L’augment en la generació de residus sòlids municipals (RSM), principalment degut al creixement de la població i als nous patrons de consum, és un assumpte important per a la Unió Europea (UE) i per la majoria de països d’arreu del món. Polítiques sostenibles per a la gestió dels RSM han estat components claus en les directives de la UE (Directives 1999/31/EC and 2008/98/EC). Aquesta tesis doctoral te com a objectiu estudiar les tecnologies per al tractament dels RSM i avaluar els impactes ambientals derivats de l’ús de la matèria orgànica (compost) com a fertilitzant en cultius. Els estudis s’han basat en la anàlisis del cicle de vida utilitzant les metodologies CML i ReCipe. El capítol 2, fa referencia a l’avaluació ambiental de l’autoclavatge de residus, tecnologia que fins al moment ha estat principalment utilitzada per a l’esterilització de residus sanitaris. Els resultats de l’avaluació ambiental dels processos autoclave, separació i tractament biològic varen ser comparats amb els escenaris d’incineració i abocador. Els resultats mostraren, que els sistemes que consideraven la digestió anaeròbica, tenien els menors impactes per les categories d’eutrofització i escalfament global. En canvi, la incineració obtingué els millors resultats per la resta de categories d’impacte ambiental estudiades. Per altra banda, l’abocador obtingué els majors valors en totes les categories d’impacte. El capítol 3, correspon al segon cas d’estudi que es va dur a terme per comparar els resultats ambientals i agronòmics de dos compost (industrial i casolà) amb fertilitzant mineral. Els fertilitzants varen ser aplicats a cultius de coliflor. Els resultats varen mostrar un major rendiment agronòmic (fruita·ha-1) per cultius abonats amb fertilitzant mineral; en canvi, el millor perfil ambiental va ser pels cultius fertilitzats amb compost casolà. El capítol 4, correspon al tercer cas d’estudi en el qual dos composts procedents d’auto-compostatge van ser produïts mitjançant dos sistemes de gestió diferents, la diferent gestió va donar lloc a diferències significatives en termes d’emissions. Les emissions de metà, òxid nitrós i amoníac van ser experimentalment mesurades en ambdós composts. Els resultats mostraren que les emissions d’òxid nitrós i metà contribuïren considerablement a la categoria d’impacte d’escalfament global. En canvi, les emissions d’amoníac contribuïren a les categories d’acidificació, eutrofització i oxidació fotoquímica. Es va observar que aquestes emissions gasoses depenien considerablement de les pràctiques de gestió durant la producció del compost, tals com: qualitat i tipus de residus, freqüència de barreja del compost, control rigorós d’algunes característiques fotoquímiques (humitat, pH, temperatura), entre d’altres. El Capítol 6, correspon al quart cas d’estudi en el qual es va comparar la idoneïtat ambiental de fertilitzants orgànics i minerals en una seqüència de cultius de coliflor i tomàquet. A més a més, es compararen dos procediments per l’assignació del compost als cultius. El primer basat en el temps de duració del cultiu i el segon en el grau de mineralització del nitrogen al sòl. En general, el cultiu de coliflor mostrà un millor perfil ambiental que el del tomàquet en totes les categories d’impacte estudiades. Per altra banda, els impactes totals de la seqüència de cultius (suma d’impactes de la coliflor i tomàquet) varen ser menors que els impactes individuals (coliflor i tomàquet) pels tres tractaments de fertilització. Finalment, la Tesis conclou recomanacions per la gestió dels residus orgànics (Capítol 5). Aquestes recomanacions varen ser enfocades a la producció de compost domèstic i la seva aplicació hortícola. S’inclou un model V2V “vegetals a vegetals”. Aquest és un model de bucle tancat que comença des de els residus de cultius (hortalisses, vegetals i fruites) fins la transformació d’aquests novament en fertilitzants orgànics per ser aplicats a cultius. Les recomanacions van dirigides als agricultors i qualsevol persona interessada en la producció de compost domèstic. / El aumento en la generación de residuos sólidos municipales (RSM) debido al crecimiento de la población y nuevos patrones de consumo es un asunto importante en la Unión Europea (UE) y para la mayoría de países alrededor del mundo. Políticas para la gestión de los RSM de una manera sostenible han sido componentes claves en las directivas de la UE (Directives 1999/31/EC and 2008/98/EC). Esta tesis doctoral tiene como objetivo estudiar tecnologías para el tratamiento de los RSM y evaluar los impactos ambientales originados por usar la materia orgánica como fertilizante en cultivos. Los estudios están basado en el análisis del ciclo de vida usando las metodologías de CML and ReCipe. Capítulo 2, se refiere a la evaluación ambiental de la autoclave, la cual es una tecnología normalmente utilizada para la esterilización de residuos farmacéuticos. Esta tecnología ofrece la posibilidad de recuperar una parte importante de los RSM mezclados tales como: la fibra orgánica (OF) y los reciclables. Los resultados de la evaluación ambiental de los sistemas (autoclave + separación + tratamiento biológico) fueron comparados con incineración y vertedero. Los resultados indicaron que los sistemas que consideraron la digestión anaeróbica tuvieron los menores impactos para las categorías de eutrofización y calentamiento global. Mientras que, incineración tuvo los mejores resultados para el resto de las categorías estudiadas. Capítulo 3 corresponde al segundo caso de estudio el cual se llevó a cabo para comparar los resultados ambientales y agronómicos de dos composts (industrial y casero) con fertilizantes minerales. Los fertilizantes fueron aplicados a cultivos de coliflor. Los resultados mostraron un mejor rendimiento agronómico (fruta· ha-1) para los cultivos fertilizados con fertilizante mineral pero el mejor desempeño ambiental fue para los cultivos fertilizados con el compost casero. Capítulo 4, corresponde al tercer caso de estudio, en el cual dos composts caseros fueron producidos por dos sistemas de gestión de producción diferentes en los cuales se observaron diferencias significativas en términos de emisiones. Emisiones de metano, óxido nitroso y amoniaco fueron experimentalmente medidos para ambos composts. Los resultados mostraron que las emisiones de óxido nitroso, y metano contribuyeron considerablemente en la categoría de calentamiento global. Mientras que las emisiones de amoniaco contribuyeron en las categorías de acidificación, eutrofización y oxidación fotoquímica. Se observó que esas emisiones gaseosas dependen considerablemente de las prácticas de gestión cuando se produce el compost, tales como: calidad y tipo de residuos, frecuencia de mezclado del material, control riguroso de algunas características físico-químicas tales como: humedad, pH, y temperatura, entre otras. Capítulo 6, corresponde al cuarto caso de estudio en el cual se comparó el desempeño ambiental de fertilizantes orgánicos y minerales en una secuencia de cultivos de coliflor y tomate. Además se compararon dos procedimientos para la asignación del compost a los cultivos. El primero estuvo basado en el tiempo de duración del cultivo y el otro en el grado de mineralización del nitrógeno en el suelo. En general, el cultivo de coliflor mostró un mejor desempeño ambiental que el del tomate en todas las categorías de impacto estudiadas. Por otro lado, en ambos cultivos, el tratamiento de fertilización realizado con compost casero mostró un menor impacto ambiental que el compost industrial y el fertilizante mineral en la mayoría de las categorías estudiadas. Por otro lado, los impactos totales de la secuencia de cultivos (suma de impactos de la coliflor y el tomate) fueron menores que los impactos individuales (coliflor y tomate) para los tres tratamientos de fertilización. Finalmente, la tesis incluye recomendaciones para la producción y gestión de los residuos orgánicos (Capítulo 5). Estas recomendaciones se enfocaron en la producción de compost doméstico y su aplicación en horticultura. Se incluye el modelo V2V “vegetables to vegetables” que es un modelo de bucle cerrado empezando desde la generación de residuos de cultivos (hortalizas, vegetales y frutas) hasta que los mismos son transformados nuevamente en fertilizantes orgánicos para ser aplicados en cultivos. / The increased generation of municipal solid waste (MSW) due to population growth and new patterns of consumption is an important issue for European Union (EU) and countries around the world. Policies for managing MSW in a sustainable manner have been key components of EU directives (Directives 1999/31/EC and 2008/98/EC). This doctoral thesis aims to study technologies for the treatment of MSW and assess the environmental impacts of using organic waste to fertilize crop in order to optimize resources and reduce waste. The studies are based on life cycle analysis using CML and ReCipe methodologies. Chapter 2 is dedicated to the assessment of autoclaving a technology normally used for the sterilization of pharmaceutical waste. This technology offers the possibility of recovering the valuable portion of mixed MSW such as the organic fiber (OF). The processes of autoclaving, sorting and biological treatment were compared to two known technologies: incineration and landfill. The results showed that the systems which considered the anaerobic digestion had the lowest impacts in eutrophication potential and global warming potential. Meanwhile, incineration had the best results for the remainder five impact categories studied. On the other hand, landfill had the highest impact in all studied categories. Chapter 3, the second case study was carried out to compare the environmental and agronomical results of two composts (industrial and home) with mineral fertilizers. Fertilizers were applied to horticultural cauliflower crops. The results showed a better yield (fruit · ha-1) for the crops fertilized with mineral fertilizers but the best environmental performance was for the crops fertilized with home compost. Chapter 4, the third case study, two home composts were produced by two different methods (i.e. production management), resulting in significant differences in terms of emissions. Emissions of methane, nitrous oxides and ammonia were experimentally measured for both composts. The results showed that nitrous oxides and methane emissions contributed considerably the category of global warming potential. While ammonia emissions contributed to the categories of acidification potential, eutrophication and photochemical oxidation. It was observed that these gaseous emissions depend on the management practices employed when producing the compost such as: quality and type of waste stream, frequency mixing of the composting material, rigorous control of some physico-chemical characteristics (humidity, pH, temperature, etc.), among others. Chapter 6, the fourth case study was carried out to compare the environmental performance of organic and mineral fertilizer in a crop sequence of cauliflower and tomato. Furthermore, two procedures for allocating life cycle impacts to crops were also studied. The first one was based on time allocation and the other one in the mineralization N degree in soil. In general, the results showed a better environmental performance for cauliflower crop than tomato in all impact categories considered. Meanwhile, in both crops, the fertilization treatment with home compost showed the lowest impacts than industrial compost and mineral fertilizers in the most impact categories studied. Additionally, the total impacts for the crop sequence (sum of impacts of cauliflower and tomato) were lower than single (i.e. cauliflower and tomato) impacts for the three fertilization treatments. Finally, the dissertation also includes guidelines for organic waste management (Chapter 5). These guidelines focused on domestic compost production and its application in horticulture. The guidelines show the V2V “vegetables to vegetables” model, a closed loop model starting from food waste (e.g. vegetables and fruits) compost until it is again transformed in organic fertilizer to be applied to crops. The guidelines are targeted towards farmers and anyone interested in domestic compost production.

