Experimental study was conducted to analyze the physical flow turbulence and sediment distribution with submerged vane. The objectives behind the investigation were verified and compare results with the Odgaard theory, also; achieved to measure vertical pressures acting on both sides of submerged vane, calculate lift and drag forces, lift and drag coefficients experimentally, that the theory of Odgaard was fails to predict satisfactorily. Other motivation of the study was investigates experimentally the hydrodynamic characterization of submerged vanes as; velocities fields, circulation, vorticity, bed topography, pressures, drag and lift forces with its coefficients, study physical fluid turbulence of submerged vanes as; Reynolds normal and shear stresses, turbulent kinetic energy and rate of dissipation, turbulence intensities, Kolmogorov scales, kinetic energy spectrum, turbulent velocities fields, fluctuating velocities and finally Reynolds stresses histograms. Tests were conducted with clear water was transported throughout the re-circulated rectangular channel with cross-section 7.5 m long, 2.52 m wide channel with a bed consisting of 50 cm thick layer of sand with a median diameter of 1.6-mm and a geometric standard deviation of 1.36. Velocities were measured with a 7 Acoustic Doppler Velocimeter ADV, which were calibrated and checked periodically, depths and water surface elevations were measured with a gauge that could be read with an error of less than 0.3 mm. The current meter, gauges were mounted on a movable instrument sliding carriage, which rode on rails a top of the channel walls, on a traversing mechanism, which enabled them to be positioned at any desired location in the channel. Positioning and data sampling were controlled from a computer program. The water surface elevations were used to determine water surface slope S and Darcy-Weisbach friction factor f=8gRS/u_o^2, where uo = undisturbed (pre-vane) cross-sectional-averaged velocity. In all tests, uo=0.2867 m/s, and the discharge Q=116,62 l/s =0.11662 m^3/s. The vanes were made of 14 mm-thick PVC sheet, they were rectangular in shape, with height H = 7 cm = 0.4337d, and length L = 25 cm = 3.571H. In all tests, the vanes were placed at an angle of attack of 20 degrees with the channel centerline. Water depth was 0.1614 m, pre-vane water surface slope, friction factor and geometric standard deviation, sg, were 1.6×10^(-3), 0.045 and 1.36 respectively. The Vectrinos were been calibrated to work at 25Hz and for each position taken data for 4 minutes, a sample volume that is located approximately 4.3 mm of the device. For each position there are seven Vectrinos 10 cm distance from one to other taking data, so data recorded 7 points at the same time. Data recorded were taking on about 24.080 points on whole the sectional cross channel, with the aim to measure the velocities once the channel-bed has reached to the permanent regime or steady state (equilibrium), during the measurements of velocities, we has taken the bed topography (bathymetry) of the channel-bed by using ADV. In the current dissertation, we installed 30 piezometers in each side of Vane. Once obtained the experimental pressures measured at the laboratory on both sides of vane, the pressure difference between vane sides (¿P), and the perpendicular resultant force (FR¿) acting on the vane, first calculated the resultant force between drag and lift components (FR), then we used this force to calculate drag force FD and lift force FL, also calculated Drag coefficient CD, and finally we calculated the Lift coefficient CL. Results, includes submerged vanes turbulence statistics as; Probability distribution of the velocity field, Reynolds stresses, Turbulence intensity, Kinetic and Dissipation energy, and finally, Kolmogorov turbulence scales. Other results contain energy spectrum, turbulent velocities fields, fluctuating velocities and Reynolds stresses histograms. / El estudio experimental se ha llevado a cabo para analizar el funcionamiento, la turbulencia del flujo y el transporte de sedimentos con paneles sumergidos. Los objetivos tras la investigación fueron verificados y comparados con los resultados de la teoría de Odgaard, también; se han medido las presiones verticales que actúan sobre ambos lados de los paneles sumergidos, se han calculado las fuerzas de drag y lift y, sus coeficientes experimentalmente, ya que la teoría de Odgaard no pudo predecirlas satisfactoriamente. Otra motivación del estudio, fue investigar experimentalmente la caracterización hidrodinámica de los paneles sumergidos como; distribución de velocidades, circulación, vorticidad, topografía del fondo, presiones, fuerzas de drag y lift y sus coeficientes, tensiones de Reynolds, energía cinética turbulenta y disipación turbulenta, intensidades de turbulencia, escalas de Kolmogorov, espectro de energía cinética, campos de velocidades turbulentas, velocidades fluctuantes y finalmente, histogramas de las tensiones de Reynolds. Se realizaron pruebas en aguas claras, a lo largo de un canal rectangular con una sección de 7.5 m de largo, 2.52 m de ancho y un espesor de 50 cm de arena de 1.6 mm de diámetro medio y una desviación geométrica de 1.36. Las velocidades fueron medidas con 7 Acoustic Doppler velocímeter ADV, las que fueron calibradas y revisadas periódicamente, las profundidades y las alturas de superficie de agua fueron medidas con un limnímetro que puede leerse con un error de menos de 0.3 mm. Los paneles fueron construidos con placas de PVC de 14 mm de espesor, de forma rectangular, con altura H = 7 cm = 0.4337d y longitud L = 25 cm = 3.571H. En todos los ensayos, los paneles se colocaron con un ángulo de ataque al flujo de 20 grados con la línea central del canal. El calado del agua es de 0.1614 m, la pendiente superficie, el factor de fricción y la desviación geométrica, fueron, 0.045 y 1.36 respectivamente. Los Vectrinos se han calibrado para trabajar a 25Hz y con un volumen de control de 4.3 mm, para cada posición se tomaron datos durante 4 minutos. Para cada posición hay siete Vectrinos con una distancia de 10 cm entre ellos, registrando por lo tanto 7 puntos al mismo tiempo. Los datos registrados fueron alrededor de 24,080 puntos en toda la sección del canal, con el objetivo de medir las velocidades una vez los sedimentos en el canal han alcanzado el régimen permanente o estacionario (equilibrio), durante las mediciones de las velocidades, se ha medido la topografía del fondo (batimetría) mediante el uso de los sensores ADV. La tesis actual, ha desarrollado un sistema para medir la presión vertical que actúa sobre ambas caras del panel, se instalaron 30 piezómetros de plástico en cada lado del panel. Una vez obtenida la presión experimental medida en el laboratorio a ambos lados del panel, se halla la diferencia de presión entre los dos lados, y la fuerza perpendicular resultante actuando sobre el panel, primero se calculó la fuerza resultante entre los dos componentes de drag y lift, para utilizarla después en el cálculo de la fuerza del drag FD y lift FL, así como el coeficiente de arrastre CD, y finalmente se calculó el coeficiente de lift CL. Los resultados de turbulencia incluyen; Distribución de probabilidad de la distribución de velocidades, tensiones de Reynolds, intensidad turbulenta, energía cinética y disipación. Finalmente, escalas de turbulencia de Kolmogorov. Otros resultados contienen el espectro de energía, campos de velocidades turbulentas, velocidades fluctuantes y los histogramas de las tensiones de Reynolds.

