Eliminación De Derivados De Petróleo Adsorbidos En El Suelo Por El Biosurfactante Rumusan Producido Por Candida Lipolytica.docx

ELIMINACIÓN DE DERIVADOS DE PETRÓLEO ADSORBIDOS EN EL SUELO POR EL BIOSURFACTANTE RUFISAN PRODUCIDO POR CANDIDA LIPOLYTICA

RESUMEN Ha habido un creciente interés en el uso de biosurfactantes para acelerar La transferencia de contaminantes hidrófobos y la posterior degradación por las células microbianas. El objetivo del presente estudio fue investigar la aplicabilidad de un biosurfactente de levadura, denominado Rufisan, que se reporta que tiene excelentes propiedades surfactantes (Rufisan es capaz de reducir la tensión superficial del medio a 25,29 mN / m), en el tratamiento de contaminantes a partir de residuos sólidos municipales contenidos en suelos utilizados como barreras de suspensión. Rufisan ha sido clasificado como no tóxico y biodegradable. Los suelos con diferentes granulometrías fueron contaminados en laboratorio con aceite de motor. Se realizaron ensayos de eliminación de aceite en vasos de precipitados y columnas de vidrio empaquetado. Los resultados demostraron que el biosurfactante bruto de Rufisan era capaz de eliminar aproximadamente el 30% del aceite de motor de los suelos en los ensayos estáticos realizados en columnas de vidrio, mientras que el biosurfactante aislado en la concentración crítica de micelas eliminaba el 98% del aceite de los vasos de precipitados en los ensayos cinéticos. El tipo de suelo y la concentración de biosurfactante no influyeron en la tasa de remoción de aceite, lo que sugiere el mecanismo de desplazamiento para la liberación de gotas de aceite adsorbidas en las partículas del suelo Los presentes hallazgos demuestran el potencial de este biosurfactante como adyuvante en procesos de descontaminación ambiental de derivados de petróleo.

INTRODUCCIÓN Los derrames de petróleo son los resultados de la contaminación en ambientes oceánicos y costeros. Los dispersantes utilizados en los procesos de remediación de derrames de petróleo están compuestos de mezclas complejas de tensioactivos, disolventes y aditivos y aumentan la tasa de dispersión de aceite natural. La aplicación de dispersantes minimiza el

impacto de los derrames de petróleo en la vida marina y los recursos sensibles de la costa al permitir la eliminación del aceite de la superficie del agua. También se piensa que el aumento del área superficial del aceite como resultado de su dispersión en pequeñas gotitas estimula su biodegradación a través de la actividad de microorganismos naturales. La eliminación de los residuos de petróleo de las instalaciones de almacenamiento, procesamiento y transporte ha sido siempre un problema importante para la industria petrolera. Se generan cantidades significativas de lodo en las refinerías de petróleo. Las impurezas en el petróleo crudo se depositan en la parte inferior del tanque de almacenamiento. Durante el proceso de limpieza, los lodos se recuperan del tanque y se tratan como residuos También se genera lodo de la planta de tratamiento de aguas residuales. También se genera lodo de la planta de tratamiento de aguas residuales. En la India, las refinerías de petróleo generan aproximadamente 28.000t de lodos aceitosos (una mezcla de desechos de hidrocarburos peligrosos) durante el año. Estos residuos se vertieron en pozos de lodo especialmente construidos, Sistema de recolección de lixiviados y forro de polímero para prevenir la lixiviación de contaminantes a las aguas subterráneas. Las tecnologías de limpieza actuales se basan en principios de biorremediación y en el uso de tratamientos físico-químicos en el lavado de suelos contaminados. Ha habido un interés creciente en el uso de tensioactivos en la remediación ambiental. El mecanismo detrás de la remoción de aceite del suelo se cree que se produce en dos etapas: movilización y Solubilización. Los biosurfactantes son producidos por una serie de microbios que crecen en hidrocarburos de petróleo. En comparación con sus contrapartes químicas, los biosurfactantes presentan menor toxicidad, mayor biodegradabilidad y compatibilidad medioambiental, lo que permite una amplia gama de aplicaciones industriales que incluyen detergencia, emulsificación, lubricación, capacidad de formación de espuma, humectabilidad, solubilización y dispersión de fases. Se ha informado que Candida lipolytica UCP 0988 produce un tensioactivo extracelular denominado Rufisan que demuestra la actividad superficial en varias superficies hidrofılicas e hidrófobas

En el presente estudio, se informa de la aplicación de Rufisan en el tratamiento de los contaminantes contaminantes de los residuos sólidos urbanos contenidos en el suelo utilizado como barrera de la suspensión.

