S'han desenvolupat tècniques monodimensionals i multidimensionals per a la caracterització de lípids i contaminants orgànics en mostres complexes. Pel que fa la caracterització de lípids s'ha utilitzat com a matriu de referència la lanolina (cera complexa excretada per les glàndules sebàcies de l'ovella). Pel que fa els contaminants orgànics, s'han considerat majoritàriament plaguicides polars i compostos emergents de diferents famílies químiques. Els lípids estan constituïts per barreges de diferents famílies químiques amb diferents propietats fisicoquímiques. Per aquest motiu, ha estat necessari desenvolupar metodologies específiques en funció de les famílies de compostos d'interès. S'han posat a punt tècniques analítiques monodimensionals per a determinar a) àcids grassos volàtils amb micro-extracció en fase sòlida b) èsters alifàtics d'elevada massa molecular amb cromatografia de gasos d'alta temperatura c) èsters esteroidals amb la cromatografia de gasos a pressió sub-ambient degut a que són compostos termolàbils. Per a la detecció d'aquests compostos s'ha utilitzat la espectrometria de masses tant amb ionització per impacte electrònic com per ionització química. Com a tècnica multidimensional s'ha optimitzat la cromatografia bidimensional integrada acoblada a un espectròmetre de masses de temps de vol. La metodologia desenvolupada, que posa un especial èmfasi en la importància de l'etapa de derivatització prèvia a la determinació, permet caracteritzar diferents famílies lipídiques excloent-ne tan sols els èsters que, degut a la seva elevada massa molecular, presenten un mal comportament cromatogràfic en aquesta tècnica.Per a la determinació de contaminants orgànics, s'ha desenvolupat una metodologia analítica basada en la cromatografia de detecció dual emprant detectors de captura d'electrons i un específic de nitrogen i fòsfor. A més de determinar contaminants de diferents famílies químiques també s'ha desenvolupat el concepte del quocient de resposta entre els dos detectors que permet confirmar la identificació dels compostos d'interès sense necessitar d'un altre sistema cromatogràfic.Finalment, s'ha aplicat les metodologies desenvolupades per a estudiar l'estuari del riu Ebre. Una de les principals característiques d'aquest estuari és el fenomen de la falca salina que provoca que, depenent del cabal del riu, es formin perfils verticals molt estratificats amb una capa d'aigua superficial dolça i una capa inferior d'aigua salada. S'han caracteritzat els lípids de les dues masses d'aigües podent-ne determinar l'origen de la matèria orgànica, caracteritzant-ne els diferents comunitats plànctoniques i realitzant un seguiment dels processos biogeoquímics i dels traçadors moleculars indicadors de contaminació per aigua residual urbana. De la mateixa manera, també s'ha estudiat la distribució geogràfica i temporal de diferents marcadors lipídics en el delta de l'Ebre, observant una forta estacionalitat en els resultats.Pel que fa els contaminants orgànics, s'ha avaluat el seu comportament en un medi estratificat gràcies a un experiment en un microcosmos correlacionant el seu transport vertical amb la difusió. També, estudiant les vies d'eliminació, s'ha identificat l'evaporació com sent un dels principals processos d'eliminació dels contaminants en el transcurs d'aquest experiment correlacionant-se amb la constant de Henry dels diferents compostos. En el cas del riu Ebre s'ha estudiat la influència de la presència de la falca salina en els perfils verticals obtinguts pels diferents contaminants orgànics observant-se un enriquiment de la capa superficial. De la mateixa manera, s'ha estudiat la distribució temporal i geogràfica dels compostos d'interès observant-se una forta estacionalitat que s'ha atribuït a la pròpia estacionalitat en l'ús d'aquestes substàncies. Finalment, integrant aquesta variació temporal gràcies a un mostratge gairebé anyal (9 campanyes de mostratge) s'ha avaluat la contribució contaminant del riu Ebre al mar Mediterrani.

Tant el desenvolupament humà com l'assoliment d'un bon estat ecològic dels ecosistemes requereixen d'una aigua de qualitat. En aquest sentit, els processos de depuració i regeneració de l'aigua residual són claus per tal de garantir una gestió sostenible d'aquest recurs.El treball dut a terme en la present tesi es desglossa en dos grans blocs. El primer d'ells es centra en l'estudi del comportament dels contaminants orgànics durant el seu tractament en aiguamolls construïts i el segon té en consideració la formació de subproductes de desinfecció durant el procés de regeneració.Els contaminants orgànics estudiats en la present Tesi pertanyen al grup dels fàrmacs i productes d'higiene personal (PPCPs), al de les substàncies prioritàries establertes com a tals en la Directiva Marc de l'Aigua 2000/60/EC i als subproductes de desinfecció. En aquest sentit s'han desenvolupat metodologies analítiques aplicades a l'anàlisi d'aquests compostos tant en aigües com en sòlids suspesos i sediments.L'estudi del comportament d'aquests compostos en aiguamolls construïts (de flux superficial i subsuperficial) s'ha realitzat des de dos enfocaments diferents. El primer d'ells és la injecció directa dels contaminants d'estudi, conjuntament amb un traçador mentre que el segon estudia l'atenuació dels PPCPs presents a l'aigua residual a mesura que aquests travessen l'aiguamoll.Com a resultat d'aquest estudi s'ha constatat una major eficiència en l'eliminació de gran part dels contaminants en aquells sistemes on hi predominen les rutes metabòliquesaeròbies. En aquest sentit, la transferència d'oxigen als aiguamolls a través de la vegetació s'ha vinculat amb un increment en l'eliminació de contaminants orgànics.D'altra banda, es demostra com les interaccions d'aquests compostos amb la matèria orgànica i el conjunt de la rizosfera tenen un paper clau a l'hora d'eliminar-los, sobretotquan es tracta de compostos més hidrofòbics.Finalment, en l'estudi de la formació de subproductes de desinfecció en aigües residuals regenerades, s'ha demostrat que la presència d'amoni en els efluents de les EDARs disminueix el risc de formació de trihalometans, essent un paràmetre clau per tal de controlar la formació d'aquests compostos. / Water of quality is a scarce and essential resource for human development. Then wastewater treatment and water reuse and reclamation are of high importance in order to assure a sustainable management of this resource.The work carried out in this thesis has been splitted in two parts, the first one related to the study of the behavior of organic pollutants in constructed wetlands and the other one to the evaluation of disinfection by-products formation during regeneration processes. The organic pollutants considered can be classified in three classes; pharmaceutical and personal care products (PPCPs), the ones included as priority substances by the EU Framework Directive 2000/60/EC and the disinfection by-products. In this sense, analytical methodologies have been developed in order to analyze these compounds in water, suspended solids and sediments.The behavior of these compounds in constructed wetlands (surface and subsurface flow) has been assessed by both, the injection of pollutants with a tracer, and by studying the attenuation of organic pollutants already present in raw wastewater. As a result of these studies, it has been observed the highest removal efficiencies in vertical flow constructed wetlands where organic matter removal is predominantly by aerobic pathways. Consequently a positive vegetation effect has been observed due to its increase on oxygen transfer to the system. On the other hand, it has been shown that organic pollutants have a high interaction with the organic matter and the rizosphere and that is more relevant for the hydrophobic ones.Finally, in the study of disinfection by-products formation, it was observed that the presence of ammonium in WWTPs effluents decrease the risk of trihalomethanes formation.

