Σύγχρονες Αναλυτικές Μέθοδοι Για Τον Προσδιορισμό Υπολειμμάτων Φυτοπροστατευτικών Και Φαρμακευτικών Ενώσεων Σε Φυσικά Νερά Και Ιζήματα

Abstract

Η παρουσία φυτοπροστατευτικών και φαρμακευτικών ενώσεων στο περιβάλλον αποτελεί σημαντικό ζήτημα και καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη ευαίσθητων και αξιόπιστων αναλυτικών μεθόδων για τον έλεγχο της υπολειμματικότητάς τους σε διάφορα περιβαλλοντικά υποστρώματα. Τα τελευταία χρόνια, ο αριθμός των μελετών παγκοσμίως που πραγματεύονται την ανάπτυξη και την εφαρμογή αναλυτικών μεθόδων για την εκτίμηση των επιπέδων συγκεντρώσεων και την τύχη τέτοιων ξενοβιοτικών ενώσεων στο περιβάλλον αυξάνεται συνεχώς. Στην πλειονότητά τους, οι μελέτες αυτές ασχολούνται με επιφανειακά και υπόγεια νερά, με νερά από τις εισόδους και εξόδους των Μονάδων Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων και λιγότερο με έδαφος και ιζήματα, ενώ υπάρχει σημαντική έλλειψη δεδομένων για τα παράκτια και θαλάσσια οικοσυστήματα. Ειδικότερα στην χώρα μας, αυτές οι έρευνες είναι ελάχιστες και αποσπασματικές, ενώ δεν αναφέρονται σε περιοχές με έντονη ιχθυοτροφική δραστηριότητα, που αποτελεί σημαντική εν δυνάμει πηγή θαλάσσιας ρύπανσης. Για τη συστηματική και αξιόπιστη μελέτη υπολειμμάτων ρύπων σε ίχνη απαιτούνται ευαίσθητες αναλυτικές μέθοδοι, που θα επιτρέπουν την ταυτόχρονη ανάλυση μεγάλου αριθμού ενώσεων. Ωστόσο, ο μεγάλος αριθμός διαφορετικών κατηγοριών εν δυνάμει ρύπων, οι ποικίλες φυσικοχημικές ιδιότητες τους και η πολυπλοκότητας ορισμένων υποστρωμάτων, καθιστά την πολύ-υπολειμματική ανάλυση απαιτητική και «πρόκληση» για την περιβαλλοντική αναλυτική χημεία. Στην παρούσα Διατριβή, επιλέχθηκαν αναπτύχθηκαν και επικυρώθηκαν αναλυτικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό 18 φυτοπροστατευτικών και 25 φαρμακευτικών ενώσεων σε νερά και ιζήματα. Οι μέθοδοι τελικά εφαρμόστηκαν σε μία περίπτωση μελέτης (case study) που αφορούσε περιοχές της Ελλάδας και της Ευρώπης, όπου εκτός των λοιπών ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, λειτουργούν και υδατοκαλλιέργειες. Κριτήρια για την επιλογή των ενώσεων ήταν η εκτεταμένη χρήση/κατανάλωσή τους, η αποδεδειγμένη παρουσία τους στο περιβάλλον και την εν δυνάμει επικινδυνότητά τους για αυτό. Συμπεριλήφθηκαν, μεταξύ άλλων, «ρύποι προτεραιότητας» και ενώσεις από τον «κατάλογο επιτήρησης ουσιών» της ΕΕ. Για τον προσδιορισμό των ενώσεων χρησιμοποιήθηκε σύστημα υγρής χρωματογραφίας συζευγμένης με φασματομετρία μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας (και συγκεκριμένα ο υβριδικός τροχιακός αναλυτής μάζας Orbitrap). Χρησιμοποιήθηκε πηγή ιοντισμού με ηλεκτροψεκασμό, στη λειτουργία του θετικού ιοντισμού, με συνολικό χρόνο ανάλυσης κάτω από δέκα λεπτά. Τόσο στην υγρή χρωματογραφία όσο και στη φασματομετρία μάζας, μελετήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν οι κρίσιμες παράμετροι. Για την ποσοτικοποίηση και τη διόρθωση της επίδρασης από το υπόστρωμα χρησιμοποιήθηκαν καμπύλες προσομοίωσης στο υπόστρωμα και ισοτοπικά επισημασμένα εσωτερικά πρότυπα. Εκτός από την εξαιρετική ακρίβεια μάζας (<5 ppm), που παρέχεται από την τεχνολογία Orbitrap MS, η επιβεβαίωση των θετικών ανιχνεύσεων βασίστηκε επίσης σε θραυσματοποίηση MS/MS. Για τον προσδιορισμό των υπό έρευνα ενώσεων στα ιζήματα επιλέχθηκε η σχετικά πρόσφατη, απλή και ταχεία μέθοδος εκχύλισης QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe). Για να καθοριστούν οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης, μελετήθηκαν ο διαλύτης εκχύλισης και το pH του, τα άλατα εκχύλισης, η ποσότητα και η επανυδάτωση του προς ανάλυση