Marcadores moleculares de residuos de hidrocarburos con aplicaciones ecotóxicas

Transcripción

1 Marcadores moleculares de residuos de hidrocarburos con aplicaciones ecotóxicas Raúl Uribe-Hernández 1,*, Marco Alejandro Montes de Oca García 1, Victor Emigdio Martínez Martínez 1, Juan Antonio Zermeño Eguía Lis 1, Lilia Castro Ortiz 1, Myriam Adela Amezcua Allieri 1. 1 Instituto Mexicano del Petróleo/ México, DF, L. Cárdenas 152, Col. San Bartolo Atepehuacan, CP 07730/ruribe@imp.mx * Raúl Uribe-Hernández. + Raúl Uribe-Hernández; Tel.: ; Fax: Dirección de Seguridad y medio Ambiente. Coordinación de Sistemas Terrestres Acuáticos y Residuos. Área del Conocimiento: (ecotoxicología de suelo y química ambiental) Resumen en Español: Tanto los derrames como las fugas de hidrocarburos tienen como receptor principal al suelo y sedimento en los ecosistemas, con la consecuente dispersión y afectación a la biota. Con el objetivo de evaluar el grado de intemperización ambiental y potencial ecotóxico, fueron analizadas seis muestras de residuos de petróleo, determinando hidrocarburos totales del petróleo (HTP) de C8 a C38 por CG-CHR y los aromáticos policíclicos (HAP) no sustituidos y los (HAP-A) alquilados HAP por CG-EM, así como los marcadores de petróleo por CG- EM. Se presentaron las huellas de los marcadores de la familia de los terpanos y esteranos 191 y 217 m/z, correlacionando directamente en todas las muestras, sugiriendo en general el mismo origen y tiempo de residencia. Se observó la predominancia de HAP de 4 a 6 anillos, respecto de los de 2 a 3, lo que denota un origen preponderante pirogénico de algunas muestras. Por otra parte, la disminución de la relación C3-Dibenzotiofeno/ C3-Criseno (<8), sugiere mayor alteración térmica y escasa biodegradación en las muestras, salvo en P2 cuyo valor de D3/C3 fue de 44. En tanto que la relación C3-Dibenzotiofeno/C3-Criseno también denota una fuente común. Con respecto a la ecotoxicidad, se presentaron HAP con mayor

2 potencial cancerígeno pero en baja concentración, además de tener baja biodisponibilidad (desde pireno hasta el B(g,h,i)P). Debido entonces a su alto peso molecular y estabilidad, presentan tanto baja dispersión como biodisponibilidad en el subsuelo, y en consecuencia poseen un bajo potencial ecotóxico. Palabras Clave: marcadores moleculares; HAP; HTP; ecotoxocología. Resumen en Inglés: Both spills and leaks of hydrocarbons as principal recipient have to soil - sediment ecosystems, with consequent transport and contact with the biota. In order to assess the degree of environmental weathering and ecotoxic potential, were evaluated six samples of waste oil for total petroleum hydrocarbons (TPH) of C8 to C38 by GC-CHR and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) unsubstituted and alkylated by GC-MS, the molecular markers of oil waste by GC-MS. Were detected traces of the markers of the family of terpanes and steranes 191 and 217 m / z, correlating directly in all samples, that suggesting in general the same origin and residence time. Were observed the predominance of the PAH of 4 to 6 rings respect of the 2 to 3. That showed a predominant source pyrogenic of some specimens. Moreover, the decrease in the ratio C3-dibenzothiophene / C3-Chrysene (<8), suggesting greater thermal disturbance and poor biodegradation in the samples, except in P2 whose value D3/C3 was 44. While the relationship C3-Dibenzothiophene/C3- Chrysene also denotes a common source. Regarding the ecotoxicity this showed a carcinogenic potential HAP more but in low concentration, in addition to having low bioavailability (from pyrene to the B (g, h, i) P). Then due its high molecular weight and stability, both exhibit low bioavailability dispersion as in the subsoil, and consequently have a low potential ecotoxic. Keywords: molecular markers; TPH; PAH; ecotoxicology

