Distribución vertical de carbono orgánico y densidad aparente en gleysol con petróleo intemperizado en la venta, tabasco

Índice

Cuadros ... v

Figuras ... vi

Resumen ... viii

Summary ... ix

I. INTRODUCCIÓN ... 1

II. OBJETIVOS ... 3
2.1. Objetivo general ... 3
2.2. Objetivos específicos ... 3

III. HIPÓTESIS ... 3

IV. REVISIÓN DE LITERATURA ... 4
4.1. El petróleo y su origen ... 4
4.2. Composición química del petróleo ... 4
4.3. Definición de suelo ... 6
4.3.1. Importancia del suelo ... 7
4.3.2. Composición del suelo ... 7
4.3.3. Fase sólida ... 9
4.3.4. Fase gaseosa ... 9
4.3.5. Fase líquida ... 10
4.4. Propiedades físicas y químicas del suelo ... 12
4.4.1. Densidad aparente del suelo ... 13
4.4.2. Humedad del suelo ... 14
4.4.3. Materia orgánica del suelo ... 14
4.4.4. Carbono orgánico del suelo ... 17
4.5. Efecto del petróleo en la materia orgánica y carbono orgánico del suelo ... 18
4.6. Efecto del petróleo en la humedad del suelo ... 19
4.7. Densidad aparente en un suelo con petróleo ... 19

V. MATERIALES Y MÉTODOS ... 21
5.1. Fase 1 Trabajo de campo ... 22
5.2. Ubicación del sitio de muestreo ... 22
5.2.1. Selección de tos puntos de muestreo ... 23
5.2.2 Delimitación de las áreas de muestreo ... 25
5.2.3. Colecta de la muestra ... 30
5.2.4. Manejo y preservación de las muestras en campo ... 31
5.3. Fase 2. Trabajo de laboratorio ... 32
5.3.1. Determinación de la humedad del suelo ... 32
5.3.2. Determinación de la densidad aparente ... 34
5.3.2.1. Selección y secado de los terrones ... 34
5.3.2.2. Peso de los terrones ... 34
5.3.2.3. Parafinado de tos terrones ... 35
5.3.2.4. Determinación del volumen de desplazamiento ... 36
5.3.2.5 Fórmula para determinar la densidad aparente del suelo ... 37
5.4 Determinación del contenido de materia orgánica ... 37
5.4.1. Secado del suelo ... 37
5.4.2. Triturado del suelo ... 37
5.4.3. Tamizado del suelo ... 38
5.4.4. Calibración del peso de tos crisoles ... 40
5.4.5. Peso inicial de la muestra ... 40
5.4.6. Calcinación del suelo ... 41
5.4.7. Peso final de la muestra ... 42
5.4.8. Cálculos matemáticos para determinar el porcentaje de MOS y COS en las muestras de suelo ... 42

VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 43
6.1. Humedad del suelo ... 43
6.1.1. Área con rango de 3.000 a 15.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 44
6.1.2. Área con rango de 15.001 a 30.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 44
6.1.3. Área con rango de 30.001 a 45.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 46
6.1.4. Área con rango mayor de 45.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 46
6.2. Densidad aparente del suelo ... 48
6.2.1. Área con rango de 3.000 a 15.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 48
6.2.2. Área con rango de 15.001 a 30.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 52
6.2.3. Área con rango de 30.001 a 45.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 52
6.2.4. Área con rango mayor de 45.000 miligramos de petróleo crudo en el suelo ... 53
6.3. Carbono orgánico del suelo ... 54
6.3.1. Área con rango de 3.000 a 15.000 miligramos de petróleo en el suelo ... 54
6.3.2. Área con rango de 15.001 a 30.000 miligramos de petróleo en suelo ... 55
6.3.3. Área con rango de 30.001 a 45.000 miligramos de petróleo en suelo ... 55
6.3.4. Área con rango mayor de 45.000 miligramos de petróleo en suelo ... 56

