Desarrollo de modelos y metodologías para la evaluación ambiental y gestión de sedimentos contaminados

Resumen

Esta tesis se enmarca dentro de la línea de investigación de caracterización y gestión ambiental de residuos y sedimentos contaminados desarrollada dentro del Departamento de Ingeniería Química y Química Inorgánica de la Universidad de Cantabria. Los sedimentos son un componente fundamental de los ecosistemas acuáticos, y se consideran un recurso de alto valor ecológico y socioeconómico, especialmente en los sistemas litorales. Sin embargo, la acumulación de contaminantes químicos en los sedimentos, procedentes de múltiples fuentes naturales o antropogénicas, puede representar un riesgo para el ecosistema y la salud humana; por ello, la contaminación de sedimentos supone un importante problema que es necesario evaluar y gestionar. La evaluación de la calidad de sedimento, así como la posterior toma de decisiones en el ámbito de su gestión, son procesos complejos en los que intervienen múltiples variables y criterios, por lo que la aplicación de herramientas matemáticas resulta especialmente apropiada para facilitar su análisis e interpretación. De esta forma, la evaluación de la calidad de sedimento se basa en la determinación secuencial de un conjunto de líneas de evidencia (LOEs); las etapas iniciales consisten en medidas de contaminación química seguidas de ensayos de toxicidad del sedimento. En este contexto existe un gran interés por disponer de modelos capaces de relacionar las concentraciones químicas de contaminantes con la posibilidad de observar toxicidad. Igualmente, técnicas estadísticas multivariantes, como análisis de clusters o análisis de componentes principales, son comúnmente utilizadas para agrupar diferentes lugares bajo estudio según su calidad de sedimento, teniendo en cuenta de forma integrada las múltiples líneas de evidencia que se hayan analizado. La evaluación de la calidad de sedimento individual y la agrupación de áreas con sedimentos de las mismas características, sientan las bases para la aplicación óptima de sistemas de gestión. Para ello, es necesario disponer de metodologías y procedimientos que faciliten las complejas tareas de la toma de decisiones, y que permitan establecer prioridades teniendo en cuenta los diferentes criterios técnicos, sociales, económicos o ambientales que sean de influencia. El potencial impacto que sobre el uso de recursos puede tener una adecuada evaluación ambiental de sedimentos sugiere como hipótesis de trabajo viables la consecución de nuevos modelos de predicción de toxicidad a partir de contenidos químicos y la aplicación de nuevas herramientas para la interpretación integrada de LOEs para su uso en las etapas iniciales de evaluación, así como el desarrollo de metodologías sistematizadas para mejorar la toma de decisiones en la gestión de sedimentos contaminados. En este contexto, el objetivo general de esta tesis es proponer nuevos modelos matemáticos, herramientas y metodologías para su aplicación en marcos de evaluación de calidad de sedimentos y en procesos de toma de decisiones para su gestión. De esta forma, el trabajo desarrollado se estructura en torno a tres grandes bloques: 1) Análisis y desarrollo de modelos para la predicción de toxicidad en sedimentos a partir de contenidos químicos utilizando métodos quimiométricos. 2) Estudio de la aplicabilidad de nuevas herramientas matemáticas, basadas en redes neuronales artificiales, para la clasificación e interpretación integrada de líneas de evidencia en evaluaciones de calidad de sedimento. 