MATERIALES Y MÉTODOS Suelos Se utilizaron tres suelos de textos diferentes. El primero fue un suelo arenoso recolectado de la Estación Experimental Itapirema del Instituto Agronómico de Pernambuco en la ciudad de Goiana, Estado de Pernambuco, Brasil. El segundo fue el suelo asilado recolectado de la ciudad de Abreue Lima, Pernambuco.El tercero fue el suelo acumulado del embalse del Alto en el vecindario de Nova Descoberta, en la ciudad de Recife, Pernambuco. Cinco kilos de cada suelo fueron almacenados en bolsas de nylon. Las muestras individuales se dividieron en cuatro partes iguales en forma de cruz, Con mezcla repetida de los brazos superior e derecho de la cruz con los brazos inferior e izquierdo respectivamente, hasta lograr una homogeneización completa de la muestra. Los suelos se dejaron secar al aire libre durante 4 días y se almacenaron hasta su uso.

Fluidos y contaminantes percoladores El biosurfactante producido por C. lipolytica UCP 0988 fue Obtenido en un medio optimizado descrito por Rufino et al. (2007) y se utilizaron en las pruebas de eliminación. El medio de producción Utilizados para los experimentos consistió en 0.01 g/L NH4NO3, 0.002 g/L KH2PO4 and 0.002 g/L MgSO4 _ 7H2O. El medio se suplementó con soja, un residuo de refinería de petróleo, ácido glutámico y extracto de levadura. El pH final del medio fue de 5,5 y La tensión superficial antes de la inoculación fue de 50mN / m. Para la movilización del contaminante hidrófobo adsorbido al suelo, Se usó biosurfactante tanto en crudo (bruto) (caldo metabólico libre de células) como en forma aislada en soluciones a concentración crítica de micelas (CMC: 0,03% p / v), así como a tres veces la CMC (0,09% p / v). El tensioactivo comercial sintético Tween 80 (polioxietileno 20 de monooleato de sorbitán) se usó con fines comparativos a una concentración de 0.03% w/v en agua destilada. El aceite de motor se obtuvo de un establecimiento de mantenimiento de automóviles en la ciudad de Recife, Pernambuco, Brasil.

Caracterización fisicoquímica del suelo Las características físicas del suelo se describieron a partir de análisis de distribución de tamaños (ABNT, 1984a), límite de líquido (ABNT, 1984b), plasticidad (ABNT, 1984c), peso específico de partículas (ABNT, 1984d) y compactación (ABNT, 1986) , Según la Asociación Brasileña de Normas Técnicas (ABNT). La caracterización química del suelo tamizado antes y después de la percolación de los contaminantes y fluidos ensayados se realizó en el Laboratorio de Química de la Universidad Católica de Pernambuco, Brasil, siguiendo el Manual de Análisis de Suelos publicado por Embrapa, Brasil Se determinaron la acidez, la conductividad eléctrica, el pH, el sodio (Na +), el potasio (K +), el calcio (Ca2 +), el magnesio (Mg2 +), el aluminio (Al3 +), el hidrógeno (H +) y el área superficial específica. También se calcularon la capacidad de intercambio catiónico y el grado de saturación de bases, saturación de aluminio, saturación de sodio y saturación de óxido.

Preparación de muestras de suelo El suelo se secó al aire, se pasó a través de una malla 50 (0,297 mm) y se mezcló con agua del grifo con un contenido de agua del 19% (suelo natural). La homogeneización manual de las dos fases se realizó para simular la contaminación del suelo por aceite de motor y permitir la posterior compactación de la muestra de ensayo. La cantidad de aceite se determinó en función del peso seco del suelo muestra (10%). fig 1. Columnas de vidrio de 55cm de altura x 6cm de diámetro utilizadas en la eliminación de aceite de motor a través del ensayo estático.

