Los estudios que se han realizado en la presente tesis doctoral se basan en el desarrollo de una metodología de síntesis y caracterización de sistemas nanoestructurados como recurso innovador para la recuperación de arsénico en efluentes contaminados y la depuración de dichos efluentes. Estos materiales tienen como elemento común, el uso de las Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPION), con las que se han realizado diferentes estudios de adsorción para evaluar los parámetros de adsorción óptimos (tiempo de contacto, efecto del pH y de la concentración). Dichos estudios han permitido determinar la máxima capacidad de adsorción del SPION a la hora de extraer el elemento contaminante y observar como se ve afectada dicha capacidad de adsorción, en función de la especie existente del elemento contaminante. La elección de SPION se fundamenta en el empleo de la fuerte interacción Fe-As demostrada en muchos compuestos naturales, así como por su capacidad magnética. A partir de éste estudio, se han desarrollado diferentes sistemas adsorbentes en modo no soportados, basados en la funcionalización del SPION (NanoComposites) o bien empleando sistemas soportados, ya sean con esponja de celulosa (Forager® Sponge) impregnada de SPION o los más novedosos, sistemas basados en nanofibras (de acetato de celulosa y poliacrilonitrilo). En este último caso, dichos sistemas son sintetizados vía electrospinning y cargados con SPION con el objetivo de incrementar la superficie específica de adsorción y facilitar su posible aplicación en muestras reales. Todos los sistemas desarrollados disponen de un valor añadido, ya que las propiedades magnéticas del SPION permiten recuperar las nanopartículas que pueden quedar expuestas en las disoluciones contaminadas de una manera rápida y efectiva, evitando así, una contaminación con nanopartículas del efluente tratado. El trabajo realizado, ha permitido optimizar tanto la síntesis de SPION, vía co-precipitación, como el desarrollo y caracterización de los sistemas adsorbentes. Adicionalmente, tras determinar la máxima capacidad de adsorción para cada uno de los sistemas, se ha estudiado la selectividad de dichos sistemas por las especies de arsénico en presencia de iones metálicos (Cu2+, Ni2+ o Zn2+) y/o de los aniones más comunes en aguas (cloruro, nitrato, sulfato y fosfato). En lo referente a los estudios de especiación, se han aplicado técnicas de especiación directa (técnicas de radiación sincrotrón) e indirecta (acoplamiento HPLC-ICP-MS) para determinar la selectividad de los materiales frente a las diferentes especies inorgánicas de arsénico (arsenito o arsenato), obteniéndose resultados satisfactorios que denotan una elevada selectividad por As(V). Por otra parte, se han evaluado las características y propiedades de los diferentes sistemas adsorbentes. Dicha actividad ha comportado el empleo de diversas técnicas analíticas, desde la microscopia (SEM y TEM) que permiten conocer el tamaño, distribución y morfología de las nanopartículas y nanofibras, hasta técnicas que proporcionan información sobre las características estructurales y propiedades físico-químicas de los materiales. Así pues, los estudios llevados a cabo para la realización de esta tesis doctoral proporcionan un significativo avance en el desarrollo de una serie de potenciales sistemas adsorbentes, los cuales pueden ser aplicados para la eliminación de contaminantes altamente tóxicos como el arsénico en muestras reales. Dicha aplicación, se caracteriza por unos valores de eficiencia, eficacia y selectividad comparables, cuando no superiores a materiales existentes en el mercado. Un ejemplo de la transferencia tecnológica derivada de esta tesis doctoral, es la patente solicitada “Filtro de tratamiento de líquidos con nanopartículas de magnetita y procedimientos correspondientes”. Ref: P201330144 y con fecha de prioridad del 6 de Febrero de 2013. / The studies that have been carried out in the present PhD thesis Project are based in the development of a synthesis methodology and characterization of nanostructured systems as an innovative facility for the recovery of arsenic from contaminated effluents and the purification of these effluents. These adsorbent materials have a base element, Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPION). With this nanoparticles have carried out arsenic adsorption experiments to evaluate the optimum adsorption parameters (contact time, pH effect and concentration effect). These studies have made it possible to determine the maximum adsorption capacity of SPION when the contaminant element is extracted, observe how is affected this adsorption capacity depending of the contaminant element existing specie. It is expected to use the high affinity and string interaction between Fe-As as it is proved in several natural compounds. Then, taking into account the previous work with SPION, different adsorbent systems have been developed, non-supported nanostructured systems by SPION surface functionalization (NanoComposites) or supported nanostructured systems as SPION loaded over a cellulose sponge (Forager® Sponge) and the most innovative, SPION loaded electrospun nanofibrous systems (with polymers such as cellulose acetate and polyacrylonitrile). In this last case, these systems have been synthesized by electrospinning techniques with the main aim of increase the specific surface area and to make easier the real sample applications. These nanostructured systems have an added value because of the SPION magnetic properties let recover the nanoparticles that are exposed in the contaminates solutions in a quick and effective way, avoiding then, an unwanted contamination with nanoparticles of the treated effluent. The developed work have made possible the SPION Synthesis by co-precipitation method was optimized and the development and characterization of the nanostructured adsorbent systems were performed successfully. Thus, apart from the maximum adsorption capacity determination for each system, arsenic selectivity of this systems was performed in presence of metal ions (Cu2+, Ni2+ o Zn2+) and/or in presence of most common interfering anions in water (chloride, nitrate, sulphate and phosphate). Regarding the speciation studies, direct (Synchrotron radiation techniques) and indirect (Hyphenated HPLC-ICP-MS) speciation techniques were put in practice to determine the selectivity of each system for the different inorganic arsenic species, arsenite or arsenate, obtaining successfully results of the arsenate selectivity for all systems. Furthermore, the characteristics and the properties of the adsorbent systems have been evaluated. Several techniques have been used, from microscopic techniques (SEM y TEM) that let measure and understand the size, distribution and morphology of nanoparticles and nanofibers, to other techniques as X-ray diffraction (XRD) or magnetization measures (SQUID) that provide information about structural characteristics and physico-chemical properties. All in all, this work provides knowledge, demonstrated advances and different nanostructured adsorbent systems that can be potentially applied to remove highly toxic contaminants such as arsenic. An example of the appropriate technologic transference derived from the PhD. Thesis is the Spanish Patent “Filtro de tratamiento de líquidos con nanopartículas de magnetita y procedimientos correspondientes”. Ref: P201330144 with priority date on Febrery 6th, 2013.

