Thermodynamics and log–contrast analysis in fluid geochemistry

There are two principal chemical concepts that are important for studying the natural environment. The first one is thermodynamics, which describes whether a system is at equilibrium or can spontaneously change by chemical reactions. The second main concept is how fast chemical reactions (kinetics or rate of chemical change) take place whenever they start. In this work we examine a natural system in which both thermodynamics and kinetic factors are important in determining the abundance of NH+4 , NO−2 and NO−3 in superficial waters. Samples were collected in the Arno Basin (Tuscany, Italy), a system in which natural and antrophic effects both contribute to highly modify the chemical composition of water. Thermodynamical modelling based on the reduction-oxidation reactions involving the passage NH+4 -> NO−2 -> NO−3 in equilibrium conditions has allowed to determine the Eh redox potential values able to characterise the state of each sample and, consequently, of the fluid environment from which it was drawn. Just as pH expresses the concentration of H+ in solution, redox potential is used to express the tendency of an environment to receive or supply electrons. In this context, oxic environments, as those of river systems, are said to have a high redox potential because O2 is available as an electron acceptor. Principles of thermodynamics and chemical kinetics allow to obtain a model that often does not completely describe the reality of natural systems. Chemical reactions may indeed fail to achieve equilibrium because the products escape from the site of the rection or because reactions involving the trasformation are very slow, so that non-equilibrium conditions exist for long periods. Moreover, reaction rates can be sensitive to poorly understood catalytic effects or to surface effects, while variables as concentration (a large number of chemical species can coexist and interact concurrently), temperature and pressure can have large gradients in natural systems. By taking into account this, data of 91 water samples have been modelled by using statistical methodologies for compositional data. The application of log–contrast analysis has allowed to obtain statistical parameters to be correlated with the calculated Eh values. In this way, natural conditions in which chemical equilibrium is hypothesised, as well as underlying fast reactions, are compared with those described by a stochastic approach

Integro-difference equations for interacting species and the Neolithic transition

We introduce a set of sequential integro-difference equations to analyze the dynamics of two interacting species. Firstly, we derive the speed of the fronts when a species invades a space previously occupied by a second species, and check its validity by means of numerical random-walk simulations. As an example, we consider the Neolithic transition: the predictions of the model are consistent with the archaeological data for the front speed, provided that the interaction parameter is low enough. Secondly, an equation for the coexistence time between the invasive and the invaded populations is obtained for the first time. It agrees well with the simulations, is consistent with observations of the Neolithic transition, and makes it possible to estimate the value of the interaction parameter between the incoming and the indigenous populations

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Ecologia demogràfica de la perca americana (Micropterus salmoides) a l'Estany de Banyoles

L'Estany de Banyoles, sistema peculiar tant des del punt de vista de la seva formació geològica com de les seves característiques limnològiques, conté actualment una comunitat de peixos profundament modificada respecte de la comunitat original. La perca americana (Micropterus salmoides), introduïda a finals dels anys seixanta del segle XX, és avui una de les espècies dominants en aquesta comunitat, i ocupa sobretot l'hàbitat litoral de l'Estany. Es tracta d'una espècie molt ben estudiada a Nord Amèrica des de diverses disciplines de la biologia i des de fa diverses dècades, cosa que ha comportat que actualment es disposi d'un gran volum d'informació sobre ella. Amb tot, fora del seu continent d'origen ha rebut poca atenció, malgrat l'amplia expansió que ha experimentat arreu del món. En aquesta tesi doctoral s'han abordat, amb un enfocament descriptiu, aspectes fins ara desconeguts per a l'espècie a l'Estany de Banyoles, a la península ibèrica i fins i tot a Europa. Concretament, se n'ha analitzat la condició, el creixement i la demografia, així com les seves variacions temporals. Amb aquesta finalitat, s'ha dissenyat un mostreig composat de deu campanyes de pesca intensives més alguns petits mostrejos addicionals intercalats, mostreig que s'ha allargat des del juliol del 1997 i fins el novembre del 1999. La captura dels exemplars s'ha realitzat mitjançant una tècnica de pesca elèctrica amb una embarcació posada a punt expressament per a aquest estudi, la qual s'ha mostrat considerablement eficient malgrat les dificultats que ofereix el medi. S'ha realitzat un mostreig de marcatge-recaptura basat en la mutilació d'aletes i, en alguns casos, en el marcatge amb pintura acrílica. Només en la darrera campanya (novembre del 1999) s'ha sacrificat una part important de les captures a fi de retirar-ne els otòlits per a la determinació de l'edat. Pel que fa a l'anàlisi de les dades, s'ha aplicat un ampli ventall de mètodes i models per a cada un dels aspectes estudiats, a fi de contrastar-ne els resultats i validar-ne la seva fiabilitat. En el cas de la condició, s'han aplicat mètodes d'anàlisi de la covariància (ANCOVA) i altres mètodes anàlegs, així com, paral·lelament, regressions i anàlisis derivades a partir de la relació longitud-pes. En l'estudi del creixement, s'han realitzat ajustaments de diversos models mitjançant regressions sobre dades de mida a l'edat i sobre dades d'increments de mida observats per interval de temps. També s'han aplicat anàlisis de freqüències de longitud, i, finalment, s'han aplicat mètodes de retrocàlcul a partir dels increments anuals del radi observats en els otòlits. Finalment, en el cas de l'estudi de la demografia, s'han aplicat models de marcatge-recaptura per a l'estimació de la grandària poblacional i de la supervivència, i, a més, s'han ajustat diversos models continus de supervivència sobre aquestes estimacions prèvies. També s'han estimat les capturabilitats associades a la nova tècnica de captura. Per una altra banda, s'ha implementat i realitzat un mostreig sobre la població de pescadors esportius de l'Estany encarat a determinar, bàsicament, la pressió de pesca a què es veu sotmesa l'espècie. Els resultats mostren sobretot una alta estabilitat interanual en tots els aspectes estudiats, que s'explica per l'estabilitat ambiental que, al seu torn, és característica d'aquest ecosistema lacustre. Això reverteix en una longevitat màxima observada que iguala la màxima descrita a la literatura per a l'espècie. Alhora, també s'han descrit fortes oscil·lacions estacionals tant en la condició, com en el creixement, com també en la supervivència, les quals, però, presenten certes diferències en la seva temporalitat, cosa que indica una certa diferenciació en els factors que les regulen.

Predicting Argentine ant invasion across spatial scales via ecological niche models

La formiga argentina (Linepithema humile) es troba entre les espècies més invasores: originària d'Amèrica del Sud, actualment ha envaït nombroses àrees arreu del món. Aquesta tesi doctoral intenta fer una primera anàlisi integrada i multiescalar de la distribució de la formiga argentina mitjançant l'ús de models de nínxol ecològic. D'acord amb els resultats obtinguts, es preveu que la formiga argentina assoleixi una distribució més àmplia que l'actual. Les prediccions obtingudes a partir dels models concorden amb la distribució actualment coneguda i, a més, indiquen àrees a prop de la costa i dels rius principals com a altament favorables per a l'espècie. Aquests resultats corroboren la idea que la formiga argentina no es troba actualment en equilibri amb el medi. D'altra banda, amb el canvi climàtic, s'espera que la distribució de la formiga argentina s'estengui cap a latituds més elevades en ambdós hemisferis, i sofreixi una retracció en els tròpics a escales globals.