3) Análisis y desarrollo de metodologías para la toma de decisiones en la gestión de sedimentos y material dragado contaminados. Los denominados SQGs ('Sediment Quality Guidelines', valores guía de calidad de sedimento) son la aproximación más ampliamente utilizada en etapas iniciales de evaluaciones de calidad de sedimento para relacionar contenidos químicos de contaminantes en sedimentos con la probabilidad de observar efectos biológicos adversos debido a la exposición a esas sustancias. El análisis comparativo realizado pone de manifiesto la amplia variedad de SQGs empíricos desarrollados para sedimentos marinos, así como su heterogeneidad, tanto en los valores para un determinado contaminante químico, como en el número de sustancias consideradas en los diferentes métodos. La aplicación de las diferentes aproximaciones de SQGs analizadas permitió distinguir claramente diferentes zonas de calidad de sedimento en un caso de estudio en la Bahía de Santander (España). Las herramientas quimiométricas son métodos matemáticos que, dado su gran éxito y utilidad, se vienen aplicando en un número cada vez mayor de campos científicos e ingenieriles. En esta tesis se presentan nuevas aproximaciones para predecir toxicidad en sedimentos, basada en ensayos de supervivencia con anfípodos marinos, a partir de contenidos químicos de contaminantes en el sedimento. Estos modelos se desarrollaron mediante la aplicación de diversos métodos quimiométricos sobre grandes bases de datos históricas de muestras de sedimentos. A diferencia de otras aproximaciones previas existentes, dichos modelos no se centraban en estimar toxicidad con modelos para contaminantes individuales, sino que se obtuvieron considerando las concentraciones de múltiples contaminantes simultáneamente como entradas. El análisis de la estructura interna de los modelos desarrollados con PLS-DA ('Partial Least Squares- Discriminant Analysis', análisis discriminante por mínimos cuadrados parciales) y CP-ANNs ('Counter-propagation Artificial Neural Networks', redes neuronales artificiales de contra-propagación) puso de manifiesto limitaciones inherentes a la predicción de toxicidad a partir de los análisis de concentraciones químicas totales habitualmente realizados. Sin embargo, los resultados obtenidos en la validación de los modelos ofrecían valores de NER ('non-error rate') en el rango de 76.0-97.4%, junto con buenas sensibilidades y especificidades, en los rangos de 75.2-95.8% y 73.0-97.9%, respectivamente, mejorando los resultados publicados para aproximaciones previas. De esta forma, los modelos propuestos en esta tesis pueden servir como herramientas útiles en etapas iniciales de evaluación de calidad de sedimento para priorizar muestras según la química del sedimento, ayudando a decidir un uso eficiente de recursos generalmente limitados. Respecto al segundo bloque, los SOMs ('Self-Organizing Maps', mapas auto-organizativos) son redes neuronales artificiales con aprendizaje no supervisado que se habían introducido recientemente con éxito como alternativas a métodos estadísticos multivariantes clásicos para el análisis de datos en distintos compartimentos ambientales, pero no en el ámbito de sedimentos. En esta tesis se estudió la aplicabilidad de los SOMs para las etapas iniciales de marcos de evaluación de calidad de sedimento, y se puso de manifiesto que pueden ser herramientas muy efectivas para la integración de múltiples variables físicas, químicas y ecotoxológicas con el fin de agrupar diferentes lugares bajo estudio según su similar calidad de sedimento. Los resultados obtenidos utilizando el SOM para clasificar muestras de sedimentos procedentes de 40 sitios de 3 estuarios de Cantabria (España), comparados con los de técnicas estadísticas multivariantes tradicionales, proporcionaron una clasificación más útil para posteriores etapas de evaluación. Especialmente, las potentes herramientas de visualización del SOM, que ofrecen mayor información y resultan más sencillas de interpretar que las representaciones de métodos clásicos, facilitan la tarea de establecer un orden de prioridad entre los grupos de sitios diferenciados según su necesidad de investigaciones más detalladas o acciones de remediación en etapas posteriores de gestión. Los resultados satisfactorios obtenidos en la aplicación del SOM en un caso de estudio para el análisis de datos químicos y de toxicidad en perfiles de sedimento de la Bahía de Santander avalan también la utilidad del SOM como herramienta para la interpretación integrada de líneas de evidencia en evaluaciones de calidad de sedimento, sugerida en esta tesis. Finalmente, la necesidad de gestión puede venir provocada por operaciones de dragado, viéndose obligadas las autoridades responsables a establecer procedimientos y metodologías para regular la