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

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

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

La industrialización de los sistemas rurales y la integración en los mercados internacionales son estrategias de desarrollo rural comúnmente propuestas en países del Sur. El modelo tecnificado de la agricultura ha provocado cambios en el uso de la tierra y en la actividad humana que pueden generar severos impactos negativos (socio-culturales, ecológicos, biofísicos) asociados a la desnutrición, la migración, la pobreza, la falta de alimentos, entre otros. Por otro lado, también induce cambios en los flujos monetarios y en el uso de energía, tales como maquinaria, petróleo, fertilizantes y semillas genéticamente modificadas, que tienen como resultado impactos negativos sociales y ambientales. En este sentido investigar temas de la seguridad alimentaria y la sostenibilidad de la agricultura son fundamentales, por ejemplo centrarse en la restricción que el uso de la tierra, suelo, agua y otros recursos naturales conlleva a la posibilidad de generar un suministro adecuado de alimentos. Por lo tanto, es importante visualizar el panorama de las tendencias actuales del progreso técnico en la agricultura a nivel mundial, con el fin de ser capaz de contextualizar la discusión de las técnicas alternativas de la producción agrícola y el desarrollo rural. La complejidad de la crisis del sector agrícola tanto en países desarrollados como en desarrollo es la inspiración de esta tesis, así mismo se profundiza en el conocimiento de las problemáticas ambientales y socio-económicas implicadas. Esta tesis considera tanto un análisis empírico como trabajo de campo a través de la integración de diferentes marcos teóricos y metodologías como son: el análisis de usos del tiempo - suelo (Land Time Budget Analysis - LTBA), aplicación de tipologías en el contexto del metabolismo social, Análisis Multiescalar del Metabolismo Social y Ecologico (MuSIASEM). Esta integración de marcos téóricos y metodológicos a diferentes niveles permite entender los desencadenantes biofísicos de conflictos agrícolas. El estudio se completa con un análisis de los procesos de toma de desiciones en las zonas de estudio. / The industrialization of rural systems and integration into international markets are commonly proposed as rural development strategies in the South. Technologized agriculture has driven changes in land use and human activity. These changes generate severe negative impacts (socio-cultural, ecological, and biophysical) associated with malnutrition, migration, poverty, and lack of food among others. In addition, it also induces changes in monetary flows and energy inputs, such as machinery, oil products, fertilizers and genetically modified seeds, which result also in negative social and environmental impacts. In this sense, and in order to address concepts such as food security and sustainable agriculture, it is essential to focus on the restrictions that the requirement of land, soil, water and other natural resources impose on the possibility of generating an adequate food supply. Therefore, it is important to visualize the trends of technical progress in agriculture at a global level in order to be able to contextualize the discussion of alternative techniques in agricultural production and rural development. The inspiration of this thesis is the complexity of the crisis in the agricultural sector in developed and developing countries while its principal purpose is to contribute in the understanding of environmental and socio-economic issues involved in agricultural changes. The research considers both empirical analysis and field work through the integration of different theoretical frameworks and methodologies such as the analysis of time and land use (Land Time Budget Analysis - LTBA), characterization of typologies in the context of societal metabolism, and multi-scale analysis. The Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM) framework is applied from a local scale, through a community to a regional one. This allows grasping the biophysical drivers that induce conflict in the study areas. Finally, the research is completed with an analysis of the decision making processes found in the study cases.

