Aspectos en la contaminación del suelo por hidrocarburos en México (página 2)

5. Hidrocarburos
en el suelo.

El comportamiento
de los contaminantes orgánicos está en función de
sus características físicas y
químicas (densidad,
solubilidad, polaridad, entre otras.), además de las
características del medio como son la
unidad de suelo,
permeabilidad, estructura,
tamaño de las partículas, contenido de humedad y de
materia
orgánica, así como la profundidad del manto
freático. Factores climatológicos como la temperatura y
la precipitación pluvial también tienen una gran
influencia. Todas las variables en
su conjunto definen el tamaño y la distribución tridimensional del frente de
contaminación en una zona específica
(Cuadro 6).

Cuadro 6. Parámetros del compuesto
químico, suelo y ambiente que
influyen en el transporte a
través del suelo

Tomado de Jury, 1989.
Los compuestos
orgánicos ligeros como las gasolinas, aceites y
petróleo
crudo tienden a formar una capa en forma de nata en el nivel
freático y se mueven horizontalmente en dirección al flujo del agua
subterránea. Los compuestos
orgánicos densos, migran hacia la base del
acuífero creando una columna a partir de la cual pueden
moverse en dirección al flujo de agua
subterránea, contaminando así el acuífero en
toda su profundidad (Figura 1).

Figura 1. Efectos de la densidad en la migración
de contaminantes (Tomado de Barcelona et al.,
1990)
Para la zona superficial se han conceptualizado algunas
relaciones con respecto al suelo y la presencia de contaminantes,
a través de observaciones indirectas de acumulación
de los contaminantes orgánicos en asociación con
adsorbentes naturales (Luthy et al., 1997), estableciendo los
siguientes procesos:
A. Absorción a la materia orgánica amorfa o natural
o en Líquidos de la Fase No Acuosa (LFNA) como es el caso
del petróleo,
B. Absorción a la materia orgánica condensada o en
polímeros o residuos de combustión,
C. Adsorción a superficies orgánicas húmedas
(hollín),
D. Adsorción en superficies minerales
(cuarzo) y
E. Adsorción dentro de los microporos o en minerales
microporosos (zeolitas) con superficies porosas a
saturación de agua < 100 % (Figura 2).

En la figura 2 se indican las interacciones del
geosorbente con los contaminantes orgánicos
hidrofóbicos siendo de tres tipos principalmente: (1) El
mineral con su superficie reactiva atribuible a: I. Superficies
minerales externas expuestas a la escala de la
partícula y superficies dentro de los macroporos; II.
Superficies interlaminares de arcillas expandibles a una escala de
nanómetros; III. Superficies dentro de los mesoporos y
microporos. (2) La materia orgánica del suelo a una escala
de nanómetros. (3) Los LFNA adheridos o atrapados que
pueden funcionar como materia orgánica, excepto para
material altamente intemperizado o películas
interfaciales.

Figura 2. Modelo
conceptual de Geosorbentes dominantes, que incluyen a las
diferentes formas de la materia orgánica sorbente (MOS),
carbón particulado como residuo de combustión (hollín), y carbón
antropogénico incluyendo líquidos de la fase no
acuosa (LFNA). Las letras en los círculos representan a
los mecanismos de sorción (Luthy et al., 1997).
Elías-Munguía y Martínez (1991) en Semarnap
(1996), concluyen que las propiedades físicas del suelo
más afectadas por derrames de hidrocarburos
son:

1. La estructura
   del suelo debido a la ruptura de los agregados
2. Aumento de la retención del agua en la capa
   superficial.
3. El potencial hídrico.

Probablemente el componente más importante del
suelo en relación con la persistencia de sustancias
tóxicas es la arcilla. La persistencia aumenta cuanto
más pequeñas son las partículas debido a que
aportan una gran área superficial para la absorción
de los productos
químicos.

