Καινοτόμες προσεγγίσεις για τη στοχευμένη και μη στοχευμένη ανάλυση των προσφάτως αναγνωρισμένων αναδυόμενων ρύπων σε περιβαλλοντικά και ανθρώπινα δείγματα με φασματομετρία μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας

Abstract

The newly identified emerging contaminants, including PFAS, OPFRs, and pharmaceutical products along with their metabolites and transformation products, have raised significant concern. These compounds enter the environment, affecting matrices such as water, soil, and air, through wastewater discharge, soil runoff, and atmospheric deposition. Once in the environment, they can persist for many years and accumulate, posing risks to ecosystems and human health. Furthermore, they can undergo transformations through biotic and abiotic processes, potentially resulting in transformation products that are often more toxic than the parent compounds. These substances can disrupt ecosystem health and ultimately harm humans, who are exposed to them through various pathways. Although numerous studies conduct monitoring efforts, they often focus on well-studied categories of compounds and specific matrices, leading to fragmented data and a lack of long-term studies. Therefore, long-term monitoring of a broad range of compounds across as many substrates as possible is necessary to "map" the human exposure environment and predict potential health impacts. Accurate and reliable analysis of small concentrations of pollutants requires sensitive analytical techniques capable of simultaneously analyzing a vast number of compounds. However, the diversity of potential pollutant categories, their different physicochemical properties, and the complexity of certain substrates make multi-residue analysis a challenging and demanding process in analytical chemistry. In this dissertation, the following groups were selected for study: (a) antibiotics, (b) psychoactive compounds with their metabolites and transformation products, (c) organophosphate esters, (d) per- and polyfluorinated compounds and (e) phthalate and non-phthalate esters. These compounds were studied in specific matrices based on the likelihood of their presence in them. In addition to these primary categories of micropollutants, the dissertation also examines other compounds that fall into different categories and were identified through analytical approaches beyond conventional "target" analysis. Suspect screening and non-target analysis workflows were developed and optimized in order to acquire the maximum feasible number of other contaminants not encompassing in the previous mentioned groups. The matrices selected for the monitoring of the emerging contaminants were wastewater influents and effluents from two WWTPs, dust samples from vehicles’ interiors, air samples and surface water samples (i.e. sea water, river water, surface runoff) and biological urine samples. For the analysis of the compounds, a liquid chromatography system combined with high-resolution mass spectrometry (specifically the QExactive Focus Orbitrap mass analyzer) was employed. Ionization was performed via an electrospray ionization source, in both positive and negative ionization modes (depending on the requirements of the studied compounds), with a total analysis time not exceeding fifteen