Biorremediaciónde de una playa afectada por la la marea negra del Prestige. Biotec 2004 Oviedo, Julio 2004

Transcripción

1 Biorremediaciónde de una playa afectada por la la marea negra del Prestige Fernández Álvarez P., Vila J., Garrido J.M., Grifoll M., Lema J.M. Instituto de Tecnología - Departamento de Enxeñería Química, Escola Técnica Superior de Enxeñería Universidade de Santiago de Compostela. Departament de Microbiologia, Facultat de Biología, Universitat de Barcelona Biotec 2004 Oviedo, Julio 2004

2 Mareas negras causadas por petroleros i ii Buque Buque 1 Exxon Valdez 13 Prestige Hawaiian Patriot 14 Amoco Cadiz 3 Metula 15 Torrey Canyon 4 Atlantic Enterprise 16 Sea Empress 5 Odyssey 17 Texaco Denmark 6 Wafra 18 Braer 7 Castillo de Bellver 19 Haven 8 ABT Summer 20 Independenta 9 Katina P. 21 Irenes Serenade 10 Khark Assmi 11 Urquiola Sea Star Aegean Sea 1992 i Andros Patria 1978 ii Polycommander 1970

3 Polycommander 1970, Ría de Vigo t crudo

4 Polycommander 1970, Ría de Vigo

5 Petrolero Urquiola, 1976, A Coruña t crudo

6 Petrolero Urquiola, 1976, A Coruña

7 Petrolero Urquiola, 1976, A Coruña

8 Petrolero Mar Egeo, 1992, A Coruña t crudo

9 Petrolero Mar Egeo, 1992, A Coruña

10 19 de Noviembre de 2002 Naufragio del Prestige t fuel oil

11 Costa afectada, Febrero de 2003 fuente: La Voz de Galicia Más de km de litoral afectados Más de t de fuel vertidos

12 Recogida de fuel en el mar Ría de Arousa 4 de Diciembre de 2002

13 Recogida de fuel en la costa Costa da Morte 20 de Diciembre de 2002

14 Limpieza manual / física de litoral 1ª opción de tratamiento (Zhu et al. 2001). Raramente alcanzan eficiencias elevadas. Recuperación ambiental del litoral Tratamiento con hidrolimpiadoras. Técnicas de biorremedio.

15 Hidrolimpieza Para eliminar el fuel adherido a las rocas o piedras. Utilizado a lo largo del litoral afectado (Galicia, Asturias, Cantabria y País Vasco). Galicia: m2 afectados en la costa gallega m2 limpiados con hidrolavadoras 380 limpiadoras con agua a presión + mantas absorbentes + barreras anticontaminantes. Se limpiaron las zonas con mayor relevancia estética, turística o urbana m2 sin limpiar biorremediación?. Fuente: Oficina Informativa Seguimiento del Prestige. Ministerio de Medio Ambiente. Mayo de 2003 y Vicepresidencia 2ª del Gobierno, Noviembre de 2003.

16 Biorremediación Biorremediación: Técnica de añadir nutrientes (bioestimulación) o microorganismos (biopotenciación) que aceleren los procesos de biodegradación natural del hidrocarburo. Una fracción elevada del hidrocarburo ha de ser biodegradable (Atlas 1981; Prince 1993). Importante establecer y mantener unas condiciones que favorezcan y aceleren la velocidad de biodegradación en un ambiente contaminado. Exxon Valdez: La biorremediación de 120 km de costa tuvo un coste menor que los de 1 día de limpieza de lavado físico (Atlas, 1995).

17 Microorganismos (biocatalizadores) Matriz sólida Hidrocarburo (arena, roca...) adsorbido/adherido Levaduras, bacterias y hongos. Degradan compuestos hasta unos 40 átomos de Carbono (Zhu et al. 2001) En ambientes marinos las bacterias son los degradadores predominantes (Floodgate, 1984; Jordan y Payne, 1980) Biopelícula Microorganismos

18 Velocidad de degradación Presencia de microorganismos. Características físicas y químicas del hidrocarburo. Superficie específica (m 2 /m 3 fuel) Agua. Temperatura. (15-20 ºC, amb. marinos). ph. Nutrientes (N, P, Fe). Aceptores de electrones (Oxígeno, Nitrato, Sulfato).