3 1. Introducción Más de dos mil millones de toneladas métricas de petróleo son producidas por año en todo el mundo; una gran cantidad de los productos petrolíferos finales contaminan ambientes marinos y terrestres. Los grandes accidentes que se presentan en la industria del petróleo, como derrame de tanques, rupturas de tuberías y extracción de pozos, representan 10% de estas descargas, las cuales son más evidentes por la gran cantidad de hidrocarburos liberados en un sitio y tiempo determinado; sin embargo, el restante 90% es debido a descargas menores de las actividades industriales, que contaminan el suelo y son arrastradas por las aguas continentales. Durante la explotación, la extracción y el transporte de petróleo muchas veces ocurren accidentes que ocasionan contaminación de suelos y aguas superficiales. La contaminación y la degradación de sitios es particularmente problemática porque no solo afecta el uso sustentable del suelo y el desarrollo urbano, sino que también afecta la salud de la población, y en muchos casos, impacta negativamente a recursos naturales estratégicos y fundamentales para el desarrollo como lo es la disponibilidad de agua para el consumo humano. Para proteger y/o remediar sitios de interés es necesario conocer las concentraciones y fuentes contaminantes así como los valores de fondo (naturales) debido a la enorme complejidad de variables ambientales y del contaminante, en este caso hidrocarburos alifáticos (HA) y aromáticos policíclicos (HAP) [1]. En el suelo se evalúa el grado de degradación y distribución de estos contaminantes, siendo éste un primer paso de exploración del tipo de contaminante presente. En algunos casos se han empleado algunos compuestos alifáticos específicos para diferenciar un origen biológico de uno derivado del petróleo. Se han descrito algunas inconsistencias en la interpretación de dichos compuestos específicos debido a su susceptibilidad a la degradación en ambientes tropicales, y se ha considerado que los HAP son más estables que los alifáticos para definir una fuente de contaminación en estos ambientes [2]. Los biomarcadores son muy importantes dado que, en general, pueden proporcionar información acerca de: fuentes biológicas de materia orgánica sedimentaria, medios deposicionales, madurez de la materia orgánica, edad geológica entre otros. Estos compuestos son tan sólo constituyentes traza, pero pueden ser muy útiles, especialmente en el caso de los petróleos: se emplean una gran cantidad de tipos estructurales en la geoquímica del petróleo y, lo que es más importante en el tema que nos ocupa, también se ha demostrado su gran utilidad en la evaluación de la efectividad [3]. El destino de los hidrocarburos aromáticos policíclicos en la naturaleza es de gran preocupación medioambiental debido a su toxicidad, y propiedades de mutagenicidad y carcinogenicidad. Por ejemplo fenantreno se sabe que es un fotosensibilizador piel humana y el alérgeno leve. También se ha encontrado que un inductor de intercambio de cromátidas hermanas y un potente inhibidor de las uniones de comunicación intercelular. Los HAP pueden adsorberse en la materia orgánica de suelos y sedimentos, se acumulan en peces y otros organismos acuáticos, y pueden ser transferidos a los seres humanos a través del consumo de mariscos. La determinación de los HAP y de sus derivados alquilados (HAP-A) individuales que persisten en los suelos y sedimentos, de los diferentes ambientes, proporcionan por un lado la oportunidad para conocer el destino y trasporte del derrame de petróleo o algún derivado que contenga HAP hacia un sistema prístino o en recuperación. Pero además brinda información al respecto del mecanismo tóxico que pueden seguir de acuerdo al tipo de compuesto HAP o HAP-A. Dicha mecanismo tóxico está ligado

