Resumen de Electro-biorremediación de suelos contaminados con pesticidas
La contaminación del medio ambiente en general, y del suelo en particular, es un problema sobre el que cada vez existe una mayor concienciación debido al importante impacto que genera en los ecosistemas y en la salud del ser humano. Una de las fuentes más importantes de contaminación del suelo es el uso de pesticidas o herbicidas organoclorados, principalmente utilizados en el control de plagas en cultivos agrícolas y para evitar crecimiento de malas hierbas.
A la vista de la importancia de este problema, y puesto que las leyes que regulan la descontaminación de suelos son cada vez más exigentes, actualmente se están realizando numerosas investigaciones sobre diversas tecnologías para el tratamiento de los suelos contaminados.
La presente Tesis Doctoral tiene por objetivo estudiar la remediación de suelos contaminados con compuestos organoclorados (en concreto, con pesticidas) y se ha desarrollado en el Laboratorio de Ingeniería Electroquímica y Ambiental (E3L), perteneciente al grupo de investigación TEQUIMA del Departamento de Ingeniería Química de la UCLM, y dentro del Programa de Doctorado en Ingeniería Química y Ambiental de la UCLM, regulado por el R.D. 99/2011. El grupo de investigación E3L-TEQUIMA ha trabajado en el desarrollo de procesos para la remediación de suelos contaminados desde 2007. En este contexto, se han presentado anterior a ésta, otras tres Tesis Doctorales en el campo de la remediación de suelos contaminados. La primera de ellas en 2013, titulada “Remediación electrocinética de suelos de baja permeabilidad contaminados con compuestos orgánicos hidrófobos”, la segunda en 2015, con el nombre de “Biorremediación acelerada de suelos contaminados con hidrocarburos diésel”, y la tercera, en la que se combinaban ambas tecnologías (electrocinética y biorremediación) para la eliminación in-situ de hidrocarburos diésel en suelos, titulada “Electro-biorremediación de suelos contaminados con diésel”, también en 2015. A la vista de los resultados favorables obtenidos al combinar la electrocinética con la biorremediación en un suelo contaminado con hidrocarburos y las ventajas que presentaba esta novedosa tecnología in-situ, en la presente Tesis, se aborda el problema tan común de la contaminación de suelos por el uso de pesticidas, aplicando esta técnica para su remediación. Al comienzo de este trabajo de investigación, la información bibliográfica existente sobre electro-biorremediación de suelos contaminados con compuestos organoclorados era escasa, y se consideró que dicha tecnología podía aportar resultados prometedores para llevar a cabo la remediación in situ de suelos contaminados con este tipo de contaminantes.
Por tanto el principal objetivo de la presente Tesis Doctoral es el estudio y la optimización de la técnica de electro-biorremediación para la eliminación de pesticidas en un suelo contaminado y de baja permeabilidad. Para ello, se han seleccionado dos pesticidas organoclorados como son el oxifluorfen y el ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D), como modelos de pesticida apolar y polar, respectivamente. La combinación de la electrocinética con la biorremediación se llevó a cabo aplicando diferentes estrategias novedosas como la inversión de polaridad reversible, principalmente para la amortiguación de los frentes extremos de pH provocados por la electrolisis del agua, o la aplicación de biobarreras reactivas permeables como parte biológica en la combinación “electro-bio”, siempre tratando de alcanzar altas eficiencias en esta tecnología de remediación in-situ.
Para alcanzar este objetivo general ha sido necesario desarrollar una serie de etapas. La primera de ellas ha sido el estudio de la influencia del campo eléctrico aplicado y el uso de un surfactante (esta última variable en el caso concreto del oxifluorfen) en la movilización del oxifluorfen y 2,4-D en el suelo. Esta investigación se realizó en el Centro de Investigación UFZ en Leipzig (Alemania) bajo la supervisión del Dr. Lukas Wick. Para ello, se empleó una instalación a escala laboratorio. El objeto era cuantificar la adsorción de ambos pesticidas en el suelo bajo la acción de diferentes campos eléctricos (0-2 V cm-1), evaluando variables como el contenido de materia orgánica del suelo o la influencia de la adición de un surfactante en el proceso. Los resultados obtenidos de este estudio fueron los siguientes: En primer lugar, y en el caso de un suelo arcilloso, no se observó adsorción de 2,4-D en el suelo, y tan sólo una baja adsorción en el caso del oxifluorfen. En ambos caso, el campo eléctrico aplicado no afectaba de manera significativa.
Por el contrario, la adsorción fue mucho mayor sobre un material orgánico como es el carbón activo, comprobándose que una mayor proporción de materia orgánica en el suelo favorecía la adsorción de ambos pesticidas. En este caso, se observó que la adsorción disminuía cuanto mayor era el campo eléctrico aplicado, ya que se favorecían los fenómenos electrocinéticos que intervienen en la movilidad de los contaminantes.
