ContenidoCAPITULO I: INTRODUCCION1.1. GENERALIDADES ........ 31.2. ANTECEDENTES DEL ESTUDIO ......... 41.3. IMPACTO AMBIENTAL DE DERRAMES DE PETROLEO EN EL MAR 5

CAPITULO II: FUNDAMENTO TEORICO DEL TIPO DE TRATAMIENTO POR DESCONTAMINACION POR BIORREMEDACION1. 2. 2.1. DESCONTAMINACION POR BIORREMEDACION ..... 92.2. TIPOS DE BIORREMEDACION............. 132.3. FUNDAMENTO BIOQUIMICO DE LA BIODEGRADACION ... 15

CAPITULO III: FACTORES QUE DETERMINAN LA EFICACIA DEL PROYECTO DE INVESTIGACION3. 3.1. ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA BIORREMEDACION ... 163.2. MEDIDAS DE LA EFECTIVIDAD DE LA BIORREMEDACION ... 16

CAPITULO IV: DISEO Y APLICACIN DE LOS SISTEMAS DE BIOTRATAMIENTO4. 4.1. ARQUITECTURA DEL SISTEMA.... 17

CAPITULO V: BALANCE DE MATERIA Y ENERGIACAPITULO VI: EVALUACION DEL SISTEMACAPITULO VII: ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOSCAPITULO VIII: CONCLUSIONESCAPITULO IX: RECOMENDACIONESCAPITULO X: BIBLIOGRAFIACAPITULO XI: GLOSARIOCAPITULO I INTRODUCCION

GENERALIDADESLa Biorremediacin se define como el uso de organismos vivos (en este caso bacterias) para eliminar, contener o atenuar los contaminantes ambientales peligrosos como son los derrames de petrleo en el mar y otros ecosistemas. La Biorremediacin ha demostrado ser efectiva en diferentes ecosistemas marinos-costeros. Los estudios de campo demuestran su efectividad para limpiar de petrleo diferentes tipos de costas como las rocosas, arenosas, adoquinadas y en el propio mar. BIOIL-FC es un bioproducto obtenido a partir de 5 bacterias marinas hidrocarbono clsticas el cual ha sido utilizado con excelentes resultados en diferentes derrames de petrleo ocurridos en Cuba tanto en bahas como en playas y en todos los casos la remocin fue superior al 90% en 30 das.El impacto de la actividad petrolfera en el medio ambiente se ha incrementado por el aumento de la explotacin y produccin de la industria petrolera, los vertimientos industriales, el almacenaje de combustible y el transporte de los productos petroleros, entre otras causas. Es por ello que la contaminacin con hidrocarburos en el mar se ha triplicado en los ltimos aos, mientras que los suelos daados representan el 70 % del total de los ecosistemas impactados con hidrocarburos. El proceso de biodegradacin natural de los hidrocarburos del petrleo es muy lento por lo que las investigaciones relacionadas con el desarrollo y aplicacin de tcnicas eficientes para el saneamiento y recuperacin de zonas impactadas cobran cada vez mayor importancia. En las labores para mitigar los efectos de un derrame de hidrocarburos la primera accin a desarrollar es la recogida mecnica y la tcnica empleada depende de las caractersticas del lugar en cuestin. Estos tratamientos slo logran un 60% de recuperacin del petrleo originalmente derramado.Los tratamientos secundarios estn dirigidos a favorecer los mecanismos naturales como evaporacin, fotooxidacin, disolucin y biodegradacin, con el objetivo de eliminar los hidrocarburos residuales.