Ésta tesis tiene como objetivo evaluar el consumo de recursos del sector de la construcción, los residuos y las emisiones generadas por el sector. Ésto está motivado por el hecho de que el sector de la construcción es responsable de una gran cantidad de consumo de recursos y representa casi el 9% el valor bruto añadido al producto interno bruto del mundo. La evaluación considera la perspectiva del ciclo de vida, desde la extracción de materias primas, a través de la construcción y fabricación de productos, materiales de transporte, la construcción, la generación de residuos de demolición, el transporte de residuos, el tratamiento y disposición final. El objetivo es identificar las oportunidades y mejorar los criterios de selección de materiales, el procesado, la reutilización y el reciclado para el uso sostenible de los recursos. Debido a la complejidad de los sistemas de edificios e infraestructuras, compuestas de muchos componentes que interactúan, siempre es difícil llevar a cabo una contabilidad de los recursos precisos dentro de éste sector. En esta perspectiva, el concepto de análisis de flujo de materiales y la evaluación del ciclo de vida (ACV), y el análisis de exergía se tratan como herramientas de contabilidad de recursos y se centra en sus aplicaciones en el sector de la construcción. Además del análisis sectorial, ésta tesis, también analiza la eficiencia de los procesos de fabricación y el ciclo de vida completo de los productos con base a exergía. Todos los procesos y los productos seleccionados son relevantes para el sector de la construcción, y éste análisis tiene como objetivo proporcionar conocimientos de despersonalización en el uso de materiales del sector. En el capítulo 1, se expone el marco teórico en que los análisis de flujo de exergía y los materiales se utilizan en la evaluación del metabolismo de los recursos del sector de la construcción, que destacan la importancia de éste sector en términos de flujos de recursos y la generación de residuos y emisiones. Éste capítulo, también introduce la eficiencia exérgica y herramientas de evaluación del ciclo de vida exergéticos, que explica las limitaciones del análisis de la energía y el ACV, y cómo la aplicación de éstos métodos a base de exergía puede ofrecer mejores perspectivas sobre la eficiencia del uso de los recursos en los procesos de fabricación en toda la vida de los productos, respectivamente. La Ecología Industrial, se presenta al introducir el enfoque basado en los sistemas y el marco termodinámico en el que el sector de la construcción se analiza en este estudio. El capítulo 2, presenta los resultados de los análisis de flujo de materiales y exergía del sector de la construcción catalana en el año 2001. En ese momento, Cataluña tenía un adicional de 52 millones de toneladas de existencias de materiales para el sector y generaba 7 millones de toneladas de residuos de construcción y demolición, de los cuales sólo el 6,5% son recicladas o regeneradas. El estudio muestra que la fase de fabricación consume la mayor parte de los recursos de energía durante el ciclo de vida del conjunto de los productos, seguidos de transporte de materiales, que representa el 57% y el 4% del consumo de exergía, respectivamente. Se señala que la mejora en la selección de materiales, tecnologías de fabricación y diseño para el desmontaje, conduce a la sostenibilidad del sector, para conseguir una mejora de la eficiencia del uso de recursos. En el capítulo 3, se menciona el rendimiento exergético de los procesos de producción, tanto en el proceso de producción primaria como secundaria (reciclaje), de los materiales de construcción que se calcula, con el fin de evaluar la calidad de los materiales, las pérdidas de exergía, y el potencial de mejora de procesos. Ésto sirve para cuantificar el potencial de mejora de los procesos de fabricación actuales que abordan las deficiencias de fabricación de los nueve principales materiales de construcción no renovables: aluminio, acero, cobre, cemento, hormigón, cerámica, vidrio, polipropileno y cloruro de polivinilo. La Eficiencia Exergía basada en la segunda ley de la termodinámica es determinada con el fin de comparar la eficiencia exergía teórica y la eficiencia exergía del proceso real. La gran diferencia entre los requisitos teóricos y empíricos de exergía en los procesos de fabricación sugiere que las oportunidades para una mejor utilización de exergía industrial todavía existen, pero requieren un diseño y mejoras en la tecnología. Los resultados demuestran que los recursos se utilizan de manera más eficiente en los procesos de reciclaje, en comparación con los procesos de fabricación primaria. En esta tesis se presenta una teoría (capítulo 4) para determinar como de eficientemente se utilizan los recursos en las aplicaciones de la construcción, utilizando la metodología de análisis del ciclo de vida exergético desde un enfoque universal. Esto incluye la extracción de materias primas, la fabricación de resina y de gestión de las etapas del ciclo de vida de los residuos al final de su vida. La irreversibilidad durante el ciclo de vida completo permite evaluar el grado de perfección termodinámica de los procesos de producción y llevar a cabo la evaluación de la cadena de producción entera. Ciclo de vida global de la eficiencia exérgica de polipropileno y cloruro de polivinilo se cuantifica en 27,1% y 9,3%, respectivamente, que se caracteriza