Remobilització dels contaminants orgànics persistents en els ecosistemes polars costaners
Authors:   , Casal Rodríguez Paulo 
Published: July 2023

Persistent organic pollutants (POPs) constitute an heterogeneous group of chemical substances of great environmental relevance. Its persistence, bioaccumulation, long-range transport potential and negative effects on health and the environment have led to its study and international regulation. As a consequence, there has been a decrease in the primary sources of some of these substances, especially the "legacy" POPs. However, the consequent decrease in its concentrations in the atmospheric compartment favors the re-emission of POPs from soils, ice, snow and water.
The Arctic and the Antarctic are remote regions, however they are contaminated by POPs. In the polar regions, persistence is increased due to low temperatures. Atmospheric deposition is also enhanced at low temperatures thanks to the scavenging of chemical compounds present in the atmosphere by the snow deposition and the low air-water and air-soil partition coefficients (a process known as "cold trapping").
In addition, biogeochemical controls such as change in vegetation cover, degradation or biological pump, influence the capture of POPs. All these processes promote the accumulation of POPs in soils, seawater and ice / snow in the polar regions, converting these matrices into reservoirs of "legacy" and emerging POPs in the polar ecosystem. However, the decrease in atmospheric concentrations, together with the increase in temperatures induced by climate change, can reverse the role of these compartments that previously acted as sinks. Furthermore, the glaciers retreat acts as a POPs source from an environmental compartment that is reducing its size on a global scale. This process, known as remobilization, has received increasing attention in the scientific community, as it has an impact on the environmental fate of POPs. Although previous observations confirm the occurrence of this process under certain circumstances, cascading changes in the different environmental compartments and their effects on other processes, on local biota and on human health, remain poorly understood.
In this thesis, the processes of remobilization from an Arctic and Antarctic coastal zones were studied, for compounds with a wide range of physical-chemical properties.
In the Arctic sampling area (Tromsø, Norway), the soil / snow-air exchange of PCBs, PAHs and OCPs was evaluated over a sampling period of 14 months. In general, atmospheric concentrations and soil / snow diffusive exchange followed a seasonality closely related to air temperature, and volatilization was observed during the warmer months.
On the coast of Livingston Island (Antarctica), the remobilization of PFASs, PAHs, OCPs and PCBs was evaluated from sampling carried out during a 3-month campaign, which included, for the first time, the simultaneous sampling of plankton, sea water, snow (including snowmelt and snow depositon), air and the determination of various fugacities, diffusive exchange fluxes and mass balances, among other analysis. Snow deposition and seasonal melting were established as key factors for all the compounds studied in POPs cycling in coastal polar ecosystems. The melting of ice and snow, linked to changes in temperature, influenced POPs concentrations in coastal waters, and as a result induced the remission of the most volatile POPs into the atmosphere. The resulting concentrations of plankton in the Antarctic coastal environment were determined for all target families, as it is a key element in the biological pump and the first step in the bioaccumulation and transfer in marine food webs.
Els contaminants orgànics persistents (POPs) constitueixen un grup heterogeni de substàncies químiques de gran rellevància ambiental. La seva persistència, bioacumulació, potencial de transport de llarg abast i efectes negatius en salut i medi ambient, han conduït al seu estudi i regulació internacional. Com a conseqüència, s'ha produït una disminució de les fonts primàries d'algunes d'aquestes substàncies, especialment els “legacy” POP. No obstant això, aquesta disminució de les emissions primàries d'alguns d'aquests compostos i la consegüent disminució de les seves concentracions en el compartiment atmosfèric, afavoreix la reemissió de POPs procedents de sòls, gel, neu i aigua per convertir-se en fonts secundàries en el medi ambient.