minutes. Matrix-matched curves were used for quantification and correction of matrix effects. In addition to the excellent mass accuracy (less than 5 ppm) offered by Orbitrap MS technology, positive detections were further confirmed by MS/MS fragmentation. Sample pretreatment varied depending on the nature of the matrix that was studied each time. For wastewater samples, a fully validated solid-phase extraction (SPE) method was used, while new pretreatment methods were developed and validated for the other matrices. Specifically, for dust samples, an ultrasonic-assisted extraction method was developed, followed by a clean-up step using commercially available cartridges. The method was fully validated for OPFRs and PFAS, showing satisfactory recoveries (45-120% and 52-115%, respectively). For nanoparticles collected after air sampling, a sonication-based extraction method was also developed and validated for OPFRs, demonstrating recoveries in the range of 75-128%. In the case of surface waters (runoff, sea, and river water), one microextraction method (specifically dispersive solid-phase extraction -dSPE) was developed and validated following the principles of Green Analytical Chemistry. The method employed an innovatively modified MOF . Specifically, the method was based on the use of a novel copolymer (MOF/P(AA-VI)), showing recoveries >70%. Finally, a widely used method was validated for urine samples and applied for the needs of this dissertation. Also, MOF-based dSPE was also applied, showing recoveries 10-%.The developed and validated methods demonstrated the presence of pollutants in all matrices. PFAS were mostly found below the limit of detection and, in rare cases, below the limit of quantification. In wastewater samples, high concentrations of carbamazepine (243 ng/L), ciprofloxacin (768 ng/L) and TCCP (405 ng/L) were found, while among the compounds identified using "suspect" screening and non-target analysis approaches, the highest detection frequency was calculated for norephendrine (100%). In atmospheric air samples, the highest concentration was calculated for TEP (1.2 ng/m3). Finally, in dust samples, the highest concentration of TDCP was equal to 3,409 ng/g and the industrial chemical suberic acid was detected in 86% of the samples. Finally, for the contaminants in each matrix, a toxicity assessment was performed using in silico tools and mathematical models for both humans and aquatic organisms, depending on which organism was at more immediate risk of exposure. Specifically, the methods used included risk quotient (RQ), hazard quotient (HQ), and toxic units (TU). The software used was ECOSAR and VEGA. Although the values did not indicate any acute risk, some compounds exhibited moderate or high chronic toxicity risk. Additionally, due to the classification of certain OPFRs as mutagenic or carcinogenic, there is a need for further investigation of organisms' exposure to residues of these pollutants to achieve a holistic assessment of ecosystem degradation.

