Los efectos del petróleo en el medio ambiente

La industria del petróleo es característica de nuestra época. Cada año se extraen cerca de un millón de toneladas de petróleo de yacimientos subterráneos, algunos de ellos en mar abierto. La mayor parte se utiliza como combustible en forma de gasolina, diesel, turbosina, etc., y junto con algunas fracciones volátiles (metano, propano y butano) son nuestra principal fuente de energía, tanto industrial como doméstica. Alrededor de 15 % del petróleo es utilizado como sustrato para la síntesis de otros compuestos, principalmente plásticos, un grupo heterogéneo que incluye polialquenos (como el polietileno, polibutileno, polipropileno), poliestirenos y cloruro de polivinilo (PVC). El resto del petróleo, las fracciones más pesadas y menos valiosas llamados asfaltenos, se utilizan como pavimento.

Químicamente, el petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos, es decir, de compuestos ricos en carbono e hidrógeno, aunque contiene otros elementos minoritarios como azufre, oxígeno y nitrógeno, así como trazas de metales. Es compleja porque dada la capacidad del átomo de carbono de formar cuatro enlaces con otros átomos de carbono, se pueden organizar como cadenas ó como ciclosTabla 1 .

Las cadenas se conocen como compuestos alifáticos, y consisten en sucesiones de átomos de carbono unidos entre sí por enlaces sencillos (alcanos), dobles (alquenos) o triples (alquinos) mientras que el resto de las valencias son ocupadas por hidrógenos. Los alcanos son la familia más numerosa en el petróleo crudo y se conocen como parafinas, pueden ser lineales o ramificados y su longitud varía de 1 a 40 carbonos, aunque se ha logrado detectar cadenas de 60 carbonos. Los ciclos pueden ser saturados, donde varios carbonos se unen entre sí por medio de enlaces sencillos, ó pueden ser aromáticos, donde algunos carbonos del ciclo están unidos por enlaces dobles. Los ciclos saturados se conocen como ciclo-alcanos, ciclo-parafinas o naftenos y son un componente minoritario del petróleo crudo. Los compuestos aromáticos son derivados del benceno, un anillo de seis carbonos unidos por tres enlaces sencillos y tres enlaces dobles alternados. Los anillos pueden encontrarse fusionados entre ellos o sustituidos con cadenas alifáticas. Los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs) ó polinucleo arómaticos comprenden del 10 al 25% del petróleo crudo y son las fracciones más pesadas Tabla1 .

Para la industria petroquímica, la propiedad física del petróleo más importante es la temperatura de ebullición ya que sus componentes suelen ser separados por destilación mediante el incremento de la temperatura en etápas. Como pueden observar (temperatura de ebullición), las moléculas más pequeñas son volátiles a temperatura ambiente y conforme aumenta su masa molecular lo hace también su punto de ebullición Tabla 1

Una vez separadas a temperaturas específicas, cada fracción es sometida a diferentes procesos de purificación, dependiendo el uso al que estén destinadas. El contenido de azufre y de metales pesados afecta el valor del petróleo crudo y de sus fracciones, ya que los procesos de remoción son costosos.

El impacto del petróleo en nuestro entorno es mayor que sólo como fuente de materia prima ó de energía, ya que está provocando cambios en el clima del mundo. Fenómenos como el calentamiento global o el efecto invernadero se deben al aumento desorbitado de bióxido de carbono en nuestra atmósfera. Nuestro planeta contiene alrededor de 1.5 x 1012 millones de toneladas de carbono y alrededor de 15% de éste se encuentra en yacimientos subterráneos. Hemos extraído una pequeña parte (menos del 0.4% de todo el carbono del planeta) para usarlo como combustible, sin embargo cada año estamos incorporando 2,800 millones de toneladas de bióxido de carbono a las 76,000 millones de toneladas existentes en nuestra atmósfera ( elemento sin estilo url_web). La acumulación de bióxido de carbono provoca actualmente una acumulación de 1% adicional al calor generado por las radiaciones solares y sigue aumentando. Sólo existe una vía para incorporar el bióxido de carbono atmosférico a otras formas de menor impacto ambiental y es a través de la fotosíntesis, un proceso exclusivo de las plantas y algunas bacterias. La mayor parte de la fotosíntesis se lleva a cabo en el mar, donde se asimilan 2,500 millones de toneladas de carbono al año, mientras que en la tierra se incorporan 500 millones de toneladas de carbono al año Figura 1.

La contaminación de los mares y la tala inmoderada de los bosques, especialmente en las zonas tropicales, reduce nuestras reservas de fotosíntesis y agrava el problema.