Eliminación de aceite de motor de columnas empaquetadas mediante ensayo estático Columnas de vidrio de 55cm de altura X 6 cm de diámetro se llenaron inicialmente con aproximadamente 200 g de una mezcla que contenía arena de suelo 20 g de aceite de motor (15 cSt). Las columnas utilizadas en los experimentos se ilustran en la Fig. 1. La superficie se inundó entonces con 200 ml de las soluciones de biosurfactante bajo la acción de la gravedad. Se observó la percolación de la solución de biosurfactante en intervalos de 5 minutos durante 24 h, cuando no se observó ninguna percolación adicional de la solución.

Después del lavado de las columnas, las muestras de suelo se lavaron con 20 ml de hexano para la eliminación del aceite residual. El disolvente se rotoevaporó a 50ºC y la cantidad de aceite extraído se determinó por gravimetría Eliminación del aceite de motor a través del ensayo cinético La eliminación del aceite de motor del suelo contaminado se ensayó a través de la saturación de 50 g de suelo con 5 g de aceite de motor. El suelo contaminado con el laboratorio se colocó en vasos de precipitados Erlenmeyer de 250 ml, a los que se añadieron 50 ml del biosurfactante bruto (caldo libre de células después de la fermentación en el CMC y biosurfactante aislado a tres veces el CMC). Los vasos de precipitados se agitaron a 200 rpm durante 24 h a 28ºC. El contenido completo se centrifugó entonces a 5000 rpm durante 1200 s. El aceite residual se determinó mediante gravimetría.

RESULTADOS Y DISCUSIONES Caracterización física del suelo La tabla 1 muestra los resultados de los ensayos de granulometría y compactación de los tres suelos realizados con energía Proctor normal. El suelo arenoso fue clasificado como arena limosa poco graduada (SM-SP) sin límite de líquidos o plasticidad. Los suelos limo (ML) y arcilla (CL) mostraron baja compresibilidad. Basándose en los valores de LP y LL, estos suelos fueron clasificados como plásticos mediales (índice de plasticidad: 7-15). El componente mineral de la fracción pesada del suelo es el cuarzo y de la fracción fina del suelo es la caolinita. Según Pastore y Fontes (1998), se espera que los suelos del grupo CL exhiban baja permeabilidad y pobres características de drenaje.

Tabla 1. Granulometría, consistencia y clasificación unificada de suelos.

Tabla 2. Caracterización química de suelos naturales.

Caracterización química de los suelos

La tabla 2 Muestra la caracterización química de los suelos. Puesto que los suelos son sistemas dinámicos, el pH de un suelo no es un valor característico constante como en soluciones acuosas. Los suelos naturales estudiados mostraron pH ácido, el más ácido de

los cuales fue el suelo limoso.Utilizando el método descrito por EMBRAPA (1997), se obtuvo la capacidad de intercambio catiónico (CEC) a partir de la suma de las bases Ca2 +, Mg2 +, K + y Na +, que representa el valor S más H + más el valor extraíble Al3 +. Bajo (valor T = CECo27cmolc / kg) en los tres suelos, lo que indica el predominio de la arcilla caolinita. Los valores de superficie específicos encontrados confirman presencia de caolinita. La saturación media de base expresada en porcentaje (valor V) fue superior al 50% para el suelo arcilloso, indicando un suelo eutrófico, fértil para la agricultura. Por el contrario, los suelos arenosos y limosos exhibieron características distróficas. La conductividad eléctrica es una determinación utilizada en la clasificación de Suelos en regiones semiáridas y costeras así como en la interpretación del uso y manejo de suelos basados en la determinación de la cantidad de sales presentes. La conductividad eléctrica del extracto de saturación fue alta para el suelo arcilloso. Sobre la base de carbono orgánico, la cantidad de materia orgánica fue baja en los tres suelos.

