No description available.

The work presented in this PhD thesis includes various partial studies aimed at developing a decision support system for membrane bioreactor integrated control. The decision support systems (DSS) have as a main goal to facilitate the operation of complex processes due to the multiple variables that are processed. For this reason, the research used has focused on aspects related to nutrient removal, and on the development of indicators or sensors capable of facilitating, automating and controlling the filtration process in an integrated way with the biological processes that taking place. Work has also been done on the design, development, implementation and validation of tools based on the knowledge made available by the automatic control and the supervision of the MBRs / El treball presentat en aquesta tesi doctoral inclou diversos estudis parcials amb l’objectiu final de desenvolupar un sistema d’ajuda a la decisió pel control integrat dels bioreactors de membrana. Els sistemes d’ajuda a la decisió, SAD o DSS de l’anglès, decision support system, tenen com a objectiu facilitar l’operació de processos complexes degut a multitud de variables de procés. Per aquest motiu, la recerca realitzada s’ha centrat en aspectes relacionats amb l’eliminació de nutrients, i en el desenvolupament d’indicadors o sensors pel procés de filtració capaços d’integrar-se amb els processos biològics que hi tenen lloc. També s’ha treballat en el disseny, desenvolupament, implementació i validació d’eines basades en el coneixement que facilitin el control automàtic i la supervisió dels MBR mitjançant un DSS.

Des de fa temps s’han estudiat els processos d’eliminació biològica de fòsfor (EBPR) en aigües residuals, però la seva implementació a escala real ve associada moltes vegades a fallades no esperades. S’han detectat interaccions negatives amb el procés d’eliminació de nitrogen i matèria orgànica que no s’havien previst en l’estudi dels mateixos de manera individual. Aquesta tesi aprofundeix en la caracterització, l’estudi i la solució de problemes existents a l’hora d’implementar l’eliminació biològica de fòsfor en aigües residuals conjuntament amb l’eliminació biològica de matèria orgànica i nitrogen. La investigació duta a terme en aquesta tesi té dos enfocaments diferents dins d’aquest marc. D’una banda s’estudien les causes de la interacció negativa entre els processos d’eliminació biològica de nitrogen i de fòsfor. D’altra banda s’estudia la possibilitat d’utilitzar, per part dels organismes acumuladors de fòsfor (PAO), fonts de carboni alternatives, que també s’utilitzen en el procés d’eliminació de nitrogen. En el primer lloc, s’estudia una nova estratègia per l’eliminació de nutrients (nitrogen i fòsfor) que consisteix en la bioaugmentació de microorganismes PAO dins d’un sistema de nitrificació i desnitrificació. En aquest estudi es va comprovar que una configuració de SBR amb una fase anòxica amb dues alimentacions i una fase aeròbica permet aconseguir nitrificació, desnitrificació i EBPR. Un punt clau per l’èxit d’aquesta estratègia és proporcionar condicions operacionals adequades per evitar els problemes de “rising”. Es proporcionar una fase aeròbia amb la suficient durada per assegurar el consum del PHA acumulat pels PAO, i evitar la disponibilitat de font de carboni requerida per la desnitrificació. En aquest mateix context també s’estudia la interacció de diferents espècies intermèdies del procés d’eliminació de nitrogen, com són el nitrit i el nitrat, en el procés EBPR. D’altra banda, s’ha estudiat un dels principals problemes per a implementar a nivell real l’EBPR, la manca d’àcids grassos volàtils a l’aigua residual d’entrada al procés. És per això que, en segon lloc, s’han estudiat diverses estratègies per a la utilització de fonts de carboni diferents a les convencionals en el procés EBPR. S’han provat fonts de carboni que actualment s’utilitzen en el procés d’eliminació de nitrogen, com són el metanol i el glicerol, i que, per tant, abaratirien els costos quan ens trobem aigües residuals amb poca DQO disponible per dur a terme l’eliminació simultània de nitrogen i fòsfor. Les estratègies que es proven també són dues: la primera és la substitució directa de la font de carboni convencional (àcid propiònic) per la font de carboni en qüestió dins d’un sistema enriquit en microorganismes PAO. La segona estratègia, més innovadora, és la formació d’un consorci microbià amb llots de digestió anaeròbia, prèviament seleccionat, amb microorganismes PAO on els primers seran capaços de fermentar la font de carboni més complexa cap a àcids grassos volàtils de cadena curta (àcid acètic i propiònic) que seran utilitzats pels PAO per dur a terme el procés EBPR. En el darrer capítol de la tesi, s’estudia una nova estratègia per a aconseguir uns llots enriquits majoritàriament amb microorganismes PAO. Aquest procediment permet eliminar del sistema aquells microorganismes competidors (GAO) que capten la font de carboni que hi ha disponible pels PAO i perjudiquen al procés EBPR. L’aplicació d’aquesta estratègia va resultar en un llot amb un 85% de PAO i en el rentat dels GAO del sistema. / Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) has been extensively studied, but its implementation at full-scale is still associated to unpredictable failures. Furthermore, when EBPR is implemented simultaneously to nitrogen and organic matter removal, some negative interactions have been found, while individually does not occur. This thesis aims to improve the understanding of EBPR and solve some of the issues reported when EBPR is implemented in wastewater treatments together with biological removal of nitrogen and organic matter. The research conducted in this thesis has two different approaches within this framework. On the one hand, the negative interaction between the nitrogen and phosphorus removal processes has been studied. On the other hand, the possibility to use alternative carbon sources, also used in nitrogen removal, has been assessed by developing novel strategies focused on obtaining new syntrophic consortia for application in EBPR. In chapter 4, new insights for simultaneous nitrogen and phosphorus removal are presented. These strategies are based on