Amb cinc capítols, la tesi doctoral combina l’estudi dels hàbitats presents, passats i futurs del Delta de l’Ebre, un dels ecosistemes d’aiguamolls més gran del Mediterrani occidental. S’han aplicat diferents aproximacions per cadascuna de les tres escales temporals: i) en el present, la utilitat de diatomees i foraminífers bentònics com a indicadors ecològics dels hàbitats del Delta de l’Ebre, ii) en el passat, l’ús de les comunitats de foraminífers preservades en el sediment per reconstruir els canvis associats a factors naturals i humans, i iii) en el futur, la distribució potencial dels hàbitats assumint un escenari de nul•la intervenció humana. Els resultats posen en evidència la capacitat de cadascun dels dos grups d’indicadors per caracteritzar de forma diferent tot el rang d’hàbitats deltaics, indicant que aquest coneixement pot ser útil en el context de futurs impactes del canvi climàtic (és a dir increment del nivell del mar i retrocés de la costa), ja que els models de distribució dels hàbitats són sensibles a variables eco-geogràfiques com l’elevació i distància a la costa. Per cadascun dels hàbitats identificats, s’han determinat diferents espècies indicadores de diatomees i foraminífers. Algunes d’aquestes espècies podrien detectar canvis primerencs en les comunitats degut a que els hàbitats estan afectats per múltiples factors d’estrès natural i antropogènic. Els resultats també mostren que quan es combinen les comunitats de foraminífers bentònics que habiten en la plana deltaica i els hàbitats marins adjacents, s’obté una nova eina per la reconstrucció paleoambiental en deltes. En el cas del Delta de l’Ebre, el registre de foraminífers de testimonis profunds datats amb carboni-14 va permetre rebutjar la hipòtesi que el Delta era un estuari abans de l’època dels Romans (fa uns 2000 anys). A una escala temporal inferior (10-100 anys), les comunitats de foraminífers indiquen canvis significatius en el tipus d’hàbitat com a resultat de l’introducció del cultiu intensiu de l’arròs. Aquests resultats aporten informació valuosa sobre les condicions de referència dels hàbitats del Delta de l’Ebre per tal d’informar futurs plans de restauració i monitoreig ambiental. / En cinco capítulos, la tesis doctoral combina el estudio de los hábitats presentes, pasados y futuros del Delta del Ebro, uno de los humedales costeros más grandes del Mediterráneo occidental. Para cada una de las tres ventanas temporales se han aplicado distintas aproximaciones: i) en el presente, la utilidad de diatomeas y foraminíferos bentónicos como indicadores ecológicos de los hábitats del Delta, ii) en el pasado, el uso de las asociaciones de foraminíferos preservadas en el sedimento para reconstruir los cambios ligados a factores naturales y humanos, y iii) en el futuro, la distribución potencial de los hábitats asumiendo un escenario de nula intervención humana. Los resultados evidencian que cada uno de los dos grupos de indicadores bentónicos es capaz de caracterizar de forma distinta todo el rango de hábitats deltaicos, y señalan que este conocimiento puede ser aprovechable en el contexto de futuros impactos del cambio climático (incremento del nivel del mar y retroceso de la línea costera), debido a que los modelos de distribución de los hábitats son sensibles a variables eco-geográficas como por ejemplo la elevación y distancia al mar. Para cada uno de los hábitats identificados, se han determinado distintas especies indicadoras de diatomeas y foraminíferos. Algunas de estas especies podrían detectar cambios tempranos en las comunidades, debido a que los hábitats están sometidos a múltiples factores de estrés natural y antropogénico. Los resultados también evidencian que cuando se combinan las asociaciones de foraminíferos bentónicos que viven en la llanura deltaica y en los hábitats marinos adyacentes, se obtiene una nueva herramienta para la reconstrucción paleoambiental en deltas. Para el caso del Delta del Ebro, el registro de foraminíferos preservado en sondeos profundos y datados con carbono-14 permitieron rechazar la hipótesis que el Delta era un estuario antes de la época romana (hace 2000 años). A menores escalas de tiempo (10-100 años), las asociaciones de foraminíferos indican cambios significativos de hábitat como resultado de la introducción del cultivo intensivo del arroz. Estos resultados proporcionan información valiosa para determinar las condiciones de referencia en el Delta del Ebro y aportar información a futuros planes de restauración y monitoreo ambiental. / In five chapters, this thesis combines the study of present, past and future habitats of the Ebro Delta, one of the largest coastal wetlands in the northwest Mediterranean. Different approaches are applied in each of the three temporal scales: i) in the present, the utility of benthic diatoms and foraminifera as ecological indicators of the Ebro Delta habitats, ii) in the past, the use of buried, well-preserved benthic foraminiferal assemblages to reconstruct natural and human-driven changes, and iii) in the future, the potential habitat distribution across the Delta plain assuming a scenario of no human disturbance. The results show the capacity of each group of indicators to distinctively characterise the whole range of deltaic habitats, and indicate that this knowledge may prove useful in the context of future climate change impacts (i.e. sea-level rise and coastal retreat), since habitat distribution models are sensitive to eco-geographic features such as elevation and distance to the coast. For each habitat type identified, diatom and foraminiferal indicator species are recognized. Some of these species have also a value for detecting early community changes, because habitats are affected by multiple natural and anthropogenic stressors. This thesis also shows that benthic foraminifera, when combines the assemblages inhabiting both the deltaic plain and the adjacent marine area, provide a new tool in palaeoenvironmental reconstruction of deltas. For the Ebro Delta case, the foraminiferal record of radiocarbon-dated boreholes rejected the hypothesis that the central delta plain was an estuary prior to the Roman period (i.e. 2000 years ago). At scales of 10s and 100s of years, down-core foraminiferal assemblages revealed habitat shifts, together with a significant correlation with organic matter increases as a result of human-mediated drainage inputs coming from rice paddies. This knowledge provides valuable information on background conditions for the Delta habitats to inform environmental restoration and monitoring schemes.

Research of new sources of bioenergy is nowadays driving attention to microalgae. Cost-effective biomass harvesting poses a challenge for full-scale microalgae production for biofuels. In the context of wastewater treatment with microalgae cultures, coagulation-flocculation followed by sedimentation seems to be the most suitable option for microalgae harvesting as low energy and no extra materials are required. The main objective if this PhD thesis was to evaluate and improve the harvesting efficiency of microalgal biomass grown in wastewater treatment high rate algal ponds (HRAPs) by means of flocculation-based pre-concentration techniques (i.e. coagulation-flocculation with organic flocculants and biomass recycling). Moreover, the energy assessment of a full-scale wastewater treatment system based on HRAPs followed by anaerobic digestion of harvested microalgal biomass located in a Mediterranean Region was assessed. Firstly, coagulation-flocculation and sedimentation with two tannin-based polymeric flocculants (Ecotan and Tanfloc) was evaluated by means of static sedimentation tests in conventional settling columns. Low flocculants doses (10-50 mg/L) enabled over 90% biomass recovery. Furthermore, both flocculants increased microalgae settling velocity, leading to fast and efficient biomass recovery (> 90% recovery in 10-20 min). Subsequently, dynamic sedimentation tests were performed in a water elutriation apparatus in order to evaluate the settling velocities distribution of microalgal biomass with and without flocculants. This time, a tannin-based flocculant (Tanfloc) and a cationic starch were evaluated. The amount of biomass reaching settling velocities higher than 6.5 m/h increased from 10-14% (without flocculant) to 70-84% when 20-40 mg/L of Tanfloc were added. On the other hand, 10-25 mg/L of starch enabled more than 95% biomass recovery, increasing from 46% to 78% the amount of particles with settling velocities higher than 6.5 m/h. According to the results, a settler designed with a critical settling velocity of 1 m/h (which is a typical value in secondary settlers) would enable over 90% biomass recovery while reducing the hydraulic retention time and the settler surface as compared to biomass harvesting without flocculants. Microalgal biomass harvesting was also tested by recycling some of the harvested microalgal biomass (2% and 10% dry weight) to the pilot wastewater treatment HRAP in order to increase the predominance of rapidly-settling microalgae species. Results indicated that biomass recycling had a positive effect on the harvesting efficiency, obtaining higher recoveries in the pilot HRAP with recycling (91-93%) than in the pilot HRAP without recycling (75 ¿ 88%), and increasing the percentage of biomass with high settling velocity. This was due to the fact that the abundance of rapidly-settling strains such as Stigeoclonium sp. and diatoms increased when 10% (dry weight) of harvested biomass was recycled. Experimental results from this PhD thesis suggested that either flocculation with natural organic flocculants or biomass recycling improves harvesting efficiency of microalgal biomass with high biomass recoveries (>90%), increasing by 2-8-folds the amount of biomass with high settling velocities (6.5 m/h) and obtaining the best results in those experiments in which rapidly settling species (e.g. Stigeoclonium sp. and diatoms) were dominant. Finally, the energy balance of a microalgae-based wastewater treatment plant located in the Mediterranean Region was assessed based on experimental results. The harvested microalgal biomass grown in wastewater HRAPs would undergo anaerobic digestion (with or without thermal pretreatment) to produce biogas and generate electricity and/or heat. The energy assessment concluded that the system should achieve microalgal biomass production of at least 15 g TSS/m2d and/or a methane yield of 0.5 m3CH4/KgVS all over the year to be energy self-sufficient. / Actualmente, la investigación de nuevas fuentes de energía ha centrado la atención hacia las microalgas. El principal desafio para la producción de microalgas a gran escala es realizar una recuperación de la biomasa algal eficente y rentable para su posterior valorización. En el contexto del tratamiento de aguas residuales, el proceso de coagulación-floculación seguido de la sedimentación representa la técnica de recuperación de microalgas más adecuada debido al bajo consumo energético y a los bajos costes asociados. El objetivo principal de la tesis doctoral fue evaluar y mejorar la eficiencia de separación de la biomasa algal cultivada en lagunas de alta carga (LAC) para el tratamiento de agua residual urbana. Esto se consiguió aplicando técnicas de pre-concentración basadas en procesos de floculación. A posteriori, se evaluó el balance energético de un sistema de tratamiento de aguas residuales a gran escala situado en la región Mediterránea, formado por un sistema de LAC seguido de un proceso de digestión anaeróbica de la biomasa. En primer lugar, la coagulación-floculación y sedimentación con dos floculantes naturales poliméricos (Ecotan y Tanfloc) se evaluó por medio de ensayos de sedimentación estáticos en columnas de sedimentación convencionales. Ambos floculantes obtubieron dosis ótimas bajas (10-50 mg / L) que permitieron la recuperación del 90% de la biomasa. Además, estos aumentaron la velocidad de sedimentación de la biomasa algal, implicando una recuperación de la biomasa rápida y eficiente (> 90% de recuperación en 10 a 20 min). Posteriormente, los tests de sedimentación dinámica se realizaron en un dispositivo dotado de tres columnas de sedimentación con el fin de evaluar la distribución de velocidades de sedimentación de la biomasa con y sin el efecto de floculantes. Esta vez, se evaluaró un floculante polimérico (Tanfloc) y un almidón catiónico. En estos ensayos, se auménto del 10-14% (son floculante) al 70-84% (con coagulante) la fracción de biomasa con unas velocidades de sedimentación mayores a 6,5 m/h tras la adición de 20-40 mg/L de Tanfloc. Por otra parte, entre10 y 25 mg / L de almidón fueron necesarios para recuperar más del 95% de la biomasa,incrementando del 46% a 78% la fracción de partículas con velocidades de sedimentación mayores a 6,5 m / h. Según los resultados, un decantador diseñado con una velocidad de sedimentación de 1 m / h (valor típico en decantadores secundarios) permitiría la recuperación del 90% de la biomasa, reduciendo el tiempo de retención hidráulico y la superficie de los decantadores, tras la adición de los floculantes naturales estudiados. La separación de la biomasa también se evaluó mediante la recirculación de una fracción de la biomasa cosechada (2% y 10% del peso en seco) en un sistema de LAC para el tratamiento de aguas residuales con el fin de aumentar el predominio de aquellas especies con altas tasas de sedimentación. Los resultados indicaron que la recirculación aumento la eficiencia de recuperación, obteniendo mayores recuperaciones en la LAC con recirculación (91-93%) que en LAC sin recirculación (75-88%), y aumentando el porcentaje de la biomasa con velocidad de sedimentación elevadas. Esto fue debido a la aparación de especies con altas tasas de sedimentación tales como Stigeoclonium sp. y diatomeas presentes cuando se recirculó el 10% de biomasa cosechada. Por último, el balance energético de una planta de tratamiento de aguas residuales a base de microalgas situada en la región Mediterránea se evaluó a partir de resultados experimentales de la biomasa algal crecida en LAC y sometida a la digestión anaerobia (con o sin tratamiento térmico previo) para producir biogás y generar electricidad y / o calor. El estudio concluyó que se debe lograr una mínima producción de biomasa algal de 15 g SST / m2d y / o unas producciones de metano de 0,5 m3CH4 / kgVS para obtener un sistema energéticamente autosuficiente durante todo el año

Les intoxicacions alimentàries degudes a toxines marines suposen un problema de salut públic i té un gran impacte econòmic sobre el sector pesquer. Els nivells de toxines marines que estan permesos en els productes pesquers i els mètodes d'anàlisi d'aquestes estan regulats a nivell europeu. Fins ara el mètode més emprat per a l'anàlisi de toxines era el bioassaig en ratolí. No obstant això, a causa de les noves regulacions en qüestió d'ètica animal i els avenços en tècniques més fiables i específiques per a la detecció de toxines marines, l'EFSA (European Food Safety Authority) ha determinat la progressiva substitució del bioassaig en ratolí per mètodes alternatius en tot el territori de la Unió Europea. Aquesta tesi proposa l'ús d'assajos basats en cèl•lules (CBAs) com a mètodes de detecció de toxines, complementaris a mètodes analítics. L'ús de CBAS permet realitzar un cribratge de les mostres a estudiar, previ a l'anàlisi analític confirmatori. A més, algunes d'aquestes microalgues, no causant intoxicacions alimentàries, poden produir substàncies bioactives de gran interès farmacològic. Aquesta tesi demostra que els cultius cel•lulars són aplicables també per caracteritzar el mecanisme d'acció d'aquest tipus de compostos. En aquests treballs es van usar cultius primaris de cèl•lules granulars de cerebel (CGC) de rata per estudiar l'efecte sobre l'homeòstasi de calci de les substàncies aïllades a partir de extractes de cultius de microalgues. Els resultats presentats en aquesta tesi tenen un impacte directe sobre la seguretat alimentària i aporta dades substancials que permeten caracteritzar el risc real que suposen les toxines avaluades per al consumidor. / Las intoxicaciones alimentarias debidas a toxinas marinas suponen un problema de salud público y tiene un gran impacto económico sobre el sector pesquero. Los niveles de toxinas marinas que están permitidos en los productos pesqueros y los métodos de análisis de éstas están regulados a nivel europeo. Hasta ahora el método más empleado para el análisis de toxinas era el bioensayo en ratón. Sin embargo, debido a las nuevas regulaciones en cuestión de ética animal y los avances en técnicas más fiables y específicas para la detección de toxinas marinas, la EFSA (European Food Safety Authority) ha determinado la progresiva sustitución del bioensayo en ratón por métodos alternativos en todo el territorio de la Unión Europea. Esta tesis propone el uso de ensayos basados en células (CBAs) como métodos de detección de toxinas, complementarios a métodos analíticos. El uso de CBAs permite realizar un cribado de las muestras a estudiar, previo al análisis analítico confirmatorio. Además, algunas de estas microalgas, no causando intoxicaciones alimentarias, pueden producir sustancias bioactivas de gran interés farmacológico. Esta tesis demuestra que los cultivos celulares son aplicables también para caracterizar el mecanismo de acción de este tipo de compuestos. En estos trabajos se usaron cultivos primarios de células granulares de cerebelo (CGC) de rata para estudiar el efecto sobre la homeostasis de calcio de las sustancias aisladas a partir de extractos de microalgas cultivadas en el laboratorio. Los resultados presentados en esta tesis tienen un impacto directo sobre la seguridad alimentaria y aporta datos substanciales que permiten caracterizar el riesgo real que suponen las toxinas evaluadas para el consumidor. / Food poisoning due to marine toxins pose a public health problem and has a great economic impact on the fishing sector. Marine toxin levels that are permitted in fish products and the methods of analysis of these products are regulated at the European Community level. So far the most used method for analysis of marine toxin was the mouse bioassay. However, due to new regulations within animal ethics and advances in new reliable and specific techniques for the detection of marine toxins, EFSA (European Food Safety Authority) has established the progressive replacement of the mouse bioassay for alternative methods in the European Union. This thesis proposes the use of cell-based assays (CBAs) as toxin detection methods, complementary to analytical methods. The use of CBAs allows the screening of samples, prior to confirmation by analytical techniques. Furthermore, some dinoflagellates which are not usually involved on food intoxication can produce bioactive substances with high pharmacological interest. This work proves that cell cultures are accurate to characterize the mechanism of action of these compounds. In these studies primary cultures of rat cerebella granule cells (CGC) were used to study the effect of microalgae products on the CGC calcium homeostasis. The tested products were isolated from microalgae cultures at the laboratory. The results presented in this thesis have a direct impact on food safety and provides substantial data to characterize the actual risk that poses the tested toxins for consumers.

