Analyse van de chemische waterkwaliteit Annemieke Kolkman Chemische Waterkwaliteit en Gezondheid KWR Watercycle Research Institute
Chemische (drink)water kwaliteit
Chemische analyse van water Organische microverontreinigingen in water: •
Bekende component (doelstof) aanwezig? •
•
concentratie?
Onbekende verbinding aanwezig? •
Identiteit?
•
concentratie?
•
Wat is het effect van waterzuiveringsstappen?
•
Toxiciteit? Biologische effect?
•
Gezondheidskundige risico’s?
Monitorings strategie Chemische analyse: •
Doelstofanalyse
•
Brede chemische screening met LC-MS en GC-MS
In vitro bioassays Biomonitoring: vissen, mosselen, Daphnia, algen Sensoren: microchips, ‘lab on a chip’ technologie
Werkingsgebied LC/MS en GC/MS 1000
Molecuulgewicht (gram/mol)
900
800
Vloeistof Chromatografie Massaspectrometrie (LC/MS)
700
600
500
Gas Chromatografie Massaspectrometrie (GC/MS)
400
300
200
100
Vluchtigen-GC/MS 0 -2
-1
0
1
2
3
hydrofiliteit - lipofiliteit (log Kow)
4
5
6
Het analytisch chemisch lab
Doelstoffen analyse
(UP)LC-MS/MS
Brede chemische screening Identificatie van “onbekenden”
LC-LTQ-Orbitrap-hrMS
Doelstofanalyse (UP)LC-MS/MS: •
Multimethode
•
Hoge gevoeligheid
•
Grote specificiteit
Voorbeelden: •
Geneesmiddelen en metabolieten
•
Bestrijdingsmiddelen en metabolieten
•
Isothiazolines
•
Hormonen
Speknijder et al., Journal of Chrom A, 2010
Doelstofanalyse - isothiozolines •
Conserveringsmiddel
•
Desinfectiemiddel en biocide (antifouling)
•
Cosmetica (zeep en shampoo)
•
Toepassing in industrie en huishouding
Speknijder et al., Journal of Chrom A, 2010
Doelstofanalyse - isothiozolines Chemische structuren
Speknijder et al., Journal of Chrom A, 2010
Doelstofanalyse - isothiozolines
Speknijder et al., Journal of Chrom A, 2010
Milieu, huishoudwater en shampoo
Concentraties in µg/l Speknijder et al., Journal of Chrom A, 2010
Stabiliteit in milieu Met (•) en zonder (♦) conservering
Speknijder et al., Journal of Chrom A, 2010
Aanpak brede chemische screening Isolatie
off-line SPE, 1000 ml water, pH 2
LC
C18 kolom
MS
Orbitrap •
Massabereik (m/z): 50 -1300 Da
•
Analyse tijd: ~60 minuten
•
Data file: 300 Mb per monster
Massa accuraatheid (tot vierde decimaal, < 5 ppm) Hoge resolutie
Hogenboom et al., Journal of Chrom A, 2009
Accurate massa en resolutie Element H C N O
Is tegelijk meten mogelijk?
Exact Mass 1.007825 12.000000 14.003074 15.994915
100
289.1314
90
30
288.0441 C9H21O2P1S3 288.0949 C13H21O3P1S1 288.1142 C15H17N4Cl1 288.1256 C11H20N4O3S1 289.1022 289.0513 288.1351 C11H21N4O3P1
20
288.1474
0.1033 amu
Relative Abundance
80 70 60 50 40
C16H20N2O3
Terbufos Iprobenfos Myclobutanil Epronaz 289.1329 289.1424 289.1215 Pirimethaphos
RR==100,000 10,000 20,000
Imazamethabenz
10 0 289.00
289.05
289.10 m/z
289.15
Ja, met hoge resolutie! Met dank aan Richard Zuiderent, ThermoFisher
289.20
Kwaliteitsprofiel 1005200-67 100
38.31
“schoon“ monster Totaal conc < 0,5 ug/l 4.16
%
35.42
22.13
38.09
18.22 15.86
5.35 0.84 0
100 x4
20.32
21.64
23.17
25.26
27.00
27.43 30.79
6.61 5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
39.12
36.35
35.00
41.36
40.00
4.58
43.01
45.17
47.81
45.00
50.00
Time
38.60
34.88 35.69
Totaal conc > 0,5 ug/l 23.33 22.62
4.18
15.45 16.17 16.68 14.31
5.00
10.00
15.00
49.75 49.68 49.53 49.27 48.93 48.87 48.59 48.15 47.76
45.78 28.27
17.07 19.94 17.41 22.30 17.54 22.20 18.15
6.41
0
34.86
30.00
Hoge totaalconcentratie %
31.97
7.89
20.00
36.59
28.99 24.48
34.09 33.39
26.65
25.00
30.00
41.65 44.04 44.68 41.05
35.00
40.00
45.00
Time 50.00
Selectie relevante “unknowns”
Brede chemische screening •
Screening van sporen van onbekende, polaire verbindingen in water (trendanalyse) •
~250 bekende stoffen
•
~700 onbekende maar vaak geobserveerde stoffen (tr and m/z)
•
Identificatie van onbekende verbindingen
•
Data `terug`kijken in retroperspectief
In vitro bioassays
cellen water monster
•
meetbare reactie
“Humane” effecten detecteren met humane cellijnen •
hormonale effecten
•
DNA schade en chromosoom schade
•
Effecten van onbekende componenten
•
Totaal effect van het mengsel
•
Positief chemische analyse
Glucocorticoïden
cortisol
Steroïde-hormonen geproduceerd door bijnierschors Effecten op metabolisme: Gluconeogenese glucose opname ↓ Medische toepassing: ontstekingsremmend immunosuppressief Voorbeelden: dexamethasone prednisone
Hormoonverstoring - CALUX bioassay van der Linden et al Environ Sci Technol (2008)
?