Οι προσφάτως αναδυόμενοι ρύποι, συμπεριλαμβανομένων των PFAS, των OPFRs και των φαρμακευτικών προϊόντων με τους μεταβολίτες και τα προϊόντα μετασχηματισμού τους έχουν εγείρει μεγάλη ανησυχία. Οι ενώσεις αυτές εισέρχονται στο περιβάλλον, σε υποστρώματα όπως τα νερά, το έδαφος και ο αέρας, μέσω της απόρριψης λυμάτων, της εδαφικής απορροής και της ατμοσφαιρικής εναπόθεσης. Μόλις βρεθούν στο περιβάλλον, μπορούν να παραμείνουν αυτούσιοι για πολλά χρόνια και να συσσωρευτούν, θέτοντας κινδύνους για τα οικοσυστήματα και την ανθρώπινη υγεία. Επιπλέον, μπορούν να μετασχηματιστούν μέσω βιοτικών και αβιοτικών διεργασιών και να προκύψουν παράγωγα πολλές φορές τοξικότερα των μητρικών ενώσεων. Οι ενώσεις αυτές μπορούν να διαταράξουν την υγεία του οικοσυστήματος και να βλάψουν τελικά τον άνθρωπο ο οποίος εκτίθεται σε αυτές μέσω διαφόρων οδών. Υπάρχουν πολλές εργασίες οι οποίες διεξάγουν μελέτες παρακολούθησης ωστόσο τις περισσότερες φορές εστιάζουν σε πολυμελετημένες κατηγορίες ενώσεων και σε συγκεκριμένα υποστρώματα ενώ ταυτόχρονα είναι αποσπασματικές και υπάρχει έλλειψη δεδομένων από μακροχρόνιες μελέτες. Ως εκ τούτου, είναι αναγκαία η μεγάλης διάρκειας παρακολούθηση ενός ευρέος φάσματος ενώσεων σε όσο το δυνατόν περισσότερα υποστρώματα ώστε να «χαρτογραφηθεί» το περιβάλλον έκθεσης του ανθρώπου και να προβλεφθούν οι πιθανές επιπτώσεις στην υγεία του. Η ακριβής και αξιόπιστη ανάλυση μικρών συγκεντρώσεων ρύπων απαιτεί ευαίσθητες αναλυτικές τεχνικές, ικανές να αναλύουν ταυτόχρονα πολλές ενώσεις. Παρ' όλα αυτά, η ποικιλία των πιθανών ρύπων, οι διαφορετικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες, καθώς και η πολυπλοκότητα ορισμένων υποστρωμάτων, καθιστούν την πολύ-υπολειμματική ανάλυση μια απαιτητική και δύσκολη διαδικασία για την αναλυτική χημεία .Στην παρούσα διατριβή επιλέχθηκαν να μελετηθούν οι ομάδες (α) των αντιβιοτικών, (β) ψυχοδραστικών ενώσεων με τους μεταβολίτες και τα προϊόντα μετασχηματισμού τους, (γ) οι οργανοφωσφορικοί εστέρες (δ) οι υπερ- και πολυφθοριωμένες ενώσεις και (ε) οι φθαλικοί και μη φθαλικοί εστέρες. Οι ενώσεις αυτές μελετήθηκαν σε συγκεκριμένα υποστρώματα με βάση την πιθανότητα εύρεσής τους σε αυτά. Εκτός όμως από αυτές τις βασικές κατηγορίες μικρορύπων, στην παρούσα εργασία αναφέρονται και άλλες ενώσεις που εμπίπτουν σε διαφορετικές κατηγορίες και οι οποίες προέκυψαν έπειτα από την εφαρμογή αναλυτικών προσεγγίσεων πέραν της συμβατικής «στοχευμένης» ανάλυσης. Αναπτύχθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν μέθοδοι «ύποπτης» σάρωσης και μη στοχευμένης ανάλυσης οι οποίες οδήγησαν στην ταυτοποίηση του μέγιστου δυνατού αριθμού επιπλέον ενώσεων. Οι ενώσεις αυτές μελετήθηκαν σε δείγματα λυμάτων από ΕΕΛ, σε δείγματα σκόνης από το εσωτερικό οχημάτων, σε δείγματα αέρα, σε επιφανειακά νερά (θαλασσινό νερό, νερό ποταμού, νερό επιφανειακής απορροής) και σε βιολογικά δείγματα ούρων. Για την ανάλυση των ενώσεων εφαρμόστηκε σύστημα υγρής χρωματογραφίας συνδυασμένο με φασματομετρία μάζας υψηλής ανάλυσης (συγκεκριμένα ο περιστρεφόμενος αναλυτής μάζας QExactive Focus Orbitrap). Ο ιοντισμός πραγματοποιήθηκε μέσω πηγής ηλεκτροψεκασμού, στη λειτουργία θετικού και αρνητικού ιοντισμού (αναλόγως τις ανάγκες των μελετώμενων ενώσεων), με συνολικό χρόνο ανάλυσης που δεν ξεπερνούσε τα δεκαπέντε λεπτά. Για την ποσοτικοποίηση και τη διόρθωση της επίδρασης του υποστρώματος χρησιμοποιήθηκαν καμπύλες υποστρώματος. Εκτός από την εξαιρετική ακρίβεια μάζας (λιγότερο από 5 ppm) που προσφέρει η τεχνολογία Orbitrap MS, η επιβεβαίωση των θετικών ανιχνεύσεων υποστηρίχθηκε επίσης από θραυσματοποίηση MS/MS. Η προκατεργασία των δειγμάτων