Climate change perspectives on freshwater basins: the impact of evaporative water concentration on pollutants photodegradation

This thesis investigates the effects of evaporative water concentration, driven by climate change, on the photodegradation of 15 Contaminants of Emerging Concern (CECs) in freshwater systems. This phenomenon occurs when evaporation exceeds the rates of outflow or seepage. Elevated temperatures and limited precipitation are critical factors driving this process, significantly affecting the photochemical degradation of pollutants. The study focuses on two main photodegradation mechanisms: direct photolysis and processes mediated by Photochemically Produced Reactive Intermediates (PPRIs), such as hydroxyl radicals (°OH), triplet states of chromophoric dissolved organic matter (³CDOM*), carbonate radicals (CO₃°⁻), and singlet oxygen (¹O₂). Using APEX software, the photochemical behavior of each compound is simulated under varying evaporation conditions. Additionally, EdGCM climate projections highlight regions where evaporation exceeds precipitation, pinpointing areas at high risk for pollutant accumulation. These effects are expected to intensify in the coming decades, impacting all continents. Results show that pollutants degraded by direct photolysis and ³CDOM* undergo faster breakdown, while those reliant on °OH persist longer, potentially increasing ecological risks. Arid and semi-arid regions are particularly vulnerable to these changes, with reduced water levels exacerbating pollutant concentration.

Questa tesi analizza gli effetti dell'aumento della concentrazione dei soluti nei bacini di acqua dolce, dovuto all'evaporazione intensificata dai cambiamenti climatici, sulla fotodegradazione di 15 Contaminanti Emergenti (Contaminants of Emerging Concern, CECs). Tale fenomeno si verifica in ambienti aridi o semi-aridi, dove i corpi idrici stazionari perdono acqua prevalentemente per evaporazione. L'assenza o la scarsità di precipitazioni e le temperature elevate sono fattori chiave per questo processo, il quale influenza in modo significativo la degradazione fotochimica degli inquinanti. Questo studio si focalizza su due principali meccanismi di fotodegradazione: la fotolisi diretta e i processi mediati da specie reattive dette Photochemically Produced Reactive Intermediates (PPRIs), tra cui spiccano i radicali idrossilici (°OH), la materia organica disciolta cromoforica in stato di tripletto (³CDOM*), i radicali carbonato (CO₃°⁻) e l’ossigeno singoletto (¹O₂). Attraverso il software APEX è stata simulata la cinetica di fotodegradazione di ciascun composto in condizioni variabili di evaporazione. Inoltre, le proiezioni climatiche fornite dal modello EdGCM hanno permesso di individuare le aree geografiche in cui l'evaporazione supera le precipitazioni, evidenziando le zone più a rischio di accumulo di inquinanti. I risultati dello studio indicano che i contaminanti soggetti a fotolisi diretta e a processi mediati da ³CDOM* subiscono una degradazione più rapida, mentre quelli la cui degradazione dipende dai radicali idrossilici (°OH) tendono a persistere più a lungo nell'ambiente, con un conseguente potenziale aumento del rischio ecologico. Le regioni aride e semi-aride risultano particolarmente vulnerabili a questi cambiamenti, poiché la diminuzione dei livelli d'acqua amplifica la concentrazione degli inquinanti, aggravando i rischi associati. Si prevede che questi effetti si intensificheranno nei prossimi decenni, con ripercussioni su scala globale.