the bioaugmentation of PAO microorganisms in nitrification/denitrification systems. A cycle configuration with an anoxic phase with two feedings and an aerobic phase was used to achieve nitrification, denitrification and EBPR. A key point for the success of this strategy was to provide proper operational conditions to avoid rising problems. Enough aerobic phase length was required to ensure complete PHA depletion for PAO microorganisms, which avoided the carbon source availability required for denitrification. In this context, the interaction of different intermediates of the nitrogen removal process, such as nitrite and nitrate, on the EBPR processes was studied. The conclusion of such experiments was that intermediate products of the nitrogen removal process, such as nitrate, can affect EBPR process when PAO microorganisms have not been previously acclimated to these conditions. Low concentration of volatile fatty acid in wastewaters has been also reported to be one of the main hurdles problems to implement EBPR process in full-scale WWTPs. For this reason, Chapter 5 presents the studies done in order to use different carbon sources for EBPR. Two carbon sources commonly used in nitrogen removal processes, namely methanol and glycerol, were tested, resulting in a cost reduction when nitrogen and phosphorus were removed simultaneously in wastewaters with low COD content. Two different strategies were assessed: first, the direct replacement of conventional carbon source (propionic acid) to the desired carbon source in a PAO-enriched sludge system. The second strategy, a novel one, was to develop a consortium of anaerobic sludge, comprising previously selected microorganisms, and PAO where the first ferment the complex carbon source to short-chain volatile fatty acids (i.e. acetic and propionic acid) which are subsequently used by the PAO in the EBPR process. Finally, Chapter 6 presents the study of a new strategy to achieve a predominantly PAO-enriched sludge, removing GAO, which uptake significant proportions of the carbon source available for EBPR. The application of this strategy resulted in the 85% of PAO in the enriched sludge, washing out GAO of the system.

La desigualtat internacional en el volum de recursos naturals consumits per part dels diferents països és un aspecte clau en un context internacional on l’escassetat d’aquests recursos es fa cada cop més palesa. En conseqüència, es generen tensions geopolítiques que posen traves a l’objectiu últim d’un desenvolupament sostenible, tant des del punt de vista ecològic com social. La tesi analitza empíricament l’evolució i les causes d’aquesta desigualtat i proposa mesures de política ambiental emmarcades en la governabilitat internacional per la sostenibilitat. Concretament, la tesi té com a principal objectiu l’anàlisi de la distribució internacional de la Petjada Ecològica (PE), com a indicador de consum de recursos naturals. L’anàlisi proposat contribueix a la tradició literària de l’Economia Ecològica que tracta qüestions distributives des de l’enfocament de l’Economia de la Desigualtat. L’anàlisi es justifica des de quatre racons d’aquesta literatura: en primer lloc, considera que l'escenari d'escassetat de recursos exigeix un seguiment minuciós de la distribució d’aquests. En segon lloc, des d’un plantejament normatiu, es defensa la necessitat de perseguir una distribució equitativa dels recursos naturals. En tercer lloc, la governabilitat global per temes ambientals pot millorar considerablement la seva eficàcia si té en compte els patrons de la distribució internacional. Finalment, les teories d'intercanvi ecològic desigual serveixen de paraigües teòric des de l’economia política. La metodologia utilitzada per a l’anàlisi distributiu de la PE és la de l’Economia de la Desigualtat. Aquesta metodologia, àmpliament acceptada en l’anàlisi de la distribució de la renda, s’ha utilitzat de manera més aviat escassa per avaluar qüestions de l’economia ambiental i ecològica. En aquest sentit, la tesi aporta discussions que permeten adaptar aquestes eines empíriques a l’anàlisi de la desigualtat ecològica (en lloc de la merament econòmica). Per tant, a més de les contribucions purament empíriques, la tesi aporta contribucions metodològiques. Addicionalment, la tesi també analitza la distribució internacional de la PE des de l’enfocament de la polarització. / Ecological distribution refers to the social, spatial and temporal asymmetries in the human use of environmental resources and services. This doctoral thesis focusses on empirical analyses of such ecological distribution from an Inequality economics perspective and also makes its primary contribution in this area. We analyse the international distribution of natural resource consumption as measured by the Ecological Footprint (henceforth, EF). Our main contributions represent an assessment of the international distribution of EF by analysing its change over time, as well as its underlying drivers. In the process, some methodological aspects are discussed in order to properly repurpose them from the income inequality viewpoint to that of environmental inequality. Additionally, the inequality approach has been complemented by the polarization approach. The thesis has been orientated towards contributing to the discussion of the range of topics found in the ecological economics literature, which usually have been tackled with different methodologies: firstly, the current scenario of resource scarcity unavoidably demands the monitoring of the distribution issues; secondly, fair consumption natural resources is also driven by the ethical motivation of environmental justice; thirdly, global environmental governance may improve its effectiveness if it considers distributional issues; and finally, the political economy of ecologically unequal exchange may underlie the distribution of natural resources itself. The conclusions drawn from the analyses point towards using the information derived from distributional analyses as an additional tool in order to build a more sustainable and equitable world. On the other hand, the conclusions are framed under a political economy umbrella and so contribute to the discussion of unequal exchange theories and world-system analyses.

