Introducción

La industria petrolera ejecuta procesos donde sus consecuencias hacia el medio ambiente son directas, por lo que son altamente peligrosos (^{Yánez & Cedeño, 2017}). Las secuelas ambientales de los procesos asociados a la industria petrolera en Venezuela (exploración, perforación, producción, refinación, almacenamiento, transporte, distribución y comercialización) han producido graves daños ambientales que impactan de manera negativa (^{Marín, 2016}), entre ellas destacan las emisiones atmosféricas, los efluentes líquidos y los desechos sólidos peligrosos. Según ^{Ramírez (2020)} la contaminación debido a PDVSA sigue siendo significativa en todo el país, aun cuando la compañía registra la producción petrolera más baja desde la década de 1930. Pareciera que, mientras menos produce, más contamina.

Entre estos daños está la contaminación del suelo como consecuencia de derrames de crudos y productos manejados por la industria como los fluidos de perforación. Estos, una vez depositados en el suelo, se acumulan y forman una capa hidrofóbica induciendo la fragmentación de los agregados; también causan la reducción y la inhibición de la cobertura vegetal y modifican las poblaciones microbianas del ambiente edáfico (^{Díaz et al., 2013}). Dicho daño conlleva a la modificación de la dinámica poblacional de la fauna y sobre todo afecta propiedades tales como el pH, la conductividad eléctrica, la concentración de metales pesados y el contenido de carbono orgánico, entre otros (^{De la Garza et al., 2008}).

Los cambios temporales en las propiedades del suelo constituyen indicadores de su funcionamiento y del manejo a que es sometido. Sin embargo, debe considerarse que para mejor comprensión deben estudiarse independientemente uno del otro, aunque entre ellos existe una estrecha interrelación y dependencia (^{Mortola & Lupi, 2011}).

Los indicadores de calidad del suelo son herramientas de medición que ofrecen información sobre las propiedades, procesos y características del suelo. Estos atributos medibles revelan la respuesta de la productividad o funcionalidad del suelo al ambiente e indican si la calidad del suelo mejora, permanece constante o decrece (^{Estrada et al., 2017}). El uso de indicadores de calidad del suelo puede ser una herramienta rápida para la toma de decisiones, porque son sensibles al manejo en el corto, mediano y largo plazos, en dependencia de la propiedad y del suelo que se evalúe (^{García et al., 2012}). Así, monitoreando los cambios en el tiempo de los indicadores de calidad de suelo se podría determinar si un sistema de manejo está en una situación de estabilidad, mejora o degradación (^{Shukla et al., 2006}).

El marco regulatorio ambiental en la República Bolivariana de Venezuela es amplio y contempla en orden descendente la Constitución de la República, convenios internacionales, leyes orgánicas, leyes penales, decretos, reglamentos y resoluciones. Respecto a las actividades petroleras e impacto de suelos, la Constitución de la República Bolivariana en su artículo 129 expresa que: todas las actividades susceptibles de generar daños a los ecosistemas deben ser previamente acompañadas de estudios de impacto ambiental y socio cultural (^{Constitución de la República Bolivariana de Venezuela, 1999}). Igualmente el Decreto 2635, en sus Secciones I (Disposiciones Generales) y II (De las disposiciones técnicas para el manejo de desechos peligrosos generados por la exploración y producción de petróleo) establece los valores de aceptación de los parámetros de calidad que permiten la disposición final de los fluidos base agua en suelo (confinamiento o esparcimiento en suelos (art. 48), límites de mezcla suelo/desecho con fines de confinamiento en el suelo (art. 49) y límites de mezcla suelo/desecho con fines de esparcimiento en el suelo (art. 50) (^{Decreto 2635, 1998}).