gestión de ese material dragado. Se ha realizado un estudio de las aproximaciones establecidas para esa regulación en diferentes países europeos, centrado especialmente en el análisis de los denominados ALs ('Action Levels', niveles de acción). La comparativa de esos ALs mostró diferencias de órdenes de magnitud en los mismos tipos de valores establecidos para un mismo contaminante. El caso de estudio en el que se aplicaron los ALs de los diferentes países estudiados a sedimentos dragados de la Bahía de Cádiz (España) puso de manifiesto que esa heterogeneidad puede determinar diferentes estrategias de gestión. La necesidad de gestionar sedimentos puede ser consecuencia también de que la evaluación de su calidad concluya que están contaminados y puedan suponer un riesgo. El amplio abanico de tratamientos y técnicas que pueden aplicarse para la gestión de sedimentos contaminados ha sido también analizado en esta tesis. A la hora de establecer un proyecto de gestión de sedimentos, una primera decisión importante es seleccionar las áreas que requieran gestión prioritaria. Por ello, en este trabajo se ha desarrollado una metodología basada en análisis multicriterio (MCA, 'Multicriteria Analysis'), que comienza con la delimitación de unidades de gestión dentro de las áreas de estudio, seguida por la aplicación de métodos de MCA para priorizar estas unidades según su necesidad de gestión. Es importante destacar que la aproximación propuesta no sólo considera evidencias científicas sobre calidad de sedimento, sino también otros aspectos relevantes como por ejemplo criterios sociales o económicos asociados con esas decisiones. Esta metodología se ilustró con su aplicación a un caso de estudio en la Bahía de Santander (España), que resaltó la importancia de utilizar diferentes métodos de MCA y de realizar análisis de sensibilidad de los pesos de los criterios, con el fin de evaluar la estabilidad y robustez de los resultados obtenidos. A continuación se incluyen las referencias de los artículos que recogen con detalle los resultados obtenidos en esta tesis doctoral: 1) Alvarez-Guerra, M., Viguri, J.R., Casado-Martínez, M.C., DelValls, T.A., 2007. Sediment Quality Assessment and Dredged Material Management in Spain: Part I, Application of Sediment Quality Guidelines in the Bay of Santander. Integrated Environmental Assessment and Management 3 (4): 529-538. 2) Alvarez-Guerra, M., Ballabio, D., Amigo, J.M., Viguri, J.R., Bro, R., 2010. A chemometric approach to the environmental problem of predicting toxicity in contaminated sediments. Journal of Chemometrics. En prensa, DOI: 10.1002/cem.1264. 3) Alvarez-Guerra, M., Ballabio, D., Amigo, J.M., Bro, R., Viguri, J.R., 2010. Development of models for predicting toxicity from sediment chemistry by partial least squares-discriminant analysis and counter-propagation artificial neural networks. Environmental Pollution 158 (2): 607-614. 4) Alvarez-Guerra, M., González-Piñuela, C., Andrés, A., Galán, B., Viguri, J.R., 2008. Assessment of Self-Organizing Map artificial neural networks for the classification of sediment quality. Environment International 34 (6): 782-790. 5) Coz, A., Rodríguez-Obeso, O., Alonso-Santurde, R., Álvarez-Guerra, M., Andrés, A., Viguri, J.R., Mantzavinos, D., Kalogerakis, N., 2008. Toxicity bioassays in core sediments from the Bay of Santander, northern Spain. Environmental Research 106 (3): 304-312. 6) Alvarez-Guerra, M., Viguri, J.R., Casado-Martínez, M.C., DelValls, T.A., 2007. Sediment Quality Assessment and Dredged Material Management in Spain: Part II, Analysis of Action Levels for Dredged Material Management and Application to the Bay of Cádiz. Integrated Environmental Assessment and Management 3 (4): 539-551. 7) Alvarez-Guerra, M., Alvarez-Guerra, E., Alonso-Santurde, R., Andrés, A., Coz, A., Soto, J., Gómez-Arozamena, J., Viguri, J.R., 2008. Sustainable Management Options and Beneficial Uses for Contaminated Sediments and Dredged Material. Fresenius Environmental Bulletin 17 (10a): 1539-1553. 8) Alvarez-Guerra, M., Viguri, J.R., Voulvoulis, N., 2009. A multicriteria-based methodology for site prioritisation in sediment management. Environment International 35 (6): 920-930.