El creixement econòmic mundial viscut durant la segona meitat del segle XX, ha provocat un gran increment en la generació de residus. És per això que les darreres polítiques europees defineixen l’objectiu de tractar un mínim del 50% dels residus municipals mitjançant el reciclatge abans de l’any 2020. En el cas dels residus orgànics biodegradables, aquest reciclatge o valorització s’aconsegueix principalment mitjançant processos biològics com el compostatge i la digestió anaeròbia. L’actual escenari europeu pel que fa a instal·lacions de valorització de residus orgànics i l’aparició d’aquestes noves polítiques, fan pensar en una futura proliferació d’instal·lacions, entre les quals hi haurà una gran quantitat de plantes de compostatge, que permetin assolir l’objectiu fixat. Davant aquesta futura proliferació d’instal·lacions de compostatge (i de tractament de residus en general) caldrà tenir en compte els impactes ambientals associats al propi procés, entre els quals destaquen les emissions gasoses derivades de la degradació biològica de la matèria orgànica. Entre els compostos gasosos presents en aquestes emissions cal destacar el metà, l’amoníac, l’òxid nitrós i els compostos orgànics volàtils (COV). D’aquests compostos, el metà i l’òxid nitrós són considerats gasos d’efecte hivernacle, mentre que l’amoníac i els COV són els principals causants de les males olors associades a aquestes instal·lacions de tractament. El Grup de Recerca en Compostatge (GICOM), en el que s’ha desenvolupat aquesta tesi, té una àmplia experiència en l’estudi del compostatge, ja sigui a nivell del propi procés, del seu control o de les seves emissions a escala industrial. Tanmateix, en els darrers anys s’ha iniciat una nova línia de recerca dins el grup per explorar el potencial de la fermentació en estat sòlid (SSF) com una altra via de valorització material de residus, habitualment industrials, amb l’objectiu d’obtenir productes de valor afegit (enzims, biopesticides, biosurfactants, etc.) a partir de residus. Així doncs, en aquesta tesi s’ha volgut aprofitar l’àmplia experiència en compostatge del grup de recerca per tal d’aprofundir en el coneixement de les emissions gasoses derivades dels processos biològics de valorització material de residus sòlids orgànics, determinant els factors d’emissió per COV, CH4, N2O, NH3 i caracteritzant, per identificació i quantificació, els COV emesos durant el tractament de diferents residus a escala pilot. Per assolir aquest objectiu genèric, s’ha posat en marxa un mètode d’identificació i quantificació dels COV mitjançant la cromatografia de gasos acoblada a l’espectrometria de masses i s’han estudiat les emissions de COV d’un procés de compostatge convencional sota diferents estratègies d’aeració del procés. D’aquesta manera es defineixen dos aspectes metodològics que permetran continuar la recerca d’aquesta tesi, l’estratègia de procés, per una banda, i la metodologia de presa de mostra i anàlisi dels gasos per l’altra. A partir d’aquesta base metodològica es procedeix a analitzar, quantitativament i qualitativa, les emissions derivades del procés de compostatge de residus d’origen urbà com poden ser els fangs d’EDAR, frescos i digerits, o bé la Fracció Orgànica dels Residus Municipals (FORM). En aquest darrer cas, comparant el desenvolupament del procés de compostatge de la FORM separada selectivament i dels Residus Sòlids Urbans no separats selectivament amb les emissions que se’n deriven, així com determinant la contribució de la fusta utilitzada com a agent estructurant a les emissions del procés. Finalment, s’han estudiat també les emissions associades a la valorització material de residus més específics com són la pela de taronja, el residu de pèl i el residu de winterització amb l’objectiu de produir diferents enzims a través de la SSF. / World economic growth during the second half of the XX century has caused a great increase in waste generation. This fact has been reflected in European policies which define the objective of recycling, at least, 50% of municipal waste before 2020. In the case of biodegradable organic wastes, this purpose can be achieved mainly through biological treatments such as composting and anaerobic digestion. In order to achieve the proposed target, the current European scenario in terms of organic waste valorisation facilities and the emergence of these new policies, suggest a future proliferation of biological treatment facilities, among which there will be a lot of composting plants. Given this upcoming proliferation of composting facilities (and waste treatment plants in general), the environmental impacts associated with the composting process must be taken into account, paying special attention to gaseous emissions resulting from biological degradation of organic matter. The main contaminants in these emissions are methane, ammonia, nitrous oxide and volatile organic compounds (VOC). Methane and nitrous oxide are considered greenhouse gases, while ammonia and VOC are the main cause of odours associated with these treatment facilities. The Composting Research Group (GICOM), where this thesis has been developed, has a wide research experience in composting, either studying the biological process itself, process control or process gaseous emissions at full scale. Besides, in recent years GICOM has started a new research line exploring the potentiality of solid state fermentation (SSF) as another way to valorise organic wastes, commonly from industrial processes, with the aim of obtaining value-­‐added products (enzymes, biopesticides, biosurfactants, etc.). In this thesis the research experience of the group has been used to analyse in depth the gaseous emissions from biological valorisation processes of solid organic wastes, determining emission factors for VOC, CH4, N2O, NH3 and characterizing, by identification and quantification, VOC emissions during the treatment of different wastes at pilot scale. To achieve this overall objective, a methodology to identify and quantify VOC by gas chromatography coupled to mass spectrometry has been set-­‐up. Also, VOC emissions during a conventional composting process under different aeration strategies have been studied. Thus, two methodological issues essential for the development of this thesis have been defined on one hand, the process strategy and on the other hand, the gaseous emission sampling methodology and analysis. From this methodological basis, gaseous emissions from the composting process of urban wastes, such as WWTP sludge, either raw or digested, and also de Organic Fraction of Municipal Solid Wastes (OFMSW) have been analysed, quantitatively and qualitatively. The OFMSW composting process and its emissions have been compared to non-­‐source selected Municipal Solid Wastes (MSW). Also, the contribution of wood chips (used as bulking agent) to the composting process emissions has been determined. Finally, the emissions associated to the material valorisation of specific wastes such as orange peel, hair wastes and residue of winterization in order to produce various enzymes through SSF, have also been studied. In addition to the scientific interest of this thesis, which is reflected by the papers published in high impact journals in the field of Environmental Engineering, it increases the research group know-­‐how on the treatment of different wastes at pilot scale. The definition of a methodology for gaseous emissions determination that can be implemented in future experiments performed in the GICOM pilot plant is also relevant. This methodology will allow the quantification of CH4, N2O and NH3, the qualitatively determination of VOC emissions and the quantification of the most commonly found compounds. This last point will permit to include data on the emissions of the material valorisation processes carried out in the research group pilot plant, reporting valuable information on the environmental impact of the process also useful in the design of the required emissions equipment.

