Biorremediación de de una una playa playa afectada afectada por por la la Biorremediación marea negra negra del del Prestige Prestige marea 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 Mareas negras causadas por petroleros i ii 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Buque Exxon Valdez Hawaiian Patriot Metula Atlantic Enterprise Odyssey Wafra Castillo de Bellver ABT Summer Katina P. Khark 5 1989 Urquiola 1976 Aegean Sea 1992 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Buque 2002 Prestige Amoco Cadiz Torrey Canyon Sea Empress Texaco Denmark Braer Haven Independenta Irenes Serenade Assmi Sea Star i ii Andros Patria 1978 Polycommander 1970 ... Polycommander 1970, Ría de Vigo 13.000 t crudo Polycommander 1970, Ría de Vigo Petrolero Urquiola, 1976, A Coruña 100.000 t crudo Petrolero Urquiola, 1976, A Coruña Petrolero Urquiola, 1976, A Coruña Petrolero Mar Egeo, 1992, A Coruña 70.000 t crudo Petrolero Mar Egeo, 1992, A Coruña 19 de Noviembre de 2002 Naufragio del Prestige 50.000 –60.000 t fuel oil Costa afectada, Febrero de 2003 fuente: La Voz de Galicia Más de 1.000 km de litoral afectados Más de 50.000 t de fuel vertidos Recogida de fuel en el mar Ría de Arousa 4 de Diciembre de 2002 Recogida de fuel en la costa Costa da Morte 20 de Diciembre de 2002 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. 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: 1.400.000 m2 afectados en la costa gallega. 1.157.000 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. 250.000 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. 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). Microorganismos (biocatalizadores) Hidrocarburo adsorbido/adherido Matriz sólida (arena, roca...) 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 Velocidad de degradación Presencia de microorganismos. Características físicas y químicas del hidrocarburo. Superficie específica (m2/m3 fuel) Agua. Temperatura. (15-20 ºC, amb. marinos). pH. Nutrientes (N, P, Fe). Aceptores de electrones (Oxígeno, Nitrato, Sulfato). 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 P a r á m e tr o Densidad a 15ºC (kg/m 3) P u n t o ain ic ia(cSt) l (ºC ) Viscosidad 50ºC 1 9de 0 -3 5 0 (%(ºC) m /m ) Punto fluidez 0 -5 0 0 (% m /m ) S 3 5 (%) máximo 5 0 0 (mg/L) + (% m /m ) Vanadio F u e l d e l Indicación M u e s tr a Valor sobre r e c estándar o g id a e n P r e s tig e fuel el m ar 0,9930 Normal 1 9 2 ,6 2Alta 5 9 ,7 615 16 3 ,9 2 9 ,2 2,58 7 ,9 Baja 2 8 ,4 Medio 5 6 ,9 80 6 3 ,7 Normal Caracterización del fuel Saturados Aromáticos Resinas Asfaltenos (C79H92N2S2O)3 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 Biodegradabilidad de hidrocarburos Saturados: n-alcanos biodegradables hasta C44. C10 a C26 los más biodegradables. Fuel del Prestige: 24,6 % Saturados Alcanos desde C12 a C47 50 % C26 (IFP) Aromáticos: PAH 2-3 anillos biodegradables (C10-C14). 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) 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). 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 2003. 