διαφοροποιήθηκε αναλόγως τη φύση του εξεταζόμενου υποστρώματος. Για τα δείγματα λυμάτων χρησιμοποιήθηκε μια πλήρως επικυρωμένη μέθοδος εκχύλισης στερεάς φάσης (SPE), ενώ για όλα τα υπόλοιπα υποστρώματα αναπτύχθηκαν νέες μέθοδοι προκατεργασίας οι οποίες και επικυρώθηκαν για τις αντίστοιχες ενώσεις-στόχους. Στην περίπτωση της σκόνης λοιπόν αναπτύχθηκε μία μέθοδος εκχύλισης με τη βοήθεια του λουτρού υπερήχων η οποία ακολουθήθηκε από το βήμα του καθαρισμού (clean-up step) στο οποίοχρησιμοποιήθηκαν εμπορικά διαθέσιμες μικροστήλες εκχύλισης. Η μέθοδος επικυρώθηκε πλήρως για τα OPFRs και τα PFAS και παρουσίασε ικανοποιητικές ανακτήσεις (45-120% και 52-115% αντίστοιχα). Για τα νανοσωματίδια που συλλέχθηκαν μετά από τη δειγματοληψία αέρα, αναπτύχθηκε επίσης μία μέθοδος εκχύλισης βασισμένη στο λουτρό υπερήχων η οποία και επικυρώθηκε για τα OPFRs, παρουσιάζοντας ανακτήσεις 75-128%. Τέλος στην περίπτωση των επιφανειακών υδάτων (νερό απορροής, θάλασσας και ποταμού), ακολουθώντας τις αρχές που υπαγορεύει η Πράσινη Αναλυτική Χημεία αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε μία μέθοδος μικροεκχύλισης (και συγκεκριμένα εκχύλισης στερεάς φάσης σε διασπορά-dSPE) με τη χρήση ενός καινοτόμο τροποποιημένου MOF. Ειδικότερα, βασίστηκε στη χρήση ενός καινοτόμου συμπολυμερούς (MOF/P(AA-VI)) και παρουσίασε ανακτήσεις >70%. Τέλος, στα ούρα επικυρώθηκαν δύο μέθοδοι ευρέως χρησιμοποιούμενες για τις ανάγκες της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Παράλληλα εφαρμόστηκαν και η μέθοδος με το υλικό MOF/P(AA-VI) η οποία παρουσίασε ανακτήσεις 10-92%. Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν και επικυρώθηκαν κατέδειξαν την παρουσία των ρύπων σε όλα τα υποστρώματα. Τα PFAS ως επί το πλείστον βρέθηκαν κάτω από το όριο ανίχνευσης και σε σπάνιες περιπτώσεις κάτω από το όριο ποσοτικοποίησης. Στα λύματα σε μεγάλες συγκεντρώσεις βρέθηκαν η καρβαμαζεπίνη (243 ng/L), η σιπροφλοξασίνη (768 ng/L) και το TCPP (405 ng/L) ενώ από τις ενώσεις που προσδιορίστηκαν με τις προσεγγίσεις της «ύποπτης» σάρωσης και της μη στοχευμένης ανάλυσης μεγαλύτερη συχνότητα ανίχνευσης παρουσίασε η νορεφενδρίνη με συχνότητα ανίχνευσης ίση με 100%. Στα δείγματα του ατμοσφαιρικού αέρα μεγαλύτερη μέση συγκεντρώση υπολογίστηκε για το TEP (1,2 ng/m3). Τέλος στα δείγματα της σκόνης το TDCP παρουσίασε μέγιστη συγκέντρωση ίση με 3.409 ng/g και το βιομηχανικό χημικό σουβερικό οξύ που προσδιορίστηκε μέσω της μη στοχευμένης ανάλυσης στο 86% των δειγμάτων. Τέλος, για τους ρύπους κάθε υποστρώματος έγινε αντίστοιχη εκτίμηση τοξικότητας και καρκινογένεσης με in silico εργαλεία και μαθηματικά μοντέλα τόσο για τον άνθρωπο όσο και για τους υδρόβιους οργανισμούς αναλόγως ποιος οργανισμός βρισκόταν σε αμεσότερη έκθεση. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι risk quotient-RQ, hazard quotient-HQ και toxic units-TU. Τα λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το ECOSAR και το VEGA. Αν και οι τιμές δεν ανέδειξαν κάποιο άμεσο κίνδυνο (acute risk), κάποιες ενώσεις παρουσίασαν μέτριο ή υψηλό κίνδυνο χρόνιας τοξικότητας (chronic risk). Ακόμη, λόγω της κατηγοριοποίησης ορισμένων OPFRs ως μεταλλαξιογόνα ή καρκινογόνα προκύπτει η ανάγκη περαιτέρω διερεύνησης της έκθεσης των οργανισμών σε υπολείμματα αυτών των ρύπων ώστε να υπάρχει μια ολιστική αποτίμηση της υποβάθμισης των οικοσυστημάτων.