por una baja eficiencia en la fabricación y los procesos de reciclaje para ambos materiales. Desde el punto de vista de la conservación de recursos, el reciclado mecánico se ha sugerido como la opción viable para la gestión de residuos de plástico al final de su vida, ya que los materiales de bucles vuelven a su ciclo de vida original y reduce las aportaciones de recursos primarios en la producción. / This thesis aims to assess the resource consumption of the construction sector, and the wastes and emissions generated by the sector. This is motivated by the fact that the construction sector is responsible for large amounts of resource consumption and represents nearly 9% gross value added to the world’s gross domestic product. The assessment considers the life cycle perspective from raw material extraction, through construction product manufacturing, material transport, construction and demolition waste generation, to waste transport, treatment, and final disposal. The aim is to pinpoint the opportunities for improved material selection criteria, processing, reuse, and recycling for sustainable resource use. Due to the system complexity of buildings and infrastructure, composed of many interacting components, it is always challenging to undertake an accurate resource accounting within this sector. In this perspective, the concepts of material flow analysis (MFA), life cycle assessment (LCA), and exergy analysis (ExA) are discussed as resource accounting tools focusing on their applications in the construction sector. Apart from sectoral analysis, this thesis also analyzes the efficiency of manufacturing processes and products’ complete life cycle based on exergy. All the processes and products selected are relevant for the construction sector, and this analysis aims to provide deper insights into sectoral material use. Chapter 1 details the theoretical framework under which exergy and material flow analyses are used in assessing the resource metabolism of the construction sector highlighting the importance of this sector in terms of resource flows, and generation of waste and emissions. This chapter also introduces the exergy efficiency and exergetic life cycle assessment (ELCA) tools, explaining the limitations of energy analysis and LCA, and how the application of these exergy-based methods can provide better insights into resource use efficiency in manufacturing processes and throughout the products’ life, respectively. Industrial ecology (IE) is presented to introduce the systems-based approach and thermodynamic framework on which of the construction sector is analyzed in this study. Chapter 2 presents the results of material and exergy flow analyses of the Catalan construction sector for the year 2001. In 2001, Catalonia had an additional 52 million tonnes of material stock to the sector and generated 7 million tonnes of construction and demolition waste (CDW) of which only 6.5% were recycled or reclaimed. The study shows that manufacturing stage consumes the largest fraction of energy resources during the products’ whole lifecycle followed by material transport, accounting for 57% and 4% of exergy use, respectively. It is pointed out that improvement in material selection, manufacturing technologies, and design for disassembly lead to sustainability of the sector delivering improved resource use efficiency. In chapter 3, the exergetic efficiency of the production processes, both primary and secondary (recycling) production process, of construction materials is calculated in order to assess material quality, exergy losses, and process improvement potentials. This serves to quantify the improvement potentials for present manufacturing processes addressing the manufacturing inefficiencies of nine major non-renewable construction materials: aluminum, steel, copper, cement, concrete, ceramic, glass, polypropylene (PP), and polyvinyl chloride (PVC). Exergy efficiency based on the second law of thermodynamics is determined in order to compare the theoretical exergy efficiency and the real-process exergy efficiency. The large difference between theoretical and empirical exergy requirements in manufacturing processes suggests that opportunities for better industrial exergy utilization still exist but require design and/or technology improvements. The results demonstrate that resources are utilized more efficiently in recycling processes compared to primary manufacturing processes. This thesis has presented an effort (chapter 4) to pinpoint how efficiently resources are used in the construction applications, using exergetic life cycle assessment methodology in a cradle-to-grave life cycle approach. This included raw material extraction, resin manufacturing, and end-of-life waste management life-cycle stages. The irreversibility during the complete life cycle allows to evaluate the degree of thermodynamic perfection of the production processes and to conduct the assessment of the whole process chain. Overall life cycle exergy efficiency of PP and PVC is quantified 27.1% and 9.3%, respectively, characterized by a low efficiency of manufacturing and recycling processes for both materials. From resource conservation point of view, mechanical recycling has been suggested as the viable option for end-of-life plastic waste management, since it loops materials back directly into new life cycle and reduces primary resource inputs in the production.

