Modelos de clasificación y cuantificación quimiométrica de hidrocarburos fracción pesada durante la biorremediación de un histosol contaminado con petroleo crudo.

Abstract

Los derrames de petróleo ocurren continuamente en las tierras bajas del estado de Tabasco, los suelos más afectados pertenecen al grupo orgánico Histosol. Los efectos negativos que puede causar el petróleo derramado en los suelos son poco conocidos en los ecosistemas tropicales. Una técnica prometedora para la degradación del petróleo en suelos contaminados con petróleo es el uso de microorganismos. La eficiencia de biodegradación del petróleo se mide por métodos gravimétricos y cromatográficos, sin embargo, estas técnicas requieren de un tiempo prolongado para la extracción de los compuestos derivados del petróleo y el uso de estos solventes químicos son dañinos para el ambiente y la salud humana. El objetivo general de esta investigación fue, implementar la espectrometría VIS-NIR-SWIR y cromatografía de gases con un generador de espacio de cabeza para la detección de hidrocarburos del petróleo, contribuyendo a reducir los costos analíticos, tiempo de operación y evitar el uso de solventes químicos como el hexano, diclorometano, acetona o éter de petróleo como extractantes de los compuestos derivados del petróleo. La investigación se realizó durante un proceso de biorremediación en los meses de septiembre-diciembre 2020. Primero se aislaron cepas bacterianas que degradan el petróleo y, se evaluó su desarrollo en dos fertilizantes agrícolas como fuente de nitrógeno. También, se determinó el efecto de la relación carbono/nitrógeno (C/N) de 20 y 25 en el desarrollo de los microrganismos. Un consorcio microbiano fue elaborado con las cepas bacterianas y se evaluó su potencial para degradar hidrocarburos del petróleo en un suelo Histosol. Para evaluar el proceso de biodegradación, se realizó un muestreo cada 15 días y se midieron algunas propiedades como pH, hidrocarburos fracción pesada (HFP), hidrocarburos fracción media (HFM) y conteo de células viables. Para la realización de modelos de clasificación y cuantificación de HFP, y detección de compuestos derivados del petróleo, se utilizaron medición con el NIRS y cromatografía de gases-espectroscopia de masas con generador de espacio de cabeza (HS-GC-MS). Como resultado se obtuvo un consorcio microbiano con potencial para biodegradar el petróleo crudo. Se demostró que el consorcio microbiano produce sustancias biotensioactivas a base de lipopéptido. También se demostró que los fertilizantes nitrofoska y triple 17 pueden ser utilizados como fuente de nitrógeno para aumentar la densidad celular bajo una buena relación C/N de 20. En cuanto a la espectrometría VIS-NIR-SWIR se generaron modelos de regresión de mínimos cuadrados parciales (PLS) con altos coeficientes de correlación entre el valor de referencia y valor estimado en HFP y conteo de células viables. Se demostró que la técnica de HS-GC-MS posee alta selectividad y sensibilidad para detectar compuestos derivados del petróleo reduciendo el uso de sustancias químicas y costos analíticos. _______________ MODELS FOR THE CHEMOMETRIC CLASSIFICATION AND QUANTIFICATION OF HEAVY FRACTION HYDROCARBONS DURING THE BIOREMEDIATION OF A HISTOSOL CONTAMINATED WITH CRUDE OIL. ABSTRACT: Oil spills occur continuously in the lowlands of the state of Tabasco, the most affected soils belong to the organic group Histosol. The negative effects that spilled oil can cause on soils are poorly understood in tropical ecosystems. A promising technique for oil degradation in oil-contaminated soils is the use of microorganisms. The biodegradation efficiency of petroleum is measured by gravimetric and chromatographic methods, however, these techniques require a long time for the extraction of petroleum-derived compounds and the use of these chemical solvents are harmful to the environment and human health. The general objective of this research was to implement VIS-NIR-SWIR spectrometry and gas chromatography with a headspace generator, for the detection of petroleum hydrocarbons, contributing to reduce analytical costs, operating time and avoid the use of chemical solvents such as hexane, dichloromethane, acetone or petroleum ether, as extractants of compounds derived from petroleum. The research was carried out during a bioremediation process in the months of September-December 2020, first, bacterial strains that degrade oil were isolated, their growth in agricultural fertilizers as a nitrogen source was evaluated, and the effect of the carbon / nitrogen ratio was evaluated. (C/N) of 20 y 25 in the development of microorganisms, a microbial consortium was also generated and its potential to degrade petroleum hydrocarbons in a Histosol soil was evaluated. To evaluate the biodegradation process, a sampling was carried out every 15 days and some properties such as pH, heavy fraction hydrocarbons (HFP), medium fraction hydrocarbons (HFM) and viable cell count were measured. To perform HFP classification and quantification models, and detection of petroleum-derived compounds, measurement with NIRS and gas chromatography-mass spectroscopy with headspace generator (HS-GC-MS) were used. As a result, a microbial consortium with the potential to biodegrade crude oil was obtained. The microbial consortium was shown to produce lipopeptide-based biotensurfactants. It was also shown that nitrophoska and triple 17 fertilizers can be used as a nitrogen source to increase cell density under a good C/N ratio of 20. Regarding the VIS-NIR-SWIR spectrometry, partial least squares (PLS) regression models were generated with high correlation coefficients between the reference value and the estimated value in HFP and viable cell count. The HS-GC-MS technique was shown to have high selectivity and sensitivity to detect petroleum-derived compounds reducing the use of chemicals and analytical costs.