El objetivo general de la presente tesis fue la evaluación de la adición de enmiendas de origen orgánico para la inmovilización de metales pesados en suelos contaminados. Se caracterizaron ocho materiales: un compost generado a partir de residuos orgánicos municipales (MOW), un compost de origen doméstico (DOM), un material compostado producido con residuos sólidos urbanos (MSW), un material compuesto por residuos vegetales (GW), dos materiales derivados de la industria del aceite de oliva (OWH y OP) y dos biochars (BF y BS). Se determinaron propiedades relevantes para la disponibilidad de los metales pesados en suelos, como el pH, capacidad de neutralización ácida (ANC), contenido de materia orgánica en la fase sólida y en solución, etc. Además del análisis estructural (FTIR y 13C-NMR), se evaluó su capacidad de sorción de metales pesados (Cd, Cu, Ni, Pb y Zn), mediante la determinación del coeficiente de distribución sólido-líquido (Kd) a concentraciones crecientes de metal, y posterior ajuste de las isotermas de sorción a modelos de Freundlich y lineal. A partir de los resultados en cuanto a ANC, pH y capacidad de sorción, se seleccionaron MOW, GW, BF y BS como los materiales más idóneos para la inmovilización de metales pesados en suelos contaminados. Se evaluó la viabilidad del modelo NICA-Donnan para predecir las isotermas de sorción de algunos materiales orgánicos y de un suelo orgánico. Utilizando los parámetros de sorción genéricos, se observó que las isotermas de sorción predichas por el modelo para los materiales discreparon de los datos experimentales, con alguna excepción para el caso de Cu. Esta discrepancia fue atribuida a la baja concentración y al bajo grado de estabilización de las sustancias húmicas presentes los materiales. En cambio, las isotermas predichas para el suelo orgánico coincidieron con los datos experimentales, especialmente para Cd, Cu y Zn. El proceso de optimización para el suelo orgánico permitió obtener isotermas que se ajustaron de forma excelente con los datos experimentales y demostró que algunos parámetros variaron hasta dos órdenes de magnitud respecto a los valores genéricos iniciales. Los cuatro materiales seleccionados en la primera fase de la tesis fueron utilizados para enmendar cinco suelos contaminados de características contrastantes en cuanto a pH, ANC, carbono orgánico disuelto (DOC) y contenido total y extraíble de los metales. Se realizaron ensayos de lixiviación de metales en un amplio intervalo de pH. En paralelo, las mezclas también fueron caracterizadas en cuanto a pH, ANC y DOC. Las reducciones más importantes de metal extraíble se observaron en aquellos suelos con menor pH y ANC inicial, enmendados con materiales de elevada ANC y pH. En algunos casos, se observó el posible rol adicional del aumento de la capacidad de sorción sobre la disminución de la lixiviación producto de la adición de enmiendas. Finalmente, se evaluó la estabilidad de las enmiendas una vez adicionadas a los suelos contaminados. Se prepararon mezclas con tres suelos contaminados y tres enmiendas. Las muestras se sometieron a ciclos de secado y mojado sucesivos para acelerar el envejecimiento. Durante el tiempo de envejecimiento se determinaron las propiedades fisicoquímicas relevantes de las muestras, tales como pH, ANC, DOC y capacidad de sorción. El proceso de envejecimiento no comportó cambios significativos en ninguna de las propiedades clave de la interacción suelo/enmienda-metal. El mayor efecto en la inmovilización de metales se produjo inmediatamente después de la adición de las enmiendas y se mantuvo hasta el final de experimento. De este modo, el efecto de las enmiendas sobre las propiedades fisicoquímicas y la lixiviación de metales en los suelos fue persistente en el tiempo. / The aim of this work was the evaluation of the addition of organic wastes and biochars for the immobilisation of heavy metals in contaminated soils. Eight materials were tested: a compost derived from organic waste (MOW), a compost derived from food leftovers (DOM), a compost derived from municipal solid waste (MSW), a green waste material (GW), two biochars (BF and BS) and two by-products from the olive oil industry (OP and OWH). Key physicochemical properties for the immobilisation of heavy metals were evaluated, such as pH, ANC, TOC and DOC. The sorption capacity of metals (Cd, Cu, Ni, Pb and Zn) was evaluated by means of the determination of the solid-liquid distribution coefficient (Kd). The obtained isotherms were fitted to Freundlich and linear models. From pH, ANC and sorption capacity results, MOW, GW, BF and BS were selected as the best materials for the immobilisation of heavy metals in contaminated soils. The viability of NICA-Donnan model for the prediction of sorption isotherms for some of the tested materials and an organic soil was evaluated. Sorption isotherms calculated from the generic parameter set of the model were in disagreement with respect to materials. This disagreement was related to the low organic matter content and low stabilization of organic matter in the materials. On the other hand, predicted isotherms for the organic soil were in agreement with experimental data, especially for Cd, Cu and Zn. Parameter optimisation for the organic soil resulted in sorption isotherms that accurately fitted to experiment, with some parameters that differed up to two orders of magnitude from generic parameters. Four materials were employed to amend five contaminated soils with differing physicochemical properties in terms of pH, ANC, DOC, total and water soluble metal content. Leaching experiments were performed on the mixtures in a broad pH range. Samples were also characterized with respect to pH, ANC and DOC. Most important reductions in metal leaching were observed in soils with low pH and ANC amended with materials with high pH and ANC. In some cases, the effect of sorption capacity on the reduction of metal leaching was also observed. Finally, the stability of amendments was evaluated in soil+amendment mixtures by means of drying-wetting cycles to accelerate aging. Relevant physicochemical properties remained constant until the end of the experiment. The largest effect on metal immobilization was observed immediately after amendment addition, while the effect of aging was minor. In this way, tested amendments have proven to be stable during aging period.

Un dels avantatges més importants de la cromatografia de líquids d'alta resolució (HPLC) és la seva capacitat de separar diferents substàncies d'una barreja degut a les interaccions que els diferents compostos tenen tant amb la fase estacionària com amb la fase mòbil. Així doncs, entendre la retenció cromatogràfica és un aspecte força interessant ja que, si es coneix com els diferents anàlits es comporten durant el procés d'elució, es poden desenvolupar models que permetin predir la retenció dels anàlits i facilitar així el disseny de mètodes de separació. Addicionalment, per obtenir separacions completes entre anàlits, cal que els pics cromatogràfics no es solapin, per la qual cosa convé que siguin el més estrets possible. Per aquest motiu, comprendre les causes que provoquen l'eixamplament de pic i tractar de minimitzar el seu efecte és també un tema de gran interès a l'hora de realitzar separacions cromatogràfiques. Precisament aquests dos camps, el d'analitzar els factors que contribueixen a l'eixamplament de pic i el de la predicció de la retenció cromatogràfica, són dos dels temes que es tracten en aquesta tesi. La columna cromatogràfica és l'element que majoritàriament causa que els pics siguin més o menys amples, per la qual cosa caracteritzar la columna i la seva fase estacionària resulta clau per tal d'entendre l'eixamplament de pic. La manera més habitual d'avaluar la qualitat d'una columna és a partir de la coneguda equació de van Deemter i, en el cas d'aquesta tesi, una caracterització més detallada s'ha dut a terme estimant la contribució que cadascun dels seus termes (dispersió d'eddy, difusió i resistència a la transferència de massa) té en l'amplada de pic final. Com a resultat d'aquest estudi, s'ha desenvolupat un full Excel en què aquest procés de caracterització es du a terme de manera sistemàtica. Quant a l'estudi de la predicció de la retenció, és la fase mòbil la que juga un paper important. La retenció cromatogràfica dels anàlits depèn tant de la fase estacionària com de la fase mòbil, però la facilitat amb la qual es pot modificar aquesta última és la que la fa ser clau en aquest estudi de la retenció. En aquest sentit, la dependència de la retenció d'un anàlit amb la composició de la fase mòbil fa que establir una relació fiable entre aquests paràmetres sigui necessari per tal que els models de predicció que en depenguin siguin acurats, fet que és especialment complicat en mode gradient ja que aquest és un mode d'elució en el que la composició de la fase mòbil varia durant el procés. Addicionalment, per a anàlits ionitzables, paràmetres fisicoquímics com el pH de la fase mòbil o el pKa del propi anàlit també depenen de la composició de la fase mòbil, fet que fa que predir la retenció d’aquest tipus d’anàlits sigui encara més complicat. En aquest treball es proposa un model que depèn de dos paràmetres, model que s’ha validat per a una gran varietat de condicions experimentals com ara diferents gradients, diversos valors de pH de la fase mòbil i diferents modificadors orgànics. Addicionalment, en aquesta tesi també es proposa una optimització al mètode clàssic de shake-flask per determinar la lipofilicitat de substàncies. Les millores, encarades a satisfer les noves necessitats de la indústria farmacèutica, consisteixen en fer-lo apte per a un interval ampli de lipofilicitat (des de -2 fins a 4.5) i utilitzant una petita quantitat de mostra. D’acord amb aquesta optimització, també es van proposar diferents particions (relacions de volum entre ambdues fases) i es van desenvolupar diversos procediments experimentals capaços de dur a terme les mesures. Els resultats obtinguts van ser força satisfactoris tant a nivell d’exactitud com de precisió. / The main purpose of this PhD thesis is the thorough study of the chromatographic retention in RP-HPLC. In order to achieve this goal, the contributions to chromatographic retention from both the stationary and the mobile phase have been studied, as well as some of the most relevant physicochemical parameters involved in the elution process. To study the stationary phase, a detailed characterization of chromatographic columns, based on the van Deemter equation, has been performed. In it, the different terms in this equation (eddy dispersion, diffusion and mass transfer) have been assessed individually and their contribution to HPLC band broadening has been evaluated. In this sense this thesis provides an Excel spreadsheet that works as a tool able to characterize stationary phases in a systematic and efficient way. In order to address the chromatographic retention itself several prediction models have been proposed, models that are able to successfully predict the retention in gradient mode of ionizable analytes, both acids and bases. The models have been tested using a selected set of compounds, which includes some drugs with complex structures, under a large variety of experimental conditions such as different mobile phase pH values, different gradient patterns and two different organic modifiers. As an important part to the development of these predicting models, the dependence of several physicochemical parameters (such as the mobile phase pH or the analyte pKa) with the composition of the mobile phase (fraction of organic modifier) has been thoroughly studied. Additionally, this thesis also proposes an optimization to the well-known shake flask method, the reference method for the determination of drug lipophilicity (both log P and log D parameters). The two key improvements of the suggested optimization are using a low amount of drug and increasing the lipophilicity range where the shake-flask method could be applied, aspects that make the method more suitable for the new needs of the pharmaceutical industry, since companies synthesize their drug candidates, which may have a large variety of lipophilicity values, in low quantities.

