Determinación de contaminantes de preocupación emergente y productos de transformación en suelos agrícolas y cultivos regados con agua regeneradaaplicación de estrategias analíticas combinadas basadas en espectrometría de masas de baja y alta resolución

Resumen

La reutilización de las aguas regeneradas con fines agrícolas puede mitigar el estrés hídrico en algunas regiones donde la falta de agua es un problema extendido. Sin embargo, aún se desconocen las consecuencias ambientales a largo plazo de esta práctica agrícola, especialmente las relacionadas con la presencia de contaminantes de preocupación emergente (CECs) en el agua de riego. Se ha demostrado que el uso de agua regenerada para el riego conduce a la acumulación y translocación de algunos CECs en suelo y cultivos. Sin embargo, la información disponible actualmente es aún insuficiente para adoptar regulaciones que limiten la aplicación de esta práctica agrícola más allá de las relacionadas con el control de parámetros físico-químicos y microbiológicos. En esta Tesis, se han identificado y abordado varios vacíos de conocimiento en aspectos como la falta de protocolos de análisis validados y estandarizados, el número limitado de estudios de campo o la falta de datos sobre la formación y el comportamiento de productos de transformación. Por lo tanto, de acuerdo con los objetivos establecidos, el Capítulo 1 aborda el desarrollo y la validación de un método multirresidido simple y eficiente basado en la extracción QuEChERs (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS). Mediante el desarrollo de métodos multirresiduo de amplio espectro es posible proporcionar información confiable sobre una amplia gama de CECs en plantas a niveles de concentracion ambientales, siendo este un punto sencial de partida para avanzar en el conocimiento de los mecanismos que gobiernan el comportamiento e implicaciones de los CECs en el entorno agrícola. Por lo tanto, la novedad del estudio se basa en el gran número de CECs analizados simultáneamente (74) en comparación con estudios previos en los que solo se investiga un pequeño grupo de contaminantes. El método se validó en tres tipos de cultivos: verduras de hoja (lechuga), verduras de raíz (rábano) y frutas (fresa), para demostrar su aplicabilidad a matrices vegetales muy diferentes. Se demostró el muy buen rendimiento del método para las condiciones optimizadas en términos de linealidad, sensibilidad, reproducibilidad y precisión. Finalmente, se aplicó el método propuesto para evaluar la posible absorción de CECs en cultivos de lechuga y rábano irrigados con aguas residuales tratadas. El estudio, que se realizó en un invernadero experimental bajo condiciones controladas, reveló la absorción de varios CECs, cinco de ellos no detectados previamente en matrices vegetales. El Capítulo 2 se centra en los suelos agrícolas como posibles receptores y fuentes de CECs para los cultivos. En este caso, se investigaron tres suelos agrícolas reales y un sustrato sin suelo provenientes de invernaderos dedicados al cultivo comercial de tomate. Todos ellos fueron irrigados con agua regenerada durante más de diez años. El muestreo de los mismos se realizó por un período de dos años y, por lo tanto, se pudo evaluar el efecto de la exposición prolongada a los CECs. Como principal novedad, el trabajo describe la primera aplicación de un flujo de trabajo que combina un análisis de compuestos diana y de compuestos sospechosos para el monitoreo integral de CECs. El estudio implica, en primer lugar, el desarrollo y la validación de un método de extracción para el análisis de 73 CECs utilizando un método basado en QuEChERS y análisis mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas de trampa de iones cuadrupolo-lineal (LC-QqLIT-MS/MS). La extracción QuEChERS se optimizó evaluando la influencia en la recuperación de algunos parámetros experimentales como diferentes valores de pH de extracción y sorbentes de d-SPE. Además, se realizó una optimización del tiempo de exposición de los CECs en suelos agrícola para asegurar que alcance del equilibrio óptimo de adsorción de CECs antes de la extracción, de forma que se evite sobreestimación de los valores de recuperación. En segundo lugar, se evaluó la aplicación de un flujo de trabajo CECs sospechosos de estar en las muestras haciendo una selección previa de una lista de 1300 posibles