Development of novel methodologies for the identification of unknown compounds in the environment employing non-target screening and high-resolution mass spectrometry

Abstract

Wastewater treatment plants (WWTPs) are unable to remove many contaminants of emerging concern (CECs) efficiently, and therefore introduce them into the aquatic environment, where they form complex chemical mixtures containing typically thousands of individual substances. When analysed by liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS), these complex mixtures produce a high number of signals. To successfully translate these complex data into information required by environmental monitoring programmes, implementation of wide-scope target, suspect and non-target screening using powerful computational tools and related databases is required. The objective of the thesis was to develop novel workflows employing state-of-the-art target, suspect and non-target screening tools and apply them on samples obtained from important European ecosystems such as the Danube River Basin (DRB) and the Black Sea (BS). In this context, an introduction on CECs, workflows and techniques for their identification is presented in Chapter 1, which is followed by the scope of the thesis in Chapter 2. Chapter 3 describes a non-target screening (NTS) workflow capable to prioritise compounds that exhibit large variation in their signal intensity over time (trend-analysis), which was used to detect events of direct disposal or sudden changes in the use of substances in WWTP of Athens. Chapter 4 describes the establishment of a decentralised global emerging contaminant early-warning network to assess the spatial and temporal distribution using suspect screening. A platform to archive LC-HRMS data and apply wide-scope suspect screening of thousands of CECs, that incorporates all recent development in HRMS screening methods, is presented in Chapter 5. The platform was used to screen antibiotics and REACH chemicals in samples from BS (biota, sediment, seawater), various classes of CECs in wastewater from DRB (Chapter 6) and surfactants in wastewater samples collected within the national monitoring campaign in Germany (Chapter 7). Novel biomonitoring tools such as in vitro bioassays and analysis of antibiotic resistant genes (ARGs) supplemented NTS analyses of wastewater samples.

Τα κέντρα επεξεργασίας λυμάτων (ΚΕΛ) δεν απομακρύνουν αποτελεσματικά τους αναδυόμενους ρύπους. Έτσι, οι αναδυόμενοι ρύποι εισάγονται στο υδατικό περιβάλλον και σχηματίζουν πολύπλοκα μίγματα, τα οποία περιέχουν δεκάδες χιλιάδες χημικές ουσίες. Η ανάλυση αυτών των πολύπλοκων δειγμάτων με τεχνικές υψηλής απόδοσης, όπως υγρoχρωματογραφία συζευγμένη με φασματομετρία μαζών υψηλής διακριτικής ικανότητας, παράγουν ένα μεγάλο αριθμό σημάτων. Για την επιτυχή μετάφραση των πολύπλοκων αυτών δεδομένων αλλά και για να επιτευχθεί ένα ολιστικό πρόγραμμα παρακολούθησης του περιβάλλοντος, απαιτείται ολόπλευρη χημική ανάλυση με εφαρμογή στοχευμένης σάρωσης, σάρωσης ύποπτων ενώσεων και μη στοχευμένης σάρωσης.Ο σκοπός της Διατριβής είναι η ανάπτυξη εργαλείων ολόπλευρης χημικής ανάλυσης και η εφαρμογή τους σε σημαντικά Ευρωπαΐκά οικοσυστήματα όπως η λεκάνη απορροής του Δούναβη και η Μάυρη Θάλασσα.Στα πλαίσια του σκοπού αυτού, στο Κεφάλαιο 1 εισάγονται οι αναδυόμενοι ρύποι προτεραιότητας και οι τεχνικές ταυτοποίησης τους, ακολουθούμενοι από λεπτoμερή περιγραφή των στόχων της Διατριβής στο Κεφάλαιο 2. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται μια πορεία μη στοχευμένης σάρωσης για την προτεραιοποίηση ουσιών που παρουσιάζουν απότομη μεταβολή στην συγκέντρωση ως προς το χρόνο. Η πορεία αυτή χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση φαινομένων απευθείας ρίψης ουσιών στο δίκτυο του ΚΕΛ της Αθήνας. Το Κεφάλαιο 4 περιγράφει την ίδρυση ενός παγκόσμιου δικτύου έγκαιρης προειδοποίησης για την αξιολόγηση της χωρικής και χρονικής κατανομής νέων αναδυόμενων ρύπων. Εξέλιξη αυτού του δικτύου είναι ένα λογισμικό αποθήκευσης δεδομένων LC-HRMS με δυνατότητα εφαρμογής ευρείας αυτόματης σάρωσης ύποπτων ενώσεων, που ενσωματώνει όλα τα έργαλεία που χρησιμοποιούνται στις HRMS μεθόδους (Κεφάλαιο 5). Το λογισμικό χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση αναδυόμενων ρύπων και χημικών ουσιών της βάσης REACH (i) σε δείγματα από τη Μαύρη θάλασσα (ζωντανοί όργανισμοί, ιζήματα και θαλάσσιο νερό), (ii) σε εξερχόμενα λύματα από τη λεκάνη απορροής του Δούναβη (Κεφάλαιο 6) και (iii) σε εξερχόμενα λύματα που συλλέχθηκαν από τη Γερμανία (Κεφάλαιο 7). Καινοτόμα εργαλεία βιοπαρακολούθησης όπως βιοδοκιμασίες και ανάλυση γονιδίων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά συμπλήρωνουν τα αποτελέσματα της ανάλυσης αναδυόμενων ρύπων.