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Tesis (Doctor en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2018

En la Patagonia argentina, la explotación de yacimientos hidrocarburíferos representa uno de los principales componentes de la matriz productiva regional. Entre las principales corrientes de desecho de esta actividad se encuentran los “recortes de perforación” o “drilling cuttings”, originados en las operaciones de perforación de pozos de gas y petróleo. Los recortes de perforación están compuestos por restos de fluidos utilizados en la operación, y los fragmentos de roca provenientes de las formaciones geológicas atravesadas durante la perforación. La gestión de este material residual complejo, que es generado en forma continua y en grandes cantidades, supone una problemática ambiental actual, tanto para las compañías operadoras de las áreas de explotación de gas y petróleo, como para las autoridades de aplicación ambiental. Los fluidos de perforación están compuestos por arcillas y una fase líquida (base), que puede ser acuosa u oleosa, a la cual se le agregan diferentes aditivos químicos según los requerimientos específicos del pozo a perforar. La formulación del fluido que se utilice en la perforación, en conjunto con el tipo de minerales e hidrocarburos presentes en la formación atravesada, determinarán el tipo (recortes base agua o base oleosa) y la toxicidad ambiental de los recortes de perforación resultantes. De manera genérica, se identifican cuatro características principales que representan la peligrosidad y/o toxicidad ambiental de este residuo: (i) elevado contenido de sales inorgánicas; (ii) alta concentración de hidrocarburos del petróleo en recortes base oleosa; (iii) contenido variable de metales pesados; y (iv) toxicidad potencial (poco explorada o desconocida) de otros aditivos utilizados en los fluidos de perforación (biocidas, dispersantes, desincrustantes, etc.). La principal diferencia entre los recortes de perforación de base acuosa y base oleosa, está dada por el elevado contenido de hidrocarburos de los segundos. Por consiguiente, esta característica requiere de distintos abordajes en las estrategias para su tratamiento y disposición final. De esta manera, el objetivo general del presente trabajo fue evaluar la viabilidad de diferentes estrategias de tratamiento y reutilización de recortes de perforación de pozos de gas y petróleo, mediante la aplicación de residuos y enmiendas orgánicas generados en los yacimientos hidrocarburíferos y zonas aledañas. Por un lado, se estudió el efecto de la aplicación de dos tipos de enmiendas orgánicas, disponibles en la región patagónica argentina (compost de residuos orgánicos urbanos (CROU) y compost de biosólidos (CB)), en las propiedades como sustrato de crecimiento vegetal de los recortes de perforación base agua, para su uso potencial como material de relleno para la revegetación y/o restauración de áreas degradadas. Por el otro, se evaluó la tratabilidad de los recortes de perforación base oleosa mediante la estrategia de biorremediación por compostaje, utilizando residuos orgánicos de cocina y jardín, generados en los yacimientos hidrocarburíferos. Considerando que los recortes de perforación base agua pueden asemejarse a un suelo salino-sódico de condiciones extremas, se realizó un ensayo de invernáculo para evaluar el crecimiento de una especie vegetal halotolerante (agropiro alargado o ii Thynopirum ponticum), en sustratos formulados con el recorte de perforación base agua y compost. El recorte de perforación fue sometido previamente a un pretratamiento de lavado para la reducción de sales, se formularon 6 tipos de sustratos utilizando dos proporciones en volumen (1:1 y 1:1,5 enmienda:recorte) de perlita, CB y CROU. La aplicación de ambos tipos de enmiendas orgánicas mejoró significativamente la fertilidad del recorte de perforación base agua. No obstante, el efecto diferencial en la aptitud como sustrato de crecimiento vegetal, entre los tratamientos con CB respecto de tratamientos con CROU, estuvo principalmente asociado a la mejora en las propiedades físicas del recorte de perforación. En el tratamiento con CB aplicado en