEDIACIÓN es un proceso espontáneo o dirigido en el cual mediante procedimientos biológicos, fundamentalmente microbiológicos, se degradan o transforman los contaminantes hasta formas menos tóxicas o no tóxicas. Degradación de contaminantes CO2 + H2O
CO2 + H2O
Microorganismo
Los microorganismos comen el contaminante
Los microorganismos digieren el contaminante y lo convierten en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O)
CO2 + H2O
Los microorganismos liberan CO2 y H2O
Interrelación de Componentes que Determina el la Bioremediación de suelos contaminados Bioaugmentación añadir microorganismos
Surfactantes, Cosolventes, Quelatos
Sustrato (Contaminante)
Microorganismos
Medio Ambiente (Requisitos Fisiológicos)
Factores Ambientales H2O, T, pH
Nutrientes N, P, vitaminas
Aceptores de electrones O2, NO3-
Donadores de Electrones/Cosustratos H2/CH4
REQUERIMIENTOS BÁSICOS DEL PROCESO DE BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS - El proceso de biorremediación requiere nitrógeno, fósforo y/o oxígeno. Por ejemplo, cerca de 3 kg de oxígeno se requieren para mineralizar 1 kg de hidrocarburos. La relación entre el carbono contaminante nitrógeno y fósforo debe ser de 100:10:1. - Las condiciones ambientales en los suelos contaminados y aguas subterráneas son de gran importancia para el crecimiento de los microorganismos. Los más importantes factores a controlar son el pH y la temperatura. La biorremediación es favorable a valores de pH entre 6 y 8. El rango de temperatura es entre 10 y 40ºC.
OH
OCH3
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Pentacloroanisol
PCF
OCH3
OH Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
OH
TCHQ
OCH3
OCH3
HO
Cl
OCH3
etrac oro- , dimetoxibenceno
Cl
Cl
OCH3
OCH3
OCH3
- , dimetoxibenceno
, - c oro- , dimetoxibenceno
OCH3
OCH3
OCH3 HO
HO
H3CO
-
CO2 O
3,4-dimetoxibenzaldehido
O
3-hidroxy-4metoxibenzaldehido
HO
O
3-hidroxi-4-ácido metoxibenzoico
Vía propuesta para la degradación para PCF en suelo en fase slurry por Anthracophyllum discolor. Compuestos destacados corresponden a los identificados por GC-MS
SUELO
O2 Microorganismos (bacterias, hongos, actinomicetos)
Reacción
CO2 2
xenobióticos con estructuras similares a la MO
Adsorbidos y/o polimerizados en substancias húmicas
Nueva Biomasa
Compuestos intermedios tóxicos y recalcitrantes
Biodisponibles
INFLUENCIA DE LA ADSORCIÓN EN LA EVOLUCIÓN DE PLAGUICIDAS EN EL SUELO
Ejemplo: Effecto del pH del suelo en la adsorción de metales pesados
Pb Elevada adsorción Cu Zn Baja adsorción
3
Cd 3.5
4
4.5
pH del suelo
5
5.5
6
6.5
7.0
TÉCNICAS DE BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS
TÉCNICAS IN SITU La técnica In situ se basa principalmente en el tratamiento de sitios contaminados sin provocar un disturbio o excavación del suelo. Tres diferentes tipos de técnicas han sido descritas. Bioestimulación: Estimulación (por aireación o nutrientes) de la actividad microbiológica del suelo. 1).- Bioventilación: Consiste en la inyección de aire y/o nutrientes en la zona vedosa 3).- Biosparging: Consiste en la inyección de aire y/o nutrientes en la zona vadosa y saturada. Bioaugmentación: Inoculación del suelo contaminado con microorganismos.
BIOVENTILACIÓN O INYECCIÓN DE AIRE Consiste en la ventilación forzada del suelo mediante inyección o presión de oxígeno en la zona edáfica no saturada mediante pozos de inyección.