Investigaciones previas demostraron a nivel de laboratorio el uso del coque de petróleo como aditivo controlador de filtrado en fluidos base agua (^{Vega et al., 2016}) y en fluidos base aceite (^{Vega et al., 2018}). Ello, basado en que el coque de petróleo es un producto residual de elevado contenido de carbono, resultante de la pirólisis de las fracciones pesadas obtenidas en la refinación del petróleo (^{Hassan, 2014}), por lo que supuestamente podría sustituir al lignito y al lignosulfonato como controladores de filtrado. Sin embargo, es importante señalar que este proceso genera coque rico en azufre (S), entre 2 y 7 %, y metales pesados como el níquel (Ni) y vanadio (V), que limitan sus aplicaciones industriales y ocasiona serios problemas de contaminación ambiental, así como de transporte y almacenamiento (^{Ramos et al., 2015}).

Ante lo expuesto, surgió la necesidad de evaluar los efectos sobre suelo de un fluido base agua con coque de petróleo como controlador de filtrado, basado en propiedades asociadas a estos (pH, conductividad eléctrica, capacidad de intercambio catiónico y aluminio intercambiables) contempladas en el Decreto 2635, que determinan con qué técnica (esparcimiento o confinamiento) pueden ser tratados los suelos contaminados. Para ello, se consideraron muestras de suelo de zonas petroleras en el estado Monagas-Venezuela, como Morichal y Orocual.

Desarrollo

La investigación se desarrolló en los laboratorios de perforación del Departamento de Ingeniería de Petróleo de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y suelos del posgrado de Agronomía Tropical de la Universidad de Oriente, Núcleo de Monagas. El coque provino del Complejo Petroquímico José Antonio Anzoátegui de Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) y los aditivos para la formulación de los fluidos de la empresa PROAMSA.

Análisis y discusión de resultados

La ρa exhibió valores de 1.70 g/cm³ y 1.60 g/cm³ para Morichal y Orocual, respectivamente, los mismos están dentro del rango de la propiedad para suelos de los llanos (1.2 a 1.95 g/cm³) (^{Ramírez, 1997}) y concuerdan con el valor de 1.7 g/cm³ reportado por ^{Hossne et al. (2009)} para estos tipos de suelo. Un aumento de la ρa se relaciona con la disminución de la porosidad total, afectándose la disponibilidad de agua y de oxígeno, la penetrabilidad de las raíces y otras características. La porosidad mostró una diferencia entre ambos suelos de 4.52 %, reflejando valores de 34.04 % (Morichal) y 38.56 % (Orocual), ambos son considerados extremadamente porosos (Universidad de ^{Caldas, 2011}). Estos son concordantes con el rango para la propiedad (32 % - 39 %) según el rango de ρa donde se ubicaron (1.6 g/cm³ - 1.8 g/cm³) (^{Ramírez, 1997}). Los valores de porosidad son ligeramente superiores a 31.56 % reportado por ^{Hossne et al. (2009)}.

La ρ_R para los suelos presentó valores de 2.58 g/cm³ (Morichal) y 2.60 g/cm³ (Orocual), evidenciando que no hay presencia de cantidades apreciables de materia orgánica. La ρ_R fluctúa entre 2.5 y 2.6 g/cm³ cuando no se presentan cantidades considerables de materia orgánica y alcanza el mayor valor de 2.65 g/cm³ en suelos arcillosos o arenosos con muy poca materia orgánica (^{Ramírez, 1997}). Los resultados obtenidos son semejantes (2.63 g/cm³) a los presentados por ^{Hossne et al. (2009)} (Tabla 3).

El porcentaje de humedad de ambos suelos fue bajo, Orocual no alcanzó el 1 %, demostrando la poca capacidad de las muestras para retener agua. Un bajo contenido de humedad indica que el suelo es duro y muy coherente a causa del efecto de cementación entre partículas secas (^{Rucks et al., 2004}). El porcentaje de humedad equivalente de los suelos (6.6 % Morichal y 7.7 % Orocual), están en el rango de 5 %-15 %, clasificándolas como bajas (^{Ramírez, 1997}). Según los contenidos de arena, arcilla y limo presentes, el suelo de Morichal se definió como un suelo netamente arenoso, mientras que Orocual se ubicó en la zona de arena francosa (^{UDSA, S.F}). Ambos suelos son consideraros como ligeros y de textura gruesa.

