Interlinkages and forecasting made possible by the use of the DECOIN analytical tool kit

This technical report is a document prepared as a deliverable [D4.3 Report of the Interlinkages and forecasting prototype tool] of a EU project – DECOIN Project No. 044428 - FP6-2005-SSP-5A. The text is divided into 4 sections: (1) this short introductory section explains the purpose of the report; (2) the second section provides a general discussion of a systemic problem found in existing quantitative analysis of sustainability. It addresses the epistemological implications of complexity, which entails the need of dealing with the existence of Multiple-Scales and non-equivalent narratives (multiple dimensions/attributes) to be used to define sustainability issues. There is an unavoidable tension between a “steady-state view” (= the perception of what is going on now – reflecting a PAST --& PRESENT view of the reality) versus an “evolutionary view” (= the unknown transformation that we have to expect in the process of becoming of the observed reality and in the observer – reflecting a PRESENT --& FUTURE view of the reality). The section ends by listing the implications of these points on the choice of integrated packages of sustainability indicators; (3) the third section illustrates the potentiality of the DECOIN toolkit for the study of sustainability trade-offs and linkages across indicators using quantitative examples taken from cases study of another EU project (SMILE). In particular, this section starts by addressing the existence of internal constraints to sustainability (economic versus social aspects). The narrative chosen for this discussion focuses on the dark side of ageing and immigration on the economic viability of social systems. Then the section continues by exploring external constraints to sustainability (economic development vs the environment). The narrative chosen for this discussion focuses on the dark side of current strategy of economic development based on externalization and the “bubbles-disease”; (4) the last section presents a critical appraisal of the quality of energy data found in energy statistics. It starts with a discussion of the general goal of statistical accounting. Then it introduces the concept of multipurpose grammars. The second part uses the experience made in the activities of the DECOIN project to answer the question: how useful are EUROSTAT energy statistics? The answer starts with an analysis of basic epistemological problems associated with accounting of energy. This discussion leads to the acknowledgment of an important epistemological problem: the unavoidable bifurcations in the mechanism of accounting needed to generate energy statistics. By using numerical example the text deals with the following issues: (i) the pitfalls of the actual system of accounting in energy statistics; (ii) a critical appraisal of the actual system of accounting in BP statistics; (iii) a critical appraisal of the actual system of accounting in Eurostat statistics. The section ends by proposing an innovative method to represent energy statistics which can result more useful for those willing develop sustainability indicators.

Applications of the MuSIASEM approach to study changes in the metabolic pattern of Catalonia

This document presents an integrated analysis of the performance of Catalonia based on an analysis of how the energy consumption (measured at the societal level for the Catalan Society) is used within both the productive sectors of the economy and the household, to generate added value, jobs, and to guarantee a given level of material standard of living to the population. The trends found in Catalonia are compared to the trends of other European Countries to contextualize the performance of Catalonia with respect to other societies that have followed different paths of economic development. The first part of the document consists of the Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM) approach that has been used to provide this integrated analysis of Catalan Society across different scales (starting from an analysis of the specific sectors of the Catalan economy as an Autonomous Community and scaling up to an intra-regional (European Union 14) comparison) and across different dimensions of analyses of energy consumption coupled with added value generation. Within the scope of this study, we observe the various trajectories of changes in the metabolic pattern for Catalonia and the EU14 countries in the Paid Work Sectors composed of namely, the Agricultural Sector, the Productive Sector and the Services and Government Sector also in comparison with the changes in the household sector. The flow intensities of the exosomatic energy and the added value generated for each specific sector are defined per hour of human activity, thus characterized as exosomatic energy (MJ/hour) (or Exosomatic Metabolic Rate) and added value (€/hour) (Economic Labour Productivity) across multiple levels. Within the second part of the document, the possible usage of the MuSIASEM approach to land use analyses (using a multi-level matrix of categories of land use) has been conducted.