The impact of mineral dust upon climate, ecosystems and air quality represents a major scientific and societal issue. The aim goals of the present Ph.D. Thesis are to evaluate the behaviour and to improve the forecasting skills of a regional dust model and to characterize the desert dust content in Northern Africa, Europe and Middle East. An aerosol characterization was performed using long-term series of aerosol optical depth (AOD) from AERONET sun photometers. The results showed that mineral dust was the most important constituent in Northern Africa and Arabia. Small particles were abundant in sites close to urban and industrial areas of Continental and Eastern Europe and Middle East, and important contributions of biomass burning were observed in the sub-Sahel region in winter. Desert dust transport to Southern Europe was observed from spring to autumn and decreasing with latitude with contributions above 40% to the aerosol column load. Dust models are essential to complement dust-related observations, understand the dust processes and predict the impact of dust on air quality. Despite that the BSC-DREAM8b model has reached a level of delivering reliable operational dust forecasts, it is necessary to conduct an extensive evaluation of its behaviour. The BSC-DREAM8b and the original DREAM models and different research model versions were evaluated over Northern Africa, Mediterranean and Middle East using AERONET measurements and seasonal averages from satellite aerosol products. The model evaluation highlighted that BSC-DREAM8b and DREAM strongly underestimated the dust fields in the Sahel during winter and overestimated dust concentrations during spring rainy events in the Mediterranean. The introduction of new dry deposition scheme and an updates in the wet deposition scheme improved the long-range transport, although significant underestimation remained in the Sahel in winter. The inclusion of a preferential source mask improved the localization of the main North African sources and the long-range dust transport to Europe and Atlantic regions. The inclusion of a more physically-based dust emission scheme with a new soil texture database led to reasonably good results at source areas and subsequent long-range transport. In this case, the use of a preferential source mask didn¿t introduce significant improvements. The long-range dust transport over Europe was evaluated and analysed with an annual simulation of the CALIOPE air quality modelling system. CALIOPE includes CMAQ which calculates biogenic, anthropogenic and sea salt aerosol; and BSC-DREAM8b which provides desert dust. For the evaluation, we used daily PM10, PM2.5 and aerosol components from the EMEP/CREATE network; total, coarse and fine AOD from AERONET and seasonal averages from satellite aerosol products. Overall CALIOPE could reproduce reasonably well the daily variability of the main components and the seasonal aerosol patterns in Europe. However, the PM and AOD levels were underestimated. The most underestimated aerosol components were carbonaceous matter and secondary inorganic aerosols (SIA). A simple model bias correction based on the chemical composition observations was applied to the model simulation to provide an estimation of the spatial and seasonal distribution of aerosols over Europe. The simulated aerosol concentrations presented maximum values over the industrialized and populated areas of the Po Valley and the Benelux regions. SIA were dominant in the fine fractions representing up to 80% of the aerosol budget in latitudes beyond 40ºN. A second maximum was detected over Eastern and Southern Europe. High values in Southern Europe were linked to Saharan dust transport which contributed up to 40% of the total aerosol mass. Maxima dust seasonal concentrations were found between spring and early autumn. These results showed that desert dust is the main responsible of the exceedances of the PM10 EU air quality threshold in large areas south of 45ºN. / Una gran quantitat de pols que és mobilitzada en les regions àrides del planeta, és injectada a l’atmosfera sota condicions meteorològiques favorables. A partir de mesures terrestres i de satèl·lit, a més a més d’estimacions obtingudes a partir de models, es calcula que en tot el planeta s’emeten entre centenars i milers de megatones de pols per any. L’impacte que té la pols mineral en el clima, els ecosistemes i la qualitat de l’aire, i per tant, en la salut humana i les activitats econòmiques, representa una qüestió social i científica de gran rellevància. La font més important d’emissió de pols mineral a nivell global és la regió del Sàhara. Els principals objectius de la present tesi doctoral són el d'avaluar el comportament i el de millorar les capacitats de predicció d'un model regional de pols així com el de caracteritzar el contingut de pols desèrtica en el nord d'Àfrica, Orient Mitjà i Europa. En aquest marc de treball, el model regional de pols BSC-DREAM8b i els fotòmetres de la xarxa internacional AERONET són les principals eines que seràn utilitzades en el transcurs de la present investigació. La comparació entre valors observats i simulats no pot ser adequadament entesa si les mesures no estan separades en els seus components fonamentals. Així, es va dur a terme una caracterització d'aerosols per al nord d'Àfrica, Europa i Orient Mitjà. Aquesta caracterització està basada en sèries d'espessor òptic d'aerosols (AOD; Aerosol Optical Depth en anglès) dels fotòmetres de la xarxa AERONET. L'anàlisi d'aquesta base de dades es va realitzar aplicant el mètode de Gobbi i co-autors. Aquest mètode gràfic permet deduir diferents propietats òptiques i físiques dels aerosols (com són el radi efectiu del mode fi i la contribució de les fraccions fines i gruixudes a l’AOD), a més a més, de diferenciar entre diferents processos que fan augmentar el valor de l’AOD com són la humidificació i/o coagulació de les fraccions fines o l'increment de partícules més gruixudes a causa de la presència de núvols. Els resultats van mostrar que la pols mineral és l'aerosol més important al nord d'Àfrica i Aràbia. En estacions properes a zones urbanes i industrials de regions continentals i de l'est d'Europa i Orient Mitjà es van observar partícules fines associades a fonts antropogèniques. També es van detectar importants contribucions en les fraccions fines degudes a la crema de biomassa a la zona del sub-Sahel durant l'hivern. El transport de pols desèrtica cap al sud d'Europa està associat a determinats patrons meteorològics estacionals. Com a resultat, en zones del sud d'Europa, la pols desèrtica es va observar entre primavera i tardor, i la seva contribució (que va arribar superar el 40%) decreixia cap a latituds més al nord. En aquest darrer cas, la pols desèrtica acostumava a trobar-se barrejada amb altres tipus d'aerosols d'origen antropogènic Els models de pols són essencials per complementar les observacions, entendre els processos associats al cicle de la pols i predir el seu impacte en les concentracions en superfície del material particulat (PM; Particulate Matter en anglès). En particular, els models regionals són adequats per a la simulació d'episodis individuals d’instrusió de pols desèrtica. Actualment, el model de pols BSC-DREAM8b és mantingut i desenvolupat en el Barcelona Supercomputing Center – Centre Nacional de Supercomputació (BSC-CNS). En els darrers anys, el model ha proporcionat prediccions diàries de concentracions de pols desèrtica en dos dominis: Nord d'Àfrica-Europa – Europa - Orient Mitjà i Àsia. A pesar que el BSCDREAM8b ha arribat a aconseguir una qualitat de pronòstic operacional capaç de reproduir els episodis d'intrusió saharians més importants que afecten al Mediterrani i Europa, és necessari avaluar el seu comportament en regions font de pols. En aquest context, el model BSC-DREAM8b i la seva versió original, DREAM, així com diferents versions experimentals, van ser avaluats per a un cicle estacional complet utilitzant les dades de la xarxa AERONET i promitjos estacionals de productes d'aerosols de diferents satèl·lits pel Nord d'Àfrica, Orient Mitjà i Europa. Els resultats de l'avaluació del model van mostrar que tant el BSC-DREAM8b com el DREAM subestimaven les concentracions de pols a la regió del Sahel durant l'estació hivernal del Harmattan. Per contra, importants sobreestimacions en l'oest del Mediterrani es van detectar coincidint amb episodis plujosos a la primavera. L’inclusió d'un nou esquema de deposició seca a més de l'actualització de la relació de rentat en l'esquema de deposició humida del model, van aconseguir millores en el transport a llarga distància, en particular sobre el Mediterrani malgrat que les subestimacions a la zona del Sahel van continuar sent