19 Características del fuel oil del Prestige Fuel M-100 (Rusia) equivalente a nº 2 (Francia) o nº6 (UK) Fracciones del destilado de muestras de fuel puro y en agua de mar Parámetro Fuel Valor del Indicación Muestra sobre Parámetro Prestige fuel recogida estándar en el mar Densidad a 15ºC (kg/m 3 ) 0,9930 Normal Viscosidad Punto a inicial 50ºC (cst) (ºC ) ,6 259,7 Alta Punto de fluidez (% (ºC) m/m) 13,9 6 Baja 7,9 S máximo (%) (% m/m) 2,58 29,2 Medio 28,4 Vanadio 500 (mg/l) + (% m/m) 80 56,9 Normal 63,7

20 Caracterización del fuel Saturados Aromáticos Resinas Asfaltenos (C 79 H 92 N 2 S 2 O) 3

21 Caracterización del fuel Fraccionamiento del fuel en familias de compuestos Fuel Saturada Aromática Resínica Asfalténica Fuel en el barco** 26,6 52,8 8,4 12,2 Fuel en la emulsión** 24,6 52,7 9,9 14,2 Fuel en el auga* 30,5 40,1 17,0 12,3 Fuentes: ** Le Cedre (Francia) y *Museo de Historia Natural de París

22 Biodegradabilidad de hidrocarburos Saturados: n-alcanos biodegradables hasta C 44. C 10 a C 26 los más biodegradables. Fuel del Prestige: 24,6 % Saturados Alcanos desde C 12 a C % C 26 (IFP) Aromáticos: PAH 2-3 anillos biodegradables (C 10 -C 14 ). PAH >4 anillos biodegradables con co-substratos. Fuel del Prestige: 52,7 % Aromáticos 45 % compuestos mono, di y triaromáticos (IFP) Resinas y asfaltenos: Se sabe poco sobre su biodegradabilidad Posible degradación de asfaltenos mediante cometabolismo. Resinas de baja M.M. se degradan si [c] baja. Fuel del Prestige: 23 % de resinas más asfaltenos (Le Cedre)

23 Experiencias de biodegradabilidad de fuel oil Erika (Francia): 11 % de Biodegradación, Laboratorio (Oudot 2000). Nahodka (Japón): 35% degradación, laboratorio 3 semanas (Toyoharo 2000) Prestige (España): Informe del CSIC: 12 % (2003). 50%, laboratorio 1 mes (Grifoll 2003).

24 Objetivo Valorar la eficiencia de la biorremediación como alternativa para la recuperación ambiental de la costa afectada por la marea negra del Prestige. Lugar: Playa o puerto de Sorrizo (Arteixo, A Coruña). Inicio, 14 de Abril de Generar conocimiento ( futuras mareas negras?). Equipos Universidad de Santiago: Dpto. de Ingeniería Química. Estación Marítima de A Graña (USC) Instituto de Análisis Alimentarios (USC) Universidad de Barcelona: Dpto. de Microbiología. Prof. Magdalena Grifoll Ruíz. Empresas contratantes/ Fundaciones Espina & Delfin (Santiago de Compostela) Bio-systems Corporation (Madrid, EE.UU.) Arao (Septiembre de 2003)

25 Objetivos de cada equipo de investigación (Septiembre de 2003) Equipos Dpto. de Ingeniería Química. Ensayos de campo. Monitoreo. Supervisión trabajo. Estación Marítima de A Graña Instituto de Análisis Alimentarios Dpto. de Microbiología. Empresas Estudio de la Biota Actividad Genotóxica y mutagénica Ensayos de laboratorio Análisis y preparación inóculos Aplicaciones de productos

26 Localización del entorno Sorrizo

27 Roquedal en la playa de Sorrizo Marzo de 2003

28 Rocas y cantos

29 Arenal

30 Productos utilizados Nitrofoska suprem: abono comercial para silvicultura, casa Compo, 20% de N, 5% P B-350 : Producto con microorganismos degradadores de hidrocarburos comercial (Bio-systems). L-1800 : Producto con microorganismos degradadores de hidrocarburos + 2 agentes tensioactivos de síntesis biodegradables, no bioacumulativos (Bio-systems). Cultivo autóctono: Origen playa de Corrubedo (A Coruña) Dpto. de Microbiología de la UB (Magdalena Grifoll) Utilizado en zona 5. N-100 : Complejo de micronutrientes (Bio-systems).