VII. CONCLUSIONES ... 57

VIII. RECOMENDACIONES ... 57

IX. BIBLIOGRAFÍA ... 58

Resumen

Durante el periodo de sequía de mayo de 2013 se colectaron, a diferentes profundidades, 48 muestras de un Gleysol localizado en el ejido José Narciso Rovirosa, perteneciente al municipio de Huimanguillo, Tabasco. Se realizaron estudios de humedad, densidad aparente, materia orgánica, carbono orgánico e hidrocarburos totales del petróleo intemperizado (HTPI) de las muestras del Gleysol influenciado durante 40 años por oleoductos y emisiones gaseosas procedentes del Complejo Procesador de Gas La Venta, ubicado en Huimanguillo, Tabasco. El objetivo fue caracterizar la distribución vertical del carbono orgánico y la densidad aparente en un Gleysol afectado por la industria petrolera. Las técnicas utilizadas fueron gravimetría para los HTPI, gravimetría para la humedad del suelo, técnica de parafina para la densidad aparente y combustión seca para carbono orgánico. Se aplicó la prueba de medias de ANOVA (Tukey, p≤0.05) y correlación de Pearson. Los resultados muestran que en los 24 puntos de muestreo existe alta concentración de HTPI, que varía de 4,809 a 495,515 mg kg^-1 base seca de acuerdo a la evaluación realizada por Carranza (2011), encontrándose que todos rebasan los límites máximos permisibles de la fracción pesada especificado en la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012. La cantidad de carbono orgánico en la capa 1 de las cuatro áreas 1 no tiene correlación con la cantidad de HTPI pero si en la capa 2 con un valor de 0.610**. Esto demuestra que el petróleo se encuentra enterrado. La densidad aparente del suelo en las áreas de la capa superficial no fue alterada por el petróleo pero si fue afectada en la capa 2 del área 4, donde se encontró efecto significativo con r = -0.268*.

Summary

During the drought period May 2013 were collected at different depths, 48 samples Gleysol located in the ejido José Nardso Rovirosa, in the municipality of Huimanguillo Tabasco. Studies moisture, bulk density, organic matter, organic carbon and total petroleum hydrocarbons from weathered oil (HTPI) of samples influenced Gleysol for 40 years for oil and gas emissions from the Gas Processor Complex Sale located in Huimanguillo were performed Tabasco. The objective was to characterize the vertical distribution of organic carbon and bulk density of Gleysol affected by the oil industry. The techniques used were gravimetrically for HTPI, gravimetry for soil moisture, paraffin technique for dry bulk density and organic carbon combustion. The mean test ANOVA (Tukey, p≤0.05) and Pearson correlation was applied. The results show that in the 24 sampling points high concentration of HTPI, ranging from 4.809 to 495.515 mg kg^-1 Dry basis according to the assessment made by Carranza (2011), finding that all exceed the maximum permissible limits of heavy fraction there Specified in the NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012. The amount of organic carbon in the layer 1 of the four areas 1 has no correlation with the amount of HTPI but layer 2 with a value of 0,610** This shows that the oil is buried. The bulk density of the soil in the areas of the surface layer was not altered by oil but was affected in layer 2 of area 4, where significant effect was found with r = -0.268*.

I. INTRODUCCIÓN

El petróleo es uno de los recursos naturales que ha magnificado la economía mexicana, además cerca del 88% de la energía primaria utilizada por la población se deriva del petróleo (Díaz, 2012), sin embargo el tipo de explotación y manejo de las instalaciones petroleras ha originado numerosos derrames de hidrocarburos, que han tenido un impacto negativo al medio ambiente (Rivera, 2012; García, 2013). Al respecto, la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA, 2011) indica que durante el periodo de los años 2000-2011, el volumen nacional de derrames de petróleo fue de 73.9 miles de barriles (mlbs). Además reporta que el 32.2% de los derrames de petróleo, del total nacional, ocurren en suelos y cuerpos de agua localizados en el estado de Tabasco.