El objeto general de la tesis es el estudio electroanalítico de la complejación de los iones metálicos Zn(II), Cd(II), Pb(II) y Cu(II) por los ácidos poliacrílico (PAA) y polimetacrilico (PMA), como modelo de las interacciones que tienen lugar en medios acuáticos naturales entre iones metálicos pesados y ligandos macromoleculares de carácter polielectrolítico, las técnicas utilizadas en el estudio son las polarografías de corriente continua (DCP), de impulsos normal (NPP), de impulsos inversa (RPP) y de impulsos diferencial (DPP) y las voltamperometrías de redisolución anódica (ASV) y cíclica (CV). Para el tratamiento de datos y la interpretación de resultados se hace uso inicialmente del modelo propuesto por H.G. de Jong, H.P. van Leeuwen y K. Holub (1987), desarrollado en ausencia de adsorción electródica y válido, en principio, para las diferentes técnicas voltamperometricas, aunque su aplicación a ASV no es tan directa como seria deseable.Las limitaciones del modelo han obligado, en primer lugar, a desarrollar una metodología de trabajo rigurosa para el control de la acidez del medio y para la minimización de los efectos debidos a adsorción del ión metálico en las paredes de la celda voltamperométrica; en segundo lugar, a modificar el tratamiento de datos con la introducción de parámetros hidrodinámicos para cuya determinación se dan métodos; en tercer lugar, a generalizar el modelo para que contemple los fenómenos de adsorción inducida del ión metálico sobre el electrodo.Este nuevo modelo se desarrolla rigurosamente para el caso de NPP. Se realiza el estudio paramétrico completo, se desarrollan procedimientos de simulación y se ajustan datos calculados a las curvas experimentales. Debido a la complejidad del tratamiento general, se propone un procedimiento semiempírico simplificado para determinar las constantes de formación de los complejos ión metálico/macromolécula. Por último, se aplica la metodología desarrollada. / The general purpose of the Thesis is the voltarnmetric study of the interactions between heavy metal ions and macromolecular Iigands (which are usually present in environmental samples) as a previous step to metal speciation. For that purpose, the complexes formed by the metal ions Zn(II), Cd(II), Pb(lI) or Cu(lI) and polyacrylic acid (PAA) or polymethacrylic (PMA) acid were studied as model systems. The techniques used in the study were direct current (OCP), normal pulse (NPP), reverse pulse (RPP) and differential pulse polarography (DPP), anodic stripping voltammetry (ASV) and cyclic voltammetry (CV). For the interpretation of the results, a voltammetric model proposed by de Jong, van Leeuwen and Holub (1987) for 1:1 and labile complexes was initially applied. However, the limitations of the model required the development of an optimized experimental methodology, including a rigorous control of the acidity conditions and of the metal losses by adsorption onto cell walls, and also a semiempirical method to take into account the effects of the involved hydrodynamical conditions in ASV. The new methodology has been applied to the study of the influence of the degree of dissociation and the concentration of supporting electrolyte on the complexation constants. Finally, the model has been extended to have into account the induced adsorption of the metal ion on the electrode in NPP and a simplified procedure to evaluate the complexation constant in such conditions is proposed.