31 Plan de trabajo (I) DIVISIÓN DE LA PLAYA EN 5 ZONAS: Zona 1: fertilizante comercial (Nitrofoska) y micronutrientes (N-100). 6 aplicaciones Zona 2: blanco o control. Zona 3: inóculo comercial B350 junto con el fertilizante comercial (Nitrofoska) y los micronutrientes (N-100). 7 aplicaciones Zona 4: inóculo comercial con agentes tensioactivos (L1800) sobre las rocas y el mismo preparado de la zona 3 en la arena y los cantos rodados. 8 aplicaciones Zona 5: inóculo autóctono de microorganismos obtenido en Corrubedo (UB) junto con el fertilizante comercial (Nitrofoska) y los micronutrientes (N-100). 10 aplicaciones Las aplicaciones comenzaron en abril de 2003 y finalizaron en octubre de 2003

32 Distribución de zonas en la playa de Sorrizo Zona 5 Cultivo autóctono Zona 4 L B-350 Zona 3 B Zona 1 Nutrientes Zona 2 Blanco

33 Plan de trabajo (II). Losetas Zona Supralitoral 5 tratamientos (26 de Mayo): 1.- Nutrientes 2.- Blanco 3.- B L Cultivo autóctono Zona Intermareal, 3 tratamientos (23 de Junio): 1.- Blanco 2.- B Cultivo autóctono

34

35 Losetas Zona Supralitoral UB L-1800 B-350 Blanco NPK

36 Losetas Zona Intermareal B350 B350 UB UB

37 Muestreos: Muestreos y parámetros analizados Agua intersticial o de poro (5 zonas) Agua de mar y de arroyo Arena (5 zonas) Fuel adherido a rocas (5 zonas) Losetas (Zona Supralitoral e Intermareal) Parámetros analizados: Hidrocarburos saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos. Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAP). Toxicidad (Microtox). Nutrientes (Nitrato, Nitrito, Amonio y Ortofostato). Microorganismos: heterótrofos totales, degradadores de alcanos y aromáticos. ph, Temperatura, Oxígeno disuelto.

38 RESULTADOS. Muestras de de agua agua de de mar mar y de de poro poro Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas

39 Amonio AMONIO Amonio (ppm N-NH4) 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0, Tiempo (días) NPK Blanco B350 L1800 UB Cese de la aplicación de nutrientes en la playa Mar, [N-NH 4+ ] : 0,050 0,140 mg/l (Fuente: Agencia Ambiental Europea)

40 Nitrato NITRATO Nitrato (ppm N-NO3) 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Tiempo (días) NPK Blanco B350 L1800 UB Agua dulce Cese de la aplicación de nutrientes en la playa

41 Ortofosfato FOSFATO Fostato (ppm P-PO4) 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Tiempo (días) Cese de la aplicación de nutrientes en la playa NPK Blanco B350 L1800 UB Mar, [P-PO 4-3 ] : 0,020-0,120 mg/l (Fuente: Agencia Ambiental Europea)

42 HAP en en muestras de de agua HAP en muestras de agua (I) Naftaleno Acenaftileno Acenafteno Fluoreno 16 HAP (Priority Pollutants) de la EPA Fenantreno Antraceno Fluoranteno Pireno Criseno Benzo(a)antraceno(k) Benzo-fluoranteno (b) Clase B2, probables agentes cancerígenos para el hombre Clase D, carcinogenicidad no demostrada en el hombre Benzo(a)pireno Indeno(123-cd) pireno Dibenzo(a,h) antraceno Benzo(g,h,i) perileno

43 HAP en en agua de de poro y mar Inicio tratamientos, 14 de abril de 2003 µg/l Compuesto Agua de mar Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 Naftaleno ND ND ND 4,009 0,104 Acenafteno ND ND ND 0,758 ND Fluoreno ND ND ND 0,770 ND Fenantreno 0,042 0,021 0,028 1,396 0,026 Antraceno 0,041 0,021 0,028 0,175 0,021 Fluoranteno 0,011 ND ND 0,034 ND Dibenzoantraceno 0,013 ND ND 0,008 ND

