Microbiología del petróleo

Introducción

El petróleo es una mezcla altamente compleja, que contiene centenares de miles de hidrocarburos (saturados, aromáticos y compuestos orgánicos polares) y constituyentes organometálicos principalmente de vanadio y níquel. Su composición y propiedades físicas varían entre los yacimientos (Van Hamme et al., 2003; Erdogan y Karaca, 2011). Desde el comienzo de la producción comercial del petróleo, los ingenieros y científicos involucrados han enfrentado los problemas causados por la presencia y actividades de los microorganismos.

Se reconoció a las bacterias reductoras de sulfato como las responsables de la producción de sulfuro de hidrógeno, reducción de la calidad del producto, corrosión y amenazas al ambiente y la salud de los trabajadores. Se discutió y estudió sobre si las bacterias eran indígenas o introducidas al ambiente de los yacimientos. Magot et al., (2000), Youssef et al., (2009), indicaron que determinar si un microorganismo es autóctono (indígena) o alóctono (extraño o transitorio) en un yacimiento es esencial antes de que puedan hacerse conclusiones en atención a su papel en el ecosistema.

La contaminación durante el muestreo es altamente probable debido a las numerosas fuentes potenciales tales como el agua de inyección.

La biodegradación del petróleo en los yacimientos y depósitos subsuperficiales es un importante proceso de alteración con notables consecuencias económicas (Aitken et al., 2004). Muy estrechamente asociado a la biodegradación está la capacidad de las comunidades o poblaciones microbianas de remover sustancias de los ambientes para llevar a cabo su metabolismo y crecimiento, base del proceso de recuperación ambiental denominado biosaneamiento (Zeyaullah et al., 2009).

Las investigaciones microbiológicas en la diversidad de yacimientos, y biotopos asociados (suelos y aguas), han revelado la presencia y actividad de comunidades ecofisiológicamente diversas que incluyen metanógenas (Kryachko et al., 2012), heterótrofas aeróbicas (Lópes-Oliveira et al., 2012), anaerobios termofílicos aeróbicos y anaeróbicos (Orphan et al., 2000), sulfato-reductoras (Nilsen et al., 1996; Agrawal-et al., 2010), reductoras de nitrato (Feng et al., 2011) y oxidadoras de azufre (Kodama y Watanabe, 2004).

Youssef-et al. (2009), han señalado que nuestro entendimiento de la diversidad filogenética, capacidades metabólicas, papeles ecológicos, y dinámica de las comunidades microbianas involucradas con la industria del petróleo está muy lejos de ser completa. La falta de conocimiento en la microbiología del petróleo puede conducir a consecuencias perjudiciales tales como corrosión, obstrucción y acidificación. Por el contrario, un conocimiento adecuado puede usarse para mejorar la productividad y la eficiencia de la recuperación.

Una cantidad significativa del petróleo en los yacimientos es irrecuperable o difícil/costoso de extraer mediante métodos convencionales. Los métodos de recuperación secundaria tales como la inyección de agua o gas ayudan a incrementar la productividad, mientras que los procesos de hidrodesulfuración, hidrotratamiento y eliminación de sal; remueven la mayor parte de las impurezas inorgánicas.

El aumento en la demanda junto con las cada vez más exigentes normas ambientales ha forzado a la industria a mejorar la recuperación del petróleo así como también a reducir el contenido de azufre, metales y nitrógeno a niveles de partes por millón. En la búsqueda de soluciones económicas y ambientalmente favorables, se ha dado una atención creciente a la biotecnología microbiana (Bachmann et al., 2014).

Voordouw (2011), indicó que la conversión de petróleo a metano, la inyección de nitrato para remover el sulfuro o prevenir su formación, la prevención de la corrosión inducida por microorganismos y la recuperación mejorada microbiólogicamente son las biotecnologías microbianas relevantes en la producción de petróleo. La biodesulfurización, remoción de metales, eliminación de compuestos nitrogenados y la biotransformación o mejoramiento son procesos en la refinación del petróleo, que pueden desarrollarse usando tecnologías microbianas (Bachman et al., 2014).