El modelo de agricultura actual requiere del uso de plaguicidas para mantener la producción a los niveles exigidos por una población mundial que está en continuo aumento. A pesar de sus numerosos detractores, el uso de plaguicidas es muchas veces inevitable, por lo que es habitual encontrar residuos de estos compuestos en productos vegetales y en el medio ambiente. El establecimiento de Límites Máximos de Residuos (MRLs) es uno de los aspectos más importantes en el proceso de autorización de productos fitosanitarios. Para vigilar el cumplimiento de MRLs en alimentos, es necesario implantar rigurosos programas de control, principalmente en productos vegetales. Para ello, se debe disponer de metodologías analíticas avanzadas, apropiadamente validadas, que sean capaces de detectar, identificar y cuantificar todo tipo de plaguicidas a niveles de concentración del orden de (sub)mg/kg. Los métodos analíticos deben incluir también metabolitos relevantes cuando están contemplados en la definición de residuo. Los acoplamientos cromatografía (tanto de gases como de líquidos)/espectrometría de masas son absolutamente fundamentales para este fin. Los MRLs surgen como una exigencia de la sociedad actual, y son de obligado cumplimiento. Pero muchas veces suponen una verdadera traba comercial, sobretodo en el mercado internacional, pues la superación de un MRL hace que el producto exportado no pueda comercializarse, debiendo ser destruido o devuelto a su país de origen. Por ello, es importante que todos los productos vegetales cuenten con los estudios requeridos para el establecimiento de MRLs, los cuales deben realizarse bajo los principios de las Buenas Prácticas de Laboratorio (BPL). En ausencia de dichos estudios, se suele establecer un MRL por defecto, correspondiente al límite de cuantificación (LOQ) del método analítico propuesto por el fabricante. En la práctica, esto implica que, si el plaguicida se aplica sobre el cultivo en cuestión, será muy probable que queden residuos y que se supere el MRL. Esta situación afecta a muchas frutas tropicales de Latinoamérica para las que los MRLs se han estimado por extrapolación a partir de frutas semejantes o bien se han fijado por defecto en el LOQ del método. La ausencia de metodologías analíticas para frutas tropicales es un hándicap importante, tanto para el establecimiento de MRLs como para el control de residuos en productos de consumo doméstico, y también en los destinados a la exportación. En esta Tesis Doctoral se ha desarrollado metodología analítica avanzada para frutas tropicales de elevado consumo en Colombia y de alto interés en sus exportaciones. Además de los métodos desarrollados para frutas tropicales, se ha trabajado también en la determinación de plaguicidas en suelos latinoamericanos. Una parte importante de la Tesis se ha centrado en la problemática analítica del glifosato, el herbicida más utilizado del mundo, cuyas dificultades analíticas son bien conocidas. La técnica usada en todos los trabajos ha sido cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS) con analizador de triple cuadrupolo, considerada técnica de referencia en la actualidad para la determinación de plaguicidas y metabolitos/productos de transformación, la mayoría de los cuales son de polaridad media-alta y baja volatilidad, adecuados, por tanto, para ser abordados por esta técnica. Después de una Introducción General (Capítulo 1), en la que se discuten diversos aspectos de interés sobre el tema tratado en la Tesis, el trabajo experimental se ha organizado en tres partes bien diferenciadas. En la primera parte (Capítulo 2), se desarrolla metodología multirresidual para la determinación de plaguicidas en frutas tropicales y en suelos de Latinoamérica. Los dos primeros trabajos corresponden al desarrollo y validación de métodos multirresiduo para frutas exóticas provenientes de Colombia, que son de vital importancia para el país pues gran parte de sus exportaciones agrícolas están centradas en este tipo de productos. De acuerdo con la bibliografía, la mayoría de frutas tropicales estudiadas no disponían de métodos publicados para residuos de plaguicidas. En esta Tesis se pretende que los métodos sean sencillos y rápidos, con la menor manipulación de muestra posible, con el objeto de minimizar errores analíticos, y poderlos transferir fácilmente a laboratorios de Latinoamérica. En el primer método (artículo científico 1) se escogió una extracción con acetonitrilo, usando trituración/homogeneización con Ultraturrax. El LOQ objetivo (nivel más bajo validado con muestras fortificadas sometidas al proceso analítico completo) fue 0.05 mg/kg. El método se desarrolló para 29 plaguicidas en siete frutas tropicales (uchuva, maracuyá, pitahaya, tamarillo, gulupa, papaya y granadilla). En el segundo método (artículo científico 2), se amplió el número de matrices tropicales hasta doce, añadiendo cinco más de frecuente consumo en Colombia (lulo, carambolo, feijoa, mangostán y guayaba). El número de compuestos estudiados se redujo a 20, considerando los más detectados en el primer estudio y también metabolitos incluidos en la definición de residuo. Para la extracción se aplicó el procedimiento QuEChERS, en su versión Europea (CEN 2009), basada en el uso de tampón citrato. El objetivo fue rebajar el LOQ hasta 0.01 mg/kg, que es el valor más bajo incluido normalmente en los MRLs. En ambos trabajos, se prestó especial atención al estudio del efecto matriz y a posibles estrategias para una corrección sencilla y de fácil aplicación en laboratorios de rutina. Se propusieron dos procedimientos para su corrección: 1) calibrado en matriz, agrupando varias tipos de muestras y escogiendo una de ellas como matriz representativa para la preparación de la curva de calibrado (gulupa, pitahaya y tamarillo se analizaron usando calibrado en matriz de gulupa; maracuyá, papaya y granadilla, usando calibrado de maracuyá; y uchuva, usando su propio calibrado en matriz); 2) calibrado en solvente, aplicando factores de corrección para cada combinación analito/matriz, basados en las diferencias de pendientes entre calibrado en matriz y calibrado en solvente. En ambos métodos, se procedió a la validación a los niveles de LOQ y 10xLOQ con resultados satisfactorios para la mayoría de plaguicidas y matrices (recuperaciones entre 70 y 120%, RSD < 20%). Por último, los métodos desarrollados se aplicaron al análisis de muestras reales, introduciendo numerosas muestras control de calidad (QC) para asegurar la robustez y fiabilidad del método en su aplicación al análisis de estas muestras. Este capítulo finaliza con el desarrollo de metodología analítica multirresiduo para suelos agrícolas de Argentina, siguiendo la misma filosofía de trabajo en cuanto al tratamiento de la muestra (artículo científico 3). En colaboración con el Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) de Balcarce (Argentina), se seleccionaron 18 plaguicidas de amplio uso en Argentina y se estudiaron 11 suelos representativos de ese país. Se empleó una sencilla extracción sólido-líquido con acetonitrilo usando agitación mecánica seguida de ultrasonidos. Después de una centrifugación, el extracto del suelo se diluyó x 2 con H2O y se inyectó directamente en el sistema LC-MS/MS. En este trabajo se evaluó el efecto matriz para los 11 suelos estudiados. El método se validó satisfactoriamente a 0.5 y 0.05 mg/kg, siendo este último el LOQ objetivo del método. La cuantificación se llevó a cabo mediante calibrado externo con patrones en solvente. En su aplicación a los suelos objeto de estudio, se incluyeron QCs para cada suelo analizado. Las recuperaciones de los QCs fueron satisfactorias en la gran mayoría de combinaciones analito/suelo. Con ello, la metodología desarrollada fue testada y validada demostrando su «universalidad» para suelos muy diferentes, con notables variaciones en sus características físico-químicas. En todos los métodos multirresiduo desarrollados en este capítulo, se adquirieron dos transiciones por compuesto y se evaluaron las relaciones de intensidad (ion ratio), con