Development of non-target screening workflows for the identification of biotransformation products of emerging pollutants in wastewater by mass spectrometric techniques

Abstract

The omnipresence of emerging pollutants in several environmental compartments has been highlighted over the last decades due to incomplete removal in wastewater treatment plants (WWTPs). Secondary or biological treatment applied in WWTPs is the main transformation process for the elimination of the organic loading that finally discharged to the aquatic environment through urban sewer systems. The main objectives of this doctoral thesis was the identification of transformation products (TPs) of emerging pollutants by applying suspect and non-target screening strategies based on liquid chromatography quadrupole-time-of-flight mass spectrometry (LC-QTOF-MS).Initially, an introduction is presented on the issue of emerging pollutants and their transformation products produced during secondary sewage treatment. Specific analytical approaches based on high-resolution mass spectrometric analysis, are then presented for the identification of EPs and their TPs.The experimental section consists of three parts: (i) Development of an integrated workflow for the identification of biotransformation products where citalopram was used as a case study (Chapter 3), (ii) Identification of biotransformation products of several emerging pollutants from different chemical classes including pharmaceuticals, new psychotropic drugs and industrial chemicals (Chapter 4) and (iii) Environmental fate of selected pharmaceuticals under nitrifying and denitrifying conditions: comparison of aerobic, anaerobic degradation and formation of biotransformation products (Chapter 5 ).It is our strong belief that these studies will constitute a step forward in environmental analysis by identifying new TPs of emerging pollutants as well as will provide useful data to the WWTPs authorities and policy makers and raise awareness about the future measures that should be adopted in order to minimize release of emerging pollutants and their transformation products, and minimize the environmental risk.

Η απανταχού παρουσία των αναδυόμενων ρύπων σε πολλά περιβαλλοντικά τμήματα έχει επισημανθεί τις τελευταίες δεκαετίες λόγω της ατελούς απομάκρυνσης τους στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων. Η δευτερογενής ή βιολογική επεξεργασία που εφαρμόζεται στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων είναι η κύρια διαδικασία μετασχηματισμού για την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου που τελικά απορρίπτεται στο υδάτινο περιβάλλον μέσω των αστικών αποχετευτικών συστημάτων. Οι κύριοι στόχοι αυτής της εργασίας ήταν η ταυτοποίηση προϊόντων μετασχηματισμού (ΠΜ) αναδυόμενων ρύπων με τη χρήση στρατηγικών ύποπτης και μη-στοχευμένης σάρωσης που βασίζονται στην τεχνική της υγρής χρωματογραφία συζευγμένης με φασματομετρία μάζας τετραπόλου-χρόνου-πτήσης (LC-QTOF-MS).Αρχικά παρουσιάζεται μια εισαγωγή στο ζήτημα των αναδυόμενων ρύπων και των προϊόντων μετασχηματισμού τους που παράγονται κατά τη δευτεροβάθμια επεξεργασία λυμάτων. Στη συνέχεια , παρουσιάζονται ειδικές αναλυτικές προσεγγίσεις με βάση τη χρήση φασματομετρίας μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας για την ταυτοποίηση των αναδυόμενων ρύπων και των προϊόντων μετατροπής τους.Το πειραματικό κομμάτι αποτελείται από τρία μέρη: (i) Ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου διαγράμματος ροής εργασίας για την ταυτοποίηση προϊόντων βιομετατροπής όπου η ένωση σιταλοπράμη χρησιμοποιήθηκε ως περίπτωση εργασίας (Κεφάλαιο 3), (ii) Ανίχνευση προϊόντων βιομετατροπής αρκετών αναδυόμενων από διαφορετικές χημικές τάξεις συμπεριλαμβανομένου των φαρμακευτικών ενώσεων, των νέων ψυχοτρόπων ενώσεων και των βιομηχανικών χημικών (κεφάλαιο 4) και iii) Περιβαλλοντική τύχη επιλεγμένων φαρμάκων υπό συνθήκες νίτρωσης και απονιτροποίησης: σύγκριση αερόβιας, αναερόβιας αποικοδόμησης και σχηματισμού προϊόντων βιομετατροπής (κεφάλαιο 5).Πιστεύουμε ότι αυτές οι μελέτες θα αποτελέσουν ένα βήμα προόδου στην περιβαλλοντική ανάλυση προσδιορίζοντας νέα προϊόντα μετατροπής αναδυόμενων ρύπων καθώς και θα παράσχουν χρήσιμα στοιχεία στις αρχές των κέντρων επεξεργασίας λυμάτων και τους υπεύθυνους για τη χάραξη πολιτικής και θα ευαισθητοποιήσουν σχετικά με μελλοντικά μέτρα που πρέπει να υιοθετηθούν προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η απελευθέρωση αναδυόμενων ρύπων και προϊόντων μετασχηματισμού τους και ο περιβαλλοντικός κίνδυνος.