Aplikace pokročilých přístrojových technik pro analýzu polutantů životního prostředí

MSc. Olga KOBA

Disertační práce

Applications of advanced instrumentation for analysis of environmental pollutants

Abstract:

Increasing of human life comfort and safety requires development and application of new chemical substances, which, unfortunately, cannot be completely removed by WWTPs. Thus, these compounds, their metabolites and TPs formed during human/animals/bacteria metabolism, wastewater treatment and natural environmental processes are tend to contaminate all the environmental compartments. Appearance of advanced analytical instrumentation and techniques enable to perform research on emerging environment contaminants fate. This thesis was focused on application of high resolution mass spectrometer and new generation of triple quadrupole for analysis of the environmental pollutants. All studies were mainly devoted to such a group of contaminants as pharmaceuticals because of their high consumption, frequent occurrence in all environmental matrices and potential to cause adverse effects for non-targeted organism due to their biological activity. The first part of the thesis is related to method development for identification and quantification of metabolites in the different tissues of rainbow trout exposed to diltiazem. As a result, 17 diltiazem metabolites were tentatively identified by HRMS and spectral interpretation software. The complex metabolic pathway in metabolic phase I for diltiazem and tissue specific bioconcentration in fish were proposed in the study. The second part of the work is mainly focused on investigation of pharmaceuticals fate in the soil environment. The transformation of several pharmaceuticals, such as atenolol, metoprolol, carbamazepine, sulfamethoxazole, trimethoprim, and clindamycin in 13 different soils was studied under laboratory conditions. The parent compounds were analyzed in all studied soils and dissipation curves were plotted. Finally, 15 known and new metabolites were detected and identified. Moreover, identity of 6 of them was confirmed by available analytical standards. It was shown that almost the same metabolites profile was observed in all soils, but formed amount and degradation rate of all detected metabolites were soil type dependent. Several parent compounds and metabolites were shown to be persistent in the soils. Consequently, pharmaceuticals can be transported via ground water to plant. Further fate of pharmaceuticals must be studied as it can have adverse effect on crop consumers. The third part of the dissertation dealt with an important issue of pharmaceuticals transport between different aquatic environmental compartments. Water, sediments and fish from a pond affected with TWW from a local WWTP were analyzed within this project. 18 pharmaceuticals and 7 their metabolites were found in all studied matrices. Solid water distribution coefficients for sediments and bioaccumulation factors for fish liver were obtained in this study under real conditions. Seasonal variations in all studied parameters were investigated for one year period. This study help to extend a limited available information on fate of wide range of compound, especially metabolites in the aquatic environment affected by treated wastewater.

Abstract:

Zvyšování kvality a bezpečnosti života široké populace vyžaduje vývoj a použití nových chemických látek, které, bohužel, nemohou být úplně odstraněny v čistírnách odpadních vod. Tyto sloučeniny, včetně jejich metabolitů a transformačních produktů, které vznikají v průběhu odbourávání farmak v lidech, zvířatech, bakteriích či během čistících nebo přírodních (fotolýza) procesů, posléze kontaminují životní prostředí. Komerční dostupnost pokročilé analytické techniky umožnila studium osudu nových typů znečišťujících látek v prostředí. Tato doktorská práce je zaměřena na aplikaci vysokorozlišující hmotností spektrometrie (HRMS) a nové generace trojitých kvadrupólů na analýzu těchto nových skupin polutantů. Všechny prezentované práce jsou věnovány farmakům díky vysoké spotřebě ve společnosti, časté přítomnosti ve všech složkách prostředí a potenciálu negativně působit na necílové organismy díky vysokému biologickému účinku. První část práce popisuje vývoj metody pro identifikaci a posléze i kvantifikaci metabolitů v orgánech pstruhů duhových exponovaných diltiazemu. Ve výsledku bylo použitím HRMS, ve spojení s interpretačním programem, předběžně identifikováno 17 metabolitů. Byla navržena komplexní metabolická dráha pro fázi I metabolismu a také byla vyhodnocena biokoncentrace v různých rybích orgánech. Druhá část práce se zabývá výzkumem osudu farmak v půdním prostředí. Studovali jsme transformaci šesti léčiv atenololu, metoprololu, karbamazepinu, sulfamethoxazolu, trimethoprimu, a clindamycinu v laboratorních podmínkách. Z analýz mateřských sloučenin jsme získali rychlosti odstranění těchto látek z půdy. Detekovali jsme a poté identifikovali jsme 15 známých i nových metabolitů. Identita šesti z nich byla potvrzena srovnáním s dostupnými analytickými standardy. Ukázali jsme, že profil metabolitů byl téměř stejný ve všech půdách, jiné a na daném půdním typu závislé, bylo ale jejich vzniklé množství a také rychlost transformace. Několik studovaných léčiv, ale i jejich metabolitů se ukázalo být perzistentní v půdě, což umožňuje jejich následný transport do podzemní vody a plodin, které se na dané půdě pěstují. Z důvodů možných nežádoucích efektů na konzumenty takových plodin je nutné sledovat další osud jak farmak, tak i jejich transformačních produktů. Třetí část disertační práce se zabývá důležitou oblastí transportu farmak a jejich metabolitů mezi složkami vodního prostředí. V rámci tohoto projektu byly analyzovány voda, sedimenty a ryby z rybníka napájeného pouze vyčištěnou odpadní vodou. Ve studovaných matricích jsme nalezli 18 léčiv a 7 jejich transformačních produktů. Z těchto dat jsme vypočítali distribuční konstanty v reálných podmínkách - distribuční koeficienty pro vodu a sediment a bioakumulační faktory pro rybí játra. Sledovali jsme sezónní změny v průběhu jednoho roku. Tato studie pomohla zvýšit množství informací, zatím pouze omezené, o osudu širokého rozsahu farmak a zejména pak jejich metabolitů v reálném systému ovlivněném odpadní vodou.

Keywords

látky znečišťující životní prostředí, voda, půda, metabolity, osud, identifikace

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 31. 8. 2017

Obhajoba závěrečné práce

JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH

Fakulta rybářství a ochrany vod

Doktorský studijní program / obor:
Zootechnika / Rybářství