Development of analytical methods for the determination of emerging contaminants in the aquatic environment by liquid chromatography-tandem mass spectrometry

Abstract

Benzotriazoles, benzothiazoles and benzosulfonamides are three classes of organic compoundswhich have been considered as emerging contaminants in the aquatic environment.In this thesis, we developed an integrated LC-(ESI+)MS/MS analytical methodology for thesimultaneous determination of four benzotriazoles and four benzothiazoles in wastewater (bothdissolved phase and particulate phase) and sewage sludge. The target benzotriazoles include 1Hbenzotriazole,1-hydroxy-benzotriazole, tolyltriazole (the mixture of isomers 4-methyl-1Hbenzotriazoleand 5-methyl-1H-benzotriazole), and xylyltriazole (or 5,6-dimethyl-1Hbenzotriazole)while the target benzothiazoles are benzothiazole, 2-hydroxy-benzothiazole, 2-methylthio-benzothiazole, and 2-amino-benzothiazole). A solid-phase extraction (SPE) protocoland an ultra-sonication procedure were optimized for the extraction of the compounds from thedissolved phase and biosolid samples, respectively. Quantitative mean relative recoveries (> 89%) with good precision (< 14%) were obtained for all the benzotriazoles and benzothiazoles inboth dissolved and biosolid samples, except for 2-methylthiobenzothiazole with mean relativerecoveries of 71% and 64% in dissolved and biosolid samples, respectively. The limits ofdetection (LODs) ranged from 0.08 (2-methylthio-benzothiazole) to 17 ng L-1 (benzothiazole) indissolved samples and from 0.04 (2-methylthio-benzothiazole) to 13 ng g-1 (benzothiazole) inbiosolid samples. This analytical approach was proven to be highly selective and sensitive andwas applied successfully for the determination of the target compounds in wastewater andsludge.We also developed a method for the quantification of three benzosulfonamides(Benzenesulfonamide, ortho-toluenesulfonamide and para-toluenesulfonamide) in wastewaterbased on pseudo-selected reaction monitoring (Pseudo-SRM) mass spectrometry. A solid phaseextraction procedure was optimized for pre-concentration and extraction of the compounds fromwastewater. Extracts were analyzed with LC-(ESI-)MS/MS in Pseudo-SRM mode. Absoluterecoveries of the extraction method ranged from 83 to 118%. Method limits of detection (LODs)were 0.01 µg L-1 for p-toluenesulfonamide and 0.09 µg L-1 for both benzenesulfonamide and otoluenesulfonamidein wastewater. Good precision of less than 13% for all thebenzosulfonamides was achieved with the method. The developed method was employed for thedetermination of the three benzosulfonamides in wastewater.Finally, we studied the occurrence of the target benzotriazoles, benzothiazoles andbenzosulfonamides in raw wastewater, treated wastewater and sludge samples from sewagetreatment plants of Athens; as well as their removal and fate during treatment processes. Thehighest mean concentrations of 3028 ng L-1 for tolyltriazole and 254 ng L-1 for benzothiazole were found in treated wastewater for both classes of benzotriazoles and benzothiazoles,respectively. A significant part, ranging up to 14% for 1H-benzotriazole and 20% forbenzothiazole, was found in the particulate phase of wastewater influent. In sewage sludge, thehighest mean concentrations were observed for tolyltriazole (146 ng g-1 dw) among thebenzotriazoles and, for 2-hydroxylbenzothiazole (52 ng g-1 dw) among the benzothiazoles. 1-hydroxybenzotriazole, benzothiazole and 2-methythio-benzothiazole were highly removedduring wastewater treatment whereas tolyltriazole, 1H-benzotriazole and 2-hydroxybenzothiazole were only partially removed. Biodegradation/biotransformation was themajor mechanism responsible for the removal of benzotriazoles and benzothiazoles duringwastewater treatment.Among the benzosulfonamides, highest concentrations were found for p-toluenesulfonamide (upto 1473 ng L-1) in both influent and effluent wastewater samples. Benzenesulfonamide waslargely removed, p-toluenesulfonamide was partially removed and o-toluenesulfonamide wasformed during wastewater treatment.This study demonstrates the need for thorough control and environmental monitoring of thetarget benzotriazoles, benzothiazoles and benzosulfonamides in the aquatic environment as aresult of their ubiquitous occurrence in wastewater and sludge, and incomplete removal duringwastewater treatment.