Los valores de las propiedades descritas expresaron la baja compactación de los suelos y la posible presencia de animales como lombrices, que influyen sobre ellos mediante actividades de excavación asociadas a su dinámica de vida. Asimismo, son indicadores de baja capacidad de retención de agua y que las muestras no son propias de suelos con actividad agrícola relevante.

Respecto a la germinación, crecimiento y número de hojas de las plantas, la Figura 1a, refleja las medias de germinación de las muestras en cada nivel de concentración del fluido de perforación aplicado. Se observan valores iguales de germinación (100 %) para ambos suelos no contaminados (control), a partir de ellos hay comportamientos disimiles, mientras que Morichal alcanzó una germinación de 100 % solo en la concentración 3, Orocual lo logró en las concentraciones 2 y 4. Los valores reportados de menor porcentaje de germinación fueron de 66.7 % para Morichal (concentración 2) y 88.9 % para Orocual (concentración 3).

Figura 1 a) Germinación promedio de las semillas, b) altura promedio de las plantas germinadas y c) número de hojas de las plantas germinadas en los suelos de Morichal y Orocual 

La tendencia de la altura de las plantas germinadas para ambos suelos (Figura 1b) fue semejante, así para los suelos control se presentaron las alturas máximas de 33.4 cm (Morichal) y 34.2 cm (Orocual). Al adicionar el fluido de perforación (concentración 2) ocasionó una caída en los valores de altura de las plantas (21.1 cm Morichal y 8.6 cm Orocual), pero luego mostraron un incremento a medida que aumentaba el nivel de concentración de fluido, alcanzando valores de 28.7 cm para Morichal y 17.5 cm Orocual (concentración 3) y 31.0 cm Morichal y 19.6 cm Orocual (concentración 4).

El número de hojas promedio de las plantas germinadas (Figura 1c) presentó un máximo de 8 hojas para los suelos control, al agregar la concentración 2 existió una disminución de 4 hojas (Morichal) y 2 hojas (Orocual), luego aumentaron a 6 hojas para las concentraciones 3 y 4 (Morichal) y 3 hojas (concentración 3) y 4 hojas (concentración 4) (Orocual).

Concerniente al color, todas las plantas presentaron una pigmentación verde completamente normal (Figura 2).

Figura 2 Muestras de las plantas al finalizar el periodo de estudio. Concentración 4:1 a 32 días de germinación, a) Morichal, b) Orocual  

La germinación, tamaños y número de hojas de las plantas se ajustaron a los valores reportados para el frijol (Vigna unguiculata) de ^{Hernández y Valladares (2012)}. Se ratificó el uso potencial del desecho del fluido de perforación base agua no disperso como posible fertilizante en el cultivo de frijol (Vigna unguiculata) (^{Mendez et al., 2007}), debido a que estimuló la germinación de las semillas, favoreció el crecimiento, desarrolló las plántulas y no tuvo un efecto negativo sobre los caracteres de la nodulación. Se confirmó la posibilidad de generar una tierra cultivable en suelos arenosos con la adición de coque de petróleo (^{Laine, 2012} y ^{Rincón et al., 2011}) quienes mezclaron el coque de petróleo previamente molido con suelo, para obtener 2 % en peso del mismo (contenido de carbono orgánico de la tierra negra) y este no cambió los parámetros de crecimiento de la planta (diámetro del tallo y altura) en comparación con el mismo suelo sin coque añadido.

Los resultados señalaron que el fluido de perforación aplicado sobre los suelos estudiados, no incide negativamente sobre el desarrollo de las plantas como se hubiese podido esperar debido a que el coque se produce de la refinación del crudo pesado, el cual contiene componentes que pueden considerarse dañinos para los ecosistemas, tales como azufre (S), y metales pesados (níquel (Ni) y vanadio (V)) que ocasionan serios problemas de contaminación ambiental (^{Ramos et al., 2015}).