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) 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 Estudio de la Biota Instituto de Análisis Alimentarios Actividad Genotóxica y mutagénica Dpto. de Microbiología. Ensayos de laboratorio Análisis y preparación inóculos Empresas Aplicaciones de productos Localización del entorno Sorrizo Roquedal en la playa de Sorrizo Marzo de 2003 Rocas y cantos Arenal Productos utilizados Nitrofoska suprem: abono comercial para silvicultura, casa Compo, 20% de N, 5% P205. 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). 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 Distribución de zonas en la playa de Sorrizo Zona 4 L-1800 + B-350 Zona 5 Cultivo autóctono Zona 3 B-350 5 4 3 2 1 Zona 1 Nutrientes Zona 2 Blanco Plan de trabajo (II). Losetas Zona Supralitoral 5 tratamientos (26 de Mayo): 1.- Nutrientes 2.- Blanco 3.- B-350 4.- L-1800 5.- Cultivo autóctono Zona Intermareal, 3 tratamientos (23 de Junio): 1.- Blanco 2.- B-350 3.- Cultivo autóctono Losetas Zona Supralitoral UB L-1800 B-350 Blanco NPK Losetas Zona Intermareal B350 B350 UB UB Muestreos y parámetros analizados Muestreos: 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. RESULTADOS.Muestras Muestrasde deagua aguade demar maryyde deporo poro RESULTADOS. Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas Amonio Amonio AMONIO 1,400 Cese de la aplicación de nutrientes en la playa Amonio (ppm N-NH4) 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 0 100 200 300 400 Tiempo (días) NPK Blanco B350 L1800 UB Mar, [N-NH4+] : 0,050 – 0,140 mg/L (Fuente: Agencia Ambiental Europea) Nitrato Nitrato NITRATO 4,5 Cese de la aplicación de nutrientes en la playa 4,0 Nitrato (ppm N-NO3) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 100 200 300 400 Tiem po (días) NPK Blanco B350 L1800 UB Agua dulce Ortofosfato Ortofosfato FOSFATO Cese de la aplicación de nutrientes en la playa Fostato (ppm P-PO4) 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 100 200 300 400 Tiem po (días) NPK Blanco B350 L1800 UB Mar, [P-PO4-3] : 0,020 - 0,120 mg/L (Fuente: Agencia Ambiental Europea) HAP en en muestras muestras de de agua agua HAP HAP en muestras de agua (I) 16 HAP (Priority Pollutants) de la EPA Naftaleno Acenaftileno Fenantreno Criseno Antraceno Acenafteno Fluoranteno Benzo(a)antraceno(k) Fluoreno Pireno Benzo-fluoranteno (b) Benzo(a)pireno Indeno(123-cd) Dibenzo(a,h) pireno antraceno Benzo(g,h,i) perileno Clase B2, probables agentes cancerígenos para el hombre Clase D, carcinogenicidad no demostrada en el hombre HAP en en agua agua de de poro poro yy mar mar HAP Inicio tratamientos, 14 de abril de 2003 µg/L Agua de Compuesto mar Zona 2 Zona 3 Naftaleno ND ND ND Acenafteno ND ND ND Fluoreno ND ND ND Fenantreno 0,042 0,021 0,028 Antraceno 0,041 0,021 0,028 Fluoranteno 0,011 ND ND Dibenzoantraceno 0,013 ND ND Zona 4 4,009 0,758 0,770 1,396 0,175 0,034 0,008 Zona 5 0,104 ND ND 0,026 0,021 ND ND HAP en en agua agua de de mar mar yy de de poro poro HAP 18 de Junio de 2003, Compuesto Agua de mar 18-jun Naftaleno ND Fenantreno 0,080 Antraceno 0,082 Fluoranteno ND Pireno ND Benzoperileno #N/A Zona 1 18-jun ND 0,070 0,072 ND 0,072 ND Zona 2 18-jun ND 0,185 0,074 ND 0,069 ND µg/L Zona 3 18-jun ND 0,081 0,079 0,043 0,053 0,007 25 de Agosto