En este trabajo se aplican diferentes estrategias de control en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El primer objetivo es la mejora del rendimiento de control. Básicamente, esto sirve como una prueba de que la estrategia de control propuesta se ha aplicado correctamente. El objetivo final es el efecto de la estrategia de control aplicada sobre el rendimiento de la planta. En concreto, mejorar la calidad del efluente, reducir costes de operación y evitar violaciones de los límites establecidos en el efluente. La evaluación de las diferentes estrategias de control se lleva a cabo en primer lugar con el Benchmark Simulation Model No. 1 (BSM1), y en segundo lugar con Benchmark Simulation Model No. 2 (BSM2). BSM1 se centra en el tratamiento biológico mediante reactores de lodos activos, y la evaluación se basa en una semana de simulación. BSM2 es una versión extendida del BSM1, agregando el tratamiento de lodos y proporciona un afluente más elaborado y variable, con un año de evaluación. Los enfoques de control se basan en Control Predictivo basado en Modelo, control difuso, funciones que relacionan las variables de entrada y las manipuladas, y Redes Neuronales Artificiales. El Control Predictivo basado en Modelo se propone para una mejora del tracking. El control difuso y las funciones se implementan para mejorar los procesos de desnitrificación o de nitrificación en base a los objetivos propuestos. Sus parámetros de sintonía se seleccionan mediante análisis trade-off. Las Redes Neuronales Artificiales se aplican para detectar riesgo de violaciones y obtener una selección automática de la estrategia de control adecuada. Se muestran los resultados y se comparan con las estrategias de control por defecto y con la literatura. Para el rendimiento de control, se obtiene una mejora satisfactoria. En cuanto al rendimiento de la planta, en la mayoría de los casos se evitan violaciones de los límites establecidos de nitrógeno total y de amonio y nitrógeno amoniacal, mientras que también se consigue una mejora de la calidad del efluente y una reducción de costes de operación. / In this work different control strategies are applied in wastewater treatment plants. The first objective is the control performance improvement. Basically, this serves as a proof that the proposed control strategy has been applied properly. The final objective is the effect of the applied control strategy on the plant performance. Specifically, the effluent quality improvement, costs reduction and avoiding violations of the established effluent limits. The evaluation of the different control strategies is carried out first with Benchmark Simulation Model No. 1 (BSM1), and secondly with Benchmark Simulation Model No. 2 (BSM2). BSM1 is focused on the biological wastewater treatment by activated sludge reactors, and the evaluation is based on a week of simulation. BSM2 is extended adding the sludge treatment and provides a more elaborated and variable influent with an assessment of one year. The control approaches are based on Model Predictive Control, Fuzzy Control, functions that relate the input and manipulated variables and Artificial Neural Networks. Model Predictive Control is proposed for tracking improvement, Fuzzy Controllers and functions are implemented to improve the denitrification or nitrification processes based on the proposed objectives. Their tuning parameters are selected by trade-off analyses. Artificial Neural Networks are applied to detect risk of violations for an automatic selection of the suitable control strategy. The results are presented and compared with the default control strategy and with the literature. For the control performance, a satisfactory improvement is obtained. Regarding the plant performance, in most of the cases, violations of the established limits of total nitrogen and ammonium and ammonia nitrogen are avoided, as well as an effluent quality improvement and cost reduction are achieved.

Los ecosistemas son propuestos como fuentes de bienestar humano. Sin embargo, las aproximaciones económicas principales han descuidado este esencial papel del capital natural (i.e. bienes y servicios de los ecosistemas) en el bienestar humano. Usando como marco teórico la aproximación de los servicios ecosistémicos y el paradigma de Desarrollo a Escala Humana, el objetivo de esta tesis doctoral es entender las relaciones entre bienestar humano y capital natural. La Tesis doctoral tiene tres principales objetivos, los cuales fueron abordados en tres diferentes capítulos. El primer capítulo analiza la correspondencia entre el instrumento de medición adoptado por los gobiernos para evaluar bienestar y los elementos definidos como importantes por la gente local para su propio bienestar, llamados aquí medios locales de bienestar. El segundo capítulo tiene el proposito de evaluar las percepciones locales de servicios ecosistémicos y los factores socioeconómicos que afectarían las percepciones de las personas. Por último, el tercer capítulo evalúa los vínculos entre bienestar humano y dos formas de capital: capital natural y económico. El tercer capítulo también analiza los vinculos entre los capitales y tres dimensiones del bienestar humano (i.e. subsistencia, seguridad, y reproducción y cuidado). Como caso de estudio, la Tesis se enfoca en una sociedad a nivel local ubicada en el distrito de Kodagu (Estado de Karnataka), India. La Tesis es basada en datos transversales recolectados a través de métodos cualitativos y cuantitativos de investigación. Para la recolección de datos del primer artículo, se desarrolló una técnica de listados libres (Free-listings) y así obtener información sobre los medios locales de bienestar. Para esto, se visitaron a 114 individuos de Kodagu. Los medios locales de bienestar reportados por los individuos fueron comparados con los criterios usados por el Informe de Desarrollo Humano (HDR, del nombre en inglés Human Development Report) del Estado de Karnataka. El HDR es la herramienta oficial de medición de bienestar usado por el gobierno de Kodagu. Se encontró que el HDR no captura los medios de bienestar definidos por las personas. El resultado sugiere que existe una importante brecha entre los actuales indicadores de bienestar considerados por las políticas públicas y los medios locales de bienestar definidos por las personas. En el segundo capítulo también se llevó a cabo listados libres para identificar los servicios ecosistémicos percividos por las personas locales. Se visitaron a 91 individuos, todos distintos a los visitados para el primer capítulo. Además, a través de una entrevista estructurada, se recolectaron datos de atributos socioeconómicos de cada individuo participante del estudio. Los servicios ecosistémicos se clasificaron en las cuatro categorías de servicios definidos por la literatura (i.e. servicios de privisión, regulación, culturales, y de apoyo, según la clasificación de la iniciativa de Evaluación de Ecosistemas del Milenio). En base a la clasificación, se calcularon los números de servicios listados en cada categoría. Los resultados sugieren que los ecosistemas son localmente percibidos como una fuente de bienes y servicios diversos, y no sólo vinculados a la producción de alimento. Usando regresiones multivariadas para estimar las asociaciones entre el número de servicios ecosistémicos y las características socioeconómicas de los individuos, se encontró que individuos jóvenes, más ricos, y más educados perciben más servicios ecosistémicos que los individuos con caracteristicas socioeconómicas diferentes. Asimismo, se encontró que origenes culturales distintos están asociados a diferentes percepciones de los servicios ecosistémicos. Para abordar los objetivos del tercer capítulo, se contruyó un cuestionario estructurado en base a la información de los dos capítulos previos. Se visitarón 171 individuos adivasi y habitantes de los bosques de Kodagu, todos distintos a los individuos visitados en los dos capítulos previos. El cuestionario capturó información individual sobre el nivel de bienestar general y satisfacción con las tres dimensiones de bienestar incluidas en el estudio (variables dependientes), y el nivel de capital natural y económico (variables explicatorios). Usando modelos de regresiones multivariados, se encontró una asociación positiva entre bienestar y ambas formas de capital. No obstante, también se encontró que los capitales natural y económico varían entre ellos en relación a sus asociaciones con el bienestar general y entre las dimensiones del bienestar. Los resultados sugieren que, en sociedades de adivasis y habitantes del bosque, el capital natural puede llegar a ser más importante que el capital económico en la satisfacción del bienestar general y sus dimensiones. Para finalizar, quisiera concluir exploniendo algunas sugerencias para políticas públicas. En base a los resultados, la Tesis contribuye con información para un conjunto de indicadores locales útiles que aseguren un equilibrio entre los enfoques descendentes y ascendentes en las políticas públicas de Kodagu. Además, ya que las dos formas de capital juegan un papel diferente como fuentes de satisfacción de las dimensiones de bienestar, la Tesis aporta información para posibles estrategias sobre cómo complementar el capital natural y económico cuando se diseñan políticas de mejora de particulares dimensiones del bienestar. La Tesis apoyan las recomendaciones actuales sobre la necesidad de incorporar explícitamente los servicios ecosistémicos en el diseño de políticas públicas relacionadas con medir y mejorar el bienestar humano. / Ecosystems are proposed as sources of human well-being. However, standard economic approaches have traditionally neglected the role of natural capital (i.e. good and services of ecosystems) as a fundamental source of human well-being. Drawing on the ecosystem services approach and on the Human Scale Development paradigm as frameworks to conceptualize natural capital and human well-being, this doctoral dissertation aims to understand the relationships between human well-being and natural capital. The Thesis has three main objectives which are addressed in three different chapters. The first chapter analyses the correspondence between the measurement tool adopted by governments to assess well-being and the elements defined by local people as important in their own well-being, called here local means. The second chapter aims to assess the local perception of ecosystem services and the socioeconomic determinants affecting individual