ES2618843A1 - Mejoras en sistema de inyección de CO2 para estudios ecotoxicológicos, adaptación para su empleo con microorganismos - Google Patents
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Abstract
Adición a la patente ES2438090, "Sistema de inyección de CO2 para estudios ecotoxicológicos", adaptación para su empleo con microorganismos. La finalidad es realizar ensayos microbiológicos relacionados con la toxicidad del dióxido de carbono debido a posibles fugas en el medio marino procedentes de zonas de almacenaje en técnica CCS (Carbon Capture and Storage) para su posterior evaluación de riesgos ambientales asociados a esta metodología y seguimiento de la implantación de la técnica usando los microrganismos del bentos como herramienta (monitoring). Este modelo de integración de cámara aislante y sistema de inyección de CO2 está diseñado para mantener controlada la temperatura durante los ensayos por medio de un climatizador y garantizar un ambiente aséptico, tanto del propio equipo de inyección de CO2 introduciendo material autoclavables y filtros, como el uso de calzado y bata específicos para trabajar dentro.
Description
una forma adecuada donde la voluntad política, investigación y cooperación internacional son claves en este sentido.
En este contexto, se han estudiado diversas opciones para poder reducir considerablemente las concentraciones de CO2 en la atmósfera, sin embargo la comunidad científica considera que la captura y almacenaje de CO2 en formaciones geológicas estables subterráneas (CCS), que albergaron en su momento petróleo o gas, es una de las técnicas más viables (IPPC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Intergov. Panel Clim. Chango Work. Gr. I Contrib. to IPCC Fifth Assess. Rep. (AR5)(Cambridge Univ Press. New York) 1535; DOE, (2010), DOE/NETL Advanced Carbon Dioxide Capture R&D Program: Technology Update. US DOE, 257, Rubin E., (2010), The outlook for advanced CCS technology. CAPD Energy Systems Initiative Seminar. CMU. Pittsburgh. USA).
De hecho muchos países ya se han interesado en estas tecnologías de captación y almacenamiento de carbono, donde algunos proyectos han sido propuestos y otros en funcionamiento. En España, también se han propuesto concretamente once áreas diferentes para este tipo de técnica (BOE, (2008) Resolución de 28 de noviembre de 2007, de la Dirección General de Política Energética y Minas, del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio por la que se publica la inscripción de propuesta de reserva provisional a favor del r-stado para recursos de la sección B), estructuras subterráneas susceptibles de ser un efectivo almacenamiento de dióxido de carbono en diversas áreas (lO Almacenes). BOE 34 de 8 febrero 2008, pp. 7099-7102). A pesar de que el uso de este tipo de tecnologías haya obtenido el respaldo y el consenso de la comunidad científica acerca de su potencial económico, social y ambiental; es considerado como un proceso complejo en su globalidad con un alto grado de incertidumbre y con posibles riesgos asociados (Damen, K., Faaij, A., & Turkenburg, W (2006). Health, safety and environmental risks 01 underground CO2 storage-overview of mechanisms and current knowledge. Climatic Change, 74(1-3), 289-318). Uno de los riesgos asociados a esta nueva técnica es el posible escape de CO2 desde la zona de almacenaje. El 80% de las localizaciones de CCS están ubicadas en plataformas marinas. Y en caso de fuga provocaría una reducción del pH asociado al aumento de la concentración de CO2. y por consiguiente, cambios fisicoquímicos del medio que repercutirá de manera muy directa en el ecosistema y en los organismos de la zona. Dichos organismos podrían quedar expuestos a cambios bruscos donde la estabilidad socioeconómica de recursos naturales pesqueros y/o marítimos podría verse comprometida.
La evaluación de riesgos asociados a la toxicidad del C02 debido a las fugas se ha llevado a cabo en los últimos años utilizando diversas metodologías y técnicas. De manera general los ensayos de toxicidad se dividen en dos categorías: estudios con el uso de microcosmos/mesocosmos bajo condiciones controladas de laboratorio o in situ. Trabajar in situ requiere mucho tiempo de preparación de material, altos conocimientos técnicos y, sobretodo un enorme esfuerzo económico, ya sea por parte de las administraciones públicas como por parte de los propios institutos de investigación, y por tanto en muchos casos son imposibles de abordar. Sin embargo, trabajar con mesocosmos/microcosmos permite obtener resultados muy fiables de bajo coste económico aunque sean a una escala menor. Esta estrategia es valorada por la "Guide to best practices for ocean acidification research and data reporting of the European Commission" (Riebesell, U , Fabry, Y.J., Hansson, L., Gattuso, J.-P., (2010) Guide to Best Practices in Ocean Acidification Research and Data Reporting, Report of intemational research workshop on best practices for ocean acidification research (19-21 November 2008 in Kiel, Germany). doi: 10.2777/58454) donde a su vez indica buenos resultados utilizando un equipo de inyección de CO2. Hoy día, el grupo de Contaminación de Ecosistemas del Departamento de Química Física de la Facultad de Ciencias del Mar de Puerto Real (Cádiz) ha desarrollado un sistema que simula el escape de CO2 el cual utiliza macrofauna (mejillones, poliquetos, larvas de peces, almejas, anfipodos , rnicroalgas, cangrejos, etc) como herramienta para evaluar a toxicidad del dióxido de carbono y posibles riesgos asociados a la movilidad de metales (patente Concedida, Ref: ES2438090) utilizando mesocosmos/microcosmos. Sin embargo, hasta ahora no se había desarrollado una nueva estrategia donde los microrganismos del sedimento sirvieran como herramienta de evaluación y/o monitoring una vez implantada la técnica de CCS.