de 2003, Compuesto Agua de mar 25-ago Fenantreno ND Antraceno ND Fluoranteno ND Benzopireno ND Zona 1 25-ago ND #N/A #N/A #N/A Zona 2 25-ago ND ND #N/A #N/A Zona 3 25-ago 0,020 0,008 0,012 ND Zona 4 18-jun 0,540 0,424 0,262 ND 0,125 #N/A Zona 5 18-jun ND 0,168 0,020 0,021 0,115 ND µg/L Zona 4 25-ago ND ND #N/A 0,015 Zona 5 25-ago ND ND ND ND HAP en en agua agua de de mar mar yy de de poro poro HAP 24 de Octubre de 2003, Compuesto Agua de mar 24-oct Fenantreno ND Benzopireno #N/A Indeno ND Zona 1 24-oct ND #N/A ND Zona 2 24-oct ND #N/A ND µg/L Zona 3 24-oct ND ND 0,031 Zona 4 24-oct 0,040 0,015 ND HAP: diciembre de 2003 y febrero de 2004 AUSENCIA dentro de los límites de detección Zona 5 24-oct ND 0,020 ND Microorganismos en en agua agua de de mar mar yy de de poro poro Microorganismos Agua de mar: Concentración de grupos tróficos constante. Zonas: Presencia de degradadores de alcanos y aromáticos. 18.6.03 Heterótrofos Alcanos Aromáticos Agua de mar Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 6,7·104 1,8·105 1,1 105 2,3·106 3,0·106 3,8·106 4·103 1,4·104 3,6·103 1,8·105 1,1·104 1,4·105 0 6,9·102 3,8·103 3,0·103 5,6·103 1,4·105 RESULTADOS.Arena, Arena,piedras piedrasyylosetas losetas RESULTADOS. Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas Arena. Concentración Concentración de de fuel fuel Arena. C (g/kg arena seca) Concentración de hidrocarburos en arena 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 2 4 6 8 10 Tiempo (meses) NPK L1800 Blanco UB B350 Tampón (Zhu et al. 2001) : [Hidrocarburos] < 3 g/kg Adición de nutrientes no incentiva biodegradación. Fraccionamiento del del fuel fuel en en la la arena arena Fraccionamiento Porcentajes de las familias Día abr-03 abr-03 abr-03 abr-03 abr-03 oct-03 oct-03 oct-03 oct-03 oct-03 may-04 may-04 may-04 may-04 may-04 may-04 Nombre Saturados Aromáticos Fuel Prestige 23 54 Blanco 0,00 39,06 B350 0,00 19,74 L1800 6,75 46,54 NPK 0,63 32,89 UB 0,00 33,33 Blanco 10,81 30,74 B350 1,79 26,79 L1800 10,38 39,23 NPK 11,16 34,60 UB 6,03 34,79 Blanco 3,53 38,86 B350 13,36 34,48 L1800 17,3 38,22 NPK 8,33 23,68 UB 2,69 37,31 Tampón 1,72 39,22 Resinas 12,5 23,44 26,32 9,42 13,16 20,83 14,19 17,86 10,00 14,96 17,16 Asfaltenos 10,3 37,50 53,95 37,29 53,32 45,83 44,26 53,56 40,39 39,28 42,02 R+A 22,8 60,94 80,26 46,71 66,48 66,67 58,45 71,42 50,39 54,24 59,18 57,61 52,16 44,48 67,99 60,00 59,06 •Referencia: análisis del fuel del Prestige del IFP •Suposición: la masa de la fracción polar se mantiene constante Degradación de hidrocarburos en la arena Degradación de saturados en arena Degradación de aromáticos en arena 100,00 % degradación % degradación 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 14-abr 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 25-ago 24-oct 1 12-dic 20-feb 04-may 14-abr 25-ago 24-oct 1 12-dic 20-feb 60 % degradación fuel oil 80 % degradación saturados 70 % degradación aromáticos (posible persistencia) 04-may Arenas: Degradación de 16 HAPs EPA (GC-MS SIM) 200 Blanco 150 NPK B350 100 L1800 50 UB 0 Abril Agst Oct Dic Fraccionamiento del del fuel fuel de de rocas rocas Fraccionamiento Hidrocarburos en roca (I) Día jun-03 jun-03 jun-03 jun-03 jun-03 