A first attempt of geographically-distributed Multi-scale integrated analysis of societal and ecosystem metabolism (MuSIASEM): mapping human time and energy throughput in metropolitan Barcelona

This study presents a first attempt to extend the “Multi-scale integrated analysis of societal and ecosystem metabolism (MuSIASEM)” approach to a spatial dimension using GIS techniques in the Metropolitan area of Barcelona. We use a combination of census and commercial databases along with a detailed land cover map to create a layer of Common Geographic Units that we populate with the local values of human time spent in different activities according to MuSIASEM hierarchical typology. In this way, we mapped the hours of available human time, in regards to the working hours spent in different locations, putting in evidence the gradients in spatial density between the residential location of workers (generating the work supply) and the places where the working hours are actually taking place. We found a strong three-modal pattern of clumps of areas with different combinations of values of time spent on household activities and on paid work. We also measured and mapped spatial segregation between these two activities and put forward the conjecture that this segregation increases with higher energy throughput, as the size of the functional units must be able to cope with the flow of exosomatic energy. Finally, we discuss the effectiveness of the approach by comparing our geographic representation of exosomatic throughput to the one issued from conventional methods.

Re-opening the black box in societal metabolism: the application of MuSIASEM to water

In this paper we address the complexity of the analysis of water use in relation to the issue of sustainability. In fact, the flows of water in our planet represent a complex reality which can be studied using many different perceptions and narratives referring to different scales and dimensions of analysis. For this reason, a quantitative analysis of water use has to be based on analytical methods that are semantically open: they must be able to define what we mean with the term “water” when crossing different scales of analysis. We propose here a definition of water as a resource that deal with the many services it provides to humans and ecosystems. WE argue that water can fulfil so many of them since the element has many characteristics that allow for the resource to be labelled with different attributes, depending on the end use –such as drinkable. Since the services for humans and the functions for ecosystems associated with water flows are defined on different scales but still interconnected it is necessary to organize our assessment of water use across different hierarchical levels. In order to do so we define how to approach the study of water use in the Societal Metabolism, by proposing the Water Metabolism, tganized in three levels: societal level, ecosystem level and global level. The possible end uses we distinguish for the society are: personal/physiological use, household use, economic use. Organizing the study of “water use” across all these levels increases the usefulness of the quantitative analysis and the possibilities of finding relevant and comparable results. To achieve this result, we adapted a method developed to deal with multi-level, multi-scale analysis - the Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM) approach - to the analysis of water metabolism. In this paper, we discuss the peculiar analytical identity that “water” shows within multi-scale metabolic studies: water represents a flow-element when considering the metabolism of social systems (at a small scale, when describing the water metabolism inside the society) and a fund-element when considering the metabolism o ecosystems (at a larger scale when describing the water metabolism outside the society). The theoretical analysis is illustrated using two case which characterize the metabolic patterns regarding water use of a productive system in Catalonia and a water management policy in Andarax River Basin in Andalusia.

Estimating Gross Value Added (GVA) across multiple scales: theoretical approach and empirical validation

This paper presents an application of the Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM) approach to the estimation of quantities of Gross Value Added (GVA) referring to economic entities defined at different scales of study. The method first estimates benchmark values of the pace of GVA generation per hour of labour across economic sectors. These values are estimated as intensive variables –e.g. €/hour– by dividing the various sectorial GVA of the country (expressed in € per year) by the hours of paid work in that same sector per year. This assessment is obtained using data referring to national statistics (top down information referring to the national level). Then, the approach uses bottom-up information (the number of hours of paid work in the various economic sectors of an economic entity –e.g. a city or a province– operating within the country) to estimate the amount of GVA produced by that entity. This estimate is obtained by multiplying the number of hours of work in each sector in the economic entity by the benchmark value of GVA generation per hour of work of that particular sector (national average). This method is applied and tested on two different socio-economic systems: (i) Catalonia (considered level n) and Barcelona (considered level n-1); and (ii) the region of Lima (considered level n) and Lima Metropolitan Area (considered level n-1). In both cases, the GVA per year of the local economic entity –Barcelona and Lima Metropolitan Area – is estimated and the resulting value is compared with GVA data provided by statistical offices. The empirical analysis seems to validate the approach, even though the case of Lima Metropolitan Area indicates a need for additional care when dealing with the estimate of GVA in primary sectors (agriculture and mining).

