Stanovení vybraných organických polutantů ve složkách životního prostředí

Mgr. Michal Oravec, Ph.D.

Doctoral thesis

Determination of selected organic pollutants in components of the environment

Abstract:

Chirální polutanty Byl sledován vliv samostatných složek půdy na změny EF frakce chirálních polutantů. Doporučenou metodou (IHSS) byly z půdy izolovány jednotlivé půdní složky (huminové kyseliny (HA) a popel). PCBs, mekoprop a jeho methyl ester byli extrahovány z obohacených frakcí huminových kyselin a popílku dichlormethanem. Extrakty byli následně analyzovány pomocí vysoceúčinné kapalinové chromatografie (HPLC). Pro analytickou separaci enantiomerů chirálních polutantů byla použita chromatografická kolona obsahující silikagel modifikovaný cyklodextrinem. Výsledky potvrdily stereoselektivní vliv půdních složek na extrahovatelné množství jednotlivých enantiomerů. Významné změny EF byly pozorovány u PCBs (HA 0.49–0.45, popel 0.50–0.58) a u mekoprop-methyl esteru (HA 0.55–0.59, popel 0.49–0.34). Menší změny EF byly pozorovány u mekopropu (HA 0.52–0.50, popel 0.49–0.50). Změny EF byly závislé na množství jednotlivých půdních složek. Změny EF vyvolané huminovými kyselinami měli opačný trend než změny vyvolané popílkem. Byl studován vliv pH na změny enantiomerové frakce atropoizomerů polychlorovaných bifenylů (PCB 84, 135, 175) mekopropu a jeho methyl esteru. Pro nastavení potřebného pH půdy v rozmezí 4 až 7 byla použita metoda umožňující dlouhodobě udržet stabilní hodnotu. Přídavkem fosfátového pufru bylo upraveno pH půdy na požadovanou hodnotu a následně měřeno přímou metodou pomocí vpichové skleněné elektrody. Vliv půdního pH na změny EF byl sledován během 40 až 55 denní inkubace. Změny EF (0.45–0.56) byli kvalitativně i kvantitativně závislé na pH půdy. Pro jednotlivé hodnoty pH půdy byli zaznamenány rozdílné trendy ve změnách EF. Největší rozdíly EF byli pozorovány na počátku všech monitorovacích experimentů. Tento efekt může být vysvětlen stereoselektivní sorpcí na jednotlivé složky půdy. Mikrocystiny Mikrocystiny (MC) jsou cyklické peptidy s hepatotoxickými a karcinogenními účinky. MC jsou produkovány ve velkém množství sladkovodními sinicemi. Řada studií uvádí akumulaci těchto látek v rybích tkáních s možným potravinovým transportem do lidského těla. V naší práci bylo provedeno srovnání jednoduché MS detekce s tandemovou MS/MS detekcí použitých pro stanovení MC v rybích tkáních kapalinovou chromatografií. Použití tradiční jednoduché MS detekce (sledování mateřského iontu s m/z 519.5 pro MC-RR a 995.5 pro MC-LR) je nedostatečně selektivní a proto dochází k falešně pozitivním výsledkům. Více selektivní je tandemová MS/MS detekce, která eliminuje falešně pozitivní výsledky. Ve vzorcích ryb z kontrolního expozičního experimentu byli tandemovou MS/MS detekci naměřeny koncentrace o více než 50% nižší než koncentrace naměřené jednoduchou MS detekcí. Bylo analyzováno 148 různých rybích tkání z 5 přírodních nádrží kontaminovaných sinicemi. Koncentrace MC byly pod mezí detekce (MD = 1.2–5.4 ng/g živé váhy for MC-RR, -YR and -LR v MRM módu). Tyto výsledky jsou využitelné pro hodnocení zdravotního rizika mikrocystinů akumulovaných v rybách. Cylindrospermopsin Cylindrospermopsin (CYN) je karcinogenní alkaloid produkovaný tropickými sinicemi Cylindrospermopsis raciborskii. Současné studie naznačují že tuto sloučeninu mohou produkovat i sinice nacházející se v evropských vodách. V publikované práci je uvedeno srovnaní imunochemické metody ELISA s LC/MS metodou pro stanovení cylindrospermopsinu ve vzorcích vod z České republiky. Bylo analyzováno 56 vzorků vod odebraných na 32 lokalitách. CYN byl nalezen ve vzorcích ze tří lokalit, ve kterých byl rozvinutý vodní květ obsahujícího sinice Aphanizomenon sp. Výsledky naměřené metodou ELISA jsou v kvalitativní shodě s výsledky naměřenými pomocí LC/MS. Koncentrace naměřené metod