el fin de asegurar la correcta identificación de los compuestos detectados en las muestras. En la segunda parte de la Tesis (Capítulo 3) se aborda la problemática analítica del herbicida glifosato en suelos latinoamericanos, por un lado, y en productos vegetales (principalmente cereales), por otro. Los trabajos llevados a cabo en suelos condujeron a la publicación de un artículo (artículo científico 4), cuyo objetivo fue desarrollar un método rápido, robusto y mejorado para residuos de glifosato y su principal metabolito AMPA en suelos complejos, con altos contenidos de materia orgánica. Las muestras estudiadas fueron tomadas de Argentina y Colombia, países en los que este herbicida es utilizado con regularidad para el control de malezas y/o para la erradicación de cultivos ilícitos de coca. Cabe destacar que en Argentina la soja transgénica, resistente al glifosato, representa la práctica totalidad de la soja cultivada, con lo que el consumo de glifosato, principalmente mediante aplicaciones aéreas, es muy elevado. El análisis de suelos se realizó sobre la base de los trabajos previos de nuestro grupo, en lo relativo a la extracción y a las condiciones de derivatización con FMOC. La investigación se centró en la etapa de clean-up, la cual resultó crítica debido al fuerte efecto matriz observado en estos suelos (supresión de ionización del orden del 90%, e incluso mayor), que no se había observado en los suelos españoles analizados hasta entonces. Para ello, se aplicó SPE probando dos tipos de sorbentes (Oasis MAX y HLB), a diferentes pH, antes y después de la derivatización con FMOC. Los mejores resultados se obtuvieron con Oasis HLB, realizando el clean-up del extracto del suelo antes de derivatizar con FMOC, previo ajuste a pH 9. En estas condiciones, tanto glifosato como AMPA, pasaron a través del cartucho Oasis HLB sin sufrir retención, y la derivatización se realizó sobre el eluato no retenido después de pasar por el cartucho de SPE. El uso de patrón interno marcado de glifosato fue fundamental para poder cuantificar correctamente. El método se validó en cuatro suelos, dos Argentinos y dos Colombianos, a dos niveles de concentración (0.5 y 5.0 mg/kg). El límite de cuantificación (LOQ) objetivo fue 0.5 mg/kg. Se analizaron 26 suelos de diferentes áreas de Colombia (15) y Argentina (11). Para garantizar la calidad de los análisis se intercalaron varias muestras QC, cuyas recuperaciones fueron en general satisfactorias. Los suelos Colombianos fueron particularmente problemáticos, especialmente para el AMPA, para el que no se cumplía la relación de intensidades entre las transiciones adquiridas (Q/q) en varias muestras. Ambos compuestos se detectaron en el 90% de las muestras, encontrándose las concentraciones más altas en los suelos de Colombia. Todos los positivos se confirmaron usando, al menos, dos transiciones MS/MS, siendo necesario que la relación Q/q y el tiempo de retención estuvieran dentro de las tolerancias máximas admitidas en las guías SANCO. Se observó que en varios suelos las transiciones medidas estaban interferidas por componentes co-extraídos, por lo que fue importante adquirir todas las transiciones posibles, con el fin de disponer de alternativas en caso de interferencias. La situación del AMPA fue aún más problemática en términos de confirmación, ya que tan sólo se pudieron optimizar dos transiciones, y una de ellas (la de cuantificación) estaba interferida en la mayoría de las muestras, hecho que dificultó en gran medida los análisis. En nuestro trabajo se sugiere aumentar la tolerancia en la relación Q/q hasta 50%, como valor más realista para la identificación en este tipo de análisis. En el segundo trabajo (artículo científico 5) se desarrolla metodología analítica para la determinación de residuos de glifosato en cereales y soja. El trabajo se centró exclusivamente en glifosato, ya que en la definición de residuos propuesta por la EFSA no incluye su principal metabolito AMPA. El objetivo principal fue evitar la etapa de derivatización, intentando la determinación directa del herbicida. Para ello, se probaron diferentes columnas de LC, seleccionando finalmente la mix-mode Obelisc N, que fue la que proporcionó mejor retención para este compuesto. Las matrices objeto de estudio se seleccionaron entre las de mayor interés por la posible presencia de este compuesto (arroz, soja y maíz), y que además se encuentran entre las de mayor uso en transgénicos resistentes al glifosato. La metodología desarrollada también se aplicó a muestras de trigo, maíz, gluten de maíz y guisantes. Este trabajo fue encaminado a realizar el menor tratamiento posible de muestra, intentando alcanzar un compromiso entre efecto matriz aceptable y menor tiempo de análisis. La extracción del glifosato en las muestras se hizo con agua mediante ultrasonidos. En matrices con alto contenido en grasa (maíz, soja) se añadió una partición liquido-liquido con diclorometano y, en el caso de la soja, se procedió a la eliminación de las proteínas mediante precipitación con acetonitrilo. Como en el resto de trabajos realizados en la Tesis, se dedicó especial atención al estudio del efecto matriz, que fue notorio en las matrices de maíz y soja, con fuertes supresiones de señal. La metodología desarrollada se validó a dos niveles de concentración, con LOQ objetivos de 0.1 mg/kg para arroz y maíz, y 2 mg/kg para soja, valores altos pero suficientes para controlar el cumplimiento de MRLs en la Unión Europea. El uso del patrón interno marcado fue clave para la cuantificación correcta del analito, al corregir el efecto matriz aún observado después del tratamiento de muestra, especialmente en soja y maíz. La ventaja de este método es que no resulta necesaria una etapa previa de derivatización, pero su principal inconveniente es la poca robustez y rápida degradación observada en la columna Obelisc N, más evidente a mayor complejidad de la matriz inyectada (ej. soja). Este hecho, unido a su elevado precio, hace que, de momento, este método sea poco atractivo para análisis de rutina, a pesar de proporcionar resultados analíticos satisfactorios. Cabe esperar que, en un futuro próximo, aparezcan nuevas columnas, más robustas y menos costosas, que permitan la separación cromatográfica del glifosato sin los inconvenientes mencionados. Finalmente, para completar el trabajo con la técnica LC-MS/MS y ampliar su campo de aplicación a nivel de residuos, en la tercera parte de esta Tesis se ha abordado (Capítulo 4) la determinación de drogas de abuso en aguas residuales urbanas (cocaína, su principal metabolito benzoylecgonine (BE), anfetamina, metanfetamina, el principal metabolito del cannabis 11-nor-9-tetrahidrocannabinol-9-carboxilic acid (THC-COOH), ketamina, 6 Monoacetylmorphine (6 MAM) y 3,4-methylen-dioxy-metamphetamine (MDMA, éxtasis). En este caso, se hizo uso de metodología analítica ya desarrollada por nuestro grupo de trabajo, por lo que la investigación se centró en el tratamiento e interpretación de los resultados obtenidos en el análisis de aguas residuales (influente urbano) de las ciudades de Castellón y Murcia, por un lado, y Bogotá y Medellín, por otro. El objetivo del trabajo fue determinar los niveles de concentración de drogas en las aguas y, a partir de los resultados obtenidos, estimar la carga diaria de estas drogas en las aguas residuales de estas poblaciones. En aquellos casos en los que se disponía de información suficiente y contrastada sobre la excreción del metabolito/biomarcador en orina, se pudo hacer una estimación del consumo de droga en la población (caso de la cocaína y su metabolito BE). Este tipo de estimaciones se enmarcan en lo que se conoce como epidemiología de las aguas residuales (Wastewater-Based Epidemiology, WBE). Los resultados obtenidos en esta Tesis mostraron que en todas las ciudades los niveles más altos, con diferencia, correspondían a la BE, con muchas muestras superando los 1000 ng/L (1 ppb). Las concentraciones de BE fueron más altas en las aguas residuales de Colombia, que también presentaron unos niveles altos de