La recerca que es presenta en aquesta tesi se centra en l’aplicació de diferents metodologies de mostreig i de diferents tècniques analítiques per l’estudi dels efectes ambientals de la dispersió de metalls al voltant de zones de mineria metàl·lica abandonada. En aquest cas, la metodologia està basada principalment en un anàlisi geoquímic de conca, on es realitzen anàlisis del curs alt d’aquesta conca, per veure la dispersió de metalls des de la mineralització cap a la vegetació i el medi hídric, del curs mitjà, on s’avalua la distribució dels metalls als sediments del llit i de la plana d’inundació i el seu risc potencial, i a la plana al·luvial, on es realitza un anàlisi de la distribució dels metalls als sediments dipositats en aquesta zona i els processos de mobilitat i de precipitació que es poden donar en ells. Per realitzar l’avaluació de l’impacte en aquest tipus de zones és necessari analitzar un gran nombre de mostres i per això es va utilitzar un mètode analític d’altra productivitat com es la fluorescència de raigs X (XRF). En aquest cas es van utilitzar 3 tipus d’instrumentació de raigs X (EDXRF amb geometria triaxial, micro-EDXRF i WDXRF). També es van utilitzar tècniques geofísiques com la tomografia elèctrica per determinar l’extensió i el gruix dels residus miners transportats i dipositats per la rambla a la plana al·luvial i anàlisis microbiològics per veure la possible influència dels bacteris presents als sediments per explicar els processos de mobilitat i precipitació de metalls. Com a principals conclusions, es va observar una lixiviació de metalls cap al medi hídric fins i tot a pHs bàsics cosa que no és habitual, l’existència d’un risc de remobilització de metalls a partir dels sediments de la plana al·luvial en episodis de pluja intensa i la possibilitat de la tomografia elèctrica com a tècnica per delimitar l’extensió dels residus miners en la plana al·luvial. A més, també es va demostrar la capacitat de la tècnica de XRF per determinació elemental en aigües de mina com a tècnica alternativa a les classiques. / La investigación que se presenta en esta tesis se centra en la aplicación de diferentes metodologías de muestreo y de diferentes técnicas analíticas para el estudio de los efectos ambientales de la dispersión de metales alrededor de zonas de minería metálica abandonada. En este caso, la metodología está basada principalmente en un análisis geoquímico de cuenca, donde se realizan análisis en la parte superior de esta cuenca, para ver la dispersión de metales desde la mineralización hacia vegetación y hacia el medio hídrico, del cauce medio donde se evalúa la distribución de los metales en los sedimentos del cauce y de la llanura de inundación y su potencial riesgo, y en la llanura aluvial donde se realiza un análisis de la distribución de los metales en los sedimentos depositados en esta zona y los procesos de movilidad y de precipitación que se pueden dar en ellos. Para realizar la evaluación del impacto en este tipo de zonas es necesario analizar un gran número de muestras y por esto se utilizó un método analítico de alta productividad como es la fluorescencia de rayos X (XRF). En este caso se utilizaron 3 tipos de instrumentación de rayos X (EDXRF con geometría triaxial, micro-EDXRF y WDXRF). También se utilizaron técnicas geofísicas como la tomografía eléctrica para determinar la extensión y el espesor de los residuos mineros transportados y depositados por la rambla en la llanura aluvial y análisis microbiológicos para ver la posible influencia de las bacterias presentes en los sedimentos para explicar los procesos de movilidad y precipitación de los metales. Como principales conclusiones, se observó una lixiviación de metales hacia el medio hídrico incluso a pHs básicos cosa que no cabría esperar, la existencia de un riesgo de removilización de metales a partir de los sedimentos de la llanura aluvial en eventos de lluvia intensa y la posibilidad de la tomografía eléctrica como técnica para delimitar la extensión de los residuos mineros en la llanura aluvial. Aparte, también se demostró la capacidad de la técnica de XRF para determinación elemental en aguas mineras como técnica alternativa a las clásicas. / This thesis is focused on the application of different sampling methodologies and analytical techniques in order to determine the environmental impacts produced by metals’ dispersion around abandoned mining zones. In this case, the analytical methodology chosen is a geochemical basin analysis. In the upper part of the basin were done some analyses in order to determine metals’ dispersion from the mineralized zone to vegetables and to the hydric media. In the middle zone was evaluated the distribution of metals in alluvial and also in overbank sediments and their potential risk. Finally, on the alluvial plain was done an in-depth analysis of the metals in the sediments and were studied the mobility and precipitation processes of them. In order to evaluate the environmental impact in these kind of zones is needed to carry out a huge quantity of analysis and due to this was chosen a high productivity analytical method as X-Ray fluorescence (XRF). Three different X-ray instruments were employed (triaxial geometry EDXRF, micro-EDXRF and WDXRF). Also were employed some geophysical techniques, such as electrical tomography to determine the extension and thickness of the mining wastes that were transported and deposited in the alluvial plain. Finally, some microbiological analysis were done in order to study the influence of bacteria to explain the mobility and precipitation of metals in sediments. As a main conclusion was observed that, there is an important leaching of metals to the hydric media at basic pH values, there is an important remobilization risk for metals in intense rain episodes and there is a possibility of using electrical tomography as a technique to establish the extension of mining wastes in alluvial plain. Moreover was demonstrated the capacity of XRF techniques to analyze mining waters as an alternative technique to the classical techniques.