δείγματος ενώ για το στάδιο του καθαρισμού μελετήθηκαν διαφορετικοί συνδυασμοί προσροφητικών. Στη βελτιστοποιημένη μέθοδο, οι ανακτήσεις για τις φυτοπροστατευτικές ενώσεις κυμάνθηκαν από 70,8% και 106,2% και για τις φαρμακευτικές από 64 έως 101%, με σχετική τυπική απόκλιση κάτω από 15% σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις. Τα όρια ποσοτικοποίησης ήταν κάτω από 10 ng g-1 για τη συντριπτική πλειοψηφία των φυτοπροστατευτικών, ενώ για τα φαρμακευτικά υπολογίστηκαν από 1,3 έως 47 ng g-1. Ο συντελεστής γραμμικότητας ήταν πάνω από 0,992 σε όλες τις περιπτώσεις, με γραμμική περιοχή από το όριο ποσοτικοποίησης έως περίπου 100 φορές την τιμή αυτή. Η μελέτη επίδρασης υποστρώματος έδειξε ελαφρά μείωση του σήματος που μειώθηκε σε μεγάλο βαθμό μετά την εφαρμογή του σταδίου καθαρισμού, για την πλειονότητα των ενώσεων.Για την εκχύλιση των υδατικών δειγμάτων επιλέχθηκε η ευρύτατα διαδεδομένη τεχνική SPE (solid phase extraction). Για τη βελτιστοποίηση, ελέγχθηκαν διαφορετικά αναλυτικά πρωτόκολλα εξετάζοντας έτσι διαφορετικές μικροστήλες εκχύλισης, διαφορετικά pH δείγματος και διαφορετικούς διαλύτες έκπλυσης και έκλουσης. Για τις φυτοπροστατευτικές ενώσεις, οι ανακτήσεις κυμαίνονταν από 61%–96% στο νερό ποταμού, ενώ ήταν ελαφρώς υψηλότερα (60%–111%) για το θαλασσινό νερό. Οι ανακτήσεις για τις φαρμακευτικές ενώσεις σε ποτάμια ύδατα κυμάνθηκαν από 61% έως 105,3% και στο θαλασσινό νερό από 55,9% έως 110,3%. Σε όλες τις περιπτώσεις, η επαναληψιμότητα και η ενδοεργαστηριακή αναπαραγωγιμότητα ήταν μικρότερη από 15%. Τα όρια ποσοτικοποίησης της μεθόδου υπολογίστηκαν από 1,7 ng L-1 έως 90 ng L-1 και από 0,8 ng L-1 έως 25 ng L-1 για τις φυτοπροστατευτικές και φαρμακευτικές ενώσεις αντίστοιχα. Η γραμμικότητα ήταν πολύ καλή σε όλες τις περιπτώσεις (r2>0,997). Η επικύρωση των πολύ-υπολειμματικών μεθόδων που αναπτύχθηκαν πραγματοποιήθηκε με βάση την ισχύουσα νομοθεσία της ΕΕ, όπως αυτή ορίζεται στις οδηγίες 2002/657/ΕΚ και SANTE 11813/2017. Η εφαρμογή των μεθόδων σε δείγματα νερών και ιζημάτων από υδάτινα σώματα πλησίον υδατοκαλλιεργειών στην Ελλάδα, την Αλβανία, την Ιταλία, την Ισπανία, την Πορτογαλία, την τη Νορβηγία και το Ηνωμένο Βασίλειο επιβεβαίωσε την παρουσία πολλών φυτοπροστατευτικών και φαρμακευτικών ενώσεων κυρίως στα νερά, και λιγότερο στα ιζήματα. Συγκεκριμένα, το 67% των επιλεγμένων φυτοπροστατευτικών ενώσεων ανιχνεύθηκε στο 75% των δειγμάτων νερού, ενώ μόνο το 50% αυτών των ενώσεων ανιχνεύθηκαν σε συγκέντρωση πάνω από το όριο ποσοτικοποίησης. Στα ιζήματα, η συχνότητα ανίχνευσης ήταν αρκετά χαμηλή και σε συγκεντρώσεις κάτω από το όριο ποσοτικοποίησης. Όσον αφορά την ανίχνευση των φαρμακευτικών ενώσεων στα ύδατα, το 36% αυτών ανιχνεύθηκε τουλάχιστον μία φορά. Οι ενώσεις που ανιχνεύθηκαν συχνότερα τόσο στο νερό όσο και στο ίζημα ήταν το carbamazepine και το venlafaxine. Επιπλέον, εμφάνισαν την υψηλότερη συγκέντρωση σε νερό, ενώ στα ιζήματα την υψηλότερη συγκέντρωση εμφάνισε το risperidone. Η Ιταλία ήταν η χώρα με τις περισσότερες θετικές ανιχνεύσεις. Η εκτίμηση περιβαλλοντικού κινδύνου έγινε με την εφαρμογή της μεθόδου του πηλίκου (risk quotient) για τρία τροφικά επίπεδα (φύκη, ασπόνδυλα και ψάρια). Σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις οι τιμές RQ ήταν μικρότερες από 0,01, που αντιστοιχεί σε "χαμηλό κίνδυνο", με εξαίρεση μια φυτοπροστατευτική και μια φαρμακευτική ένωση. Η μέθοδος αυτή υποδεικνύει την ανάγκη για περαιτέρω διερεύνηση της υπολειμματικότητας τέτοιων ρύπων και της έκθεσης οργανισμών σε αυτούς, για την ολοκληρωμένη αποτίμηση της υποβάθμισης του υδάτινου περιβάλλοντος.