L'Ebre és un típic riu mediterrani caracteritzat per canvis estacionals en la corrent i efectes extrems en el seu flux. En aquesta conca les activitats agrícoles i industrials així com les concentracions urbanes són la causa de considerables problemes de contaminació des de fa molts anys. L'agricultura basada en la vinya i l'arròs (al delta) i l'ambli ús de pesticides són la font principal de contaminació a la part baixa de la conca de l'Ebre. Durant els anys 60 i 70 els pesticides organoclorats es van utilitzar àmpliament en aquesta regió, fins que el seu ús va ser prohibit el 1976. Malgrat això, avui en dia encara es detecten elevats nivells d'insecticides organoclorats així com d'altres compostos d'origen industrial. Per a poder fer una avaluació de la contaminació present en aquesta conca, el riu Ebre es va incloure en el projecte europeu AquaTerra. En el context d'aquest projecte es va realitzar una monitorització de diversos contaminants durant 3 anys al riu Ebre i alguns dels seus afluents. Els compostos prioritaris mesurats en les sis campanyes realitzades, tant en aigua com en sediments, estan inclosos a la Directiva 2006/11/CE, que aboleix les Directives 76/464/CE i 2455/2001/EC i inclou 23 compostos organoclorats, 16 hidrocarburs aromàtics policíclics (PAHs), diversos pesticides i 2 alquilfenols (APs).Els compostos detectats més freqüentment van ser els PAHs, els DDTs, hexaclorobenzè i especialment els APs, que es van trobar a la major part de les mostres analitzades i a concentracions molt elevades en alguns punts. El conjunt de les dades va reflectir una distribució generalitzada dels compostos orgànics a tota la conca, com a resultat de la influència antropogènica, així com una contaminació més elevada a les rodalies de les gran ciutats, on es concentra l'activitat industrial. D'entre els resultats obtinguts d'aquest estudi, el grup dels alquilfenols (nonilfenol i octilfenol) va ser el detectat més freqüentment, pràcticament al 100 % dels punts de presa de mostra, i a unes concentracions més elevades, tant en aigua com en sediments. En base als resultats obtinguts i al fet que són compostos emergents, el grup dels APs es va seleccionar per a la realització d'un estudi més complet que donés informació sobre el seu comportament al medi. Aquest estudi va consistir en la investigació de les isotermes d'adsorció de: a) nonilfenol en diversos sediments provinents de la conca hidrogràfica del riu Ebre i en altres dos materials (lignit i torba), tots ells amb diferent contingut de carboni orgànic total (TOC), per a estudiar la influència d'aquest paràmetre en els comportament del nonilfenol pel que fa a l'adsorció i b) octilfenol i nonilfenol, tant per separat com conjuntament, i l'extensió de la isoterma per al nonilfenol a concentracions baixes, properes a les que es poden trobar d'aquest compost al medi. Així mateix els mateixos compostos es van utilitzar per a un estudi de la seva degradació sota diferents condicions, obtingudes per la combinació de dos graus de llum i dos de concentració d'oxigen. L'experiment de degradació es va portar a terme sota condicions ambientals durant 70 dies provant de reproduir les condicions naturals que es donen en un riu. / The work presented here shows the most recent results on monitoring campaigns for contaminants relevant to the soil-water-sediment system in the Ebro River basin. The Ebro is a typical mediterranean river system that is characterised by seasonal low flows during summer and occasional extreme flush events during winter. Prominent agricultural and industrial activity throughout the basin caused considerable contamination problems since many years. Six monitoring campaigns for surveillance monitoring were completed at 24 sampling stations. At these points surface water and sediment samples were collected. Priority compounds measured are mainly listed in the Directives 2006/11/CE. These are a follow-up of the recently abolished directive 76/464/CE and 2455/2001/EC and comprise 23 organochlorine compounds (OC), 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), 2 alkylphenols (APs) and various pesticides.As a result of this monitoring, it has been possible to detect main persistent pollutants in river samples and determine point source pollution spots. Most samples contained traces of organic compounds, reflecting the anthropogenic input from human activities. These organic compounds were detected at high levels. The most frequently detected compounds were PAHs, APs, DDT and Hexachlorobenzene in sediments and soils and APs, Triazines, some Organophosphorus and Chloroacetanilides in surface water. APs were selected as target compounds for a deeper study on their behaviour in the environment. These compounds were chosen because of their presence in water and sediments at very high concentrations and their consideration as endocrine disruptors. The study comprises two different experiments: a) sorption isotherms and b) degradation experiments. The sorption experiment consisted on the investigation of sorption isotherms for NP, using sediments with different amount of total organic carbon to know the influence of this parameter in the sorption process. Also the extension of NP isotherm to similar values than the ones found in the environment was evaluated as well as the simultaneous study of NP and OP to elucidate their competition. Degradation experiments were performed at four different conditions combining two degrees of light and two of oxygen concentration. The experiment was carried out at environmental conditions during 70 days trying to reproduce the natural conditions in the river system.

La presència d’antimicrobians, així com dels seus metabòlits i altres productes de degradació, en el medi ambient ha despertat una forta preocupació durant els últims anys. Com a resultat de l’elevada efectivitat i baix cost d’aquests fàrmacs, el seu ús s’ha estès en medicina humana i veterinària. Pel que fa a la medicina veterinària, aquests compostos s’utilitzen amb finalitat profilàctica, terapèutica i fins i tot com a promotors de creixement en alguns països. Atès que els animals medicats excreten entre un 30 i 90 % de l’agent antimicrobià en la forma no metabolitzada, quan s’utilitzen fems per fertilitzar sòls agrícoles, grans quantitats d’antimicrobians entren contínuament als diferents compartiments ambientals (sòls, sediments, aigües subterrànies i superficials). Els antimicrobians són substàncies bioactives, per tant la seva presència a baixes concentracions, pot afectar la biota, la comunitat microbiana i el que és més preocupant, pot provocar l’aparició de microorganismes patògens resistents. Per tal de preveure destí, comportament ambiental i quantificar la retenció en el sòl d’un fàrmac és important la determinació del coeficient de distribució Kd (L Kg–1). En aquesta tesi s’ha caracteritzat i modelitzat la sorció de les quatre tetraciclines més emprades en veterinària (oxitetraciclina, tetraciclina, clortetraciclina i doxiciclina). S’ha observat que les tetraciclines queden fortament retingudes en el 15 sòls estudiats, amb valors de Kd superiors a 102 L kg–1. Els estudis han