La mezcla compleja no resuelta ( UCM ), o joroba , es una característica que se observa con frecuencia en los datos de cromatografía de gases (GC) de petróleos crudos y extractos de organismos expuestos al petróleo. [1]
La razón de la aparición de la joroba del UCM es que la cromatografía de gases no puede resolver e identificar una parte significativa de los hidrocarburos en los petróleos crudos. Los componentes resueltos aparecen como picos mientras que el UCM aparece como un fondo/plataforma grande. En los petróleos no biodegradados , el UCM puede comprender menos del 50% del área total del cromatograma, mientras que en los petróleos biodegradados esta cifra puede ascender a más del 90%. Los UCM también se observan en ciertas fracciones refinadas como los aceites lubricantes [1] y las referencias allí citadas.
Una razón por la que es importante estudiar la naturaleza de los UCM es que se ha demostrado que algunos contienen componentes tóxicos, [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] pero solo una pequeña gama de tóxicos petrogénicos conocidos, como la lista de la USEPA de 16 hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), tienden a ser monitoreados rutinariamente en el medio ambiente.
El análisis de la fracción de hidrocarburos de los crudos mediante cromatografía de gases revela una mezcla compleja que contiene muchos miles de componentes individuales. [11] Los componentes que se resuelven mediante cromatografía de gases se han estudiado ampliamente, por ejemplo, [12] Sin embargo, a pesar de la aplicación de muchas técnicas analíticas, hasta hace muy poco tiempo los componentes restantes han resultado difíciles de separar debido a la gran cantidad de compuestos que coeluyen. Los cromatogramas de gases de los crudos maduros tienen picos de n-alcanos prominentes que distraen la atención de la mezcla compleja no resuelta (UCM) subyacente de hidrocarburos, a menudo denominada "joroba". Los procesos como la meteorización y la biodegradación dan como resultado un enriquecimiento relativo del componente UCM mediante la eliminación de los componentes resueltos y la creación de nuevos compuestos. [13] Se ha demostrado que tanto los componentes resueltos como los no resueltos de los crudos están sujetos a biodegradación concurrente, [1] es decir, no es un proceso secuencial, pero debido a la naturaleza recalcitrante de algunos componentes, las tasas de biodegradación de los compuestos individuales varían en gran medida. La fracción UCM a menudo representa el componente principal de los hidrocarburos dentro de los sedimentos contaminados con hidrocarburos [5] (ver referencia allí) y la biota, por ejemplo, [2] [3] [14] [15] Varios estudios han demostrado que la exposición acuosa a los componentes dentro de la UCM puede afectar la salud de los organismos marinos, [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] incluida una posible alteración hormonal, [9] y las altas concentraciones de UCM ambientales se han relacionado fuertemente con el deterioro de la salud en las poblaciones silvestres. [4] [7] [16] [17]
Los UCM ambientales son el resultado de hidrocarburos de petróleo altamente degradados y, una vez formados, pueden permanecer prácticamente sin cambios en los sedimentos durante muchos años. Por ejemplo, en 1969, un derrame de gasóleo contaminó los sedimentos de las marismas del río Wild Harbor (EE. UU.); en 1973, solo se observó una joroba de referencia, que permaneció prácticamente sin cambios en el sedimento anaeróbico durante los 30 años siguientes. [18] En un estudio sobre el potencial de degradación adicional del petróleo dominado por UCM, se concluyó que, incluso utilizando bacterias específicamente adaptadas a los hidrocarburos UCM complejos junto con el enriquecimiento de nutrientes, las tasas de biodegradación seguirían siendo relativamente lentas. [19] La degradación bacteriana de los hidrocarburos es compleja y dependerá de las condiciones ambientales (por ejemplo, aeróbicas o anaeróbicas, temperatura, disponibilidad de nutrientes, especies de bacterias disponibles, etc.).
Una herramienta analítica relativamente reciente que se ha utilizado para la separación de UCM es la cromatografía de gases bidimensional integral ( GCxGC ). Esta potente técnica, introducida por Liu y Phillips [20] combina dos columnas de GC con diferentes mecanismos de separación: normalmente una columna primaria que separa los compuestos en función de la volatilidad acoplada a una segunda columna corta que separa por polaridad. Las dos columnas están conectadas por un modulador, un dispositivo que atrapa, enfoca y reinyecta los picos que eluyen de la primera columna en la segunda columna. Cada pico que eluye de la primera columna (que puede ser una serie de picos coeluyentes) se separa aún más en la segunda columna. La segunda separación es rápida, lo que permite la introducción de fracciones posteriores de la primera columna sin interferencia mutua. Dallüge et al. [21] revisaron los principios, ventajas y características principales de esta técnica. Una de las principales ventajas es el altísimo poder de separación, lo que hace que la técnica sea ideal para desentrañar la composición de mezclas complejas. Otra característica importante de la GC×GC es que los compuestos químicamente relacionados se muestran como estructuras ordenadas dentro de los cromatogramas, es decir, los isómeros aparecen como grupos distintos en el cromatograma como resultado de su interacción similar con la fase de columna de segunda dimensión. [22] El uso de la GC×GC para la caracterización de mezclas petroquímicas complejas ha sido ampliamente revisado. [23] La mayoría de las investigaciones sobre hidrocarburos petroquímicos que utilizan la GC×GC han utilizado la detección por ionización de llama (FID), pero la espectrometría de masas (MS) es necesaria para obtener la información estructural necesaria para identificar compuestos desconocidos. Actualmente, solo la MS de tiempo de vuelo (ToF-MS) puede ofrecer las altas tasas de adquisición necesarias para analizar la GC×GC.
