Evaluación del riesgo ambiental de las nanopartículas de plata (AgNPs) en ecosistemas acuáticos

(English) The widespread and increasing use of silver nanoparticles (AgNPs) in various products is leading to their release into different environmental compartments, especially into aquatic environments. These particles can enter these environments through various pathways, for example, gradually via effluents from wastewater treatment plants (WWTPs) or accidentally through spills onto soil or into rivers. This thesis presents a detailed analysis of the transport (advection-dispersion) and dispersion of silver nanoparticles (AgNPs) in both surface and groundwater, considering mass balances, various mathematical models, and factors influencing their mobility and retardation. For surface waters, continuous and point discharges are considered, and an analytical model is used to represent the behavior of AgNPs in the river. For groundwater, point discharges are considered. The interaction of AgNPs with porous media in groundwater (retardation process) is also taken into account, which allows for the calculation of the maximum concentration of AgNPs in groundwater. Initially, a Fuzzy Logic model is developed to assess the environmental risk in aquatic ecosystems based on the concentration and toxicity of AgNPs. The toxicity is determined with great adaptability by including variables such as shape, size, and coating of the nanoparticles, allowing a more accurate risk assessment. This model is applied to a discharge of AgNPs into the river from WWTP effluents or an accident. The results show that in all cases, the risk of AgNPs due to direct accidental discharge into the river poses a higher risk than that from WWTPs. Subsequently, a hybrid model is developed that integrates Monte Carlo simulation (for concentration calculation) with the developed Fuzzy Logic model. This integration provides a tool for assessing the environmental risk of AgNPs due to a spill onto the soil. Two scenarios are proposed after the spill: discharge of AgNP-contaminated aquifer water into the river and use of this aquifer water for wetland recharge. The concentration distribution of AgNPs by river discharge is below the proposed legal limit, while in the wetland use scenario, legal limits are not met in any case, indicating a higher risk associated with this latter use. After conducting a sensitivity analysis, it has been proved that the developed Hybrid model, which combines Fuzzy Logic and Monte Carlo techniques, is a useful and versatile tool for managing uncertainty in risk assessment. (Català) L'ús ampli i creixent de les nanopartícules de plata (AgNPs) en diversos productes està provocant el seu alliberament en diferents compartiments ambientals, especialment en el mitjà aquàtic. Aquestes partícules poden entrar en aquest mitjà per diferents vies, per exemple, gradualment a través d'efluents d'estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR) o bé de manera accidental per abocaments sobre sòl o el riu. Aquesta tesi presenta una anàlisi detallada sobre el transport (advección-dispersió) i dispersió de nanopartícules de plata (AgNPs) tant en aigües superficials com subterrànies, considerant balanços de massa, diversos models matemàtics i factors que influeixen en la seva mobilitat i retard. Per a les aigües superficials, es consideren abocaments continus i puntuals, i s'utilitza un model analític per a representar el comportament de les AgNPs en el riu. Per a les aigües subterrànies, es consideren abocaments puntuals. També es té en compte la interacció de les AgNPs amb els mitjans porosos en l'aigua subterrània (procés de retard), la qual cosa permet calcular la concentració màxima de AgNPs en l'aigua subterrània. Inicialment, es desenvolupa un model de Lògica Difusa per a avaluar el risc ambiental en ecosistemes aquàtics sobre la base de la concentració i de la toxicitat de AgNPs. S'aconsegueix determinar la toxicitat amb una gran adaptabilitat, en incloure variables com la forma, la grandària i el recobriment de les nanopartícules, permetent una avaluació més precisa del risc. Aquest model s'aplica a un abocament de AgNPs al riu procedent dels efluents d'una EDAR o bé d'un accident. Els resultats mostren que, en tots els casos, el risc de les AgNPs a causa de l'abocament accidental directe al riu suposa un major risc que el de la EDAR. Posteriorment, es desenvolupa un model híbrid que integra la simulació de Montecarlo (per al càlcul de concentracions) amb el model desenvolupat de Lògica Difusa. Aquesta integració proporciona una eina que permet avaluar el risc ambiental de AgNPs a causa d'un abocament en el sòl. Es plantegen dos escenaris després l'abocament: descàrrega de l'aigua de l'aqüífer amb AgNPs al riu i ús d'aquesta aigua de l'aqüífer per a recàrrega en aiguamoll. La distribució de concentració de AgNPs per descàrrega en els rius està per sota del límit legal proposat, mentre que en l'escenari d'ús en aiguamolls no es compleixen els límits legals en cap cas, la qual cosa indica un major risc associat a aquest últim ús. Després de realitzar una anàlisi de sensibilitat, es demostra que el model híbrid desenvolupat, que en l'avaluació de riscos combina les tècniques de Lògica Difusa i Montecarlo, demostra ser una eina útil i versàtil per a gestionar la incertesa. (Español) El uso amplio y creciente de las nanopartículas de plata (AgNPs) en varios productos está provocando su liberación en diferentes compartimentos ambientales, especialmente en el medio acuático. Estas partículas pueden entrar en este medio por diferentes vías, por ejemplo, gradualmente a través de efluentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) o bien de forma accidental por vertidos sobre suelo o el río. Esta tesis presenta un análisis detallado sobre el transporte (advección-dispersión) y dispersión de nanopartículas de plata (AgNPs) tanto en aguas superficiales como subterráneas, considerando balances de masa, diversos modelos matemáticos y factores que influyen en su movilidad y retardo. Para las aguas superficiales, se consideran vertidos continuos y puntuales, y se utiliza un modelo analítico para representar el comportamiento de las AgNPs en el río. Para las aguas subterráneas, se consideran vertidos puntuales. También se tiene en cuenta la interacción de las AgNPs con los medios porosos en el agua subterránea (proceso de retardo), lo que permite calcular la concentración máxima de AgNPs en el agua subterránea. Inicialmente, se desarrolla un modelo de Lógica Difusa para evaluar el riesgo ambiental en ecosistemas acuáticos en base a la concentración y de la toxicidad de AgNPs. Se logra determinar la toxicidad con una gran adaptabilidad, al incluir variables como la forma, el tamaño y el recubrimiento de las nanopartículas, permitiendo una evaluación más precisa del riesgo. Este modelo se aplica a un vertido de AgNPs al río procedente de los efluentes de una EDAR o bien de un accidente. Los resultados muestran que, en todos los casos, el riesgo de las AgNPs debido al vertido accidental directo al río supone un mayor riesgo que el de la EDAR. Posteriormente, se desarrolla un modelo híbrido que integra la simulación de Monte Carlo (para el cálculo de concentraciones) con el modelo desarrollado de Lógica Difusa. Esta integración proporciona una herramienta que permite evaluar el riesgo ambiental de AgNPs debido a un vertido en el suelo. Se plantean dos escenarios después el vertido: descarga del agua del acuífero con AgNPs al río y uso de esta agua del acuífero para recarga en humedal. La distribución de concentración de AgNPs por descarga en los ríos está por debajo del límite legal propuesto, mientras que en el escenario de uso en humedales no se cumplen los límites legales en ningún caso, lo que indica un mayor riesgo asociado a este último uso. Tras realizar un análisis de sensibilidad, se demuestra que el modelo híbrido desarrollado, que en la evaluación de riesgos combina las técnicas de Lógica Difusa y Montecarlo, demuestra ser una herramienta útil y versátil para gestionar la incertidumbre.