Determinación de contaminantes orgánicos persistentes emergentes en el medio ambiente y evaluación de la exposición en humanos

Resumen

El interés por la presencia de contaminantes emergentes en los distintos compartimentos ambientales ha crecido exponencialmente en las últimas décadas. Estos contaminantes se definen como sustancias químicas que pueden haber estado presentes en el medio ambiente desde hace tiempo, pero solo han sido identificadas recientemente gracias al desarrollo de técnicas analíticas más sensibles. Por tanto, la mayor parte no se encuentran reguladas y sus efectos en el medio ambiente y la salud humana a gran escala son desconocidos (Mandaric et al., 2016). El destino final para la mayoría de los contaminantes emergentes es el agua o los ecosistemas acuáticos, a los que pueden llegar por distintas vías: eliminación de forma incorrecta, liberación a través de los sistemas de aguas residuales domésticos, mediante la agricultura y la industria o tras su paso por estaciones depuradoras de aguas residuales (WWTP, por sus siglas en inglés) que no los eliminan eficazmente (Campo et al., 2014). Las investigaciones sobre la incidencia y distribución de contaminantes emergentes en los ecosistemas acuáticos son recientes. La mayoría de estos estudios se basan en los de uso doméstico o agrícola, tales como fármacos (Carmona et al., 2014), drogas (Andrés-Costa et al., 2017) o insecticidas (Ccanccapa et al., 2016), dejando de lado otros de origen industrial que, sin embargo, son más persistentes y, por tanto, susceptibles de acumularse en el medio ambiente, como son los compuestos en los que mayoritariamente se centra esta tesis: sustancias perfluoroalquiladas y retardantes de llama. Los estudios realizados sobre los ecosistemas acuáticos y la evaluación del riesgo se han centrado en aspectos concretos y limitados. Sin embargo, no existe un estudio global sobre el impacto del desarrollo humano y su relación con la presencia de los contaminantes orgánicos persistentes emergentes (ePOP) propuestos en esta tesis, así como sus posibles efectos sobre las poblaciones que se abastecen de sus aguas o los organismos que habitan en ellas. Así mismo, se necesita un mayor esfuerzo en el desarrollo de metodologías analíticas eficientes y versátiles para la detección y cuantificación de estos contaminantes y sus posibles metabolitos a las concentraciones traza (ng g-1 o ng l-1) o ultratraza (pg g-1 o pg l-1) a las que se encuentran en matrices ambientales, tales como aguas, suelos, sedimentos y biota. Por todo ello, el objetivo global de esta tesis doctoral consiste en establecer la presencia y distribución de los ePOP objeto de estudio en distintos ecosistemas acuáticos, y forestales, tratando de establecer si la presencia de estas sustancias supone un riesgo para la fauna de estas áreas, así como para las poblaciones humanas de su entorno. Los objetivos específicos a desarrollar en la presente tesis doctoral son los siguientes: 1. Desarrollar la metodología analítica necesaria para la determinación de los ePOP por cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC), cromatografía de gases (GC) y espectrometría de masas (MS), o espectrometría de masas en tándem (MS/MS) con triple cuadrupolo (QqQ). 2. Optimizar procedimientos para la extracción de sustancias perfluoroalquiladas (PFAS), retardantes de llama fosforados (PFR) y bromados (BFR) de distintas matrices ambientales: agua superficial, agua residual, suelo, sedimento y biota. 3. Estudiar la incidencia de PFAS y PFR en ecosistemas acuáticos de zonas mediterráneas con especial hincapié en las cuencas hidrológicas de los ríos Ebro, Turia, Júcar, Segura y Guadalquivir, así como en el parque natural de la Albufera por tratarse de un humedal de importancia internacional relacionado con los ríos Turia y Júcar, y cuya calidad del agua se encuentra muy influenciada por las presiones antrópicas. 4. Evaluar la amenaza que suponen determinados ePOP para la fauna acuática a través de la predicción del riesgo, mediante el cálculo de los cocientes de peligrosidad (HQ) para tres niveles tróficos, y la determinación de las concentraciones a las que estos compuestos se encuentran en distintas especies de peces. 