La presente tesis doctoral se centra en el estudio de la mortalidad inducida por la sequía del pino silvestre (Pinus sylvestris L.) en dos sitios, Prades y Arcalís, situados en el noreste de la Península Ibérica, donde ésta extendida especie de árbol boreal alcanza su límite suroccidental (y seco) de distribución. Más precisamente, en esta tesis estudio la relación de la mortalidad del pino silvestre con los eventos de sequía que la precedieron, un fenómeno que se ha comenzado a observar sobre todo después de la década de los 1990, coincidiendo con el aumento de las temperaturas. Al mismo tiempo, en esta tesis comparo diferentes patrones de crecimiento anuales (a partir de los anillos de los árboles) entre los árboles vivos y muertos de pino silvestre, centrándome en las décadas previas a la mortalidad. El propósito de hacerlo es identificar las características que podrían diferenciar árboles vivos y muertos, y que podrían contribuir a la comprensión de los mecanismos que subyacen la mortalidad inducida por la sequía. Las variables estudiadas se refieren al crecimiento (expresado como incremento en área basal), la eficiencia intrínseca del uso del agua (extrapolada a partir de los análisis de 13C en la madera) y varias características anatómicas de la madera (número de traqueidas, tamaño de éstas, etc.). Los resultados de esta tesis muestran una asociación directa entre la mortalidad de pino silvestre y los eventos severos de sequía caracterizados por una baja disponibilidad de agua en verano, en ambas zonas de estudio. Los patrones de crecimiento de los árboles muertos difirieron de los de los sobrevivientes, ya que los pinos silvestres muertos comenzaron a crecer menos que sus vecinos vivos entre 15 y 40 años antes de que ocurriera su muerte. Estas bajas tasas de crecimiento fueron causadas principalmente por una baja producción de traqueidas, lo que apunta hacia depósitos de carbono limitados y/o no disponibles, como lo sugiere también la baja producción de tubos resiníferos que se encontró en los árboles muertos. Otro patrón que diferenciaba los árboles muertos de los vivos fue una conductividad hidráulica baja que estaba vinculada tanto con la producción reducida de traqueidas como al tamaño reducido del lúmen de éstas. En conjunto, los resultados presentados en esta tesis muestran que la mortalidad de pino silvestre en estos dos sitios se caracterizó por una capacidad hidráulica baja y una reducción de la inversión de carbono en el crecimiento y la defensa. Sin embargo, los dos sitios de estudio parecieron tener dos historias diferentes, ya que los árboles vivos y muertos mostraron un crecimiento y un rendimiento hidráulico divergente a largo plazo en Prades, y dicha divergencia era menos acentuada y más reciente en Arcalís. Esta tesis aporta nuevas evidencias que sugieren que si las proyecciones de cambio climático se cumplen los episodios de mortalidad en bosques de pino silvestre continuarán, induciendo cambios en la vegetación dominante en algunas zonas. / The present PhD thesis focuses on the study of Scots pine (Pinus sylvestris L.) drought-induced mortality at two sites (Prades and Arcalís) located in the north east of the Iberian Peninsula, where this widespread boreal tree species reaches its south-western (and dry) distribution limit. More precisely, in this thesis I study the association of Scots pine mortality with drought events that predated it, a phenomenon that has started to be observed especially after the 1990s, coinciding with increasing temperatures. At the same time, in this thesis I compare different annual (tree-ring level) patterns between co-occurring living Scots pine trees and dead ones, focusing on the previous to death decades. The purpose of doing so is to identify characteristics that differentiate living and dead trees and could contribute to our understanding of the mechanisms that underlie drought-induced mortality. Studied variables include growth (expressed as basal area increment), intrinsic-water use efficiency (extrapolated from 13C analyses in wood) and several wood anatomical features (number of tracheids, tracheid size, etc.). The results of this thesis show a direct association between Scots pine mortality and severe drought events characterized by low summer water availability at the two study sites. The growth patterns of the dead trees differed from the ones of the surviving ones, as dead Scots pines started to grow less than their living neighbours 15-40 years before their death occurred. This low growth rates were mainly caused by a low tracheid production, thus pointing towards limited and/or unavailable carbon pools as suggested also by the low resin ducts’ production that was found in the dead trees. Now-dead trees were also characterized by low hydraulic conductance, as a result of reduced tracheid production and the small lumen size that characterized their tracheids. Altogether, the results presented in this thesis show that the mortality of Scots pine at these two sites was characterized by a low hydraulic capacity and a reduced investment of carbon into growth and defence. Nevertheless, the two study sites seemed to have two different stories, since living and dead trees showed a long-term divergent growth and hydraulic performance in Prades, whereas this divergence was less accentuated and more recent in Arcalís. This thesis adds to the evidence suggesting that if the projections of more frequent and intense drought events come true, episodes of Scots pine mortality are likely to continue, leading eventually to a shift in the dominant vegetation in some areas.