En este trabajo revisaremos algunos aspectos relevantes sobre los impactos y aplicaciones de los microorganismos en la industria del petróleo.

Diversidad de microorganismos en los yacimientos petroleros

Usando técnicas de cultivo y moleculares, Nazina et al. (2002), aislaron e identificaron bacterias aeróbicas saprófitas de los géneros Bacillus, Brevibacillus, Rhodococcus, Dietzia, Kocuria, Gordonia, Cellulomonas, Clavibacter, Pseudomonas y Acinetobacter, de aguas de un campo petrolero en China. Métodos moleculares señalaron la presencia de una bacteria oxidadora de azufre identificada como Thiomicrospira denitrificans y capaz de crecer en hidrocarburos (Kodama y Watanabe, 2003).

Archaeae metanogénicas incluyendo Methanosaeata concili fueron aisladas de un acuífero contaminado con petróleo y se evidenció que los metanógenos aceticlásticos y de CO2 están involucrados en el paso terminal en la biodegradación de hidrocarburos (Kleikemper et al., 2005). Yamane et al.(2008), usando métodos moleculares analizaron la diversidad de las comunidades microbianas de petróleo crudo de varios orígenes (Oriente Medio, Japón y China) y determinaron diferencias muy notables entre ellas, por ejemplo, Acinetobacter, Propionibacterium y Sphingobium en las de Oriente Medio, Petrotoga y clostridios termófilos en las de China y clostridios termófilos en las de Japón.

Dos métodos moleculares se usaron para estudiar la diversidad filogenética del agua de producción de campo petrolero en Alaska, encontrándose que del dominio Bacteria había al menos 14 linajes al nivel de Phyllum, incluyendo Firmicutes y del dominio Archaeae, la mayoría eran metanógenos acetoclásticos, sugiriéndose que el acetato pudo ser un metabolito intermediario clave en la cadena trófica anaeróbica subsuperficial (Pham et al., 2009).

Métodos basados en cultivo y moleculares demostraron la presencia de bacterias reductoras de nitrato de los órdenes Rhodocydales y Bukholderiales en aguas de producción de yacimientos (Feng et al., 2011). Se aislaron usando métodos de cultivo microorganismos metanógenos (57 %), reductoras de nitrato (27 %), acetogénicas (9 %), sulfato-reductoras (6 %) y fermentadoras de glucosa (1 %) de muestras de un lodo anaeróbico durante el tratamiento de aguas de producción petroleras venezolanas (Cajacuri et al., 2013).

Guan et al., (2013), mediante técnicas moleculares demostraron la presencia de bacterias sulfato-reductoras en aguas de producción de 4 yacimientos, e indicaron que la distribución de Desulfotomaculum estuvo correlacionada con la temperatura, profundidad, y la concentración de acetato, propionato y sulfato; mientras que Desulfomicrobium, Desulfobacter y Desulfobulbus lo estuvieron con el azufre y la salinidad.

Albokari et al. (2015), señalaron que mediante una técnica molecular basada en PCR, se encontró la presencia de especies de Bacillus, Clostridium y Gammaproteobacteria en muestras de un petróleo pesado de Arabia Saudita, mientras que en una de lodo se encontraron Alfaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Clostridia y Sphingobacteria.  Usando la técnica de espectrometría de masas MALDI-TOF, Angolini et al. (2015), identificaron unas cepas de bacterias aeróbicas aisladas de un yacimiento profundo como las especies Bacillus safensis, B. cereus y B. thuringiensis.