5. Estudiar la presencia y movilidad de PFR, BFR, PFAS e hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) en suelo y sedimento de zonas afectadas por incendios forestales, dado su uso como agentes inhibidores de la combustión (PFR, BFR y PFAS) o su formación debida a la incompleta combustión de la materia orgánica (PAH). 6. Evaluar la presencia de PFAS en leche humana, leche de fórmula y otros alimentos infantiles así como la exposición a través de la dieta durante los dos primeros años de vida. 7. Estimar la exposición individual a ePOP semivolátiles en ambientes interiores mediante el uso de broches de polidimetilsiloxano (PDMS) como muestreadores pasivos de aire. El plan de trabajo diseñado para el desarrollo de los objetivos ha sido el siguiente: En primer lugar, las PFAS y los PFR fueron seleccionados como dos de las principales familias de ePOP en los que se centraría esta tesis debido a su creciente uso a nivel global, a menudo como sustitutos de otros contaminantes emergentes. Otras familias de contaminantes más conocidas por el mundo científico, como los BFR, PAH y ftalatos, fueron también estudiadas durante el desarrollo de la tesis debido a la preocupación que todavía suscita su presencia en el medio ambiente. Tras la selección de los contaminantes emergentes persistentes, se desarrollaron y validaron los métodos analíticos necesarios para determinarlos en diferentes matrices ambientales. Los métodos de extracción se basaron en la utilización de fase sólida (SPE), extracción sólido-líquido (SLE) —asistida por ultrasonidos (USE) o por agitación mecánica—, digestiones alcalinas y la extracción líquida presurizada (PLE). La determinación se basó en el análisis por HPLC-QqQ-MS/MS o GC-MS. Por otra parte, se establecieron las diferentes estrategias de muestreo en las cuencas de los tres ríos principales de la Comunidad Valenciana ─Turia, Júcar y Segura─, en el parque natural de La Albufera de Valencia y en algunas WWTP presentes en estas áreas. Debido a la gran cantidad de muestras necesarias para el desarrollo de esta tesis doctoral, otras campañas de muestreo como las de los ríos Ebro, Guadalquivir y Júcar, la de la zona forestal afectada por el incendio y la de la leche materna, leche de fórmula y alimentos infantiles, fueron planificadas y realizadas por otros colaboradores con anterioridad a mi incorporación al grupo de investigación. Posteriormente, los métodos desarrollados fueron aplicados a las muestras recogidas para detectar la presencia de ePOP, evaluar la calidad de los recursos hídricos, edáficos y biológicos, y así identificar los focos de contaminación y las áreas más sensibles. En último lugar, se realizó una evaluación del riesgo que suponen los ePOP seleccionados para la fauna acuática, estimando el riesgo que suponen las concentraciones encontradas para los distintos niveles tróficos. Esta evaluación de riegos se enlaza con la última parte de la tesis, focalizada en establecer la exposición de los seres humanos a estas sustancias y los posibles riesgos para su salud. Por una parte, se incidió en la exposición infantil a través de la dieta, dado que este grupo de población es especialmente sensible a los efectos de estos compuestos. Por otro lado, se estudió la exposición personal a ePOP semivolátiles a través del aire inhalado en ambientes interiores mediante el uso de muestreadores pasivos de aire personales (PPAS), ya que las distintas actividades individuales suponen variaciones importantes en las concentraciones inhaladas. Esta tesis doctoral se presenta estructurada en cinco secciones, dentro de las cuales se encuentra toda la información científica generada. Esta investigación se refleja a través de los distintos capítulos. La sección 1 consiste en una revisión general que clasifica y describe la importancia de los compuestos seleccionados, y desarrolla un análisis crítico de los retos analíticos que supone su determinación en los ecosistemas