El estado de Tabasco es una de las zonas más afectadas por derrames de petróleo, debido a tuberías corroídas, recortes de perforación, descargas de petroquímicas y refinerías (Palma y Cisneros, 1996). El impacto ambiental de la industria petrolera fue originado por derrames de hasta 12.5 mlbs en tierra y 12.7 mlbs en el mar tan solo en la última década (PROFEPA, 2011). Los suelos más afectados en el territorio tabasqueño corresponden principalmente a los que se encuentran en pantanos o zonas inundables donde la materia orgánica y arcilla es sumamente elevada (Palma y Cisneros 1996).

Algunos suelos contaminados contienen concentraciones de hidrocarburos de hasta 450,000 mg kg-1. Esto significa que estos suelos están contaminados por encima de los límites máximos permisibles indicados en la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 (DOF, 2013), lo que origina la degradación del suelo, reduciendo sus capacidades y disminuyendo el potencial para producir, cuantitativa y cualitativamente, bienes y servicios (Rivera, 2012).

Existen reportes que afirman que los suelos contaminados con petróleo presentan contenidos de carbono orgánico y agregados estables muy altos respecto a suelos del mismo origen pedogenético. Por ejemplo, González-Moscoso et al. (2012) encontraron que el porcentaje de agregación y los contenidos de materia orgánica aumentan directamente con la dosis de petróleo, por lo tanto el carbono orgánico derivado del petróleo fresco contribuye a la cementación de los agregados. A mayor cantidad de petróleo adicionado en el suelo debería ser positivo para la calidad de los suelos, sin embargo los agregados son cubiertos por una capa cerosa que no permite la retención de humedad (Dorantes, 2008).

En concordancia con la información anterior, la presente investigación evaluó los contenidos de carbono orgánico y su relación con la densidad aparente y con los contenidos de hidrocarburos del petróleo en el suelo.

II. OBJETIVOS

2.1. Objetivo general

Caracterizar la distribución vertical del carbono orgánico y la densidad aparente en un suelo contaminado con petróleo intemperizado.

2.2. Objetivos específicos

- Determinar la distribución vertical y por área del carbono orgánico y densidad aparente respecto a los contenidos de hidrocarburos del petróleo en el suelo. - Evaluar la relación entre carbono orgánico, densidad aparente e hidrocarburos totales del petróleo según la profundidad del suelo.

III. HIPÓTESIS

3.1. Los Gleysoles aledaños a las instalaciones del Complejo Procesador de Gas La Venta tienen altos contenidos de carbono orgánico debido a la presencia del petróleo intemperizado.

3.2. Los contenidos de carbono orgánico y la densidad aparente del suelo aumentan directamente con el incremento del petróleo intemperizado.

IV. REVISIÓN DE LITERATURA

4.1. El petróleo y su origen

La palabra petróleo proviene del latín petroleum o petros que significa piedra, y de óleum que significa aceite, que da como resultado el significado de aceite de piedra (del Águila, 2010). Es un líquido viscoso, de color pardo oscuro, de olor desagradable, tóxico, irritante e inflamable que se encuentra en yacimientos a diferentes profundidades en el interior de la tierra, su origen es la descomposición de animales de origen marino principalmente, pero también de plantas que habitaron en los periodos Triásico, Jurásico y Cretácico de la era Mesozoica, hace 136 o 225 millones de años (Castro, 2007).

La teoría más aceptada del origen del petróleo es de tipo orgánico y sedimentario. La formación del petróleo requiere de la concertación de muchos factores y sucesos, inicialmente, grandes cantidades de materia orgánica, la cual está compuesta fundamentalmente por el fitoplancton y el zooplancton marinos, al igual que por materia vegetal y animal, en conjunto con mantos sucesivos de arenas, arcillas, limo y otros sedimentos, sometidos a grandes presiones y altas temperaturas, junto con la acción de bacterias anaerobias provocan la formación del petróleo. El cual se depositó en el pasado en el fondo de los grandes lagos y en el lecho de los mares, conformando lo que geológicamente se conoce como rocas o mantos sedimentarios (Cañipa-Morales, 2002; del Águila, 2010; CICEANA, 2013).