ANTECEDENTES DEL ESTUDIOExperiencias Cubanas en la Biorremediacin de la Contaminacin de Petrleo El incremento del transporte de hidrocarburos hacia y alrededor de Cuba, unido al crecimiento de la industria petrolera nacional provoc la necesidad de explorar la aplicacin de tecnologas de biorremediacin para coadyuvar a la proteccin del ambiente marino frente a derrames de petrleo y al incremento de la produccin de petrleo por el uso de microorganismos. Desde finales de la dcada de los 80 del siglo pasado en Cuba se ha trabajado en investigaciones relacionadas con el desarrollo de tecnologas para la biorremediacin de ambientes impactados con petrleo y sus derivados. En particular, se estableci la Coleccin de Bacterias Marinas a partir del aislamiento, seleccin y conservacin de bacterias hetertrofas de origen marino, teniendo en cuenta que la extensin y diversidad taxonmica de estos microorganismos representan un potencial para la obtencin de productos naturales bioactivos. En la actualidad la coleccin se encuentra en el Centro de Bioproductos Marinos (CEBIMAR), la cual cuenta con ms de 400 cepas de bacterias aisladas del medio marino, muchas de las cuales son capaces de degradar el crudo, producir tensioactivos, cidos orgnicos u otros metabolitos, con alta baroestabilidad y resistencia a las sales, que han permitido la formulacin de diferentes bioproductos destinados al tratamiento de ecosistemas contaminados con petrleo y sus derivados (Nez, Garateix, Laguna, Fernndez, Ortiz, Llanio, Valds, Rodrguez y Menndez, 2006). El desarrollo de proyectos de aplicacin de las potencialidades de las bacterias relacionadas con la biorremediacin de ambientes impactados con hidrocarburos surge a partir de tareas de investigacin bsica relacionadas con los resultados siguientes: Establecimiento de la coleccin de bacterias marinas degradadoras de petrleos crudos ligeros y pesados, hidrocarburos aromticos y fracciones de destilacin derivados del petrleo. Establecimiento de una coleccin de microorganismos marinos productores de tensioactivos de carcter emulgentes tiles en la degradacin de petrleo y sus derivados. Procedimientos y productos para la descontaminacin ambiental y el tratamiento de residuales de la industria petrolera. La formulacin de los biopreparados para la degradacin de hidrocarburos incluye el cultivo de clulas libres e inmovilizadas a partir de cultivos axnicos o mixtos obtenidos por va fermentativa. En particular se ha trabajado con cinco cultivos de bacterias aislados de los sedimentos de la Baha de Crdenas, Matanzas, que han mostrado su capacidad de degradar las diferentes fracciones del crudo (Nez; 2003; Cabranes, Nez y Ortiz, 2006; Cabranes, Nez y Ortiz, 2007). Entre los productos diseados y evaluados por tcnicas de inmovilizacin celular se incluye el BIOIL, k-BIOIL e IDO-225 (Nez; 2003; Fonseca, Nez y Villaverde, 2005); mientras que el BIOIL-FC est diseado a partir de un cultivo de clulas libres. El desarrollo del bioproducto BIOIL-FC permiti disear un Servicio Ambiental demandado por el sector industrial vinculado al uso del petrleo y sus derivados para el saneamiento de la contaminacin petrognica. Este servicio es brindado por el Centro de Bioproductos Marinos (CEBIMAR).BIOIL-FC es un bioproducto en forma de clulas libres y en su formulacin contiene