Las propiedades químicas del suelo más
afectadas por un derrame de hidrocarburos son:

1. Aumento del carbono
   orgánico ya que el 75 % del carbono del
   petróleo crudo es oxidable
2. Disminución del pH, debido a
   la acumulación del carbono orgánico y
   generación de ácidos
   orgánicos.
3. Aumento del manganeso y hierro
   intercambiable
4. Aumento del fósforo disponible (Semarnap,
   1996).

Los efectos tóxicos de los hidrocarburos en el
ambiente
dependerán de:

1. La cantidad y composición del
   petróleo
2. La frecuencia y tiempo de
   exposición
3. El estado
   físico del derrame.
4. Las características del sitio donde
   sucedió el derrame.
5. Variables ambientales como temperatura,
   humedad y oxígeno.
6. El uso de dispersantes químicos (está
   restringido su uso).
7. La sensibilidad de la biota específica del
   ecosistema
   impactado (Semarnap, 1996).

Naturaleza y Propiedades del Suelo
Los hidrocarburos se pueden encontrar de la siguiente forma en el
suelo: líquida, soluble en el agua del
suelo, adsorbidos por el suelo y en la atmósfera
edáfica (Lesser, 1995).
Las propiedades y condiciones que afectan la migración,
retención y transformación de compuestos
orgánicos en el suelo son:
Materia Orgánica. Se ha correlacionado positivamente con
la adsorción de compuestos orgánicos en numerosos
estudios. Un efecto inmediato del aumento de este
parámetro es el incremento de los sitios de
adsorción, disminuyendo la concentración en la fase
acuosa y gaseosa del contaminante orgánico como
también su transporte y
su biodisponibilidad.
La adsorción es afectada por dos factores: la
hidrofobicidad del contaminante (es la dificultad para disolverse
en agua) y la fracción de la materia orgánica en el
suelo (contenido de carbono orgánico). Muchos de los
compuestos hidrofóbicos pueden ser altamente adsorbidos,
de acuerdo a varios estudios de campo (Mackay et al., 1985).
Los mecanismos de enlace de hidrógeno y la
interacción ion dipolo no son operativos para las
moléculas no polares. La adsorción de las
moléculas no polares puede ocurrir en la materia
orgánica, aunque hay debate acerca
de la naturaleza del
proceso
(Fränzle, 1993).
Las moléculas no polares o débilmente polares
tienen una gran afinidad por fases orgánicas
hidrofóbicas en ácidos
húmicos con fuerzas de atracción débil (Van
der Waals) o bien una atracción hidrofóbica y para
aquellas polares sin carga demuestran una afinidad por grupos polares
húmicos, sitios de coordinación de metales
multivalentes en coloides, superficies minerales con grupos
Si-O-Si a través de fuerzas dipolo-dipolo y ion-dipolo
(ligeramente fuerte a débil) (McBride, 1994).

Este comportamiento
es debido a que las moléculas no polares, tienen una mayor
atracción hacia la materia orgánica que hacia las
superficies de los minerales, siendo la existencia de las
superficies hidrofóbicas (organofílicas) o enlaces
dentro de la matriz
orgánica las que favorecen el fenómeno de
atracción hidrofóbica, siendo la atracción
entre la superficie y el adsorbente en un solvente debido a la
interacción de atracción disolvente-adsorbente que
es más débil que la interacción
disolvente-disolvente, explicando la "afinidad" de las
moléculas no polares orgánicas hacia el humus. Una
vez que el agua es el
disolvente en el suelo, la atracción hidrofóbica
llega a ser una fuerza
conductora de la absorción, si el adsorbente
orgánico tiene una baja afinidad por el agua (Murray,
1994).