4.2 Composición química del petróleo

El petróleo es un compuesto químico complejo en el que coexisten partes sólidas, líquidas y gaseosas, se caracteriza por tener una composición química sumamente compleja, puede contener un sin número de compuestos, básicamente de la familia de los hidrocarburos (Torres y Zuluaga, 2009).La composición elemental de un crudo está condicionada por la predominancia de los compuestos tipo hidrocarburo: 84 a 87% de carbono, 11 a 14% de hidrógeno, de 0 a 8% de azufre, 0 a 4% de oxígeno y nitrógeno (N), y trazas de níquel y vanadio (Viñas, 2005).

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos que, según su naturaleza de origen, son clasificados en hidrocarburos biogénicos e hidrocarburos antropogénicos. Los hidrocarburos biogénicos son sintetizados por casi todas las plantas, animales terrestres y marinos, incluyendo la microbiota, bacterias, plancton marino, diatomeas, algas y plantas superiores. Por otra parte, los hidrocarburos antropogénicos son aquellos que son introducidos como resultado de cualquier tipo de actividad humana. El principal aporte está dado por los procesos de combustión industrial de carbón, combustibles fósiles y petróleo refinado, las descargas de aguas municipales, las actividades de transporte y los derrames son algunas de las principales fuentes de estos contaminantes (Castro, 2007).

El petróleo contiene entre 50 al 98% de hidrocarburos, se distinguen cuatro fracciones: saturada, aromática, resinas y asfáltenos, en el Cuadro 1 se reportan las características generales (Olguín et al., 2007).

Cuadro 1. Composición de las fracciones químicas contenidas en el petróleo crudo. Fuente: Viñas, 2005.

Fracción:
Saturada
Composición:
n-alcanos, alcanos ramificados con cadenas alquílicas, las Cicloparafinas o cicloalcanos y los hopanos.

Fracción:
Aromática
Composición:
Hidrocarburos monoaromáticos, diaromáticos y aromáticos policíclicos (HAP).

Fracción:
Resinas
Composición:
Agregados de piridinas, quinolinas, carbazoles, tiofenos, sulfóxidos y amidas.

Fracción:
Asfáltenos
Composición:
Agregados de HAP, ácidos nafténicos, sulfuros, ácidos grasos, metaloporfirinas, fenoles polihidratados. Son menos abundantes y consisten en compuestos más polares, pudiéndose encontrar hidrocarburos heterocíclicos, hidrocarburos oxigenados y agregados de alto peso molecular

En la Figura 1 se muestran las estructuras químicas de los hidrocarburos saturados (alcanos y cicloparafinas), aromáticos (monoaromáticos y poliaromaticos), resinas (piridinas y quinolinas) y los asfáltenos.

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Figura 1. Estructura química de hidrocarburos saturados, aromáticos, resinas y asfáltenos (Viñas, 2005).

4.3. Definición de suelo

Se denomina suelo al sistema estructurado, biológicamente activo, que tiende a desarrollarse en la superficie de las tierras emergidas por la influencia de la intemperie y de los seres vivos (Torres y Zuluaga, 2009). Es un cuerpo natural formado por una fase sólida (minerales y materia orgánica), una fase líquida y una fase gaseosa, organizada en horizontes o capas de materiales distintos a la roca madre, como resultado de adiciones, pérdidas, transferencias y transformaciones de materia y energía (Jordán, 2005). Además sirve como substrato a plantas, animales y al hombre y posee características de fertilidad, debido al proceso de meteorización y descomposición de las rocas durante un tiempo geológico determinado (Camacho y Ariosa, 2000).