L'Àrtic i l'Antàrtida són dues regions remotes de la Terra, no obstant estan
contaminades per POPs. A les regions polars, la persistència es veu incrementada a causa de les baixes temperatures. La deposició atmosfèrica també és incrementada a baixes temperatures gràcies a la recollida de compostos químics presents a l'atmosfera per la deposició de neu, i als baixos coeficients de partició aire-aigua i aire-sòl (un procés conegut com a “cold trapping”). També s'ha descrit controls biogeoquímics, com el canvi en la coberta vegetal, la degradació o la bomba biològica, que dirigeixen la captura de POPs en els ecosistemes polars. Tots aquests processos promouen
l'acumulació de POPs en sòls, aigua de mar i gel/neu a les regions polars. Per tant, aquestes matrius s'han convertit en reservoris de POPs “legacy” i emergents en l'ecosistema polar. No obstant això, l'esmentada disminució en les concentracions atmosfèriques, juntament amb l'augment de les temperatures induït pel canvi climàtic antropogènic, pot revertir el paper d'aquests compartiments que prèviament van actuar com a embornals. A més, la retirada de les glaceres actua inequívocament com una font d'un compartiment ambiental que està reduint la seva mida a escala global.
Aquest procés, conegut com remobilització, ha rebut una atenció recent a la comunitat científica, ja que té un impacte en la compartimentació i la destinació ambiental dels POPs. A l'Àrtic, estudis recents han demostrat la influència de l'augment de les temperatures i del retrocés del gel marí a les concentracions atmosfèriques de diversos POPs, inclosos policlorobifenils (PCBs), hexaclorociclohexans (HCHs) i DDT. A l'Antàrtida, durant l'estiu austral s'ha observat la volatilització de PCBs i hidrocarburs aromàtics policíclics (PAHs) de la neu i el sòl, associada als canvis en la temperatura i la matèria orgànica del sòl. No obstant això, la quantificació i predicció d'aquests processos sota un escenari de canvi ambiental es limitat a la nostra comprensió actual del cicle dels POPs durant períodes prolongats en les regions costaneres. Tot i que observacions prèvies confirmen l'ocurrència d'aquest procés sota certes
circumstàncies, els canvis en cascada en els diferents compartiments ambientals i els seus efectes en altres processos, en la biota local i en la salut humana, segueixen sent poc coneguts. La rellevància en la caracterització d'aquest procés va més enllà d'aquests compostos estudiats, ja que hi ha una gran quantitat de contaminants, "legacy" i emergents, amb una àmplia gamma de propietats físico-químiques, rutes de transport a regions remotes i compartimentació ambiental pròpies. En la present tesi, es van estudiar els processos de eliminació en compartiments ambientals rellevants d'una zona costanera ártica i una antàrtica, per a compostos amb una àmplia gamma de propietats físico-químiques. A l'àrea de mostreig àrtica (Tromsø, Noruega), es va avaluar l'intercanvi sòl/neu-aire de PCBs, PAHs i pesticides organoclorats (OCPs) durant un període de mostreig de 14 mesos. En general, les concentracions atmosfèriques i l'intercanvi difusiu amb sòl/neu van seguir patrons estacionals estretament relacionats amb la temperatura de l'aire, i
es va observar volatilització neta durant els mesos més càlids. No obstant això, es van observar notables diferències entre les diferents famílies de POPs, que són discutides en detall.
A la costa de l'illa de Livingston (Antàrtida), la remobilització de substàncies de
perfluoroalquilades (PFASs), PAHs, OCPs i PCBs es van avaluar a partir de mostres i mesuraments realitzats durant una campanya de mostreig multicompartimental de 3 mesos. Aquest esforç de mostreig va incloure, per primera vegada, el mostreig simultani de plàncton, aigua de mar, neu (incloent neu fosa i neu recent dipositada), aire i la determinació de diverses fugacitats, fluxos d'intercanvi difusiu i balanços de massa, entre d'altres anàlisi. La deposició de neu i el desglaç estacional van ser establerts com a factors clau per a tots els compostos estudiats en el cicle dels POPs en els ambients polars costaners. La fusió del gel i la neu, vinculat als canvis de temperatura, va influir en les concentracions de POPs en l'aigua costanera, i com a resultat va induir la reemissió dels POPs més volàtils a l'atmosfera. Fins i tot els PFAS, que es considerava que eren controlats principalment pel transport oceànic, van
demostrar estar fortament influenciats per la recol·lecció d'aerosols marins durant la deposició de neu i els fluxos de fusió de neu de terra a aigua de mar. Les concentracions de fase dissolta o els fluxos de volatilització van mostrar correlacions amb la temperatura, la qual cosa dóna encara més suport al paper fonamental de la fusió de la neu que dirigeix les concentracions a la zona costanera. Les concentracions resultants de plàncton en el medi costaner antàrtic es van determinar per a totes les famílies objectiu, ja que constitueixen un element clau en el procés de bomba biològica i són el primer pas en la bioacumulació i la transferència a les xarxes tròfica marines.