A diferencia del uso de macro fauna, los cambios en las comunidades de los microrganismos ante un episodio de escape de CO2 se hacen de manera más rápida debido a sus características genéticas y adaptativas, por 10 que permite obtener de manera rápida resultados fidedignos que resulten de bajo coste económico y que permite realizar una evaluación precisa.
Por tanto, en base a la patente con Ref (ES2438090), para poder llevar a cabo ensayos de toxicidad con microrganismos se han introducido novedades tales como una cámara aislante con climatizador que permite, no sólo que mantenga la temperatura constante deseada, si no poder garantizar condiciones de esterilidad con fácil acceso para la recogida diaria de muestras. También se han incorporado filtros de 0.2 ~m de poro en cada salida de los dos tuberías provenientes de los manómetros que direcciona el gas hacia los acuarios. Esto minimiza aún más los posibles errores en los datos finales provocados por polvo, otros microorganismos
o agentes externos retenidos en el tubo que transporta el CO2 desde la botella hasta los acuarios. El 80% del material del equipo se puede esterilizar en autoclave o en estufa a 80°C durante el tiempo necesario. También se ha incorporado válvulas FBS en cada inyector hacia al acuario que actúan como regulador de flujo de CO2 y así poder manipular mejor el burbujeo en los acuarios ya que en función del objetivo se usarán volúmenes muy pequeños y así se evitan turbulencias excesivas que afecten a los resultados finales por rotura de células etc. Además, se ha incorporado agitadores con termostato para que las células bacterianas o microalgas que necesiten luz reciban la misma cantidad. A diferencia del otro equipo para ensayos con microalgas la agitación debe ser de manera manual pudiendo no llegar la luz a todas las células del cultivo, pudiendo ser éste un factor limitante en el crecimiento, y por tanto afectando a los resultados finales. El termostato asociado al agitador podrá ser utilizado en caso de que se pretenda mantener una temperatura dentro del acuario distinta a la de la cámara. Por otro lado, se han incorporado válvulas anti retomo para que no interfiera agua de los cultivos en el sistema de inyección por capilaridad y pueda afectar o estropear las válvulas solenoides. Y por último, se ha añadido un temporizador en la cámara que simule ciclos de día-noche para estudiar las variaciones solares.
En definitiva, la estrategia de integrar el sistema de CO2 en la cámara climatizada de ambiente aséptico posee una vérsatibilidad en su uso que, no sólo permitiría realizar ensayos microbiológicos relacionados con fugas de CO2, si no también experimentos asociados a los riesgos de acidificación oceánica en la columna de agua debido a intercambios atmósfera-océano de dioxido de carbono. Inlcuso las características de la cámara permite la realización de ensayos de toxicidad con microorganismos de carácter general ya que la cámara está caracterizada por una zona de trabajo bajo ambiente esteril.
DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DE LAS FIGURAS
La figura 1 corresponde con las dimensiones 350X150x240 cm y vista desde un lateral. Comprende con los siguientes elementos:
- 1.
- Botellas de C02
- 2.
- Puerta de acceso a la cámara con cristalera y llave
- 3.
- Ventanal
- 4.
- Cableado del climatizador hacia el interior de la cámara
- 5.
- Central semiautomática de suministro de COz
- 6.
- Ubicación del climatizador dentro de la cámara
- 7.
- Botella de gas para el mechero bunsen. Podría estar ubicada interior de la cámara.
La figura 2 corresponde con la cámara vista desde fuera donde se pueden ver los siguientes elementos:
y en la figura 3 quedan representados todos los elementos dentro de la cámara climatizada:
- 8.
- Ordenador con software instalado donde se controla el pH deseado.
- 9.
- Baño tennostatizado-agitador.
- 10.
- Sensor de escape de CO2 en caso de que haya un escape excesivo.