Por último, se estudió la desorción de oxifluorfen, compuesto de baja movilidad debido a su carácter apolar. Se observó que la desorción de oxifluorfen del suelo se mejoraba ligeramente al aplicarse un campo eléctrico en el rango estudiado. Además, se estudió la influencia de la adición de una dosis de 2,5 g L-1 de un surfactante como es el SDS en el proceso. La presencia del surfactante favorece la desorción del oxifluorfen ya que aumenta la movilidad del mismo. Todo ello indicaba que la presencia de campos eléctricos favorecería una hipotética desorción de oxifluorfen en un proceso de electro-biorremediación, y especialmente si se usa un surfactante.
Las etapas posteriores de la Tesis Doctoral se desarrollaron ya en la UCLM. La segunda etapa trata del desarrollo y estudio del funcionamiento de biorreactores de lecho fijo para el tratamiento de agua contaminada con oxifluorfen, y 2,4-D, para posteriormente ser utilizados como barreras biológicas permeables en la electro-biorremediación de suelos contaminados. Para ello, se ha logrado aclimatar un cultivo microbiano específico para la degradación de oxifluorfen, y otro para la de 2,4-D, utilizando como inóculo un fango activo de un reactor biológico de una planta de tratamiento de aguas residuales de una refinería de petróleo cercana a Ciudad Real.
Seguidamente, se ha llevado a cabo el desarrollo del biorreactor para la degradación de oxifluorfen empleando el cultivo aclimatado previamente. En el estado estacionario, el biorreactor presenta una concentración de biomasa de 15,3 gsv kg lecho-1. Además se ha comprobado que el cultivo microbiológico puede degradar el pesticida tanto en condiciones aerobias como anóxicas, utilizando oxígeno o nitrato dependiendo de la disponibilidad de ambos. Se trata de sistema robusto, capaz de degradar hasta 800 mg L-1 de oxifluorfen en menos de una semana.
De forma análoga, se ha desarrollado un biorreactor para la degradación de 2,4-D. En este caso, se ha logrado eliminar una concentración de 2,4-D en agua de hasta 1200 mg L-1, y que en estado estacionario presenta una concentración de biomasa de 11 gsv kg lecho-1. Al igual que ocurría con el caso anterior, el cultivo microbiológico puede degradar el pesticida en la biobarrera tanto en condiciones aerobias como anóxicas, utilizando oxígeno o nitrato dependiendo de las condiciones del sistema.
Una vez alcanzados los objetivos anteriores, en una tercera etapa se llevó a cabo el estudio y optimización del proceso de electro-biorremediación de un suelo real arcilloso contaminado con oxifluorfen a escala bancada, con el objeto de obtener la mayor tasa de eliminación de este pesticida del suelo aplicando dicha tecnología. Para ello, se han estudiado diferentes variables como son la frecuencia en el cambio de polaridad del campo eléctrico aplicado, aplicación de diferentes estrategias biológicas en combinación con la electrocinética (como son la bioestimulación o el bioaumento en forma de biobarreras reactivas permeables), el tiempo de operación del proceso, y por último, la influencia de adicionar un surfactante que mejore la movilidad de oxifluorfen a través del suelo, así como obtener la concentración óptima de surfactante en este tipo de tratamientos. Los experimentos se realizaron en modo discontinuo en una instalación a escala bancada de 2,4 dm3, de metacrilato, la cual se dividía en 5 compartimentos. En el compartimento central se colocó el suelo a remediar, y en el centro del suelo, transversalmente a la sección, se colocaba la biobarrera, en el caso de que la hubiera. A ambos lados se situaban los compartimentos electródicos en los cuales se insertaban los electrodos de grafito que se conectaban a la fuente de alimentación. Contiguo a estos compartimentos se situaban los compartimentos colectores para recoger el flujo electroosmótico durante el tratamiento. El campo eléctrico aplicado en todos los casos fue de 1 V cm-1, y todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente.