4 directamente a las propiedades físicas, químicas y físico-químicas de cada grupo de HAP, así como a la proporción y concentración de las especies químicas determinadas. El uso de las propiedades físico-químicas de otros compuestos de la misma familia o grupo de HAP, ha sido de gran ayuda para predecir la toxicidad de las distintas sustancias es decir, a través del análisis de relación cuantitativa estructura-actividad (por sus siglas en ingles QSAR) lo cual puede ser una herramienta de prospección para reconocer o predecir posibles efectos adversos. Tal es el caso de los HAP homocíclicos, que debido a la falta de grupos funcionales, se espera que su mecanismo de acción tóxica sea través de la narcosis. Este el caso de los organismos del suelo, denominados colémbolos así como en plantas se encontraron evidencias que apoyan esta suposición. Por otra parte la fuente de dichos HAP puede ser deducida por proporción o razón de determinados HAP como fluoranteno y pireno y C1-fenantreno a fenantreno. El fluoranteno es termodinámicamente más estable que el pireno, y por lo tanto es posible diferenciar la etiología entre la fuente de tipo pirogénica (fluoranteno: pireno> 1) y petrogénico (fluoranteno: pireno<1). Debido a que HAP no sustituidos son los compuestos más abundantes en la combustión de derivados, en tanto que en el caso del petróleo se presentan una mayor abundancia de compuestos HAP alquilados, tal es el caso de la relación C1-fenantreno a fenantreno [4]. Debido a que los HAP y HAP-A se degradan a un ritmo diferente, dependiendo de su solubilidad relativa del agua, la volatilidad, y la biodegradabilidad, así como a grado de intemperización. Este último es afectado por el grado de exposición e intensidad de las condiciones ambientales que prevalezcan. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos, en particular los compuestos de dos a cuatro anillos (con el que se incluye lo compuestos heterocíclicos de tres anillos llamados dibenzotiofenos), son utilizados para identificar tanto el origen, potencial de degradación y el destino transporte de los mismos. Aunque que comúnmente representan menos del 2% del grueso composición de un petróleo crudo, estos compuestos incluyen compuestos tóxicos que pueden ser de preocupación a largo plazo, que de igual forma son utilizados como marcadores moleculares, para predecir los efectos adversos en la biota receptora, tanto en el tipo de toxicidad como en la magnitud. El objetivo del presente estudio fue evaluar el grado de intemperización ambiental y potencial ecotóxico de residuos de hidrocarburos presentes en un ambiente natural una zona de influencia petrolera. 2. Materiales y Métodos Fueron obtenidas seis muestras de residuos de petróleo, procedente de un pasivo ambiental con más de más cinco décadas de estar sometido al proceso de intemperización ambiental y asociado a actividades petroleras. Esto se llevó a cabo con el uso de un equipo manual, tipo hand auger, siguiendo el protocolo ASTM- D 6232, para el muestreo de los residuos [5]. Extracción de hidrocarburos. El extracto de suelo se obtuvo a partir de 50 g de suelo, se colocó en un matraz Erlenmeyer además de 1 g de sulfato de sodio anhidro (Sigma Aldrich, Houston, TX, EE.UU.) y 50 ml de diclorometano (Merck, Bedford, MA, EE.UU.), agitar durante 30 minutos, dejándola en reposo durante aproximadamente 45 min, y se filtra a través de fibra de vidrio (Coatings