La sostenibilidad es el gran reto de nuestra época y el único camino que asegura la supervivencia de la humanidad. Lamentablemente, este camino todavía no se ha emprendido con la determinación que requiere la gravedad de los problemas que amenazan las bases físicas de nuestra civilización. Las Agendas 21 son un instrumento de planificación para el desarrollo sostenible que cuentan con más de 15 años de historia. Teóricamente, como instrumento son muy poderosas porque se basan en la participación de los actores y en el máximo consenso social, pero prácticamente en su mayoría quedan como documentos vacíos de poder que no influyen en las decisiones y las políticas importantes. El objetivo de esta tesis es, a través del análisis de la Agenda Local 21 de la Comarca del Bages (Cataluña) y de la del Ayuntamiento de Calvià (Mallorca), señalar estos problemas de las AL21 y, a pesar de estos, demostrar su utilidad como instrumento de planificación, especialmente en casos como Kalamata, una típica ciudad griega que se enfrenta a varios retos y problemas. / Sustainability is the great challenge of our time and the only way that ensures the survival of humanity. Unfortunately this route has not yet been undertaken with the firmness required by the serious problems that threaten the physical basis of our civilization. Agenda 21 is a planning instrument for sustainable development with more than 15 years of history. In theory, as an instrument they are powerful because they are based on the participation of all the stakeholders and on the maximum social consensus but in practice the majority of them end up being empty documents unable to influence important decisions and policies. The aim of this thesis is, through the analysis of the Local Agenda 21 of the region (Comarca) of Bages (Catalonia) and the one of the Municipality of Calvià (Majorca), to point out these problems of the LA21 and, despite them, demonstrate its usefulness as a planning instrument, especially in cases such as Kalamata, a typical Greek city that is facing several challenges and problems.

En el presente trabajo se han diseñado, sintetizado y caracterizado catalizadores heterogéneos. Se ha estudiado la actividad y selectividad, de estos materiales, en el tratamiento de compuestos que comportan problemas medioambientales. Para la preparación de los catalizadores se han utilizado diferentes técnicas tales como impregnación, proceso redox y combustión. A su vez, se han sintetizado nanopartículas metálicas, depositándolas en diferentes materiales y testado su actividad catalítica. La actividad de estos catalizadores se ha comparado con catalizadores comunes en diferentes procesos. Por otro lado, se han utilizado diferentes materiales, alumina, carbón activo, ceria e hidrotalcitas, con el propósito de estudiar el efecto del soporte.La contaminación por nitratos en las aguas subterráneas es un problema importante en determinadas regiones. Esta problemática ha impulsado el estudio de la eliminación catalítica de los nitratos, en la que se enfoca la primera parte de la tesis. Este estudio se realizó en un reactor en continuo de lecho fijo. Se sintetizaron, caracterizaron y ensayaron, varios catalizadores monometálicos, bimetálicos y de nanopartículas soportadas. Una vez determinada la actividad y la estabilidad de los catalizadores se procedió a optimizar los materiales con el fin de mejorar la selectividad de éstos hacia nitrógeno. El presente trabajo ha sido el punto de partida para la puesta en marcha de una planta piloto para el tratamiento de aguas subterráneas reales contaminadas con nitratos. Próximamente será inaugurada una planta de eliminación catalítica de nitratos de aguas subterráneas con capacidad 500m3/día en las proximidades de El Morell (Tarragona).La segunda parte de la tesis se enfoca en el proceso de hidrodecloración catalítica de compuestos orgánicos clorados como el tricloroetileno. Los experimentos se llevaron a cabo en fase gas utilizando diferentes tipos de catalizadores, los cuales fueron sintetizados y caracterizados. Se emplearon diferentes catalizadores, mono y bimetálicos, para la transformación del tricloroetileno a un producto de valor añadido, como es el etileno.El presente trabajo, además de aportar conocimientos fundamentales en la catálisis heterogénea, contribuye a forjar soluciones a problemas medioambientales reales que afectan a la salud humana. / In the present study have been designed, synthesised and characterised heterogeneous catalysts. Their activities and selectivity have been studied in the treatment of compounds that present environmental problems. For the catalysts preparation different protocols such as incipient-wetness impregnation, co-impregnation, redox and combustion have been followed. In addition, metal nanoparticles were synthesized and deposited on several materials as well as tested their catalytic behaviour. The activity and the