Las sustancias húmicas pueden afectar el destino
de los compuestos químicos orgánicos en varias
vías que incluyen la adsorción y partición,
solubilización, degradación por hidrólisis y
fotodescomposición, fundamentales en el destino del
contaminante químico y, subsecuentemente, en la
transferencia a aguas subterráneas.
Contenido de agua. Tiene gran influencia en el transporte de
difusión líquida o gaseosa. Para la difusión
líquida el transporte aumenta con el contenido de agua
debido a su trayectoria en los espacios porosos reemplazando el
aire contenido;
inversamente, la difusión de vapor disminuye con el
contenido de agua. Cuando el contenido de agua disminuye a un
bajo porcentaje (ocurriendo en la superficie del suelo durante
una intensa sequía) las moléculas que ocupaban los
sitios de adsorción son desplazadas y la capacidad de
adsorción química aumenta
considerablemente causando que las concentraciones líquida
y gaseosa disminuyan reduciendo el mecanismo de transporte
líquido y gaseoso. Sin embargo, este efecto de
adsorción es reversible cuando la superficie vuelve a
rehumedecerse (EPA, 1983).

Para el caso de hidrocarburos alifáticos no
polares son definidos como pobres competidores con el agua en los
sitios de adsorción en el complejo de intercambio. Cuando
éstos son retenidos, el fenómeno presente es por
las fuerzas de Van der Waals, predominante en las superficies de
los minerales arcillosos. Las moléculas de un material
dado pueden adsorberse de la fase gaseosa o líquida al
sólido por fuerzas de Van der Waals, este proceso es
llamado adsorción física y puede
alcanzar el equilibrio en
un tiempo
limitado, principalmente por las velocidades de difusión
molecular. Las fuerzas de Van der Waals (y de London) son fuerzas
intermoleculares relativamente débiles que sostienen
líquidos o cristales de hidrocarburos, agua y alcoholes,
entre otros (Fränzle, 1993).

La intercalación de especies de hidrocarburos
dentro de los silicatos de capas expandibles es un proceso en que
parte del agua interlaminar asociada con los cationes
intercambiables es reemplazada por especies orgánicas. Se
demostró que el n-hexano fue capaz de formar una sola
lámina compleja con una montmorillonita de Wyoming
penetrando 110 mg por gramo de arcilla. Resultados similares
fueron obtenidos para el n-dodecano. Esas observaciones sugieren
fuertemente que los n-alcanos pueden
penetrar al espacio interlaminar de la montmorillonita Wyoming-Ca
a una velocidad muy
baja (Yong et al., 1992).
El agua es un medio de transporte en dirección horizontal
y vertical, principalmente, para sustancias menos adsorbentes y
más polares como es el caso de los alcoholes
seguido por los aromáticos y finalmente los
alifáticos (Tölgyessy, 1993).
Textura del suelo. La lixiviación en texturas gruesas
(suelos
arenosos y grava) es más rápida que en texturas
finas (suelos
arcillosos), con mayor capacidad de retener los contaminantes y
prevenir su alcance a aguas subterráneas. Además,
otros parámetros dinámicos como permeabilidad,
conductividad hidráulica y espacio poroso son dependientes
de la textura.

El contenido de arcilla está correlacionado con
la capacidad de campo, área superficial específica,
capacidad de intercambio catiónico influyendo en la
adsorción de iones. Para compuestos orgánicos no
polares, generalmente no existe correlación entre el
contenido de arcilla y la adsorción (Jury, 1989).
En experimentos
realizados por Morrill et al, (1982), las moléculas
aromáticas como son los HAP’s, pueden interactuar
con las superficies arcillosas a través de sus
electrones p ;
por ejemplo, el benceno forma un complejo estable a través
de sus electrones p
en la arcilla o con el cobre, bajo la
condición de tener un suelo seco como en el caso de la
época de estiaje.

Los aspectos específicos de la
contaminación pueden presentarse en: a)
formación de películas superficiales y emulsiones,
y b) solubilidad en el agua de ciertos productos. Los
problemas
asociados con las películas superficiales son minimizados
debido a la capacidad del material del subsuelo en adsorber y
absorber una cantidad del producto. Sin
embargo, este fenómeno magnifica los problemas
asociados con los componentes solubles de los productos una vez
que los hidrocarburos retenidos están sujetos a la
lixiviación (Testa, 1994).

