Προσδιορισμός, τύχη, απομάκρυνση και μελέτη περιβαλλοντικής επικινδυνότητας επιλεγμένων αναδυόμενων ρύπων στο περιβάλλον

Abstract

The present dissertation has three axes which are its objectives. The first goal was the development and validation of a multi-residue method based on solid phase extraction followed by ultra-high-performance liquid chromatography Orbitrap high-resolution mass spectrometry (UHPLC– Orbitrap HRMS) for the detection and quantification of 172 target compounds (135 pharmaceutical and personal care products, 17 illicit drugs, 11 perfluroninated compounds and 9 organophosphate flame retardants) in tap water and influent and effluent wastewater. Due to the large number of analytes with various physicochemical characteristics that should be efficiently extracted, the response surface methodology employing a central composite design and desirability function approach was exploited to optimize the sample preparation process. The factors included in the design of experiments were sample pH, eluent solvents composition and volume. Full-scan acquisition and data dependent MS2 modes were applied concurrently. The streamlined method was validated in terms of accuracy, linearity, method limits, reproducibility, and matrix effects. The second objective concerned the application of the multi-residue method to real samples (influent and effluent wastewaters) derived from the two Wastewater Treatment Plants in Thessaloniki after an annual survey. Influent concentrations in both WWTPs were notably higher than effluent, with caffeine, acetaminophen, irbesartan and valsartan being the most ubiquitous compounds, exhibiting elevated concentrations. Average effluent concentrations ranged from <MQL to μg L−1. Removal efficiencies ranged between -273% for lamotrigine and 100%. Notably, the polar compounds such as cytarabine, methotrexate and capecitabine were removed at a rate >80% in both WWTPs. Interesting trends for the illicit drugs were revealed by means of mass loading estimation, as in the case of benzoylecgonine (71.6 mg/day/1000 inhabitants). Ecotoxicological risk assessment was evaluated for both single components and mixture, using three approaches: risk quotient, risk quotient considering frequency and toxic units. The third objective focus on a comprehensive investigation of the phototransformation and ecotoxicity evaluation of a mixture of 12 pharmaceuticals susceptible to photolysis. The selected compounds belong to 5 different categories (3 antibiotics - ciprofloxacin, levofloxacin, moxifloxacin), (3 antidepressants - bupropion, duloxetine, olanzapine), (3 anti-inflammatory drugs - diclofenac, ketoprofen, nimesulide), (2 beta-blockers-propranolol, timolol) and (1 antihistamine-ranitidine) were subjected to simulated solar irradiation in ultra-pure and river water. Based on the results, a total of 166 different transformation products were identified. Kinetic profiles of the major transformation products originating from a series of chemical reactions involving i.e. hydroxylation, cleavage and oxidation, dehalogenation, decarboxylation, dealkylation and photo substitution were investigated, and the transformation pathways were proposed. Moreover, to evaluate the adverse effects of the treated mixture (parent compounds and photoproducts), an in vitro bioassay with D. magna was conducted with the results revealing that photolysis of the target mixture leads to a decrease of the observed toxicity. Finally, in vitro bioassays using different cell lines (chronic lymphocytic leukemia cells and mesenchymal stem cells) were studied for the same photolyzed mixture.