44 HAP en en agua de de mar y de de poro 18 de Junio de 2003, µg/l Compuesto Agua de mar Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 18-jun 18-jun 18-jun 18-jun 18-jun 18-jun Naftaleno ND ND ND ND 0,540 ND Fenantreno 0,080 0,070 0,185 0,081 0,424 0,168 Antraceno 0,082 0,072 0,074 0,079 0,262 0,020 Fluoranteno ND ND ND 0,043 ND 0,021 Pireno ND 0,072 0,069 0,053 0,125 0,115 Benzoperileno #N/A ND ND 0,007 #N/A ND 25 de Agosto de 2003, µg/l Compuesto Agua de mar Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 25-ago 25-ago 25-ago 25-ago 25-ago 25-ago Fenantreno ND ND ND 0,020 ND ND Antraceno ND #N/A ND 0,008 ND ND Fluoranteno ND #N/A #N/A 0,012 #N/A ND Benzopireno ND #N/A #N/A ND 0,015 ND

45 HAP en en agua de de mar y de de poro 24 de Octubre de 2003, µg/l Compuesto Agua de mar Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 24-oct 24-oct 24-oct 24-oct 24-oct 24-oct Fenantreno ND ND ND ND 0,040 ND Benzopireno #N/A #N/A #N/A ND 0,015 0,020 Indeno ND ND ND 0,031 ND ND HAP: diciembre de 2003 y febrero de 2004 AUSENCIA dentro de los límites de detección

46 Microorganismos en en agua de de mar y de de poro Agua de mar: Concentración de grupos tróficos constante. Zonas: Presencia de degradadores de alcanos y aromáticos. Agua de mar Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 Heterótrofos 6, , , , , , Alcanos , , , , , Aromáticos 0 6, , , , ,4 10 5

47 RESULTADOS. Arena, piedras y losetas Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas

48 Arena. Concentración de de fuel fuel Concentración de hidrocarburos en arena C (g/kg arena seca) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Tiempo (meses) NPK Blanco B350 L1800 UB Tampón (Zhu et al. 2001) : [Hidrocarburos] < 3 g/kg Adición de nutrientes no incentiva biodegradación.

49 Fraccionamiento del del fuel fuel en en la la arena Porcentajes de las familias Día Nombre Saturados Aromáticos Resinas Asfaltenos R+A - Fuel Prestige ,5 10,3 22,8 abr-03 Blanco 0,00 39,06 23,44 37,50 60,94 abr-03 B350 0,00 19,74 26,32 53,95 80,26 abr-03 L1800 6,75 46,54 9,42 37,29 46,71 abr-03 NPK 0,63 32,89 13,16 53,32 66,48 abr-03 UB 0,00 33,33 20,83 45,83 66,67 oct-03 Blanco 10,81 30,74 14,19 44,26 58,45 oct-03 B350 1,79 26,79 17,86 53,56 71,42 oct-03 L ,38 39,23 10,00 40,39 50,39 oct-03 NPK 11,16 34,60 14,96 39,28 54,24 oct-03 UB 6,03 34,79 17,16 42,02 59,18 may-04 Blanco 3,53 38,86 57,61 may-04 B350 13,36 34,48 52,16 may-04 L ,3 38,22 44,48 may-04 NPK 8,33 23,68 67,99 may-04 UB 2,69 37,31 60,00 may-04 Tampón 1,72 39,22 59,06 Referencia: análisis del fuel del Prestige del IFP Suposición: la masa de la fracción polar se mantiene constante

50 Degradación de hidrocarburos en la arena Degradación de saturados en arena Degradación de aromáticos en arena % degradación 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 % degradación 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 14-abr 25-ago 24-oct 12-dic 1 20-feb 04-may 0,00 14-abr 25-ago 24-oct 12-dic 1 20-feb 04-may 60 % degradación fuel oil 80 % degradación saturados 70 % degradación aromáticos (posible persistencia)