- 11.
- Válvulas solenoides
- 12.
- Mesa de tratamiento de muestras provista con mechero bunsen.
- 13.
- Erlenrneyer con función de acuario.
- 14.
- Regleta alargadera de enchufes y conexiones USB donde van conectados los sensores de pH y válvulas solenoides.
- 15.
- Sensores de pH.
- 16.
- Controlador electrónico de pH. Conecta el ordenador con el eqwpo de inyección.
- 17.
- Emisor de la luz fluorescente con posibilidad de regulación para simulación de ciclos dia-noche.
- 18.
- Tubería que distribuye el gas puro.
- 19.
- Tubos de silicona que sirven de inyectores de CO2 en los acuarios. Autoclavables.
- 20.
- Válvulas FBS reguladoras de flujo de CO2.
- 21.
- Armarios con puertas donde guardar reactivos y mantener todo el material limpio y estéril sin necesidad de salir de la cámara.
- 22.
- Manómetros que regulan la presión de salida del CO2. A la salida de cada manómetro están ubicados los filtros
El tamaño de la invención puede venir condicionado por las características del lugar donde lo queramos ubicar, por la cantidad de acuarios y tratamientos que queramos testar. (Figura 1, 2 Y 3). Este sistema de inyección está controlado por un software conectado a un ordenador (Figura 3, 8), el cual controla la adicción del gas. El equipo consta de sensores de pH (figura 3, 15) y válvulas solenoides (figura 3, 11) independientes para cada acuario conectadas al software (figura 3, 16). Los rangos ácidos pueden ir desde valores de 8 hasta valores de 5.0 simulando los escenarios más extremos posibles. Con la ayuda del software, se inyectará C02 o no, por medio de la apertura o cierre de dichas válvulas solenoides. Por medio de las válvulas FBS (Figura 3, 20) el flujo podrá ser regulado en función de las necesidades de burbujeo. Cuando los sensores de pH detecten un pH más alto del elegido en el software se dará la orden al equipo para que de manera automática se abran las válvulas solenoides y deje pasar el gas. Este tipo de ensayos se realizan con el uso de cultivos cerrados que otorga mayor independencia al técnico y/o investigador responsable del experimento pudiendo dedicarse de manera completa a la recogida diaria y tratamiento de datos, ya que no necesita control nutricional una vez planteado el ensayo. Además, para estudios a nivel de población, trabajar con cultivos cerrados consigue de manera natural alcanzar la fase exponencial del crecimiento, pudiendo así obtener datos como la velocidad de crecimiento (11), nO máximo de células, concentración de exopolisacáridos disueltos, el ratio de inhibición (RIC02) derivado por la exposición de C02 y la proporción de población inhibida, que con equipos de otras características donde se utilizan cultivos semicontinuos no se conseguirían. El tamaño de los acuarios vendrá detenninado por nuestro objetivo y del volumen de muestra que tengamos que analizar.
En función de los objetivos que nos planteemos se podrán utilizar dos rutas de exposición diferentes:
51 . Inyección de COLen agua de mar: el CO2 puro será inyectado directamente en el agua que se desea analizar con el objetivo de evaluar el efecto directo de los cambios de pH provocados por los escapes de C02 tanto a nivel población, comunidades y lo simbiosis entre microorganismos. Esta ruta no sólo serviría para evaluación de riesgos en fugas de C02 si no que se podría utilizar para efectos de
10 acidificación oceánica en la columna de agua. Ejemplo 1: evaluación de efectos en las comunidades de microrganismos de la columna de agua debido a cambios de pH por intercambio de COl atmósf eraocéano. En este tipo de ensayos se evalúa la respuesta del conjunto de microorganismos
15 propios de la muestra de la columna de agua. Para simular diferentes condiciones, el baño termostatizado se programa para imitar temperaturas del océano (dentro del acuario) y el climatizador de la cámara se programa para obtener escenarios de temperatura de la atmosfera (temperatura dentro de la cámara). Esta estrategia de cambios de temperaturas permite simular tantos
20 escenarios de cambio climático como se deseen. El agitador asociado al baño con el termostato permite movimiento de la masa de agua para evitar sedimentación de las células e imitar el movimiento que pueda existir en la columna de agua debido a las mareas y oleaje. La integración del equipo con la cámara, además, permite el procesado de muestras casi en el momento de coger la muestra de agua
25 evitando así contaminaciones ylo cambios bruscos de temperatura. La comunidad de la columna de agua se estudiará con técnicas de identificación de grupos de especies lo que aportará información de cómo cambia la comunidad en función de los distintos tratamientos de pH, junto con datos fisico-químicos relevantes. Los resultados se comparan con aquellos acuarios que no han tenido inyección de