Disseny d'un sistema d'indicadors ambientals en camins i diagnosi socioambiental del Camí de Cavalls: sector sud-oest

Menorca va ser declarada Reserva de la Biosfera per la UNESCO l’any 1993. Entre d’altres, un dels aspectes més emblemàtics de l’Illa és el Camí de Cavalls. Preservar la diversitat que aquest ofereix comporta una gestió complexa. Per això, és necessària per una millor gestió ambiental la realització prèvia d’una diagnosi per determinar en quina situació es troba actualment el Camí, i així poder optimitzar els mecanismes de gestió de l’espai. Aquesta diagnosi té com a objectius desenvolupar un sistema d’indicadors ambientals i socioeconòmics i validar-los per avaluar els canvis que es poden donar en el litoral de Menorca en els propers anys en relació a aquest espai. Dins d’aquest marc de treball, el sistema d’indicadors dissenyat a nivell teòric ha estat validat a través d’un exhaustiu treball de camp. Amb aquest objectiu s’ha volgut crear un disseny eficient, de forma que qualsevol persona que vulgui aplicar-lo al Camí de Cavalls o en altres tipologies de camí pugui fer-ho d’una manera correcte.

Indicadors de pressió ambiental a les platges de Menorca: prova pilot (IPAPM'pp 2007)

Al llarg dels estius de 2006 i 2007 s'estudiaren 44 platges de tot el litoral de l'illa de Menorca, classificades en tres tipologies: A (platges urbanes), B (platges semi-urbanes) i C (platges verges). En cadascuna s'aplicà un sistema de 15 indicadors per tal de veure el nivell de pressió ambiental a què estaven sotmeses, i així valorar el seu grau de qualitat. En aquest treball es presenten els resultats de dos dels indicadors: índex d'impacte visual d'infraestructures i qualitat de flora terrestre. Els resultats preliminars sobre la situació de les platges de Menorca a partir d'aquests dos indicadors mostren conclusions prou significatives. A tall d’exemple, únicament un 9% de les platges estudiades no presentaven cap impacte visual d'alguna infraestructura; però, d'altra banda, un 80% de les platges estudiades compten amb presència d’espècies psammòfiles indicadores de qualitat.

Anàlisi de la composició en metalls pesants de sòls adjacents a carreteres per fluorescència de raigs X portàtil

L’objectiu del present estudi és la caracterització i avaluació del grau de contaminació per metalls pesants dels sòls adjacents a una carretera de l’àrea metropolitana de Barcelona. Aquesta caracterització inclou la comparació dels valors mesurats amb els nivells màxims legals i la determinació de l’origen antropogènic o litogènic dels metalls mitjançant mètodes estadístics. Per a assolir aquest objectiu, s’emprarà la tècnica de la fluorescència de raigs X portàtil (FPXRF), de manera que l’estudi també inclourà la validació dels resultats obtinguts mitjançant aquesta tècnica per comparació amb un mètode de referència, així com l’estudi de la principal limitació que presenta la tècnica, que és la presència d’humitat a les mostres.

Disseny d'un sistema d'indicadors en camins i diagnosi socioambiental del Camí de Cavalls de Menorca 2008: sector nord-est

Menorca va ser declarada Reserva de la Biosfera per la UNESCO l’any 1993. Entre d’altres, un dels aspectes més emblemàtics de l’Illa és el Camí de Cavalls. Preservar la diversitat que aquest ofereix comporta una gestió complexa. Per això, és necessària per una millor gestió ambiental la realització prèvia d’una diagnosi per determinar en quina situació es troba actualment el Camí, i així poder optimitzar els mecanismes de gestió de l’espai. Aquesta diagnosi té com a objectius desenvolupar un sistema d’indicadors ambientals i socioeconòmics i validar-los per avaluar els canvis que es poden donar en el litoral de Menorca en els propers anys en relació a aquest espai. Dins d’aquest marc de treball, el sistema d’indicadors dissenyat a nivell teòric ha estat validat a través d’un exhaustiu treball de camp. Amb aquest objectiu s’ha volgut crear un disseny eficient, de forma que qualsevol persona que vulgui aplicar-lo al Camí de Cavalls o en altres tipologies de camí pugui fer-ho d’una manera correcte.

Indicadors de sostenibilitat i percepció social del Camí de Cavalls a Menorca

S’efectuarà una avaluació global de l’estat ambiental del camí a partir dels indicadors. A més a més, es crearà un SIG que permeti la representació gràfica dels resultats dels indicadors i de la seva avaluació. Es realitzarà una aproximació social al Camí de Cavalls que engloba la percepció dels actors de la societat menorquina rellevants en la seva gestió, així com el tipus d’usuari del camí. A partir d’aquí, s’elaboraran uns productes de comunicació: a nivell divulgatiu, es realitzarà una monografia sobre el sistema d’indicadors ambientals del Camí de Cavalls. A nivell científic, s’aportaran una sèrie d’indicadors que podran ser emprats per a qualsevol camí litoral del món.

