Detection of biologically active pollutants in the aquatic environment

Mgr. Jan Sadílek, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

V souvislosti s nárůstem lidské populace a většími nároky na zemědělskou a průmyslovou činnost dochází k nárůstu produkce chemických látek. Během výroby a používání těchto chemických látek však dochází k jejich uvolňování do všech složek životního prostředí ve velmi vysokých koncentracích. Tyto látky pak díky své biologické aktivitě primárně či sekundárně ovlivňují přirozené funkce ekosystémů, narušují jejich stabilitu a negativně působí na rozmanitost rostlinných a živočišných druhů žijících v těchto společenstvech. Předložená dizertační práce je zaměřená na detekci dvou skupin biologicky aktivních látek vyskytujících se ve vodním prostředí. První skupinou jsou steroidní estrogeny, které jsou přirozeně produkovány lidmi i zvířaty či cíleně vyráběny a uvolňovány do vodních ekosystémů z různorodých zdrojů. Druhou skupinou jsou pak sinicové toxiny, tedy biologicky aktivní chemické látky přirozeně produkované sinicemi různých druhů jako důsledek nadměrného zanášení hnojiv do vodního prostředí. První studie dizertační práce je zaměřena na srovnání čtyř rozdílných extrakčních technik: modifikovaná Soxhletova extrakce, zrychlená extrakce rozpouštědlem, mikrovlnná extrakce a metoda QuECHERS pro izolaci steroidních estrogenů ze sedimentu v nízkých environmentálně relevantních koncentracích. Jako nejlepší z nich se ukázala metoda QuEChERS s využitím sorbentů na bázi primárně-sekundárních aminů k přečištění extraktu. Tato metoda je velmi rychlá, jednoduchá a finančně nenáročná, což je také její velká výhoda. Metoda QuECHERS byla také využita ve druhé studii zabývající se sorpčním chováním 17β – estradiolu (βE2) a 17α – ethynylestradiolu (EE2) v systému voda-sediment. Metoda QuEChERS se ukázala velmi perspektivní pro tento účel v obou experimentálních designech, kdy sorpční koeficienty a konstanty byly počítány z koncentrací estrogenů získaných po extrakci a analýze kapalné i pevné fáze. Výsledky tohoto experimentu byly následně srovnány s variantou, kdy pouze kapalná fáze byla analyzována a koncentrace estrogenů v pevné fázi byla vypočítána jako rozdíl počáteční koncentrace estrogenů v systému a koncentrace estrogenů v kapalné fázi. Vypočítané log KOC pak činily 3.19–3.28 pro βE2 a 3.36–3.45 pro EE2 u všech kombinací estrogen-sediment a s využitím obou experimentálních designů. Metoda QuEChERS se ukázala jako velmi efektivní pro extrakci estrogenních látek z environmentálních matric jako je voda a sediment a také jako velmi perspektivní pro studium sorpčního chování těchto polutantů v životním prostředí. Třetí a čtvrtá studie se zabývala druhou skupinou biologicky aktivních látek, jakými jsou sinicové toxiny. Třetí studie byla zaměřena na detekci sinicových toxinů microcystinu, cylindrospermopsinu a saxitoxinu ve vodních nádržích v České republice pomocí imunochemické metody ELISA. Vysoká četnost výskytu byla zjištěna u microcystinu (18 z 19 lokalit), cylindrospermopsin byl detekován na jedné z lokalit a na dvou lokalitách byl detekován saxitoxin. V této studii byla poprvé zjištěna přítomnost sinicového neurotoxinu saxitoxinu ve vodách ČR. Efektivnost technologií pro úpravu vody v souvislosti s odstraňováním sinicového toxinu microcystinu a využitím aktivního a pasivního vzorkování byla testována na třech vodárenských nádržích a úpravnách v ČR (Studie 4). Výsledky analýz z aktivního vzorkování prokázaly vysoký stupeň odstranění intracelulárních microcystinů na všech testovaných úpravnách s využitím konvenčních technologií. Extracelulární microcystiny, které jsou hůře odstranitelné konvenčními technologiemi byly detekovány v nízkých koncentracích u vzorků finálně upr

Anotace:

avené vody získaných s využitím aktivního i pasivního vzorkování.

Abstract:

In connection with the increase in human population and the greater demands for agricultural and industrial activities the production of chemical substances increased. The production and use of these chemicals leads to their releasing into the all components of environment at very high concentrations. These compounds, owing to their biological activity primary or secondary affects the natural functions of ecosystems, their stability and adversely affects the diversity of plant and animal species living in these communities. The presented thesis is focused on detection of two groups of biologically active substances present in the aquatic environment. The first group is steroidal estrogens, which are naturally produced by human and animal or targeted manufactured and released into the aquatic ecosystem from disparate sources. The second group is cyanobacterial toxins, a biologically active chemical substances naturally produced by different species of cyanobacteria as a result of excessive introducing of fertilizers to the aquatic environment. The first study of this dissertation is focused on the comparison of four different extraction techniques: modified Soxhlet extraction, accelerated solvent extraction, microwave-assisted extraction and QuEChERS method for the isolation of steroidal estrogens from sediment at low environmentally relevant concentration. The best of them proved QuEChERS method using primary-secondary amines for purification of extract. This method is also very fast, simple and inexpensive, which is also a great advantage. The QuEChERS method was also used in the second study focused on 17β - estradiol (βE2) and 17α - ethinylestradiol (EE2) sorption behavior in water-sediment system. QuEChERS method has proved very promising for this purpose in both experimental designs where sorption coefficients and constants were calculated from the concentrations of estrogens obtained after extraction and determination of liquid and solid phase. The results of this experiment were compared with the variant in which only a liquid phase was analysed and the concentration of estrogen in the solid phase was calculated as the difference between the initial concentration of estrogens in system and estrogen concentration in the liquid phase. Calculated log KOC were achieved in the range 3.19–3.28 and 3.36–3.45 for βE2 and EE2 respectively for all estrogen-sediment combinations using both experimental designs. The method QuEChERS proved to be very effective for the extraction of estrogenic compounds from environmental matrices such as water and sediment as well as very promising for the study of the sorption behavior of these pollutants in the environment. The third and fourth studies are focused on the second group of biologically active substances such as cyanobacterial toxins. The third study was focused on the detection of cyanobacterial toxins microcystin, cylindrospermopsin and saxitoxin in water reservoirs in the Czech Republic by immunochemical method ELISA. The high frequency of appearance was found in microcystin (18 from 19 sites), cylindrospermopsin was detected on one of the sites, saxitoxin at two sites. In this study, the first occurrence of cyanobacterial neurotoxin saxitoxin was observed in Czech Republic waters. Effectiveness of technologies for water treatment related with the removal of cyanobacterial toxin microcystin and using active and passive sampling was tested on three water reservoirs and drinking water treatment plants in the Czech Republic (Study 4). Results of analyses from active sampling showed the removal of intracellular microcystins in all tested water treatment plants using conventional technologies. Extracellular microcystins, which are difficult to remove by conventional techniques, have been detected in low concentrations in samples of the final, processed water obtained by active and passive sampling.

Keywords

steroidal estrogens, cyanobacterial toxins, sediments, surface waters, extraction techniques, adsorption. steroidní estrogeny, sinicové toxiny, sedimenty, povrchová voda, extrakční techniky, adsorpce.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 14. 8. 2017

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 26. 9. 2017
• Vedoucí: doc. RNDr. Zdeněk Šimek, CSc.
• Oponent: Ing. Pavel Hucko, CSc., Ing. Helena Zahradníčková, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie (čtyřleté) / Chemie životního prostředí