cocaína, considerablemente superiores a los de las dos ciudades españolas. Cabe destacar los niveles relativamente altos de THC-COOH, cuyas concentraciones en las aguas de las ciudades españolas y colombianas fueron bastante similares (concentraciones en general entre 100 y 300 ng/L). Además de estas dos drogas, que parecen ser las más consumidas por la población, se detectó MDMA en la mayoría de muestras, a concentraciones por debajo de 30 ng/L, excepto en el fin de semana en Bogotá en donde alcanzó los 60 ng/L. La ketamina sólo se detectó en las muestras de Colombia, en concentraciones inferiores a 30 ng/L. Se pudo estimar el consumo medio de cocaína a partir de los datos de BE en las aguas residuales teniendo en cuenta su excreción media en orina. El valor estimado para Castellón (550 mg/día/1000h) y Murcia (850) fue semejante al reportado en estudios realizados en 2011 para ciudades españolas. El consumo en Bogotá pareció encontrarse también en esta misma línea (750), por debajo de ciudades europeas como Amberes o Ámsterdam, en donde llega hasta casi 2000 mg/día/1000h. Sin embargo, Medellín estuvo por encima de todas las ciudades europeas, con un valor medio de 3000 mg/día/1000h. En cuanto al cannabis, las cargas medias encontradas para su biomarcador THC-COOH en las aguas residuales fueron semejantes en las cuatro ciudades estudiadas (entre 33 y 49 mg/día/1000h). Estos valores son del mismo orden que los encontrados en Milán, Bratislava, Sarajevo, Zagreb, Amberes, Bruselas, Praga o Valencia, pero inferiores a los de Barcelona, París, Eindhoven, Utrecht o Ámsterdam, todos ellos con cargas próximas o ligeramente superiores a 100 (200 en el caso de Ámsterdam, ciudad en la que es conocida su política liberal en el consumo de cannabis). Las cargas medias de MDMA fueron bajas en comparación con las de cannabis y BE, y semejantes en las cuatro ciudades (valores medios entre 1.5 y 4.4 mg/día/1000h). Estos resultados están en la línea de los reportados en ciudades como Zagreb, Milán, Oslo, Valencia, Castellón o Santiago, y son significativamente inferiores a los reportados en Barcelona, Amberes, Zúrich, Londres o Ámsterdam, ciudades en las que frecuentemente se superan los 30-50 mg/día/1000h. La ketamina tan sólo se detectó en las aguas de Colombia, en las dos ciudades estudiadas Bogotá y Medellín, con valores medios de 3.8 y 1.5 mg/día/1000h, respectivamente. Cabe destacar que los datos obtenidos en esta Tesis son los primeros reportados en la bibliografía sobre ciudades de Colombia.

Plastic scintillation microspheres (PSm) are a solid dispersion of one or more fluorescent solutes encapsulated within a polymeric matrix. PSm appear as an alternative to the use of liquid scintillation cocktails for radioactivity determination with the advantage of avoiding the mixed waste, for the measurement of salty samples, for performing measurements in continuous, or for employing them as a medium to join the measurement and separation steps. However, PSm are not completely available in the market, since only a few providers supply them at a high cost and with a limited range of sizes and compositions. This thesis has been focused in two main objectives. The first one has been the evaluation of the feasibility of different methodologies to produce PSm, starting at laboratory scale and addressing their production at a higher scale. The second one has been to increase the knowledge about the energy transfer mechanism through the evaluation of different quenching agents and different organic scintillators. The production of PSm was successfully performed through organic solvent extraction/evaporation methodology (E/E). Other techniques based on drying, the Spray Drying (SD) and the supercritical antisolvent (SAS) were also evaluated. The E/E allowed the production of PSm at laboratory and at large scale with features and radiometric performances comparable to those of the commercial ones, and also producing PSm with the ability for alpha/beta discrimination. On the other hand, SD and SAS proved to produce PSm and polystyrene based submicron particles, respectively, which enabled the measurement of radioactivity but involving a high associated operational cost and a low production yield. Finally, the evaluation of the energy transfer mechanism was performed by conducting a systematic study of the interference of several quenching agents when different organic scintillators were employed. Moreover, the wide range of PSm diameters obtained allowed the study of the relationship between the size and the radiometric capacities, resulting in a better understanding of the energy transfer mechanism through the evaluation of the particle and optical quenching. / Las microesferas de centelleador plastico (PSm) son una dispersión sólida de uno o más solutos fluorescentes disueltos y encapsulados en una matriz polimérica. Su diámetro puede variar desde los pocos hasta varios centenares de micrómetros. Las PSm han aparecido como una alternativa al uso de los cócteles de centelleador líquido para la mayoría de las deteminaciones de radionucleidos de media y alta energía, con la ventaja de que al estar polimerizadas se evita la producción del residuo mixto (mezcla de residuos orgánicos y radioactivos). Por otro lado, las PSm son de utilidad en las medidas de muestras salinas, de sistemas de medida en continuo y además sirven de soporte para la inmovilización de extractantes selectivos a determinados radionucleidos. Sin embargo, las PSm no están completamente disponibles en el mercado, ya que existen sólo un par de casas comerciales capaces de proveerlas a un alto coste y con un rango limitado de diámetros y composiciones. El presente trabajo ha sido enfocado en dos objetivos principales. El primero, ha sido evaluar diferentes metodologías que permitan la producción de PSm de diferentes diámetros y composiciones a escala de laboratorio para superar la dependencia sobre los proveedores comerciales y a su vez, ampliar su uso en nuevas aplicaciones. El segundo objetivo, ha sido explorar el mecanismo de transferencia de energía en las medidas de radionucleidos cuando se emplean las PSm. La síntesis de PSm se llevó a cabo por medio de diferentes técnicas. La primera, basada en la evaporación/extracción del disolvente orgánico. Dicha técnica permitió la producción de PSm con un alto rendimiento y con características físicas y capacidades radiométricas similares a las de las microesferas de centelleador plástico de origen comercial. También permitió la evaluación de la encapsulación de los solutos fluorescentes, la producción de microesferas con capacidad para discriminar partículas alfa y beta, la evaluación de los parámetros de síntesis para optimizar la producción y además se empleó para producir PSm a una mayor escala que la empleada en el laboratorio (prueba de concepto con equipos industriales). Por otro lado, la producción de PSm mediante las técnicas basadas en el secado del disolvente orgánico (Spray Drying y antidisolvente supercrítico). Dichas técnicas permitieron la producción de PSm y de partículas poliméricas centelleadoras de tamaño submicrométrico, respectivamente, capaces de medir la radioactividad. Sin embargo, resultaron en un alto coste operacional asociado y bajos rendimientos de producción. Finalmente, la evaluación del mecanismo de transferencia de energía se llevó a cabo mediante el estudio sistemático de diferentes interferentes (NaCl, BaCl2, glicerina, nitrometano y naranja de metilo) y distintos centelleadores orgánicos (PSm de diferentes diámetros, cóctel de centelleador líquido y cóctel de centelleador gel) para la medida de dos emisores beta de baja y alta energía, 3H y 36Cl, respectivamente. Adicionalmente, teniendo en cuenta el amplio rango de diámetros de PSm obtenidos mediante las diferentes metodologías, fue posible realizar algunas observaciones sobre la relación de las capacidades radiométricas de diferentes radionucleidos respecto al tamaño de diámetro de las PSm, basadas principalmente en los fenómenos de quenching de partícula y de quenching óptico.