perceptions. Last, the third chapter estimates the linkages between human well-being and natural and economic capital. This third chapter also analyses the linkages of capitals with three dimensions of human well-being (i.e. subsistence, security, and reproduction and care). As case study, the Thesis focuses on a small-scale society from Kodagu district (Karnataka State), India. The Thesis is based on cross-sectional data collected through qualitative and quantitative methods during a period of nine months. To collect data for the first chapter, free-listing technique was administrated in order to provided information on local means defining well-being among 114 individuals from Kodagu. The local means reported by local individuals were compared with the criteria used by the Human Development Report (HDR) of Karnataka, the main measurement tool of well-being used officially in Kodagu. Results suggest that HDR does not capture the means defined by people as main indicators of their well-being. The finding suggests an important gap between current well-being indicators considered by public policies and the means of well-being defined by people. For the second chapter, another free-listing was carried out to capture what ecosystem services were perceived by local people. Additionally, a structured survey was conducted to capture information on socioeconomic characteristics of 91 informants. The ecosystem services were classified into four categories of services defined by literature (i.e. provisioning, regulating, cultural, and supporting services, cf. Millennium Ecosystem Assessment). The number of services listed was calculed in each category. Results suggest that ecosystems are locally perceived as a source of multiple goods and services that go beyond the production of food (for subsistence or for cash). Multivariate regressions were used to estimate the associations between number of ecosystem services and socio-economic characteristics. Results suggest that younger, wealthier, and more educated individuals perceive more ecosystem services than people without those characteristics. People from different cultural backgrounds also have different perceptions from local ecosystems services. For the third chapter, a questionnaire structured was designed on the base of information collected on the two previous chapters. The questionnaire was administrated to 171 adivasi and forest dweller individuals from Kodagu, different from people interviewed in previous samples. The questionnaire captured individual reports on levels of satisfaction with the overall well-being and satisfaction with three dimensions of well-being (dependent variables), and level of natural and economic capital (explanatory variables). Results of multivariate regressions suggest positive associations between well-being and both forms of capitals. Nevertheless, results also suggest that natural and economic capitals differed one from each other on their relative contributions to overall well-being as well as across dimensions of well-being. Results suggest that natural capital can become more important than economic capital on the fulfilment of overall well-being and its dimensions among adivasi and forest dwellers society. Last, I would like to conclude by outlining some policy suggestions. The Thesis provides insights for a set of plausible local indicators useful to achieve a balance between top-down and bottom-up approaches for the local public policies. Furthermore, since natural and economic capital play a different role as sources of satisfiers across dimensions, results give insights for possible strategies on how to complement natural and economic capital assets when designing policies to improve particular dimensions of well-being. The Thesis support ongoing calls for explicitly incorporating ecosystem services in the policy design focused on measuring and improving human well-being.

En los tiempos modernos, la ciencia se enfrenta al desafío de cómo representar la interacción entre el sistema socioeconómico y el sistema ecológico, considerados en conjunto como sistema socioecológico, con la finalidad de analizar cuantitativamente su sostenibilidad. Sin embargo, esto supone necesariamente romper con el paradigma tradicional reduccionista de la ciencia para construir otro paradigma alternativo que sea consciente de las limitaciones inevitables de la representación cuantitativa de estos sistemas. Estas limitaciones nacen del razonamiento de entender este sistema socioecológico como un sistema complejo organizado a través de distintas escalas y niveles. Desde esta perspectiva, el sistema socioeconómico y el sistema ecológico se pueden observar solamente mediante distintas escalas y niveles. Precisamente, las dinámicas de estas interacciones ocasionan que cualquier actividad que suceda en una repercutirá en la otra y viceversa, dando así un marco de análisis para la sostenibilidad. A partir de estas limitaciones, el Análisis Integrado Multi-Escala del Metabolismo de la Sociedad y el Ecosistema (MuSIASEM, por sus siglas en inglés) introduce el concepto de gramática como medio para superar el desafío epistemológico de representar los sistemas complejos. Entendiéndose este concepto como un conjunto de relaciones que se establecen entre categorías semánticas y categorías formales, previamente definidas, con la finalidad de obtener una representación capaz de ser operacionalizada en términos cuantitativos a través de diferente escalas y dimensiones. De este modo, la gramática se propone como un instrumento de análisis capaz de evaluar la sostenibilidad del sistema socioecológico sin caer en una excesiva simplificación de un reduccionismo cuantitativo. Un aspecto fundamental de la sostenibilidad de cualquier sociedad es la adecuada satisfacción de sus necesidades básicas, como por ejemplo la alimentación. En este sentido, a pesar de que el Planeta produce la suficiente cantidad de alimentos para todos, existen alrededor de 805 millones de personas que padecen hambre y un tercio de esta producción se pierde o se desperdicia. Asimismo, se espera que en el futuro estas condiciones empeoren a consecuencia de la dependencia de los insumos tecnológicos utilizados en la producción de alimentos, el cambio de la dieta de la población (con un mayor consumo de productos de origen animal), el agotamiento de los recursos biofísicos y el cambio climático. Ante esta trágica realidad, las instituciones y las autoridades que toman las decisiones han remarcado la imperiosa necesidad de plantear estrategias dirigidas hacia la seguridad alimentaria. Pero ello amerita disponer de un panorama general que incluya la visión interna de su metabolismo - lo que la sociedad consume- y la visión externa de su metabolismo - de dónde proviene y cómo se produce lo que se consume. Sólo así se podrá tener un conocimiento holístico para discutir y plantear este tipo de estrategias. Por lo tanto, en esta tesis se prueba la utilidad de la gramática del MuSIASEM como instrumento de representación del sistema socioecológico, capaz de identificar las vulnerabilidades de los sistemas alimentarios de las sociedades. Así como también, su potencial como generador de información -basado en la integración coherente de las diferentes variables demográficas, económicas y biofísicas- para la toma de decisiones. Esta utilidad y este potencial queda demostrado en los tres casos de estudio presentados: las Islas Mauricio, el Archipiélago de Galápagos y el Ecuador como país. / In modern times, science is facing the challenge of how to represent the interaction between socio-economic systems and ecological systems, which together can be regarded as socio-ecological systems, in order to quantitatively analyze their sustainability. To face this challenge it is necessary to break the traditional reductionist approaches of science, to build an alternative paradigm that is aware of the unavoidable limitations in quantitative representations of these systems. These limitations arise from the lack of understanding that socio-ecological systems are complex systems organized across different levels of organization. From this perspective, socio-economic system and ecological systems can only be observed across different scales and dimensions. Indeed, the dynamics of these interactions cause any activity that happens in one to affect the other and vice versa, thus providing an analytical framework for sustainability. From an acknowledgment of these limitations, the Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM) introduces the concept of grammar as a means to overcome the epistemological challenge of representing complex systems. A grammar is defined as a set of relations established between semantic categories, previously defined, and formal categories in order to obtain a representation able to be operationalized in quantitative terms across different scales and dimensions. Thus, grammar is proposed as an analytical tool capable of assessing the sustainability of the socio-ecological system without falling in the risk of an excessive simplification of quantitative reductionism. A key aspect of the sustainability of any society is the proper fulfillment of basic needs such as food. In this regard, although the planet produces enough food for all, there are about 805 million people suffering from hunger and a third of production is lost or wasted. It is also expected that in the future these conditions will worsen as a result of reliance on technological inputs used in food production, changes in the diet of the population (with more animal products), biophysical resource depletion and climate change. Faced with this tragic reality, institutions and decision-making authorities have stressed the urgent need to devise strategies aimed at food security. There is a need to have an overview, which includes what society consumes; the inner vision of the metabolism, and where food comes from, how it is produced and what is consumed; the external view of the metabolism. Only then, can you have a holistic knowledge to discuss and improve strategies aimed at food security. In this thesis I tested the utility of the grammar renderer MuSIASEM as socio-ecological instrument, able to identify vulnerabilities in the food systems of societies and its potential as a source of information -based on the coherent integration of demographic, economic and biophysical variables- for decision-making. Three case studies - Mauritius, the Galapagos Islands and Ecuador as a whole – were used for such a test.

