Presència, mobilitat i risc d'elements traça en sòls naturals. Els mecanismes de sorció com a reguladors de l'equilibri sòl-aigua.

Abstract

La correcta gestió del sòl és fonamental per a la protecció d'aquest vector ambiental que serveix de suport a bona part de les activitats de la societat actual i constitueix un actor important en els cicles biogeoquímics globals. <br/>La contaminació per elements traça i els riscs per a la salut humana i els ecosistemes, derivats de la presència d'aquests en el sòl, és un problema ambiental de consideració important. En aquest aspecte, nombroses agències i administracions, ja han començat a implementar polítiques de protecció basades en els anomenats Criteris de Qualitat del Sòl (CQS), els quals estableixen uns valors llindar que defineixen els límits de concentració en el sòl per a la presa de decisions. <br/>Degut als diferents processos de descomposició de la roca mare, els elements traça es troben de forma natural en el sòl. L'enorme variabilitat d'aquest vector, juntament amb la influència de la geologia subjacent implica que, abans de l'establiment de CQS, és necessàri conèixer la concentració de fons d'elements traça en el sòls de cada regió.<br/>Les metodologies d'anàlisi de risc són una eina molt important per a l'establiment de CQS. A partir de la definició d'un escenari representatiu i mitjançant un model d'exposició de la població d'estudi, les eines d'anàlisi de risc son capaces de definir la dosi rebuda. Aquestes metodologies ténen en en compte les característiques toxicològiques i l'exposició de la població d'estudi a cada compost o element i estableixen els valors llindar per sota del qual el risc associat a la presència de contaminants en el sòl és assumible.<br/>No obstant això, aquests càlculs requereixen un coneixement exhaustiu de la toxicitat de les substàncies i la seva mobilitat entre els diferents compartiments ambientals. Els elements traça presents en el sòl poden ser transportats fins a les aigües subterrànies, un compartiment ambiental molt més sensible i al qual la població està molt més exposada. És per aquesta raó que és de vital importància conèixer els mecanismes que regulen la mobilitat de contaminants en el sistema sòl aigua i l'obtenció de models que prediguin aquesta mobilitat de forma correcta en les diferents condicions ambientals que poden tenir lloc a la natura.<br/>En una primera part, aquesta tesi s'ha centrat en el càlcul dels nivells de fons d'elements traça en sòls de Catalunya com a etapa prèvia a l'establiment de CQS. Mitjançant eines SIG, s'ha dissenyat una campanya de mostreig per obtenir mostres de sòls naturals representatives de la totalitat del territori. L'anàlisi per ICP-MS i el posterior tractament estadístic de les dades, han permès el càlcul dels valors de fons i referència per a 17 elements traça en sòls de Catalunya. També s'ha estudiat la relació amb la geologia subjacent, així com l'efecte de l'ús del sòl.<br/>Seguidament, s'ha estudiat la mobilitat d'antimoni en sòls carbonàtics naturals adoptant l'aproximació de composició generalitzada.<br/>A partir d'experiments batch i en columna s'ha estudiat la capacitat de retenció d'antimoni d'aquests sòls i s'han desenvolupat models empírics per a la predicció de la seva mobilitat.<br/>Aplicant l'aproximació d'additivitat de components, s'han estudiat els mecanismes que controlen la retenció d'antimoni i seleni en òxi-hidròxids de ferro. A partir d'experiments batch amb goetita i hematita naturals s'ha verificat l'aplicabilitat diferents mecanismes químics proposats a la literatura per a la complexació de selenit i selenat en aquestes dues fases minerals. En el cas de l'antimoni, s'ha estudiat l'efecte de la temperatura, la força iònica i el pH sobre la capacitat de sorció de la goetita sintètica i s'ha proposat un mecanisme de complexació superficial.<br/>En l'últim apartat s'apliquen les metodologies d'anàlisi de risc per calcular la concentració màxima d'elements traça admissible en el sòl. S'han definit escenaris d'exposició que han permès quantificar el risc associat a la presència d'elements traça en el sòl i s'ha calculat la concentració màxima admissible per a les diferents vies d'exposició.<br/>Finalment, a partir dels resultats obtinguts en els capítols anteriors, s'ha estudiat l'aplicabilitat de l'aproximació de l'additivitat de components i composició generalitzada per a la predicció de la mobilitat de contaminants. Utilitzant codis de transport geoquímic, s'ha definit un model conceptual per estudiar els efectes sobre el càlcul del risc associat a la presència de contaminants en el sistema sòl-aigua.

An adequate management of the soil system is essential in order to protect this media where current society develops most of its activities and which acts as a main actor in the global biogeochemical cycles. Trace element pollution and its associated risk for the human health and ecosystems is a concerning environmental problem. In this framework, numerous enviromental agencies and governments have already developed protection policies based in what is called Soil Quality Guidelines (SQG) and establishing treshold values which define concentration limits for decision taking.<br/>Trace elements are naturally occurring in soil due to parent material descomposition. The huge variability that soil shows, together with influence of the underlying geology, makes regional background values development a necessary step prior to SQG definition.<br/>Risk assessment methodologies configure a fundamental tool for the SQG establishment. Based in the definition of representative scenarios and using an exposure model, risk assessment tools are capable of calculating the received dose. These methodologies take into account toxicological characteristics a population exposure to each contaminant in order to calculate the treshold values below which the risk associated to the presence of trace elements in soils is acceptable.<br/>However, these calculations require and exhaustive knowledge of the subtances toxicity and mobility between each environmental compartment. Trace elements in soil can be transported to groundwater, a more vulnerable media to which population is more exposed. For this reason, it is crucial to understand the mechanisms involved in pollutants mobility in the soil-water system and the development of models capable of predict this mobility within the naturally occuring environmental conditions.<br/>In the first part, this thesis has focused in the definition of the background levels of trace elements in soils of Catalunya as a previous stage to the SQG establishment. Natural soil samples representative of the whole region have been obtained by means of sampling campaign designed with GIS tools. ICP-MS analysis and subsequent statistical treatment of the data allowed to calculate background and reference values for 17 trace elements in catalan soils. <br/>Relationship with underlying geology and soil use influence have also been investigated.<br/>Antimony mobility in natural carbonaceous soils has also been studied using the generalized composition approach. Batch and column experiments allowed to investigate the retention capacity of these soils and the development of empirical models for prediction purposes.<br/>Using the component additivity approach, retention mechanisms that control antimony and selenium in iron oxi-hydroxides have also been studied. Batch experiments with natural goethite and hematite provided evidences of the applicabilty of previously purposed mechanisms for selenite and selenate complexation to synthetic minerals to natural materials. The effect of temperature, ionic strenght and pH in the interaction between goethite and antimony has been studied. A surface complexation mechanism for this interaction has also been proposed. <br/>In the last chapter, risk analysis tools are used to compute the maximum acceptabletrace element concentration in soils for human health. Exposure scenarios have been defined in order to quantify the risk associated to the presence of trace elements in soils.<br/>Finally, the applicability of the component additivity and generalized composition approach for the prediction of pollutants mobility have been studied. Using geochemical transport codes, a conceptual model has been defined in order to study the influence in the risk assessment of pollutants in the soil-water system.