5 Inc., Buffalo, NY, EE.UU.) para obtener el extracto puro, que finalmente se tapo de forma hermética para evitar la evaporación del disolvente [6]. Hidrocarburos Totales de Petróleo. Fueron analizados los hidrocarburos totales del petróleo (HTP), así como los marcadores moleculares de los HTP, analizados por CG-Capilar de alta resolución (EPA- 8015). Las muestras se extrajeron y analizaron mediante cromatografía de gases capilar con detección de ionización de llama (GC / FID) y cromatografía capilar de gas acoplado a espectrometría de masas (GC / MS) operado en el modo de ion seleccionado. Los límites de detección aproximados del método de muestras de sedimentos GC/FID (50 g de peso seco) son de 2 mg / kg para el total de resueltas y no resueltas, así como los hidrocarburos detectables y 0,001 mg / kg para alcanos individuales [7]. Fitanos y Hopanos. Fueron analizados los hidrocarburos marcadores de petróleo a través de la técnica instrumental GC/MS utilizado un cromatografo de gases Hewlett-Packard 5890 configurado con una columna DB-5 capilar de alta resolución (0,25 mm de diámetro, 30 m, 0,25 m de cine, J & W Scientific) y acoplado directamente al sistema de detección de masas Hewlett-Packard 5971 [7]. Hidrocarburos aromáticos policíclicos. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos tanto homólogos (HAP) como alquilados (HAP-A), de dos, tres, cuatro y cinco anillos aromáticos se obtuvieron mediante sonicación con cloruro de metileno de 2 g de suelo de acuerdo al método EPA 3550 y fueron analizados por inyección directa al GC / MS, esta determinación está basada en el Método EPA 8270 (US EPA, 1988). Los límites de detección aproximados del método de hidrocarburos aromáticos policíclicos, dibenzotiofenos y los hopanos son 1 mg/kg (peso seco) en los sedimentos y 5 mg / kg en el suelo[8]. 3. Resultados A continuación se presentan los resultados de los análisis practicados a las muestras de residuos de petróleo intemperizados. Cuadro1. Resultados analíticos en mg/kg de los 16 HAP* prioritarios de la EPA. HAP P1 P2 P3 P4 P5 P6 Naftaleno Acenaftileno Acenafteno Fluoreno Antraceno Fenantreno Fluoranteno 0.18 Pireno Benzo(a)antraceno Criseno Benzo(b)fluoranteno Benzo(k)fluoranteno 0.05 Benzo(a)pireno Indeno(1,2,3-cd)pireno Dibenzo(a,h)antraceno 0.01 Benzo(g,h,i) perileno HAP total

6 mg/kg HAP mg/kg HTP Como se puede apreciar en el Cuadro 1, en la muestra P1 no se detectaron compuestos de HAP y en las demás muestras, solo algunos de éstos compuestos fueron detectados. Se muestran los resultados de las concentraciones obtenidas de los 16 HAP prioritarios fijados por la EPA-USA por su potencial tóxico y cancerígeno, con ausencia completa del naftaleno y acetilnaftaleno por ser compuestos muy solubles y volátiles. El BaP se presentó en concentraciones menores a 0.11 mg kg-1 y el B(g,h,i)P menor a 0.08 mg kg-1. En el caso de criseno fue el compuesto de que se presento con mayor recurrencia en las muestras P1 P2 P3 P4 P5 P6 Muestra Figura 1. Concentración de HTP en mg/kg en los residuos de petróleo P1 P2 P3 P4 P5 P6 0 Figura 2. Concentración de HAP homólogos en residuos de petróleo

7 Naftaleno C2-Naftalenos C4-Naftalenos Acenaftileno Dibenzofurano C1-Fluorenos C3-Fluorenos C1-Dibenzotiofenos C3-Dibenzotiofenos Antraceno C1-Fenantrenos/Antracenos C3-Fenantrenos/Antracenos Fluoranteno C1-Fluorantenos/Pirenos C3-Fluorantenos/Pirenos Criseno C2-Crisenos C4-Crisenos Benzo(k)fluoranteno Benzo(a)pireno Indeno(1,2,3-cd)pireno Benzo(g,h,i) perileno 1-Metilnaftaleno 2,3,5-Trimetilnaftaleno 3,6-Dimetilfenantreno C24TriciclicoTerpano C24TetraciclicoTerpano C26TriciclicoTerpano-22R C28TriciclicoTerpano-22R C29TriciclicoTerpano-22R 17a(H)-22,29,30-Trisnornhopano-TM 17a(H),21b(H)-25-Norhopano 18a(H)-30-Norneohopano-C29Ts C30-Normoretano Hopano 30-Homohopano-22S 17b(H),21b(H)-Hopano 30,31-Bishomohopano-22R 30,31-Trishomohopano-22R Tetrakishomohopano-22R 13b(H),17a(H)-20S-Diacolestano 13b(H),17a(H)-20S-Metildiacolestano 14a(H),17a(H)-20S-Metilcolestano 14a(H),17a(H)-20S-Etilcolestano 14b(H),17b(H)-20R-Colestano 14b(H),17b(H)-20R-Metilcolestano 14b(H),17b(H)-20R-Etilcolestano C20-TAS C26-TAS (20S) C28-TAS (20S) C28-TAS (20R) C22-MAS C27-20S-MAS C27-C29 20S/R-MAS C29-20R-MAS Trans-Decalín Pentakishomohopano-22R mg HAP/k g residuo Como se puede observar en la figura 1 se presentan los valores de HTP, que en general se ubicaron en el intervalo de concentraciones de 500 a 2800 mg kg-1. En ellas se incluyen los biomarcadores de la familia de pristanos y fitanos. En la figura 2 se puede observar predominancia de HAP de 4 a 6 anillos, respecto de los de 2 a 3 anillos, lo que denota un origen preponderante pirogénico de las muestras P2, P3, p4. Respecto a la ecotoxicidad no obstante existe mayor potencial de cancerogénesis debido al tipo de HAP presentes, dichos HAP tienen una baja biodisponibilidad desde el Pireno hasta el B(g,h,i)P HAP homólogos y alquilados del petróleo Figura 3. Huella dactilar de HAP homólogos y alquilados en residuos de petróleo.