mayor proporción se favoreció el lavado de sales, y en particular del catión sodio, probablemente debido a una mejora significativa en la estructura del recorte de perforación. Este efecto en las propiedades físicas del sustrato parece haber sido relevante, ya que rendimiento vegetal fue significativamente mayor en este tratamiento, respecto de los tratamientos con CROU y perlita. Para evaluar la viabilidad de la alternativa de biorremediación por compostaje de recortes de perforación base oleosa, se realizó un ensayo en reactores de 60 L aislados térmicamente donde se compostaron, durante 151 días, recortes base oleosa (RBO) y residuos orgánicos de cocina y jardín triturados (RO), utilizando chips de madera como agente estructurante en un 50 % en volumen. Se ejecutaron los siguientes tratamientos: solo recortes de perforación base oleosa (0 % RO), dos mezclas con dos proporciones de RBO y RO en volumen (33 y 75 % RO), y únicamente residuos orgánicos (100 % RO), como referencia del proceso de compostaje de los residuos utilizados. Durante el ensayo, se monitoreo la degradación de distintos tipos de hidrocarburos (totales, alcanos y poliaromáticos), además de variables del proceso, como temperatura, pH, conductividad eléctrica, y contenido de agua y nutrientes. La aplicación de residuos orgánicos en una proporción de 1:0,4 recorte:residuo (tratamiento 75 % RO) en peso seco, proveyó proporciones adecuadas de carbono y nitrógeno disponibles, microorganismos en cantidad y variedad, redujo la toxicidad inicial del residuo, y mejoró la disponibilidad de agua y oxígeno (dada la naturaleza arcillosa del recorte de perforación) resultando altamente eficaz en la remoción de todos los tipos de hidrocarburos, incluyendo poliaromáticos de elevado peso molecular, usualmente muy recalcitrantes. Por otro lado, la aplicación de una proporción de 1:0,1 (tratamiento 33 % RO) no fue más efectiva que no aplicar residuos orgánicos (tratamiento 0 % RO) en la biodegradación de hidrocarburos. Los resultados obtenidos alientan en considerar la viabilidad de estrategias que involucren la aplicación de estos residuos orgánicos, o de enmiendas producidas a partir de los mismos, como alternativa para el tratamiento, reuso o disposición de recortes de perforación base acuosa y base oleosa. Además, estas estrategias pueden contribuir en el reciclado y valorización de residuos orgánicos, y posibilitan el tratamiento simultáneo de más de una corriente de los desechos generados en los yacimientos o en localidades cercanas.

Las fosfotriesterasas son esterasas capaces de escindir el enlace P-O y han sido halladas en mamíferos, peces, aves, moluscos y bacterias. Estas enzimas demostraron ser biocatalizadores útiles en la degradación de compuestos organofosforados, siendo estos ampliamente utilizados en la actualidad como pesticidas en agricultura, en jardines y en la industria veterinaria. En particular, en nuestro país el organofosforado clorpirifós es el segundo pesticida más utilizado. Si bien estos pesticidas son muy eficientes, son también altamente tóxicos para mamíferos. Así, la intoxicación por organofosforados se ha convertido en un problema importante en todo el mundo. Considerando lo antes dicho, en el presente trabajo de tesis doctoral se propuso como primer objetivo el desarrollo de un sistema para la biorremediación de aguas contaminadas con pesticidas organofosforados empleando catalizadores con actividad fosfotriesterasa. Por otra parte y desde el punto de vista de la biocatálisis, como las enzimas no están limitadas a su actividad natural, es posible utilizarlas empleando una variedad de sustratos, pudiendo además catalizar las reacciones en ambas direcciones de su equilibrio termodinámico. Es por ello que las fosfotriesterasas pueden ser aplicadas en el sentido sintético para la obtención de fosfotriesteres, siendo de particular importancia los correspondientes derivados de nucleósidos y análogos. Estos compuestos, conocidos como pronucleótidos, son productos farmacológicamente útiles como antivirales y anticancerígenos ya que inhiben enzimas específicas (transcriptasa reversa, ARN replicasa, ADN polimerasa, IMP deshidrogenasa) o actúan como