persistents a l'hivern. La introducció d'una màscara de fonts preferents basada en la topografia del terreny en l'esquema d'emissió va millorar la localització de les principals regions font en el Nord d'Àfrica. Com a conseqüència, es van observar millores en el transport de llarga distància cap a Europa i les regions Atlàntiques. La inclusió d'un nou esquema d'emissió (que inclou parametritzacions físiques més complexes) a més d'una nova base de dades de textura de sòls va aconseguir bons resultats en regions font així com en regions afectades pel transport de pols a llarga distància. En aquest cas, l’introducció d'una màscara de fonts preferents en l'esquema d'emissió no va mostrar significants millores en comparació dels valors observats. A Europa, es poden trobar diferents tipus d'aerosols associats a diferents fonts d'emissió (tant naturals com antropogèniques) que s’han de tenir en compte quan s'analitzen les contribucions dels aerosols sobre el continent europeu. El transport de pols sahariana cap a sud d'Europa va ser avaluat i analitzat mitjançant una simulació del sistema de modelització de qualitat de l'aire CALIOPE. El sistema de modelització CALIOPE integra un conjunt de models dels quals el BSC-DREAM8b i el model fotoquímic CMAQ proporcionen les estimacions d'aerosols. Per a l'avaluació de CALIOPE es van utilitzar diverses fonts de dades de xarxes en superfície (com la xarxa europea de qualitat de l'aire EMEP/CREATE i la xarxa de AERONET) i mitjanes estacionals de productes d'aerosols de satèl.lits. L'avaluació va mostrar que malgrat subestimar les concentracions d'aerosols, CALIOPE va ser capaç de capturar les variabilitats diàries observades en les estacions en superfície així com reproduir els patrons estacionals observats en els productes de satèl·lit. L'avaluació dels aerosols per components va mostrar que les espècies químiques amb major subestimació pel que fa a les observacions estaven associades a les fraccions fines de carbó elemental i orgànic així com els aerosols secundaris inorgànics (nitrats, sulfats i amoni). Com a resultat, es va aplicar un senzill mètode de correcció de l’error als resultats de la simulació basat en les observacions de la composició química per tal de mostrar una estimació espaial i temporal de la distribució dels diferents aerosols presents a Europa. L'anàlisi de d’aquesta simulació va mostrar que les màximes concentracions d'aerosols es localitzen a les zones poblades i industrialitzades del Benelux i de la Vall del Po. Aquests màxims estan associats a les fraccions fines compostes d'aerosols secundaris inorgànics (observant-se contribucions de més del 80%). Màxims secundaris es van detectar a l'est i sud d'Europa. Les altes concentracions en el sud d'Europa s’associaven al transport de pols sahariana que contribuïa en més d'un 40% al total de la massa en columna. Prop de la superfície, les màximes concentracions estacionals associades al transport de pols (> 30 microg/m3) van ser observades entre primavera i estiu. A més a més, els resultats de la simulació anual d'aerosols per Europa va mostrar que el transport de pols sahariana és el principal responsable de la superació del límit diari de PM10 establert per la Unió Europea (50 microg/m3) en extenses àrees al sud dels 45ºN.

The response of phytoplankton to various ecological forcings was examined in the upper waters of the NW Mediterranean (MED) and the subtropical North Atlantic (NA) from field observations, analysis of historical data sets and numerical simulations. Particular emphasis was given to the role played by the water column structure in controlling the nitrogen diffusion and new production. Using numerical simulations, the effects of different levels of heating of surface waters and nutrient concentrations in waters below the euphotic zone were examined.Spring microplankton metabolism of surface mixed waters in MED was studied. The system was heterotrophic explained by dark community respiration (DCR) rates higher than gross primary production (GPP) rates. The GPP to DCR ratio was ~0.53, indicating that the system was far from balance between carbon production (photosynthesis) and consumption (respiration), probably caused by organic matter accumulation in the mixed layer favouring respiration over production processes. Summer primary production and nitrogen fluxes in stratified water layers in NA were analysed. The nitrogen flux fuelling new primary production was closely linked to vertical turbulent diffusion at the nitracline rather than at the thermocline. Upward diffused nitrogen inducing new production explaining 21% of total primary production. The vertical turbulent diffusion model used to estimate new production did not explain new production in the Canary Current zone, where laterally advected nutrients from coastal upwelling areas altered the vertical nitrate gradients.A numerical ecological model of the pelagic domain was developed to assess the plankton response to different environmental pressures. The model represents the vertical dimension of the upper and intermediate water layers of the open ocean. A comparative study of the plankton functioning in MED and NA sites was carried out using the model. The nitrate entering the euphotic zone through the lower boundary explained the low but continuous primary production in the two systems. The latitudinal variability of plankton scenarios implied a year round different solar heating of the upper waters, altering both phytoplankton photosynthesis and mixed layer processes in the water column, with the latter dominating over the former in controlling the phytoplankton biomass. The balance of light availability and nutrient concentration controlled the chlorophyll maximum depth, but the zooplankton grazing prevented this maximum to reach greater concentrations. The model structure and functioning makes it suitable for comparative ecological studies and is expected to be applicable to other studies related to coastal and marine environmental issues.

Les contribucions d'aquesta tesi uneixen dues disciplines: ciències ambientals (específicament, gestió d'aigües residuals) i informàtica (específicament, intel·ligència artificial). El tractament d'aigües residuals com a disciplina opera fent servir un rang de diferents enfocaments i mètodes que inclouen: control manual, control automàtic on-line, modelat numèric o no-numèric, models estadístics i simulacions. La tesi caracteritza la recerca interdisciplinària de tècniques d'intel·ligència artificial (raonament basat en regles, raonament basat en casos, ontologies i planificació) a sistemes de suport a la decisió a l'entorn ambiental. El disseny de l'arquitectura d'aquesta aplicació, el sistema OntoWEDSS, augmenta els sistemes clàsics de raonament existents (raonament basat en regles i basat en casos) amb una ontologia de domini per a la gestió de plantes de tractament d'aigües residuals. La integració de l'ontologia WaWO recentment creada proporciona a OntoWEDSS una major flexibilitat en la capacitat de gestió. La construcció del sistema de suport a la decisió OntoWEDSS es basa en l'estudi d'un cas específic, però el sistema també és d'interès general ja que l'arquitectura basada en l'ontologia pot aplicar-se a qualsevol estació depuradora i, a un nivell apropiat d'abstracció, a altres dominis ambientals. El sistema OntoWEDSS millora la diagnosi de l'estat de l'estació depuradora, proporciona suport a la solució de complexes problemes relacionats amb aigües residuals, i facilita el modelatge del coneixement i la seva reutilització mitjançant l'ontologia WaWO. En particular, a la investigació s'han aconseguit els següents objectius: (1) la millora del modelatge de la informació sobre processos de tractament d'aigües residuals i la clarificació de part de la confusió existent en la terminologia del domini, (2) la incorporació de coneixement microbiològic (referent al procés del tractament i modelat mitjançant una ontologia) dins del procés de raonament, (3) la creació d'un sistema de suport a la decisió amb tres nivells (percepció, diagnosi i suport a la decisió) que combina coneixement mitjançant una nova integració entre KBSs i ontologies, proporcionant millors resultats, (4) la eliminació d'obstacles existents en el raonament, obtinguda utilitzant el nou coneixement microbiològic codificat a l'estructura jeràrquica i a les relacions de l'ontologia, (5) la representació de relacions causa-efecte, degut a la implementació d'un conjunt de relacions que permeten a l'ontologia deduir automàticament la resposta a qüestions sobre el domini d'aigües residuals. OntoWEDSS està implementada en el llenguatge de programació LISP, fent servir el software Allegro Common LISP. S'ha dut a terme una avaluació focalitzada