posat de manifest que en sòls àcids, el principal mecanisme de sorció és el bescanvi catiònic, mentre que en sòls neutres i bàsics sembla que comencen a ser importants altres tipus d’interaccions (bescanvi catiònic, complexació en superfície, interaccions polars, etc.). El tractament de les dades de sorció mitjançant mètodes quimiomètrics (PCA i PLS) ha permès identificar que les propietats fisicoquímiques del sòl que tenen més influència són pH > CEC > contingut de K2O > contingut de Al2O3 > contingut d’argila. L’estudi de la sorció també ha inclòs el desenvolupament d’un model de sorció que prediu satisfactòriament els log Kd a partir d’aquests 5 descriptors del sòl. D’altra banda, també s’ha establert un model que prediu satisfactòriament els log Kd de tetraciclina, clortetraciclina i doxiciclina a partir de log Kd,oxitetraciclina, pH i CEC corresponents al sòl. El biochar, un tipus de negre de carboni, procedent de la piròlisi de residus de biomassa en absència d’oxigen, s’ha avaluat com a sorbent potencial d’una sulfonamida d’elevada mobilitat (la sulfametazina). En primer lloc, s’han realitzat estudis en el sistema biocharaigua de per tal d’elucidar els mecanismes que tenen lloc en el procés de sorció. S’ha observat que Kd augmenta amb el grau de carbonització (relació H/C) mentre que la linealitat de la isoterma disminueix. D’altra banda, s’ha constatat com el mecanisme i la intensitat de sorció depenen de l’especiació. La sorció segueix el següent ordre: espècie neutra > catiònica > aniònica, amb valors de Kd de fins a 106 L kg-1. Les interaccions Pi-Pi donador-acceptor d’electrons, hidrofòbiques, Van der Waals i ponts d’hidrogen són determinants en la retenció de la sulfametazina en aquests materials. En segon lloc, aquest treball ha posat de manifest que la sorció de sulfametazina en un sòl esmenat amb biochar augmenta amb l’augment del grau de carbonització del biochar i el contingut d’aquest en el sòl. L’estudi també ha demostrat que el temps de contacte entre sòl i biochar poden atenuar aquesta sorció. Per acabar, en aquesta tesi s’ha desenvolupat una nova eina, en un entorn MS-Excel™ pel tractament de dades de sorció: la funció ISOT_Calc i la macro Ref_GN_LM. Aquesta presenta una gran versatilitat en l’estudi d’equilibris de sorció facilitant la selecció del model de sorció, l’ajust de les dades experimentals, etc. / Antimicrobials have long been extensively used to treat infectious disease and promote growth in livestock. Up to 90% of administered sulfonamide drugs can be excreted as the active parent compound and large amounts of sulfonamide residues are released to the environment via land application of contaminated manure. At field concentrations, antimicrobials affect soil microbial community and promote the development of antimicrobial resistance in bacteria. Soil sorption processes dominate transport, fate and possible effects of these chemicals in the environment. Further understanding of mechanisms involved in antimicrobial sorption can definitely help to retard their leaching and run-off to waters. In our studies we have focused on two widely used antimicrobials presenting different environmental mobility: tetracyclines (mostly retained) and sulfonamides (highly mobile). We have determined the sorption coefficients (Kd) of a group of TCs (tetracycline, oxytetracycline, chlortetracycline and doxycycline) in 15 natural soils with different physicochemical properties. The use of multivariate data analyses allowed to elucidate sorption mechanisms involved and to assess the environmental mobility as well. On the other hand, if sulfonamides cannot be prevented from entering soil, we consider of great interest to find means to minimize its transport into ground water and surface waters. Since Biochars is reputed to be a strong adsorbent, we studied the adsorption of the heavily used swine antimicrobial sulfamethazine, to a range of biochars and biochar-amended mixtures to test whether it could reduce pore water concentrations –potentially decreasing sulfamethazine bioavailability– and to provide insights into SMT adsorption. Results showed that depending on biochar physicochemical properties (surface area, surface functional groups, C/H ratio, etc), it could be a potential effective adsorbent for sulfamethazine and decrease its mobility in biochar-amended soils. We have also observed that sulfamethazine retention, significantly decreases with the time of residence of the biochar in soil. This latter phenomenon, commonly known as the “weathering effect”, has been attributed to sorption of native soil substances, such as humic substances. This work has also developed a novel tool (ISOT_Calc/Ref_GN_LM, developed as function and macro for MS-Excel, respectively). The combination of ISOT_Calc/Ref_GN_LM can be used in the evaluation of the isotherm parameters from batch experimental sorption data.

Aquesta tesi ha estat focalitzada en demostrar la possibilitat de crear plataformes de diagnòstic, multiplexades i universals, a través de la hibridació de cadenes d'oligonucleòtids complementàries (DNA-directed immobilization, DDI). La multiplexació és possible degut al gran nombre de cadenes d'oligonucleòtids diferents que es poden crear al combinar les 4 bases nitrogenades de l'ADN (A, T, C i G), permetent detectar simultàniament tants analits diferents com cadenes d’oligonucleòtids es disposi. La universalitat, be donada per la possibilitat de regenerar una superfície amb una simple etapa de deshibridació, i reutilitzar-la per a la detecció d’analits de diferent naturalesa. Concretament, s'ha demostrat la possibilitat de crear microarrays d'haptens, emprant microarrays d'ADN i aprofitant l'especificitat de la reacció d'hibridació entre les cadenes d’oligonucleòtids immobilitzades en la superfície i les cadenes d'oligonucleòtids unides covalentment als diferents haptens. Com a prova de concepte, s'ha desenvolupat un microarray d’haptens esteroïdals per a l'anàlisi quantitatiu i multiplexat d'hormones anabolitzants amb detecció fluorescent. També s'ha demostrat la possibilitat d'utilitzar aquesta estratègia d'immobilització pel desenvolupament d'immunosensors òptics multiplexats basats en la ressonància del plasmó superficial per imatge (SPRi), evitant així la necessitat d’emprar marcadors per tal d’obtenir el senyal. Per altra banda, s'ha demostrat la universalitat de l'estratègia DDI, al emprar un microarray d'ADN per a la creació de superfícies nanoestructurades, posteriorment emprades com a transductors en immunosensors basats en la ressonància del plasmó superficial localitzat (LSPR). Concretament, cadenes d'oligonucleòtids han estat unides a nanopartícules d'or de diferents mides, que després han estat immobilitzades de forma controlada i selectiva sobre la plataforma, a través de la hibridació entre les cadenes d’oligonucleòtids complementàries. I finalment, també s’ha demostrat l’aplicabilitat de l’estratègia DDI per a la immobilització de proteïnes, al crear microarrays d’anticossos, en format estàtic i en flux, que han estat emprats per a la diferenciació de cèl•lules segons les proteïnes expressades en la membrana cel•lular.

