Transferencia de masa y biodegradación de hidrocarburos de un suelo intemperizado en un cultivo de suelo en suspensión Public Deposited
The objective of this study was to improve the mass transfer of aged hydrocarbons from contaminated soil to liquid phase. We study the feasibility of use solvents as treatment to increase the desorption rate and the biodegradation rate. The assays were performed in soil slurry (30% w/v) in 165-mL serological bottles. The soil was obtained from a site next to a refinery localized in the state of Veracruz, Mexico. The microbial consortium used was isolated from the rizosphere of a native plant (Cyperus laxus Lam) that naturally grewn in the contaminated site. Surfactants or solvents are used to increase the bioavailability of aged hydrocarbons in slurry phase. In this work, we proposed the use of solvents to improve the biodegradation rate, because some surfactants are toxic and excess of foam could complicate the treatment in soil slurry. A comparison of the hydrocarbons extracted with different solvents: hexane, toluene and benzene (polar) and acetone, butanol and methanol (non-polar) were made. The desorption rate was not correlated with polarity solvent. The higher desorption rate of total petroleum hydrocarbons (TPH) was obtained with toluene, in this case the extract was composed by polyaromatic compounds and asphaltenes. In desorption/biodegradation assays, toluene addition increased the hydrocarbon consumption rate significatively, while other solvents did not a significative effect on hydrocarbon consumption rate. Toluene was selected to studied the effect of its concentration on desorption of hydrocarbons and on desorption-biodegradation assays. Our studies showed that toluene increase exponentially the desorption rate. Addition of 14 000mg/kg of soil increases the consumption rate three times in comparison to control without solvent. In 30 days the initial TPH concentration in soil, 292 000 mg/kg of soil, diminished 47% when the serological bottles contained 10% (v/v) precultured microorganisms and they were incubated at 30ºC in a rotatory shaker at150 rpm. Toluene probably yield a highly toxic toluene-hydrocarbon phase when more than 14 000 mg/kg of soil was added. The inhibitory effect of toluene-TPH was also studied A substrate inhibition model was used: the km and ki constants were 57 and 490 mg TPH/L liquid phase, respectively. The proposed model lead us the dimensionless Damkhöler number (Da) that is defined as the ratio of the rate of maximum degradation to maximum convective mass transfer between soil surface and liquid phase. Da Evaluation showed that rate of mass transfer was the limiting step in overall biodegradation in non-solvent control. When high concentration of toluene was added then bioreaction was the limiting step, but inhibitory effect of toluene-TPH should be considered. The data in the system are well described by the proposed model involving sequential desorption and biodegradation restricted to liquid phase. Results showed clearly that solvents could be used to increase desorption rate. A grater increase of desorption and desorption/biodegradation of hydrocarbons were obtained when toluene was added.
El objetivo fundamental del trabajo fue mejorar la transferencia de masa de hidrocarburos intemperizados de un suelo contaminado a la fase líquida, incrementando la desorción de los hidrocarburos mediante la adición de un solvente. Todos los estudios se realizaron en microcosmos de 165 ml con un cultivo de suelo en suspensión al 30% (p/v). La muestra de suelo con la que se desarrolló el trabajo fue tomada en un sitio próximo a una refinería localizada en el estado de Veracruz. Del mismo sitio se tomó una planta nativa (Cyperus Laxus Loam), que crecía en el suelo contaminado, para a partir de su rizósfera aislar un consorcio microbiano adaptado a concentraciones elevadas de hidrocarburos, mismo que se utilizó para estudiar el proceso de biodegradación. Se ha demostrado, por diversos investigadores, que la biodisponibilidad de hidrocarburos intemperizados, cuando se trabaja en un cultivo de suelo en suspensión, puede incrementarse por el uso de surfactantes o solventes. En este trabajo se optó por el uso de solventes para mejorar el proceso global de biodegradación dado que un surfactante podría favorecer un exceso de producción de espuma. Se compararon tres solventes de tipo polar, hexano, tolueno y benceno; y tres de tipo no polar, acetona, butanol y metanol.Se determinó que no existe correlación entre la polaridad del solvente y la desorción de los hidrocarburos en el suelo. La mayor desorción de hidrocarburos totales del petróleo (HTP) se obtuvo con tolueno, cuyo extracto contiene una alta proporción de compuestos aromáticos y asfaltenos. Posteriormente se estudio la desorción/biodegradación simultánea en la cual la adición de tolueno incrementó de manera significativa, con respecto al control sin solvente, el consumo de HTP y particularmente el consumo de compuestos poliaromáticos. Los resultados de la desorción/biodegradación simultánea con los demás solventes probados no fueron significativamente diferentes al control sin solvente. Con base en los resultados anteriores se seleccionó al tolueno para determinar el efecto de la concentración de tolueno en la desorción de HTP y en la desorción/biodegradación. La tasa de desorción mostró un comportamiento exponencial con respecto a la concentración de tolueno. En el intervalo de concentraciones de tolueno probadas, la mejor degradación ocurrió cuando se adicionaron 14 000 mg/kg de suelo base seca, en 30 días de tratamiento los HTP iniciales, 292 000 mg de HTP/kg de suelo base seca, disminuyeron un 47% a 30 °C, 150 rpm y 10 % de inóculo (v/v). Sin embargo el consumo de HTP fue inhibido cuando se adicionaron más de 14 000 mg de tolueno/kg de suelo. Para los fines de este trabajo se supuso que el consumo de hidrocarburos sólo ocurre en la fase líquida y este consumo fue explicado por un modelo de inhibición por sustrato que generó una km y una ki de 57 y 490 mg HTP/l de suspensión, respectivamente. Este modelo también permitió estimar el grupo adimensional de Damkhöler (Da), como una relación entre la tasa de degradación máxima de hidrocarburos y la transferencia de masa máxima de hidrocarburos entre la superficie del suelo y la fase líquida. El Da indicó que la transferencia de masa de los hidrocarburos es el paso que limita el proceso de biodegradación en concentraciones de tolueno menores a 86 000 mg/kg de suelo. Con concentraciones de tolueno superiores, la reacción biológica se convierte en el paso limitante, según lo indica el Da. Los resultados se explican por el efecto inhibitorio de los compuestos solubles en la fase líquida (HTP-tolueno) que pueden disminuir la actividad de la población microbiana provocando la acumulación de HTP-Tolueno. Los resultados obtenidos confirmaron que es factible el uso de solventes, específicamente tolueno, para acelerar la desorción y mejorar la biodegradación de HTP. Tratamiento sur podría ser aplicable a otros suelos altamente contaminados con hidrocarburos intemperizados siguiendo la estrategia propuesta pero utilizando otros solventes.
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