L’exposició als contaminants atmosfèrics s’ha relacionat amb efectes negatius a la salut i els infants constitueixen un subgrup de la població particularment vulnerable. Es determinà la qualitat de l’aire a l’interior i exterior de 39 escoles de Barcelona i Sant Cugat del Vallès. El mateixos contaminants mesurats a les escoles també es monitoritzaren a una estació de fons urbà a Barcelona (UB-PR). Les concentracions de carboni negre equivalent (EBC), NO2 i partícules ultrafines (UFP) mostraren un gradient ascendent cap al centre de la ciutat, seguint el patró de densitat de trànsit rodat. En canvi, l’impacte de fonts locals de les escoles van impedir que el material particulat amb diàmetre aerodinàmic inferior a 2.5 µm (PM2.5) pugui ser considerat un bon indicador d’emissions de trànsit. Les concentracions mesurades al pati van ser 1.6 vegades més altes que les de la classe per al NO2 i 1.5 vegades per a les UFP, mentre que les d’EBC foren similar als dos ambients. Contràriament, el PM2.5 va tenir concentracions 1.6 vegades més altes a l’interior perquè el carboni orgànic (OC; component que més va contribuir al PM2.5 interior), el Ca i el Sr van ser generats principalment a l’interior. El NO2 va mostrar una infiltració similar durant l’estació càlida i freda, independentment de l’obertura de finestres. Correlacions entre les concentracions interiors i exteriors mostraren R2 i factors d’infiltració (Finf) baixos per les UPF degut a la presència de fonts interiors d’aquestes partícules (els interceptes eren alts). No obstant, els nivells a l’interior també es troben influenciats pels exteriors. Una anàlisi de contribució de fonts mitjançant un model de Positive Matrix Factorisation (PMF) va permetre identificar vuit factors (mineral, trànsit, pols de carretera, sulfat secundari i orgànics, nitrat secundari, aerosol marí, combustió de fuel-oil, metal·lúrgia) corresponents a fonts de PM2.5 conegudes de l’àrea d’estudi, més un novè factor observat per primera vegada. Aquest va ser anomenat orgànic/tèxtil/guix i caracteritzat per OC (fibres de cotó, cèl·lules de la pell, etc.), Ca i Sr (del guix de les pissarres). El factor mineral va ser especialment dependent del tipus de pati (de sorra o pavimentat). Les contribucions a UB-PR van ser molt més baixes, indicant un origen local de les escoles. Per tant, les fonts mineral i orgànic/tèxtil/guix van ser les responsables de que les concentracions de PM2.5 fossin molt altes a les aules (37 µg·m-3) i de que als patis (29 µg·m-3) fossin quasi el doble de les de UB-PR (17 µg·m-3). Les contribucions de les emissions de trànsit van ser similars als tres ambients estudiats: aules (4.8 µg·m-3), patis (5.5 µg·m-3) i UB-PR (4.1 µg·m-3). L’EBC presentà un dels majors Finf, amb el 92% de la concentració interior provinent de l’exterior durant l’estació càlida i el 75% durant la freda. Aquests resultats ressalten la necessitat d’allunyar les escoels de carrers amb molt de trànsit. Les mesures personals d’EBC de 45 alumnes mostraren concentracions més altes d’EBC en comparació a les de l’escola i l’UB-PR, degut a pics de concentració que van tenir lloc principalment durant els desplaçament. L’exposició pot ser molt diferent inclús entre alumnes de la mateixa escola, i aquesta variabilitat no es té en compte només amb estacions fixes. Els alumnes passaren el 6% del seu temps fent desplaçaments en els que reberen el 20% de la seva dosi integrada diària d’EBC. Els ambients interiors (escola i casa) van ser responsables del 56% (21%+35%) de la dosi d’EBC. Aquesta tesi aporta una anàlisis en profunditat de la qualitat de l’aire a les escoles i de l’exposició i dosi dels infants i pot ser molt valuosa per als responsables polítics i planificadors urbans. / Exposure to air pollutants has been widely linked to negative health effects. Children are particularly vulnerable since they have higher ventilation rates and levels of physical activity and, therefore, they receive higher doses of air pollutants than adults. In the framework of BREATHE Project, a sampling campaign in the indoor and outdoor environments of 39 schools in Barcelona and Sant Cugat del Vallès was carried out to characterise air quality in schools. The same pollutants were also monitored in an urban background station in Barcelona (UB-PR). The results evidence that concentrations of equivalent black carbon (EBC), NO2 and ultrafine particles (UFP) in schools showed an increasing gradient towards the city centre, following the traffic density in the city. However, the impact of local school sources prevent the particulate matter with an aerodynamic diameter<2.5 µm (PM2.5) from being a good indicator of traffic emissions in schools. Concentrations in the playgrounds were 1.6 times higher than indoors for NO2 and 1.5 times higher for UFP, while EBC concentrations were similar in both environments. On the contrary, PM2.5 had 1.6 times higher concentration indoors because organic carbon (OC; the most important contributor to indoor PM2.5), Ca, and Sr were mainly generated indoors. NO2 showed a similar infiltration degree in the warm and cold seasons, thus independently of the windows opening or closing. Indoor-to-outdoor correlations showed low R2 and infiltration factors (Finf) for UFP because of indoor particle sources (the intercepts were high). However, indoor levels of UFP were still influenced by those outdoors. A source apportionment analysis by Positive Matrix Factorization (PMF) allowed the identification of eight factors or sources (mineral, traffic, road dust, secondary sulphate and organics, secondary nitrate, sea spray, heavy oil combustion, metallurgy) which corresponded to well-known sources of PM in the study area, plus a ninth factor which was observed for the first time. This factor was named organic/textile/chalk and characterised by OC (from cotton fibres, skin flakes, etc.), Ca and Sr (from blackboard chalk). The mineral factor was especially dependant on the type of playground (sandy or paved). Much lower mineral contributions were found in UB-PR than in schools, also indicating that this is a mainly local source. Mineral and organic/textile/chalk sources were responsible for the very high concentrations in the indoor environment (37 µg·m-3) and for almost doubling concentrations in playgrounds (29 µg·m-3) than in UB-PR (17 µg·m-3). Contributions from traffic emissions were quite similar at the three studied environments: classrooms (4.8 µg·m-3), playgrounds (5.5 µg·m-3) and UB-PR (4.1 µg·m-3). EBC showed one of the highest Finf, with the 92% of indoor EBC coming from the outside during the warm season and 75% during the cold one. These results point out the necessity to locate future schools far away from trafficked streets. Simultaneously to school measurements, EBC personal measurements of 45 children were carried out. The EBC concentrations were higher in personal measurements than in schools owing to peak concentration events that took place mainly during commuting time. Children spent 6% of their time on commuting but received 20% of their daily EBC dose, due to co-occurrence with road traffic rush hours and the proximity to the source. Exposure could be significantly different, even between children attending the same school, and this variability could not be taken into account only with the fixed stations. Children received 37% of their daily-integrated EBC dose at school. Indoor environments (classroom and home) were responsible for the 56% EBC dose. This thesis provides an in-depth analysis of air quality in schools and children’s exposure and dose. The results obtained are thought to be valuable for policy makers and urban planners.