Οι βενζοτριαζόλες, βενζοθειαζόλες και τα βενζοσουλφοναμίδια ειναι τρεις κατηγορίεςοργανικών ενώσεων, οι οποίες θεωρούνται αναδυόμενοι ρύποι στο υδάτινο περιβάλλον.Στη παρούσα εργασία, έγινε ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης αναλυτικής μεθοδολογίας LC-(ESI+)MS/MS για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό τεσσάρων βενζοτριαζολών και τεσσάρωνβενζοθειαζολών σε υγρά απόβλητα (διαλυτή και σωματιδιακή φάση) και σε ενεργό ιλύ. Οιβενζοτριαζόλες περιλάμβαναν την 1Η-βενζοτριαζόλη, 1-υδροξυ-βενζοτριαζόλη, τολυλτριαζόλη(μείγμα των ισομερών 4-μεθυλο-1Η-βενζοτριαζόλη και 5-μεθυλο-1Η-βενζοτριαζόλη) και τηνξυλυλτριαζόλη (ή 5,6 διμεθυλο-1Η-βενζοτριαζόλη), ενώ στις βενζοθειαζόλες περιελάμβανοντανοι βενζοθειαζόλη, 2-υδροξυ-βενζοθειαζόλη, 2-μεθυλοθειο-βενζοθειαζόλη, και η 2-αμινο-βενζοθειαζόλη. Για την εκχύλιση των ενώσεων από τη διαλυτή και τη στερεή φάσηχρησιμοποιήθηκε εκχύλιση στερεάς φάσης και λουτρό υπερήχων, αντίστοιχα. Μέσες σχετικέςανακτήσεις (>89%) με ικανοποιητική ακρίβεια (<14%) παρουσίασαν όλες οι βενζοτριαζόλες καιβενζοθειαζόλες σε διαλύτη και στερεή φάση, εκτός της 2-μεθυλοθειο-βενζοθειαζόλη με μέσεςσχετικές ανακτήσεις 71% και 64% σε διαλύτη και στερεή φάση, αντίστοιχα. Τα όρια ανίχνευσηςκυμαίνονταν απο 0,08 (2-μεθυλοθειο-βενζοθειαζόλη) έως 17 ng L-1 (βενζοθειαζόλη) στη διαλυτήφάση, και από 0,04 (2-μεθυλοθειο-βενζοθειαζόλη) έως 13 ng g-1 (βενζοθειαζόλη) στη στερεήφάση. Η αναλυτική μέθοδος κρίθηκε ότι ήταν εκλεκτική και με ικανοποιητική ευαισθησία καιεφαρμόστηκε για τον προσδιορισμό των αναλυτών σε υγρά απόβλητα και ιλύ.Επίσης, αναπτύχθηκε μέθόδος για τον ποσοτικό προσδιορισμό τριών βενζοσουλφοναμιδίων(βενζενοσουλφοναμίδιο, ορθο-τολουολοσουλφοναμίδιο και παρα-τολουολοσουλφοναμίδιο) σευγρά απόβλητα με υγροχρματογραφία-φασμοτομετρία μάζας, με την τεχνική ψευδο-SRM. Ηεκχύλιση στερεάς φάσης (SPE) βελτιστοποιήθηκε για την προσυγκέντρωση και παραλαβή τωνενώσεων απο τα δείγματα. Τα εκχυλίσματα αναλύθηκαν με LC-(ESI-)MS/MS με ψευδο-SRM.