Biodegradación de hidrocarburos

La contaminación petrolera resulta de filtraciones de tanques, derrame durante el transporte de productos, instalaciones abandonadas, perforación y reactivación de pozos, y varios procesos industriales durante las operaciones rutinarias (Geetha et al., 2013). Los microorganismos tienen la capacidad de degradar la mayoría de los componentes de los hidrocarburos naturales, especialmente los alcanos saturados e insaturados, monoaromáticos y los hidrocarburos aromáticos policiclicos (HAP) de bajo peso molecular.

Los HAP de alto peso molecular, las resinas y los asfaltenos son más recalcitrantes a la biodegradación (Ward et al., 2003). Muchos factores ambientales influyen sobre la degradación microbiana de los hidrocarburos, las bajas concentraciones de fósforo y nitrógeno pueden limitar el crecimiento de los microorganismos. La temperatura, pH, salinidad, y el oxígeno disuelto son también factores limitantes (Brooijmans et al., 2009).

Jahangeer y Kumar (2013), indicaron que la degradación aeróbica es más rápida y completa, con las oxigenasas y peroxidasas como las principales enzimas, para la activación y el ataque intracelular. Vías periféricas de degradación convierten a los contaminantes orgánicos paso a paso en intermediarios del metabolismo central, como por ejemplo el de los ácidos tricarboxílicos. La biosíntesis de la biomasa celular ocurre a partir de los metabolitos precursores centrales, por ejemplo acetil Co-A, succinato y piruvato.

La degradación de los hidrocarburos del petróleo pueden ser mediado por sistemas enzimáticos específicos.  La capacidad de algunas bacterias para metabolizar hidrocarburos en ausencia de oxígeno libre se reconoció a finales de los 80. Varios alcanos, alquilbencenos e incluso alquenos son usados anaeróbicamente como sustratos por varias especies de bacterias denitrificantes, reductoras de hierro férrico, sulfato-reductoras y por las reductoras de protón, estas últimas en asociación sintrófica con metanógenas (Heider et al., 1999).

Vargas et al. (1996), aislaron microorganismos que mostraron la capacidad de degradar hidrocarburos aromáticos policiclicos de muestras de sedimento. Cultivos de enriquecimiento de bacterias sulfato-reductoras oxidaron anaeróbicamente xilenos y alquilbencenos con petróleo crudo como única fuente de carbono (Harms et al., 1999). Tres diferentes “consorcios” microbianos tuvieron la capacidad de degradar y remover un 60, 48, y 34% de la fracción saturada de un petróleo crudo (Viñas et al., 2002).

Al-Awadhi et al. (2007), aislaron cepas bacterianas alcalifilicas y halofilicas que tuvieron la capacidad de crecer usando un amplio rango de alcanos y compuestos aromáticos como única fuente de carbono. Comunidades bacterianas aisladas de suelos de la Patagonia mostraron la capacidad de degradar hidrocarburos alifáticos, diesel, kerosén y aceite lubricante, pero no las fracciones aromáticas, polares ni los destilados de gasolina (Acuña et al., 2010).

La adición de hojarasca como agente estructurante, permitió mejorar las tasas de biodegradación de hidrocarburos totales de petróleo en dos tipos de suelos, con tasas de 32,6 y 45,0 %, respectivamente (García et al., 2012). Un “consorcio” mixto de 15 cepas bacterianas degradó el 94,64 % de los hidrocarburos alifáticos; 93,75 % de los aromáticos y hasta un 55,35 % de la fracción poliaromática en suelos contaminados (Malik y Ahmed, 2012).

La adición de cultivos de los géneros bacterianos Micrococcus, Bacillus y Pseudomonas, mostró que fueron capaces de utilizar los hidrocarburos de un aceite lubricante en un suelo contaminado como fuente de carbono, y se mostró una correlación positiva entre el crecimiento bacteriano (densidad óptica) y el pH (Paramanik y Rajalakshmi, 2013). Al-Jawhari (2014), estudio la degradación de hidrocarburos de petróleo por 4 especies de hongos y determinó que Aspergillus niger degradó el 95 % de los hidrocarburos en 28 días, mientras que un cultivo mixto de A. niger y A. fumigatus degradó un 90 %.