Caracterización química de los suelos tras el paso de líquidos percolantes Para evaluar el efecto de los líquidos de percolación (caldo metabólico que contiene el biosurfactante bruto, el biosfabricante aislado en su CMC, el biosfabricante aislado 3 x CMC, el Tween 20 y el agua destilada) sobre las características químicas de los suelos estudiados, la caracterización química de los tres suelos Se realizó tras la percolación de los líquidos (Tables3–5). El pH de los suelos naturales no experimentó ningún cambio significativo después de la percolación de las soluciones de biosurfactante o agua destilada. El mayor cambio ocurrió con Tween 80, lo que acentuó la acidez de los suelos. El valor S (suma de cationes) se redujo por el paso del biosurfactante aislado y el Tween 80 en los suelos arenosos y limosos, indicando probablemente la captura de cationes por estos líquidos. Se observó un aumento del valor T (CEC) en el suelo arcilloso tras el paso de los líquidos percolantes, mientras que sólo el caldo metabólico que contenía Rufisan condujo a un aumento acentuado del valor T en los suelos arenosos y limosos. Por otra parte, la solución de biosurfactante aislada condujo a un aumento del valor V (% de saturación de bases) en los suelos arenosos y limosos, haciendo que estos suelos fértiles, mientras que los otros líquidos percolantes redujeron esta proporción de propiedades invariables, con la excepción del metabolismo Caldo que contiene el biosurfactante crudo, que aumentó el valor de V en el suelo limoso.

Aplicación de Rufisan en la eliminación del aceite de motor adsorbido a diferentes tipos de suelo Entre los más de 10 mil millones de toneladas de petróleo crudo se producen anualmente en todo el mundo, se estima que el 0,6% de esta producción termina contaminando los océanos. Si bien no se dispone de estimaciones sobre la contaminación del suelo por hidrocarburos de petróleo, cabe esperar una cifra similar o Medio ambiente marino, ya que la mayor parte del crudo se produce, se refina y se utiliza en tierra El bajo grado de disponibilidad de hidrocarburos (baja solubilidad en agua, alto grado de fijación a la matriz del suelo y pequeño grado de transferencia de contaminantes adsorbidos desde la fase sólida a la fase líquida) es uno de los factores limitantes en la biorremediación de suelos contaminados. El uso de tensioactivos es una manera de aumentar la disponibilidad de estos hidrocarburos para la posterior acción microbiana. La mayor biodegradación de compuestos orgánicos hidrófobos mediante el uso de tensioactivos se evidencia principalmente por la desorción de estos compuestos en el suelo y el aumento de la solubilidad con el uso de tensioactivos a concentraciones iguales o mayores que el CMC Dos mecanismos controlan la eliminación de contaminantes hidrofóbicos en suelos por surfactantes. La primera se produce por debajo de la CMC, en la que los monómeros tensioactivos aumentan el ángulo de contacto entre el suelo y el contaminante hidrofóbico, permitiendo la separación y consiguiente desplazamiento del aceite. El segundo mecanismo (solubilización) se produce por encima de la CMC, en la que el contaminante se reparte en el centro de las micelas de tensioactivos. En el presente estudio, los ensayos de eliminación de aceite de motor se realizaron primero en columnas de vidrio empaquetadas (ensayo de eliminación estática), seguido por eliminación en vasos de precipitados (Ensayo cinético) para determinar la eficacia del biosurfactante Rufisan producido por C. lipolytica en la eliminación del derivado de petróleo adsorbido a tres tipos diferentes de suelo.

Tabla 3. Análisis químico de suelos arenosos contaminados con aceite tras el paso de líquidos percolantes.

Tabla 4. Análisis químico de suelos limosos contaminados con aceite tras el paso de líquidos percolantes.

Tabla 5. Análisis químico del suelo arcilloso contaminado con aceite tras el paso de líquidos percolantes.

