Quantitative and Semi-Quantitative Determination of PPCPs and Their By-products in Wastewater Treatment Plants Samples Using UHPLC-Orbitrap MS and Data Mining Technologies

Význam tématu

Monitoring farmaceuticky aktivních látek a produktů osobní péče (PPCPs) a jejich transformních produktů ve vodách je klíčový pro posouzení účinnosti čištění odpadních vod a environmentálních rizik. Hluboké analytické porozumění koncentracím a degradním produktům umožňuje optimalizaci vodohospodářských procesů a minimalizaci šíření kontaminantů do životního prostředí.

Cíle a přehled studie

Studie si klade za cíl:

• vyvinout workflow pro kvantitativní stanovení 56 vybraných PPCPs ve vzorcích permeátu z pilotního anaerobního membránového reaktoru (AnMBR),
• semi-kvantitativně sledovat vznik a rozvoj transformních produktů u triclosanu a karbamazepinu,
• vyhodnotit vliv provozní teploty (20, 35, 55 °C) a sezónních podmínek na účinnost odstranění a tvorbu degradních sloučenin.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika zahrnuje:

• předúpravu vzorků pomocí SPE Oasis HLB podle akreditované metody E3454,
• UHPLC separaci na Thermo Scientific UltiMate 3000 s Betasil a Hypersil Gold kolonymi,
• detekci na Exactive Plus Orbitrap MS s HESI ionizací a rozlišením 140 000 FWHM,
• kvantitativní analýzu v TraceFinder a non-target screening 312 sloučenin v SIEVE s ChemSpider vyhledáváním,
• PCA pro vyhodnocení vlivu teploty a sezóny.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific UltiMate 3000 UHPLC (HRG-3400RS pumpa, WPS-3000 autosampler, TCC-3400 kolona),
• Thermo Scientific Exactive Plus Orbitrap MS s HESI rozhraním,
• Barnstead Nanopure vodní systém,
• Oasis HLB SPE kartridže (6 cc, 500 mg),
• Softwary TraceFinder, SIEVE, ChemSpider a PCA moduly.

Hlavní výsledky a diskuse

Kvantitativní analýza identifikovala 43 cílových PPCPs s četností nad 75 % a koncentracemi v rozmezí jednotek až desetitisíců ng/L. Mezi nejčastější patřily kofein, karbamazepin, DEET, lidokain, lincomycin a ketoprofen. Celkem bylo detekováno 30 transformních produktů, přičemž degradace triclocarbanu probíhala převážně mikrobiálním metabolismem, zatímco triclosan, diclofenac a karbamazepin se rozkládaly kombinací fotodegradace a biochemických reakcí. PCA ukázala vyšší vliv provozní teploty reaktoru na složení degradních produktů než sezónní změny.

Přínosy a praktické využití metody

• rychlá a citlivá identifikace komplexního spektra PPCPs a jejich degradních látek,
• možnost sledovat účinnost pokročilých čisticích technologií (AnMBR),
• podpora optimalizace provozních podmínek a doplňkových čisticích kroků,
• transferovatelnost workflow do rutinních laboratoří QA/QC i regulačních institucí.

Budoucí trendy a možnosti využití

• rozšíření knihoven non-target screening a zavedení iontové mobilitní separace,
• využití umělé inteligence pro predikci metabolitů a automatizaci datové analýzy,
• online monitoringové systémy pro kontinuální kontrolu kvality odpadních vod,
• integrace vysokoobjemových datových platforem pro vizualizaci transformačních drah.

Závěr

Navržené spojení UHPLC-Orbitrap MS a pokročilých datových nástrojů poskytuje spolehlivou platformu pro stanovení a sledování degradace PPCPs ve vzorcích odpadních vod. Workflow přispívá k udržitelnému řízení vodohospodářských procesů a environmentálnímu monitoringu.

Reference

1. Ontario Ministry of the Environment, E3454: The Determination of Emerging Organic Pollutants in Environmental Matrices by LC-MS/MS.
2. Sanchez-Prado L, Llompart M, Lores M et al Monitoring the photochemical degradation of triclosan in wastewater by UV light and sunlight using solid-phase microextraction Chemosphere 65(8):1338-1347 2006