? ? ?
Legend: B/blanc, D/drinking water, I/industrial wastewater, H/hospital wastewater, PM/paper mill treated wastewater, STP/sewage treatment plant, W/surface water
Hormoonverstoring - CALUX bioassay •
Identificatie/kwantificering van biologisch actieve glucocorticoïden met LC-MS/MS
•
Link leggen tussen de chemische analyse en de biologische effectmeting (GR CALUX bioassay)
Schriks et al., Environ Sci Technol 2010
Resultaten bioassay en chemie No
Compound
CALUX EC50 (nM)
REP
Retention time (min.)
m/z [M+H]+
% recovery (surfacewater)
1
Aldosterone
112.2 ± 4.84
0.008
20.97
361.20095
55 ± 8
2
Amicinonide
0.49 ± 0.04
1.7
40.33
503.24396
88 ± 9
3
Betamethasone
1.02 ± 0.05
0.8
25.71
393.20718
104 ± 10
4
Cortisone
>1000
<0.0008
23.09
361.20095
93 ± 11
5
Desoximethasone
0.66 ± 1.3
1.3
28.99
377.21226
95 ± 9
6
Dexamethasone
0.84 ± 1
1
25.94
393.20718
101 ± 13
7
Flunisolide
0.49 ± 1.7
1.7
27.32
435.21774
114 ± 16
8
Fluorometholone
0.59 ± 1.4
1.4
29.14
377.21226
102 ± 12
9
Cortisol
11.4 ± 0.07
0.07
22.46
363.21660
95 ± 11
10
Methylprednisolone
2.25 ± 0.4
0.4
24.88
375.21660
105 ± 12
11
Paramethasone
1.14 ± 0.7
0.7
25.71
393.20718
104 ± 10
12
Prednicarbate
4.75 ± 0.2
0.2
39.80
489.24829
99 ± 10
13
Prednisolone
3.68 ± 0.2
0.2
22.30
361.20095
92 ± 9
14
Prednisone
>500
<0.002
22.58
359.18530
81 ± 10
15
Remexolone
0.83 ± 1
1
41.58
371.25807
106 ± 14
16
Triamcinolone
5.67 ± 0.2
0.2
19.37
395.18644
58 ± 6
17
Triamcinoloneacetonide
0.37 ± 2.3
2.3
27.16
435.21774
110 ± 10
18
Triamcinolonehexaacetonide
3.40 ± 0.3
0.3
46.94
533.29001
71 ± 5
Link bioassay en chemie Σ chemical conc x REP
250
200
Σ [conc] x REP
GR-CALUX (ng dex eq/L)
GR-CALUX response
150
? ~142%
140 120 100
100
50
~50%
?
80
~60%
60 40 20 0
0 Industry wastewater
Hospital wastewater
Paper mill treated Sewage treatment wastewater plant effluent
Wastewaters
Schriks et al., Environ Sci Technol 2010
Industry wastewater
Hospital wastewater
Paper mill treated Sewage treatment wastewater plant effluent
Wastewaters
Conclusies •
Doelstofanalyse wordt mbv LC MS/MS uitgevoerd. Dit is een uiterst gevoelig en specifieke analyse techniek.
•
Brede chemische screening en identificatie van onbekende verbindingen in water is mogelijk met hoge resolutie + accurate massaspectrometrie
•
Combinatie van bioassays en chemische analyse is veelbelovend voor de identificatie van emerging issues in water
Bedankt!!! Team Chemische Waterkwaliteit en Gezondheid & Het Laboratorium voor Materialenonderzoek en Chemische Analyse Piet Speksnijder Ton van Leerdam Leo Puijker Merijn schriks Pim de Voogt Minne Heringa
Tenslotte… •
Kraanwater wordt beter gemonitord dan fleswater
•
Kraanwater is 150x goedkoper dan fleswater
•
Kraanwater is 30-1000x minder belastend voor het milieu dan fleswater