Per- and poly- fluoroalkyl substances (PFASs) are a group of manmade substances synthesised for more than 60 years. Due to their specific properties, PFASs have been widely used for industrial applications including: electronics, textiles, food packaging, flame retardant formulae and laboratory tools, among others. However, it was during the last fifteen years ago that interest for this group of compounds as environmental pollutants was initiated. Due to their high release levels into the environment, stability and accumulation, PFASs have been found ubiquitous in the environment and in biota. In this context, the main goal of this doctoral PhD thesis was the study of the occurrence, fate and behaviour of a wide range of PFASs in the environment, in food and, finally, in some human matrices. In addition, the physicochemical properties studies and the aerobic biodegradation experiments of 3 perfluoroalkyl phosphonic acids were also evaluated. Therefore, the first specific objective was the development of different analytical methods to study a wide range of PFASs in selected matrices. The analytical methods have been based on the use of on-line chromatography and off-line extraction, followed by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry. These methods have been employed to assess the presence of PFASs in different type of waters from different steps along the water cycle, and also in fish and other food commodities. And finally, the PFAS accumulation in human samples was studied in cord blood and breast milk. This work is divided into six chapters. The first chapter is the general introduction and the objectives of this PhD Thesis. In the introduction, different aspects are revised, such as synthesis and global production, environmental fate and occurrence, human accumulation, toxicology, regulations and future trends. Chapters 2, 3, 4 and 5 present the experimental work undertaken during this research. Each chapter has been divided into a specific introduction, results (presented through the corresponding publications) and discussion. Part of the results contained in Chapters 2 and 5 correspond to the experimental work carried out in the laboratory of Prof. Dr. Thomas P. Knepper (Hochschule Fresenius, Idstein, Germany) during a four month research internship, a part of the European Doctoral Programme. Chapter 6 contains the general conclusions. Finally, a small summary in Catalan is presented. The cited literature and indexes for tables and figures can be found at the end of this work, as well as the list of publications produced along the duration of the pre-doctoral studies, but which are not presented in this thesis. The distribution of the publications included in this Thesis is the following: Chapter 2: Environmental occurrence Publication 1: “Analysis of perfluoroalkyl substances in waters from Germany and Spain.” Llorca, M., Farré, M., Picó, Y., Müller, J., Knepper, T. P. and Barceló, D. (2012). Science of The Total Environment, 431(0): 139-150. Publication 2: “Analysis of perfluorinated compounds in sewage sludge by pressurized solvent extraction followed by liquid chromatography–mass spectrometry.” Llorca, M; Farré, M; Picó, Y; Barceló,D; (2011). Journal of Chromatography A, 1218 (30) 4840-4846. Publication 3: “Fate of a broad spectrum of perfluorinated compounds in soils and biota from Tierra del Fuego and Antarctica.” Llorca, M., Farré, M., Tavano, M. S., Alonso, B., Koremblit, G. and Barceló, D. (2012). Environmental Pollution 163(0): 158-166. Chapter 3: PFASs in food Publication 4: “Development and validation of a pressurized liquid extraction liquid chromatography-tandem mass spectrometry method for perfluorinated compounds determination in fish.” Llorca, M., Farré, M., Picó, Y., and Barceló, D. (2009). Journal of Chromatography A 1216(43): 7195-7204. Publication 5: “Study of the performance of three LC-MS/MS platforms for analysis of perfluorinated compounds.” Llorca, M., Farré, M., Picó, Y., and Barceló, D. (2010) Analytical and Bioanalytical Chemistry 398(3): 1145-1159. Publication 6: “Infant exposure of perfluorinated compounds: Levels in breast milk and commercial baby food.” Llorca, M., Farré, M., Picó, Y., Teijón, M. L., Álvarez, J. G. and Barceló, D. (2010). Environment International 36(6): 584-592. Chapter 4: PFASs accumulation in humans Publication 7: “Analysis of perfluoroalkyl substances in cord blood by turbulent flow chromatography coupled to tandem mass spectrometry.” Llorca, M., Pérez, F., Farré, M., Agramunt, S., Kogevinas, M. and Barceló, D. (2012). Science of The Total Environment 433(0): 151-160. / Les substàncies per- i poli- fluorades (PFASs) són d’origen antropogènic. Aquest ampli grup de compostos s’ha sintetitzat durant més de 60 anys. Degut a les seves propietats específiques s’utilitzen encara en l’actualitat en diferents aplicacions industrials tals com: electrònica, recobriments tèxtils, embolcall d’aliments, escumes ignífugues i material de laboratori entre d’altres. No obstant, no ha estat fins els últims 15 anys quan a aquests compostos se’ls ha començat a considerar contaminants ambientals. Degut als nivells que es troben en el medi ambient, l’estabilitat i l’acumulació que presenten, aquests anàlits tenen una distribució global en el medi i en biota. En aquest context, el principal objectiu d’aquesta tesi doctoral ha estat l’estudi de la presència, destí i comportament d’un ampli grup de PFASs (13 àcids prfluoroalquílics, 4 perfluorosulfats, 1 perfluorosulfonamida i 3 àcids perfluorofosfònics) en el medi ambient, aliments i, finalment, en algunes matrius humanes. En paral•lel a l’estudi dels esmentats treballs, s’han realitzat en experiments per determinar algunes de les propietats fisicoquímiques i la possible biodegradació aeròbica de 3 àcids perfluorofosfònics. Per aquest motiu, el primer objectiu específic ha esta el desenvolupament de diferents mètodes analítics per a l’estudi d’aquests anàlits en les matrius seleccionades. Els mètodes analítics desenvolupats han inclòs tant mètodes d’extracció fora de línia com de cromatografia en línia, seguit d’una separació per cromatografia líquida acoblada en tàndem a l’espectrometria de masses. Aquests mètodes han estat utilitzats per al posterior estudi de la presència de PFASs en diferents mostres d’aigua provinents de tot el cicle de l’aigua així com peix i altres aliments. Finalment, l’acumulació de PFASs en humans s’ha estudiat a partir de l’anàlisi de mostres de sang de cordó umbilical i llet materna.