Hay evidencia convincente de que los componentes dentro de algunos UCM son tóxicos para los organismos marinos . La tasa de depuración (también conocida como alimento para la alimentación) de los mejillones se redujo en un 40% después de la exposición a un UCM monoaromático derivado de un petróleo crudo noruego. [10] La toxicidad de los componentes monoaromáticos del UCM se evidenció aún más mediante un elegante conjunto de experimentos que utilizaron trasplantes de mejillones limpios y contaminados. [3] Un análisis reciente por GC×GC-ToF-MS de UCM extraídos de los tejidos de mejillón ha demostrado que contienen una amplia gama de compuestos conocidos y desconocidos. [4] El análisis comparativo de UCM extraídos de mejillones que se sabe que poseen un Alcance de Crecimiento (SfG) alto, moderado y bajo, una medida de la capacidad de crecimiento y reproducción, [24] reveló que los alquilbencenos ramificados representaban la clase estructural más grande dentro del UCM de mejillones con bajo SfG; Además, los isómeros ramificados de alquiltetralinas , alquilindanos y alquilindenos fueron prominentes en los mejillones estresados. [4] Las pruebas de toxicidad de laboratorio utilizando compuestos disponibles comercialmente y especialmente sintetizados revelaron que tales estructuras alquiladas ramificadas fueron capaces de producir la mala salud observada en los mejillones. [4] [7] Los efectos reversibles observados en los mejillones después de la exposición a los hidrocarburos UCM identificados hasta la fecha son consistentes con el modo de acción de toxicidad de narcosis no específica (también conocido como línea base). [6] No hay evidencia de que los componentes tóxicos de UCM puedan biomagnificarse a través de la cadena alimentaria . Los cangrejos ( Carcinus maenas ) que fueron alimentados con una dieta de mejillones contaminados con concentraciones ambientalmente realistas de alquilbencenos ramificados, sufrieron alteraciones del comportamiento, pero solo una pequeña concentración de los compuestos se retuvo en el intestino medio de los cangrejos. [8] Se informó que el comportamiento y la alimentación de los cangrejos violinistas ( Uca pugnax ) se vieron afectados en sedimentos de pantanos aún contaminados con altas concentraciones de hidrocarburos UCM provenientes del derrame de petróleo de la barcaza de Florida en 1969 (ver arriba) . [25]
Gran parte de la investigación anterior sobre la composición y toxicidad de los hidrocarburos UCM ha sido realizada por el Grupo de Geoquímica del Petróleo y Medio Ambiente (PEGG) [26] en la Universidad de Plymouth, Reino Unido. Además del UCM de hidrocarburos, los aceites también contienen compuestos más polares, como los que contienen oxígeno, azufre o nitrógeno. Estos compuestos pueden ser muy solubles en agua y, por lo tanto, biodisponibles para los organismos marinos y acuáticos. Los UCM polares están presentes en las aguas producidas por las plataformas petrolíferas y el procesamiento de arenas petrolíferas . Se informó que una fracción de UCM polar extraída del agua producida por petróleo del Mar del Norte provocaba una alteración hormonal a través de la actividad agonista del receptor de estrógeno y agonista del receptor de andrógeno . [9] La preocupación actual con respecto a la posible toxicidad de los componentes dentro de los estanques de relaves de las Arenas Petrolíferas de Athabasca (Canadá) ha puesto de relieve la necesidad de identificar los compuestos presentes. Hasta hace poco, esta identificación positiva de los llamados ácidos nafténicos individuales de las aguas producidas por las arenas petrolíferas había eludido hasta ahora la caracterización, pero una investigación reciente de PEGG presentada en una conferencia SETAC en 2010 [27] reveló que, utilizando un nuevo GCxGC-TOF-MS, era posible resolver e identificar una gama de nuevos compuestos dentro de estos extractos altamente complejos. Un grupo de compuestos que se encontró presente fueron los ácidos diamantoides tricíclicos. [28] Estas estructuras ni siquiera se habían considerado anteriormente como ácidos nafténicos y sugieren un grado sin precedentes de biodegradación de parte del petróleo en las arenas petrolíferas.