Abstract:

ou ELISA (0.4–4 μg/l) jsou systematicky vyšší než koncentrace zjištěné metodou LC/MS (0.01–0.3 μg/l). Rozdíly mezi metodami mohou být vysvětleny matricovými efekty nebo parazitní interakcí neidentifikovaných derivátů CYN při stanovení ELISA. Provedená studie ukazuje první data výskytu CYN ve střední Evropě. S ohledem na významnou toxicitu a pravděpodobnou karcinogenitu je nezbytný další výzkum v oblasti distribuce, environmentálních koncentrací a rizik spojených s tímto toxinem. PANH Byla vyvinuta metoda LC/MS/MS pro stanovení polycyklických aromatických dusíkatých heterocyklů (PANH) v půdních vzorcích. Byli optimalizovány chromatografické parametry a parametry hmotnostního spektrometru pro stanovení 15 PANH v organických extraktech z půdy. Meze detekce pro PANH byli v rozmezí 0.3–15 pg na nástřik. Meze detekce stanovené pomocí LC/MS/MS byli nižší než meze detekce stanovené pomocí LC/DAD/FLD. Vyvinutá metoda LC/MS/MS byla využita pro analýzu vzorků z kontaminovaných oblastí jihovýchodního regionu České republiky. Nejvyšší koncentrace PANH byla nalezena ve vzorcích odebraných v blízkosti průmyslových zdrojů. Koncentrace znečišťujících látek byly vyšší ve vzorcích odebraných v okolních obcích než ve vzorku odebraného na pozaďové lokalitě v České republice.

Abstract:

Chiral pollutants Changes of enantiomeric fraction (EF) of chiral compounds interacting with components of soil and the effect of amount of soil components on EF value were investigated. Soil components (humic acid and ash) were isolated from soil using method recommended by the International Humic Substance Society (IHSS). Dichloromethane was used as an extraction solvent for extraction of enantiomers of polychlorinated biphenyls (PCBs), mecoprop and its methyl ester from humic acid (HA) and ash sample. The extracts were analyzed by a high performance liquid chromatography (HPLC). HPLC columns filled with silica gel modified by permethylated cyclodextrine acting as a chiral selector were used for analytical separation of enantiomers. The results confirm the stereoselective effect of soil components on extractable amount of individual enantiomers. Significant changes of EF of chiral pollutants were observed for investigated PCBs enantiomers (HA 0.49–0.45, ash 0.50–0.58) and for mecoprop-methyl ester (HA 0.55–0.59, ash 0.49–0.34), smaller changes of EF were observed for mecoprop (HA 0.52–0.50, ash 0.49–0.50). The changes of EF were dependent on an amount of humic acid and ash. Inverse trends of EF changes of humic acid were obtained comparing to trends of EF changes of ash. Changes of enantiomeric fraction (EF) of chiral environmental pollutants, polychlorinated biphenyls (PCBs 84, 135, 175), mecoprop and mecoprop-methyl ester, were investigated as a soil pH function. Suitable method enabling adjustment of a stable soil pH in the range of pH 4–7 was used. Addition of phosphate buffer and direct soil pH measurement was used for the study of soil pH effect on EF changes during 40–55 days incubation. Monitoring of EF changes (0.45–0.56) was feasible in the whole incubation interval according to the properties of pollutants. Changes of EF were quantitatively and qualitatively dependent on the soil pH. Different trends of EF changes were recorded for different soil pH. The most significant changes of enantiomeric fraction (EF) were observed in the beginning of all experiments. Differences in adsorption rate and extent of enantioselective sorption of enantiomers on soil components can be used for explanation of obtained results. Microcystins Microcystins (MCs) are cyclic peptide toxins with hepatotoxic and tumour promoting properties. They are produced in high quantities in freshwater cyanobacterial water blooms. Several studies reported accumulation of microcystins in fish with possible food transfer to humans. First comparison of single and tandem mass spectrometric detection in LC/MS analyses of microcystins in complex fish tissue samples is provided in our study. The use of single MS (i.e. monitoring of ions with m/z 519.5 for MC-RR and m/z 995.5 for MC-LR) was found to provide false positive responses overestimating thus concentrations of MCs in the tissue samples. More selective tandem MS seems to provide more reliable results. Concentrations of MCs determined by tandem mass spectrometry in fish tissue from controlled exposure experiments were more than 50% lower in comparison with concentrations provided by single MS. Extensive analyses of edible fish parts - muscles (N=148 fish specimens of eight different species from five natural reservoirs with dense cyanobacterial water blooms) showed negligible MCs concentrations (all results were below limit of detection; LOD = 1.2–5.4 ng/g fresh weight for MC-RR, -YR and -LR in MRM mode). Our findings have practical consequences for critical re-evaluation of health risks of microcystins accumulated in fish. Cylindrospermopsin Cylindrospermopsin (CYN) is a newly emerging carcinogenic alkaloid originally identified in tropical cyanobacteria Cylindrospermopsis raciborskii. Some recent studies reported production of this toxin also by other cyanobacteria in European countries. Comparison of the immunochemical ELISA determination with the liquid chromatography/mass spect