Mercury (Hg) is naturally present in the Earth’s crust, however the historical use of this metal by the human being has spread and increased its presence in the environment. Both inorganic and organic species can be found in aquatic ecosystems, which are very sensitive to Hg pollution. In anoxic waters and sediments, sulphate-reducing bacteria can convert inorganic Hg into methylmercury (MeHg), a very toxic organic form which has the ability to bioaccumulate and biomagnify throughout trophic chains. Thus, to assess the risk associated to Hg pollution, the development of techniques to monitor Hg levels in water is necessary, as well as investigating MeHg elimination pathways. In this doctoral thesis, two aspects related to the biogeochemical cycle of Hg in freshwater were addressed. On one hand, a passive sampling technique –Diffusive Gradients in Thin films (DGT)– was developed both for determination of total Hg (THg) and MeHg in freshwater. Apart from providing a time-average Hg concentration, these samplers are able to measure the labile fraction of Hg, since they supposedly mimic biological membranes. Thus, the DGT technique is considered a good monitoring tool to estimate the bioavailability of Hg in water. On the other hand, MeHg photodegradation in freswhwaters dominated by dissolved organic matter (DOM) was studied. Regarding the DGT technique, several preliminary tests were carried out both at the laboratory and in the field to test the validity of a commercial type of samplers to measure the labile dissolved Hg in continental waters. Later, the performance of this commercial type was compared to that of two in-house manufactured samplers; both of them with the same receiving gel consisting of a resin with 3-mercaptopropyl groups embedded in a polyacrylamide gel, but one with an agarose gel (A-DGT) and the other with polyacrylamide gel (P-DGT) as the diffusive layer. The uptake kinetics of Hg(II) and MeHg, both in the absence and in the presence of DOM, were studied. The diffusion coefficient, D, of Hg in the DGT diffusive layer varied among Hg species and also depended on the absence/presence of DOM in the solution. This confirms the need to use the Hg species of interest and simulate the characteristics of the water to be sampled when performing the DGT calibration if the aim is to accurately measure the labile Hg fraction. The P-DGT was chosen as the most appropriate to determine both THg and MeHg in natural waters. Thereby, this type of sampler was used in a case study to assess the removal, methylation and lability of Hg(II) in a experimental scale plant for wastewater treatment consisting in several constructed wetlands with different conformation in series. With respect to the MeHg photodegradation issue, this phenomenon was studied in waters from a lake-wetland gradient in the boreal Sweden. The influence of DOM on this process by attenuating light, forming reactive oxygen species and binding MeHg to its thiol groups to form complexes, was examined. It was observed that the desmethylation rate constant (kpd Full Spectrum) varied significantly among the three studied waters, but the wavelength-specific rate constants (kpdPAR, kpdUVA and kpdUVB) were indistinguishable. Therefore, kpd PAR, kpd UVA and kpd UVB can be considered universal, at least in waters dominated by DOM and in which MeHg is complexed by organic thiols, if the photon fluxes of PAR, UVA and UVB radiation are separately determined and the wavelength-specific light attenuation by DOM is corrected for. Furthermore, the relationship between the photodegradation and bioavailability of MeHg was examined in an experiment involving different types of natural and artificial freshwater, but no apparent connection was observed between them. / En aquesta tesi doctoral s'aborden dos aspectes relacionats amb al cicle biogeoquímic del Hg en aigües continentals. Per una banda, es va desenvolupar un sistema de mostreig passiu denominat gradients de difusió en capa fina (DGT), per la determinació del Hg total i del MeHg en fase aquosa. Aquests mostrejadors proporcionen la concentració mitjana de Hg durant el temps de mostreig i mesuren la fracció làbil de Hg. Per tant, la tècnica de DGT pot ser considerada una bona eina per avaluar la biodisponibilitat de Hg a l’aigua. D'altra banda, es va estudiar la fotodegradació de MeHg en aigües continentals. Pel que fa a la tècnica DGT, es van dur a terme diverses proves preliminars tant al laboratori com en el camp per provar la validesa d'un tipus comercial de mostrejador per mesurar el Hg dissolt i col•loidal làbil en aigua dolça. Aquest es va comparar amb dos tipus de mostrejadors DGT manufacturats al laboratori (A-DGT i P-DGT). Es van estudiar les cinètiques d’acumulació de Hg(II) i MeHg tant en absència com en presència de DOM. El P-DGT va ser escollit com el més apropiat per determinar ambdós THg i MeHg en aigües naturals i va ser utilitzat en un estudi de cas per avaluar l'eliminació, metilació i labilitat de Hg(II) en una aiguamoll construït a escala experimental pel tractament d’aigües residuals urbanes. La fotodegradació de MeHg va ser estudiada en aigües d'un gradient llac-aiguamoll en la Suècia boreal; i es va evaluar la influència de DOM en el procés. Es va observar que la constant de velocitat de fotodesmetilació (kpd Full Spectrum) va variar significativament entre les aigües estudiades, però les constants específiques per a cada longitud d'ona (kpdPAR, kpdUVA and kpdUVB) van ser indistingibles. Per això, kpdPAR, kpdUVA and kpdUVB poden ser considerades universals en aigües amb un alt contingut en DOM i on el MeHg estigui complexat per grups tiol orgànics. Finalment, amb la utilització de la tècnica DGT es va estudiar la possible influència que pot existir entre la fotodegradació i la biodisponibilitat de MeHg en diversos tipus d'aigues dolces naturals i artificials, però no es va observar cap connexió aparent entre elles.

