Análisis, biodisponibilidad y vigilancia de contaminantes orgánicos hidrofóbicos en el medio acuático

Abstract

En un periodo de tiempo determinado, solamente una fracción de la cantidad total de una sustancia química presente en la columna de agua o en el sedimento está en forma bioaccesible o biodisponible. Por otra parte, aun cuando la fracción disuelta de un contaminante puede ser muy baja y a veces indetectable, una exposición muy larga puede dar lugar a su acumulación por parte de los organismos. Esta cuestión es especialmente relevante para los contaminantes hidrofóbicos, que tienden a persistir en el ambiente uniéndose a las partículas de sedimento y a ser acumulados por la biota. Una determinación precisa del riesgo asociado a la presencia de estos contaminantes en el medio acuático debe partir de medidas que tengan en cuenta su disponibilidad espacial y temporal para los seres vivos en cada circunstancia.

La tesis se enmarca en este contexto y se centra en dos grupos de contaminantes haloaromáticos: el histórico pesticida diclorodifeniltricloroetano (DDT) y sus productos de transformación (DDX, en conjunto) y los retardantes de llama difeniléteres polibromados (PBDE), incluidos más recientemente en la legislación. El objetivo general era el desarrollo y aplicación de métodos analíticos con los que medir sus concentraciones en las distintas fases o compartimentos del medio acuático que fuesen representativas exposición real de los organismos vivos.

En la primera parte de la tesis, se empleó una técnica moderna para la extracción cuantitativa en sedimento y en peces, adecuada a los requisitos normativos actuales de exhaustividad para la vigilancia de contaminantes. Para ello, se optimizó un método analítico mediante extracción selectiva con líquidos presurizados (SPLE) acoplada a cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS) que permitió realizar una extracción y purificación simultánea de las muestras con una reducción importante del tiempo de análisis, la manipulación de la muestra y el uso de disolventes frente a métodos tradicionales. Los métodos optimizados fueron aplicados para el análisis de PBDE y DDX en muestras de sedimentos y peces procedentes de distintos puntos de la costa peninsular y en la cuenca del río Ebro. La metodología desarrollada permitió, además, la detección en estas muestras de hexabromociclododecano (HBCD), un retardante de llama que comenzaba a utilizarse como sustituto de los PBDE y cuya presencia en el medioambiente apenas había sido descrita en ese momento. El análisis de las muestras demostró las diferencias relativas con que los peces acumulan cada uno de los analitos respecto a sus cantidades en el sedimento.

Posteriormente, se evaluaron dos tipos de técnicas biomiméticas que utilizan una fase sustituta para cuantificar el contaminante bioaccesible y bioacumulable en el medio. En primer lugar, la extracción exhaustiva de los contaminantes presentes en los sedimentos realizada mediante el método de SPLE fue comparada con la extracción acuosa con Tenax®, lo que permitió cuantificar la fracción susceptible de pasar a la fase disuelta en periodos concretos de tiempo o fracción bioaccesible. La existencia de fracciones residuales de contaminante que mantienen asociados a la fase particulada de manera casi irreversible, diferentes según los analitos, es una de las causas que contribuyen a la formación de los patrones diferenciales entre biota y sedimento.

Por último, dentro de la línea de trabajo de técnicas biomiméticas, se evaluó la aplicabilidad de distintas versiones de un dispositivo de muestreo pasivo en fase experimental, el Chemcatcher®, capaz de acumular los PBDE y DDX disueltos en el medio y proporcionar una medida promediada en el tiempo. Los límites de detección obtenidos indican que este sistema podría ser apto para el monitoreo de estos contaminantes en cuerpos de agua muy contaminados como efluentes de depuradoras, pero no para determinar las concentraciones en que se suelen encontrar en aguas superficiales.

In a given period of time, only a fraction of the total amount of a chemical present in the water column or in the sediment is bioaccesible or bioavailable. In turn, even though the dissolved fraction of a contaminant may be very low, sometimes undetectable, a long exposure can lead to accumulation by the organisms. This issue is especially relevant for hydrophobic contaminants, as they tend to persist in the environment bound to sediment particles and to be accumulated by biota. The thesis is focused on two groups of pollutants haloaromatics: the historical pesticide dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) and its transformation products, and the flame retardants polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), most recently included in legislation. The overall objective was the development and application of analytical methods by which to measure their concentrations in different phases or compartments in the aquatic environment that take into account the spatial and temporal availability for living beings.

In the first part of the thesis, a modern technique for quantitative extraction from sediment and fish, adapted to current regulatory requirements of exhaustiveness for monitoring of pollutants, was used. In order to do so, an analytical method by selective extraction with pressurized liquids (SPLE) coupled to gas chromatography and mass spectrometry (GC-MS) was optimized. Optimized methods were applied for the analysis of sediment and fish samples from different parts of the mainland coast and the Ebro river basin. The developed methodology also allowed detection of hexabromocyclododecane (HBCD), a flame retardant that was just beginning to be used as a substitute for PBDEs and whose presence in the environment had just been described in that time. Afterwards, two types of biomimetic techniques using a surrogate phase for measuring the bioavailable and bioaccumulative pollutant in the medium were evaluated. First, the exhaustive extraction of contaminants in the sediment carried by SPLE method was compared with the aqueous extraction with Tenax®, allowing to quantify the fraction susceptible of passing to the dissolved phase in specific time periods or bioaccessible fraction. Finally, within the line of work of biomimetic techniques, the applicability of different versions of an experimental passive sampling device, the Chemcatcher®, able to accumulate PBDEs and DDX dissolved in the medium and provide a time-averaged measure was assessed.