8 En la figura 3 se presenta la huella de los biomarcadores de la familia de los bensotiofenos, de los HAP alquilados (metil, dietil y trietil ) así como de los hopanos. 4. Discusión Se puede observar predominancia de HAP de 4 a 6 anillos, respecto de los de 2 a 3 anillos, lo que denota un origen preponderante pirogénico de las muestras P2, P3, P4. Respecto a la ecotoxicidad no obstante existe mayor potencial de cancerogénesis debido al tipo de HAP presentes, dichos HAP tienen una baja biodisponibilidad desde el Pireno hasta el B(g,h,i)P. En la figura 3 se presenta la huella de los biomarcadores de la familia de los HAP alquilados, estos correlacionan positivamente en las seis muestras sugiriendo el mismo origen y tiempo de residencia. Por otra parte la disminución de la relación C3-Dibenzotiofeno/ C3- Criseno que se relaciona al intemperismo (<8) fue una evidencia de mayor alteración térmica y escasa biodegradación en las muestras, salvo en la P2 cuyo valor fue de D3/C3 fue de 44. En tanto que la relación C3- Dibenzotiofeno/C3-Criseno está relacionada con el origen, en todas las muestras se observó dicha relación próxima a la unidad lo que denota una fuente común [4]. Respecto a la relación Naftaleno/ Criseno solo se presentó en las muestras P2, P3, P4, P5 con valor < 3. Los HAP tanto no sustituidos como los alquilados fluctuaron entre 1.39 a µg/g-1 de residuo, constituyendo solo la menor fracción común. La clasificación de un depósito se considera sobre la base de similitudes y diferencias de la composición de biomarcadores para la definición de los embalses. Desde el punto de vista analítico el petróleo comprende: (i) compuestos saturados de tipo hidrocarburos no polares, que incluye compuestos lineales, ramificados y el tri-, tetra y pentacíclico como terpanos y esteranos (ii) compuestos aromáticos que contienen uno o más anillos aromáticos, tales como naftaleno, y esteranos triaromáticos fenantrenos, y (iii) los compuestos polares tales como resinas y asfaltenos [9]. Fueron monitoreados los iones 128, 142, 156 y 180, a fin de determinar la distribución del naftaleno y sus derivados alquilados (metil, dimetil, y trimetil naftalenos). Sin embargo, estos aromáticos son de utilidad limitada debido a su alta sensibilidad a la alteración por lavados y meteorización, así como su relativamente alta volatilidad, lo que evidencia el proceso avanzado de intemperización. En el proceso de biodegradación n-alcano compuestos son primero eliminación del aceite que hace que la relación