Tesi realitzada a l'Institut de Diagnosi Ambiental i Estudis de l'Aigua (IDAEA - CSIC) / In the past two decades we witnessed a decrease in both the number of oil spill incidents, and of the quantity of oil released in these incidents, which led to a diminished interest for basic oil spill science. With the introduction of more stringent oil spill legislation, much of the spill response, assessment and restoration activities were passed to governmental agencies and other stakeholders. Their capabilities were perhaps sufficient to deal with the most frequently occurring small-scale spills, however, recent large, catastrophic incidents such as the sinking of Prestige in 2002, or the Deepwater Horizon blowout in 2010, renewed the need for fundamental science in order to be able to fully understand and estimate the scope of the impacts such spills can have on the environment, economy and society. This is particularly important in the context of new explorations and discoveries of hydrocarbon resources in pristine regions such as Arctic, where extreme weather and the lack of infrastructure emphasize even more the need for a comprehensive assessment of all of the possible effects the future oil production could cause. The objectives of this thesis were set to provide new approaches and methodologies, and to improve and reevaluate the previously existing ones, in a way which can contribute to this comprehensive and proactive strategy. Their scope is comprehensive because it covers all the important aspects of marine oil spills – the sources, environmental fate and possible toxic effects. In addition, particular relevance of this thesis is drawn from the fact that the studies presented here include the investigation of real major oil spills (Prestige, DWH), and of a broad range of oils and oil products that are currently produced and transported worldwide. In order to fulfill the abovementioned general objectives, the following specific objectives had to be accomplished: Firstly, a physicochemical database of frequently transported crude and refined oils was created using elemental analysis, thin-layer liquid chromatography (TLC) with flame ionization detector (FID) analysis of principal oil compound groups, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) fingerprinting of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and biomarkers, and available oil assays. This database was then applied to assess their possible fate in the case of a spill, and to model three spill scenarios in different European regional seas using ADIOS2 software from NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Fingerprints of selected oils were assessed and statistically compared to discover the most relevant compositional differences that could facilitate the identification of oil spill sources. Secondly, the GC-MS methodology used to create the fingerprint database of selected oils was evaluated in an international interlaboratory ring test. The objective was to test the capability of this fingerprinting methodology to identify the type and source of weathered (biodegraded) oil samples. Thirdly, the weathering of oil samples from Prestige and Deepwater Horizon spills, in particular the photooxidation, was studied. Samples weathered in field and in laboratory experiments were analyzed using TLC-FID, GC-MS, comprehensive two dimensional gas chromatography (GCxGC) with FID, and Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR) to discover compositional changes on the bulk level as well as on the molecular level. PAHs and triaromatic steranes (TAS) were of particular interest, as well as the effects of the photooxidation on the robustness of the oil fingerprinting methodology. Finally, the effects of selected fresh and weathered (evaporated, photooxidized) crude and refined oils were studied, using the effect-directed analysis (EDA). The samples were sequentially fractionated using open-column liquid chromatography and normal-phase semipreparative HPLC, and the obtained fractions were subjected to bioassays to test their AhR agonist and AR antagonist activity. The most active fractions were then analyzed using GCxGC coupled to time-of-flight mass spectrometry (TOFMS), and this data was related to bioassay results using N-way partial least square (N-PLS) chemometric model, in order to identify the compounds responsible for the observed effects. / A pesar de las tendencias positivas en las últimas décadas, los vertidos ocasionados por la exploración, extracción y transporte de petróleo siguen siendo una importante amenaza para los ecosistemas marinos y especialmente costeros. Esta Tesis se ocupa de todos los aspectos importantes sobre los vertidos marinos de petróleo: el origen, el destino ambiental y sus posibles efectos. Para permitir su comprensión global, se utilizaron diferentes metodologías complementarias. En primer lugar, se ha creado una base de datos físico-químicos de diferentes petróleos (crudos y refinados) que se transportan frecuentemente usando el análisis elemental, la cromatografía en capa fina (TLC) acoplada a un detector de ionización de llama (FID) de los principales grupos de compuestos de petróleo, la toma de huellas químicas de los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y los biomarcadores mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS), y ensayos de petróleo disponibles. A continuación, se aplicó esta base de datos para evaluar su posible destino en el caso de un vertido, y para modelar tres escenarios de vertidos en diferentes mares regionales europeos usando el software ADIOS2 de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). Las huellas químicas de los petróleos seleccionados fueron evaluadas y comparadas estadísticamente para investigar las diferencias de composición más relevantes que podrían facilitar la identificación del origen de vertido. En segundo lugar, la metodología de GC-MS utilizada para crear la base de datos de las huellas químicas de los petróleos seleccionados se ha evaluado en una prueba interlaboratorio internacional. El objetivo fue investigar la capacidad que tiene esta metodología de toma de huellas químicas para identificar el tipo y el origen de las muestras envejecidas (biodegradadas) de petróleo. En tercer lugar, se ha estudiado el envejecimiento de las muestras de petróleo de los vertidos de Prestige (2002) y de la plataforma Deepwater Horizon (2010), en particular, debido a la fotooxidación. Se analizaron muestras envejecidas en el campo y en experimentos de laboratorio mediante TLC-FID, GCMS, cromatografía de gases bidimensional integrada (GCxGC) acoplada a un FID, y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) para investigar los cambios de composición tanto a nivel global como a nivel molecular. Los HAP y esteranos triaromáticos fueron de especial interés, así como los efectos de la fotooxidación en la robustez de la metodología de toma de huellas químicas de petróleo. Finalmente, se estudiaron los efectos de las muestras no tratadas y envejecidas (evaporadas, fotooxidadas) de los petróleos crudos y refinados seleccionados, utilizando el análisis dirigido por los efectos tóxicos (EDA). Las muestras se fraccionaron secuencialmente usando la cromatografía líquida en columna abierta y la cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC) semipreparativa en fase normal. Las fracciones obtenidas se sometieron a bioensayos para investigar su actividad agonista de los receptores AhR y la actividad antagonista de los receptores AR. En el siguiente paso, las fracciones más activas fueron analizadas mediante GCxGC acoplada a espectrometría de masas en tiempo de vuelo (TOFMS), y estos datos se relacionaron con los resultados de los bioensayos utilizando un modelo quimiométrico de regresión por mínimos cuadrados parciales en N direcciones (N-PLS), con el fin de identificar los compuestos responsables de los efectos observados.