Para controlar adecuadamente el pH del sistema, parámetro crítico para la actividad microbiana, se propuso utilizar la estrategia de inversión de polaridad periódica del campo eléctrico aplicado. No obstante, el cambio de polaridad se puede realizar con diferente frecuencia y duración, cuyo valor óptimo dependerá, entre otras variables, de la naturaleza del contaminante, del contenido en materia orgánica del suelo, de la población microbiana, etc. En este contexto, se estudió la influencia de la frecuencia en el cambio de polaridad en un proceso de electro-biorremediación de un suelo real arcilloso contaminado con oxifluorfen con el objeto de conseguir un mayor porcentaje de eliminación del contaminante en suelo. Así pues, se estudiaron cinco frecuencias diferentes, 0, 1, 2, 3 y 6 d-1, observándose que los mejores resultados de eliminación se alcanzaban empleando una frecuencia en el cambio de polaridad entre 2 y 3 d-1 (eliminación del 15% tras dos semanas de tratamiento). Se comprobó que un aumento en la frecuencia de inversión de polaridad no influía en la temperatura del suelo, reducía considerablemente el flujo electroosmótico, y por supuesto, mejoraba el control del pH, manteniendo la actividad microbiológica a lo largo de todo el proceso y en todas las zonas del suelo. Se considera que este máximo se debe a que optimiza la acción mezcladora que supone la aplicación de un cambio de polaridad, ya que favorece el contacto entre microorganismos, contaminante y nutrientes contenidos en el suelo. Aun así, las eficacias de descontaminación eran todavía pequeñas y sugieren prolongar el tiempo de duración de los experimentos, como más adelante se mostrará.
La siguiente variable estudiada fue la estrategia biológica empleada en el proceso de electro-biorremediación. Existen diferentes combinaciones del proceso electrocinético con el tratamiento biológico. En la presente Tesis Doctoral, se evaluaron dos situaciones diferentes: la primera de ellas, bioestimulación, consiste en la aplicación de la electrocinética a la descontaminación de un suelo que ya contiene un cultivo microbiano apto para la degradación de oxifluorfen, situación que podría darse en el caso de que hubiera transcurrido un largo periodo de tiempo desde que se hubiera ocasionado la contaminación; y bioaumento, que considera ausencia de microorganismos en el suelo y por tanto se ha de inocular el cultivo microbiológico previamente aclimatado a la degradación de oxifluorfen, lo que se ha realizado en forma de biobarrera central.
La estrategia de usar biobarreras, a su vez, se ha realizado de dos formas. En primer lugar, se propone el uso de una biobarrera central empleando una porción del biorreactor de lecho fijo sobre el cual se encuentra adherido el biofilm, que previamente fue desarrollado en el biorreactor de lecho fijo previamente comentado (BB1). Una segunda alternativa de bioaumento utiliza una biobarrera más sencilla de preparar, que consiste en una mezcla de microorganismos junto con una porción de suelo limpio que se insertará en el punto central del suelo a descontaminar (BB2).
La duración de los experimentos fue de dos semanas, y la frecuencia óptima empleada de 2 d-1. La actividad biológica al final de los experimentos no solo se localizó en la zona de la biobarrera central sino que se consiguió una distribución homogénea de los microorganismos por todo el suelo. Se comprobó que la aplicación de biobarreras disminuye la intensidad de corriente y el flujo electroosmótico del proceso, reduciendo con ello la eficacia de eliminación con respecto a la bioestimulación, que pasó de un 15% a 10%, aproximadamente. A pesar de ello, el bioaumento mediante biobarreras se considera una opción válida y necesaria para las ocasiones en que la bioestimulación in situ no es viable.
A la vista de los resultados obtenidos en el estudio de las anteriores variables, y debido a que los tratamientos de biorremediación de suelos suelen ser lentos, se propuso aumentar el tiempo de operación. Para ello, se llevaron a cabo cinco experimentos, los cuales tuvieron una duración de 2, 4, 6, 11 y 24 semanas. En base a los estudios previos realizados, se seleccionó una frecuencia de 2 d-1 y una estrategia biológica de bioestimulación. Pese a los mayores tiempos de operación, se han conseguido controlar correctamente los diferentes parámetros involucrados en el proceso de electro-biorremediación (pH, conductividad, humedad y temperatura del suelo) aunque en los experimentos de larga duración se detectó pérdida de nutrientes. Se ha comprobado que al aumentar el tiempo de operación hasta 11 semanas se consigue eliminar hasta el 40% del oxifluorfen. Para tiempos de operación superiores a 11 semanas el proceso se paralizó por desactivación microbiana, la cual podría deberse a la pérdida de nutrientes, pero también a la muerte celular de los microorganismos por falta de adaptación al medio tras tiempos prolongados. Este hecho no tiene porqué ocurrir con microorganismos autóctonos, pero en el caso de microorganismos externos es algo habitual y por ello sería recomendable realizar inoculaciones periódicas.
Posteriormente, y puesto que el oxifluorfen es un compuesto apolar, de baja movilidad en este tipo de tratamientos, y en base a los resultados alcanzados en la primera etapa de la investigación, se consideró que la adición de un surfactante, como el SDS, podría mejorar la movilidad de dicho contaminante a través del suelo. Aplicando una estrategia de bioestimulación, se realizaron experimentos utilizando diferentes concentraciones de SDS en los pozos electródicos (2,5, 5, 10 y 20 g L-1) y un tiempo de operación de 2 semanas.