Los contaminantes orgánicos persistentes (POPs) constituyen un grupo heterogéneo de sustancias químicas de gran relevancia ambiental. Su persistencia, bioacumulación, potencial de transporte de largo alcance y efectos negativos en salud y medio ambiente, han conducido a su estudio y regulación internacional. Como consecuencia, se ha producido una disminución de las fuentes primarias de algunas de estas sustancias, especialmente los "legacy" POPs. Sin embargo, la consiguiente disminución de sus concentraciones en el compartimento atmosférico favorece la reemisión de POPs procedentes de suelos, hielo, nieve y agua. El Ártico y la Antártida son regiones remotas, sin embargo están contaminadas por POPs. En las regiones polares, la persistencia se ve incrementada debido a las bajas temperaturas. La deposición atmosférica también es favorecida a bajas temperaturas gracias a la recogida de compuestos químicos presentes en la atmósfera por la deposición de nieve, y los bajos coeficientes de partición aire-agua y aire-suelo (proceso conocido como "cold trapping"). Además, controles biogeoquímicos como el cambio en la cubierta vegetal, la degradación o la bomba biológica, influyen en la captura de POPs. Todos estos procesos promueven la acumulación de POPs en suelos, agua de mar y hielo/nieve en las regiones polares, convirtiendo estas matrices en reservorios de POPs "legacy" y emergentes en el ecosistema polar. Sin embargo, la disminución en las concentraciones atmosféricas, junto con el aumento de las temperaturas inducido por el cambio climático puede revertir el papel de estos compartimentos que previamente actuaron como sumideros. Además, el retroceso de glaciares actúa como una fuente de un compartimento ambiental que está reduciendo su tamaño a escala global. Este proceso, conocido como removilización, ha recibido atención creciente en la comunidad científica, ya que tiene un impacto en el destino ambiental de los POPs. Aunque observaciones previas confirman la ocurrencia de este proceso bajo ciertas circunstancias, los cambios en cascada en los diferentes compartimentos ambientales y sus efectos en otros procesos, en la biota local y en la salud humana, siguen siendo poco conocidos. En la presente tesis, se estudiaron los procesos de removilización de una zona costera ártica y una antártica, para compuestos con una amplia gama de propiedades físico-químicas. En el área de muestreo ártica (Tromsø, Noruega), se evaluó el intercambio suelo/nieve-aire de PCBs, PAHs y OCPs durante un período de muestreo de 14 meses. En general, las concentraciones atmosféricas y el intercambio difusivo con suelo/nieve siguieron una estacionalidad estrechamente relacionada con la temperatura del aire, y se observó volatilización durante los meses más cálidos. En la costa de la isla Livingston (Antártida), la removilización de PFASs, PAHs, OCPs y PCBs se evaluó partir de muestreos realizados durante una campaña de 3 meses, que incluyó, por primera vez, el muestreo simultáneo de plancton, agua de mar, nieve (incluyendo nieve derretida y nieve reciente depositada), aire y la determinación de diversas fugacidades, flujos de intercambio difusivo y balances de masa, entre otros análisis. La deposición de nieve y el deshielo estacional fueron establecidos como factores clave para todos los compuestos estudiados en el ciclo de los POPs en los ecosistemas polares costeros. La fusión del hielo y la nieve, vinculado a los cambios de temperatura, influyó en las concentraciones de POPs en el agua costera, y como resultado indujo la reemisión de los POPs más volátiles a la atmósfera. Las concentraciones resultantes de plancton en el medio costero antártico se determinaron para todas las familias objetivo, ya que constituyen un elemento clave en el proceso de bomba biológica y son el primer paso en la bioacumulación y la transferencia en las redes trófica marinas.