BIOSPARGING Este método combina el efecto de la ventilación con la utilización de microorganismos para degradar contaminantes adsorbidos por el suelo en zonas saturadas. El aire y los nutrientes son inyectados en las zonas saturadas
BIORREMEDIACIÓN EX SITU Esta técnica es más rápida y fácil de controlar. Sin embargo, es necesaria la excavación y el tratamiento del suelo antes y algunas veces después de la etapa de biorremediación. Por lo que presenta costos de operación superiores a los sistemas de biorremediación. -Laboreo del suelo (Landfarming). - Compostaje. - Biopilas. - Biocamas (biobed ). - Reactores con suelo en suspensión (Slurry).
LABOREO DEL SUELO (LANDFARMING) El objetivo de este sistema es estimular la capacidad degradativa de los microorganismos, mediante la humedad, la aireación y la aplicación de nutrientes Paso 1 y 2. El suelo contaminado es excavado y extendido sobre una membrana impermeable. Luego se aplican nutrientes y se mezclan con el suelo
Paso 3, 4 y 5. La capa superficial del suelo tratado es removido para remediar el suelo que está en capaz mas profundas. Mover el suelo ocasionalmente para permitir la aireación de éste. Finalmente, el suelo tratado debe ser regresado al lugar original.
COMPOSTAJE
BIOCAMAS (BIOBEDS) Son también llamados lechos biológicos, el que consisten en una mezcla de suelo, material orgánico y turba, el cual se utiliza para derrames accidentales de pesticidas, herbicidas, plaguicidas, entre otros desde los depósitos de almacenamientos o los equipos de dispersión
BIOPILAS Consiste en la formación de pilas de material biodegradable de dimensiones variables, formadas por suelo contaminado y materia orgánica en condiciones favorables para el desarrollo de los procesos de la biodegradación de contaminantes. Las pilas pueden ser aireadas en forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireación.
REACTORES CON SUELO EN SUSPENCIÓN ( SLURRY ) Consiste en la mezcla de suelo contaminado con agua en un bioreactor, en el cual se adicionan nutrientes, microorganismos y aeración. El resultado de esta mezcla es una alta velocidad de degradación y un bajo periodo de tratamiento
T=30ºC pH=4,5
Sistema de enfriamiento
Sistema de calentamiento Aireación
Figura. Reactor de tanque agitado de 5 L.
EJEMPLOS DE USO DE MICROORGANISMOS PARA LA DEGRADACIÓN DE CONTAMINANTES EN SUELOS CONTAMINADOS
HONGOS
MECANISMO DE DEGRADACIÓN
OH
BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS
Lacasa Manganeso peroxidasa (MnP) Lignina peroxidasa (LiP)
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Pentaclorofenol
Micrografía de hongo inmovilizado en granos de trigo
Hongo inmovilizado en pellets de diferentes materiales lignocelulósico s
(a)
(b)
Volumen del reactor: 5 L Volumen total: 4 L
Hongo: Anthracophyllum discolor Concentración de la biomasa inicial: 0.68 g L-1 Concentración inicial de PCF: 250 mg kg -1 Concentración inicial de glucosa: 12 g L-1 Flujo de aire: 4 L min-1 Agitación: 250 rpm Temp: 30 ºC Temperatura del condensador: 5 ºC Carga de sólido: 50 g L-1
300
7.0
) g k / g m 250 ( l a u d i 200 s e r F C 150 P e d n i c a r t n e 50 c n o C
14
12
6.5
10 6.0 8 5.5
H p 6
. 4 4.5
0
4.0 0
5
10
15
20
25
30
Tiempo (d) Figura. Degradación de PCF en biorreactor en fase en suelo slurry con Anthracophyllum discolor
2
0
) L / g ( a s o c u l G
BACTERIAS
Generalmente las bacterias realizan la degradación de contaminantes intracelularmente
Encapsulación de bacterias en alginato de calcio
FITORREMEDIACIÓN
FITORREMEDIACIÓN La fitorremediación de suelos contaminados se basa en el uso conjunto de plantas, enmiendas del suelo y técnicas agronómicas para eliminar, retener, o disminuir la toxicidad de los contaminantes del suelo.