Una cepa de Pseudomonas putida y una de Bacillus cereus degradaron el 65 y 40 %, respectivamente, de los hidrocarburos de petróleo en 7 días de crecimiento (Vinothini et al., 2015).

Biosaneamiento de ambientes contaminados con petróleo

El biosaneamiento, como técnica emergente, es una importante aplicación de la biotecnología ambiental. Se le define como cualquier tratamiento basado en el uso de sistemas biológicos para la restauración o saneamiento de suelos, aguas subterráneas y aire, contaminados con xenobióticos o sustancias biodegradables; logrando la eliminación, atenuación o transformación de tales compuestos, aplicando las capacidades metabólicas de microorganismos y algunas plantas, junto con el suministro de nutrientes adicionales (fósforo y nitrógeno) para acelerar los procesos naturales de biodegradación (Barrios, 2011).

Para incrementar la eficiencia de la biodegradación se aplican dos técnicas: la bioestimulación que consiste en la adición de nutrientes en la forma de fertilizantes inorgánicos, y la bioaumentación que se basa en la introducción de microorganismos con capacidad conocida de biodegradación (Cerqueira et al., 2014).

Sedimentos marinos contaminados con hidrocarburos aromáticos policiclicos tratados en bioreactores aireados mostraron una reducción del 95 % en el contenido de fenantreno, acenafteno y pireno a los 14 días de tratamiento (Launen et al., 2002). Una cepa de Sphingobium chlorophenolicum, aislada de suelos agrícolas contaminados con hidrocarburos aromáticos policiclicos y metales, fue efectiva  en el biosaneamiento tanto en fase sólida como en suspensión (Colombo et al., 2011).

Hussein et al. (2012), evaluaron la eficacia de 20 consorcios bacterianos en el biosaneamiento de suelos y aguas contaminados con hidrocarburos de petróleo e indicaron tasas de remoción del 85 % en suelos contaminados y del 70 % en aguas marinas; demostraron además que las asociaciones mantenían su eficacia por extensos períodos de tiempo.

El landfarming es una forma de biosaneamiento que consiste en un tratamiento de una fase sólida en la cual el material contaminado (suelo, lodo, sedimento) es tratado con las técnicas convencionales de un suelo cultivado, facilitando que las comunidades microbianas degraden a los contaminantes (Picado et al., 2001). Genouw et al. (1994), aplicaron el landfarming a un suelo petrolizado y obtuvieron tasas de remoción de hidrocarburos que oscilaron entre 4 a 15 g/kg de suelo seco.

Liu et al. (2010), indicaron que el landfarming removió el 58,2 % de los hidrocarburos en un suelo contaminado al estimular el crecimiento de los microorganismos degradadores con la adición de nutrientes. Cerqueira et al, (2014), demostraron que la aplicación de asociaciones microbianas y la adición de nutrientes favoreció la biodegradación de hidrocarburos de petróleo de un lodo petrolizado.

Procesos microbianos para recuperación y mejoramiento del petróleo

La refinación del petróleo se basa en el uso de procesos tales como la destilación y la catálisis química que operan bajo condiciones de alta temperatura y presión, lo que se traduce en altos costos energéticos y contaminación ambiental. La biotecnología se refiere al uso de organismos vivos o algunos de sus componentes para elaborar o modificar productos.

Una de sus aplicaciones más prometedoras es la biocatálisis, que puede operar bajo un amplio rango de condiciones, incluyendo temperatura y presión ambiente, con alta selectividad, menores costos energéticos, bajas emisiones y la no generación de subproductos indeseables. En el campo de la industria petrolera, la biotecnología se ha aplicado para la recuperación asistida microbiológicamente, el tratamiento de desechos, y el biosaneamiento de ambientes contaminados.