51 Arenas: Degradación de 16 HAPs EPA (GC-MS SIM) Blanco NPK B350 L1800 UB 0 Abril Agst Oct Dic

52 Fraccionamiento del del fuel fuel de de rocas Hidrocarburos en roca (I) Día Nombre Saturados Aromáticos Resinas Asfaltenos R + A - Fuel Prestige ,5 10,3 22,8 jun-03 NPK 16,48 44,89 18,18 20,45 38,63 jun-03 Blanco 10,71 47,62 12,50 29,17 41,67 jun-03 B350 14,39 31,84 17,69 36,08 53,77 jun-03 L ,00 43,65 11,15 30,20 41,35 jun-03 UB 18,55 34,18 13,09 34,18 47,27 dic-03 NPK 17,52 31,54 19,39 31,55 50,94 dic-03 Blanco 6,48 37,04 17,59 38,89 56,48 dic-03 B350 10,71 35,71 20,98 32,60 53,58 dic-03 L ,32 31,52 19,20 36,96 56,16 dic-03 UB 13,33 31,67 20,56 34,44 55,00 dic-03 Tampón 7,81 31,25 25,78 35,16 60,94 abr-04 NPK 15 23,57 15,71 39,29 55,00 abr-04 Blanco 8,75 31,25 14,38 39,29 53,67 abr-04 B350 13,33 24,72 61,95 abr-04 L1800 9,24 32,07 19,02 39,29 58,31 abr-04 UB 13,83 32,45 53,72 abr-04 Tampón 15,49 25,82 58,69 Referencia: análisis del fuel del Prestige del IFP Suposición: la masa de la fracción polar se mantiene constante

53 Degradación de de hidrocarburos en en las las rocas Degradación de saturados en piedras Degradación de aromáticos en piedras 100,00 100,00 % degradación 80,00 60,00 40,00 20,00 % degradación 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 09-jun 07-jul 10-sep 09-dic 1 04-feb 26-abr 0,00 09-jun 07-jul 10-sep 09-dic 1 04-feb 26-abr 60 % degradación fuel-oil 80 % degradación saturados 80 % degradación aromáticos (> que en arena)

54 Losetas. Degradación de de saturados y aromáticos Degradación de saturados en losetas supralitorales Degradación de aromáticos en losetas supralitorales 100,00 100,00 % degradación 80,00 60,00 40,00 20,00 % degradación 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 15 d 30 d 60 d 90 d d 240 d 360 d 0,00 15 d 30 d 60 d 90 d 1120 d 240 d 360 d 60 % degradación hidrocarburos 90 % degradación saturados 90 % degradación aromáticos

55 Losetas supralitoral: Degradación 16 HAPs EPA Días T0 Jn Jl Agt Spt Blanco NPK B350 L1800 UB

56 Losetas intermareales. Resultados Degradación de saturados en losetas intermareales Degradación de aromáticos en losetas intermareales % degradación % degradación Tiempo (días) Tiem po (días) B350 UB Blanco B350 UB Blanco 50 % degradación hidrocarburos 85 % degradación saturados 80 % degradación aromáticos Ambos tratamientos aceleran la biodegradación en los primeros días

57 Losetas. Porcentaje de de Oxígeno Porcentaje de oxígeno losetas SM Porcentaje de oxígeno losetas IM % O % O Tiempo (d) NPK SM B350 SM UB SM Blanco SM L1800 SM Tiempo (d) Blanco IM B350 IM UB IM

58 CONCLUSIONES (I) (I) Agua Presencia de HAP en agua de mar y de poro (hasta Diciembre de 2003) Presencia de nutrientes (N y P) Presencia de microorganismos degradadores Arena Alta degradación inicial de alcanos y aromáticos. Los tratamientos ensayados no mejoran la degradación. Baja concentración de hidrocarburos (< 3 g/kg) Persistencia de HAP en la zona 2 (blanco) Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas

59 CONCLUSIONES (II) (II) Losetas Intermareal: No hay diferencia entre los tratamientos Degradación de 90% aromáticos y saturados Perfil degradación de HAP similar al de aromáticos Incorporación de oxígeno al fuel (2 al 10%) Supralitoral: Degradación inicial mejor con Inóculos (UB y B-350) Porcentajes de degradación similares (85% Alcanos y 80% Aromáticos) Acumulación de oxígeno (2 al 4-8%) Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas

60 CONCLUSIONES (III) (III) Piedras No hay diferencia entre los tratamientos Degradación de saturados y aromáticos: 55% (Junio de 2003) al 80% (Abril de 2004) En resumen Los tratamientos tradicionales no ofrecen ventajas El fuel se oxida y forma una costra protectora Porcentajes degradación aparentes (aumento asfaltenos) Otras estrategias: Uso de agentes oleofílicos, etc. Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas

61 CONCLUSIONES (IV) (IV) Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas

62 Agradecimientos Fundación Arao A los voluntarios Espina & Delfín S.L. (Santiago de Compostela) y especialmente Monumento a los voluntarios del Prestige en O Grove (Po)