Aplicación de técnicas avanzadas de espectrometría de masas acoplada a cromatografía líquida y de gases bidiomensional para la evaluación de contaminantes emergentes y productos de degradación en el medio ambiente

Resumen

La gestión sostenible del agua constituye un importante desafío para los dos próximos decenios, según los pronósticos de crecimiento demográfico, de desarrollo industrial y agrícola. La cantidad y calidad del agua serán determinantes para satisfacer el abastecimiento de algunas regiones, sobre todo, aquellas con menor disponibilidad de recursos hídricos y que soportan una mayor influencia del cambio climático. La contaminación química del agua sigue siendo un reto prioritario. Representa una amenaza para el medio acuático, con efectos de toxicidad aguda y crónica en organismos acuáticos, acumulación de contaminantes en el ecosistema, pérdida de biodiversidad, y también entraña riesgos para la salud humana a través de dicho medio. Para afrontar este reto, desde el ámbito de la política de aguas en Europa, se propone, como nuevas medidas, mejorar la información de base sobre efectos y niveles en el medio acuático de los denominados contaminantes emergentes. La finalidad es efectuar las evaluaciones de riesgo en que se basa la selección de nuevas sustancias prioritarias, y su posterior regulación mediante normas de calidad medioambiental y adopción de medidas de protección ambiental. Se demanda para ello, disponer de datos de seguimiento de gran calidad sobre presencia y concentración de contaminantes emergentes en el medio acuático. Este fin, implica, contar con métodos de análisis químicos que sean suficientemente sensibles para detectar y cuantificar de forma fiable niveles de traza. Asimismo, que sean muy selectivos para su identificación y con una cobertura singularmente amplia, considerando la amplia diversidad de sustancias químicas y de sus productos de transformación ambiental (PTs), que mediante fuentes puntuales o difusas, pueden contaminar el agua. Esta Tesis explora las capacidades analíticas que la cromatografía líquida (LC) y de gases (GC) acoplada a la espectrometría de masas (MS), ofrece a la evaluación de contaminantes emergentes y sus PTs, en aguas superficiales y residuales. Se aborda el desarrollo de metodologías analíticas mediante MS con analizador híbrido de cuadrupolo-tiempo de vuelo (QTOF) y tiempo de vuelo (TOF) para la identificación de contaminantes emergentes y caracterización estructural de PTs abióticos y de metabolitos. Se acomete el desarrollo de metodologías para el análisis simultáneo de compuestos objetivos, en inglés denominados ¿targets¿, cuya estructura química es previamente conocida, de compuestos ¿no-objetivo¿, denominados ¿non-targets¿, no seleccionados ¿a priori¿ para su estudio, y de PTs o metabolitos (¿unknowns¿), de los que no se dispone de estándares analíticos, y/o su estructura química es desconocida. Estos métodos se han aplicado en un área considerada de interés por su alta densidad de población, en la cuenca del Río Henares en Madrid, con el fin de determinar la presencia y niveles de los contaminantes investigados, para aportar mayor información sobre la calidad del agua. Se ha evaluado la fiabilidad de identificación de targets y non-targets de forma automatizada mediante (i) librerías de espectros de fragmentación de masas LC-MS/MS y (ii) de base de datos de espectros de fragmentación de masas LC-MS/MS con medida de masa exacta, determinando la influencia de la concentración de los contaminantes, normalmente a niveles de traza en aguas y de la matriz, sobre los criterios de identificación. Estos son, la tolerancia de error en la medida de masa exacta y, la intensidad relativa del ión precursor e iones productos del analito en el espectro de fragmentación de masas. Para facilitar la explotación del gran volumen datos generados con analizadores de alta resolución y masa exacta, de manera eficaz y con mayor fiabilidad, se ha elaborado una base de datos de espectros de masas LC-MS/MS con medida de masa exacta, obtenidos a diferentes niveles de concentración. La fiabilidad de identificación de metabolitos de forma automatizada mediante el filtrado de datos basado en el defecto de masa, también ha sido evaluada para su aplicación en el análisis de contaminantes en aguas. El estudio de caracterización estructural de PTs generados en condiciones de irradiación y de oxidación, se ha centrado en un contaminante frecuentemente detectado en el agua, el galaxolide. Su estudio mediante los sistemas GCxGC-TOF-MS y LC-QTOF-MS/MS ha aportado la elucidación estructural de 18 PTs, muchos de éstos no identificados anteriormente, y se propone una potencial ruta de degradación del galaxolide. Esta Tesis está organizada en cinco capítulos. El primer capítulo incluye la Introducción general y los Objetivos e Hipótesis de esta Tesis. La introducción general, comienza con el desarrollo normativo en materia de control de calidad de aguas en Europa. Seguidamente se expone el proceso de revisión actual de priorización de sustancias químicas, de las principales medidas de coordinación con otros marcos regulatorios sobre sustancias químicas (productos fitosanitarios, medicamentos de uso humano y veterinario, biocidas y productos de uso industrial). Se presentan los progresos en cuanto a PTs, en el contexto de priorización de sustancias. Se incluye un apartado sobre tratamientos de descontaminación y una revisión actualizada del análisis químico de los diferentes grupos de sustancias mencionados abordando: (i) el muestreo, (ii) tratamiento de muestra, (iii) análisis mediante LC y GC acoplada a diferentes analizadores de MS, y (iv) explotación de datos automatizada con la base de datos elaborada de espectros LC-MS/MS de masa exacta y con librerías comerciales de espectros de masas LC-MS/MS, exponiendo sus ventajas y limitaciones. Para finalizar se incluye un apartado donde se detallan los objetivos, que se abordan en cada uno de los tres capítulos. Cada uno de los tres siguientes capítulos está redactado en inglés, y reproducen el texto íntegro de manuscritos que están publicados en revistas científicas. En el capítulo 5, se enumeran las principales conclusiones de la Tesis. Todas las referencias citadas en la introducción general, están incluidas al final de este capítulo, y las referencias de los capítulos 2 a 4, están recogidas en la publicación científica reproducida. Los índices de tablas, figuras, lista de abreviaciones (acrónimos) y material complementario se incluyen al final de esta Tesis. La lista de artículos científicos publicados durante el periodo pre-doctoral, pero que no forman parte de esta Tesis, también se incluyen al final de la Tesis.