Las aplicaciones potenciales incluyen la biodesulfuración de combustibles, la eliminación de nitrógeno, la eliminación de metales y la transformación de petróleos pesados en petróleos más livianos (Borgne y Quintero, 2003; Bachmann et al., 2014).

Brown (2010), indicó que comúnmente hasta 2/3 del petróleo permanece en los yacimientos después de la producción primaria y secundaria y que la recuperación de petróleo asistida microbiológicamente (RPAM) es uno de los métodos terciarios propuestos para incrementar la recuperación. Los mecanismos claves propuestos en la RPAM son:

1) la modificación de la porosidad y permeabilidad,

2) la alteración del grado de humidificación,

3) la solubilización del petróleo,

4) la emulsificación,

5) la alteración de las fuerzas interfaciales,

6) la disminución de la movilidad del petróleo y

7) la alteración de las vías metabólicas microbianas por el bicarbonato de sodio (Lazar et al., 2007).

Trebbau et al. (1995), mediante el uso de bacterias anaeróbicas termofílicas nativas y su aplicación en la recuperación de petróleo asistida por microorganismos (RPAM), se logró un aumento del 10 % en la recuperación y se disminuyó hasta en un 30 % la tensión superficial en campos petroleros de Venezuela. Li et al. (2002), aplicaron la RPAM en campos petroleros de China usando cultivos de la bacteria Pseudomonas aeruginosa y determinaron que se pudo mejorar la producción en un 11,2 %, reducir la presión de inyección en un 40,1 % y reducir la viscosidad del petróleo en un 38,5 %.

La RPAM con la simultánea inyección de nutrientes, mejoró significativamente la recuperación de petróleo en yacimientos de alta temperatura y salinidad (Jinfeng et al., 2005). Se aislaron 4 cepas de Pseudomonas aeruginosa productoras de biosurfactante con las que se logró mejorar en un 15 % la recuperación a 90 ºC  y en un 10 % a 70 ºC bajo condiciones de laboratorio (Bordoloi y Konwar, 2008). Suthar et al. (2008), demostraron que un emulsificante producido por una cepa de la bacteria Bacillus licheniformis produjo un incremento del 43,3 % en la recuperación de petróleo en un experimento de simulación.

Usando una cepa de Rhodococcus ruber aislada de aguas de formación con capacidad de biodegradar hidrocarburos y producir surfactantes, se obtuvieron eficiencias en la recuperación que oscilaron entre 8,88 a 25,78 %, y se indicó que los posibles mecanismos involucrados incluyeron la degradación de hidrocarburos, la mejora en la movilidad del petróleo, la alteración en el grado de humedecimiento y la obstrucción selectiva (Zhen et al., 2012). Jang et al. (2015), determinaron que el biopolímero xantano a una concentración de 3 % (p/v) fue un agente eficaz en la recuperación de petróleo pesado bajo condiciones de laboratorio y alta salinidad.

La remoción del azufre de los combustibles diesel y gasolinas se ha convertido en un serio problema debido a las crecientes exigencias ambientales y al alto contenido en azufre de muchos petróleos crudos (Song, 2003). Izumi et al. (1994), aislaron de muestras de suelos una cepa de Rhodococcus erythropolis que fue capaz de degradar al dibenzotiofeno, reduciendo en 2 días de cultivo el contenido de 0,125  a 0 mM de dibenzotiofeno.

Una reducción del 92 % en el contenido de azufre, de 669 a 56 ppm, se logró usando una cepa de Rhodococcus sp., que tuvo la capacidad de degradar dibenzotiofeno (Grossman et al., 2001), indicándose que para la viabilidad comercial este hallazgo debe superar a las tecnologías químicas convencionales en las tasas de conversión, costo y estabilidad de los biocatalizadores y la economía del proceso como un todo.