Tesi realitzada a l'Institut de Diagnòstic Ambiental i Estudis de l'Aigua (IDAEA-CSIC) / Els contaminants orgànics persistents (COP) són un ampli grup de substàncies orgàniques molt resistents a la degradació fotolítica, biològica i química en el medi ambient, fet que els concedeix llargs temps de vida mitja en sòls, sediments, aire o biota. Això, sumat a la gran dispersió arreu del planeta d’aquests contaminants degut al seu transport a llargues distàncies (per les seves propietats físico-químiques) i a la seva toxicitat, fa que els COP esdevinguin un problema a escala global. Les dioxines (PCDD/Fs) i els bifenils policlorats similars a les dioxines (dl-PCBs) són dues de les principals famílies de COP, conegudes per la seva gran toxicitat i el seu potencial carcinogènic. Els dl-PCBs van ser produïts per a diverses aplicacions industrials, però durant les dècades dels 70 i dels 80 es va prohibir la seva producció a la majoria dels països industrialitzats. Les dioxines no han estat mai produïdes a propòsit, però són subproductes de diverses activitats industrials i processos de combustió. En les darreres dècades s’ha començat a prendre consciència de la perillositat d’aquestes substàncies tant pel medi ambient com per a la salut humana i s’han establert diverses regulacions per a controlar les seves emissions al medi així com organismes internacionals de control de COP com el Conveni d’Estocolm, que compromet els països signants a controlar els seus nivells ambientals existents. Les mostres analitzades en aquesta tesi en territori espanyol formen part dels compromisos adquirits amb el Conveni d’Estocolm. En aquesta tesi s’han analitzat els nivells de PCDD/Fs i dl-PCBs presents en diferents matrius ambientals i en diferents àrees, tant continentals com oceàniques, per tal de tenir una visió més global de la seva distribució i compartimentació ambiental, així com dels diferents processos que defineixen el seu destí final. Per una banda s’han analitzat ous de gavina, considerats un excel·lent bioindicador, en 5 parcs naturals distribuïts en la zona costanera d’Espanya durant 4 anys, analitzant les diferències espacials, temporals i entre dues espècies de gavina cohabitants en la mateixa àrea. Les gavines es troben situades en una alta posició de la cadena tròfica marina, fet que fa que l’acumulació de COP a través de la dieta sigui important. En cada posta es transfereix una part d’aquests contaminants als ous, esdevenint un bon bioindicador ambiental. Per altra banda s’han analitzat diverses mostres atmosfèriques de zones terrestres en diferents localitzacions d’Espanya i Colòmbia, en zones rurals/remotes, urbanes i industrials, utilitzant tant captadors actius, amb els que s’ha col·lectat la fracció de PM10, com captadors passius. En les 12 estacions espanyoles s’han recollit mostres des del 2008 fins a l’actualitat en cada estació de l’any, observat les tendències temporals i estacionals de les àrees estudiades. A Colòmbia l’estudi es centra en una ciutat andina, situada a més de 2000 metres d’altitud i propera a un volcà actiu. L’estudi de la fracció de PM10 amb captadors actius, al mateix temps que l’estudi atmosfèric amb els captadors passius, ha permès analitzar la diferent compartimentació de dioxines i bifenils policlorats en l’atmosfera i observar les seves principals fonts d’emissió. Entre els aspectes més innovadors d’aquesta tesi en podem destacar un darrer apartat que mostra els resultats de PCDD/Fs i dl-PCBs obtinguts en àrees oceàniques. L’oceà obert es considera un ambient clau en la dinàmica global dels contaminants degut a la seva enorme cobertura espacial de la superfície terrestre, el seu elevat potencial de degradació i la seva capacitat d’actuar com a reservori i desguàs de substàncies químiques antropogèniques. La seva amplitud espacial i el difícil accés a la recol·lecció de mostres fa que existeixin poques o nul·les dades sobre els nivells de PCDD/Fs i dl-PCBs en l’oceà obert. Durant la campanya de circumnavegació Malaspina 2010 a través de les zones tropicals i subtropicals dels oceans Atlàntic, Pacífic i Índic van ser recollides i analitzades 39 mostres atmosfèriques (fase gas i aerosol) i 29 mostres de plàncton. Amb les mostres atmosfèriques s’ha pogut conèixer els nivells atmosfèrics oceànics globals i avaluar la degradació i la deposició seca atmosfèrica de les PCDD/Fs i els dl-PCBs, parametritzant amb les dades de deposició seca per tot l’oceà, la quantitat d’aquests contaminants que es dipositen anualment sobre la superfície oceànica des de l’atmosfera. Els resultats de PCDD/Fs i dl-PCBs en el plàncton oceànic són els primers que s’obtenen ja que fins ara només existien dades d’algunes zones costaneres. S’han pogut estudiar els diferents processos biogeoquímics que determinen els nivells de contaminants en el plàncton oceànic així com la biodilució, la influència de la deposició atmosfèrica i els fluxos verticals associats a la sedimentació de matèria orgànica (bomba biològica) per tal de poder entendre i identificar les dinàmiques i el destí final dels contaminants orgànics persistents en l'Oceà Obert.

Esta tesis doctoral abarca el uso de técnicas avanzadas de análisis (HPLC-QTOF, HPLC-QqQ-MS/MS y LC-LTQ-Orbitrap) y software computacional (Artificial Neural Networks (ANNs), Sieve, MsXelerator) desde la predicción de tiempo de retención cromatográfico a la detección cualitativa y cuantitativa de productos farmacéuticos y drogas ilícitas en aguas residuales y superficiales de toda Europa. El uso de espectrometría de masas de baja y alta resolución, como triple cuadrupolo (QqQ), cuadrupolo tiempo de vuelo (QTOF) y trampa de iones lineal (LTQ) Orbitrap, permite el análisis exhaustivo de contaminantes emergentes en aguas ambientales, mediante análisis “target” (QqQ), “suspect” (QTOF y LTQ-Orbitrap) y “non-target” (LTQ-Orbitrap). La predicción del tiempo de retención, tanto por un método basado únicamente en logKow como por un método más complejo y preciso basado en ANNs, ha demostrado ser una gran herramienta complementaria en los análisis “suspect” y “non-target”, especialmente para los compuestos cuyos patrones no estaban disponibles. / This doctoral thesis covers the use of advanced analytical techniques (UHPLC-QTOF, UHPLC-QqQ-MS/MS and LC-LTQ-Orbitrap) and computational software (Artificial Neural Networks (ANNs), Sieve, MsXelerator) from the prediction of chromatographic retention time to the qualitative screening and quantification of pharmaceuticals and illicit drugs (PIDs) in wastewater and surface water from around Europe. The use of (hyphenated) low and high resolution mass spectrometry such as triple quadrupole (QqQ), quadrupole time-of-flight (QTOF) and Linear ion Trap (LTQ) Orbitrap, allows comprehensive analysis of emerging contaminants in environmental waters, through the use of target (QqQ), suspect (QTOF and LTQ-Orbitrap) and non-target (LTQ-Orbitrap) analyses. The additional investigation of retention time prediction, both a simple approach based solely on logKow and a more complex and precise method based on ANNs, has proven itself a great complementary tool in suspect and non-target approaches, especially for compounds for which reference standards are not available.