terminadores de cadena en la biosíntesis de ARN o ADN. En este marco, se propuso como segundo objetivo efectuar una primer aproximación a la síntesis de pronucleótidos a través de reacciones biocatalizadas. A continuación se hará un breve resumen de lo desarrollado a lo largo de cada capítulo del presente trabajo de tesis doctoral:En el capítulo 1, se presenta una introducción sobre biocatálisis y biorremediación. Ambas tecnologías tienen en común el empleo de sistemas biológicos para llevar a cabo una biotransformación. En este marco también se describen las fosfotriesterasas, enzimas de interés y objeto de estudio del presente trabajo, como así también los compuestos organofosforados (usos y tipos) y los análogos de nucleósidos. En el capítulo 2, se describen las metodologías desarrolladas para llevar a cabo la búsqueda, estudio e implementación en los procesos biocataliticos de fuentes microbianas con actividad fosfotriesterásica. Adicionalmente, se detallan los métodos de detección, análisis y cuantificación de los sustratos y productos de cada reacción biocatalizada estudiada.En el capítulo 3, se exponen los resultados obtenidos a partir del estudio de la actividad hidrolítica de seis fuentes bacterianas wild type frente a metil paraoxón. También se muestran los resultados de la optimización de las condiciones de reacción de dichos biocatalizadores, a partir de las cuales se evaluó la actividad fosfotriesterásica frente a diferentes sustratos, seleccionando un biocatalizador capaz de degradar cada uno de los compuestos organofosforados propuestos.En el capítulo 4, se presenta un trabajo realizado en colaboración con el laboratorio de LIGBCM-AVI de la Universidad Nacional de Quilmes que permitió la identificación de dos bacterias aisladas de suelo. Posteriormente, aplicando una metodología rápida y sencilla, se describe el estudio y la optimización de las condiciones de reacción, obteniéndose biocatalizadores capaces de degradar eficientemente sustratos más voluminosos como coroxón, cumafós y clorpirifós, para los que las fosfotriesterasas wild type reportadas suelen tener baja actividad hidrolítica.En el capítulo 5, se presentan los resultados del estudio de los extractos enzimáticos provenientes de los microorganismos estudiados en los capítulos 3 y 4. Adicionalmente tanto las células enteras como dichos extractos fueron inmovilizados por atrapamiento en perlas de alginato de calcio. Tras su ensayo en la hidrólisis de compuestos organofosforados, se seleccionó una forma de biocatalizador inmovilizado que fuera capaz de degradar con mayor eficiencia cada uno de dichos compuestos. Asimismo, se emplearon los biocatalizadores seleccionados para la degradación de paraoxón y clorpirifós en un biorreactor del tipo lecho empacado con los que se alcanzó la degradación completa de dichos compuestos en 56 y 17 h respectivamente. Se caracterizaron los biocatalizadores determinado la posible existencia de problemas de transferencia de masa, como así también su reutilización. En cuanto al biorreactor, se determinó la distribución de los tiempos de residencia y tipo de flujo.En el capítulo 6, con la finalidad de hallar nuevas fuentes de fosfotriesterasas, se presenta el estudio de cuatro hongos, los que fueron capaces de degradar metil paraoxón llevando a cabo la reacción en growing. Además, se determinó que las enzimas responsables de dicha hidrólisis eran extracelulares, por lo que se obtuvieron los respectivos extractos enzimáticos, que se concentraron y finalmente liofilizaron, analizándose su actividad. Se optimizaron también las condiciones de reacción en cuanto a la cantidad de biocatalizador y pH del medio. Finalmente, en el capítulo 7, se describe la búsqueda de alternativas para mejorar los rendimientos obtenidos previamente en nuestro laboratorio en la reacción de transesterificación para la síntesis de 5´-dimetilfosfato de inosina usando como biocatalizador la fosfotriesterasa de Brevundimonas diminuta. Se exploró la actividad sintética de Streptomyces setonii (microorganismo wild type) y de los microorganismos fúngicos estudiados en el capítulo 6, utilizando las condiciones puestas a punto en la reacción de hidrólisis.