selectivity of nanoparticle catalysts with that of other catalysts in different processes were compared. On the other hand, different materials such as alumina, active carbon, ceria and hydrotalcites were used to study the role of them as catalyst supports.In the light of the current demand for drinking water, the first part of this thesis studies the catalytic hydrogenation of nitrates. The study is carried out in a fixed bed continuous reactor. Several bimetallic, monometallic and supported nanoparticle catalysts have been synthesised, characterized and tested in order to improve their activity and stability and to optimise their selectivity to nitrogen. The present study was further extended and some of the catalysts have been used as a starting point for a Pilot Plant investigation into eliminating nitrate in real ground water. At this moment, a plant is being constructed in the vicinity of El Morell, Tarragona, which can use catalysis to reduce nitrates in 500 m3/day of groundwater.The second part of the thesis deals with the catalytic hydrodechlorination of chlorinated organic compounds such as TCE. The experiments were done in gas phase. Different types of catalysts have been synthesised, characterized and tested and the final objective is to obtain an active and stable catalyst that is selective toward valuable products such as ethylene. This research aims to use catalytic technologies to contribute to solving real environmental problems that affect human life.

Soil and freshwater are two absolutely essential resources for ecosystems and humanity. Agriculture depends very much on these resources, and so, without their correct management, farmland practices can trigger many adverse impacts on the environment and jeopardise the availability of soil and water for future agricultural activities. Agricultural lands represent only 12% of the world’s land area. However, roughly 70% of water withdrawals from nature are for irrigated agriculture and 30-40% of the agricultural land is affected by soil degradation. Desertification, irreversible soil degradation, is one of the main problems for sustainability in drylands, areas that cover 40% of the earth’s surface. For these reasons, the environmental impacts of the use of water and land by agricultural activities should be measured. Life cycle assessment (LCA) is a method to construct the environmental profile of production systems. It was initially developed for industrial production, but a considerable amount of research has been undertaken in recent years to adapt LCA to agricultural systems as well. Conventional LCA methodology does not determine the environmental impacts of water and land use, which is a very significant shortcoming when evaluating the environmental performance of agricultural systems. Furthermore, contrary to other global environmental impact categories such as global warming, the environmental impacts of water and land use vary in every location of the globe, depending on the spatio-temporal conditions of the location, requiring therefore an extension of current LCA methodology. This thesis focuses on the development of the LCA methodology to incorporate the environmental impacts arising from the use of water and land. The spatio-temporal variability of these resources is taken into account in the proposed methods using the complementary tool of geographic information systems (GIS). For water use, two screening frameworks are built to capture the impacts of soil-water consumption by plants, when, until now, efforts have been directed towards evaluating the environmental impacts of irrigation water consumption. For land use, a multi-indicator approach for a new impact category, desertification, until now never modelled in the LCA context, is provided, as well as a methodology for including soil erosion impacts, in which the soil loss has been related to the loss of organic carbon, as a measure of the soil quality, and finally, to the loss of biomass productivity of ecosystems. The methods developed deal with the life cycle inventory (LCI) and the life cycle impact assessment (LCIA) phases. In addition, to verify the applicability of the developed location-dependent methods and characterisation factors, these are applied to agricultural crop rotations with energy crops growing in Spain, with the aim of quantifying the side effects of producing bioenergy on the disputed water and land resources in the country. The outcomes indicate that there is no best solution of a single crop rotation grown in a specific location capable of minimising water and land use environmental impacts simultaneously. This is because, firstly, rainfed crop rotations exhibit higher land use related impacts but, in contrast, they are not irrigated. And secondly, locations with more surface, ground and soil water reserves are subjected to more intensive and erosive rainfalls, thus, to higher land use