30 C02.
Ejemplo 2: evaluación de respuestas de una determinada población de microrganismos ya sean bacterias, virus o microa/gas debido a cambios de pH por intercambio de CO2 atmósfera-océano y/o fugas de CO2
En este caso, se estudia los efectos en una población determinada ya sea característica del sedimento (para estudios de fugas de CO2) o de la columna de agua (intercambio atrnósfera-océano). Una vez que se elige la población que se quiere estudiar (por ejemplo: una especie en concreto típica del sedimento, o una especie típica de la columna de agua), se inocula una concentración celular conocida en agua o medio de cultivo filtrada por un poro de 0.2 !lm y auto clavada para evitar cualquier contaminación y se someten a los distintas concentraciones de CO2 que se deseen testar. En este tipo de ensayo se obtendrán resultados sobre periodos de aclimatación, ratios de crecimiento, efectos inhibitorios de C02, número máximo de células, etc, que aportarán información de cómo una población de una especie en concreto se ve afectada por distintas concentraciones de CO2. Los resultados también se comparan con los obtenidos en los acuarios donde no haya inyección de CO2. Inyección de COz a través de sedimento: se utilizará cuando el objetivo sea estudiar de manera integrada el efecto que podría existir en la comunidad microbiológica (bacterias, virus y microalgas bentónicas) cuando el sedimento en cuestión esté bajo análisis y existe una acidificación de éste debido al escape de CO2. Ejemplo: los tubos de silicona estériles con pequefias aperturas se colocan en forma de espiral en el suelo del acuario, se colocará el sedimento bajo estudio encima una vez tamizado y después agua de mar limpia y estéril para que ésta no interfiera con la propia comunidad autóctona del sedimento. Una vez que los acuarios estén preparados y colocados, se someterán a las distintas concentraciones de CO2 que se quieran estudiar. La comunidad del sedimento se estudiará con técnicas de identificación de grupos de especies que junto con datos fisico-químicos (flujos de nutrientes, alcalinidades, etc.) aportará información de cómo cambia la comunidad en función de los distintos tratamientos de pH comparando los resultados de aquellos acuarios que no han sido inyectados con CO2. Datos fisico-químicos (flujos de nutrientes, contaminantes, materia orgánica,
etc.) servirán de apoyo para una evaluación completa de los resultados.
5 Los datos resultantes a partir de esta invención serán susceptibles de aplicación en la toma de decisiones de las instituciones legales que trabajan en el marco del cambio climático y su mitigación conociendo de manera fiable los efectos potenciales que podrían suceder a corto-medio debido a un escape de C02 utilizando los microorganismos del bentos como herramienta de evaluación con
10 resultados rápidos y fiables. En caso de una implantación de la técnica de inyección en estructuras geológicamente estables en el subsuelo marino, esta invención permitirá un control o monitoring usando las comunidades de microorganismos del bentos como herramienta para diagnosticar posibles fugas de C02
Claims (4)
- REIVINDICACIONES1. Adición a la patente ES2438090, "Sistema de inyección de CO2 para estudios ecotoxicológicos", adaptación para su empleo con microorganismos, que además de los componentes básicos del sistema comprende:
- -
- Una cámara aislante con climatizador que permite, no sólo que mantenga la temperatura constante deseada, si no poder garantizar condiciones de esterilidad con fácil acceso para la recogida diaria de muestras.
- -
- Filtros de 0.2 !lm de poro en cada salida de las dos tuberías provenientes de los manómetros que direcciona el gas hacia los acuarios.
- -
- Válvulas FBS en cada inyector hacia al acuario, que actúan como regulador de flujo de CO2, para mejorar el burbujeo en los acuarios.
- -
- Agitadores con termostato para que las células bacterianas o microalgas que necesiten luz reciban la misma cantidad y poder establecer una temperatura dentro del acuario distinta a la de la cámara.
- -
- Válvulas anti retomo para que el agua de los cultivos no interfiera en el sistema de inyección por capilaridad y pueda afectar o estropear las válvulas solenoides.
- -
- Un temporizador en la cámara que simule ciclos de día-noche para estudiar las variaciones solares.
-
- 2.
- Uso del sistema, según reivindicación 1, en experimentos asociados a los riesgos de posibles escapes de CO2 derivados de las técnicas ces.
-
- 3.
- Uso del sistema, según reivindicación 1, en experimentos asociados a los riesgos de acidificación oceánica en la columna de agua debido a intercambios atmósfera-océano de dióxido de carbono.
-
- 4.
- Uso del sistema, según reivindicación 1, de ensayos de toxicidad con microorganismos de carácter general, ya que la cámara proporciona una zona de trabajo bajo ambiente estéril.
Fig.1Fig.2Fig.3
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