Οι απόλυτες ανακτήσεις από την SPE κυμαίνονταν απο 83% εώς 118%. Τα όρια ανίχνευσης τηςμεθόδου ήταν 0,01 µg L-1για το παρα-τολουολοσουλφοναμίδιο και 0,09 µg L-1για τοβενζενοσουλφοναμίδιο και ορθο-τολουολοσουλφοναμίδιο σε υγρά απόβλητα. Ηαναπαραγωγιμότητα της μεθόδου (%RSDR) ήταν μικρότερη από 13%. Η μέθοδος εφαρμόστηκεγια τον προσδιορισμό των βενζοσουλφοναμιδίων σε υγρά απόβλητα από το ΚέντροΕπεξεργασίας Υγρών Λυμάτων της Ψυττάλειας (ΚΕΛΨ).Τέλος, έγινε μελέτη της ύπαρξης των βενζοτριαζολών, βενζοθειαζολών και τωνβενζοσουλφοναμιδίων σε ανεπεξέργαστα και επεξεργασμένα υγρά απόβλητα και δείγματα ιλύοςαπό το ΚΕΛΨ Αθήνας, καθώς επίσης μελετήθηκε η απομάκρυνση και η «τύχη» τους κατά τηδιάρκεια της επεξεργασίας. Οι μέσες υψηλότερες συγκεντρώσεις βρέθηκαν για την τολυλoτριαζόλη (3028 ng L-1) και τη βενζοθειαζόλη (254 ng L-1) στα επεξεργασμένα απόβληταγια την ομάδα των βενζοτριαζολών και βενζοθειαζολών, αντίστοιχα. Σημαντικό ποσοστό έως14% για την 1Η-βενζοτριαζόλη και 20% για τη βενζοθειαζόλη ανιχνέυτηκε στη σωματιδιακήφάση των εισερχόμενων αποβλήτων. Στην ενεργό ιλύ, οι υψηλότερες μέσες συγκεντρώσειςπαρατηρήθηκαν για τη τολυλτριαζόλη (146 ng g-1 dw) από τις βενζοτριαζόλες και για τη 2-υδροξυ-βενζοθειαζόλη (52 ng g-1 dw) από τις βενζοθειαζόλες. Η 1-υδροξυ-βενζοθειαζόλη, ηβενζοθειαζόλη και η 2-μεθυλοθειο-βενζοθειαζόλη απομακρύνονταν σημαντικά κατά τη διάρκειατης επεξεργασίας, ενώ η τολυλoτριαζόλη, η 1Η-βενζοτριαζόλη και η 2-υδροξυ-βενζοθειαζόληαπομακρύνονταν μερικώς. Η βιοαποικοδόμηση ήταν ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσής τουςκατα τη διάρκεια της επεξεργασίας.Από τα βενζοσουλφοναμίδια σε υψηλότερη συγκέντρωση ανιχνεύτηκε στο π-τολουλοοσουλφοναμίδιο (εώς 1473 ng L-1) σε εισερχόμενα και εξερχόμενα υγρά απόβλητα. Τοβενζενσουλφοναμίδιο απομακρύνεται σε μεγάλο βαθμό, το π-τολουολοσουλφοναμίδιοαπομακρύνεται μερικώς, ενώ το ο-τολουολοσουλφοναμίδιο σχηματίζεται κατά τη διάρκεια τηςεπεξεργασίας.Η εργασία αυτή υποδεικνύει την ανάγκη για ενδελεχή και συνεχή έλεγχο και περιβαλλοντικήπαρακολούθηση των ενώσεων αυτών στο υδάτινο περιβάλλον, λόγω της ύπαρξης τους σεεπεξεργασμένα υγρά απόβλητα και λάσπη λόγω της μερικής απομάκρυνσης τους κατά τηδιάρκεια της επεξεργασίας.