un cultivo mixto de bacterias, el cual presenta un amplio espectro de degradacin de los hidrocarburos del petrleo. Su proceso de obtencin es por va fermentativa a partir de materias primas sencillas y su tecnologa de produccin a escala industrial est diseada para disminuir los costos de acuerdo a los recursos y condiciones disponibles. La velocidad de degradacin de los hidrocarburos contaminantes a travs de un proceso de biorremediacin vara de acuerdo a las caractersticas y naturaleza del petrleo y del sistema impactado. El tiempo de recuperacin con la aplicacin de BIOIL-FC oscila entre uno y cuatro meses, teniendo en cuenta las condiciones y caractersticas de la matriz o sistema tratado, as como el tipo de hidrocarburo. En el mar se ha demostrado su eficacia en perodos entre 30 a 45 das, determinado por las condiciones climticas, oceanogrficas, entren otras. En otros medios acuosos es importante la capacidad de mezclado y la velocidad de desplazamiento; con recuperacin a los 35 a 60 das y en el caso de los suelos entre los 90 a 120 das en dependencia de su composicin y condiciones de deterioro. Desde el ao 1990 se han desarrollado diferentes experiencias de Servicios de Biorremediacin con la aplicacin del bioproducto BIOIL-FC para el saneamiento de ecosistemas impactados con hidrocarburos con resultados satisfactorios. La primera experiencia fue desarrollada en 1990, en bioensayos a escala de laboratorio y de banco empleando residuales de la Refinera ico Lpez de la Habana y agua de formacin de la Empresa de Extraccin y Perforacin de Petrleo Crudo en Varadero Cuba (Joseph, 1996). Las experiencias se realizaron en reactores aireados con un volumen de 200 L. Los resultados de estos ensayos demostraron que los cultivos empleados degradaban estos residuales en 19 das comparables a los referidos por el American Petroleum Institute (API). Posteriormente fue desarrollada una tecnologa de biorremediacin con el producto BIOIL-FC para el tratamiento de derrames accidentales de crudo y sus derivados en diferentes ecosistemas naturales. En 1992 se llev a cabo por primera vez el tratamiento biolgico de un derrame de petrleo en Cuba. La aplicacin del BIOIL-FC permiti en solo 21 das reducir la contaminacin provocada por un derrame accidental de ms de 100 T de petrleo combustible pesado en la Baha de Cienfuegos. Adems se ha aplicado en otros accidentes ocurridos en diferentes ecosistemas marinos como bahas abiertas, playas y manglares, con resultados de remocin de los hidrocarburos de ms del 90%. Tambin el producto ha sido utilizado con xito para el saneamiento lagunas de oxidacin y otros ecosistemas como ros y ensenadas con excelentes resultados. Se ha demostrado que el proceso de biorremediacin con este producto en condiciones naturales no afecta a los ecosistemas por lo que cumple con el principio de la seguridad ambiental donde ha sido aplicado. La aplicacin del BIOIL-FC en la biorremediacin ha resultado efectiva para reducir los daos ecolgicos y econmicos ocasionados por derrames de hidrocarburos, garantizando una rpida recuperacin del rea impactada a un bajo costo aplicable a cualquier tipo de contaminacin con hidrocarburos en diferentes ecosistemas naturales; as como en la industria (Nez, Ortiz, Oramas, FonsecaCabranes, Paneque, Barbn, Daz, y Martnez, 2009.).