En un periodo de tiempo determinado, solamente una fracción de la cantidad total de una sustancia química presente en la columna de agua o en el sedimento está en forma bioaccesible o biodisponible. Por otra parte, aun cuando la fracción disuelta de un contaminante puede ser muy baja y a veces indetectable, una exposición muy larga puede dar lugar a su acumulación por parte de los organismos. Esta cuestión es especialmente relevante para los contaminantes hidrofóbicos, que tienden a persistir en el ambiente uniéndose a las partículas de sedimento y a ser acumulados por la biota. Una determinación precisa del riesgo asociado a la presencia de estos contaminantes en el medio acuático debe partir de medidas que tengan en cuenta su disponibilidad espacial y temporal para los seres vivos en cada circunstancia. La tesis se enmarca en este contexto y se centra en dos grupos de contaminantes haloaromáticos: el histórico pesticida diclorodifeniltricloroetano (DDT) y sus productos de transformación (DDX, en conjunto) y los retardantes de llama difeniléteres polibromados (PBDE), incluidos más recientemente en la legislación. El objetivo general era el desarrollo y aplicación de métodos analíticos con los que medir sus concentraciones en las distintas fases o compartimentos del medio acuático que fuesen representativas exposición real de los organismos vivos. En la primera parte de la tesis, se empleó una técnica moderna para la extracción cuantitativa en sedimento y en peces, adecuada a los requisitos normativos actuales de exhaustividad para la vigilancia de contaminantes. Para ello, se optimizó un método analítico mediante extracción selectiva con líquidos presurizados (SPLE) acoplada a cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS) que permitió realizar una extracción y purificación simultánea de las muestras con una reducción importante del tiempo de análisis, la manipulación de la muestra y el uso de disolventes frente a métodos tradicionales. Los métodos optimizados fueron aplicados para el análisis de PBDE y DDX en muestras de sedimentos y peces procedentes de distintos puntos de la costa peninsular y en la cuenca del río Ebro. La metodología desarrollada permitió, además, la detección en estas muestras de hexabromociclododecano (HBCD), un retardante de llama que comenzaba a utilizarse como sustituto de los PBDE y cuya presencia en el medioambiente apenas había sido descrita en ese momento. El análisis de las muestras demostró las diferencias relativas con que los peces acumulan cada uno de los analitos respecto a sus cantidades en el sedimento. Posteriormente, se evaluaron dos tipos de técnicas biomiméticas que utilizan una fase sustituta para cuantificar el contaminante bioaccesible y bioacumulable en el medio. En primer lugar, la extracción exhaustiva de los contaminantes presentes en los sedimentos realizada mediante el método de SPLE fue comparada con la extracción acuosa con Tenax®, lo que permitió cuantificar la fracción susceptible de pasar a la fase disuelta en periodos concretos de tiempo o fracción bioaccesible. La existencia de fracciones residuales de contaminante que mantienen asociados a la fase particulada de manera casi irreversible, diferentes según los analitos, es una de las causas que contribuyen a la formación de los patrones diferenciales entre biota y sedimento. Por último, dentro de la línea de trabajo de técnicas biomiméticas, se evaluó la aplicabilidad de distintas versiones de un dispositivo de muestreo pasivo en fase experimental, el Chemcatcher®, capaz de acumular los PBDE y DDX disueltos en el medio y proporcionar una medida promediada en el tiempo. Los límites de detección obtenidos indican que este sistema podría ser apto para el monitoreo de estos contaminantes en cuerpos de agua muy contaminados como efluentes de depuradoras, pero no para determinar las concentraciones en que se suelen encontrar en aguas superficiales. / In a given period of time, only a fraction of the total amount of a chemical present in the water column or in the sediment is bioaccesible or bioavailable. In turn, even though the dissolved fraction of a contaminant may be very low, sometimes undetectable, a long exposure can lead to accumulation by the organisms. This issue is especially relevant for hydrophobic contaminants, as they tend to persist in the environment bound to sediment particles and to be accumulated by biota. The thesis is focused on two groups of pollutants haloaromatics: the historical pesticide dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) and its transformation products, and the flame retardants polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), most recently included in legislation. The overall objective was the development and application of analytical methods by which to measure their concentrations in different phases or compartments in the aquatic environment that take into account the spatial and temporal availability for living beings. In the first part of the thesis, a modern technique for quantitative extraction from sediment and fish, adapted to current regulatory requirements of exhaustiveness for monitoring of pollutants, was used. In order to do so, an analytical method by selective extraction with pressurized liquids (SPLE) coupled to gas chromatography and mass spectrometry (GC-MS) was optimized. Optimized methods were applied for the analysis of sediment and fish samples from different parts of the mainland coast and the Ebro river basin. The developed methodology also allowed detection of hexabromocyclododecane (HBCD), a flame retardant that was just beginning to be used as a substitute for PBDEs and whose presence in the environment had just been described in that time. Afterwards, two types of biomimetic techniques using a surrogate phase for measuring the bioavailable and bioaccumulative pollutant in the medium were evaluated. First, the exhaustive extraction of contaminants in the sediment carried by SPLE method was compared with the aqueous extraction with Tenax®, allowing to quantify the fraction susceptible of passing to the dissolved phase in specific time periods or bioaccessible fraction. Finally, within the line of work of biomimetic techniques, the applicability of different versions of an experimental passive sampling device, the Chemcatcher®, able to accumulate PBDEs and DDX dissolved in the medium and provide a time-averaged measure was assessed.

Food and drinking water are the principal routes of exposure to arsenic (As) for humans. More than 50 different naturally occurring As-containing compounds have been identified. Regarding the toxicological aspects of arsenic in food, inorganic arsenic (iAs, (arsenite or As(III) and arsenate or As(V)) is considered to be the most dangerous form and is classified as a nonthreshold, class 1 human carcinogen. The organic forms are mainly considered to be non-toxic. Therefore, species-dependent differences in toxicity must be considered when establishing the maximum tolerated levels in food directives. Recently, maximum levels have been fixed for iAs in rice and rice products in EU legislation. Scientific opinions on arsenic in food were issued by the European Food Safety Authority and the FAO/WHO Joint Expert Committee on Food Additives, focusing on dietary iAs exposure. Both reported the urgent need for further data on As species, particularly iAs data, in food groups that provide a significant contribution to the dietary exposure to iAs. As a general recommendation, dietary exposure to iAs should be reduced. Furthermore, the organisations also called upon further initiatives towards development of validated methods for specific and selective determination of inorganic arsenic in various types of foodstuffs. In view of the above, the main goal of this thesis was to develop and validate robust analytical methodology for the determination of iAs as well as other arsenic species in foodstuffs. As external quality control of the validated methods, the validated methods were tested participating in feasibility studies for the preparation of Certified Reference Materials with certified arsenic species and in proficiency tests for iAs determination The proposed methodology was applied to rice and rice products, infant cereals, cereal-based food, seaweeds, mushrooms, fish, bivalves and crustaceans, providing reliable results in response to demands made by international safety agencies. Additionally, daily dietary exposure to tAs and iAs intake to assess the toxicological implications of the ingestion of the selected foodstuffs was estimated. The main conclusions derived from the work conducted in this doctoral thesis are summarized as follows: - The proposed speciation method was successfully validated according to the ISO/IEC 17025:2005 standard, is sensitive and selective and could be considered fit for purpose, i.e. iAs determination in food. This method is straightforward enough for routine analysis for the determination of toxic iAs and other arsenic species in several foodstuffs, even in challenging matrices such as those of marine origin. Furthermore, since maximum limits of iAs in rice and rice products have recently been established by the European Union, the method could be useful in food control laboratories. - Based on our results on marine foods, wide variability in arsenic species can be expected when dealing with seafood such as seaweeds, bivalves and crustaceans, highlighting the need to carry out speciation to discern the toxic from the non-toxic species. On the other hand, only toxic iAs species were found in cereal products and iAs was the major As compound found in rice products, highlighting the importance of these food groups as a possible source of iAs in rice and cereal-based diets. - All arsenic speciation data obtained in this thesis are useful for assessing the daily intake of arsenic in the Catalan population. Furthermore, these results may contribute to on-going discussions regarding establishing and implementing maximum levels in inorganic arsenic in food commodities, as recommended within the European Union. - The average estimated iAs daily intake in the adult Catalan population is below the EFSA and JECFA BMDL ranges, but given the ratio between iAs intake and some BMDL for distinct end points, the possibility of risk for high consumers of rice and rice products cannot be excluded. / El interés en la determinación de arsénico inorgánico (iAs) en los alimentos se debe al amplio reconocimiento de sus efectos tóxicos en los humanos, incluso a bajas concentraciones. Varios métodos de especiación de arsénico se han publicado, sin embargo es necesario establecer su idoneidad para una serie de muestras de alimentos y /o especies de arsénico Además, existe una necesidad urgente de métodos analíticos robustos y validados y adecuados para la determinación de arsénico inorgánico en una gama de productos alimenticios. Esta necesidad se destacó por varias agencias internacionales de seguridad y salud, y por las organizaciones encargadas de establecer los niveles máximos de la iAs en los productos alimenticios. En vista de todo esto, el objetivo principal de esta tesis es desarrollar y validar metodología analítica robusta para la determinación de arsénico inorgánico, así como otras especies de arsénico en alimentos. La metodología propuesta es aplicada a arroz, alimentos a base de cereales, productos infantiles, setas, algas, peces, crustáceos y bivalvos proporcionando resultados fiables como una respuesta a la demanda de las agencias internacionales de seguridad. Las principales conclusiones derivadas del trabajo llevado a cabo en la presente tesis doctoral se resumen a continuación: • El método de especiación propuesto fue validado con éxito de acuerdo con la norma 17025 ISO/IEC: 2005, es sensible y selectivo y podría ser considerado apropiado para su finalidad, es decir, la determinación de iAs en los alimentos. Este método es sencillo para análisis de rutina para la determinación del tóxico iAs y otras especies de arsénico en varios productos alimenticios, incluso en matrices difíciles tales como las de origen marino. Además, debido a que límites máximos de iAs en arroz y productos de arroz han sido recientemente establecidos por la Unión Europea, el método podría ser útil en los laboratorios de control de los alimentos. • La ingesta diaria promedio de iAs estimada en la población adulta Catalana está por debajo de los rangos BMDL de la EFSA y JECFA, pero teniendo en cuenta relación entre la ingesta de iAs y algunos BMDL para distintos puntos finales, la posibilidad de riesgo para los grandes consumidores de arroz y productos de arroz no pueden ser excluidos.