contaminantes. El análisis se llevó a cabo utilizando cromatografía líquida acoplada a cuadrupolo de tiempo de vuelo (LC-QTOF-MS). Mediante la aplicación de esta estrategia se amplía el alcance del método analítico validado de forma que se proporciona una evaluación completa de la exposición de los suelos a compuestos inesperados y no investigados previamente. La combinación de ambas estrategias (sospechosos y objetivo) reveló la presencia de hasta once CECs nuevos que no habían sido reportados previamente, lo que destaca la necesidad de profundizar en este tipo de estudios. El estudio también evidenció que se necesita más investigación con sustratos alternativos sin suelo, como el sustrato de perlita, ya que muestra un comportamiento diferente en comparación con el suelo real en términos de acumulación potencial de CECs. Además de la acumulación en los suelos, la captación y translocación de los CECs a los cultivos también exige más investigación, especialmente en condiciones reales de campo donde los datos disponibles son escasos. Hasta ahora, la investigación de la acumulación de CECs en cultivos es, en general, baja y no se ha evidenciado ningún riesgo para la salud pública asociado a la exposición a compuestos individuales. Sin embargo, es necesario realizar un trabajo adicional para evaluar el riesgo de la mezcla de CECs que pueden estar presentes en frutas y vegetales cultivados bajo la exposición continua a estos microcontaminantes. Por lo tanto, una evaluación más amplia del tipo y la concentración de compuestos que pueden llegar a las diferentes partes del cultivo, especialmente los comestibles, es importante para conocer la exposición real del que el consumidor a estos compuestos. En consecuencia, el Capítulo 3 está dedicado al estudio del comportamiento de los CECs en un cultivo típico de tomate mediterráneo. Durante el período de crecimiento, se analizaron cultivos comerciales (hojas y frutos) mediante la aplicación de ambas estrategias (compuestos conocidos y desconocidos) como la que se aplicó en el Capítulo 2 al análisis de suelos de esas mismas fincas. Se encontró una mayor acumulación de CECs en muestras de hojas con valores de concentración hasta diez veces más altos que los encontrados en los tomates. Además, se estimó una evaluación de riesgo para la salud basada en el concepto de preocupación de umbral toxicológico (TTC) que mostró que el riego RWW aplicado en las condiciones dadas no representa ninguna amenaza para la salud humana. Sin embargo, el estudio reveló la presencia de nuevos compuestos no reportados anteriormente en muestras de campo reales, datos que pueden ayudar en la interpretación de la exposición humana a mezclas de contaminantes. Finalmente, es bien sabido que la transformación de CECs durante los tratamientos de aguas residuales genera productos de transformación (TPs) derivados, que pueden ser más persistentes que los compuestos de partida. Debido a la reutilización de las aguas regeneradas para el riego de cultivos, estos TPs se liberan en los suelos pudiendo translocarse a los cultivos. Además, los CECs también son susceptibles de transformación una vez que llegan al suelo o los cultivos. El compuesto carbamazepina, un antiepiléptico recalcitrante a los tratamientos convencionalmente aplicados (CBZ, por sus siglas en inglés) y algunos de sus TPs han sido reportados en sistemas agrícolas. Sin embargo, no se conoce el comportamiento de los TPs de CBZ formados durante los procesos de tratamiento de aguas residuales. El Capítulo 4 presenta un estudio del comportamiento de los TP de CBZ generados después de un tratamiento convencional con UVC en un entorno agrícola. El agua tratada con UVC se utilizó para el riego de lechugas cultivadas en condiciones controladas. Los resultados sobre el comportamiento y destino de los TPs en lechuga y turba se compararon con los obtenidos al irrigar otro cultivo de las mismas características con agua no tratada que contenía solamente CBZ. Para la identificación de los TPs se desarrolló una estrategia de detección de compuestos sospechosos mediante cromatografía líquida acoplada a cuadrupolo de tiempo de vuelo (LC-QTOF-MS), que incluía hasta 47 TPs comúnmente detectados después de diferentes procesos biológicos o de descontaminación. Los resultados encontrados han evidenciado la absorción y translocación de CBZ TPs en turba y lechuga.