El tractament d’aigües residuals és avui en dia un procés energèticament intensiu, tot i l’energia química emmagatzemada dins la matèria orgànica contaminant. Mitjançant l’aplicació d’un potencial elèctric, les cel·les d’electròlisi microbiana (MEC) permeten recuperar part d’aquesta energia en forma d’hidrogen. Aquesta tecnologia, però, encara ha de superar obstacles abans de poder ser implementada a escala real. En aquesta tesi, es va avaluar el potencial d’ampliació de MEC en configuració d’una sola cambra, la qual presenta un disseny i operació més senzills i uns requeriments energètics inferiors. Per contra, la disponibilitat de l’hidrogen per altres microorganismes en pot reduir la recuperació i la puresa. L’operació a llarg termini d’una MEC va permetre la quantificació de les pèrdues d’hidrogen lligades al seu consum per part d’homoacetògens o metanògens per a la producció d’acetat i metà, respectivament. En tots dos casos, la recuperació d’hidrogen va ser baixa, i per tant, aquesta configuració va ser exclosa. La configuració de MEC en doble cambra evita que l’hidrogen sigui consumit, però la presència d’una membrana provoca pèrdues de potencial associades a gradients de pH. Per això, una gran part dels experiments a escala laboratori reportats s’han dut a terme amb medis amb una alta capacitat tamponant en comparació a la de les aigües residuals. Així doncs, el funcionament de les MEC treballant amb un medi de cultiu sense tamponar va ser avaluat. Es va observar que tant l’ànode com el càtode presentaven unes pèrdues de potencial més grans que amb el medi tamponat, sent aquestes però, més elevades en el cas de l’ànode pel fet de tractar-se d’un sistema biològic i per tant, més sensible als canvis de pH. Per tal de millorar el funcionament de les MEC en doble cambra, es va implementar una estratègia de control de pH. Controlant el pH de l’ànode a valors propers a 7, l’activitat biològica es mantenia. A més, la termodinàmica del sistema va ser afavorida controlant el pH del càtode a valors baixos, la qual cosa va permetre produir hidrogen amb un contingut energètic fins a 8 cops superior a l’energia invertida en produir-lo. Posteriorment, el control de pH al càtode va ser substituït per l’ús d’un efluent àcid de la indústria formatgera com a catòlit. Durant aquesta tesi es van dur a terme les primeres proves d’inoculació i operació en discontinu en una unitat que formarà part d’una planta pilot MEC. Els resultats van ser satisfactoris, si bé és cert que algunes modificacions són necessàries per tal de millorar-ne el funcionament. En aquest sentit, s’haurà de millorar la recuperació de l’hidrogen i la duració d’un cicle en discontinu s’haurà de reduir per tal de minimitzar el consum de matèria orgànica per part d’altres microorganismes, i maximitzar per tant, la recuperació energètica de les aigües residuals en forma d’hidrogen. Per últim, es va investigar la resistència dels exoelectrògens a la inanició. Es va observar que l’activitat biològica del sistema no es veia afectada per un període de fins a 10 dies sense substrat sempre i quan el potencial elèctric es mantingués aplicat, ja que d’aquesta manera, es permetia el consum del substrat acumulat com a polímer a l’interior cel·lular. Segons el treball desenvolupat en aquesta tesi, la implementació de les MEC a escala real per a la producció d’hidrogen serà possible si: (i) es treballa en configuració de doble cambra evitant el consum d’hidrogen per part d’altres microorganismes, (ii) s’evita un gran descens en el pH de l’ànode i (iii) s’aconsegueix reduir el potencial elèctric aplicat per a la producció d’hidrogen seguint estratègies similars a la utilització d’un efluent àcid com a catòlit. / Nowadays wastewater treatment is an energy-intensive process, even though wastewater contains a large amount of chemical energy stored within the organic contaminants. Microbial electrolysis cells (MEC) are able to recover part of this energy as hydrogen by applying an electric potential. However, there are still important hurdles to overcome before implementation at full-scale of this technology. In this thesis, the scale-up potential of single-chamber MEC was first evaluated. Single-chamber configuration has as advantage the simple design and operation and lower energy requirements. However, the availability of hydrogen for other microorganisms can reduce both its recovery and purity. The long-term operation of MEC allowed quantifying hydrogen losses related to the consumption by either homoacetogens or methanogens for acetate and methane production, respectively. In both cases the recovery of hydrogen was low and therefore this configuration was excluded. Two-chamber configuration prevents hydrogen to be consumed, but on the drawback side, the presence of a membrane causes potential losses associated to pH gradients. For this reason, much of the reported experiments at lab-scale have been carried out with media with high buffering capacity when compared to that in wastewater. The performance of MEC with non-buffered medium was assessed and it was observed that both anode and cathode had a higher overpotential than when working with buffered media. The overpotential of the anode, however, was significantly higher as it is a biological system and thus, more sensitive to pH changes. A pH control was implemented to improve the performance of two-chamber MEC. It was observed that the biological activity could be maintained by controlling the anodic pH at a value close to 7. Furthermore, thermodynamics of the system was favoured by controlling the cathodic pH at low values, leading to hydrogen productions with an energy content 8 times higher than the energy invested on producing it. Thereafter, pH control in the cathode was replaced by the use of an acid effluent from the dairy industry as catholyte. During this thesis, preliminary experiments regarding inoculation and discontinuous operation were carried out in one unit that will be part of a pilot-scale MEC. The obtained results were quite promising but some modifications are required for improving the cell performance. Hydrogen recovery must be improved and the duration of batch cycles must be reduced in order to minimize the organic matter consumption by other microorganisms and maximize therefore, the energy recovery from wastewater as hydrogen. Finally, the resistance of exoelectrogens to starvation was also investigated. It was observed that biological activity was not affected by a period up to 10 days without substrate as long as an electric voltage was applied, thus allowing the consumption of the accumulated substrate as polymer inside the bacterial cell. With the work developed in this thesis it was concluded that the implementation of MEC aiming at hydrogen production at full-scale has opportunities if a series of strategies are addressed: (i) working in two-chamber configuration thus, preventing hydrogen consumption by other microorganisms, (ii) avoiding a large pH drop in the anode and (iii) reducing the applied potential requirements for hydrogen production by following strategies similar to the use of acid effluents as catholytes.

