Determinación, Distribución y Biodegradación de Contaminantes Emergentes en Ambientes Sedimentarios

Abstract

La presente Tesis Doctoral busca proporcionar una evaluación preliminar de la reactividad de diferentes grupos de contaminantes orgánicos emergentes en sedimentos afectados por descargas de aguas residuales. Es de esperar un alto impacto científicotécnico, pues el estudio de la persistencia de nuevos contaminantes orgánicos en ambientes anaeróbicos tales como los sedimentos son aún muy escasos, resultando en un amplio desconocimiento acerca de las tasas de biodegradación. Los sedimentos actúan como sumideros finales para muchas sustancias orgánicas de síntesis, cuyo vertido ha aumentado de forma constante desde la década de 1960, impulsado por la producción de nuevos productos químicos en busca de una mejor calidad de vida. Sin embargo, la presencia de estos contaminantes, en su mayoría no regulados por la normativa vigente, suele ser ignorada en las campañas de seguimiento nacionales y europeas. Aunque estos compuestos se pueden presentar a menudo en bajas concentraciones en el medio ambiente, la exposición a los mismos de forma crónica puede ocasionar efectos negativos en los organismos vivos. En este estudio, se analizan más de 100 compuestos orgánicos, tanto regulados como emergentes, que incluyen hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs), químicos inustriales (INDs), productos de cuidado personal (PCPs) (por ejemplo, filtros UV o fragancias), pesticidas (PESTs), desinfectantes e incluso algunos compuestos relacionados con la disrupción endocrina. En primer lugar, se desarrolló un método para la extracción simultánea de estos compuestos en muestras de sedimento, seguido del análisis mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas de alta resolución (GC-HRMS). Las muestras se recogieron de diversos sistemas costeros, como la región de Atacama (Chile), la Bahía de la Herradura (Granada) además de los estuarios del río Guadalquivir (desde Cádiz hasta Sevilla), del río Guadalete y del río Barbate junto al caño mareal Río San Pedro (estos tres últimos en la provincia de Cádiz). La persistencia de estos compuestos en el medio ambiente es un factor clave en el impacto ecológico. Algunos permanecen largos periodos en los sedimentos debido a su resistencia a la degradación, mientras que otros, aunque menos persistentes, se detectan de forma continua por su liberación constante. Estos contaminantes pueden degradarse por procesos abióticos y/o bióticos, a través de la actividad microbiana, aunque la eficacia de estos mecanismos depende de múltiples factores ambientales y químicos. Hasta la fecha, la investigación se ha centrado principalmente en cuerpos de agua, dejando los sedimentos como un compartimento menos estudiado, pese a su relevancia como reservorio y zona activa de transformación. En este estudio se propone el uso de técnicas analíticas avanzadas, como la espectrometría de masas de alta resolución en modo dirigido y no dirigido, para identificar con mayor precisión compuestos emergentes y evaluar su persistencia y degradación en sedimentos costeros.

This doctoral thesis aims to provide a preliminary assessment of the reactivity of various groups of emerging organic contaminants in sediments impacted by wastewater discharges. A significant scientific and technical impact is expected, as studies on the persistence of emerging organic pollutants in anaerobic environments such as sediments remain scarce. This has led to a limited understanding of biodegradation rates, mainly due to the challenges associated with characterizing prokaryotic communities. Sediments act as ultimate sinks for many synthetic organic substances, whose discharge has steadily increased since the 1960s, driven by the production of new chemical compounds aimed at improving quality of life. However, the presence of these contaminants—most of which are not regulated under current legislation—is often overlooked in national and European monitoring programs. Although these compounds are frequently found at low concentrations in the environment, chronic exposure can lead to adverse effects on living organisms. In this study, over 100 organic compounds are analyzed, including both regulated and emerging substances such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), industrial chemicals (INDs), personal care products (PCPs) (e.g., UV filters and fragrances), pesticides (PESTs), insecticides, disinfectants, and compounds associated with endocrine disruption. Firstly, a method was developed for the simultaneous extraction of these compounds from sediment samples, followed by analysis using high-resolution gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC-HRMS). Samples were collected from various coastal systems, including the Atacama region (Chile), the Bay of La Herradura (Granada), and the estuaries of the Guadalquivir River (from Cádiz to Seville), the Guadalete River, and the Barbate River, along with the tidal channel Río San Pedro (the latter three located in the province of Cádiz). The persistence of these compounds in the environment is a key factor in their ecological impact. Some remain in sediments for extended periods due to their resistance to degradation, while others, though less persistent, are continuously detected due to ongoing release. These contaminants may undergo degradation through abiotic and/or biotic processes, including microbial activity, although the efficiency of these mechanisms varies depending on environmental conditions and chemical properties. To date, research has primarily focused on water bodies, leaving sediments as a less explored compartment despite their crucial role as reservoirs and active zones for contaminant transformation. This study proposes the use of advanced analytical techniques, such as targeted and non-targeted high-resolution mass spectrometry, to identify emerging compounds with greater precision and to evaluate their persistence and degradation in coastal sediments.