Tant a nivell acadèmic com a les indústries energètiques involucrades en la captura i emmagatzematge geològic de CO2 (CCS) actualment s’està discutint l’impacte sobre el medi ambient de potencials fuites a conseqüència de la injecció d’aquest cas en aqüífers profunds. Els efectes de la interacció aigua-gas-roca durant la injecció, emmagatzematge i fuita estan encara en el camp del debat científic. Els estudis duts a terme en sistemes natures poden proporcionar una informació molt valuosa sobre els processos físico-químics que tenen lloc en profunditat. Un dels aspectes més preocupants pel que fa a l’anàlisi de risc en el CCS és el potencial impacte en els recursos hídrics degut a fuites de gas, especialment sobre aqüífers somers. La investigació sobre els efectes del CO2 dissolt en la mobilitat de metalls en aquests aqüífers ha estat focalitzada en la solubilitat del Fe(III), i els assajos experimentals en laboratori permeten explicar les observacions fetes a la natura on concentracions molt altes de Fe han estat detectades en solucions oxidants i de pH neutre. El principal objectiu de la recerca en aquesta tesi doctoral és l’estudi de la capacitat dels aqüífers per alliberar metalls i metal·loides a partir de reaccions amb fluids rics amb CO2 i analitzar la seva persistència com a fases solubles. Aquesta recerca ha estat dividida en tres parts diferents. La primera part és una revisió dels mecanismes que permeten la mobilitat dels metalls en fluids amb concentracions elevades de CO2 dissolt i amb pH pròxims a la neutralitat. Des de 1990, la comunitat científica ha postulat que l’increment de la concentració d’aquest gas en l’aigua dels oceans afectaria la mobilitat de metalls traça, i des de llavors, un nombre important d’experiments de laboratori han estat dissenyats per tal de determinar la influència d’aquest increment sobre metalls com ara Fe(II), Fe(III) i U(VI). En el present treball, alguns d’aquests experiments duts a terme i publicats en la literatura científica han estat seleccionats, revisats i comparats amb dades procedents de sistemes naturals. Aquests sistemes naturals, sovint anomenats anàlegs naturals, proporciones de fet una informació molt rellevant sobre la interacció gas-aigua-roca i el conseqüent alliberament de metalls des de la roca cap a l’aigua de l’aqüífer. Així, per tal de complementar aquesta revisió bibliogràfica, s’ha estudiat en detall un rierol de la comarca de La Selva (Girona), anomenat Font Groga com a anàleg natural de transport de metalls en aigües amb alts continguts de CO2 dissolt. L’objectiu d’aquest estudi ha estat entendre el canvi en la solubilitat del ferro com a conseqüència de la desgasificació del CO2. La desgasificació comporta canvis en el pH de l’aigua que, en el seu torn, controla l’especiació aquosa de molts del metalls en solució. El mostreig dut a terme a la Font Groga consta de 8 estacions de mostreig dividides equidistantment des del punt d’emissió fins al final del rierol, considerant cada un d’aquests punts de mostreig com equilibris aigua-roca aïllats. Per a cada punt de mostreig s’ha analitzat la concentració d’anions, cations, metalls traça, CO2 “lliure” i gasos dissolts. La química de l’aigua ha estat interpretada i modelada amb l’ajuda del codi PHREEQC. Els resultats indiquen que a mida que la concentració del gas decreix degut a la desgasificació, el pH s’incrementa. En el rierol, el impacte de la desgasificació s’evidencia per la precipitació de ferrihidrita, i, després, de calcita aigües avall. A més, la concentració de Fe correlaciona positivament amb la pressió de CO2 mesurada, indicant un fort lligam entre els dos paràmetres. L’anàlisi termodinàmica indica que la dissolució de CO2 permet la solubilització del Fe(III) mitjançant la formació de complexes aquosos carbonatats. L’impacte d’aquests complexes, especialment FeOHCO3, és l’increment de la solubilitat del Fe(III) d’uns tres ordres de magnitud. Aquest impacte és ben evident observant l’índex de saturació de la ferrihidrita calculat considerant o no la formació d’aquests complexes. La desgasificació del CO2 a mida que el rierol avança implica la desestabilització d’aquests complexes i el ferro re-precipita en forma de partícules col·loïdals de ferrihidrita i per aquest motiu el sediment del rierol presenta una característica coloració vermellosa. A més del ferro, l’increment de la solubilitat d’altres metalls per la formació de complexes ha estat estudiat al detall i reportat en la literatura, principalment en el cas de l’urani. Altres metalls, com ara Hg(II), Pb(II), Zn(II), Ce(III) i Ce(IV), l’increment de pCO2 implica l’estabilització de les seves fases sòlides carbonatades o hidroxicarbonatades, ja que són més estables que els complexos carbonatats aquosos. Finalment, en el cas del Cr(III), no s’ha observat cap efecte ja que no es coneixen complexes carbonatats per aquest metall. La segona part de la tesi tracta de la solubilització i transport de metalls com a conseqüència de la intrusió de fluxos de CO2 en aqüífers somers. Aquest és un aspecte molt rellevant en l’anàlisi de risc del CCS, en especial en la persistència de plomalls amb concentracions elevades de metall ja que pot posar en risc la qualitat de recursos hídrics. Aquest treball ha estat desenvolupat a la regió de Campo de Calatrava, a la província de Ciudad Real, que constitueix un antic camp volcànic on fluxos de CO2 des del mantell terrestre interaccionen amb aqüífers poc profunds, resultant en una important solubilització de metalls des de la roca encaixant dels aqüífers. En aquesta zona s’han seleccionat 12 estacions de mostreig de gas i aigua, 10 de les quals eren “bullidors” (basses on el CO2 fa borbollejar l’aigua) i dues eren guèisers freds ocorreguts ocasionalment durant canvis en la pressió de gas en l’aqüífer i canalitzats en pous d’extracció d’aigua. Les aigües estudiades estan característicament molt enriquides amb metalls comparades amb els aqüífers que no han interaccionat amb CO2. En tots els casos, el ferro és el metall de transició més abundant (fins a 6.08×10-4 mol·L-1). A més, concentracions altes de Mn (fins a 8.01×10-5 mol·L-1), Zn (fins a 1.46×10-6 mol·L-1), Ni (fins a 1.19×10-6 mol·L-1), Co (fins a 7.1×10-7 mol·L-1), Cu (fins a 3.3×10-7 mol·L-1) i As (fins a 1.4×10-7 mol·L-1) han estat observades. El rang de pH és molt proper a 6 i l’Eh és força oxidant. La composició del gas revela que els fluxos són gairebé de CO2 pur, i no s’han detectat concentracions analíticament significatives de CH4 and H2S. Els càlculs termodinàmics indiquen que la formació de complexos aquosos carbonatats de Fe(III), principalment FeCO3OH, com a conseqüència de la interacció del gas amb l’aqüífer, causa la dissolució de partícules de hidròxids de ferro (ferrihidrita) presents en la roca alliberant ferro i tots els metalls traça adsorbits en la seva superfície. En conseqüència, ni l’acidificació, ni la presència de impureses de gasos reductors en el flux de gas, ni la formació de condicions reductores, poden ser considerades com els principals causants del desenvolupament de plomalls de metalls en els aqüífers afectats. La persistència d’aquests plomall amb concentracions altes de metalls, molt important en l’anàlisi de risc del CCS, es preveu que sigui llarga ja que la ferrihidrita és la fase sòlida que limita la solubilitat no només del ferro sinó d’aquells altres metalls dels que s’ha observat un increment en la seva concentració. L’efecte de la formació de complexes aquosos carbonatats resulta poc rellevant en metalls com ara el Mn, Zn, Cu, Co, Ni, i excepte pel Mn, les concentracions mesurades a la zona del Campo de Calatrava es troben lluny de la saturació de les seves corresponents fases sòlides carbonatades. La darrera part de la tesi té per objectiu l’avaluació del potencial ús dels metalls com a eina de detecció precoç de fuites de gas de baixa intensitat en projectes d’emmagatzematge geològic. Els anomenats DGT (Diffusive gradients in thin films) han estat provats en algunes de les déus d’aigua amb CO2 per tal de determinar la seva eficiència com a detectors de canvis en la concentració d’aquest gas. Aquests films són capaços d’absorbir i registrar canvis en la concentració de metalls en aigües, sediments i sòls. Considerant que la dissolució de CO2 incentiva la solubilització i el transport de metalls, el seu ús pot resultar en una eficient metodologia de control de fuites. En aquest treball, un conjunt de DGT han estat instal·lats en déus seleccionades a la regió del Campo de Calatrava, que presenten concentracions molt altes de metalls. Els resultats indiquen que, comparant la concentració de cada metall en els DGT amb la corresponent concentració en l’aigua, es poden distingir dos comportaments diferents. En el primer cas, s’observa una sorció lineal mentre que el segon no és lineal registrant en alguns casos un enriquiment de metall en el DGT comparat amb l’aigua. En el primer grup s’inclouen el Fe, Mn, Co, Ni, i l’U, mentre que en el segon hi trobem el Zn, Pb, Cr, Cu, i l’Al. Les conclusions d’aquest estudi permeten afirmar que els metalls en el primer grup poden ser utilitzats per monitoritzar fuites de CO2 mitjançant els DGT, proporcionant una detecció efectiva fins i tot considerant variacions petites en la seva concentració, a un cost relativament reduït en comparació a altres mètodes com ara el mostreig periòdic d’aigües. / Researchers and energy companies involved in CO2 capture and storage (CCS) are presently discussing the impact on the environment of potential leakage after the injection of CO2 in deep aquifers. The effects of gas-water-rock interaction occurring during the injection, storage and leakage are still under debate. Studies based on natural systems can provide valuable information on physical and geochemical processes occurring underground. One of the most concerning aspects of the risk assessment of CCS is the potential impact on water resources in case of leakage, especially on shallow aquifers. The research on the effects of dissolved CO2 on the mobility of some metals in aquifers has been mainly focused on Fe(III) solubility, and experimental results match observations in naturals systems, where high Fe concentration can be found under oxic, circum-neutral solutions. The main research objective of this Ph.D. project is the study of the capacity of aquifers to supply metals and metalloids from reactions with CO2-bearing fluids, and their persistence in solution in the impacted aquifers. The research has been divided into three different parts. The first part is a review of the variety of mechanisms for metal mobilization and transport in fluids characterized by a high amount of dissolved CO2 and by circum-neutral pH. Since 1990, it is postulated that increased CO2 concentrations in seawater would affect trace element mobility, and a large number of laboratory experiments have been performed in order to determine the influence of increased CO2 concentrations in the mobility of a number of key trace metals, including Fe(II), Fe(III) and U(VI). In this work, a number of these laboratory experiments from literature have been selected, revisited and compared with data from some natural