Culminado el tiempo de observación de las plantas, estas fueron retiradas y muestras de los suelos fueron llevados al laboratorio de suelos para realizar las pruebas de pH, CE, CIC y AI (Tabla 4).

El análisis estadístico se realizó a partir de dichos datos y se estableció el siguiente arreglo factorial (Tabla 5), de acuerdo con la metodología planeada.

El ANOVA, expuso un coeficiente de correlación de Pearson de 0.87, indicando que el 87 % de los datos se ajustaron al modelo aplicado, con un p-valor de 0.0004 (( 0.05), expresando DES. El modelo tuvo como posibles fuentes de variación: los bloques, las propiedades y las concentraciones.

El test de Duncan para los bloques mostró DES (Figura 3), afirmando respuestas distintas de los suelos a las propiedades antes de las concentraciones propuestas, ello debido a que son suelos diferentes, arenoso (Morichal) y francoso (Orocual). Este comportamiento coincide con ^{Méndez et al. (2007)}, donde también manifestaron comportamientos diferentes según el tipo de suelo estudiado.

Figura 3 Test de Duncan para los bloques Morichal y Orocual. Medias con letras en común no son estadísticamente diferentes (p>0.05) 

Las concentraciones aplicadas demostraron la no existencia de DES (letras iguales) entre ellas (Figura 4), cuando se estudian como un conjunto. Es decir, no existen diferencias en las propiedades al aumentar o disminuir las concentraciones respecto al control, ello independiente del bloque.

Figura 4 Test de Duncan para las concentraciones en estudio. Medias con letras en común no son estadísticamente diferentes (p>0.05) 

Las propiedades de pH (P₁), conductividad eléctrica (P₂), capacidad de aluminio intercambiable (P₃) e intercambio catiónico (P₄) presentaron DES, dicho comportamiento es lógico porque sus escalas de medición no son iguales.

El estudio individual de las propiedades mostró respecto al pH, que para el suelo de Morichal, el efecto de los niveles de concentración de fluido de perforación con coque como controlador de filtrado provocó un aumento de la acidez del suelo en los niveles intermedios de concentración 2 (5.8), concentración 3 (5.93) y una disminución en el nivel de concentración 4 (5.46) respecto al suelo control (5.23). Orocual en la medida en que se incrementó el nivel de concentración del fluido de perforación favoreció su acidificación, reflejando valores de 5.94 (control), 5.74 (concentración 2), 5.62 (concentración 3) y 5.46 (concentración 4). Ambos suelos poseen un pH acorde para la aplicación de la técnica de esparcimiento (pH: 5-8), según el Decreto 2635.

Estadísticamente se observaron comportamientos independientes de la concentración y tipo de suelo, lo que evidencia DES (p-valor <0.0001). La variación del pH además de afectar la actividad microbiana, también afecta la solubilización, adsorción y absorción de los contaminantes y de los iones (^{Staunton, 1996}). El comportamiento del parámetro concuerda con el descrito por ^{Martínez & López (2001)}, quienes encontraron DES en el pH al variar la concentración del agente contaminante (Figura 5).

Figura 5 Test de Duncan para la propiedad de pH. Medias con letras en común no son estadísticamente diferentes (p>0.05). 

Los suelos examinados mantuvieron un pH moderadamente ácido, factor que no afectó el crecimiento del bioindicador. El frijol es un cultivo anual, se adapta a condiciones de escasez de agua, baja fertilidad y tolera condiciones de acidez de los suelos (^{Hernández &Valladares, 2012}). Los valores del parámetro coinciden con ^{López & Ojeda (1996)}, quienes explican que el pH ácido es característico de las sabanas venezolanas, sobre todo en los llanos orientales.