del sistema, basada en la valoració de la capacitat de resposta a situacions problemàtiques específiques, obtenint-se bons resultats. / Las contribuciones de esta tesis unen dos disciplinas: ciencias ambientales (específicamente, gestión de aguas residuales) e informática (específicamente, inteligencia artificial). El tratamiento de aguas residuales como disciplina opera utilizando un rango de diferentes enfoques y métodos que incluye: control automático on-line, modelado numérico o no-numérico, razonamiento basado en reglas, razonamiento basado en casos, soporte a la decisión y planificación. La tesis caracteriza una aplicación interdisciplinaria de técnicas de inteligencia artificial a sistemas de soporte a la decisión en el dominio ambiental. El diseño de la arquitectura de esta aplicación, el sistema OntoWEDSS, aumenta los sistemas híbridos de razonamiento ya existentes (razonamiento basado en reglas y basado en casos) con una ontología de dominio para la gestión de plantas de tratamiento de aguas residuales. La integración de la ontología WaWO, de nueva creación, proporciona a OntoWEDSS una mayor flexibilidad en la capacidad de gestión. La construcción del sistema de soporte a la decisión OntoWEDSS se basa en el estudio de un caso específico, pero el sistema resulta también es de interés general puesto que la arquitectura basada en ontologías puede aplicarse a cualquier planta de tratamiento de aguas residuales y, a un nivel apropiado de abstracción, a otros dominios ambientales. El sistema OntoWEDSS mejora la diagnosis del estado de la planta de tratamiento, proporciona soporte a la resolución de complejos problemas relacionados con aguas residuales, y facilita el modelado del conocimiento y su reutilización mediante la ontología WaWO. En particular, la investigación ha alcanzado los siguientes objetivos: (1) la mejora del modelado de la información sobre procesos de tratamiento de aguas residuales y la clarificación de parte de la confusión existente en la terminología relacionada, (2) la incorporación de conocimiento microbiológico (referente al proceso del tratamiento y modelado mediante una ontología) dentro del proceso de razonamiento, (3) la creación de un sistema de soporte a la decisión con tres estratos (percepción, diagnosis y soporte a la decisión) que combina conocimiento mediante una novedosa integración entre KBSs y ontologías, proporcionando mejores resultados, (4) la eliminación de obstáculos existentes en el razonamiento, hallada utilizando el nuevo conocimiento microbiológico codificado en la estructura jerárquica y las relaciones de la ontología, (5) la representación de relaciones causa-efecto, debido a la implementación de un conjunto de relaciones que permiten a la ontología deducir automáticamente la respuesta a cuestiones sobre el dominio de aguas residuales. OntoWEDSS está implementada en el lenguaje de programación LISP, usando el software Allegro Common LISP. Se ha llevado a cabo una evaluación enfocada del sistema, basada en la valoración de la capacidad de respuesta a situaciones problemáticas específicas, obteniéndose buenos resultados. / The contributions of this thesis bridge two disciplines: environmental science (specifically, wastewater management) and computer science (specifically, artificial intelligence). Wastewater management as a discipline operates using a range of different approaches and methods which include: manual control, on-line automatic control, numerical or non-numerical models, statistical models and simulation models. The thesis characterizes an interdisciplinary research on artificial intelligence techniques (rule-based reasoning, case-based reasoning, ontologies and planning) applied to environmental decision-support systems. The integrated architecture's design of this application, the OntoWEDSS system, augments classic reasoning systems (rule-based reasoning and case-based reasoning) with a domain ontology about the management of wastewater treatment plants. The integration of the newly created WaWO ontology provides a more flexible management capability to OntoWEDSS. The construction of the OntoWEDSS decision support system is based on a specific case study but the system is also of general interest, given that its ontology-underpinned architecture can be applied to any wastewater treatment plant and, at an appropriate level of abstraction, to other environmental domains. The OntoWEDSS system improves the diagnosis of the state of a treatment plant, provides support for wastewater-related complex problem-solving, and facilitates knowledge modeling and reuse by means of the WaWO ontology. The following research targets have been achieved in particular: (1) the improvement of the modeling of the information about wastewater treatment processes and the clarification of a part of the existing terminological confusion in the domain, (2) the incorporation of ontology-modeled microbiological knowledge related to the treatment process into the reasoning process, (3) the creation of a decision support system with three layers (perception, diagnosis and decision support) which combines knowledge through a novel integration between KBSs and ontologies, providing better results, (4) the solution of existing reasoning-impasses, found using the new microbiological knowledge encoded in the hierarchical structure and the relations of the ontology, (5) the representation of cause-effect relations, due to the implementation of a set of relations that enable the ontology to automatically deduce the answer to questions about the wastewater domain. OntoWEDSS is implemented in the LISP programming language, using Allegro Common LISP software. A focused evaluation of the system, founded on the assessment of the capacity of response to specific problematic situations, has been carried out and has given fine results. / Questa tesi contribuisce alla intersezione di due discipline: le scienze ambientali (specificamente, la gestione delle acque di rifiuto) e la informatica (specificamente, la intelligenza artificiale). Nel trattamento delle acque di rifiuto come disciplina si utilizzano diversi metodi, che includono: controllo manuale, controllo automatico on-line, modelli numerici o non-numerici e simulazioni. La tesi caratterizza un'applicazione interdisciplinare di tecniche di intelligenza artificiale a sistemi di aiuto alla decisione in campo ambientale. L'architettura di questa applicazione, il sistema OntoWEDSS, amplia i sistemi di ragionamento ibrido esistenti (ragionamento basato su un sistema di regole, ragionamento basato sull'esperienza, aiuto alla decisione e pianificazione) con un'ontologia di dominio per la gestione di depuratori di acque di rifiuto. L'integrazione dell'ontologia WaWO, di nuova creazione, fornisce a OntoWEDSS una maggiore flessibilità nella sua capacità di gestione. La costruzione del sistema OntoWEDSS si basa sullo studio di un caso specifico, però il sistema risulta anche di interesse generale dato che l'architettura basata su un'ontologia può essere applicata a un qualsiasi depuratore e, considerando un adeguato livello d'astrazione, ad altri domini ambientali. Il sistema OntoWEDSS migliora la diagnosi dello stato del depuratore, fornisce aiuto alla soluzione di problemi complessi relazionati con le acque di rifiuto e facilita la modellizzazione della conoscenza e la sua riutilizzazione mediante l'ontologia WaWO. In particolare, la ricerca realizzata ha raggiunto i seguenti obiettivi: (1) il miglioramento dell'informazione sui processi di depurazione e il chiarimento di parte della confusione esistente nella terminologia relativa, (2) l'incorporazione di conoscenza microbiologica (riguardo al processo di depurazione e mediante la modellizzazione ontologica) nel processo di ragionamento, (3) la creazione di un sistema di aiuto alla decisione con tre livelli (percezione, diagnosi e aiuto alla decisione) che combina la informazione mediante un nuovo tipo d'integrazione tra classici sistemi basati sulla conoscenza e ontologie, proporzionando risultati migliori, (4) l'eliminazione di alcuni ostacoli esistenti nel ragionamento, ottenuta utilizzando la nuova conoscenza microbiologica codificata nella struttura gerarchica e nelle relazioni dell'ontologia, (5) la rappresentazione di relazioni causa-effetto del mondo reale attraverso l'implementazione di un insieme di relazioni ontologiche che permettono di dedurre automaticamente le risposte a domande sul dominio delle acque di rifiuto. OntoWEDSS è implementata nel linguaggio di programmazione LISP, usando il software Allegro Common LISP. È stata realizzata una valutazione del sistema basata sulla stima della capacità di risposta a situazioni problematiche specifiche e si sono ottenuti risultati soddisfacenti.