damages. Among other important follow-up lines of research, future work should focus on the study of suitable functional units for agricultural LCA, calculate the uncertainties of the developed methods as well as try to identify a feasible and relevant geographical scale at which to address the spatial differentiation of the characterisation factors for water and land use impacts, and in general, for any location-dependent impact category. / Suelo y agua dulce son dos recursos imprescindibles para los ecosistemas y la humanidad. La agricultura depende de la disponibilidad de estos recursos, que por tanto, debe gestionar correctamente. En caso contrario, las prácticas agrícolas pueden provocar impactos adversos en el medio ambiente y poner en peligro la disponibilidad de suelo y agua para futuras actividades agrícolas. Los suelos agrícolas representan sólo el 12% de la superficie terrestre mundial. Sin embargo, aproximadamente el 70% de las extracciones de agua de la naturaleza se utilizan en la agricultura de irrigación y el 30-40% de los suelos destinados a la agricultura están degradados. La desertificación, entendida como la degradación irreversible del suelo, es uno de los mayores problemas para la sostenibilidad de las tierras áridas, áreas que cubren el 40% de la superficie terrestre. Por estos motivos, deben evaluarse los impactos ambientales debidos al uso del suelo y del agua en la agricultura. El análisis de ciclo de vida (ACV) es un método para evaluar el perfil ambiental de sistemas productivos. El ACV se desarrolló inicialmente para estudiar la producción industrial, pero en los últimos años la investigación se ha dirigido a la adaptación del método para poder aplicarlo también en los sistemas agrícolas. La metodología convencional de ACV no determina los impactos ambientales debidos al uso del suelo y del agua, siendo ésta una importante deficiencia para evaluar el perfil ambiental de los sistemas agrícolas. Además, al contrario de otras categorías de impacto ambiental global, como el calentamiento global, los impactos ambientales derivados del uso del suelo y del agua son distintos en cada lugar del planeta, en función de las condiciones espacio-temporales del sitio. Por tanto, es necesario extender la metodología actual de ACV. Esta tesis se centra en el desarrollo de la metodología de ACV para incorporar los impactos ambientales resultantes del uso del suelo y del agua. La variabilidad espacio-temporal de estos recursos se tiene en cuenta en los métodos propuestos utilizando la herramienta complementaria de los sistemas de información geográfica (SIG). Para el uso del agua, se presentan dos métodos de aproximación para medir los impactos debidos al consumo de agua de las reservas del suelo, cuando, hasta la fecha, los estudios han intentado evaluar los impactos ambientales debidos al consumo de agua para la irrigación. Para el uso del suelo, se propone una aproximación multi-indicador para modelar el impacto de la desertificación, una categoría nunca antes incluida en ACV, así como una metodología para incluir los impactos de la erosión del suelo, donde la pérdida de suelo se relaciona con la pérdida de carbono orgánico, como medida de la calidad del suelo, y finalmente, con la disminución de producción de biomasa de los ecosistemas. Los métodos desarrollados comprenden las fases de inventario de ciclo de vida (ICV) y de evaluación de impacto de ciclo de vida (EICV). Además, para comprobar la aplicabilidad de los métodos regionalizados de ACV y de los factores de caracterización desarrollados, estos se aplican en rotaciones de cultivos con cultivos energéticos en España, con el objetivo de cuantificar los efectos colaterales de producir bioenergía sobre los recursos suelo y agua, muy disputados en el país. Los resultados revelan que no hay una solución idónea, con una rotación de cultivos sembrados en una zona específica del país, que sea capaz de reducir, simultáneamente, los impactos ambientales debidos al uso de suelo y agua. Esto se debe, en primer lugar, a que los cultivos de secano muestran mayores impactos relacionados con el uso del suelo, pero, al contrario, no utilizan agua de irrigación. Y en segundo lugar, a que las zonas con más reservas de agua en superficie, acuíferos y suelos están también sometidas a lluvias más intensas y erosivas, y en consecuencia, a un mayor deterioro del suelo. Entre otras importantes líneas de investigación a seguir, próximos trabajos deben centrarse en el estudio de unidades funcionales adecuadas para el ACV de sistemas agrícolas, el cálculo de las incertidumbres de los métodos desarrollados en la tesis, así como en la identificación de una escala geográfica significativa y de aplicación factible que aborde la diferenciación espacial de los factores de caracterización para los impactos del uso del suelo y del agua, y, en general, para cualquier categoría de impacto ambiental regional.

