Contaminants de preocupació emergent en aigües naturals i la seva eliminació en sistemes basats en la natura per a la regeneració d'aigües residuals

Abstract

[cat] L’increment de les activitats humanes i el desenvolupament industrial i agrícola han provocat la presència generalitzada de contaminants en els ecosistemes aquàtics. Entre aquests, determinats contaminants susciten gran preocupació per la seva toxicitat, persistència, bioacumulació i biomagnificació, i mobilitat en el medi ambient. Aquests contaminants de preocupació emergent (CECs) inclouen fàrmacs, productes de cura personal, certs plaguicides i additius industrials, entre d’altres. Els seus efectes tòxics es manifesten inclús a nivells traça, fet que requereix l’ús de metodologies analítiques molt sensibles i selectives per a la seva detecció. Les estacions depuradores d’aigües residuals convencionals (EDARs) no eliminen completament els CECs, i l’ús d’aigua regenerada o de fangs de depuradora pot contribuir a la seva dispersió en el medi ambient. La gestió d’aquests compostos és especialment rellevant en el context de creixent escassetat hídrica, clau per garantir un ús segur i sostenible dels recursos disponibles. Aquesta Tesi doctoral estudia la problemàtica dels CECs en ecosistemes aquàtics, abordant la seva presència, distribució, destí i eliminació mitjançant tecnologies basades en la natura. Els CECs arriben al medi a través de múltiples vies i que, per les seves propietats representen un risc creixent per a la salut i el medi ambient. En primer lloc, es van desenvolupar i optimitzar metodologies analítiques sensibles i selectives aplicables a diferents matrius ambientals (aigües superficials i subterrànies, materials de barrera natural, sorres i biofilms). Aquests mètodes van permetre la detecció i quantificació simultània de 76 compostos, aportant eines robustes transferibles a estudis comparatius i programes de vigilància ambiental. Els estudis en ecosistemes marins, revelen la presència generalitzada de filtres UV (UVFs) en regions costaneres de la Península Ibèrica, amb diferències geogràfiques i estacionals significatives. Les concentracions més elevades de CECs es van observar en zones d’ús recreatiu intensiu. L’estudi durant el confinament de la COVID-19 (2020) a dos Parcs Nacionals dels Estats Units va evidenciar una reducció notable dels UVFs, posant de manifest la correlació directa entre activitat humana i contaminació marina. En aigües subterrànies volcàniques de les Illes Canàries, la Tesi aporta els primers perfils de concentració de CECs detallats, identificant nivells més alts en estrats profunds respecte als nivells superficials. També es van detectar diferències marcades entre les illes de El Hierro i La Palma, atribuïbles a la pressió antròpica i a les diferències hidrogeològiques de cada illa. Aquests resultats posen de manifest la vulne-abilitat dels aqüífers insulars i la necessitat d’incloure els CECs en els programes de vigilància ambiental i en les estratègies de gestió de recursos hídrics. Finalment, s’ha estudiat l’eficiència de sistemes de tractament basats en la natura, en particular el tractament sòl-aqüífer (SAT) amb barreres reactives de materials naturals (estelles de fusta, compost, sorra, argila) per l’eliminació de contaminants. Els experiments al sistema pilot SAT construït van mostrar que l’eficiència d’eliminació depèn de la combinació entre el règim hidràulic, la composició de la barrera reactiva i la maduració del sistema. Es va evidenciar el paper clau del biofilm, que actua alhora com a bioacumulador i biodegradador, afavorint la transformació dels CECs, en particular dels UVFs i dels seus productes de degradació. En el seu conjunt, aquesta Tesi proporciona una visió integrada sobre la presència i el destí dels CECs en ambients marins i aqüífers, i evidencia el potencial dels sistemes basats en la natura per millorar la qualitat de l’aigua regenerada. Aquestes aportacions ofereixen un marc metodològic i empíric sòlid per avançar en la reutilització segura i sostenible de l’aigua residual tractada, especialment en agricultura, i en la protecció dels ecosistemes aquàtics en un context de canvi climàtic i pressió antropogènica creixent.

[eng] The increase in human activities and industrial and agricultural development has led to the widespread presence of pollutants in aquatic ecosystems. Among these, certain contaminants raise great concern due to their toxicity, persistence, bioaccumulation and biomagnification, and mobility in the environment. These contaminants of emerging concern (CECs) include pharmaceuticals, personal care products, certain pesticides, and industrial additives, among others. Their toxic effects can manifest even at trace levels, which requires the use of highly sensitive and selective analytical methodologies for their detection. Conventional wastewater treatment plants (WWTPs) do not completely remove CECs, and the use of reclaimed water or sewage sludge can contribute to their dispersion into the environment. The management of these compounds is particularly relevant in the context of increasing water scarcity, which is key to ensuring the safe and sustainable use of available resources. This doctoral thesis addresses the issue of CECs in aquatic ecosystems, focusing on their presence, distribution, fate, and removal through nature-based technologies. CECs enter the environment through multiple pathways and, due to their properties, represent a growing risk to both health and the environment. First, sensitive and selective analytical methodologies were developed and optimized for application to different environmental matrices (surface and groundwater, natural barrier materials, sands, and bio-films). These methods enabled the simultaneous detection and quantification of 76 compounds, providing robust tools transferable to comparative studies and environmental monitoring programs. Studies in marine ecosystems revealed the widespread presence of UV filters (UVFs) in coastal regions of the Iberian Peninsula, with significant geographical and seasonal differences. The highest concentrations of CECs were observed in areas of intensive recreational use. Research conducted during the CO-VID-19 lockdown (2020) in two U.S. National Parks showed a notable reduction in UVFs, highlighting the direct correlation between human activity and marine pollution. In volcanic groundwater from the Canary Islands, this thesis provides the first detailed concentration profiles of CECs, identifying higher levels in deep strata compared to surface levels. Marked differences were also detected between the islands of El Hierro and La Palma, attributable to anthropogenic pressure and the hydrogeological differences of each island. These findings underscore the vulnerability of insular aquifers and the need to include CECs in environmental monitoring programs and water resource mana-gement strategies. Finally, the efficiency of nature-based treatment systems was studied, particularly soil-aquifer treat-ment (SAT) with reactive barriers of natural materials (wood chips, compost, sand, clay) for contaminant removal. Experiments conducted in a constructed SAT pilot system showed that removal efficiency de-pends on the combination of hydraulic regime, reactive barrier composition, and system maturation. The key role of biofilm was demonstrated, acting both as a bioaccumulator and a biodegrader, favoring the transformation of CECs, especially UVFs and their degradation products. Overall, this thesis provides an integrated view of the presence and fate of CECs in marine and aquifer environments and demonstrates the potential of nature-based systems to improve the quality of reclaimed water. These contributions offer a solid methodological and empirical framework to advance the safe and sustainable reuse of treated wastewater, particularly in agriculture, and to protect aquatic ecosystems in a context of climate change and increasing anthropogenic pressure.