Climatic change and a swift population and industrial growth have caused a severe decrease in the available freshwater resources. In the management of water scarceness the use of sustainable alternatives that improve the preservation of this vital resource becomes essential. A great example of a sustainable alternative is the use of reclaimed water in agricultural irrigation; since agricultural activities represent the world’s largest consumption of freshwater. The work carried out and compiled in this Thesis can be divided in two main sections; the first of which is focused on the evaluation of the chemical quality of waters used in agricultural irrigation and their impact on irrigated crops. In the second section the uptake of organic micropollutants is evaluated by means of two model plants. The target compounds included in the studies encompassed in this Thesis belong to different chemical classes, namely: pharmaceuticals and personal care products, prioritary pollutants and disinfection byproducts. Previously developed and validated analytical methodologies were employed in the determination of these compounds in water matrices; however in this Thesis a new analytical methodology for the determination of emergent micropollutants in vegetable matrices was developed and optimized. In the first section of this Thesis the chemical quality of irrigation waters of two agricultural regions of Catalonia, Torroella de Montgrí (TM) and Parc Agrari del Baix Llobregat (PABL), was evaluated. In TM an evaluation of river (Ter River) and reclaimed (WWTP-TM) waters was carried out. Even though, the river water displayed a higher frequency of detection or organic micropollutants, the total concentration of these compounds was superior in the WWTP-TM effluent. Alfalfa and apple crops irrigated with these waters showed quantifiable concentrations of 5 organic micropollutants (i.e., ibuprofen, naproxen, methyl dihydrojasmonate, caffeine and tonalide). In PABL, the application of two mathematical models was used to estimate the theoretical plant tissue concentration according to the concentration of the organic micropollutants present in the irrigation water. The models were further validated by comparing the theoretical plant tissue concentration obtained with their application with the experimental tissue concentration of the TM crops. The second part of this Thesis was concerned with evaluating the in vitro root incorporation of 6 organic micropollutants in two model plants (spath and lettuce). The uptake process of the target analytes and their posterior detoxification within the plant was characterized by calculating the kinetic constants of such processes. The physicochemical properties of the studied compounds (i.e., molecular mass and log Kow) were found to be determinant. The in vitro foliar incorporation of 11 target analytes in lettuce heart’s leaves was also undertaken. Relative humidity did not exert an statistically significant repercussion in the sorption of the studied compounds. However, the compound’s solubility, volatility and polarity were found to be statistically significant in such process. / En los últimos años el cambio climático y el vertiginoso crecimiento poblacional e industrial han provocado la reducción de los recursos hídricos disponibles. Es por ello que el uso de alternativas sostenibles que permitan la conservación de este recurso resulta imprescindible. Un ejemplo es la implementación del uso de agua regenerada para riego agrícola. No obstante, la presencia de microcontaminantes orgánicos en estas aguas puede resultar en un riesgo potencial para la salud humana. El trabajo realizado y compilado en la presente Tesis se divide en dos grandes apartados; el primero se centra en la evaluación de la calidad química de las aguas de riego agrícola y su impacto sobre los cultivos irrigados; mientras que en el segundo, se evalúa la incorporación de microcontaminantes en plantas modelo. Los analitos diana considerados en este trabajo pertenecen a diversas clases de compuestos químicos: fármacos y productos de cuidado personal, contaminantes prioritarios y subproductos de desinfección. Para la determinación de estos compuestos en matrices acuosas, se emplearon metodologías desarrolladas en estudios anteriores. Sin embargo, en esta Tesis se desarrolló y optimizó una metodología analítica específica para la determinación de microcontaminantes orgánicos en material vegetal. En la primera parte de la Tesis se evaluó la calidad química de las aguas utilizadas para el riego de dos zonas agrícolas de Cataluña: Torroella de Montgrí (TM) y el Parc Agrari del Baix Llobregat (PABL). En TM se evaluaron aguas de riego de origen fluvial (río Ter) y regeneradas (efluente de la EDAR-TM). Aunque la frecuencia de detección de microcontaminantes orgánicos fue mayor en el agua de río, la concentración total de éstos fue superior en el efluente de la EDAR-TM. Los cultivos de alfalfa y manzana irrigados con estas aguas mostraron concentraciones cuantificables de 5 microcontaminantes orgánicos (ibuprofeno, naproxeno, metil dihidrojasmonato, cafeína y tonalida). En PABL, la aplicación de dos modelos matemáticos permitió el cálculo de la concentración teórica en el tejido del cultivo en base a la concentración de los microcontaminantes presentes en el agua de riego. Los modelos se validaron mediante la comparación de la concentración teórica obtenida de la aplicación de los modelos con la concentración experimental presente en los cultivos de TM. En la segunda parte de la Tesis se evalúo la incorporación radicular in vitro de 6 microcontaminantes orgánicos en dos plantas modelo (espatifilo y lechuga). Se caracterizó el proceso de incorporación de los analitos en el tejido vegetal y su posterior detoxicación mediante el cálculo de las constantes cinéticas de tales procesos; siendo las propiedades fisicoquímicas de los analitos (masa molecular y log Kow) determinantes. Finalmente, se evaluó la incorporación foliar in vitro de 11 microcontaminantes orgánicos en cogollos de lechuga. Aunque la humedad relativa no tuvo una repercusión estadísticamente significativa en la sorción de los analitos diana en la hoja, si la tuvieron la solubilidad, volatilidad y polaridad de éstos. / En el darrers anys la pressió sobre els recursos hídrics s’ha incrementat degut al canvi climàtic i a un creixement poblacional i industrial desmesurat. És per això que l’ús d’alternatives sostenibles que permetin la conservació d’aquest recurs són imprescindibles. Un clar exemple és la implementació de l’ús d’aigua regenerada per al reg agrícola. Malgrat això, la presència de microcontaminants orgànics en aquestes aigües pot resultar en un risc potencial per a la salut humana. L’estudi realitzat i compilat en aquesta Tesi es divideix en dos grans apartats; el primer es centra en l’avaluació de la qualitat química de les aigües de reg agrícola i el seu impacte en els respectius cultius, mentre el segon avalua la incorporació de microcontaminants en plantes model. Els analits diana considerats en aquest treball pertanyen a diverses classes de compostos químics: fàrmacs i productes d’higiene personal, contaminants prioritaris i subproductes de desinfecció. Per a la determinació d’aquests compostos en matrius aquoses es van utilitzar metodologies analítiques anteriorment desenvolupades pel grup de recerca. Malgrat això, en aquesta Tesi es va desenvolupar i validar una metodologia analítica específica per a la determinació de microcontamiannts orgànics en material vegetal. En la primera part de la Tesi s’avaluà la qualitat química de les aigües utilitzades per al reg de dos zones agrícoles de Catalunya: Torroella de Montgrí (TM) i el Parc Agrari del Baix Llobregat (PABL). A TM s’avaluaren aigües de reg d’origen fluvial (riu Ter) i regenerades (efluent EDAR-TM). Tot i que la freqüència de detecció de microcontaminants orgànics va ser major en l’aigua de riu, la concentració total d’aquests va ser superior en l’aigua regenerada. Els cultius d’alfals i poma regats amb aquesta aigua mostraren concentracions quantificables de 5 microcontaminants orgànics (ibuprofèn, naproxèn, metil dihidrojasmonat, cafeïna i tonalida). A PABL, l’aplicació de dos models matemàtics va permetre el càlcul de la concentració teòrica en el teixit del cultiu en base a la concentració dels microcontaminants presents en l’aigua de reg. Els models foren validats mitjançant la comparació de la concentració teòrica obtinguda de l’aplicació dels models amb la concentració experimental present en els cultius de TM. En la segona part de la Tesi es va avaluar la incorporació radicular in vitro de 6 microcontaminants orgànics en dues plantes model (espatifil·li i enciam). Es caracteritzà el procés d’incorporació dels analits en el teixit vegetal i la seva posterior detoxificació mitjançant el càlcul de les respectives constants cinètiques, essent les propietats fisicoquímiques (massa molecular y log Kow) dels analits determinants. Finalment, s’avaluà la incorporació foliar in vitro d’ 11 microcontaminants orgànics en fulles d’enciam. Tot i que la humitat relativa no va tenir una repercussió estadísticament significativa en la sorció dels analits diana en la fulla, sí la tingueren la solubilitat, la volatilitat i la polaritat d’aquests.