Las actividades agroindustriales han venido experimentando un inusitado y acelerado desarrollo. Una de las principales consecuencias de este desarrollo ha sido el aumento en la generación de los desechos sólidos provenientes de las mismas. Esto implica el origen de un problema tanto económico como ecológico por la acumulación de residuos. En la búsqueda de reducir estos impactos en el ambiente se han planteado estrategias que conllevan a obtener a partir de estos residuos, una serie de compuestos que resultan útiles por sus propiedades y ofrecen múltiples ventajas en diversos campos. Una alternativa para el aprovechamiento de los residuos es la fermentación en estado sólido. Ésta se ha aplicado en diferentes áreas y se han obtenido productos interesantes, entre los que se pueden mencionar alimentos para animales, ácidos orgánicos, pesticidas, enzimas, entre otros. En lo que respecta a enzimas, se han producido lipasas por fermentación en estado sólido a partir de varios sustratos entre los que se incluyen salvados (trigo, arroz, soja, cebada), las tortas oleaginosas (soja, oliva, sésamo, babasú), y el bagazo (caña de azúcar). En vista de lo anterior, esta investigación se enmarca en la obtención de lipasas con características novedosas a partir de los residuos provenientes de la industria de producción y refinado de aceites vegetales, aprovechando las herramientas que ofrece la biotecnología. Para la producción de lipasas por fermentación en estado sólido, se evaluaron los diferentes elementos (sustratos, cosustrato, contenido de humedad, nutrientes) que facilitaron la formación del producto. Asimismo, soportados en técnicas utilizadas en el compostaje, las cuales se han utilizado con éxito en la fermentación en estado sólido, se valoraron diferentes parámetros como herramientas de seguimiento y optimización del proceso, tales como velocidades de degradación, de consumo de oxígeno (OUR), y el índice respirométrico dinámico (IRD). Estos parámetros ayudaron ofreciendo información acerca de la evolución del proceso, el crecimiento y desarrollo de los microorganismos, la disponibilidad del sustrato, condiciones de operación, rendimientos, tiempos de producción, entre otras. Una vez producida la lipasa, se determinaron procesos posteriores como su extracción, la medida de su actividad y la identificación de características como la termoestabilidad. Obtenida la información de la lipasa, se prestó atención a la fermentación y su realización en reactores en diferentes escalas con el objetivo de evaluar el proceso con miras a la puesta en marcha de sistemas a gran escala. Así mismo, se estudió el impacto ambiental que se puede producir especialmente por emisiones gaseosas de compuestos orgánicos volátiles (COVs), metano (CH4), amoníaco (NH3) y óxido nitroso, (N2O) durante este tipo de fermentaciones. Para finalizar, se evaluó el potencial de la lipasa producida por fermentación en estado sólido (SSF), aplicándola en la mejora de procesos ambientales, como la digestión anaerobia de residuos con alto contenido de grasas, acelerando el proceso de degradación, y en consecuencia logrando que el proceso sea más ventajoso. / Agro-industrial activities have been experiencing an unusual and rapid development. One of the main consequences of this development has been the increase in the generation of solid waste. The accumulation of this waste is a problem both economically and ecologically. In seeking to reduce the impact of this waste on the environment, strategies have emerged for obtaining a series of compounds from these residues that have useful properties and offer many advantages in various fields. An alternative use for the residues is solid state fermentation (SSF). This has been applied in different areas and interesting products have been obtained including animal feed, organic acids, pesticides, and enzymes, amongst others. With regard to enzymes, lipases have been produced by solid state fermentation from several substrates including bran (wheat, rice, soybean, barley), oil cake (soybean, olive, sesame, babassu) and bagasse (sugar cane). In view of the above, this research focuses on the collection of lipases with novel features from vegetable oil-refining wastes, using the tools of biotechnology. Various elements were evaluated that facilitated the production of lipases by solid state fermentation (substrates, co-substrate, moisture, and nutrients). Also, techniques based on those previously used in composting were used with success in solid state fermentation, and different parameters were evaluated as a means of monitoring and optimising the process, such as degradation rates of oxygen uptake (OUR), and dynamic respiration index (DRI). These parameters amongst others helped provide information about the evolution of the process, the growth and development of microorganisms, substrate availability, operating conditions, yields, and production times. Once the lipase was produced, processes were established for it’s extraction, the measure of its activity and identification of features such as its thermostability. Having obtained information on the lipase, attention was given to the fermentation, using reactors of different scales in order to evaluate the process with a view to the implementation of large-scale systems. Furthermore, the environmental impact that may occur during such fermentations was investigated, especially gaseous emissions of volatile organic compounds (VOCs), methane (CH4), ammonia (NH3) and nitrous oxide (N2O). Finally, the potential of the lipase produced by solid state fermentation (SSF) was assessed, applying it to the improvement of environmental processes such as anaerobic digestion of waste with high fat content accelerating the process of degradation, and thus making the process more advantageous.