Profundidad de la capa freática. Determina el
tiempo y espacio para la retención y degradación
del contaminante previo a su penetración dentro del
acuífero, dado por las propiedades de retención del
perfil del suelo.
Se ha demostrado experimentalmente y teóricamente que en
suelos de textura fina, el agua (y flujos de masa de compuestos
orgánicos) pueden ascender desde grandes profundidades en
comparación con los suelos arenosos. La profundidad puede
influir en la extensión del flujo de agua ascendente hacia
la capa superficial que se ha evaporado sin ninguna entrada de
agua por un período dado. También afecta el tiempo
de viaje de un compuesto lixiviado de la superficie a aguas
subterráneas, siendo ésta una influencia indirecta
en el transporte.

Estructura del suelo. Es una característica
importante; se pueden presentar fisuras, grietas o canales que
sirven como vías de transporte, permitiendo corrientes
transitorias de grandes volúmenes de contaminantes a las
aguas subterráneas. En la ausencia de tales canales, la
agregación estructural de los suelos induce un flujo
más rápido en los macroporos de los interagregados,
que dentro de los microporos de los intragregados donde los
contaminantes potenciales pueden ser retenidos. En ocasiones, la
estructura del suelo favorece la tendencia para concentrarse en
corrientes verticales o convergentes (llamados dedos) que
generalmente comienzan en la transición de texturas finas
a capas de textura granular, con un gran volumen de la
zona superficial y siguiendo un transporte directo de
contaminantes a la capa freática (Lesser,
1995).

Un compuesto orgánico volátil dentro de la
zona superficial puede distribuirse en cada una de las tres fases
a una misma concentración de equilibrio en
función
de la solubilidad y la volatilidad (Crouch, 1990).

Parámetros Ambientales que afectan a los
Contaminantes
Temperatura. La presión de
vapor está en función de la temperatura, al tener
un valor bajo (10
–4 atm) la fracción de
un compuesto orgánico pasa rápidamente a la fase
vapor. Por esta razón la difusión gaseosa es mucha
más importante que la difusión líquida.
Precipitación. Puede tener una influencia dominante debido
al volumen de
lluvia, afectando la velocidad de
flujo en el suelo. Los suelos en regiones con lluvia intensa y
frecuente tienen altos flujos de agua y de dispersión,
extendiendo la difusión líquida y disminuyendo la
gaseosa.

Evapotranspiración. Representa la cantidad de
agua aplicada y que es removida por plantas o es
perdida en la superficie. Así, la extensión de la
evapotranspiración afecta el flujo de agua debajo de la
zona de la raíz y la lixiviación de los compuestos.
La cantidad de agua lixiviada en suelos que no reciben entrada de
agua por irrigación está determinada por el agua de
lluvia menos el agua de evapotranspiración. Este
parámetro es positivo, si implica un drenaje con movimiento
descendente, y es negativo, si existe un proceso de secado con un
bajo contenido de agua e induciendo un flujo ascendente de agua
subterránea. Esto puede ser regulado por las condiciones
meteorológicas externas como la radiación
solar, viento, temperatura y humedad ambiente o por la resistencia del
suelo o planta (Jury, 1989).

Transporte y Transformación de los Contaminantes
en el Suelo
El principal transporte y procesos de
transformación para los contaminantes orgánicos
disueltos en el suelo son: la advección,
dispersión, lixiviación, adsorción y
retardo, y la transformación química y
biológica. La migración de una fase orgánica
líquida inmiscible es gobernada, en gran parte, por su
densidad, viscosidad y
propiedades de superficie húmeda (Bonazountas &
Kallidromitou, 1993). El transporte vertical de contaminantes en
la zona no saturada se produce debido a la gravedad y a las
fuerzas capilares.
Advección: En horizontes de arena y grava, el factor
dominante en la migración del compuesto químico
disuelto es la advección, proceso por el cual los solutos
son transportados por un volumen móvil o por la
circulación de agua.