Aplicación de Rufisan para la eliminación del aceite de motor adsorbido a diferentes tipos de suelos en columnas empacadas Se encontró una tasa de eliminación de aproximadamente el 30% en el ensayo estático en columnas de vidrio empaquetado. En los tres suelos ensayados, las velocidades de eliminación de los líquidos percolantes obedecieron el siguiente orden creciente: agua destilada, Tween 80, caldo metabólico libre de células, biosurfactante en la CMC y biosurfactante a tres veces la CMC. La tasa de remoción fue muy similar entre los tres suelos, demostrando que la granulometría de los suelos no ejerció influencia significativa sobre la acción de los líquidos percolantes. No obstante, se observó una mayor eliminación con el suelo arenoso, que Mayor superficie específica y mayor permeabilidad, facilitando la interacción entre el biosurfactante y el suelo. Debido a su naturaleza anfipática, el biosurfactante forma agregados micelares con el contaminante, promoviendo una mayor eliminación. Los resultados demuestran la eficacia del biosurfactante bruto en la eliminación del aceite de motor del suelo. Este resultado es importante teniendo en cuenta el hecho de que la purificación de surfactante puede representar hasta un 60% del coste total del proceso de eliminación de contaminantes. La literatura describe los resultados de los estudios que implican la aplicación de biosurfactantes para la eliminación de hidrocarburos en columnas rellenas. Los estudios llevados a cabo demostraron que la movilización o solubilización de compuestos hidrófobos por tensioactivos puede o no variar dependiend de la concentración empleada. Algunos tensioactivos de origen vegetal, tales como aescina, lecitina y tanino, no fueron capaces de potenciar la solubilización de

compuestos hidrófobos en concentraciones por encima de la CMC. Sin embargo, cuando se emplearon ramnolípidos, la solubilidad del aceite aumentó con el aumento de la concentración de tensioactivo. Otro estudio de los mismos autores demostró que un aumento en la concentración de ramnolípidos de 0,004% a 0,55% aumentó el proceso de biorremediación de los suelos contaminados con petróleo Los caldos libres de células que contienen aislamientos de Pseudomonas aeruginosa MTCC7815, MTCC7812 y MTCC8165 cultivados en glicerol al 2% eliminaron 49 - 54% de aceite crudo contenido en columnas rellenas. Se necesitaron altas concentraciones (2.5 y 5.0 g / l) de un biosurfactante aislado de P. aeruginosa 57SJ (CMC: 400mg / l) para eliminar el 70% de pireno adsorbido al suelo con un tamaño de partícula de 2mm investigando el potencial del anhídrido ananiónico De P. aeruginosa para la eliminación de hidrocarburos adsorbidos al suelo en columnas rellenas. El biosurfactante fue capaz de eliminar el 84% de hexadecano absorbido por arena con partículas de 0,6 a 0,85 mm (malla 20/30), mientras que se encontró una tasa de eliminación del 22% para partículas de arena de 0,3-0,42 mm (malla 40/50). Se comparó la capacidad de eliminación del ramnolıpido con arena de malla 40/50 con la de dos tensioactivos sintéticos: el dodecilsulfato de sodio aniónico (SDS) (CMC: 2360 mg / l) y el Tween 80 no iónico (CMC: 13 mg / l). El SDS (472 mg / l) y el Tween 80 (51 mg / l) eliminaron respectivamente el 0% y el 6% del hexadecano. Otro estudio sobre el gasóleo adsorbido al suelo en una columna demostró que el SDS eliminaba el 97% del combustible, mientras que el agua (utilizada como control) eliminaba sólo el 24,7%. (tabla 6). En un estudio con hallazgos similares a los del presente estudio, se encontró una tasa de eliminación de aceite de aproximadamente el 35% empleando una solución de Tween 80 al 0,2%. Utilizando el caldo libre de células de un biosurfactante producido por Rhodococcus, se obtuvo una tasa de remoción del 86% del aceite crudo residual adsorbido en la arena. Un estudio más reciente en el que se incluyó otro biosurfactante producido por Rhodococcus cultivado en n-hexadecano reveló la capacidad de el polímero para eliminar el 82% de petróleo crudo contenido en una columna.

Investigó la capacidad de surfact en de Bacillus sp. Para eliminar el queroseno adsorbido al suelo en ensayos de columna que informan tasas de eliminación de 34-62% con una concentración de 0,1%. Demostraron que un biosurfactante aislado de Bacillus subtilis era capaz de eliminar el 56% del aceite adsorbido a la arena en una columna, mientras que los biosurfactantes producidos por especies de Bacillus cultivadas en melazas y suero de queso en condiciones termofílicas eliminaron aproximadamente el 30% del aceite contenido en las columnas

Tabla 6. Eliminación de aceite de motor adsorbido a diferentes tipos de suelos en columnas de vidrio empaquetado (ensayo estático).