La CE para el suelo de Morichal evidenció que el suelo control poseyó un valor de 0.43 mmhos/cm, pero al agregar el fluido de perforación experimentó un aumento para la concentración 2 (2.60 mmhos/cm), mientras que para las concentraciones 3 y 4 ocurrió una leve disminución de 2.62 mmhos/cm y 2.45 mmhos/cm, respectivamente. Para el suelo de Orocual, la tendencia fue de un comportamiento ascendente, es decir, aumentó a medida que se incrementó la dosis. Así, reflejó valores de 1.81 mmhos/cm (Control), 2.62 mmhos/cm (concentración 2), 3.17 mmhos/cm (concentración 3) y 3.85 mmhos/cm (concentración 4). De acuerdo con el ^{Decreto 2635 (1998)}, el suelo de Morichal cumple tanto para la técnica de esparcimiento como de confinamiento (< 12 y < 3.5 mmhos/cm, respectivamente). Orocual cumple para la técnica de esparcimiento, para confinamiento la concentración 4 está fuera del rango de permisivo.

La CE mostró DES (p-valor < 0.0001) (Figura 6) y al igual que el pH una variación irregular no acorde con el aumento de la concentración. Su comportamiento irregular y la diferencia estadística presentada concuerda con el presentado por ^{Martínez & López (2001)}.

Figura 6 Test de Duncan para la propiedad de conductividad eléctrica (CE). Medias con letras en común no son estadísticamente diferentes (p>0.05) 

Los valores de C.E del suelo de control de Morichal se consideraron no salinos (entre 0 y 2 mmhos/cm), y el de Orocual de salinidad ligera (entre 2 y 4 mmhos/cm), la adición de las concentraciones conllevaron a aumentos de la CE que hacen que estos sean todos de salinidad ligera, lo cual impide la solubilización de sales presentes en el suelo.

Concerniente al AI, para el suelo de Morichal se observó que el suelo control reportó un valor de 0.067 meq./100 g suelo, para la concentración 2 ocurrió un ligero aumento (0.073 meq./100 g suelo), pero para las concentraciones 3 y 4 descendió a 0.06 meq/ 100g meq./100 g suelo y 0.053 meq./100 g suelo. En el caso de Orocual el control presentó un valor de 0.053 meq./100 g suelo y a partir de él ocurrieron aumentos según el nivel de concentración de fluido de perforación, evidenciando valores de 0.067 meq./100 g suelo (concentración 2), 0.080 meq/ 100g suelo (concentración 3) y 0.093 meq./100 g suelo (concentración 4). Al comparar los resultados de las pruebas de AI con el Decreto 2635, la única técnica que lo considera es esparcimiento (< 1.5 meq/ 100g suelo) y todas las muestras de ambos suelos lo satisfacen.

La diferencia estadística en el AI fue significativa (p- valor= 0,0021) (Figura 7). Al igual que las propiedades anteriores para el suelo de Morichal se reflejó una variación irregular, no así para Orocual. El incremento del AI está asociado a la disminución de la CIC y al pH. Sin embargo, la variación de la propiedad a pesar de ocasionar DES se aproximan o están en el rango para la propiedad (0.68-0.96 meq./100 g de suelo) reportado por ^{Hossne et al. (2009)}.

Figura 7 Test de Duncan para la propiedad de aluminio intercambiable (AI). Medias con letras en común no son estadísticamente diferentes (p>0.05) 

Un pH < 5.5 es indicativo de la presencia de AI, según ^{Rivera et al. (2016)}, la toxicidad del AI es probablemente el factor que más limita el crecimiento de las plantas en suelos fuertemente ácidos.

La tendencia asociada al suelo de Morichal referida a la CIC fue inestable porque ocurrieron aumentos en las concentraciones 2 (3.35 meq./100 g de suelo) y 4 (3.52 meq./100 g de suelo) y disminuyó en la concentración 3 (3.13 meq./100 g de suelo) respecto al blanco (3.27 meq./100 g de suelo). Para el suelo de Orocual, se mantuvo la tendencia al aumento con el nivel de concentración de fluido, obteniéndose valores de 7.43 meq./100 g de suelo (suelo control) y 7.83 meq./100 g de suelo, 7.9 meq./100 g de suelo y 8.13 meq./100 g de suelo para las concentraciones 2, 3 y 4, respectivamente. El Decreto 2635, no contiene rangos de toxicidad para este parámetro.