Constructed Wetlands (CWs) are a wastewater treatment technology that inherits the purification potential of natural wetlands and optimizes it to comply with regulations for treated discharges. CWs have become an equally performing alternative to conventional wastewater treatment technologies of communities up to 2000PE, with lower energy and maintenance costs. Despite their potential, CWs lack reliability, which holds back their full deployment in the territory. This fact results from the lack of understanding on their internal functioning and because they are prone to clogging. The enormous diversity of CWs typologies and operation strategies, and the fact that they operate at the mercy of the environmental conditions, makes each CW unique on its kind, and experimental studies are usually only representative of the studied system. This fact makes mathematical models essential to study their functioning. Several models for CWs have proliferated in the last dozen years to provide supporting tools for their design and operation as well as more insight into the treatment processes. However, compared to models utilized in similar disciplines, CWs models are still in an embrionary stage. Accordingly, the objectives of the current work were to develop a CWs model able to describe the most common processes taking place within CWs, and to use this model to shed light on the internal functioning of these systems in the long-term. The model, named BIO_PORE, was built in COMSOL Multiphysics and can simulate subsurface flow and pollutants transport in porous media. It also implements the biokinetic model Constructed Wetlands Model number 1 (CWM1) to describe the fate of organic matter, nitrogen and sulphur and the growth of the bacterial groups found in CWs. The model was calibrated with experimental data of a year of operation of a pilot system. Two empirical parameters (Mcap and Mbio_max ) were used to improve the description of bacterial growth obtained with CWM1 and to include the effects of solids accumulation on bacterial communities. The effect of these two parameters was evaluated using local sensitivity analysis. The model was later used to unveil the dynamics of bacterial communities within CWs. In addition, a theory was derived from simulation results, which aimed at describing the most basic functioning patterns of CWs based on the interaction between bacterial communities and accumulated solids. At the end of the document a mathematical formulation is presented to describe bioclogging and a numerical experiment is carried out to showcase its impact on simulation results. The main outcome of the current work was the BIO_PORE model. This model was able to reproduce effluent pollutant concentrations measured during an entire year of operation of the pilot system. Parameters Mcap and Mbio_max proved essential to prevent unlimited bacterial growth predicted by CWM1 near the inlet sections of CWs. These two parameters were also responsible for the good fitting with experimental data. This was confirmed with the sensitivity analysis, which demonstrated that they have a major impact on the model predictions for effluent COD and ammonia and ammonium nitrogen. The theory derived from simulation results indicated that bacteria move towards the outlet with time, following the accumulation of inert solids from inlet to outlet. This result may prove that CWs life-span is limited, corresponding to the time after which bacterial communities are pushed as much towards the outlet that their total biomass is not able to provide effluents with acceptable quality. The inclusion of bioclogging was a requisite to reproduce the bacterial distribution and fluid flow and pollutants transport within CWs. More work on the BIO_PORE model is required and more experimental data is necessary to calibrate and validate its results.

En esta tesis doctoral se ha estudiado la relación de las poblaciones de peces mesopelágicos (Myctophiformes y Stomiiformes) con el medio pelágico, analizando el posible efecto de factores físicos y biológicos en su ecología trófica, y caracterizando su papel ecológico en un sistema oligotrófico. Los mictófidos son elementos claves de las cadenas tróficas al efectuar extensas migraciones diarias verticales, actuando como vectores de flujo de materia orgánica. El presente estudio se desarrolló en las proximidades de Mallorca en otoño (período de mezcla) y verano (estratificación). Se ha investigado el comportamiento trófico y la distribución vertical de peces mesopelágicos, describiendo los cambios ontogénicos en la dieta. Estos aspectos han sido apenas estudiados en juveniles y adultos en el Mediterráneo occidental. El estudio abarca las especies más abundantes y frecuentes de mictófidos y stomiiformes. Las especies objeto de estudio responden a dos morfotipos y dinámicas diferentes: i) el stomiiforme Cyclothone braueri tiene una morfología estilizada y grácil que podría relacionarse con su comportamiento letárgico; ii) las especies de mictófidos realizan migraciones diarias, lo que requiere una musculatura y desarrollo osteol ógico más robustos. Siguiendo el patrón general observado en los océanos, los mictófidos del mediterráneo permanecen en aguas profundas durante el día, y comienzan a ascender al atardecer y a lo largo de la noche, concentrándose en las capas superficiales para alimentarse. El cálculo de la incidencia alimentaria diurna y nocturna determinó que los adultos de mictófidos tienen hábitos principalmente nocturnos, coincidiendo con el momento en que el plancton está más concentrado en la superficie. En cambio, los stomiiformes C. braueri y Argyropelecus hemigymus mostraron hábitos de alimentación intermitente tanto de día como de noche. También se observó alta incidencia alimentaria en los individuos adultos y no migradores de Lampanyctus crocodilus, los cuales capturan sus presas cerca del fondo. La utilización de sondas acústicas para la detección de organismos mesopelágicos por primera vez en el Mar Mediterráneo, permitió observar la formación de densas agregaciones de mictófidos en la superficie y próximos a 400 m de profundidad (capa de reflexión profunda), aunque no toda la población respondió a esta dinámica migratoria. Los estadios de mayor edad de los myctófidos Notoscopelus elongatus y L. crocodilus constituyeron una excepción a este patrón, permaneciendo asociados a las capas profundas. Existe una elevada heterogeneidad en la composición dietética intraspecífica junto a un amplio solapamiento interespecífico. La mayor parte de las especies exhibieron estrategias de alimentaci ón mixtas con un patrón generalista,pero revelando cierto grado de selectividad en función de la morfología y tamaño de la presa. El estudio de la dieta se completó a lo largo del ciclo vital de Lampanyctus pusillus, una especie frecuente en la cuenca mediterránea pero hábitos desconocidos. Los resultados revelaron que se trata de uno de los mictófidos más voraces durante el estadio larvario. Se observó una tendencia ontogénica hacia la selección de presas de mayor valor energético o cuya captura supone una menor inversión de energía. Este estudio ha mostrado como los peces mesopel ágicos se alimentan de un amplio espectro de taxones del meso y macrozooplancton. Los copépodos calanoides constituyeron su base dietética en términos de abundancia numérica. Sin embargo, los eufausiáceos y pequeños peces fueron importantes en términos de biomasa. Desde el punto de vista ontogénico, mictófidos y stomiiformes adultos aumentaron el contenido medio en carbono, y el tamaño de las presas, respecto a los juveniles, a pesar de que no se observaron tendencias en la amplitud de sus nichos tróficos con la edad / Mesopelagic fish populations from the orders Myctophiformes and Stomiiformes were investigated to determine the potential effects of physical and biological factors on their trophic ecology, and characterize the ecological role that have in an oligotrophic system such as the western Mediterranean. Myctophids are key components of the trophic webs since they perform extensive diel migrations throughout the water column, acting as vectors of matter fluxes. This study was developed in a region off the Balearic Islands during the late autumn (water mixing period) and summer (stratification of the water column). Trophic behaviour, vertical distribution, and ontogenetic dietary shifts of mesopelagic fishes were analysed. These aspects have been hardly reported in juveniles and adults from this region. The present study comprises the most abundant and frequent species of myctophids and stomiiforms. The target species were assigned to contrasting morphotypes and behaviours: i.e., the stomiiform Cyclothone braueri has a slender body shape, which could be related to a lethargic behaviour, whilst migratory myctophids are characterised by a robust musculature and osteological development. Accordingly with the general pattern observed in the oceans, Mediterranean myctophids stay at deep waters during the day and start their diel ascension at dusk, aggregating in the near-surface for foraging. The calculation of day and night feeding incidences revealed that most adult myctophids were nocturnal feeders, coinciding with the day period in which zooplankton concentrates in the surface. The stomiiforms C. braueri and Argyropelecus hemigymus showed intermittent feeding at both day and night-time. High feeding incidence at daytime was also observed for the oldest and non-migratory individuals of Lampanyctus crocodilus that captured prey organisms close to the bottom, acquiring benthopelagic habits. The implementation of acoustic techniques to detect mesopelagic organisms by first time in the Mediterranean Sea, allowed observation of dense aggregations of myctophids and other organisms near the surface and at ca. 400 m depth (Deep Scattering Layer). However, not all the specimens of the myctophid populations responded to this migratory behavior. The oldest stages of Notoscopelus elongatus and L. crocodilus were an exception to this pattern. The dietary patterns and ontogenetic shifts throughout the whole life of the myctophid Lampanyctus pusillus were reported, as it is a frequent but barely studied species in the western Mediterranean. Larvae were very voracious in comparison with other similar pelagic larvae from the Mediterranean. For this species, it was observed an ontogenetic shift towards the selection of larger or more nutritive prey or certain organisms that could be easily captured as a result of an improvement of the swimming skills and catchability. However, trophic niche breadth did not showed a significant trend with growth. This study showed that mesopelagic fishes feed on a wide range of meso and macrozooplankton taxa. Calanoid copepods were the major diet components terms of number. However, euphausiids and small fishes were important prey in terms of biomass and carbon content. High interspecific diet overlapping was detected, concurrently with notable heterogeneity in diet composition at intraspecific level. Most species exhibited mixed feeding strategies with rather generalist patterns, but some degree of prey selectivity depending on the prey size and morphology. The data on the feeding patterns and diet composition of the fish species studied in this thesis were highly valuable, since they could be required for modeling some aspects of the biological communities in the western Mediterranean. Moreover, the results of fish diets and vertical distributions are of importance in the study of the downward transport of organic matter throughout the water column that is widely unknown at global scale.