systems. Natural analogues, in fact, provide valuable information on the gas-water-rock interaction and subsequent metal release and transport. In addition, to complement literature data, a detailed systematic sampling along a stream in North Spain, called Font Groga, was performed from the source point to the end. The aim of this sampling was to understand the change on the dissolved metal load as a consequence of a steady degassing state. The degassing leads to changes in the water pH-Eh state that control the chemical speciation of most elements in solution. The sampling was carried out dividing the stream into a number of equidistant sampling points starting from the spring and then considering each point as a separated system in equilibrium with a given CO2 pressure. From each sampling site, the concentrations of anions, cations, trace metals, ”free” CO2 and dissolved gaseous species in aqueous phase were determined. Water chemistry was interpreted by using the equilibrium chemical-speciation/mass transfer model PHREEQC-3. The results show that as the gas concentration decreases, as a consequence of the degasification, the pH increases. In the field, the impact of degassing is well evidenced by the precipitation of ferrihydrite and, later, calcite throughout the course stream. Also, the concentration of Fe is positively correlated with pCO2, indicating a strong link between both parameters. The thermodynamic analysis indicate that the dissolved CO2 allows the solubilisation of Fe(III) by the forming aqueous Fe(III) carbonate complexes. The impact of these complexes, especially FeOHCO3, is the increase of the solubility of Fe(III) by three orders of magnitude. Such an impact is very well illustrated by looking at the ferrihydrite saturation index (SI) with or without considering the formation of the aqueous Fe-carbonate complexes. CO2 degassing makes these complexes unstable and iron is back in to solid phase by precipitating colloidal particles of ferrihydrite. From experiments in literature, the enhanced solubility of iron and other metals such as U in CO2-bearing fluids has also been confirmed looking at the available thermodynamic data due to the formation of aqueous carbonate complexes. Other metals (e.g., Hg(II), Pb(II), Zn(II), Ce(III) and Ce(IV)) the increased pCO2 has a positive effect in terms of stabilising their carbonate or hydroxocarbonato solid phases. This is the result of the formation of carbonate containing solid phases, which are more stable than the aqueous carbonate complexes. In the case of Cr(III) the increased pCO2 has no effect, as no Cr(III) carbonate complexes have been reported in the literature. The second part of the Ph.D. project deals with the release and transport of metals as a result of the intrusion of CO2 flows into shallow aquifers. This is an important aspect in the risk assessment associated with CO2 sequestration, and the understanding of the persistence of metal plumes is a very concerning aspect. This work has been carried out in the Campo de Calatrava region, an old volcanic field in central Spain, where CO2 flows from mantle interact with shallow aquifers resulting in remarkable metal release. 12 sampling stations have been selected for gas and water analysis, 10 as bubbling pools and 2 as episodic “cold” geysers. These samples are characteristically much enriched in trace metals compared to CO2-free aquifers, being Fe the most abundant, (up to 6.08×10-4 mol·L-1). Also, high concentrations of Mn (up 8.01×10-5 mol·L-1), Zn (up to 1.46×10-6 mol·L-1), Ni (up to 1.19×10-6 mol·L-1), Co (up to 7.1×10-7 mol·L-1), Cu (up to 3.3×10-7 mol·L-1) and As (up to 1.4×10-7 mol·L-1). pH range is very close to 6 and Eh is quite oxidising. Gas composition is almost pure CO2, with no detectable amounts of CH4 and H2S. Thermodynamic calculations reveal that the formation of aqueous Fe(III) carbonate complexes, mainly FeCO3OH, as a result of the CO2-shallow aquifer interaction causes the dissolution of native Fe(OH)3 releasing iron and all trace metals sorbed onto its charged surface. Then, neither acidification, “reducing” gas impurities, nor low Eh environments (i.e., making Fe(II) as predominant iron form) can be considered as the main drivers for the development of the metal plumes associated to gas inflows into shallow aquifers. The persistence of these metal plumes, which is crucial in the risk assessment studies of CO2 underground storage, is predicted to be potentially long since Fe(OH)3 is the solubility-limiting phase not only for Fe but also for the other metals with an observed increase in concentration. The effect of the formation of aqueous metal carbonate is not as relevant in metals like Mn, Zn, Cu, Co, Ni, and except for Mn, the measured concentration in samples from the Campo de Calatrava are far from the saturation in solid carbonates. The last part of the thesis is aimed to assess the potential use of metals as an early detection tool of low-intensity leakage from CO2 storage. Diffusive gradients in thin films (DGT) have been tested in some CO2-rich, metal-bearing fluids to assess their applicability as a monitoring tool in onshore CO2 storage projects. These films are capable of adsorbing metals and recording changes in their concentration in water, sediments, and soils. Considering that CO2 dissolution promotes metal solubilization and transport, the use of these films could be valuable as a monitoring tool of early leakage. A number of DGT have been deployed in selected springs with constant metal concentration in the Campo de Calatrava region. The studied waters show high concentrations of Fe, as high as 1 × 104 μg·L–1, Ni, Co, Zn, Cu, and Mn. Comparing re-calculated metal concentration in DGT with metal water concentration, two different metal behaviours are observed: (i) metals with sorption consistent with the metal concentration (i.e. plotting close to the 1:1 line in a [Me]DGT: [Me]water plot), and (ii) metals with non–linear sorption, with some data showing metal enrichment in DGT compared with the concentration in water. Metals in the first group include Fe, Mn, Co, Ni, and U, and metals in the second group are Zn, Pb, Cr, Cu, and Al. From this research, it is concluded that the metals in the first group can be used to monitor potential leakage by using DGT, providing effective leakage detection even considering low variations of concentrations, episodic metal release, and reducing costs compared with conventional, periodic water sampling.

El aprovechamiento de agua de lluvia, a pesar de ser una antigua técnica para recoger escorrentía para uso doméstico, agricultura y gestión ambiental, no tiene una amplia aplicación. Potencialmente, los sistemas de aprovechamiento de agua de lluvia (RWH) pueden jugar un papel clave en el abastecimiento de la demanda de agua urbana como una alternativa a las tecnologías convencionales de tratamiento de agua como son la desalinización y otras tecnologías costosas Esta tesis doctoral pretende encontrar las configuraciones de RWH más eficientes, primero cuantificando el consumo de recursos e impactos ambientales asociados con RWH en áreas urbanas, y, después, estudiando las diferentes configuraciones para abastecimiento doméstico considerando condiciones climáticas mediterráneas y desérticas. La investigación está motivada por el incremento en la necesidad de encontrar medidas correctoras y preventivas que ayuden a gestionar los problemas de abastecimiento de agua, especialmente considerando los efectos del cambio climático en el área mediterránea y los del abastecimiento de agua en las zonas áridas. En línea con este planteamiento, la hipótesis se basa en el hecho de que el agua pluvial es agua blanda y, por lo tanto, requiere menos detergente y aditivos suavizantes. De ahí que represente un sustituto ventajoso para el agua utilizada en lavandería, especialmente en lugares donde el agua de grifo presenta altos niveles de dureza, así como cuando la disponibilidad de agua es limitada. Para analizar las diferentes configuraciones de RWH, se aplicaron las siguientes metodologías: análisis de exergía y análisis de eficiencia exergética para determinar el consumo de recursos y eficiencia; análisis de ciclo de vida (LCA) para identificar los impactos ambientales; análisis de coste de ciclo de vida (LCC) para encontrar la viabilidad económica, y análisis envolvente de datos (DEA) para identificar la frontera de mejores-prácticas hacia la sostenibilidad. En general, los resultados evidencian que configuraciones en clúster son más eficientes en el uso de recursos que las individuales, en términos exergéticos y económicos. Se encontró que los impactos ambientales son inversamente proporcionales al incremento en el abastecimiento de agua de lluvia. Los escenarios de mejores prácticas son mayoritariamente dependientes al área de recogida. Asimismo, los ahorros en el consumo de aditivos de lavandería resultan en una mejor conducta ambiental y económica en zonas con alta dureza en agua de grifo. / Rainwater harvesting, though is an ancient technique to collect run-off rainwater for domestic water supply, agriculture and environmental management, it is not widely applied. Rainwater harvesting (RWH) systems could potentially play a key role in helping cities meet their water demand, as an alternative to conventional water treatment technologies such as desalination and other costly technologies. This doctoral thesis aims to find the most efficient configuration of RWH, first by quantifying the resource consumption and environmental impacts associated to RWH in urban areas and then studying different configurations for domestic water supply considering Mediterranean and desert climate conditions. The query is motivated by the increasing necessity to find preventive and corrective measures that help cope with water supply problems, especially considering climate change effects in the Mediterranean area and water supply problems in arid areas. Along with this, the hypothesis is based on the fact that rainwater is soft water, thus, requires less detergent and softener additives. Therefore, it represents an advantageous substitute for water used for laundry, especially where tap water presents high levels of water hardness and also whenever water availability is limited. To analyze the different RWH configurations, the following methodologies were applied: exergy analysis and exergetic efficiency analysis to find resource consumption and efficiency; life cycle assessment (LCA) to identify environmental impacts; life cycle costing (LCC) to find economic feasibility and; data envelopment analysis (DEA) to identify best-practice frontier towards sustainability. The results evidence that generally cluster configurations are more resource efficient than those in individual configurations, in exergetic and economic aspects. Environmental impacts were found to be inversely proportional to the increase in rainwater supply. Best-practice scenarios were found mostly dependent on the area of rainwater collection. Furthermore, savings from laundry additive consumption result in much improved economic and environmental performances in areas with hard tap water.

