Desarrollo de métodos analíticos para la determinación de metabolitos de contaminantes emergentes en aguas residuales y lodos de depuradora. Aplicaciones de interés medioambiental

Abstract

La presencia y distribución de contaminantes emergentes en compartimentos ambientales ha sido abordada intensamente en la literatura científica de los últimos años. Los avances en las técnicas y métodos analíticos empleados, el conocimiento de los rangos de concentración de algunos compuestos en determinados escenarios y sus potenciales efectos ecotoxicológicos, entre otros, han sido objeto de un interesante debate científico que ha trascendido a otros ámbitos como el de la legislación ambiental. La mayoría de estos estudios se han centrado en los compuestos tal y como son utilizados en el ámbito doméstico, industrial o agropecuario, pero aún siguen siendo muy escasos los dedicados a los productos de degradación o metabolitos (“los emergentes de los emergentes”) en los que los compuestos originales en sus diferentes vías de introducción en el medio ambiente son transformados. De acuerdo con estos antecedentes, el objetivo global planteado en la presente tesis doctoral ha sido doble. Por un lado, el desarrollo de nuevos métodos analíticos, fiables y accesibles, para la determinación conjunta de contaminantes emergentes y metabolitos representativos en diferentes matrices ambientales atendiendo a las carencias advertidas en la literatura científica. Por otro lado, la aplicación de esos métodos, optimizados y validados, en la resolución de casos específicos de interés medioambiental. La tesis se ha estructurado en 5 capítulos. El capítulo 1, antecedentes, incluye una extensa revisión crítica del estado del arte sobre metabolitos de contaminantes emergentes en el medio ambiente. En él se abordan los mecanismos de metabolización de principios activos farmacéuticos y de productos de cuidado personal, las vías de entrada de estos compuestos y sus productos de degradación en el medio ambiente y los potenciales riesgos asociados, y las técnicas de tratamiento y determinación más empleadas en el análisis de estas sustancias en diferentes matrices, finalizando con un apartado sobre perspectivas futuras en este área de estudio. El capítulo 3 está formado por un compendio de 5 artículos científicos publicados, o en vías de publicación, en revistas de primer nivel internacional indexadas en el JCR (Journal Citation Reports). En estos trabajos se proponen nuevos métodos analíticos ad hoc para dar respuestas a las crecientes y recientes demandas, no sólo en el ámbito de la investigación, también en el de la legislación, en el campo de los contaminantes emergentes. Así, en el primer artículo se desarrolló un procedimiento para el análisis simultáneo de un conjunto de contaminantes emergentes propuestos para ser legislados en aguas superficiales, ante la ausencia de métodos de referencia o, en su defecto, lo suficientemente contrastados. Los artículos 2, 3 y 4, profundizan en los métodos y en las técnicas de preparación de diferentes tipos de matrices para la determinación conjunta de un grupo de compuestos representativos de principios activos farmacéuticos y productos de cuidado personal y sus productos de degradación (metabolitos, en este caso). Las propuestas se desarrollaron concretamente para muestras de aguas residuales urbanas y lodos de depuradora (principales fuentes de este tipo de contaminación) y para muestras de aguas superficiales, potables y suelos (principales primeros destinos de estos compuestos por las prácticas habituales de reutilización de aguas y lodos de depuración). Además de la optimización y validación pormenorizada de métodos completos, se realizó un análisis crítico de las propiedades analíticas principales y complementarias de diferentes técnicas para la extracción de los compuestos seleccionados en las matrices mencionadas. Por último, en el artículo 5 se aborda el desarrollo de un método aplicable a un eslabón más avanzado de la cadena de contaminación: la biota. Concretamente, se determinaron simultáneamente ibuprofeno y sus principales metabolitos en mejillones, también como antesala de unos primeros ensayos previstos de bioacumulación y toxicidad. El capítulo 4 está constituido por la reunión de 4 artículos científicos, asociado cada uno de ellos a una aplicación de interés medioambiental de los métodos anteriormente desarrollados. En el primer artículo de este capítulo (numerado como artículo 6), se realizó un seguimiento de los metabolitos y compuestos originales de principios activos farmacéuticos y productos de cuidado personal en las líneas de lodos de varias depuradoras de aguas residuales que empleaban distintas tecnologías. Ello permitió extraer información relevante acerca de la distribución de estos compuestos en relación con las fuentes y sobre su persistencia en el producto final de acuerdo con el tratamiento recibido. En el artículo 7 se estudió, mediante simulación en laboratorio de las condiciones reales, la dinámica de la carbamazepina y sus principales metabolitos en suelos que pueden contaminarse por estos compuestos a través del riego con aguas residuales depuradas o por la aplicación de lodos de depuradora como enmienda agrícola. Entre otros, se demostró la diferencia en los resultados de los ensayos de adsorción para los compuestos individuales y para el conjunto de los mismos, y la influencia de los distintos tipos de suelos ensayados en estos procesos. En el artículo 8 se evaluaron los procesos de degradación de todos los compuestos ya seleccionados en el primer artículo de este capítulo en tres suelos típicos mediterráneos, obteniéndose resultados muy interesantes acerca de la capacidad de adsorción de cada uno de los compuestos y de su persistencia o transformación; procesos todos dependientes de las propiedades físicoquímicas de las sustancias estudiadas y de las características de los suelos ensayados. Por último, en el artículo 9 se evaluó el comportamiento de arcillas modificadas como potencial tecnología de descontaminación para contaminantes emergentes en su formulación original y sus metabolitos; en concreto, se ensayó con la montmorillonita organofuncionalizada con octadecilamina como adsorbente de ibuprofeno y 3 de sus principales metabolitos. El capítulo 5 y último de la tesis recoge las principales conclusiones apuntadas de forma breve con anterioridad.