Dispersión: Se presenta por el agua del medio
resultando dos procesos básicos: difusión molecular
en solución y la mezcla, existiendo así una
dispersión hidrodinámica; debido a pasajes
tortuosos o pequeños en el medio poroso, algunos
líquidos realizan un movimiento
menos directo al manto acuífero. En suma, el compuesto
puede difundirse dentro de los poros inactivos para ser liberados
lentamente cuando la principal concentración ha pasado.
Esta dispersión está en función de la
velocidad promedio del agua en el poro (Fränzle, 1993). La
mezcla mecánica resulta de las variaciones en la
velocidad del agua dentro de los poros del horizonte causado por
fuerzas de fricción, variaciones en la geometría
de los poros, y fluctuaciones en las direcciones locales hacia el
flujo principal resultando una dilución y
atenuación de los picos de concentración, las
máximas concentraciones disminuyen con el incremento de la
distancia (Barcelona et al., 1990).

Lixiviación: El movimiento de un químico
hacia zonas profundas a través del suelo por medio del
agua es llamado lixiviación. Es importante considerar la
posibilidad de que un químico se mueva en el suelo y
llegue a contaminar el agua subterránea; de suceder,
entonces los pozos de agua, organismos acuáticos y la
cadena trófica pueden contaminarse. Los factores
determinantes en la lixiviación incluyen: la solubilidad,
biodegradación, disociación, sorción,
volatilidad, lluvias y evapotranspiración. Los efectos de
la movilidad se describen en los siguientes apartados:

1. Un compuesto químico que es soluble al agua
   puede lixiviarse en el suelo y probable a ser biodegradado. Si
   la biodegradación es rápida, entonces la
   lixiviación no es un problema.
2. Un compuesto químico que es insoluble en agua
   puede ser adsorbido en el suelo, moviéndose con las
   partículas, y quizás sea biodegradado
   lentamente.
3. Los compuestos químicos en la superficie del
   suelo pueden ser fototransformados y no ser disponibles a
   lixiviarse, sin embargo, los productos pueden ser
   disipados.
4. Entre más precipitación mayor
   será la oportunidad de los contaminantes químicos
   a lixiviarse.
5. La hidrólisis y la disociación pueden
   prevenir la lixiviación (Ney, 1990)

Adsorción e Intercambio iónico: La
adsorción es la adhesión de iones o
moléculas a superficies o interfases
líquido-sólido, sólido-gas,
líquido-gas y
líquido-líquido produciendo un incremento en la
concentración de químicos en la superficie o
interfase sobre la concentración en solución
(Fränzle, 1993).
Los contaminantes orgánicos pueden alcanzar la zona de
aguas subterráneas por la solución del suelo o como
fases de líquidos orgánicos que pueden ser
inmiscibles en el agua.
Volatilización: Un compuesto químico presente en el
suelo, agua, plantas o
animales puede
volatilizarse hacia la atmósfera. La presión de
vapor es uno de los factores más importantes que gobiernan
la volatilización y provee información acerca de la
volatilización bajo condiciones ambientales. Algunos
factores que afectan dicho fenómeno son: el clima,
sorción, hidrólisis y fototransformación.
Estableciendo los siguientes enunciados:

1. Un compuesto químico con una baja
   presión de vapor tiene una alta capacidad de
   adsorción o una alta solubilidad al agua siendo menos
   probable a volatilizarse.
2. Un compuesto químico con una alta
   presión de vapor tiene una baja capacidad de
   adsorción o una muy baja solubilidad al agua siendo
   más probable a volatilizarse.

Fotólisis: Un químico puede ser
fototransformado tanto como pueda absorber luz solar; puede
ocurrir en el aire, suelo,
agua, plantas y animales. Los
productos pueden ser químicos de alto y bajo peso
molecular. Las influencias ambientales tienen un efecto en la
velocidad de fototransformación, tales como: la
profundidad del químico en el suelo y en el agua,
sorción en el suelo y pH. La
velocidad de fotólisis puede determinar la persistencia en
el ambiente; entre más rápida sea la
degradación es poco probable que continúe en el
ambiente (vida media < 30 días), si tiene una vida
media de 30 a 90 días, el compuesto químico puede
tener un comportamiento hacia algunos compartimentos del ambiente
y, si tiene una vida media > 90 días, existen problemas
de contaminación (Ney, 1990).