Los antibióticos se usan en medicina veterinaria para curar enfermedades, para prevenirlas (uso profiláctico) y como promotores del crecimiento, aunque este último uso está prohibido en la Unión Europea desde 2006. La presencia de residuos de antibióticos en muestras alimentarias de origen animal supone un riesgo para la salud de los consumidores. Estos residuos pueden provocar problemas de alergias y toxicidad en individuos sensibles y generar resistencia bacteriana. Con el fin de proteger la seguridad alimentaria del consumidor, la UE estableció en la Regulación 2377/90/EC, unos límites máximos de residuos (MRL), es decir, concentraciones máximas de fármaco que pueden estar presentes en los alimentos de origen animal, para que sean seguros para el consumo humano. Durante esta tesis doctoral se han desarrollado y validado cuatro métodos multiresiduo para la determinación de quinolonas y β-lactamas (penicilinas y cefalosporinas) en leche de vaca siguiendo la normativa Europea 657/2002 y la guía de la FDA. Los métodos optimizados se basan en distintos tratamientos de muestra (extracción en fase sólida (SPE), microextracción líquido líquido dispersiva (DLLME) y extracción asistida por ultrasonidos seguida de una extracción en fase sólida dispersiva (USE-d-SPE)) y se analizaron por cromatografía de líquidos acoplada a la espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS). Con el fin de que la leche pueda ser apta para el consumo humano, es necesario que pase un determinado tiempo entre la última administración del antibiótico al animal y la recogida de la leche, con el fin de que pueda eliminarse del organismo los antibióticos y sus metabolitos. Si no se respeta este tiempo, la leche procedente de vacas medicadas con antibióticos puede contener residuos de éstos, además de compuestos resultantes de la metabolización en el animal. Por otro lado, también requiere que se eliminen los microorganismos patógenos a través de la aplicación de determinados tratamientos térmicos. Es de especial interés el estudio de la metabolización de los antibióticos y como pueden afectar los tratamientos térmicos sobre éstos, dando lugar a productos de transformación (TPs). Al igual que los antibióticos administrados, tanto los metabolitos como los TPs pueden provocar efectos adversos como toxicidad, alergias y en el caso de mantener la actividad antibacteriana, resistencia bacteriana. Así, en el segundo bloque de esta tesis, se ha estudiado la metabolización de diferentes antibióticos (ENR, CIP, DIF, SAR, AMOX, PENG, PIR y TIO), y la influencia de los tratamientos térmicos en la estructura de los antibióticos. Para conseguir este objetivo se han analizado diferentes muestras de leche fortificadas con quinolonas y β-lactamas, y también se han estudiado muestras de leche procedentes de animales medicados con enrofloxacina (ENR) y benzilpenicilina (PENG) y recogidas durante los tres días de tratamiento farmacológico y durante los cuatro días posteriores a la finalización de éste. Las muestras se analizaron mediante LC-ToF y LC-LTQ-Orbitrap. Se han determinado y caracterizado más de 60 TPs y metabolitos, siendo más de la mitad descritos por primera vez. / The presence of antibiotic residues in food samples from animal origin is a risk to consumer health. These residues can cause allergies and toxicity problems in sensitive individuals and create bacterial resistance. In order to protect food consumer safety, the EU established in Regulation 2377/90/EC, a maximum residue levels (MRL). During this PhD thesis four multi-residue methods for the determination of quinolones and β-lactams (penicillins and cephalosporins) in cow's milk according to the European regulation 657/2002 and FDA guidance have been developed and validated. Optimized methods are based on various sample treatments (solid phase extraction (SPE), liquid dispersive liquid microextraction (DLLME) and ultrasound assisted extraction followed by a dispersive solid phase extraction (USE-d-SPE)) and analyzed by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS / MS). If a cow medicated is milked too soon, before all antibiotic and its metabolites are eliminated from the body, residues of the administered antibiotic and their metabolites can be found in the milk. These can pass to humans through the food chain causing health problems such as allergies, toxicity and resistant bacterial strains. On the other hand, milk is treated thermally (pasteurisation and sterilization) before human consumption to eliminate pathogens microorganisms. These processes can affect the residues of antibiotics and their metabolites modifying their structures and given several transformation products (TPs). Thus, in the second part of this thesis, we have studied the metabolism of different antibiotics (ENR, CIP, DIF, SAR, AMOX, PENG, PIR and TIO) and the influence of heat treatment on the structure of antibiotics. To achieve this goal different samples of milk fortified with quinolones and β-lactams have been analyzed. Samples of milk from animals medicated with enrofloxacin (ENR) and benzylpenicillin (PENG) and collected during the three-day of pharmacologic treatment and during the four days following the end of it have also studied. Samples were analyzed by LC-ToF and LC-LTQ-Orbitrap. They have been identified and 60 characterized TPs and metabolites, over half first described