The presence and distribution of emerging pollutants in environmental compartments has been intensively addressed in the scientific literature of recent years. The advances in the techniques and analytical methods used, the knowledge of the concentration ranges of some compounds in certain scenarios and their potential ecotoxicological effects, among other related topics, have been the subject of an interesting scientific debate that has transcended to other areas such as environmental legislation. Most of these studies are mainly based on the compounds just as they are used in the domestic, industrial or agricultural environment, but there are still very few studies devoted to degradation products or metabolites (the compounds ¨emerging¨ from emerging compounds) into which the original compounds are transformed in their different introduction routes into the environment. In accordance with these precedents, the global objective proposed in this PhD thesis has been twofold. On the one hand, the development of new, reliable and accessible analytical methods for the joint determination of emerging pollutants and representative metabolites in different environmental matrices, considering the shortcomings noted in the scientific literature. On the other hand, the application of these methods, optimized and validated, in the resolution of specific cases of environmental interest. The thesis has been structured in 5 chapters. Chapter 1, background, includes an extensive critical examination of the state-of-art in metabolites of emerging pollutants in the environment. It addresses the mechanisms of metabolization in pharmaceuticals and personal care products; the entry routes of these compounds and their degradation products into the environment and the potential associated risks, and the most widely used treatment and classification techniques in the analysis of these substances in different matrices, ending with a section on future perspectives in this study area. Chapter 2 describes the main and objectives of the research, as well as the work plan followed to achieve them, including the compounds and matrices selected for the study. Chapter 3 consists of a compendium of five scientific articles which either have been published or are in the process of being published, in leading international journals indexed in the JCR (Journal Citation Reports). In these articles, new ad hoc analytical methods are proposed to respond to recent growing demands, not only in the research but also in the legislative field, regarding emerging pollutants. Thus, in the first article, a procedure was developed for the simultaneous analysis of a set of emerging pollutants proposed to be legislated in surface waters, in the absence of reference methods or, failing that, sufficiently contrasted. Articles 2, 3 and 4 deepen into the methods and techniques for preparing different types of matrices for the joint determination of a group of representative compounds of pharmaceuticals and personal care products and their degradation products (metabolites, in this case). The proposals were developed specifically for samples of urban wastewater and sewage sludge (the main sources of this type of pollution) and for samples of surface water, drinking water and soils (the primary destinations of these compounds due to the common practice of reusing water and sewage sludge). In addition to the optimization and detailed validation of complete methods, a critical analysis of the main and complementary analytical properties of different techniques was carried out for the extraction of the selected compounds in the mentioned matrices. Finally, article 5 addresses the development of a method applicable to a more advanced step in the pollution chain: biota. Specifically, ibuprofen and its main metabolites were simultaneously determined in mussels, also as a prelude to planned bioaccumulation and toxicity tests. Chapter 4 is based on four scientific articles, being each of those associated with an environmental application of the methods previously developed. In the first article of this chapter (numbered as article 6), the metabolites and original compounds of pharmaceuticals and personal care products in the sludge originated in different step from various wastewater treatment plants using different technologies were monitored. That allowed to extract relevant information about the distribution of these compounds in relation to the sources and their persistence in the final product according to the treatment received. In article 7, the dynamics of carbamazepine and its main metabolites in soils that can be contaminated by these compounds through irrigation with treated wastewater or by the application of sewage sludge as organic amendment was studied by means of real conditions simulated in laboratory tests. Among others, the difference in the results of the adsorption tests of each individual compound and of them as a collective, and the influence of the different types of soil tested in these processes was demonstrated. In article 8, the degradation processes of all the compounds chosen in the first article of this chapter were evaluated in three typical Mediterranean soils, obtaining very interesting results about the adsorption capacity of each compound and about their persistence or transformation; processes which are all dependent on the physical-chemical properties of the substances being studied and the characteristics of the soils tested. Finally, in article 9, the behaviour of modified clays as a potential decontamination technology for emerging pollutants in their original formulation and their metabolites was evaluated; Specifically, organofunctionalized montmorillonite with octadecylamine was tested as an adsorbent for ibuprofen and 3 of its main metabolites. Chapter 5, the last chapter of the thesis, contains the most critical and important conclusions which were briefly pointed out previously.