Analytical strategies for the screening of microcontaminants and transformation products in aquatic environment

Abstract

The characterization of anthropogenic contamination and understanding of the associated risks for humans and the environment is a challenge, since tens of thousands of compounds are constantly discharged into different environmental compartments. The hydrosphere has a very powerful potential to disseminate contaminants of emerging concern (CECs), which can then reach other compartments such as soil, plants, and sediments, so evaluation of its contamination is essential. The identification of CECs in aquatic systems is analytically difficult, since there is a need to achieve increasingly low detection limits (µg L-1 and ng L-1) and cover the widest possible range of compounds. Expanding knowledge about aquatic contamination requires the use of sensitive methods that allow unequivocal identification of CECs, which may be achieved by methods using liquid or gas chromatography coupled with high resolution mass spectrometry. In addition, sensitive analytical methods should be associated with in silico prediction by (quantitative) structure-activity relationship ((Q)SAR) tools and multi-criteria decision analysis ranking methods, in order to not only obtain conclusions about contaminants present in the environment, but also to identify those of most concern. Considering these issues, the present thesis is divided into three chapters. Chapter 1 describes an adapted analytical method for the identification of pharmaceuticals and metabolites in raw hospital wastewater, using three different identification strategies: i) for confirmed compounds (when analytical standards are available); ii) for suspect compounds (when analytical standards are not available); and iii) for metabolites by common fragmentation profile. The method employed a custom database containing up to 1380 compounds. Six samples collected monthly were analyzed by liquid chromatography coupled to quadrupole time-of-flight mass spectrometry (LC- QTOF MS). A total of 35 metabolites and 43 pharmaceuticals were identified. Risk assessment of the identified compounds was performed using in silico (Q)SAR prediction methods. Chapter 2 presents a study of the degradation of diazepam (DZP), a pharmaceutical identified in all the samples analyzed, as described in Chapter 1, by solar photo-Fenton treatment, which is an advanced oxidation process (AOP). The identification of previously reported and new transformation products (TPs) formed during DZP degradation was performed by LC-QTOF MS analysis. In addition, a methodfor the preconcentration of DZP and its TPs was developed, based on dispersive liquid- liquid microextraction (DLLME). The extraction method was fast, cheap, easy, and efficient. In the absence of this preconcentration step, it was not possible to identify one of the TPs formed during the solar photo-Fenton process. In this study, (Q)SAR tools were also used to predict some of the toxicological parameters of DZP and its TPs. These predictions showed mutagenicity alerts for two TPs, reflecting their higher toxicity, compared to DZP itself. Chapter 3 describes a more embracing approach. Surface water analysis was carried out by LC-QTOF MS, with application of a screening methodology using a database containing information about 3250 compounds belonging to different CEC classes. After LC-QTOF MS screening analyses of 27 river samples, it was possible to identify 150 compounds (133 compounds as suspects, and 17 compounds as confirmed). In silico predictions for the identified compounds were performed using (Q)SAR tools, providing information about eight different selected endpoints. The great number of compounds and predicted endpoints hindered the general evaluation of toxicity. Therefore, in order to obtain a better understanding of the risk of each identified compound, two different multi-criteria decision analysis ranking methods (toxicological priority index (ToxPi) and technique for order of preference by similarity to ideal solution (TOPSIS)) were used, considering a different weight for each endpoint. After ranking, the ToxPi and TOPSIS results were evaluated and showed similarity for the first 20 priority compounds. TOPSIS showed high robustness in sensitivity tests, indicating its suitability as an appropriate tool for use in association with screening results, which could support quantitative analytical methods performed subsequently. Throughout the different studies, it was possible to propose strategies for identification, degradation, extraction, toxicity evaluation, and ranking of microcontaminants present in aquatic environments. It was possible to obtain new results never previously reported, highlighting the contribution and importance of the study for research concerning contamination of the aquatic environment and possible treatment methods.