Aquest projecte de Tesi té per objectiu estudiar els antecedents del comportament de viatge diari a fi d’informar el disseny de polítiques. Es compon de dues parts, una teòrica i una altra empírica. La primera part estudia els desplaçaments sostenibles a la feina, n’avalua els factors fonamentals, i examina el paper de la racionalitat limitada en el comportament de viatge. El coneixement adquirit s'aplica després a Barcelona (segona part). Tots els estudis inclosos en la Tesi se centren en l'alleujament de la pressió ambiental que exerceix el transport mitjançant polítiques eficaces i equitatives. Per aquest motiu, es posa un especial èmfasi en l'elecció del mode de transport. La primera part de la investigació desenvolupa un marc conceptual que inclou set factors de les emissions de GEH que operen a través de l’afectació de les variacions en les distàncies de viatge i l'elecció modal (estudi 1). El marc va ser aplicat a la Regió Metropolitana de Barcelona (RMB). Els resultats indicaren que els aspectes conductuals dels viatgers no són prou reconeguts, el que significa que no són prou efectives les intervencions polítiques tradicionals destinades a alleujar la pressió ambiental (per exemple, la planificació física i la provisió d'infraestructura, els estàndards de contaminació, els mecanismes de fixació de preus i la provisió d'informació). Els viatgers estan sovint limitats per com la informació és comunicada (framing, emmarcament o enquadrament) i per processos cognitius propis (com ara hàbits, emocions i qüestions relacionades amb l’estatus). Per tal d’augmentar la seva eficàcia, les polítiques ambientals de transport han de tenir en compte, doncs, la racionalitat limitada i l'heterogeneïtat de les preferències dels viatgers (per exemple, les preferències temporals i socials). En un segon estudi, aquesta Tesi estudia precisament l'aplicació de la perspectiva conductual per la formulació de polítiques de transport més eficaces. En la segona part de la recerca, estudiem en detall la forma en què els hàbits influeixen en l'elecció del mode de transport (estudi 3). A partir d'una mostra representativa de viatgers de la RMB, es van identificar dos grups d'usuaris habituals dels vehicles privats (motos i cotxes), que necessiten de polítiques específiques per trencar els seus hàbits insostenibles i formar-ne altres de sostenibles. Un tercer grup de viatgers, l’anomenat Potential mode switchers, pot considerar-se un objectiu estratègic de les polítiques ambientals; es tracta principalment d’un grup d’usuaris d'automòbils, encara que familiaritzats amb el transport públic i que sovint s’informen sobre les alternatives modals. Finalment, en un quart estudi es va testar empíricament l'efecte relatiu de diversos antecedents de l’elecció i l'ús dels mitjans de transport (incloent-hi els hàbits) per als desplaçaments a la feina. Es va desenvolupar un model de comportament que integra el coneixement recollit en els estudis previs que conformen aquesta Tesi. El model dóna compte de la influència de les actituds (és a dir, les preferències formades de manera racional), els obstacles ―tant els percebuts pels individus com els reals (per exemple, els que fan referència a les característiques de la forma urbana)―, i els hàbits. Els resultats mostraren la gran capacitat predictiva dels hàbits, tant pel que fa a l'elecció del mitjà de transport (vehicle privat vs. transport públic), com pel que fa a la variació en el seu ús. En conclusió, aquesta Tesi posa en relleu la importància de les aproximacions conductuals en la identificació d’aquests altres antecedents del comportament de viatge (in)sostenible. Tenir-los en compte en dissenyar la política ambiental per al transport augmentaria l'eficàcia dels instruments tradicionals, alhora que proporcionaria formes alternatives de participació i motivació de les persones per tal que ens comportéssim de manera pro-ambiental. / This Thesis project aims to study the antecedents of daily travel behaviour in order to inform policy design. It consists of two parts, one theoretical and another more empirical. The first part studies sustainable commuting, assesses core factors and examines the role of bounded rationality in travel behaviour. In the second part these insights are then applied to Barcelona. All studies included within the Thesis focus on alleviating the pressure that transport exerts on the environment through effective and equitable policies. For this reason a special focus is put on travel mode choice. The first part of the research developed a framework involving seven factors of GHG emissions that operate through affecting variations in commuting distances and travel mode choice (study 1). The framework was applied to the Barcelona Metropolitan Region (BMR). The results indicated that behavioural aspects of travellers are insufficiently recognized, which has led to an insufficient effectiveness of traditional policy interventions aimed at alleviating environmental pressure (e.g. physical planning and infrastructure supply, pollution standards, pricing mechanisms and information provision). Travellers are often limited by information frames and cognitive processes (e.g. habits, emotions and concern about reputation or status). In order to be more effective, environmental-transport policies need to better account for the bounded rationality and heterogeneity of travellers’ preferences (e.g. time and social preferences). In the second study this Thesis investigates the application of insights from behavioural research to formulate more effective transport policies. In the second part of the research, we looked in more detail at the way habits play a role in travel mode choice (study 3). From a representative sample of travellers in the BMR we identified two groups of habitual private vehicle users (motorcycle and car), which need specific policies to break down their unsustainable habits and form more sustainable ones. A third group of travellers, namely Potential mode switchers, can be considered a strategic target of policies; they are mainly car users, though familiar with public transport making a regular use of travel information. Finally, in a fourth study the relative effect of several antecedents of travel mode choice and usage (including habits) for commuting journeys was empirically tested. A behavioural model was developed, which encompassed the insights collected throughout the previous studies forming this Thesis. It took into account the influence of attitudes (i.e. rationally formed preferences), constraints ―those perceived by the individual and actual constraints (e.g. based on urban form features)― and habits. Results showed the superior explanatory power of habits in predicting both travel mode choice (private vehicle vs. public transport) and the variation in its usage. In conclusion, the present Thesis highlighted the relevance of behavioural approaches in unfolding these other antecedents of (un)sustainable travel behaviour. Taking these approaches into account when designing environmental-transport policy would raise the effectiveness of traditional policy, while providing alternative ways to engage and motivate people to behave in an environmentally-friendly way.

El agua es un recurso esencial y vector fundamental para el desarrollo sostenible. La falta de acceso a agua potable tiene impactos clave en la salud, la economía y la educación, especialmente en poblaciones vulnerables. Sin embargo, el acceso no garantiza un nivel adecuado de servicio, asequible, equitativo y universal. Importantes esfuerzos en el ámbito internacional han impulsado la agenda para mejorar el acceso a agua potable, especialmente en las zonas rurales donde históricamente los niveles de acceso han sido más bajos y su distribución más desigual. Varios modelos de gestión pública y privada del agua se han promovido en los países de América Latina y el Caribe (ALC). Tradicionalmente la gestión comunitaria ha sido el enfoque más común en las zonas rurales con apoyo de gobiernos e instituciones internacionales con resultados mixtos. El acceso a agua potable en ALC ha mejorado significativamente en las últimas décadas, alcanzando los Objetivos de Desarrollo del Milenio. Sin embargo los retos siguen siendo enormes. La sostenibilidad es una tarea pendiente para garantizar un nivel óptimo de servicio en el largo plazo, con estrategias que garanticen las dimensiones ambiental, institucional, de gestión, financiera, técnica y social de la sostenibilidad de los sistemas. Este estudio se basa en una extensa revisión de literatura sobre agua rural en ALC y la evolución de su gestión bajo varios modelos. También se presenta un análisis exhaustivo sobre sostenibilidad en el sector agua y las herramientas para su medición. El análisis de más de 1.100 indicadores muestra que las dimensiones institucional, de gestión, técnica y financiera reúnen entre el 21 y 23 por ciento de los indicadores definidos en los 29 instrumentos para medir sostenibilidad evaluados. Los aspectos ambientales son los menos reconocidos, con un 4 por ciento. El estudio de caso en 100 comunidades rurales de Paraguay combina la teoría sobre indicadores para medir sostenibilidad con un enfoque práctico. La información disponible se completó con una encuesta de seguimiento a una muestra de usuarios y 100 juntas de saneamiento, junto con la evaluación técnica de los sistemas de agua. Los resultados muestran un alto nivel de servicio en casi las 100 comunidades, con una alta probabilidad de sostenibilidad en el largo plazo debido sobretodo a los altos niveles de gestión y el capital social en las comunidades. Los principales desafíos para la sostenibilidad de los sistemas de agua están relacionados con la calidad de la fuente – afectada negativamente por el cambio climático y la falta de normativa para controlar su uso – y la falta de capacidad para ampliar los sistemas de agua, principalmente a nivel financiero. El valor cultural del agua es un aspecto clave en la disposición a pagar y en la gestión responsable del sistema, así como el apoyo constante del gobierno paraguayo al sector del agua rural a cargo del Ministerio de Salud a través de una institución autónoma específica (SENASA). El estudio confirma que los desafíos en la medición de la sostenibilidad en los sistemas rurales de agua y en el desarrollo de un marco común son enormes. Los datos oficiales relativos al acceso a agua mejorada no reflejan los problemas de sostenibilidad que pueden poner en peligro las importantes inversiones en infraestructura nueva y rehabilitada. La participación de la comunidad para hacer frente a estos desafíos es clave, pero otras condiciones deben ser también garantizadas. La disponibilidad de indicadores apropiados para medir sostenibilidad es esencial para entender los porqués, los cómos y los quiénes son los responsables en asegurar la sostenibilidad de los sistemas. A partir de ahí, los gobiernos deben priorizar estrategias para mejorar en última instancia el bienestar de la población. / Water is an essential resource and a fundamental vector in sustainable development. The lack of access to improved water resources has important impacts on health, economy, and education, especially for the most vulnerable populations. However, access does not guarantee an appropriate level of service that is affordable, equitable, and universal. Significant efforts in the international arena have pushed the agenda to improve access, especially in rural areas where levels of access have been historically lower and unevenly distributed. Several models of water management, embracing both public and private sector participation, have been promoted in countries in Latin America and the Caribbean. Traditionally, community-based management has been the most common approach in rural areas, supported by governments and international aid institutions, although results have been mixed. In Latin American and the Caribbean levels of access to improved water resources have improved significantly in recent decades, achieving and surpassing the Millennium Development Goals. However, challenges are still enormous. Sustainability is a target that must be hit in order to ensure an optimal level of service in the long-term, with strategies that guarantee the environmental, institutional, management, financial, technical, and social dimensions of a system’s sustainability. This research is based on an extensive review of literature on rural water, the current situation related to access in Latin America and the Caribbean, and the evolution of water sector management under different models. A probing assessment on sustainability in the rural water sector, on measurement tools, and on international experiences in water management has also been conducted. The analysis of more than 1,100 indicators shows that institutional, management, technical, and financial dimensions are associated with between 21 and 23 percent of the indicators defined in the 29 tools assessed. Environmental aspects, at a mere 4 percent, are the least common. The case study of 100 rural communities in Paraguay aims to combine theories on sustainability tools and indicators with a practical approach. Existing information was rounded out with a follow-up survey administered to a sample of users and 100 sanitation boards that manage the water systems, together with a water system assessment in each of the communities. Results show a high level of service in almost all of the 100 communities, with a high likelihood of long- term sustainability, which is due in large part to the high levels of management and social capital of the communities. The main challenges identified to ensure water sustainability were related with the quality of the source – negatively impacted by climate change effects and the lack of standards for controlling source use – and the lack of financial capacity to expand systems. The cultural value of water is a key aspect affecting user willingness to both pay and responsibly manage the system. The constant support of the Paraguayan government in the rural water sector through the Ministry of Health’s autonomous institution (SENASA) also plays a positive role. The study confirms that the challenges in measuring sustainability in rural water systems and in developing a common framework are enormous. Official data regarding access does not reflect sustainability problems, which can jeopardize significant investments in new and rehabilitated infrastructure. Community participation in addressing these challenges in the rural areas is strategic, but other conditions also require governmental support. Availability of data and appropriate indicators for measuring sustainability are the first steps to understanding the whys, the hows, and the whos involved. From there, national and sub-national governments should prioritize strategies for ultimately improving population welfare.

