Screening and Identification of Emerging Contaminants in Wastewater Treatment Plant Effluents Using UHPLC/Q-TOF MS and an Accurate Mass Database and Library

Význam tématu

Monitorování stopových organických kontaminantů v odtoku z městských čistíren odpadních vod je zásadní pro posouzení rizik pro životní prostředí i lidské zdraví. Metabolity pesticidů, léčiv a osobní péče se po částečném odstranění v čistírnách hromadí v povrchových vodách a mohou ohrozit jak ekosystémy, tak procesy úpravy pitné vody.

Cíle a přehled studie / článku

Autoři vytvořili databázi přesných hmotností (Water Screening PCDL) s MS/MS spektry pro více než 1 400 potenciálně relevantních znečišťujících látek. Aplikovali ji na screening a částečnou kvantifikaci 390 referenčních látek (cílený screening) a široký podezřelý screening celé databáze v 14denních kompozitních vzorcích odtoku čtyř ČOV (zemědělské i městské oblasti ve Švýcarsku) během 3,5 měsíce.

Použitá metodika a instrumentace

• Příprava vzorků: filtrace skleněnými filtry, skladování při –20 °C, přímá injekce 100 μL.
• Chromatografie: UHPLC Agilent 1290 Infinity, kolona ZORBAX RRHD SB-Aq 2,1 × 150 mm, gradientni mobilní fáze (1 mM NH₄Ac + 0,1 % kys. octová / AcN + 0,1 % kys. octová), tok 0,4 mL/min, teplota 40 °C.
• Detekce: Q-TOF Agilent 6550 iFunnel s Dual Spray Jet Stream ESI v pozitivním i negativním módu.
• Akvizice dat: All Ions MS/MS (0–20–40 V) a Auto MS/MS se zařazovacím listem.
• Vyhodnocení: MassHunter Qualitative a Quantitative Analysis, algoritmy Find-by-Formula a Find by MS/MS, koeluce fragmentů i knihovní porovnání.

Hlavní výsledky a diskuse

• Cílený screening (390 látek): 315 detekováno v pozitivním módu, 75 v negativním; LOD/LOQ v řádu ng/L až stovek ng/L.
• Nejčastější skupiny: rentgenokontrastní látky (iomeprol, iopromid), betablokátory (atenolol, metoprolol), analgetika (ibuprofen, diclofenac), antiepileptika (karbamazepin), diuretika, antibiotika a antidepresiva.
• Pesticidy: diethyltoluamid, metolachlor, isoproturon, azoxystrobin, flufenacet, linuron aj. Vyšší koncentrace v zemědělských ČOV v sezóně aplikace.
• Podezřelý screening: ověřeno dalších více než 20 pesticidů a transformovaných produktů, antidiabetikum metformin, ARB (valsartan, candesartan, irbesartan), organofosfáty, perfluorované kyseliny (PFOA, PFNA), melamin, denatonium.
• Porovnání metod: All Ions MS/MS rychlý screening s retrospektivním získáním fragmentů a vyhledáváním podle koeluce; Auto MS/MS s předizolací iontů a knihovním porovnáním pro nízkoabundantní nebo interferenční analyty.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní přístup kombinující cílený a podezřelý screening pro odhalení širokého spektra známých i nových kontaminantů.
• Databáze Water Screening PCDL umožňuje rychlé identifikace s vysokou důvěrou díky přesným hmotnostem, izotopickým vzorcům a MS/MS spektrům.
• Minimální příprava vzorku a přímá injekce zkracují dobu analýzy a riziko ztrát analytů.
• Metoda je vhodná pro monitorování jak průmyslových, tak zemědělských, městských a další typů ČOV.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření knihovny o nové transformované produkty a perzistence látek.
• Automatizace zpracování dat, strojové učení pro nutriční statistiky a prioritizaci podezřelých látek.
• Integrace neidentifikovaného screening (non-targeted) pro úplnou charakterizaci neznámých produktů degradace.
• Uplatnění ve studiích nepřímé a přímé rekultivace vod pro zajištění bezpečné dodávky pitné vody.

Závěr

Vyvinutá metoda UHPLC/Q-TOF MS s přesnou hmotnostní databází a knihovnou MS/MS nabízí robustní nástroj pro komplexní screening a identifikaci emergentních kontaminantů v odtoku ČOV. Kombinace All Ions a Auto MS/MS akvizice spolu s efektivními softwarovými workflow umožnila odhalit více než 50 známých i nových látek v koncentracích od jednotek ng/L až po µg/L.

Použitá instrumentace

• LC: Agilent 1290 Infinity UHPLC (Binary Pump, Autosampler s velkoobjemovou injekcí, termostatická kolona).
• Kolona: ZORBAX RRHD SB-Aq 2,1 × 150 mm, 1,8 µm.
• MS: Agilent 6550 iFunnel Q-TOF LC/MS s Dual Spray Jet Stream ESI.
• Software: MassHunter Acquisition B.06.01, Qualitative Analysis B.07.00, Quantitative Analysis, PCDL Manager, Molecular Structure Correlator.

Reference

1. P. Gago-Ferrero et al. Extended Suspect and Non-Target Strategies to Characterize Emerging Polar Organic Contaminants in Raw Wastewater with LC-HRMS/MS. Environ. Sci. Technol. 49(20), 12333–12341 (2015).
2. Directive 2013/39/EU amending Directives 2000/60/EC and 2008/105/EC on priority substances in water policy.
3. US EPA Method 1694 (2007) Pharmaceuticals and Personal Care Products in Water, Soil, Sediment, and Biosolids by HPLC/MS/MS.
4. US EPA Contaminant Candidate List (CCL) 4 (2015).
5. M. J. Gómez et al. Rapid automated screening, identification and quantification of organic micro-contaminants and their main transformation products in wastewater and river waters using LC-QTOF MS. J. Chromatogr. A 1217(45), 7038–7054 (2010).
6. T. Letzel et al. LC–MS screening techniques for wastewater analysis and analytical data handling strategies. Chemosphere 137, 198–206 (2015).
7. C. Rodriguez et al. Indirect Potable Reuse: A Sustainable Water Supply Alternative. Int. J. Environ. Res. Public Health 6, 1174–1209 (2009).
8. D.-H. D. Yang et al. Sensitive Screening of Pharmaceuticals and Personal Care Products in Water Using an Agilent 6545 Q-TOF LC/MS System. Agilent Application Note 5991-5954EN (2015).
9. E. L. Schymanski et al. Non-target screening with high-resolution mass spectrometry: critical review using a collaborative trial on water analysis. Anal. Bioanal. Chem. 407(21), 6237–6255 (2015).