Especiación de hidrocarburos en un suelo modificado por un campo eléctrico y su relación con el destino ambiental - Gómez Flores, Ana Paulina (Universidad Autónoma Metropolitana, 2021)
Los hidrocarburos son contaminantes altamente persistentes con propiedades tóxicas, mutagénicas y carcinogénicas. Por tanto, su eliminación del medio ambiente es imperativa. Los responsables de eliminar la contaminación por hidrocarburos del suelo suelen utilizar tecnologías de biorremediación para este fin; sin embargo, la eficiencia de estas tecnologías se ve obstaculizada por la baja biodisponibilidad de los contaminantes. Otros factores que disminuyen la biodisponibilidad de los hidrocarburos son las interacciones que forman con los componentes del suelo. A la fecha en México, el nivel de contaminación por hidrocarburos en los suelos se determina utilizando concentraciones totales, lo que no considera la biodisponibilidad, sobrestima los riesgos, y lleva a proponer tecnologías de remediación inadecuadas. Este trabajo propone una técnica de extracción secuencial con solventes, similar a las utilizadas para metales en suelos, que permite la extracción de hidrocarburos de acuerdo a sus interacciones con los componentes del suelo. El esquema permite obtener cinco fracciones, cada una con significado ambiental individual: la fracción soluble (considerada como directamente biodisponible), la fracción pseudosoluble (considerada como fácilmente bioaccesible), la fracción desorbible (considerada como poco biodisponible y poco bioaccesible), la fracción extraíble (considerada como no biodisponible y no bioaccesible, pero cuantificable), y la fracción secuestrada (considerada como no biodisponible, no bioaccesible, y no cuantificable). De acuerdo con lo anterior, este trabajo tuvo como objetivo cuantificar las interacciones entre los constituyentes del suelo y los hidrocarburos mediante el uso de un esquema de especiación basado en la extracción secuencial con solventes. Las extracciones y las interacciones se relacionaron con el destino ambiental de los contaminantes.El uso del esquema de especiación permitió identificar las interacciones selectivas entre los componentes del suelo (principalmente materia orgánica) e hidrocarburos que controlan el destino ambiental de estos contaminantes. Para ello, inicialmente se utilizó y caracterizó una muestra de suelo no contaminado; posteriormente, a esta muestra se le añadió una mezcla de hidrocarburos compuesta de hexadecano, fenantreno y pireno. La muestra de suelo contaminado se sometió al procedimiento de especiación, que determinó que los hidrocarburos forman interacciones selectivas con los componentes del suelo. Si bien las interacciones formadas entre el suelo y el hexadecano son fuertes, las interacciones entre los hidrocarburos aromáticos policíclicos y el suelo presentan interacciones más débiles. La eficiencia del esquema de especiación se probó modificando las interacciones suelo-hidrocarburos utilizando un campo eléctrico. El campo eléctrico utilizado para modificar las interacciones suelo-hidrocarburos aumentó significativamente la concentración soluble de los tres contaminantes en 7, 2, y 30 veces, respectivamente. Este incremento se relacionó con modificaciones en las propiedades coloidales de la materia orgánica disuelta; así como con una disminución de la tensión superficial en la interfaz suelo-agua de poro. El campo eléctrico también provocó una disminución en la concentración de pireno pseudosoluble en 1.34 veces, lo que se relacionó con modificaciones en las propiedades coloidales de los ácidos fúlvicos. Finalmente, el campo eléctrico aumentó casi 20 veces la concentración de pireno secuestrado, debido a las propiedades de partición de este hidrocarburo y al alto índice de humificación de la muestra de suelo. Por un lado, un incremento de la concentración de hidrocarburos solubles implica una mejora de la biodisponibilidad; por otro lado, un incremento en la concentración de hidrocarburos secuestrados representa una disminución del riesgo ambiental. El campo eléctrico modificó el destino ambiental de los contaminantes al inducir cambios en el exceso de carga superficial de las partículas sólidas, lo que perturbó las interacciones suelo-hidrocarburos. De esta forma, y comparado con el uso de concentraciones totales como parámetro de toma de decisiones, el esquema de especiación propuesto en este trabajo es una herramienta práctica y sencilla. Su principal ventaja es que permite identificar perturbaciones no detectables e inferir el destino ambiental de los contaminantes orgánicos en los suelos.; Hydrocarbons are highly persistent contaminants with toxic, mutagenic, and carcinogenic properties. Therefore, their elimination from the environment is imperative. Those responsible for contamination commonly use bioremediation to eliminate hydrocarbons from soils; nevertheless, the efficiency of this technology gets hindered by the low bioavailability of contaminants. Other factors that lower the bioavailability of hydrocarbons are the interactions they form with soil’s constituents. Up to date in Mexico, the level of contamination by hydrocarbons in soils is evaluated by total concentrations, which does not consider bioavailability, overestimates risks, and leads to the proposition of inadequate remediation technologies. This work proposes a sequential solvent extraction technique, similar to those used for metals in soils, that allows the extraction of hydrocarbons according to their interactions with soil constituents. The scheme obtains five fractions, each with individual environmental significance: the soluble fraction (considered as directly bioavailable), the pseudosoluble fraction (considered as easily bioaccessible), the desorbable fraction (considered as hardly bioavailable and hardly bioaccessible), the extractable fraction (considered as non-bioavailable and non-bioaccessible, but quantifiable), and the sequestered fraction (considered as non-bioavailable, non-bioaccessible and nonquantifiable). According to the latter, this work aimed to quantify the interactions between soil constituents and hydrocarbons by using and speciation scheme based on sequential solvent extraction. These extractions and the interactions were related to the environmental fate of the contaminants. The use of the speciation scheme allowed the identification of the selective interactions between soil constituents (mainly soil organic matter) and hydrocarbons that control the environmental fate of these contaminants. For this, firstly a non-contaminated soil sample was used and characterized; thus this sample was spiked with a mixture of hydrocarbons comprised of hexadecane, phenanthrene, and pyrene. The contaminated soil sample was subjected to the speciation procedure, which allowed to determine that hydrocarbons form selective interactions with soil constituents. While the interactions formed between soil and hexadecane are strong, the interactions between polycyclic aromatic hydrocarbons and soil are weaker. The efficiency of the speciation scheme was tested by inducing modifications of the soil-hydrocarbons interac- tions using an electric field. The electric field used to modify the soil-hydrocarbons interactions significantly increased the soluble concentration for the three contaminants by 7-fold, 2-fold, and 30-fold, respectively. This increment was related to modifications on the colloidal properties of dissolved organic matter; as well as with a decrease in surface tension at the soil-pore water interface. The electric field also caused a decrease in the concentration of pseudosoluble pyrene by 1.34-fold, which was related to modifications in the colloidal properties of fulvic acids. Finally, the electric field increased almost 20-fold the concentration of sequestered pyrene due to the partition properties of this hydrocarbon and the high humification index of the soil sample. On the one hand, an increment of the concentration of soluble hydrocarbons implies an enhancement in bioavailability; on the other hand, an increment of the concentration of sequestered hydrocarbons represents a decrement in environmental risk. The electric field modified the contaminants’ environmental fate by inducing changes on the surface excess charge of solid particles, which perturbed the soil-hydrocarbons interactions. In this manner, and compared to using total concentrations as a decision-making parameter, the speciation scheme proposed in this work is a practical and simple tool. Its main advantage is that it allows identifying nondetectable perturbances and inferring the environmental fate of organic contaminants in soils.