4.3.1. Importancia del suelo

El suelo desempeña funciones de gran importancia para el sustento de la vida en este planeta, sirve de soporte físico e infraestructura para la agricultura, actividades forestales, recreativas, agropecuarias y socioeconómicas como; vivienda, industria y carreteras. Es fuente de alimentos para la producción de biomasas, actúa como medio filtrante, amortiguador y transformador, es hábitat de miles de organismos, y el escenario donde ocurren los ciclos biogeoquímicos (Volke-Sepúlveda et al., 2005).

La importancia del suelo reside en los servicios ambientales de soporte, regulación, provisión y culturales que proporciona al ser humano. Este recurso natural es el soporte de los organismos, actúa como reserva de sustancias orgánicas y minerales, regula los intercambios y flujos en el ecosistema, es el sitio de la transformación de la materia orgánica, además es un sistema de purificación y amortiguamiento de las sustancias tóxicas (Trujillo-Narcía et al., 2012).

4.3.2. Composición del suelo

El suelo está integrado por tres fases (Figura 2); fase sólida (mineral y orgánica) ocupa generalmente hasta el 50% de su volumen total; 45% mineral y 5% materia orgánica. El resto lo ocupan la fase líquida (agua) con un 25% y la fase gaseosa (aire) 25%, las que mantienen una proporción complementaria al llenar los poros que se originan entre los agregados y las partículas de la fase sólida (Fassbender, 1975; Jordán, 2005). El peso de cada una de las fases del suelo se observan en la Figura 3.

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Figura 2. Esquema de las fases del suelo (Jordán, 2005).

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Figura 3. Fases del suelo (peso) Jordán, 2005.

4.3.3. Fase sólida

La fase sólida representa la fase más estable del suelo y por tanto es la más representativa y la más ampliamente estudiada. Es una fase muy heterogénea, formada por constituyentes de origen orgánico e inorgánico, constituye el esqueleto o matriz del suelo. La disposición de las partículas del esqueleto permite la existencia de una cantidad variable de poros (Brissio, 2005).

La fase sólida del suelo proviene de la descomposición de las rocas y de los residuos vegetales, y es relativamente estable en cuanto a su composición y organización. La disposición y acomodación de las partículas de la fase sólida del suelo determina una serie de características físicas del suelo, como; estructura, porosidad, permeabilidad y densidad. La fase sólida del suelo es la fuente de la mayoría de los nutrientes vegetales; es el almacén de agua requerida por las plantas y determina la eficiencia con que el suelo desempeña las funciones que permiten el desarrollo de las plantas (Jordán, 2005).

La proporción de la materia orgánica dentro de la fase sólida varía entre los suelos. En la mayor parte de los suelos cultivados varía entre el 2 y el 5%, en algunos llega al 8 y 10% y en casos extremos, como en los suelos turbosos, puede alcanzar hasta el 90 a 95%. El contenido de la materia orgánica disminuye en forma variable con la profundidad del suelo; a veces también se produce acumulación en determinados horizontes del suelo (Fassbender, 1975).

4.3.4. Fase gaseosa

La fase gaseosa se localiza en los poros del suelo, junta a la fase líquida. La proporción de volumen ocupado por las fases gaseosa y líquida en un suelo determinado varía en función de las condiciones ambientales, en promedio, la fase gaseosa ocupa aproximadamente un 25% del volumen del suelo. La atmósfera del suelo permite la respiración de los organismos del suelo y de las raíces de las plantas (Brissio, 2005).

La composición química de la fase gaseosa del suelo es similar a la de la atmósfera, pero es mucho más variable, en el Cuadro 2 se indican los porcentajes de O2, N2, CO2 y H2O2. En los períodos de mayor actividad biológica (primavera y otoño), la actividad respiratoria de los seres vivos incrementa la proporción de CO2 y disminuye la proporción de O2. La concentración de oxígeno y dióxido de carbono varía dependiendo de la época del año, e clima, el tipo de cultivo, la actividad de los microorganismos y el manejo de los residuos de la cosecha, entre otros factores (Jordán, 2005).