La presente investigación pretende dar una respuesta al problema de la equidad intergeneracional estudiando las limitaciones del análisis convencional, proponiendo una alternativa y contrastando la necesidad de incorporar el requisito de sostenibilidad.Con este objetivo, en primer lugar se analiza la postura convencional y las alternativas. Se elabora una propuesta alternativa y se estudia el entramado institucional necesario para garantizar la sostenibilidad.A continuación se estudia la ponderación intergeneracional que se deriva de las preferencias de los individuos, así como las condiciones de optimalidad de las inversiones intergeneracionales.Se hace un análisis de los modelos empleados en el cambio climático, quizás el principal problema intergeneracional, y se orienta un análisis coherente con el desarrollo sostenible.Finalmente, se analiza la relación entre crecimiento económico y presión ambiental para el caso español, lo que permite contrastar la necesidad de implantar el requisito de sostenibilidad y políticas ambientales adecuadas. / This research deals with the problem of intergenerational equity. It studies the shortcomings of conventional analysis, proposes an alternative and contrasts the need to incorporate the sustainability requirement.With this object, it first analyses the conventional approach and the alternatives. It constructs an alternative and studies the institutional framework needed for ensuring sustainability.Next, it studies the intergenerational weighting derived from individual preferences, as well as the optimality conditions of intergenerational investments.The research analyses the models used for climate change, the main intergenerational problem, and give the guidelines for an analysis coherent with sustainable development.Finally, the relationship between economic growth and environmental pressure is analyzed for the Spanish case. This allows the research to contrast the necessity of implementing the sustainability requirement and appropriate environmental policies.

El presente trabajo que lleva por título ¿Mercados de servicios ambientales? Análisis de tres experiencias Centroamericanas, se basa en información recabada en Puerto Barrios, en Guatemala, Jesús de Otoro en Honduras y San Pedro del Norte en Nicaragua. Los datos presentados en esta investigación fueron recabados como parte del proyecto "Eco-mercados: estableciendo relaciones entre el marco institucional y el funcionamiento de los mercados ambientales" del Instituto de Ciencia y Tecnología Ambiental (ICTA) de la Universidad Autónoma de Barcelona. Para la realización del presente documento se obtuvo información adicional y se profundizó el análisis de los datos, lo que permitió ir más allá de lo establecido en dicho proyecto. El equipo de trabajo del proyecto estaba integrado por cinco miembros, fue liderado por los Doctores Joan Martínez-Alier y Roldán Muradian y financiado por la Fundación BBVA (Banco Bilbao Vizcaya Argentaria). El estudio tuvo una duración de veinte meses, con fase de recolección de información en campo de ocho meses. El posterior análisis de la información para presentarlo en este documento tuvo una duración de dos años, tiempo durante el cual se contó con la dirección de los Doctores Emilio Padilla Rosa y Joan Martínez-Alier. El objetivo general planteado en esta investigación consiste en hacer un análisis comparativo de caso que permita entender el surgimiento de los esquemas de Pago por Servicios Ambientales (PSA), su funcionamiento, principales logros, problemas y limitaciones. Así como establecer si funcionan dentro de un mercado en el que se cumple con los principios económicos de eficiencia, eficacia y equidad. / This study analyses three experiences in Central America. It is based on information gathered from Puerto Barrios, Guatemala, Jesús de Otoro in Honduras, and San Pedro del Norte in Nicaragua. The information presented in this research was collected as a part of the project "Ecomercados" of the Institute of Science and Environmental Technology (ICTA) from the Autonomous University of Barcelona. For this document additional information was gathered, and the data was analyzed in depth, which allowed going beyond the original objectives of this project. The Project team was integrated by five members, and leaded by professors Joan Martínez-Alier and Roldán Muradian. The work was sponsored by the Foundation BBVA (Banco Bilbao Vizcaya Argentaria). The study was developed in twenty months. The field research lasted eight months, and the analysis required to present it in this document lasted two years. During this time, Emilio Padilla Rosa and Joan Martínez-Alier have provided advisory support. The overall objective was to analyze study cases to understand the origins of Payment for Environmental Services (PES) schemes, the way it works, its main achievements, problems and limitations. In order to establish if they work under market conditions, accomplishing the principles of efficiency, efficacy and equity.