ES2618843B2 - Mejoras en sistema de inyección de CO2 para estudios ecotoxicológicos, adaptación para su empleo con microorganismos - Google Patents

Abstract

Adición a la patente ES2438090, "Sistema de inyección de CO{sub,2} 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 CO{sub,2} 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 CO{sub,2} introduciendo material autoclavables y filtros, como el uso de calzado y bata específicos para trabajar dentro.

Description

ADICiÓN A LA PATENTE ES2438090, "SISTEMA DE INYECCIÓN DE CO, PARA ESTUDIOS ECOTOXICOLÓGICOS", ADAPTACiÓN PARA SU EMPLEO CON MICROORGANISMOS.

SECTOR DE LA TÉCNICA

Realización de 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 ces (Carbon Capture and Storage) para su posterior evaluación de riesgos ambientales asociados a esta metodología y seguimiento de la implantación de la técnica.

GENERALIDADES

Las actividades de origen antropogénico, especialmente las derivadas de la utilización de combustibles fósiles, están provocando que la concentración de COz en la atmósfera se incremente significativamente, contribuyendo al cambio climático del planeta, y, consecuentemente, al calentamiento del mismo. Estas emisiones de gas invernadero provocan de manera directa o indirecta, efectos negativos en el medio ambiente; y en algunos casos impactos sin precedentes (Bruant, R., Guswa, A., Celia, M, Pelers, c., (2002) Sale storage olC01 in deep saline aquifers. Environ Sci Technol, 36, JI, 240-245A). Por tanto, existe la urgente necesidad de reducir las emisiones de gas invernadero para mitigar el cambio climático y, en consecuencia, preservar la salud de nuestro planeta y sus recursos naturales. Este hecho ha influido en la toma de decisiones relacionadas con las estrategias globales de la reducción de gases invernadero a nivel planetario. La estabilización y reducción de emisiones de CO2 va acompañada de una gran visión socioeconómica donde el objetivo común es la optimización del uso y del desarrollo de nuevas energías libres de emisiones de gases invernadero; y que de manera paralela el conjunto de la sociedad no vea afectado su estado de bienestar. En definitiva, las estrategias adoptadas deberán estar combinadas de

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 C02 en formaciones geológicas estables subterráneas (CeS), 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 o[ Working Group 1 fo (he Fifth Assessment Report 01 Ihe Intergovernmental Panel on Clima/e Change. In/ergov. Panel Clim. Chango Work. Gr. I Con/ribo /0 IPCC Fifih Assess. Rep. (AR5)(Cambridge Univ Press. New Yorl9 1535; DOE, (2010), DOElNETL Advanced Carbon Dioxide Capture R&D Program: Technology

Updale. US DOE, 257, Rubin E., (2010), The ou/look for advanced CCS /echnology. CAPD Energy Syslems Iniliative 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 Direcci6n 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 Estado para recursos de la sección Bj, estructuras subterráneas susceptibles de ser un efectivo almacenamiento de dióxido de carbono en diversas áreas (10 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 cientitica 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., Faay', A., & Turkenburg, w: (2006).

Health, safety and environmental risks o[ underground C01 storage-overview o[

mechanisms and currenl knowledge. Climalic Change. 74(1-3),289-318). Uno de

los riesgos asociados a esta nueva técnica es el posible escape de C02 desde la

zona de almacenaje. El 80% de las localizaciones de ces están ubicadas en plataformas marinas. Y en caso de fuga provocaría una reducción del pH asociado al awnento de la concentración de COz. 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.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La evaluación de riesgos asociados a la toxicidad del COz 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 microcosmoslmesocosmos bajo condiciones controladas de laboratorio o in situ. Trabajar in situ requiere mucho tiempo de preparación de material, a1tos 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, V.J., Hansson, L., Gattuso, J.-P., (2010) Guide lO Besl 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:IO.2777/58454) donde a su vez indica buenos resultados utilizando un equipo de inyección de C02. 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 C02 el cual utiliza macrofauna (mejillones, poliquetos, larvas de peces, almejas, anfipodos, microalgas. 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 mesocosmoslmicrocosmos. 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 ces.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

A diferencia del uso de macro fauna. los cambios en las comunidades de los microrgarusmos ante un episodio de escape de COl se hacen de manera más rápida debido a sus características genéticas y adaptativas, por lo que pennite 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 corno una cámara aislante con climatizador que pennite, 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 C02 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 aotí 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. lnlcuso 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 esteri!.

DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DE LAS FIGURAS

La figura 1 corresponde con las dimensiones 350X150x240 cm y vista desde un lateml. Comprende con los siguientes elementos:

1.

Botellas de CO,

2.

Puerta de acceso a la cámara con aistalera y llave

3.

Ventanal

4.

Cableado del climatizador hacia el interior de la cámara

5.

Central semiautomática de suministro de Ca,

6.

Ubicación del c1imatizador 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 J quedan representados todos los elementos dentro de la cámara climatizada:

8.

Ordenador con software instalado donde se controla el pH deseado.

9.

Safio termostatizado-agitador.

10.

Sensor de escape de C02 en caso de que haya un escape excesivo.

11.

Válvulas solenoides

12.

Mesa de tratamiento de muestras provista con mechero bunsen.

13.

Erlenmeyer 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 equipo de inyección.

17.

Emisor de la luz fluorescente con posibilidad de regulación para simulación de ciclos día-noche.

18.

Tubería que distribuye el gas puro.

19.

Tubos de silicona que sirven de inyectores de COz en los acuarios. Autoclavables.

20.

Válvulas FBS reguladoras de flujo de CO,.

2 1. Annarios 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 CO,. A la salida de cada manómetro están ubicados Jos filtros

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

El tamaño de la invención puede venir condicionado por las características de) 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 (Jl), nO máximo de células, concentración de exopolisacáridos disueltos, el ratio de inhibición (RIc02) derivado por la exposición de CO, 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 determinado 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 CO? en 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 CO2 tanto a nivel población. comunidades y /0 simbiosis entre microorganismos. Esta ruta no sólo serviría para evaluación de riesgos en fugas de CO2 si no que se podría utilizar para efectos de

10 acidificación oceánica en la columna de agua. Ejemplo 1: evaluación de efeclos en las comunidades de microrganismos de la columna de agua debido a cambios de pH por intercambio de COl atmósferaocéano. 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 chmatizador de la cámara se programa para obtener escenarios de temperatura de la atmosfera (temperatura dentro de la cámara). Esta estrategia de cambios de temperaturas pennite 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 y/o cambios bruscos de tem¡xratura. 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 CO,.

Ejemplo 2: evaluación de respuestas de una determinada población de microrganismos ya sean bacterias, virus o mieroa/gas debido a cambios de pH por intercambio de COl atmósfera-océano y/o fugas de C02

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 atmósfera-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 ~m y autoc1avada 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 infonnación 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 CO, 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 CO,. Ejemplo: los tubos de silicona estériles con pequeBas aperturas se colocan en fonna 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 C02 que se quieran estudiar. La comunidad del sedimento se estudiará con técnicas de identificación de grupos de especies que j unto con datos fisico-químicos (flujos de nutrientes, alcalinidades, etc.) aportará infonnación 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.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

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 Jos 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 moniloring usando las comunidades de microorganismos del bentos como herramienta para diagnosticar posibles fugas de CO,

Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

   1. Adición a la patente ES2438090. «Sistema de inyección de C02 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 s610 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 ~m de poro en cada salida de las dos tuberías provenientes de los manómetros que direcciona el gas hacia Jos acuarios.

   -

   Válvulas FBS en cada inyector hacia al acuario, que actúan como regulador de flujo de CO2• para mejorar el burbujeo en los acuarios.

   o

   Agitadores con termostato para que las células bacterianas o microalgas que necesiten luz reciban la misma cantidad y poder establecer Wla temperatura dentro del acuario distinta a la de la cámara.

   -

   Válvulas anti retorno 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. 2.

   Uso del sistema, según reivindicación 1, en experimentos asociados a los riesgos de posibles escapes de CO2 derivados de las técnicas ces.

3. 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. 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.