La present tesi doctoral ha recollit la situació de l’agrobiodiversitat cultivada a la comarca del Vallès Oriental i municipis circumveïns. En concret, s’ha focalitzat en les varietats hortícoles -les més abundants però, també, les més amenaçades-. S’ha escollit el Vallès Oriental ja que l’autor de la tesi ha fet prospeccions per la zona durant més de 10 anys. L’àmbit d’estudi s’ha estès fora dels límits administratius comarcals ja que, en la majoria de casos, les distribucions d’algunes varietats se situaven a cavall entre comarques, seguint paràmetres biofísics o biogeogràfics. En general, s’ha pogut observar que l’àmbit d’estudi té una gran diversitat de contextos socioeconòmics (des dels continus urbans i d’economia industrial i de serveis del sud del Vallès, a les economies eminentment agràries de les masies aïllades de les parts culminals del Parc Natural del Montseny). Aquesta diversitat d’estratègies d’assentament urbà, d’economia i de model d’organització social són, també manifestes en l’àmbit biofísic -gran diversitat paisatgística, climàtica i geològica-. Aquesta elevada complexitat en una zona relativament petita (menys de 900km2) ha generat una important riquesa varietal. En aquest sentit, l’objectiu essencial d’aquesta tesi ha estat realitzar l’inventari de les varietats hortícoles locals de l’àmbit, així com reconstruir el cos bàsic –llavorer- de varietats locals cultivades abans de la dècada dels anys 60 del s.XX. També ha pretès estudiar les xarxes socials que permeten la conservació de l’agrobiodiversitat. Per tal d’assolir aquests objectius s’ha fet una recerca de documentació històrica que ha permès recopilar informació de varietats que es cultivaven a l’àmbit d’estudi, així com definir diversos paràmetres agronòmics i de maneig de les varietats. En paral·lel, s’han realitzat entrevistes (seguint mètodes estructurats i no estructurats) a 79 agricultors que prèviament es sabia que conservaven varietats locals. Pel que fa als resultats, s’ha pogut constatar que existeixen dues xarxes d’agricultors. Una formada per individus d’avançada edat, la major part jubilats, que produeixen en explotacions petites i que ho fan de manera convencional i una altra, la secundària, aglutinadora de gent jove -nous pagesos-, que produeixen en explotacions mitjanes i en ecològic. S’ha constatat que entre aquestes dues xarxes es conserva un total de 110 varietats locals hortícoles i que la xarxa primària recorda el cultiu de 96 varietats més abans de 1960. Un dels altres resultats destacats és la constatació d’una erosió genètica interespecífica baixa, que contrasta amb una d’intraespecífica alta i d’acord amb la mitjana d’altres estudis realitzats. S’ha observat que molts del paràmetres sociodemogràfics dels enquestats no es poden relacionar amb la conservació de varietats, ja que existeix una segona capa d’informació, la xarxa d’intercanvi, que exerceix una influència molt més destacada. Així s’explica que els joves de l’àmbit siguin els que conserven major nombre de varietats locals a diferència d’altres zones estudiades. També s’ha pogut observar que l’aïllament geogràfic permet incrementar la conservació de varietats a la xarxa primària, però no passa així a la secundària, on les explotacions més conservacionistes són les més properes a les urbs. S’ha determinat que el sistema productiu ecològic i, en menor mesura, les explotacions petites, són les més conservacionistes. També de la recerca oral i documental s’ha pogut constatar que un gran nombre de varietats locals d’avui són procedents de l’exterior, especialment d’altres països europeus, i de varietats comercials introduïdes majoritàriament per planteristes o cases de llavor i distribuïdes per la geografia a través dels mercats setmanals. Finalment, s’ha analitzat el concepte de varietat local i s’ha proposat la modificació d’aquest en quan a termini temporal i flexibilitat en l’àmbit geogràfic, per tal d’atendre la complexitat de l’agrobiodiversitat cultivada. / The present thesis has summarised the situation of cultivated agrobiodiversity in the Vallès Oriental region and neighbouring municipalities. Specifically, it has focused horticultural landraces –the most common ones but, also, the most threatened ones-. One has chosen Vallès Oriental region because the author of this thesis has done surveys in this area during more than 10 years. The field of study has been extended out of the administrative limits of the region because, in most of the cases, the distribution of some landraces was situated between two regions, following biophysical or biogeographic parameters. In general terms, one could observe that the field of study has a great diversity of socioeconomic contexts (from the continuous urban areas with an industrial and services economy of the south of Vallès, to the mainly agricultural economies of the isolated farms of the summit areas of Montseny Natural Park).These diversity of urban settlement strategies, of economies and of social organisation is also present in the biophysical ambit –a huge landscape, climatic and geological diversity-. This high complexity in a relatively small area (less than 900 square kilometres) has generated an important varietal wealth. In this sense, the main objective of this thesis has been to make an inventory of the local horticultural landraces of the field of study, as well as to rebuilt the basic body of cultivated local landraces before the 60s decade of 20th century. It has also intended to study social networks which allow agrobiodiversity conservation. In order to reach these objectives, one has done a historical records research that has allowed finding information about landraces that were cultivated in the field of study, as well as defining several agronomic and handling parameters of landraces. At the same time, one has done interviews (following structured and unstructured methods) to 79 farmers that one knew that conserved local landraces. Regarding the results, one has noted that there are two farmers’ networks. One constituted by elderly people, most of them retired, that produce in small farms and in a conventional way; and another one, the secondary, that includes young people –new farmers-, that produce in sized farms and organically. One has noted that in these two networks a total of 110 local landraces are conserved, and that the primary network remembers cultivation before 1960 of 96 landraces more. Another important result is a low interspecific genetic erosion, that contrasts with a high intraspecific erosion and agrees with the average of other studies. One has observed that a lot of sociodemographic parameters of the people interviewed can not be related to the conservation of landraces, because there is a second level of information, the exchange network that has a more intense influence. This is the reason why young people conserve more local landraces than in other studied areas. Another observation has been that geographic isolation increases conservation of landraces in the primary network, but this does not happen in the secondary, where the farms that conserve more landraces are the ones nearby the cities. One has determined that the organic production system and, in a lower level, little farms, are the ones that conserve more landraces. Also from oral and historical records research, one has noted that a high number of nowadays local landraces come from abroad, specially from other European countries, and from commercial landraces mostly introduced by seedling growers or seed growers and spread through weekly markets. Finally, the concept of local landrace has been analysed, and one has proposed its modification in terms of time frame and geographic flexibility, in order to deal with the complexity of cultivated agrobiodiversity.