El páramo es un ecosistema presente en la alta montaña del Nuevo Mundo. En el páramo húmedo, el fuego y el pastoreo son perturbaciones antrópicas recientes que modifican el proceso de la sucesión-regeneración de la vegetación. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es la de cuantificar los efectos de dicha perturbación sobre la vegetación así como evaluar la capacidad de regeneración del ecosistema del páramo. La Tesis Doctoral se estructura en cinco grandes apartados que analizan los efectos del fuego y el pastoreo sobre (1) la estructura de la vegetación y el banco de semillas de la comunidad, (2) la cantidad de fitomasa epigea e hipogea de la comunidad de plantas, (3) la regeneración de comunidades características de chuscal y pajonal, y la regeneración de especies clave del páramo, como (4) el chusque (Chusquea tessellata) y (5) el frailejón (Espeletia grandiflora y Espeletia killipii). Los objetivos de esta Tesis Doctoral se han llevado a cabo mediante una combinación de estudios y experimentos durante los últimos años en distintos valles del Parque Nacional Natural de Chingaza en Colombia. Los resultados principales indican que los niveles intermedios de perturbación favorecen el incremento de especies en la vegetación en pie mientras que los niveles máximos de perturbación la disminuyen. En contraste, la densidad y riqueza del banco de semillas disminuye con la perturbación intermedia y aumenta con la perturbación fuerte donde se seleccionan especies que toleran el ramoneo y el pisoteo del ganado y que se pueden establecer en un suelo compactado. La perturbación disminuye la fitomasa epigea y la necromasa, aumenta la densidad aparente del suelo desde los sitios menos alterados hacia los sitios más alterados, y tiende a reducir la fitomasa de raíces. La perturbación recurrente transforma las comunidades iniciales en otras comunidades muy distintas, siendo la regeneración del pajonal mucho más rápida que la del chuscal. En general, el reestablecimiento de las especies nativas características requiere de largos periodos de descanso, que se calculan superiores a los 20 años. En el caso del chusque, la regeneración después del corte y el fuego muestra que el tratamiento de corte estimula la regeneración del tejido fotosintético, mientras que el tratamiento de corte y fuego estimula la formación de brotes. El tratamiento combinado de corte y fuego es muy agresivo y hace que la regeneración de fitomasa del chusque sea cuatro veces menor que cuando se ve afectado solamente por el corte. Finalmente, las dos especies de frailejón forman bancos de semillas transitorios y presentan dificultades importantes para el reclutamiento. En general, en zonas con historia de fuego, las tasas de crecimiento tienen mayor variación. De otra parte, Espeletia killipii es más vulnerable a la perturbación por fuego y pastoreo que Espeletia grandiflora, lo que puede explicar parcialmente la distribución más restringida de Espeletia killipii. Se destaca también que el perímetro del tronco de los frailejones es una variable muy importante para predecir el crecimiento, la reproducción y la supervivencia de los frailejones en su medio natural. La principal conclusión de esta Tesis Doctoral es que la perturbación por fuego y pastoreo provoca grandes e importantes cambios en la vegetación del páramo húmedo. Además, dichos cambios, que afectan a todos los niveles de las comunidades vegetales típicas del páramo mediante efectos directos o indirectos, parece que son muy difíciles de revertir o que requieren de un prolongadísimo tiempo de ausencia de perturbaciones. Las especies más características del páramo, por las cuales estos ecosistemas son muy conocidos, se ven seriamente afectadas por el fuego y el pastoreo y presentan una limitada capacidad de regeneración natural. Urgen medidas de gestión y conservación que permitan preservar estos ecosistemas únicos para las generaciones futuras. / The páramo is an ecosystem type that only occurs in the New World. In humid páramos, fire and grazing represent the most important human-induced disturbances affecting the succession-regeneration process of the vegetation. The main goal of this PhD Thesis is to quantify the effects of disturbance on the vegetation as well as the regeneration ability of the páramo. This PhD Thesis is structured in five blocks that analyze the effects of fire and grazing on (1) the structure of the vegetation and seed bank of the plant community, (2) the amount of above- and below-ground biomass at the community level, (3) the regeneration of typical plant communities of the páramo, such as the bamboo páramo and the bunch-grass páramo, and the regeneration of key plant species in the páramo, such as (4) the bamboo Chusquea tessellata and (5) the caulescent stem-rosette species Espeletia grandiflora and Espeletia killipii. The objectives of this PhD Thesis are addressed by combining field studies and experimental approaches during the several years in different valleys of the Chingaza Natural National Park in Colombia. The main results of this PhD Thesis indicate that intermediate levels of disturbance enhance plant diversity whereas high levels of disturbance reduce it. In contrast, seed density and species richness of the soil seed bank decrease with intermediate disturbance and increase with intense levels of disturbance. The results show that grazing-tolerant species are selected under a scenario of intense disturbance. In general, disturbance tends to reduce above-ground biomass and the amount of dead plant material, increases soil density, and decreases below-ground biomass. Recurrent disturbance induce important modifications in plant communities that eventually become quite different over time. It must be noted, however, that the bunch-grass páramo exhibits faster regeneration times than the bamboo páramo. At the species level, the recovery of key plant species of the páramo requires long periods of time without disturbance, which are calculated to be over 20 years. In the particular case of Chusquea tessellata, the clipping treatment stimulates leave production whereas the fire treatment enhances stem production. The combined treatment of clipping and fire on Chusquea tessellata individuals produces severe effects on the overall regeneration rates of the species. It is estimated that regeneration of Chusquea tessellata is four-fold lower when affected by clipping and fire than when affected by clipping only. Finally, the two causlescent stem-rosette species, i.e. Espeletia grandiflora and Espeletia killipii, have transient seed banks and limited recruitment rates of new individuals into populations. Generally speaking, both caulescent stem-rosette species exhibit higher variation in individual growth rates in areas traditionally affected by fire. Espeletia killipii is more vulnerable to fire and grazing than Espeletia grandiflora, which may partially explain the more restricted distribution range of the former caulescent stem-rosette species. It is noteworthy that stem perimeter appears to be an important plant trait to forecast growth, reproduction and survival rates of caulescent stem-rosette species in the wild. The main conclusion of this PhD Thesis is that disturbance mediated by fire and grazing provokes very important changes in the vegetation of humid páramos. On top of that, all levels of the plant communities of humid páramos seem to be affected by disturbance through direct or indirect effects. A total regeneration of the vegetation appears to be a complicated process that may requires very long periods of time without disturbance. The key plant species of humid páramos are seriously affected by fire and grazing and their natural regeneration ability is severely limited. It is clear that we urgently need effective conservation and management actions to preserve such unique ecosystems from uncontrolled human activities.