Degradación: El comportamiento químico del
suelo es fundamental para la degradación de muchos
químicos orgánicos en una o más reacciones
químicas (abióticas); en general, cinco
reacciones pueden ocurrir en el suelo: Hidrólisis,
Sustitución, Eliminación, Oxidación y
Reducción. Sólo dos reacciones pueden transformar
los contaminantes orgánicos que se pueden considerar para
este caso:
Oxidación: Se presenta en el suelo afectando a muchos
compuestos químicos aromáticos experimentando una
oxidación de radical libre, por ejemplo, benceno,
bencidina, etilbenceno, naftaleno y fenol. Otro segundo grupo,
incluye, tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD), hexaclorobenceno,
hexaclorociclopentadieno, bifenilos polibromados (PBB’s) y
policlorados (PCB’s) y no aromáticos.
Reducción: Definido en términos de transferencia de
electrones, involucra a compuestos orgánicos en sistemas de
agua-arcilla. El efecto se acelera al aumento de agua sugiriendo
la existencia del mecanismo de transferencia de un
electrón donde la arcilla actúa como un aceptor. En
general, uno puede esperar que un químico orgánico
puede experimentar una reducción química si el
potencial del suelo es menor que el compuesto orgánico en
cuestión.
Degradación Biológica: Es importante notar la
presencia de microorganismos nativos del suelo que tienen un
papel
fundamental en la ausencia y/o permanencia de compuestos
orgánicos, siendo considerado como una vía de
pérdida de los compuestos orgánicos
volátiles, llamada biodegradación; los compuestos
químicos que poseen otras estructuras
que los azúcares, aminoácidos y ácidos
grasos, no pueden entrar inmediatamente dentro del metabolismo
microbiano; esos compuestos requieren de una aclimatación
definida en horas o meses, durante el cual poco o nada se
degrada. El periodo de retraso generalmente es causado por: a) la
transferencia de la información genética
responsable de la degradación para una población, y b) la fase inicial de
crecimiento exponencial de organismos capaces de degradar el
compuesto, la alta solubilidad al agua que puede favorecer una
rápida degradación (EPA, 1983), pero puede existir
una acumulación a largo plazo de los productos de
descomposición recalcitrante.

La temperatura que provee un crecimiento favorable fue
de 27 ºC, estableciendo que aumenta la velocidad de
degradación para desechos de refinería y
petroquímicos cuando las temperaturas van de 10 a 30
ºC, pero disminuye ligeramente cuando las temperaturas
aumentan de 30 a 40 ºC (EPA, 1983). El contenido de oxígeno
en suelo es frecuentemente un factor limitante en la
biorremediación.
La bioacumulación fue explicada observando la
absorción de compuestos orgánicos por parte de
plantas comestibles, donde se analizó los cultivos
presentes en los terrenos agrícolas aledaños a
zonas industriales siendo otro medio de remoción de estos
compuestos en el suelo (Fränzle, 1993).
Finalmente, la combinación de las características
del subsuelo, contaminantes y condiciones climatológicas
del sitio pueden dar lugar a los diferentes procesos de
transporte y distribución de los contaminantes. Para
entender el transporte y destino de los contaminantes en el
subsuelo es necesario realizar una buena caracterización
del sitio con la cual se conocerán la carga
hidráulica y la estratigrafía, así como los
coeficientes de adsorción y la permeabilidad del suelo.
Con esta información es posible calibrar modelos
matemáticos que sean representativos de la
distribución tridimensional de los contaminantes en el
sitio (Saval, 1995).

6.
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Autor:

Rutilio Ortiz Salinas

Edad: 27 años
Estudios: Biólogo