A caracterização e compreensão da contaminação antropogênica e dos seus riscos para o homem e o meio ambiente é um desafio, uma vez que dezenas de milhares de compostos são constantemente despejados em diferentes compartimentos ambientais. A hidrosfera tem potencial muito poderoso para disseminar contaminantes de preocupação emergente (CECs), os quais podem atingir outros compartimentos como solo, plantas e sedimentos. Portanto, a avaliação de sua contaminação é essencial. A identificação de CECs em sistemas aquáticos é analiticamente complexa, sendo necessário atingir limites de detecção cada vez mais baixos (μg L-1 e ng L-1) e abranger a maior gama possível de compostos. Tal necessidade requer o uso de métodos sensíveis que permitem a identificação inequívoca de CECs e, para isso, uma possibilidade é o uso da cromatografia líquida ou a gás associada a espectrometria de massa de alta resolução. Além disso, os métodos analíticos podem ser associados a predições in silico por métodos de relações quantitativas entre a estrutura e atividade ((Q)SAR) e métodos de tomada de decisão multicritério, a fim de não apenas obter conclusões sobre os contaminantes presentes no ambiente, mas também para identificar aqueles que merecem maior atenção. Considerando essas questões, a presente tese está dividida em três capítulos. O Capítulo 1 descreve um método analítico para a identificação de fármacos e metabólitos em efluente hospitalar bruto, usando três estratégias de identificação: i) compostos confirmados (quando padrões analíticos estão disponíveis); ii) para compostos suspeitos (quando padrões analíticos não estão disponíveis); e iii) para metabólitos com perfil de fragmentação comum. O método empregou uma base de dados personalizada contendo 1380 compostos. Seis amostras coletadas mensalmente foram analisadas por cromatografia líquida acoplada à espectrometria de massa por tempo de vôo (LC-QTOF MS). Um total de 35 metabólitos e 43 fármacos foram identificados. A avaliação de risco dos compostos identificados foi realizada usando métodos de predição in silico (Q)SAR. O Capítulo 2 apresenta um estudo da degradação do diazepam (DZP), fármaco identificado em todas as amostras analisadas no Capítulo 1, através do processo de foto- Fenton solar, que é um processo avançado de oxidação (AOP). A identificação de produtos de transformação (TPs) formados durante a degradação do DZP foi realizada pela análise em um sistema LC-QTOF MS. Além disso, um método para a pré-concentração de DZP e seus TPs foi desenvolvido, baseado em microextração líquido- líquido dispersiva (DLLME). O método de extração proposto é rápido, barato, fácil e eficiente. Na ausência desta etapa de pré-concentração, não foi possível identificar um dos TPs formados durante o processo de foto-Fenton solar. Neste estudo, métodos (Q)SAR também foram usados para predizer alguns dos parâmetros toxicológicos do DZP e seus TPs. Essas predições mostraram alertas de mutagenicidade para dois TPs, refletindo sua maior toxicidade, em comparação com o próprio DZP. O Capítulo 3 descreve uma abordagem mais abrangente. Análise de águas superficiais, realizada por LC-QTOF MS, com aplicação de uma metodologia de screening utilizando bases de dados contendo informações sobre 3250 compostos pertencentes a diferentes classes de CEC. Após análise screening de 27 amostras de rios, foi possível identificar 150 compostos (133 compostos suspeitos e 17 compostos confirmados). As predições in silico dos compostos identificados foram realizadas usando métodos (Q)SAR, para oito variáveis selecionadas. O grande número de compostos e as diferentes variáreis preditas dificultaram a avaliação geral da toxicidade. Portanto, a fim de obter uma melhor compreensão do risco de cada composto identificado, foram utilizados dois métodos de tomada de decisão multicritério (toxicological priority index (ToxPi) e technique for order of preference by similarity to ideal solution (TOPSIS)), considerando diferentes pesos para cada uma das variáveis. Após a classificação, os resultados de ToxPi e TOPSIS foram avaliados e mostraram similaridade para os 20 compostos mais preocupantes. O TOPSIS mostrou alta robustez em testes de sensibilidade, indicando ser uma ferramenta apropriada para uso em associação com resultados de análise screening, o que pode apoiar e direcionar o desenvolvimento de métodos analíticos quantitativos como segunda etapa. Ao longo dos diferentes estudos, foi possível propor estratégias de identificação, degradação, extração, avaliação de toxicidade e classificação de microcontaminantes presentes em ambientes aquáticos. Foi possível obter novos resultados nunca antes reportados, evidenciando a contribuição e importância do estudo para a pesquisa sobre contaminação do meio aquático e possíveis métodos de tratamento.