Detection and identification of emerging contaminants and their metabolites in wastewater and sewage sludge by mass spectrometric techniques

Abstract

Emerging pollutants are used in large quantities in our daily life. They enter in the environment from various sources, from production through use and they are distributed throughout the environmental compartments. From all these substances, human and veterinary pharmaceutical products, due to their wide use, and illicit drugs of abuse, including also the new designer ones, due to their consumption, dangerousness and illegality, have become the most relevant groups of compounds. For most of these compounds released in the environment, the information about their possible presence and effects in our ecosystem is almost missing and there is a lack of suitable analytical methods for their determination because either they are completely new or they are generated transformation products (TPs) of the already known compounds.The main objective of this thesis was the development of sensitive, selective, robust and effective analytical methods for the determination of multi-class emerging pollutants, using liquid chromatography hyphenated with different mass spectrometric techniques. The present doctoral thesis was firstly focused on the quantitative determination of 10 new psychoactive substances in wastewater, combining solid phase extraction (SPE) with liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Then, a method for the simultaneous determination of 148 pharmaceuticals and illicit drugs in sewage sludge, was developed, using this time ultrasound-assisted extraction (USE) with LC-MS/MS. Then the analytical capabilities and applications of Ultra-High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) coupled to Quadrupole-Time-Of-Flight Mass Spectrometry, have been utilized (a) by screening of pharmaceuticals and their metabolites in treated wastewater and (b) by screening for emerging contaminants and their metabolites/transformation products in sewage sludge of Athens. These studies will definitely constitute a step forward in environmental analysis of emerging pollutants.

Οι αναδυόμενοι ρύποι χρησιμοποιούνται σε μεγάλες ποσότητες στην καθημερινότητά μας και εισέρχονται στο περιβάλλον από διάφορες πηγές, από την παραγωγή μέχρι τη χρήση τους και διανέμονται σε όλα τα περιβαλλοντικά διαμερίσματα. Από όλες αυτές τις ενώσεις, τα φαρμακευτικά προϊόντα, λόγω της ευρείας χρήσης τους και οι παρανόμως διακινούμενες εξαρτησιογόνες ουσίες, συμπεριλαμβανομένου και των νέων συνθετικών ναρκωτικών, λόγω της κατανάλωσης, της επικινδυνότητας και της παράνομης χρήσης τους, αποτελούν τις πιο σημαντικές ομάδες. Για τις περισσότερες από αυτές τις ενώσεις που απελευθερώνονται στο περιβάλλον, οι πληροφορίες σχετικά με την πιθανή παρουσία τους και τις επιδράσεις τους στο οικοσύστημα είναι σχεδόν μηδαμινές και υπάρχει έλλειψη κατάλληλων αναλυτικών μεθόδων για τον προσδιορισμό τους, είτε επειδή είναι εντελώς νέες είτε επειδή αποτελούν παραγόμενα προϊόντα μετασχηματισμού (TPs) από τις ήδη γνωστές ενώσεις.Ο κύριος στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη ευαίσθητων, εκλεκτικών, ανθεκτικών και αποτελεσματικών αναλυτικών μεθόδων για τον προσδιορισμό διαφόρων αναδυόμενων ρύπων με τη χρήση υγροχρωματογραφίας συζευγμένης με τεχνικές φασματομετρίας μάζας. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αρχικά επικεντρώθηκε στον ποσοτικό προσδιορισμό 10 νέων συνθετικών ψυχοτρόπων ουσιών στα λύματα, συνδυάζοντας την τεχνική εκχύλισης στερεάς φάσης με LC-MS/MS. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε μια μέθοδος για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό 148 φαρμάκων και παρανόμων διακινούμενων εξαρτησιογόνων ουσιών στη λυματολάσπη, χρησιμοποιώντας την υποβοηθούμενη από υπερήχους τεχνική εκχύλισης, με LC-MS/MS. Στη συνέχεια, οι αναλυτικές δυνατότητες και οι εφαρμογές του UHPLC σε σύζευξη με φασματομετρία μάζας τεχνολογίας τετραπόλου-αναλυτή χρόνου πτήσης, αξιοποιήθηκαν (α) με την ανάλυση φαρμακευτικών ουσιών και των μεταβολιτών τους σε επεξεργασμένα λύματα και (β) με την ανάλυση διαφόρων αναδυόμενων ρύπων και των μεταβολιτών τους / προϊόντων μετασχηματισμού τους στη λυματολάσπη της Αθήνας. Οι μελέτες αυτές θα αποτελέσουν σίγουρα ένα σημαντικό βήμα στην ανάλυση περιβαλλοντικών αναδυόμενων ρύπων.