Abstract:

rometry (LC/MS) method for CYN analyses in the samples from the Czech Republic, Central Europe is reported in our work. Fifty-six samples of raw lake waters collected from 32 localities were analysed. CYN was found at 3 localities with Aphanizomenon sp. sub-dominated water blooms. Results of the ELISA and LC/MS showed good qualitative agreement. However, concentrations determined by ELISA (0.4–4 μg/L) were systematically higher than concentrations determined by LC/MS (0.01–0.3 μg/L). Differences between methods could be attributed to matrix effects (both in ELISA and LC/MS) or ELISA cross-reactivity with other unidentified derivatives of CYN. Our study demonstrates for the first time occurrence of CYN in the Central Europe. With respect to its suspected carcinogenicity, further research on distribution, concentrations and risks of this cyanobacterial toxin is needed. PANHs Development of LC/MS/MS method for analysis of polycyclic aromatic nitrogen heterocycles (PANHs) in soil samples is presented. Optimisation of individual chromatographic/mass spectrometric conditions was made in order to obtain a method for the determination of content of 15 PANHs in an organic extract from the soil. Detection limits (LOD) in the range of 0.3–15 pg per injection were obtained for individual PANHs. LC/MS/MS method offers a lower LOD values compared to LC/DAD/FLD methods in general. Developed LC/MS/MS method was used for determination of PANHs content in soil samples collected in contaminated areas of the southeast region of the Czech Republic. Highest concentrations of PANHs have been found in the samples collected in the immediate vicinity of the industrial basin. Concentrations of the contaminants in all samples collected in surrounding villages were higher compared to the sample collected in clean area of the Czech Republic.

Keywords

Chiral pollutants, Humic acid, Ash, Enantiomeric Fraction, Polycyclic aromatic nitrogen heterocycles, PANHs, Soil, Cyanotoxin, Cylindrospermopsin, Blue-green algae, Water blooms, Microcystin, Fish tissue, LC-ESI/MS/MS, ELISA, Chirální polutanty, Huminové kyseliny, Popel, Enantiomerová frakce, Polycyklické aromatické dusikaté heterocykly, Půda, Cyanotoxiny, Sinice, Vodní květ, Rybí tkáně

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 10. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 22. 11. 2010
• Supervisor: doc. RNDr. Zdeněk Šimek, CSc.
• Reader: prof. Mgr. Jan Preisler, Ph.D., doc. Ing. Pavel Janoš, CSc., prof. RNDr. Zdeněk Friedl, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry