Advances in bioremediation techniques for the degradation of hydrocarbons in soils

Abstract

En la actualidad, uno de los problemas más importantes al cual nos tenemos que enfrentar como sociedad es la contaminación del medio ambiente. Se ha puesto especial interés en la descontaminación del agua y del aire, pero cada vez son más los emplazamientos contaminados en los que el suelo se encuentra en condiciones pésimas pudiendo causar grandes daños en muchos casos ya irreversibles. Aunque en el suelo cada vez aparecen contaminantes más diversos, y en muchos casos mezclas de ellos, uno de los contaminantes principales al que tenemos que hacer frente son los hidrocarburos, su complejidad y naturaleza recalcitrante hacen que sean muy difíciles de degradar y supongan un coste económico muy alto. Por lo tanto, el objetivo principal de la presente tesis doctoral fue mejorar los métodos de biorremediación ya existentes, en un suelo altamente contaminado con hidrocarburos de cadena larga y otros contaminantes como los metales pesados, de manera que se realice una restauración eficaz, sostenible y económicamente viable de las áreas contaminadas con este tipo de contaminantes. A lo largo de esta investigación se ofrece un análisis exhaustivo de la aplicación de las técnicas de bioestimulación, bioaumentación, y bioelectroquímica, evaluando la optimización de estas tecnologías, la eficacia en la degradación de contaminantes, la mejora con la incorporación de aditivos o enmiendas orgánicas, y la sostenibilidad ambiental. Además, este trabajo aborda las limitaciones y los retos asociados a la aplicación de las técnicas de biorremediación, haciendo hincapié en la necesidad de seguir investigando y desarrollando estas técnicas para optimizar su eficacia. En primer lugar, se hace un análisis de la importancia del suelo y la contaminación presente en él, así como de todas las tecnologías existentes que se usan habitualmente para la mitigación de los hidrocarburos, para concluir con los objetivos. Siguiendo con los antecedentes que nos llevan al desarrollo de esta investigación y el alcance de las técnicas de aplicación, poniendo en contexto el desarrollo de la presente tesis doctoral a través del Proyecto Europeo GREENER H2020. En segundo lugar, y como parte central, se desarrollan tres capítulos que corresponden con tres experimentos, dos a escala laboratorio y uno a escala piloto, en los que se desarrollan distintas soluciones para optimizar la degradación principalmente de los hidrocarburos del petróleo, mostrándose la importancia de la selección de las condiciones del suelo para mejorar la eficacia de las técnicas. Además, para la mejora de las técnicas de biostimulación y bioaumentación ensayadas durante el desarrollo de estos experimentos, se probaron distintas enmiendas y aditivos orgánicos, soluciones nutritivas y un sistema de bioelectroquímica pasivo. Por último, se hace un repaso no sólo de lo anteriormente citado, si no una visión general de todos los experimentos desarrollados a lo largo del periodo en el cual se ha desarrollado la presente tesis doctoral, haciendo hincapié en el desarrollo de las tecnologías desde la escala laboratorio, a la escala piloto, y como último paso a escala real, pudiéndose entender de manera más precisa el funcionamiento de las técnicas y la mejora en la optimización y eficacia de ellas. Los resultados obtenidos contribuyen al avance de la biorremediación de los suelos contaminados con hidrocarburos del petróleo y otros contaminantes xenobióticos como los metales pesados y al desarrollo de enfoques integrados para la gestión sostenible del suelo. Este documento aporta valiosas ideas sobre el potencial de las técnicas de biorremediación para hacer frente a la contaminación del suelo y la necesidad de seguir investigando en esta línea para desarrollar técnicas más eficaces.

Nowadays, one of the most important problems to be solved as a society is environmental pollution. Special attention has been received to the decontamination of water and air, but there are more contaminated sites where the soil is in a very poor condition and can cause significant damage, which in many cases is already irreversible. Although different pollutants are appearing in the soil, and in many cases mixtures of them, one of the main pollutants to be treated are petroleum hydrocarbons, their complexity and recalcitrant nature make them very difficult to degrade and involve a very high economic cost. Therefore, the main objective of this doctoral thesis was to improve existing bioremediation methods, in a soil highly contaminated with long chain hydrocarbons and other pollutants such as heavy metals, to carry out an effective, sustainable, and economically viable restoration of the areas contaminated with this type of pollutants. Throughout this research, an exhaustive analysis of the application of biostimulation, bioaugmentation and bioelectrochemical technologies is showed, evaluating the optimisation of these technologies, the effectiveness in the degradation of pollutants, the improvement with the incorporation of additives or organic amendments, and environmental sustainability. In addition, this work addresses the limitations and challenges associated with the application of bioremediation techniques, with particular emphasis on the need for further research and development of these techniques to optimise their effectiveness. Firstly, an analysis is made of the importance of the soil and the contamination present in it, as well as all the existing technologies that are commonly used for the mitigation of hydrocarbons, to conclude with the objectives. Following with the background that led us to the development of this research and the scope of the application techniques, putting in context the development of this doctoral thesis through the European Project GREENER H2020. Secondly, and as a central part, three chapters are developed corresponding to three experiments, two at laboratory scale and one at pilot scale, in which different solutions are developed to optimise the degradation mainly of petroleum hydrocarbons, showing the importance of the selection of soil conditions to improve the effectiveness of the techniques. In addition, for the improvement of the biostimulation and bioaugmentation techniques tested during the development of these experiments, different organic amendments and additives, nutrient solutions and a passive bioelectrochemical system were tested. Finally, a review is made not only of the above mentioned, but also an overview of all the experiments developed throughout the period in which this doctoral thesis has been developed, emphasising the development of technologies from laboratory scale, to pilot scale, and as a last step to real scale, being able to understand more precisely the operation of the techniques and the improvement in their optimisation and effectiveness. The results obtained contribute to the advancement of bioremediation of soils contaminated with petroleum hydrocarbons and other xenobiotic pollutants and to the development of integrated approaches for sustainable soil management. This thesis provides valuable insights into the potential of bioremediation techniques to address soil contamination and the need for further research to develop more effective techniques.