Se observó que el uso de una pequeña cantidad del surfactante (2,5 g L-1) mejoró la eficacia de eliminación de oxifluorfen del suelo desde el 15% (sin surfactante), hasta el 22%. Por otro lado, el empleo de mayores cantidades de SDS, entre 10 y 20 g L-1, implicaba una disminución en la eficiencia de eliminación de oxifluorfen en el suelo, debido a que el SDS es fácilmente biodegradable y existía competencia entre el propio surfactante y el oxifluorfen como fuente de sustrato de los microorganismos.
En una cuarta etapa, y de forma análoga, se propuso estudiar la optimización del tratamiento de electro-biorremediación de suelos arcillosos contaminados con el herbicida polar 2,4-D, compuesto polar, de elevada solubilidad en agua, y que a priori se movería con mayor facilidad a través del suelo. Se estudió el efecto de diversas variables buscando la mayor tasa de eliminación del contaminante en cuestión. Todos los experimentos de electro-biorremediación se realizaron en la misma instalación de la etapa anterior, bajo un campo eléctrico de 1 V cm-1 a condiciones de temperatura y presión ambiente.
La primera variable estudiada fue nuevamente la frecuencia en el cambio de polaridad. Los experimentos se realizaron con una duración de dos semanas, y empleando bioestimulación como estrategia biológica en el tratamiento. En los tres experimentos realizados (utilizando frecuencias de 1, 2 y 6 d-1) se obtuvo una eficacia de eliminación de 2,4-D del 100%, resultados muy favorables, si bien no informan de la influencia de dicha variable. Por similitud con los resultados alcanzados con el oxifluorfen, como modelo de contaminante, se seleccionó 2 d-1.
A la vista de los resultados alcanzados, se propuso disminuir el tiempo de operación con el objeto de conocer el tiempo óptimo del proceso. Así pues, se llevaron a cabo tres experimentos a 3, 7 y 10 días de duración, empleando bioestimulación y una frecuencia de 2 d-1. Los resultados indicaron que la eliminación de 2,4-D mediante electro-biorremediación, es un proceso rápido y eficaz, alcanzándose la eliminación de más de la mitad de la cantidad inicial de contaminante en el suelo en tan solo 3 días, y prácticamente su completa eliminación del suelo en 10 días.
Posteriormente, para completar el estudio de electro-biorremediación de suelos contaminados con 2,4-D, se propuso utilizar la estrategia de bioaumento mediante dos tipos de biobarreras reactivas permeables (BB1 y BB2, de forma análoga al caso del oxifluorfen). Los resultados obtenidos, muestran que el uso de biobarreras en el proceso de electro-biorremediación de suelos contaminados con 2,4-D es una estrategia viable para la eliminación de dicho herbicida. En tan solo 10 días de tratamiento se consigue eliminar entre el 75-85% dependiendo del tipo de biobarrera empleada. La biobarrera de tipo BB1 presenta eficacias de eliminación ligeramente más elevadas que la biobarrera de tipo BB2. Sin embargo, la biobarrera de tipo BB2 requiere de un menor tiempo de preparación.
Finalmente, como quinta y última etapa, tras los experimentos de laboratorio a escala bancada, se ha aplicado la electro-biorremediación en una instalación a escala de prototipo planta piloto (32 m3), utilizando un suelo real arcilloso contaminado con ambos pesticidas, con el objeto de identificar las posibles limitaciones tecnológicas que pudieran aparecer en el prototipo. La planta piloto, utilizada por el grupo de investigación en trabajos anteriores, disponía de una configuración de electrodos de forma hexagonal con alternancia de signos, y en el centro se colocó una biobarrera consistente en una mezcla de microorganismos utilizando arena como soporte de los mismos. El experimento se realizó bajo un campo eléctrico de 1 V cm-1 a temperatura ambiente y sin cambio de polaridad. Los resultados obtenidos indicaron que se eliminaba, después de 37 días, un 55% de oxifluorfen y un 84% de 2,4-D en el suelo. No obstante, la eliminación se debía en gran parte a la volatilización por el aumento de temperatura del suelo y se generaron frentes extremos de pH, conductividad y temperatura, que son más difíciles de controlar a escala prototipo, y que redujeron mucho la contribución del mecanismo biológico. Se trata del primer ensayo de electro-biorremediación a escala prototipo por lo que a la vista de los resultados obtenidos, podría concluirse que sería necesario llevar a cabo un estudio en profundidad que permita el control de pH, conductividad, y temperatura para garantizar la viabilidad de los microorganismos en el sistema.