Aragon et al. (2005), determinaron tasas de remoción del 80 y 90 % del azufre en petróleos pesados mejicanos y con alto contenido de vanadio (311 mg/l), usando cultivos de bacterias sulfato-reductoras. Bajo condiciones de laboratorio se demostró que una cepa de Rhodococcus sp. produjo biosurfactantes y redujo en un 95 % el contenido de azufre de un combustible diesel hidrodesulfurizado (Bandyopadhyay et al., 2013).

El nitrógeno es un contaminante del petróleo que contribuye a la lluvia ácida, promueve la corrosión y degrada a los catalizadores (Borgne y Quintero, 2003). En el petróleo se le encuentra en dos formas: moléculas “no básicas” que incluyen pirroles, índoles y derivados alquil mixtos del carbazol y moléculas “básicas” que son mayormente derivados de la piridina y quinolina (Bachmann et al., 2014).

Kilbane et al. (2000), aislaron una cepa de Pseudomonas ayucida de suelos y aguas contaminados con petróleo, la cepa mostró la capacidad de usar la quinolina como fuente de nitrógeno pero no como fuente de carbono, y removió un 68% de la quinolina de petróleo de esquistos en un periodo de 16 horas. Dos cepas recombinantes de Escherichia coli removieron el 83 y 70 % del carbazol disuelto en combustible diesel en 6 horas; y una de Pseudomonas putida removió el 30 % del carbazol disuelto en 1-metilnaftaleno en 24 horas de crecimiento (Riddle et al., 2003).

Los petróleos típicamente contienen cantidades traza de metales, con el vanadio y níquel como los más comunes, usualmente en una forma soluble en el petróleo por lo que en los procesos convencionales de refinación se concentran en la fracción residual. Los efectos perjudiciales de los metales incluyen contaminación del producto y liberación del metal en forma de óxidos, envenenamiento y formación de adherencias en los catalizadores, y corrosión de los equipos (Ali y Abbas, 2006).

Mogollón et al. (1998), determinaron que el tratamiento con la enzima cloro-peroxidasa removió el 53 y el 27 % de los metales pesados, (níquel y vanadio, repectivamente) de fracciones de petroporfirinas y asfaltenos de un petróleo crudo rico en metales pesados. Una cepa de la microalga Parachlorella kessleri, removió cromo, manganeso, cobalto y níquel en porcentajes de 13,41; 99,93; 42,15 y 49,97 %, respectivamente, del agua de pilas de arenas petrolizadas (Madhavi et al., 2012).

Tecnologías emergentes ofrecen el potencial de remover metales pesados de petróleos y combustibles, tal como lo indica la investigación de Konne y Okpara (2014), quienes lograron tasas de remoción del níquel de 56 y 93 %, usando nanopartículas magnéticas de óxido de hierro sintetizadas con el biopolímero almidón como agente estabilizante.

Conclusiones

Las aplicaciones de la microbiología del petróleo están bien desarrolladas en lo relativo a la biodegradación de hidrocarburos, el biosaneamiento de ambientes contaminados y el tratamiento de efluentes. Sin embargo, los procesos de biorefinación como la biodesulfurización, remoción de metales, y la eliminación de compuestos nitrogenados, están en las etapas de investigación y desarrollo. En algunos casos, la biotecnología puede sustituir a los procesos físico-químicos convencionales, y en otros, suplementarlos.

En la actualidad la biodesulfuración es el campo con más avances de la biorefinación, pero aún sin aplicaciones a escala comercial.

La biorefinación debe ser capaz de ajustarse con los procesos corriente arriba, conducir a la formación de sub-productos con valor agregado, evitar la formación de subproductos tóxicos y permitir la fácil separación de las células o biocatalizadores y el producto.

El éxito de la biorefinación dependerá de la capacidad de aumentar la actividad biocatalítica (tasa y rango de sustratos) y la estabilidad bajo las condiciones encontradas en la industria de la refinación de petróleo usando estrategias de ingeniería genética.

Tecnologías emergentes como las nanoparticulas tienen el potencial de dar soluciones a algunos de los factores limitantes en el desarrollo de los procesos de biorefinación.

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