dic-03 dic-03 dic-03 dic-03 dic-03 dic-03 abr-04 abr-04 abr-04 abr-04 abr-04 abr-04 Nombre Saturados Aromáticos Fuel Prestige 23 54 NPK 16,48 44,89 Blanco 10,71 47,62 B350 14,39 31,84 L1800 15,00 43,65 UB 18,55 34,18 NPK 17,52 31,54 Blanco 6,48 37,04 B350 10,71 35,71 L1800 12,32 31,52 UB 13,33 31,67 Tampón 7,81 31,25 NPK 15 23,57 Blanco 8,75 31,25 B350 13,33 24,72 L1800 9,24 32,07 UB 13,83 32,45 Tampón 15,49 25,82 Resinas 12,5 18,18 12,50 17,69 11,15 13,09 19,39 17,59 20,98 19,20 20,56 25,78 15,71 14,38 Asfaltenos 10,3 20,45 29,17 36,08 30,20 34,18 31,55 38,89 32,60 36,96 34,44 35,16 39,29 39,29 19,02 39,29 R+A 22,8 38,63 41,67 53,77 41,35 47,27 50,94 56,48 53,58 56,16 55,00 60,94 55,00 53,67 61,95 58,31 53,72 58,69 •Referencia: análisis del fuel del Prestige del IFP •Suposición: la masa de la fracción polar se mantiene constante Degradación de de hidrocarburos hidrocarburos en en las las rocas rocas Degradación Degradación de aromáticos en piedras 100,00 100,00 80,00 80,00 % degradación % degradación Degradación de saturados en piedras 60,00 40,00 20,00 40,00 20,00 0,00 0,00 09-jun 60,00 07-jul 10-sep 1 09-dic 04-feb 26-abr 09-jun 07-jul 10-sep 1 09-dic 60 % degradación fuel-oil 80 % degradación saturados 80 % degradación aromáticos (> que en arena) 04-feb 26-abr Losetas. Degradación Degradación de de saturados saturados yy aromáticos aromáticos Losetas. Degradación de aromáticos en losetas supralitorales 100,00 100,00 80,00 80,00 % degradación % degradación Degradación de saturados en losetas supralitorales 60,00 40,00 20,00 0,00 15 d 30 d 60 d 90 d 1 120 d 240 d 360 d 60,00 40,00 20,00 0,00 15 d 30 d 60 d 60 % degradación hidrocarburos 90 % degradación saturados 90 % degradación aromáticos 90 d 1 120 d 240 d 360 d Losetas supralitoral: Degradación 16 HAPs EPA 120 100 Blanco 80 NPK 60 B350 40 L1800 20 UB 0 Días T00 30 Jn 60 Jl 90 Agt 120 Spt Losetas intermareales. intermareales. Resultados Resultados Losetas Degradación de aromáticos en losetas intermareales 100 80 60 40 20 0 % degradación % degradación Degradación de saturados en losetas intermareales 0 40 80 120 160 200 100 80 60 40 20 0 0 40 UB Blanco 120 160 200 Tiem po (días) Tiem po (días) B350 80 B350 UB Blanco 50 % degradación hidrocarburos 85 % degradación saturados 80 % degradación aromáticos Ambos tratamientos aceleran la biodegradación en los primeros días Losetas. Porcentaje Porcentaje de de Oxígeno Oxígeno Losetas. Porcentaje de oxígeno losetas IM 12 10 8 6 4 2 0 10 8 %O %O Porcentaje de oxígeno losetas SM 6 4 2 0 60 120 180 Tiem po (d) NPK SM Blanco SM B350 SM L1800 SM UB SM 240 0 0 30 60 90 Tiempo (d) Blanco IM B350 IM UB IM CONCLUSIONES (I) (I) CONCLUSIONES 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 CONCLUSIONES (II) (II) CONCLUSIONES 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 CONCLUSIONES (III) (III) CONCLUSIONES 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 CONCLUSIONES (IV) (IV) CONCLUSIONES Dpto. Ingeniería Química Instituto de Investigaciones Tecnológicas Agradecimientos A los voluntarios Fundación Arao Espina & Delfín S.L. (Santiago de Compostela) y especialmente…… Monumento a los voluntarios del Prestige en O Grove (Po)