acuáticos. Adicionalmente, se exponen las carencias de conocimiento sobre el tema y las novedades con las que contribuye este trabajo: • Capítulo 1. Analytical challenges to determine emerging persistent organic pollutants in aquatic ecosystems. En la sección 2 se muestran las metodologías analíticas desarrolladas para determinar los ePOP en distintas matrices ambientales: suelo, sedimento, agua superficial, agua residual y biota, a través de la HPLC-QqQ-MS/MS. Los resultados obtenidos se presentan en tres capítulos que incluyen, además, la aplicación de la metodología desarrollada en matrices ambientales de los ríos Segura y Turia, así como en muestras de aguas residuales de Valencia: • Capítulo 2. Optimization and comparison of several extraction methods for determining perfluoroalkyl substances in abiotic environmental solid matrices using liquid chromatography-mass spectrometry. • Capítulo 3. Ultra-high-pressure liquid chromatography tandem mass spectrometry method for the determination of 9 organophosphate flame retardants in water samples. • Capítulo 4. Determination of organophosphate flame retardants in soil and fish using ultrasound-assisted extraction, solid-phase clean-up and liquid chromatography-tandem mass spectrometry. En la sección 3, se aplican las metodologías desarrolladas en diversos ecosistemas acuáticos incluyendo los de los ríos Ebro, Guadalquivir y Júcar. En éstos, además, se han estudiado los efectos potenciales adversos de los contaminantes mediante el cálculo del HQ. La toxicidad aguda y crónica de los compuesto se predijo a partir de la relación cuantitativa estructura-actividad (QSAR) mediante estimaciones teóricas que relacionan los valores del coeficiente de reparto octanol-agua (KOW) con la toxicidad. Estos datos se utilizaron para calcular el HQ en diferentes niveles tróficos de los ecosistemas acuáticos (algas, daphnias y peces). Los distintos métodos analíticos se aplicaron también en muestras del parque natural de La Albufera, así como en un ecosistema forestal afectado por un incendio, con el fin de obtener una visión de conjunto de la distribución y destino de los contaminantes objetivo. Esta sección está compuesta por cuatro capítulos: • Capítulo 5. Perfluoroalkyl substances in the Ebro and Guadalquivir river basins (Spain). • Capítulo 6. Analysis of the presence of perfluoroalkyl substances in water, sediment and biota of the Jucar River (E Spain). Sources, partitioning and relationships with water physical characteristics. • Capítulo 7. Occurrence, distribution and behavior of emerging persistent organic pollutants (POPs) in a Mediterranean wetland protected area. • Capítulo 8. Emerging contaminants related to the occurrence of forest fires in the Spanish Mediterranean. La sección 4 muestra la aplicación a la exposición en humanos a través de dos capítulos. El primero se centra en la exposición de la población infantil de la Comunidad Valenciana a PFAS a través de la dieta (leche materna, leche de formula y alimentación infantil) comparando las ingestas diarias estimadas (EDI) con las ingestas diarias tolerables (TDI) establecidas por la European Food Safety Authority (EFSA, 2008). El segundo, presenta el trabajo realizado durante una estancia en la University of Toronto (Canadá), en el que se procedió a la caracterización y evaluación de broches de PDMS como muestreadores pasivos de aire para determinar la concentración y la exposición individual a distintos contaminantes presentes en el aire inhalado en ambientes interiores. • Capítulo 9. Perfluoroalkyl substances in Breast milk, infant formula and baby food from Valencian Community (Spain). • Capítulo 10. Polydimethylsiloxane brooch as a personal passive air sampler for semi-volatile organic compounds. En la sección 5 se recoge un resumen general de los resultados obtenidos en las secciones 2, 3 y 4 y su discusión. Finalmente, se presentan las conclusiones alcanzadas durante el desarrollo de la presente tesis doctoral, y un apartado de anexos que incluye un índice de tablas, figuras y abreviaturas utilizadas en el transcurso de la misma.