Tècniques de Webmetria : anàlisi de logs i Google Analytics per a la obtenció de variables mètriques del web de la Biblioteca Virtual de la Universitat Oberta de Catalunya (UOC)

This presentation aims to make understandable the use and application context of two Webometrics techniques, the logs analysis and Google Analytics, which currently coexist in the Virtual Library of the UOC. In this sense, first of all it is provided a comprehensive introduction to webometrics and then it is analysed the case of the UOC's Virtual Library focusing on the assimilation of these techniques and the considerations underlying their use, and covering in a holistic way the process of gathering, processing and data exploitation. Finally there are also provided guidelines for the interpretation of the metric variables obtained.

Estudi preliminar per la creació d'una nova categoria d'impacte ambiental dins el marc de l'ACV: la dimensió natural del paisatge

L’Anàlisi de Cicle de Vida (ACV) és una eina emprada per gestionar els impactes ambientals i els recursos usats al llarg del cicle de vida d’un bé o servei. Existeixen reptes de futur en el desenvolupament de l’ACV, tals com la introducció de noves categories d’impacte ambiental, que permetin una anàlisi més específica dels impactes sobre determinats elements del medi, com ara el paisatge. En el present estudi s’analitza la dimensió natural del paisatge per tal de proposar la creació d’un índex de paisatge. Així doncs, s’han revisat les noves propostes de categories d’impacte en ACV que inclouen directament o indirecta el paisatge i s’ha analitzat una mostra de 33 estudis d’indicadors de paisatge. Aquesta cerca deriva en l’elecció de 6 indicadors: els usos del sòl, la diversitat paisatgística, la fragmentació, la connectivitat, la riquesa d’espècies i la densitat de carreteres. En la determinació dels seus respectius mètodes de càlcul s’ha detectat la importància de l’ús dels SIG, l’elecció d’una base de dades d’usos del sòl comuna (CORINE) i les interrelacions que existeixen entre indicadors. La proposta de l’índex hauria de poder ésser un punt de partida per a futurs estudis en aquest àmbit i derivar en una nova categoria d’impacte de paisatge, donat que caldrà estudiar alguns elements, com la interrelació entre indicadors.

Establiment d'una xarxa d'estacions de seguiment mitjançant indicadors liquènics. Bases per a valorar l'impacte humà i la qualitat de l'aire al Parc Nacional d'Aigüestortes i Estany de Sant Maurici

Com a primera part de la monitorització, mitjançant el líquens com a indicadors, del Parc Nacional d'Aigüestortes i Estany de Sant Maurici, hem seleccionat, marcat i caracteritzat 20 estacions de seguiment. Les estacions han quedat establertes en els següents ambients: rouredes amb boix, bosc caducifoli mixt, fagedes, fagedes amb avet, pinedes de pi roig, avetosa, avetosa amb neret, pinedes de pi negre amb nereto amb ginebró, i roquissars, tant en roques carbonatades com àcides. Donem, com a exemple de l'estudi d¿aquestes estacions, el cas d¿una d'avetosa amb neret. El seguiment de l'evolució, en el temps, de les diferents comunitats, ens haurà de permetre correlacionar les modificacions observades en les estacions amb els canvis produïts en la qualitat de l'aire o a causa de l'impacte humà.

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.

A Multi-state model for the analysis of functional decline and mortality of frail elderly patients

L’objectiu d’aquest estudi, que correspon a un projecte de recerca sobre la pèrdua funcional i la mortalitat de persones grans fràgils, és construir un procés de supervivència predictiu que tingui en compte l’evolució funcional i nutricional dels pacients al llarg del temps. En aquest estudi ens enfrontem a l’anàlisi de dades de supervivència i mesures repetides però els mètodes estadístics habituals per al tractament conjunt d’aquest tipus de dades no són apropiats en aquest cas. Com a alternativa utilitzem els models de supervivència multi-estats per avaluar l’associació entre mortalitat i recuperació, o no, dels nivells funcionals i nutricionals considerats normals. Després d’estimar el model i d’identificar els factors pronòstics de mortalitat és possible obtenir un procés predictiu que permet fer prediccions de la supervivència dels pacients en funció de la seva història concreta fins a un determinat moment. Això permet realitzar un pronòstic més precís de cada grup de pacients, la qual cosa pot ser molt útil per als professionals sanitaris a l’hora de prendre decisions clíniques.