TIPOS DE FITORREMEDIACIÓN Fitoextracción: uso de plantas acumuladoras de elementos tóxicos o compuestos orgánicos para retirarlos del suelo mediante su absorción y concentración en las partes cosechables. Fitoestabilización: uso de plantas para reducir la biodisponibilidad de los contaminantes en el entorno, mejorando las propiedades físicas y químicas del medio. Fitoinmovilización: uso de las raíces de las plantas para la fijación o inmovilización de os contaminantes en e sue o. Junto con a anterior son t cnicas e contenci n. Fitovolatilización: uso de plantas para eliminar los contaminantes del medio mediante su volatilización, y para eliminar contaminantes del aire. Fitodegradación: uso de plantas y microorganismos asociados para degradar contaminantes orgánicos. Rizofiltración: uso de raíces para absorber y adsorber contaminantes del agua y de otros efluentes acuosos.
FITOESTABILIZACION Establecimiento de plantas metalófitas y aplicación de mejoradores de sustrato adecuados a través de un programa de rehabilitación ecológica, de forma de dejar a los metales presentes en formas inocuas (estabilización química), de reducir la erosión superficial (estabilización física) y de restituir un ecosistema funcional y autosustentable (estabilización biológica).
Las plantas metalófitas son especies que han desarrollado los mecanismos fisiológicos para resistir, tolerar y sobrevivir en suelos con altos niveles de metales y por ello son endémicas de lugares con afloramientos naturales de minerales metálicos
FITOESTABILIZACION
Implica la inmovilización del contaminante a través de mecanismos tales como: - Absorción y acumulación en las raíces.
- Adsorción en las raíces.
- Precipitación en la rizósfera.
RIZODEGRADACIÓN
Consiste en la transformación de los contaminantes orgánicos através de la actividad microbiana, favorecida por la presencia de los exudados radicales, entre los que se encuentra:
Azúcares, aminoácidos, ácidos orgánicos, ácidos grasos, esteroles, nucleótidos, flavononas, enzimas.
FITODEGRADACIÓN
Incluye tanto la transformación de contaminantes por procesos metabólicos que se desarrollan en el interior de las lantas, como su transformación en el exterior de las mismas con la participación de las enzimas
RIZOFILTRACIÓN
Consiste en la adsorción, precipitación sobre las raíces, o absorción en el interior de éstas de los contaminantes presentes en: - Aguas superficiales - Aguas subterráneas - Solución del suelo A través de procesos bióticos o abióticos.
VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA FITORREMEDIACIÓN
Ventajas: -El costo de la fitorremediación es mucho menor que el de los procedimientos tradicionales in situ et ex situ. -Las plantas pueden ser fácilmente objeto de seguimiento. -Recuperación y reutilización de metales valiosos (las empresas que se especializan en la fitominería);. - Es el método menos destructivo, ya que utiliza los organismos naturales y preserva el estado natural del medio ambiente (en comparación con el uso de procesos químicos, no hay ningún impacto negativo en la fertilidad de la tierra).
LIMITACIONES: -La fitorremediación se limita a la superficie y a la profundidad ocupada por las raíces. -Un crecimiento lento y baja biomasa requieren una inversión considerable en tiempo. - El nivel y el tipo de contaminación afecta a la fitotoxicidad de los contaminantes. Posible bioacumulación de contaminantes a través de la cadena alimentaria, desde el nivel de los consumidores primarios a los secundarios.
PROYECTO DESARROLLADO POR LA CIMM-INIA-INNOVA CORFO (CIMM:Centro de Investigación Minera y Metalúrgica)