Tabla 7. Eliminación de aceite de motor adsorbido a diferentes tipos de suelos en vasos (ensayo cinético).

Aplicación de Rufisan en la eliminación del aceite de motor adsorbido a diferentes tipos de suelo en ensayos cinéticos. La tabla 7. Muestra los resultados de los experimentos llevados a cabo en vasos para la eliminación del aceite de motor adsorbido a diferentes tipos de suelos. Se obtuvieron altas velocidades de eliminación de aceite con las soluciones que contenían biosurfactante en CMC (0,03%) y tres veces CMC (0,09%). El tamaño de partícula del suelo y la concentración de biosurfactante no influyeron en la tasa de remoción de aceite. El hecho de que el aumento de la concentración no condujera a un aumento significativo de la tasa de eliminación del contaminante en el presente estudio sugiere que el biosurfactante de C. lipolytica usó el mecanismo de desplazamiento para liberar gotitas de aceite adsorbidas a los suelos. Este hallazgo es satisfactorio desde el punto de vista ambiental, ya

que altas concentraciones de algunos biosurfactantes tienen un efecto tóxico sobre la población microbiana nativa en el suelo (Christofi e Ivshina, 2002). Ciapina et al. (2006) informan que el caldo que contiene un biosurfactante de Rhodococcus erythropolis eliminó aproximadamente 94% de aceite crudo después de 120 minutos de agitación a 100 rpm. Después del lavado, la fase oleosa permaneció dispersa en la fase acuosa, caracterizando un fenómeno de eliminación asociado al proceso de dispersión y desplazamiento. Un biosurfactante denominado JE 1058BS producido por Gordonia n. JE-1058 eliminó aproximadamente el 80% del aceite crudo adsorbido a la arena (tamaño de partícula: 3 a 6 mm) cuando se añadió a una concentración de 0,004%. Un biosurfactante de Candida antarctica demostró la capacidad de eliminar aproximadamente el 50% de aceite adsorbido a la arena. Una solución al 2,5% de un biosurfactante aislado de Candida glabrata eliminó aproximadamente el 84% del aceite de motor adsorbido a la arena. Los biosurfactantes producidos por cepas de P. aeruginosa eliminaron 49-54% de petróleo crudo a temperatura ambiente, 52-57% a 70ºC y 58-62% a 90ºC. Los hallazgos obtenidos con un biosurfactante aislado de Candida sphaerica demostraron que una solución al 0,1% era capaz de eliminar el 65% de aceite de motor adsorbido en el suelo. La solución de tensioactivo en el CMC (0,08%) eliminó el 55% del aceite y la solución al 0,05% eliminó aproximadamente el 30%. El control (formulado con agua destilada) eliminó sólo el 14,5% del aceite. Al utilizar el biosurfactante producido por Candida guilliermondii, Coimbra et al. (2009) informan una tasa de remoción de aceite motor de 23,92% adsorbido en arena estándar (NBR 7214) y una tasa de eliminación de 89,82% de aceite de motor adsorbido a arena de playa. En el mismo estudio, el biosurfactante producido por C. lipolytica alcanzó el 63,3% y el 86,2% de las tasas de eliminación de aceite de motor de arena estándar y arena de playa, respectivamente. Los estudios realizados con el biosurfactante producido por Candida tropicalis reportan una tasa de remoción del 81.83% de aceite de motor adsorbido en arena estándar y 95.15% de aceite de motor en arena recogida en la orilla del mar. El biosurfactante Rufisan (aislado y contenido en un caldo auto-libre) muestra la capacidad de eliminar los contaminantes hidrófobos en suelos en condiciones operativas estáticas y dinámicas. Por lo tanto, este biotensioactivo tiene un potencial considerable para aplicaciones industriales y ambientales de bajo costo, tales como la recuperación de petróleo, la limpieza de embalses y como adyuvante en la biorremediación de suelos contaminados con derivados de petróleo.