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε σε τρεις άξονες που αποτελούν και τους στόχους της. Ο πρώτος στόχος ήταν η ανάπτυξη και επικύρωση μιας πολύ-υπολειμματικής μεθόδου με εκχύλιση στερεάς φάσης ακολουθούμενη από υγρή χρωματογραφία φασματομετρία μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας (UHPLC– Orbitrap HRMS) για την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση 172 ενώσεων στόχων (135 φαρμακευτικές ενώσεις και προϊόντα προσωπικής φροντίδας, 17 εξαρτησιογόνες ουσίες, 11 υπερφθοριωμένες ενώσεις και 9 επιβραδυντές φλόγας) σε νερό βρύσης και επεξεργασμένα και μη επεξεργασμένα λύματα. Λόγω του μεγάλου αριθμού αναλυτών με διαφορετικές φυσικοχημικές ιδιότητες, η διαδικασία της προκατεργασίας των δειγμάτων βελτιστοποιήθηκε με τη βοήθεια της μεθοδολογίας της απόκρισης επιφανειών χρησιμοποιώντας την προσέγγιση κεντρικού σύνθετου σχεδιασμού και της συνάρτησης επιθυμίας. Το pH του δείγματος, η σύνθεση των διαλυτών και ο όγκος του εκλουστικού ήταν οι παράγοντες που περιλαμβάνονται στον πειραματικό σχεδιασμό. Η σάρωση πλήρους φάσματος και η σάρωση εξαρτώμενη από δεδομένα εφαρμόστηκαν ταυτόχρονα για τον ποσοτικό προσδιορισμό των στοχευμένων ουσιών. Η βελτιστοποιημένη μέθοδος επικυρώθηκε ως προς την ακρίβεια, τη γραμμικότητα, τα όρια της μεθόδου, την αναπαραγωγιμότητα και την επίδραση του υποστρώματος. Ο δεύτερος στόχος αφορούσε την εφαρμογή της πολύ-υπολειμματικής μεθόδου σε πραγματικά δείγματα που προέρχονταν από τις δύο Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων στη Θεσσαλονίκη μετά από ετήσια έρευνα (2018-2019). Οι συγκεντρώσεις στα δείγματα εισόδου και στις δύο Ε.Ε.Λ. ήταν σημαντικά υψηλότερες από αυτές των δειγμάτων εξόδου με τα caffeine, acetaminophen, irbesartan και valsartan να έχουν συχνή εμφάνιση σε όλες τις περιόδους δειγματοληψίας και με αυξημένες συγκεντρώσεις. Οι μέσες συγκεντρώσεις στα δείγματα εκροής κυμαίνονταν από <MQL έως μg L−1. Η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης κυμάνθηκε μεταξύ -273% (για το lamotrigine) μέχρι 100%. Ενδιαφέρουσες τάσεις για τις παράνομα διακινούμενες ουσίες αποκαλύφθηκαν μέσω της εκτίμησης του φορτίου μάζας, όπως στην περίπτωση του benzoylecgonine (71.6 mg/day/1000 inhabitants). Η εκτίμηση οικοτοξικολογικού κινδύνου αξιολογήθηκε τόσο για τις μεμονωμένες ουσίες όσο και για τα μίγματα χρησιμοποιώντας τρεις προσεγγίσεις: το πηλίκο κινδύνου, το πηλίκο κινδύνου λαμβάνοντας υπόψη την συχνότητα και τις τοξικές μονάδες. Ο τρίτος στόχος επικεντρώνεται σε μια ολοκληρωμένη διερεύνηση του φωτομετασχηματισμού και της αξιολόγησης της οικοτοξικότητας ενός μίγματος 12 φαρμακευτικών ενώσεων με προσομοιωμένη ηλιακή ακτινοβολία σε υδατικά υποστρώματα (υπερκάθαρο και επιφανειακό νερό). Οι ενώσεις που μελετήθηκαν ανήκουν σε 5 διαφορετικές κατηγορίες (3 αντιβιοτικά - ciprofloxacin, levofloxacin, moxifloxacin), (3 αντικαταθλιπτικά - bupropion, duloxetine, olanzapine), (3 αναλγητικά - diclofenac, ketoprofen, nimesulide), (2 β-αναστολείς - propranolol, timolol) και (1 αντιισταμινικό-ranitidine). Με βάση τα αποτελέσματα, ταυτοποιήθηκαν 166 διαφορετικά προϊόντα μετασχηματισμού. Τα κινητικά προφίλ των κύριων παραπροϊόντων προέρχονται από μια σειρά χημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν την υδροξυλίωση, τη διάσπαση και οξείδωση, την αφαλογόνωση, την αποκαρβοξυλίωση, την απαλκυλίωση και την φωτο-υποκατάσταση. Πραγματοποιήθηκε in vitro βιοδοκιμή του μίγματος με τη D. magna και τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι η φωτόλυση του μίγματος οδηγεί στη μείωση της τοξικότητας. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη της in vitro τοξικότητας του ίδιου φωτολυόμενου μίγματος με κυτταρικές σειρές (κύτταρα χρόνιας λεμφοκυτταρικής λευχαιμίας και μεσεγχυματικά βλαστοκύτταρα).