IMPACTO AMBIENTAL DE LOS DERRAMES DE PETROLEO EN EL MAREl impacto de los derrames de hidrocarburos en los ecosistemas marinos resulta desastroso y sus consecuencias han sido muy bien estudiadas en una gran variedad de organismos, ecosistemas y procesos biolgicos en diferentes ambientes marinos (tropicales, templados y polares). Ejemplo las macrofitas acuticas son altamente susceptibles y frecuentemente constituyen la vegetacin dominante afectada en el ecosistema impactado. Muchos animales pueden morir por efectos directos o subletales (Maki, 1991 y Baker, Clark y Kingston, 1991). Los procesos reproductivos, de desarrollo y conductal son muy sensitivos a la exposicin a los hidrocarburos, generalmente los estadios jvenes de la vida son ms sensitivos que los adultos de muchos crustceos y equinodermos juveniles y los adultos son ms sensibles que los peces juveniles y adultos. Tambin hay efectos severos sobre las poblaciones y comunidades (manglares, cinagas, etc). Las aves acuticas y los animales salvajes marinos son muy vulnerables, ocasionando daos que duran mucho tiempo en recuperar su estado normal. Los impactos econmicos son fuertes por la prohibicin de la pesca y para el turismo por la contaminacin de las playas.

CAPITULO II FUNDAMENTOS TEORICOS

1 DESCONTAMINACION POR BIORREMEDACION

La biorremediacin consiste en la adicin de materiales a sistemas o ecosistemas contaminados para acelerar los procesos de biodegradacin natural. Es una tcnica basada en la capacidad que tienen los microorganismos de crecer a partir de la utilizacin de sustancias recalcitrantes al medio ambiente (Shmaefsky, 1999, Mack Kay, 2001). Algunos de ellos son capaces de degradar estos compuestos hasta dixido de carbono, sales, agua y otros productos inocuos al medio ambiente (Advanced BioTech, 2000, Nez, 2003). Adems, es una tcnica efectiva de descontaminacin, de bajo costo, que permite tratar grandes volmenes de contaminantes y que, a diferencia de otros procedimientos de descontaminacin, presenta un impacto ambiental mnimo. La biorremediacin se utiliza actualmente para degradar los desechos qumicos orgnicos contenidos en el mar, suelos, manantiales, efluentes de plantas procesadoras de alimentos y compuestos qumicos y los lodos petrolizados de las refineras de petrleo, tanques de almacenaje, separadores de agua-petrleo, equipamiento de limpieza y derrames accidentales de petrleo. El reconocimiento que el petrleo es una mezcla compleja y degradable de hidrocarburos y el conocimiento que los microorganismos degradadores de hidrocarburos pueden ser enriquecidos en la mayora de los diferentes tipos de ambientes (Lee y Levy, 1989), han contribuido grandemente al desarrollo de las tecnologas de biorremediacin del petrleo en el mar (Halmo, 1985). La biorremediacin puede ser un proceso de aplicacin de productos aplicada en las reas contaminadas y se define como un proceso in situ; mientras que las tecnologas ex situ el material contaminado es tratado en reas de manejo destinadas a ese fin (Gruiz y Kriston, 1995; Shmaefsky, 1999). Es importante analizar en cada caso la necesidad real de aadir nutrientes al medio contaminado, pues estos pueden ser a su vez una fuente de contaminacin. La efectividad del uso de poblaciones microbianas autctonas o la adicin de poblaciones exgenas es polmica en la actualidad (Aldrett, Bonner, McDonal, Mills, y Autenrieth, 1997). Los procesos de biorremediacin se desarrollan mediante tcnicas de bioestimulacin y bioaumentacin. La tcnica de bioestimulacin se basa en el uso de nutrientes, sustratos o aditivos con actividad superficial para estimular el crecimiento y desarrollo de organismos capaces de biodegradar compuestos contaminantes del medio ambiente (Gruiz y Kriston, 1995; Baheri y Meysami, 2002; Nez, 2003). Las tcnicas de bioaumentacin describe la adicin de organismos o enzimas a un material con el propsito de eliminar sustancias indeseables (Shmaefsky, 1999). La bioaumentacin asegura que estn presentes los microorganismos especficos capaces de degradar al compuesto contaminante no deseado (Advanced BioTech, 2000). Las bacterias son los microorganismos ms comnmente utilizados para la bioaumentacin (Shmaefsky, 1999). En condiciones controladas ste es un mtodo prctico y econmicamente efectivo para eliminar la contaminacin por hidrocarburos. Los microorganismos deben estar presentes en suficiente cantidad y diversidad. Tambin deben tener asegurados sus requerimientos esenciales para lo cual se controlan rigurosamente parmetros como: nivel de oxgeno, nutrientes inorgnicos, acceso al sustrato, agua y otras condiciones como pH, temperatura, salinidad, propiedades del contaminante, etc. (Oppenheimer Biotechnology, Inc. 2001).

TIPOS DE BIORREMEDACIONBsicamente, los procesos de Biorremediacin pueden ser de tres tipos:

1) Degradacin enzimticaEste tipo de degradacin consiste en el empleo de enzimas en el sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Estas enzimas se obtienen en cantidades industriales por bacterias que las producen naturalmente, o por bacterias modificadas genticamente que son comercializadas por las empresas biotecnolgicas se usan enzimas son utilizadas en tratamientos en donde los microorganismos no pueden desarrollarse debido a la alta toxicidad de los contaminantes.2) Remediacin microbianaEn este tipo de remediacin se usan microorganismos directamente en el foco de la contaminacin. Los microorganismos utilizados en Biorremediacin pueden ser los ya existentes (autctonos) en el sitio contaminado o pueden provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser agregados o inoculados. La descontaminacin se produce debido a la capacidad natural que tienen ciertos organismos de transformar molculas orgnicas en sustancias ms pequeas, que resultan menos txicas.Existen, por ejemplo, bacterias y hongos que pueden degradar con relativa facilidad petrleo y sus derivados, benceno, tolueno, entre otros. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero las bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que sean eliminados ms fcilmente.Las actividades microbianas en el proceso de Biorremediacin se pueden resumir en el siguiente esquema:

Figura: Metabolismo Microbiano

3) Remediacin con plantas (fitorremediacin).La fitorremediacin es el uso de plantas para limpiar ambientes contaminados. Aunque se encuentra en desarrollo, constituye una estrategia muy interesante, debido a la capacidad que tienen algunas especies vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados.FUNDAMENTO BIOQUIMICO DE LA BIODEGRADACIONEl fundamento bioqumico de la Biorremediacin se basa en que en la cadena respiratoria, o transportadora de electrones de las clulas, va a producir una serie de reacciones de xido-reduccin cuyo fin es la obtencin de energa.La cadena la inicia un sustrato orgnico (compuestos hidrocarburados) que es externo a la clula y que acta como dador de electrones, de modo que la actividad metablica de la clula acaba degradando y consumiendo dicha sustancia.Los aceptores ms comnmente utilizados por los microorganismos son el oxgeno, los nitratos, los sulfatos y el dixido de carbono. Cuando el oxgeno es utilizado como aceptor de electrones la respiracin microbiana se produce en condiciones aerobias, y los procesos de biodegradacin sern de tipo aerobio; sin embargo, si utiliza los sulfatos o el dixido de carbono se produce en condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradacin sern de tipo anaerobio. Degradacin aerobia:Sustrato + O2 biomasa + CO2 + H2ODegradacin anaerobia:Sustrato (NO3- , SO4 2- ,Fe3+ ,Mn4+,CO2)Biomasa + CO2+ (N2, Mn2+ ,S2+ ,Fe2+ ,CH4).

CAPITULO IIIFACTORES QUE DETERMINAN LA EFICACIA DEL PROYECTO

2 ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA BIORREMEDACIONEl proceso de biorremediacin debe incluir invariablemente una demostracin cientfica vlida de la efectividad del proceso y la seguridad ambiental. Efectividad en el caso de la biorremediacin de petrleo, significa el establecimiento de que: a. La remocin o desaparicin del petrleo es primeramente atribuible a la biodegradacin y no a otro proceso. b. El porcentaje de incremento de la degradacin es suficientemente rpido (con verificacin estadstica) que la velocidad natural. Para poder justificar el gasto del esfuerzo de implementar el proceso de biorremediacin a una gran escala. La seguridad ambiental requiere considerables esfuerzos para verificar que ocurren efectos ecolgicos no adversos como resultado de la aplicacin de fertilizantes.

MEDIDAS DE LA EFECTIVIDAD DE LA BIORREMEDACIONSe deben considerar los siguientes aspectos:1. Cambios cualitativos en la composicin de los hidrocarburos que son indicativos de procesos biolgicos. Se realiza la cromatografa gaseosa, teniendo en cuenta los procesos de los factores ambientales (fotlisis, disolucin fsica, lavado qumico, volatilidad, etc.) que pueden contribuir a la desaparicin del petrleo. 2. Los grupos indicadores de la degradacin son los hidrocarburos aromticos seleccionados ya que s estos se degradan, los hidrocarburos alifticos sern siempre tambin intensamente degradados. 3. Disminucin del porcentaje de la masa de petrleo que son tambin indicativos de procesos biolgicos. 4. Reduccin del peso total del petrleo, determinando la prdida de peso en las distintas fracciones de hidrocarburos del petrleo 5. La medicin del nmero de microorganismos degradadores de petrleo es un indicador inicial de la factibilidad de la biorremediacin. 6. Estudio de la mineralizacin (mediciones de la produccin de CO2 total). 7. Efecto de la accin del nitrgeno