L'administració continuada d'antibiòtics veterinaris genera recel en el consumidor degut a l'increment de casos de resistència microbiana i d'al•èrgies a medicaments per la presència de residus en aliments d'origen animal. Per aquestes raons, la Unió Europea ha establert límits màxims de residus (MRL) per a les drogues veterinàries permeses en aliments d'origen animal i un nivell de concentració mínim a detectar (minimum required performance limit, MRPL) als mètodes analítics que determinen substàncies prohibides (Reglament 37/2010). Atesa la importància del control de la presència de residus d'antibiòtics en aliments d'origen animal, és necessari disposar de mètodes d'anàlisi ràpids, senzills i amb bona selectivitat i sensibilitat. Les excel•ents prestacions de l'espectrometria de masses tant pel que fa a sensibilitat, selectivitat i a la gran quantitat d'informació estructural que ofereix, especialment acoblada a tècniques de separació, fan que avui dia sigui l'eina de referència en molts laboratoris analítics per a la determinació de compostos orgànics regulats. Per aquest motiu, aquesta tesi està centrada en l'aplicació de l'espectrometria de masses a l'anàlisi de dues famílies d'antibiòtics veterinaris, els fenicols i els aminoglicòsids. En aquesta tesi s'ha estudiat, d'una banda, la separació cromatogràfica dels compostos seleccionats (fenicols i aminoglicòsids) mitjançant cromatografia de líquids acoblada a l'espectrometria de masses amb l'objectiu de desenvolupar mètodes d'anàlisi. L'elevada polaritat dels aminoglicòsids i d'alguns dels fenicols comporta que presentin una baixa retenció en les fases estacionàries convencionals d'octadecilsilà. En aquest context, s'ha avaluat tant la utilització de fases estacionàries alternatives a les d'octadecilsilà per a afavorir la retenció de compostos polars, com els avenços en el desenvolupament de les partícules del rebliment cromatogràfic (partícules sub-2 iim i de nucli sòlid) per a millorar tant les eficàcies com les resolucions obtingudes. Per a la separació dels fenicols, els millors resultats es van obtenir amb la columna de partícula de nucli sòlid fenil-hexil, que va permetre aconseguir una separació ràpida i eficaç i amb una retenció suficient per al metabòlit polar florfenicol-amina. Pel que fa referència als aminoglicòsids, s'ha proposat l'ús d'una columna amb fase estacionària multimodal que proporciona adequada retenció i elució dels anàlits sense necessitat d’emprar formadors de parell iònic o concentracions elevades de sals en la fase mòbil. Els mètodes LC- MS/MS desenvolupats, han demostrat bons paràmetres de qualitat i s'ha aconseguit arribar a la sensibilitat necessària per a determinar els anàlits al nivell de concentració fixat pel MRL de cada matriu. D’altra banda, s’ha estudiat el comportament per espectrometria de masses de les famílies de compostos esmentades, i s’han establert les rutes de fragmentació per poder determinar les transicions més sensibles i selectives. L’estudi de les rutes de fragmentació també ha permès la identificació d’un ió característic per als fenicols, que pot ser emprat en mètodes de cribratge per a la identificació de compostos anàlegs. També s’ha estudiat la formació d'adductes en espectrometria de masses en tàndem amb diferents analitzadors de masses, fenomen que pot distorsionar els espectres de fragmentació i dificultar la identificació de compostos en base a aquests. Així, s’ha determinat que els factors clau en la formació d’aquests adductes són la configuració de l’instrument, especialment pel que respecta a la disposició de la font d’ionització, la humitat del gas de col·lisió emprat i el temps de residència en l’analitzador. Finalment, s’ha aplicat l’anàlisi per injecció en flux (FIA) acoblat a l’espectrometria de masses d’alta resolució pel desenvolupament d'un mètode de cribratge ràpid per a l'anàlisi directa i global de nous productes estupefaents. En aquest cas, s’han avaluat les estratègies d’identificació per espectrometria de masses més adients per a la identificació de compostos desconeguts que han permès identificar la presència de medicaments humans i veterinaris (benzocaïna, levamisol) com a adulterants en mostres d’estupefaents així com la presència de metamizol en una mostra fraudulenta de cocaïna. / The impact of the residues of veterinary drugs on human health is considered one of the biggest problems of the 21st century. For this reason, maximum residue levels (MRLs) for these compounds in foodstuffs of animal origin have been established in many countries. So, there is a need for fast, sensitive and selective methods for the control of the presence of said residues in foods. Liquid chromatography coupled to mass spectrometry is the technique of choice for method development, as it provides high sensitivity and selectivity and high quality spectral information. In this work fast, sensitive and selective LC-MS methods for the determination of two families of veterinary drugs, phenicols and aminoglycosides, in foodstuffs from animal origin have been developed. The liquid chromatography separation of these polar analytes has been evaluated using different stationary phases to achieve good retention and elution for all compounds. A fused-core phenyl-hexyl column has been proposed for the separation of phenicols, whereas a mixed-mode column has been used for the highly polar aminoglycosides. Moreover, the behavior of phenicols and aminoglycosides has been studied using different atmospheric pressure ionization sources to determine the most intense and selective product ions for quantitation and confirmation and to propose their fragmentation pathways. Also, multistage tandem mass spectrometry has been utilized to propose new structures and fragmentation mechanisms for the product ions used for quantitation and confirmation of the studied compounds. Ion-molecule adduct formation inside the mass analyzer has been observed, which can lead to dubious identifications due to the presence of product ions of m/z difficult to explain. So, the importance of several factors such as instrument configuration and CID gas purity in adduct formation has been examined. Finally, the applicability of a direct analysis method such as FIA coupled to high resolution mass spectrometry has been evaluated for the wide-range screening of psychoactive substances. Data dependent analysis has been employed to obtain high quality spectral information that allowed the identification of target, suspect and unknown compounds in the samples. Moreover, the use of in silico fragmenter softwares in combination with the structural information from the product ion scan spectra has been proposed for the identification of unknown compounds.