La desigualdad en el comportamiento conllevó a la presencia de DES en la propiedad (p-valor < 0.0001) (Figura 8). La tendencia inestable e independiente de la concentración del comportamiento de Morichal concuerda con el comportamiento reflejado por ^{Martínez & López (2001)}, Orocual difiere.

Figura 8 Test de Duncan para la propiedad de capacidad de intercambio catiónico (CIC). Medias con letras en común no son estadísticamente diferentes (p>0.05) 

Los valores de CIC menores a 10 Meq/100g suelo, son consecuencia del alto contenido de arena, del requerimiento de menos cantidad de caliza para corregir el pH, posibilidad de mayor lixiviación de nitrógeno y potasio, baja capacidad de almacenamiento de agua y textura gruesa.

Los cambios en las propiedades químicas analizadas son menores a los reportados por ^{Martínez & López (2001)} al contaminar suelos con hidrocarburos, ello permite indicar que el fluido con coque de petróleo ocasiona menos impacto que los crudos o sus derivados.

El Decreto 2635 tiene como objetivo regular la recuperación de materiales y el manejo de los desechos cuando los mismos presenten características, composición o condiciones peligrosas, representando una fuente de riesgos a la salud de las personas y al ambiente (^{Castrillo et al., 2013}). En tal sentido, el posible uso del coque de petróleo como aditivo controlador de filtrado probado a nivel de laboratorio por ^{Vega et al. (2016)} y siendo este señalado como un producto contaminante, conllevó a su verificación ante el citado decreto, obteniéndose resultados satisfactorios, los cuales abren un abanico de oportunidades para el uso del coque de petróleo almacenado en grandes cantidades en la localidad de José en el estado Anzoátegui-Venezuela, como consecuencia de la producción de crudo pesado y extrapesado en la Faja Petrolífera del Orinoco.

Se ratificó que las diferencias o similitudes de las propiedades examinadas en la investigación con las reportadas en las diferentes literaturas pueden deberse al amplio rango de aditivos empleados en los fluidos de perforación y las diferentes concentraciones usadas, así como el tipo de suelo en estudio expresado por ^{Mendez et al. (2007)}.

Conclusiones

Los suelos caracterizados fueron de tipo: arenoso (Morichal) y franco-arenoso (Orocual), presentando propiedades físicas típicas de los suelos llaneros orientales venezolanos.

El uso de coque de petróleo como controlador de filtrado en la formulación de fluidos de perforación base agua tipo lignosulfonato, no inhibió el crecimiento de las plantas de frijol (Vigna unguiculata) para las concentraciones en estudio.

El efecto de la adición del fluido de perforación en sus diferentes concentraciones ocasionó comportamientos disímiles en las propiedades: pH, conductividad eléctrica, aluminio intercambiable y capacidad de intercambio catiónico, según el tipo de suelo analizado.

Quedó demostrado que los suelos contaminados con este tipo de fluido pueden ser tratados mediante la técnica de esparcimiento, confirmando que el coque de petróleo puede sustituir al lignito como controlador de filtrado, sin ocasionar inconvenientes para el control, recuperación y manejo de materiales y desechos peligrosos de la industria petrolera.

Estadísticamente, el estudio de las concentraciones como un todo evidenció la no existencia de diferencias estadísticas significativas entre ellas, lo que permite emplear la mayor concentración y aplicar la técnica de esparcimiento como tratamiento de los suelos en estudio. Pero, la relación suelo concentración en el estudio individual de las propiedades conllevó a comportamientos disímiles, Morichal independiente de la concentración y Orocual dependiente de ella, lo que ocasionó diferencias estadísticas significativas.