México es un país exportador de petróleo, tenemos importantes yacimientos en explotación en las zonas del Golfo de México y en el Itsmo de Tehuántepec y otros más en reserva. Desde la expropiación de 1936, el petróleo existente bajo el suelo de nuestro país no puede pertenecer a particulares, sino que es administrado por el gobierno federal a través de la compañía paraestatal Petróleos Mexicanos ( elemento sin estilo url_web). Las divisas obtenidas por la venta de petróleo crudo y sus derivados es la principal fuente de ingresos para nuestro país. La producción y el consumo de petróleo es de vital importancia en la relaciones internacionales y ha sido frecuentemente un factor decisivo en la determinación de políticas exteriores. La posición de un país en el sistema depende en su capacidad de producción relacionada con su consumo. Para cualquier país, la presencia o ausencia de yacimientos de petróleo dentro de sus fronteras ha sido de considerables consecuencias en su economía, siendo uno de los factores determinantes entre ser un país rico ó un país pobre.

Existen numerosos estudios sobre la composición y el procesamiento del petróleo por lo que en este capítulo nos limitaremos a revisar aquellos procesos microbianos que utilizan petróleo o alguno de sus derivados como sustratos. Este tema es especialmente importante para nuestra generación, ya que el uso masivo de derivados del petróleo ha incrementado la concentración de compuestos xenobióticos en la biósfera. Por xenobiótico entendemos aquellos compuestos que no provienen de los ecosistemas y por lo tanto, no existen actividades enzimáticas capaces de utilizarlos eficientemente. En algunos casos, los xenobióticos no son biodegradables, es decir que no son utilizados por micoorganismos, sino que se van acumulando en la superficie del planeta. Ejemplo de esto son las toneladas de pesticidas e insecticidas que se aplican cada año. Si sumamos el petróleo derramado durante la extracción o el transporte, veremos que uno de los mayores retos en los próximos años será la generación de tecnología para su eliminación.

Origen biológico del petróleo

Ahora, ¿de dónde proviene el petróleo?. Los combustibles fósiles, como el petróleo ó el carbón de mina, reciben este nombre por provenir de estratos geológicos formados hace millones de años. El petróleo comenzó a formarse cuando plantas y animales muertos se hundieron al fondo del mar y fueron cubiertos por sedimentos. A través de largos periodos de tiempo (millones de años), estos restos pasaron por dos etápas de degradación, una biológica y otra abiótica. En la primera etapa, los microorganismos anaeróbicos convirtieron los restos orgánicos en una mezcla compleja llamada kerogéno que contiene principalmente material orgánico compacto como algas y otras plantas primitivas, polen, esporas y larvas de insectos. El kerogéno es insoluble en agua y al calentarlo se descompone en dos fases, una gaseosa y otra líquida parecida al petróleo. Durante la fase abiótica posterior, las altas presiones y el calor cambian los sedimentos a rocas sedimentarias y el kerogéno a petróleo. Esta conversión parece estar catalizada por metales y por las mismas arcillas de los estratos. Gracias a la acumulación de gases (metano principalmente) que funcionan como propulsor, las pozas subterráneas de petróleo se movilizan hacia los poros y fracturas de las rocas y eventualmente afloran de manera espontánea a ras de suelo.

Desde el punto de vista microbiológico, la identificación de las bacterias participantes en la formación del kerogéno es todo un reto, ya que se trata de organismos microscópicos que existieron hace miles de millones de años y cuyos remanentes se encuentran enterrados a cientos de metros de profundidad. Utilizando herramientas microbiológicas y moleculares se ha logrado identificar algunas especies microbianas vibles asociadas a depósitos de petróleo en explotación, aunque no es posible asegurar que provienen del yacimiento y no de contaminación con especies contemporáneas provencientes de corrientes de aguas subterráneas, por ejemplo. (53,81).Una alternativa novedosa ha sido la búsqueda de microfósiles asociados a yacimientos de kerogéno. Bajo condiciones muy especiales se ha podido identificar algunos de estos microfósiles como miembros de los grupos cianobacterias y protozoarios elemento sin estilo url_web elemento sin estilo url_webA pesar del interés que despierten, estos resultados no son informativos sobre cuales eran estos microorganismos o como vivían.

Recientemente se ha identificado cierto tipo de moléculas orgánicas que sólo pueden provenir de organismos vivos, ya sean procariotes o eucariotes. Estos fósiles moleculares se conocen como "bioindicadores" y son derivados de los lípidos celulares y de membranas. Un estudio de este tipo ha sido aplicado a un yacimiento de kerogéno en Australia y permitió establecer que los tres grandes grupos de seres vivos, eubacterias, arqueobacterias y eucariotes, ya existían hace 3,800 millones de años y son participantes potenciales en la fase biológica

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