9 Pr/n-C17 F/n-C18 y tienen valores más grandes que 1 (> 1), y pronto Pr/n-C17 F/n-C18> 1 son indicativos de biodegradación [10]. 5. Conclusiones Los residuos de hidrocarburos fueron de origen petrogénico sin embargo hay subproductos pirogénicos y algunos de biodegradación dentro los HAP homólogos y alquilados. Los cuales debido a su alto peso molecular no tiene mayor dispersión en el sedimento, así mismo tiene baja biodisponibilidad y en consecuencia se espera una bajo potencial ecotóxico. Los hidrocarburos derivados del petróleo persisten después de muchas décadas en los sedimentos del humedal tropical. El análisis reciente de los residuos de petróleo reveló que los residuos de hidrocarburo degradado presentaron concentraciones HTP de hasta mg g-1. Los HAP totales constituyeron sólo una pequeña fracción de estos residuos con concentraciones máximas de mg g-1, pero su transporte y destino es de interés debido a su alto potencial de toxicidad para los organismos. Con base en la comparación de las proporciones entre los HAP no sustituidos y alquilados fue posible identificar el proceso de degradación biótica y abiótica, así como la fuente o etiología de tipo petrogénica de forma principal y pirogénica de forma secundaria de dichos compuestos HAP en los residuos de petróleo. En cuanto a la aplicación para evaluar el transporte de los HAP y los posibles daños en los organismos, es importante reconocer que los HAP están asociados al carbono orgánico total, propiedad del suelo clave que afecta el destino de los contaminantes orgánicos persistentes en el medio ambiente y de la exposición a la biota en general. Estos compuestos son sugeridos como huella digital en los estudios de la contaminación ambiental y ecotoxicología. Agradecimientos Agradecemos el apoyo de la Dirección de Seguridad y Medio Ambiente del IMP y a Pemex Refinación por el apoyo a este trabajo. Uribe-Hernández y Amezcua-Allieri agradecen el apoyo del CONACYT. Referencias [1] G r e g o r y T.S.; S h e a D.; G u t h r i e - N i c h o l s E. (2005) Impact of Vegetation on Sedimentary Organic Matter Composition and Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Attenuation. Environ. Sci. Technol. Vol. 39(14): [2] W a n g Z.; Fingas M.; B l e n k i n s o p p S.; S e r g y G.; A n d r i a u l t M.; Gouin, L.; A L a m b e r t P. ( 1998) Study of the 25-Year-Old Nipisi Oi Spill: Persistence of Oil Residues and Comparisons between Surface and Subsurface Sediments. Environ. Sci. Technol. Vol.

10 32(15): [3] García A. J.; Sánchez A.J.; Guzmán M.A. (1999). Esteranos y terpanos como marcadores biológicos en la prospección petrolera. J. Mexican Chemical Society, vol. 43( 001):1-6. [4] Douglas G. S.; Bence A.E.; Prince R.; Mc Millen S. J.; Butler E. L. (1996) Environmental Stability of Selected Petroleum Hydrocarbon Source and Weathering Ratios. Environ. Sci. Technol. Vol. 30 (7): [5] ASTM. (2003). Standard guide for selection of sampling equipment for waste and contaminated media data collection activities Replaced Standard: ASTM D [6] USEPA (1979) Method Petroleum hydrocarbons, total recoverable, in Methods for Chemical Analysis of Water and Wastes, US EPA Washington, DC, EPA 600/4-79/020. USEPA (1986) Method SW-846, Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/ Chemical Methods, 3rd ed., September. [7] USEPA (1988) Method 8270C, Semivolatile Organic Compounds by Gas Chromatography/ Mass Spectrometry (GC/MS), Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods(SW-846). [8] USEPA (1989) Exposure factors handbook. Office of Health and Environmental Assessment, Office of Research and Development, Washington, DC, EPA/600/8-89/043, NTIS PB /AS. [9] Hunt, J.M. (1996) Petroleum Geochemistry & Geology, Oxford, UK, 2nd ed. pp [10] Peters, K. E.; Walters, C.C.; Moldowan, J.M. (2005) Biomarkers and isotopes in the environment and human history.the Biomarker Guide. Cambridge, vol. 1, e 2, 2th ed.