La fase gaseosa de los suelos bien drenados tienen casi la misma composición del aire atmosférico, o sea, aproximadamente 80% de nitrógeno y 20% de oxígeno y otros gases raros; el contenido de anhídrido carbónico alcanza, por el contrario, hasta 0.1% (Cuadro 2). En casos extremos, como en suelos y horizontes inundados, el contenido de anhídrido carbónico aumenta rápido y a veces remplaza totalmente al oxígeno (Fassbender, 1975).

Cuadro 2. Composición de la atmósfera y la fase gaseosa del suelo. Fuente: Brissio, 2005.

Componente:
Oxígeno (O2)
Atmósfera:
21%
Fase gaseosa del suelo:
10-20%

Componente:
Nitrógeno (N2)
Atmósfera:
78%
Fase gaseosa del suelo:
78-80%

Componente:
Bióxido de carbono (CO2)
Atmósfera:
0.03%
Fase gaseosa del suelo:
0.2-3%

Componente:
Agua (H2O)
Atmósfera:
Variable
Fase gaseosa del suelo:
En saturación

4.3.5. Fase líquida

La fase líquida del suelo está constituida por una disolución acuosa. Hay dos aspectos del agua del suelo que subraya el especial significado de este constituyente. El agua es retenida por los poros del suelo con diferente intensidad dependiendo de la cantidad de agua presente y el tamaño de los poros (Jordán, 2005). Cuando el contenido de humedad del suelo es óptimo, el agua de los poros grandes e intermedios puede moverse por el suelo en cualquier dirección: descendente, ascendente o hacia las raíces (Figura 4).

El agua es el solvente que junto con los nutrientes disueltos forma la denominada solución del suelo, de la cual las plantas absorben los elementos esenciales. Entre estos encontramos: nutrientes mayoritarios como Ca, K, N y P y micronutrientes; Fe, Mn, B, Mo, Cu, etc. (Brissio, 2005).

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Figura 4. Distribución del agua en el suelo (Jordán, 2005).

La presencia de agua suficiente en el suelo es vital para el crecimiento de las plantas, no solo porque estas necesitan de aquella para realizar sus procesos fisiológicos, sino porque el agua contiene nutrientes en solución. La lluvia y otras formas de precipitación constituyen los aportes de agua, pero poco beneficiarias a las plantas si el suelo no pudiera almacenarla para el uso de los vegetales entre las lluvias. La capacidad del suelo para almacenar agua depende de su profundidad, textura, estructura y otras propiedades fundamentales (Thompson, 1982).

4.4. Propiedades físicas y químicas del suelo

Las propiedades físicas del suelo son el comportamiento mecánico de la fase solida del suelo, la cual se divide en dos grupos principales, uno son las características físicas fundamentales (textura, estructura, color, consistencia, densidad y temperatura), y dos, las características físicas derivadas (Giménez, 2013).

La condición física de un suelo determina la rigidez y la fuerza de sostenimiento, la facilidad para la penetración de las raíces, la aireación, la capacidad de drenaje y de almacenamiento de agua, la plasticidad, y la retención de nutrientes (Porta et al., 2003; Rucks et al., 2004).

La química de suelos es la ciencia que estudia las propiedades químicas del suelo y de sus componentes inorgánicos y orgánicos, así como los fenómenos a que da lugar la mezcla de esos componentes (Rucks et al., 2004). Algunas propiedades químicas del suelo son la materia orgánica, carbono orgánico, contenidos de N, P, K; capacidad de intercambio catiónico y/o aniónico (Jordán, 2005). Estos parámetros influyen en los índices de percolación, recarga de acuíferos, lixiviado de contaminantes y transporte (Castro, 2007).

A continuación se describen y analizan las propiedades físicas y químicas de la densidad aparente, porcentaje de humedad, materia orgánica y carbono orgánico, por ser las propiedades evaluadas en este estudio.

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