CAPITULO IVDISEO Y APLICACIN DE LOS SISTEMAS DE BIOTRATAMIENTO

3 ARQUITECTURA DEL SISTEMA

CAPITULO VBALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

4 BALANCE DE ENERGIA

BALANCE DE TRANSPORTE

ECUACIONES ADICIONALES

CAPITULO VIEVALUCION DEL SISTEMA

5 DISEO Y EVALUACION DEL SISTEMAPara el diseo de un sistema de biorrecuperacin es necesario establecer unas etapas de trabajo, en las cuales se determinan y evalan los parmetros fundamentales necesarios para su eficacia.Las etapas a seguir en el diseo de un sistema de biotratamiento son:1. Evaluacin de la viabilidad de la tcnica. Se estudiarn los parmetros de evaluacin que definen el sistema elegido, as como se evaluar las condiciones de biotratabilidad, los objetivos de limpieza exigidos y los costes de tratamiento necesarios.2. Evaluacin del diseo. Se estudiarn los factores que afectan la eficacia de la tcnica y las posibles mejores o acondicionamientos a aplicar.3. Evaluacin del control y seguimiento

CAPITULO VIIANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOS6 RESULTADOSN DE ANALISISCONCENTRACION (mg/kg)

1234 508.00

236756.78

325250.47

46981.15

Como se muestra en los resultados de laboratorio, se realizaron todas las aplicaciones de microorganismos al agua contaminada, con lo que se obtuvieron muy buenos resultados. Como se puede observar en la tabla 1, la concentracin de THP inicial fue de 234508 mg/kg, pero en las primeras aplicaciones la concentracin bajo considerablemente a 36 756,78, ya que el clima (temperatura y humedad) favoreci a la dinmica bacteriana. Se observa que a partir del segundo anlisis, la concentracin de THP disminuye muy poco, ya que las condiciones cambiaron en la zona de tratamiento, es decir, las temperaturas descendieron y la humedad aument, dificultndose la actividad de las bacterias y demorando ms el proceso de consumo de materia orgnica. Al conocer los resultados del cuarto anlisis, se observ que la concentracin de hidrocarburos estaba por debajo de la norma referencial, ya que no existe una norma peruana que regule este tipo de contaminacin. Se tom como norma referencial la norma canadiense, ya que las otras normas (mexicana, holandesa y boliviana) son tomadas en cuenta cuando el agua va a tener contacto directo con las personas. En el caso de la norma canadiense, se aplica a agua que va a ser utilizada en cultivos o en cualquier otro fin parecido.

CAPITULO VIIICONCLUSIONES

7 CONCLUSIONESSe desarroll un modelo que predice el comportamiento en el tiempo de las dinmicas principales, oxgeno y biomasa, establece un perfil en el tiempo y en el espacio para derrames de petrleo y permite la interconexin entre variables de estado (concentraciones), variables de entrada (perturbaciones), parmetros bioqumicos (mximas tasas de crecimiento de biomasa, mximas tasa de consumo de sustrato, tasas de muerte celular y coeficientes de saturacin), constantes y cinticas a travs de balances de masa, energa y cantidad de movimiento para un proceso de biorremediacin in situ con atenuacin natural estimulada. El modelo es flexible a cambios en las variables de entrada y puede aplicarse a todo tipo de agua dulce caracterizado desde un ensayo en laboratorio hasta pruebas en campo. Se considera la temperatura como variable importante en la ejecucin de los procesos fsico-qumicos y biolgicos. El perfil de temperatura permite relacionar los parmetros y variables que propician los cambios energticos y que pueden ocasionar decrecimiento o crecimiento biolgico, lo cual incide en una ptima o no atenuacin natural estimulada.

CAPITULO IXRECOMENDACIONES

8 RECOMENDACIONESEn general, la contaminacin de aguas por productos, compuestos o desechos orgnicos de la industria petrolera pueden ser tratados y recuperados ecolgicamente con la biorremediacin, basada en la estimulacin de los microorganismos para adecuacin de los factores abiticos.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 En cualquier tratamiento de biorremediacin la velocidad de descomposicin por los organismos va a depender de su concentracin, de determinadas caractersticas del suelo (disponibilidades de oxgeno y de nutrientes, pH, humedad y temperatura) y de la estabilidad del contaminante. Para definir el tratamiento ms apropiado es necesario un estudio previo de las caractersticas del agua y el nivel de contaminacin que presenta, con el fin recuperar sus caractersticas biolgicas y morfolgicas.

CAPITULO XREFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS