Drugs of abuse in the aquatic and atmospheric compartments: analysis, occurrence, and assessment of human cosumption in Spain

Abstract

In the last decades, the development of increasingly sensitive analytical techniques has revealed the presence in the environment of a large number of potentially dangerous compounds for human health and the environment, globally referred to as "emerging pollutants". Due to its recent discovery or recognition as environmental contaminants, the knowledge about its presence, toxicity, and behavior in the environment is still very scarce. Drugs of abuse (DAs) and their metabolites are a class of organic substances that can be included within this category of emerging. Their high production and consumption results in a continuous inflow of these compounds and/or their metabolites into the environment, which gives them a "pseudo-persistent" character. However, the investigation of the presence of DAs in the environment is very recent. The study of drugs in the environment has a double objective:

- to determine their presence in the different environmental compartments in order to assess their potential negative effects on ecosystems and humans and, - to estimate the consumption of drugs from the levels of the drugs themselves or their metabolites measured in the raw wastewater entering wastewater treatment plants (WWTPs) by applying the so-called "sewage epidemiology approach". In this context, the main objectives of the work carried out in this thesis were to develop and apply different analytical methodologies to the determination of the most common DAs and their metabolites (including ethyl sulfate as a human metabolite of alcohol (ethanol), in different environmental samples, such as wastewater, surface water, sewage sludge and airborne particulate matter in order to better understand their environmental distribution and fate and to estimate DAs and alcohol consumption in different areas, with focus on the city of Barcelona. Taking into consideration that most of the methods published for analysis of DAs focused on the dissolved phase, at the beginning of the research work a sensitive and reliable analytical method based on pressurized liquid extraction (PLE) followed by solid phase extraction (SPE) and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was developed for the analysis of DAs in sewage sludge. This study provided the first insights into the fate of a wide number of DAs during wastewater treatments processes and also provided important information related to the environmental distribution of the most lipophilic compounds.

Two different analytical methodologies were then employed to study the occurrence and fate of DAs in surface water, wastewater and sewage sludge samples collected from 4 Spanish River basins in two consecutive sampling campaigns (2010 and 2011) in the frame of the CONSOLIDER-INGENIO 2010 “SCARCE” project. The main objective of this study was to provide a snapshot of the presence of the most abused illicit drugs in the Spanish environment and to study spatial and temporal differences in their distribution in the studied river basins under different climate conditions. Concerning the sewage epidemiology approach used for estimation of DAs consumption, a five-year monitoring campaign was performed in order to study drugs consumption and temporal variations in the city of Barcelona. This study was performed in the framework of an international collaboration that aims to estimate and compare DAs consumption in different cities worldwide, to validate through annual inter-laboratory exercises the analytical methods employed for the analysis of these compounds in raw wastewater by the different laboratories, and to refine the entire methodology applied to the estimation of drug consumption based on levels of drugs residues in wastewater. In the same context, an analytical method was developed and validated for the determination of alcohol consumption through the monitoring of a urinary biomarker, ethyl sulfate, in raw wastewater. This represented one of the first studies of this kind published worldwide in the scientific literature. Finally, an extensive sampling campaign was carried out in the city of Barcelona to study the presence and distribution of DAs in airborne particulate samples collected throughout the entire city, in order to provide a better understanding of their environmental fate and distribution in this matrix and to evaluate whether the detection of illicit drugs in airborne particles may represent a new tool to investigate the social incidence of illicit drugs.

The results obtained in this thesis have been reported and discussed in five scientific papers published in SCI international journals. The main findings and conclusions of these works are itemized below.

1. The analytical method developed for the trace analysis of the most abused drugs and their metabolites in sewage sludge, based on PLE-LC-MS/MS, allows their reliable and accurate determination at levels below 3.3 ng/g d.w. for most of the investigated compounds. The optimization of the different aspects related to sample extraction and clean-up did not allow avoiding the matrix effects usually observed in this complex matrix, but the use of deuterium labeled compounds for the quantification of the majority of the analytes permitted to overcome the associated problems. This work investigated for the first time the presence and levels of THC, CBN, CBD, CE, EPH, HER, ALP, LSD and OH- LSD in this matrix.

Application of this methodology to the determination of DAs in 15 sewage sludge samples collected from different WWTPs located in Spain showed that:

- sorption onto sewage sludge represents the main route of removal of the most lipophilic drugs (e.g. cannabinoids and synthetic opioids) from wastewater, - METH, EDDP and THC (present in all samples) were the most ubiquitous compounds followed by COC, EPH and CBD (present in at least 80% of the samples), while HER, 6ACM, LSD, and its metabolite OH-LSD were not detected, - cannabinoids and the synthetic opioids (METH and EDDP) were also the most abundant compounds, with median concentrations ranging between 78-168 and 16-46 ng/g d.w, respectively; other compounds were detected with median concentrations lower than 6.6 ng/g d.w.

2. Analysis of EtS in wastewater samples, as a bio-indicator of alcohol consumption, at trace levels (LOD 0.02 µg/L and LOQ 0.07 µg/L, RSD 2.2 %) is possible with a simple developed method, based on addition of the surrogate standard, sample centrifugation, and subsequent direct analysis of the supernatant by ion pair-LC-MS/MS.

Application of this methodology to the analysis of 7 composite samples collected daily during one week at the inlet of a WWTP from Barcelona showed:

- a daily consumption of pure alcohol of 11000 to 25000 Kg/day in the studied area, which represents an averaged alcohol consumption of 18 mL/day/inhabitant, - in agreement with similar studies performed in other countries, alcohol consumption values, estimated with the sewage epidemiology approach, lower than those published in the official reports (32 mL/day/inhabitant for Spain in the period 2003/2005, according to the WHO), - concentrations of EtS, thus alcohol consumption, higher during the weekend than on weekdays.

3. The extensive monitoring performed to investigate the occurrence of DAs in surface water in Iberian rivers showed:

- comparatively higher levels of DAs in small rivers receiving WWTPs effluents than in the main course of the river, - that COC, BE, EPH, MDMA, METH and EDDP were the most ubiquitous compounds, and BE and EPH the most abundant ones (with concentrations up to 144 ng/L), - no direct links between the rivers flow and the levels of DAs, indicating that other attenuation mechanisms play significant roles in the environment, - consistent, statistical significant differences in the presence of DAs between basins only in the case of MDMA, which suggests differentiated geographical consumption of this ATS in the studied area, - a certain risk for aquatic organisms due to the presence of DAs in 4 out of the 144 river waters samples analyzed, being EDDP, METH, LOR, and MDMA the most concerning compounds.

4. The 5-year monitoring of DAs and alcohol in 24-h composite wastewater samples collected daily during one week in the middle of March from the inlet of a WWTP giving service to Barcelona city and its metropolitan area, showed that:

- the most abused substance in Barcelona in the studied period was alcohol, followed by cannabis, cocaine, and ephedrine, in agreement with the last Drug Report of the Spanish Observatory of Drugs and Drug Addiction (OEDT), - overall consumption of DAs increased in the studied period, from an average annual load of 6.5 kg/day in 2011 to 12 kg/day in 2015 (85% increase),

- this upward trend was mainly related to a higher consumption of cannabis, since consumption of other drugs increased to a lower extent (by 26%) and consumption of alcohol and heroin either decreased or remained stable, - the optimized analytical method developed and applied to the analysis of DAs in the above wastewater samples is accurate, robust and reliable, at least for the compounds BE, AM, MA, MDMA, 6ACM and THC-COOH tested in the inter-laboratory exercises annually organized within the “SCORE” European COST Action.

5. The extensive monitoring of the presence of DAs in airborne matter collected in eleven different districts of the city of Barcelona in order to study presence and levels of DAs in airborne matter and to assess if levels found in this matrix can provide further information on drugs consumption in the investigated area showed that:

- the most ubiquitous compounds were COC, its TP BE, MA, and CBN, detected in more than 76% of the analyzed samples; CE, DIA, LSD, OH-LSD, MOR, OH-THC, and THC- COOH were not detected; and the remaining compounds were present in less than 39% of the samples, - CBN was be most abundant compound, reaching the highest mean concentration of 985 pg/m3, followed by COC (267 pg/m3), and CBD (214 pg/m3), - there are significant differences between sampled days and locations, pointing out to specific local emissions, though - the high temporal correlations between PM10 and total DAs in each site also suggest a strong influence of the meteorological conditions on the concentration of DAs in airborne matter, - based on the concentrations measured, neither toxic nor psychotropic acute effects are expected from the daily exposure to these compounds.

En las últimas décadas el desarrollo de técnicas analíticas cada vez más sensibles ha permitido poner en evidencia la presencia en el medio ambiente de un gran número de compuestos potencialmente peligrosos para la salud humana y la del medio ambiente entre los que se encuentran las drogas de abuso (DAs) y sus metabolitos. Además de conocer su presencia y distribución en los diferentes compartimentos ambientales, el estudio de drogas y metabolitos en el medio ambiente tiene como objetivo también estimar el consumo de estas sustancias a partir de los niveles medidos de determinados indicadores de consumo en el agua residual de entrada a las estaciones depuradoras (EDARs) mediante la aplicación del denominado “método epidemiológico del agua residual”.

La presencia de drogas y de sus metabolitos en agua residual y superficial había sido ya ampliamente documentada a nivel nacional e internacional al inicio de esta tesis doctoral. Por ello, y con el fin de generar nuevo conocimiento en esta área, durante esta tesis se investigó el destino de estos compuestos en el medio ambiente, evaluando su presencia en compartimientos ambientales apenas estudiados hasta la fecha, como lodos de depuradoras, y partículas atmosféricas.

Para cumplir con los objetivos propuestos, se desarrollaron diferentes metodologías analíticas sensibles y selectivas para la determinación de estos compuestos en diferentes matrices ambientales: drogas en lodos de EDAR (publicación #1) y etil sulfato (EtS) en aguas residuales (publicación #2). Éstas y otras metodologías analíticas previamente desarrolladas en el laboratorio y optimizadas en el transcurso de esta tesis se emplearon para el análisis de un número significativo de muestras medioambientales con el fin de estudiar la presencia y el destino de estos compuestos en cuatro cuencas hidrográficas de España (Llobregat, Ebro, Júcar y Guadalquivir) durante dos años consecutivos (publicación #3 ), y en el aire de la ciudad de Barcelona (publicación #5); y de estimar los hábitos de consumo de drogas de abuso (publicación #4) y de alcohol (publicaciones #2 y #4) en la ciudad de Barcelona.

En todas las metodologías analíticas empleadas la separación e identificación de los compuestos seleccionados en las diferentes matrices ambientales se llevó a cabo mediante cromatografía de líquidos acoplada a espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS). Para su cuantificación, se usaron compuestos análogos

marcados isotópicamente, añadidos a una concentración conocida al principio del proceso analítico (método de dilución isotópica). La extracción de drogas de lodos de depuradoras para su análisis posterior por LC-MS/MS se realizó mediante extracción con líquidos presurizados (PLE), seguida de purificación del extracto obtenido mediante extracción en fase sólida (SPE). Durante la optimización de la metodología analítica se estudiaron las variables más importantes (disolvente, temperatura y número de ciclos de extracción en el caso de la PLE, y fase sorbente y disolventes de lavado y elución en el caso de la SPE) con el fin de obtener la mayor selectividad y recuperación posible para todos los analitos. Las mejores eficiencias de extracción con PLE se obtuvieron usando una temperatura de extracción de 50 ºC y un único ciclo de extracción con una mezcla de metanol y agua (9/1, v/v) como disolvente de extracción. A pesar de los intentos realizados para reducir en lo posible los efectos de matriz (adición de alúmina en la celda de extracción y purificación del extracto mediante SPE) la señal de los analitos se vio reducida debido a interferencias de la matriz entre un 26 y 89%, siendo los cannabinoides y las benzodiazepinas los compuestos más afectados. Sin embargo, el uso de compuestos análogos marcados isotópicamente, que contribuye a corregir los efectos de matriz así como posibles pérdidas durante la extracción, permitió una determinación fiable de los compuestos objeto de estudio en esta matriz, ya que se obtuvieron recuperaciones relativas entre 89 y 130%. Este método, que permite cuantificar todos los compuestos seleccionados por debajo de 3,3 ng/g de peso seco, excepto en el caso de los cannabinoides (límites de cuantificación entre 8,2 y 22,5 ng/g de peso seco), se aplicó al análisis de lodos de 15 EDARs diferentes, y posibilitó la investigación por vez primera de nueve analitos (cocaetileno (CE), efedrina (EPH), heroína (HER), alprazolam (ALP), dietilamida de ácido lisérgico LSD, 2-oxo-3-hidroxi LSD (OH-LSD), delta-9-tetrahidrocannabinol THC, Cannabinol (CBN) y cannabidiol (CBD)) en esta matriz. Los compuestos más lipofílicos, es decir, los cannabinoides y el opioide sintético metadona (METH) y su metabolito EDDP, fueron los que se encontraron a mayores concentraciones en las muestras investigadas (concentraciones medianas entre 16 y 168 ng/g de peso seco), y por lo tanto, son los que presentan mayor potencial de ser reintroducidos en el medio ambiente tras la aplicación de lodos como fertilizantes en agricultura o la disposición de éstos en los vertederos. El resto de los compuestos, excepto HER, 6-acetil morfina (6ACM), LSD y OH-LSD, que no fueron detectados en ninguna muestra, presentaron concentraciones medianas por debajo de 7 ng/g de peso seco.

En el caso del EtS, dados los relativamente altos niveles de este compuesto en el agua residual (del orden de µg/L), se optó por la inyección directa de la muestra. Además, dada su elevada polaridad, el análisis se realizó mediante cromatografía de par iónico con una columna cromatográfica de fase inversa convencional. La recuperación y la sensibilidad del método se evaluaron usando diferentes concentraciones y tipos de pares iónicos (acetato de amonio y acetato de dibutilamonio), gradientes de elución, y volúmenes de inyección de muestra. La metodología analítica desarrollada permite cuantificar este metabolito del etanol a concentraciones por encima de 0,07 μg/L, con una repetitividad del 2,3% (desviación estándar relativa). Su aplicación a muestras de agua residual recogidas en una de las principales EDARs que da servicio a la ciudad de Barcelona a lo largo de una semana, reveló unas concentraciones de EtS que oscilaban entre 5,5 y 32,5 μg/L, midiéndose los mayores valores durante el fin de semana. Las concentraciones observadas corresponden a un consumo medio de alcohol puro en el área de 18 mL/día/habitante. Este valor resultó ser inferior al valor de 32 mL/día/habitante publicado para España por la OMS en el período 2003/2005; la diferencia podría deberse a patrones de consumo diferentes en otras zonas geográficas.

En el marco de esta tesis doctoral, y del proyecto SCARCE (CONSOLIDER- INGENIO 2010), también se estudió de manera exhaustiva la presencia de drogas en aguas de cuatro cuencas hidrográficas de España (Llobregat, Ebro, Júcar y Guadalquivir) durante dos años consecutivos (2010 and 2011) con el fin de (i) relacionar los niveles de drogas encontrados con las condiciones hidrológicas de los ríos, (ii) estudiar diferencias geográficas y (iii) estimar el riesgo ecotoxicológico asociado a la presencia de estos compuestos en el medio ambiente. Los compuestos más ubicuos en aguas superficiales fueron cocaína (COC), benzoilecgonina (BE), EPH, MDMA, METH y EDDP, presentes en más del 50% de las muestras analizadas, aunque en general, a concentraciones muy bajas, de unos pocos ng/L. Las mayores concentraciones totales de drogas (por encima de 100 ng/L) se detectaron en los afluentes de los ríos principales, debido a su bajo caudal y, por tanto, limitada capacidad de dilución de los efluentes de las diferentes EDARs que descargan en ellos. El Llobregat fue de los 4 ríos estudiados el único que presentó niveles acumulados de drogas por encima de los 100 ng/L, y en el que se pudo observar un claro incremento en la concentración de estos compuestos a lo largo de su recorrido hasta la desembocadura en el mar. En general, los niveles de drogas encontrados no presentaron una relación directa con las condiciones hidrológicas de los ríos, lo cual indica que otros factores pueden alterar la dilución natural de aguas residuales, y en

consecuencia, de las drogas presentes en esta matriz (atenuación natural, hábitos de consumo, eficiencias de eliminación en la EDAR). El análisis estadístico de los datos reveló diferencias significativas en la presencia de drogas en las aguas superficiales de diferentes cuencas, y en particular para el MDMA, lo cual apunta a diferentes hábitos de consumo en las regiones investigadas. Por último, en base al cálculo de cocientes de riesgo (Hazard Quotients) realizado, solo cuatro muestras presentaron cierto riesgo para los organismos acuáticos, siendo EDDP, METH, lorazepam (LOR) y MDMA los compuestos que pueden generar una mayor ecotoxicidad.

Por otra parte, en el marco de una colaboración internacional realizada dentro de la red Europea SCORE, que tiene como objetivos estudiar el consumo de drogas monitorizando los niveles de indicadores de su consumo en agua residual, y armonizar y estandarizar esta metodología (método epidemiológico del agua residual), se estudiaron los niveles de drogas en las aguas residuales de una EDAR de Barcelona diariamente a lo largo de una semana, a mediados de Marzo, durante cinco años consecutivos, con el fin de investigar patrones de consumo de las mismas y la tendencia a lo largo del tiempo en esta ciudad. Los resultados obtenidos, que apuntan al alcohol como la sustancia más consumida, seguida del cannabis, cocaína y efedrina, están en consonancia con los contenidos del último Informe sobre Drogas del Observatorio Español de Drogas y Toxicomanías. Los indicadores de consumo encontrados en el agua residual evidencian en general un aumento constante del uso de estas sustancias (de 6,5 kg/día en total de drogas en 2011 a 12 kg/día en 2015), siendo el consumo de cannabis el principal responsable de este incremento. Sólo en el caso de heroína, se observó una tendencia decreciente de consumo. Estos hallazgos contrastan con la tendencia general decreciente en el consumo de cannabis, cocaína y anfetamina publicada en los últimos informes oficiales para España. En cuanto a los hábitos de consumo de estas sustancias a lo largo de la semana, se observó un mayor consumo de alcohol, cocaína y MDMA durante el fin de semana que entre semana, lo que se asocia con un mayor uso recreativo de estas sustancias. Por otra parte, relaciones directas significativas en la concentración de distintos compuestos sólo se observó en el caso de EtS y BE, lo cual apunta el uso asociado de alcohol y cocaína en el área investigada.

Dentro del SCORE se ha participado además en ensayos inter-laboratorio desde el 2011 para evaluar la metodología empleada para analizar algunos de los indicadores de consumo de drogas en agua residual, en concreto: BE, anfetamina (AM), metanfetamina (MA), MDMA, 6ACM y 11-nor-9-carboxi-Δ9-THC (THC-COOH).

Se obtuvieron resultados satisfactorios (Z-score entre -2 y +2) en todas las matrices investigadas (metanol, agua HPLC y agua residual) en todos los ejercicios realizados para todos los analitos, excepto para la BE en una muestra en 2014 (z-score = 2,40), que resultó ligeramente sobreestimada con respecto a la media de los laboratorios participantes.

El último trabajo incluido en esta tesis investiga la presencia de drogas en el aire de la ciudad de Barcelona y posibles diferencias espaciales (entre distintos distritos) y temporales (distinguiendo entre días laborables y fines de semana). Aunque en trabajos previos se había demostrado la presencia de drogas en partículas atmosféricas en diferentes partes del mundo, este estudio tenía como objetivo investigar de manera exhaustiva la presencia y distribución de estos compuestos en partículas atmosféricas (PM10) de diferentes puntos de la ciudad de Barcelona y evaluar si los niveles detectados en esta matriz podrían proporcionar información adicional acerca de los hábitos de consumo y tráfico de drogas por parte de la población. Las drogas más frecuentemente detectadas en partículas atmosféricas (PM10) en Barcelona fueron COC, BE, MA y CBN (presentes en más del 76% de las muestras analizadas). En todos los casos, cocaínicos y cannabinoides contribuyeron significativamente a la cantidad total de drogas en esta matriz. En términos de abundancia, CBN presentó la concentración media más alta (985 pg/m3), seguido por COC (267 pg/m3) y CBD (214 pg/m3). La elevada correlación entre la cantidad de PM10 y el nivel total de drogas encontrado en las distintas muestras indica que la presencia de drogas en esta matriz está altamente determinada por las condiciones meteorológicas, y que, por lo tanto, es difícil relacionarla con hábitos de consumo en una determinada zona geográfica. Sin embargo, picos de concentración puntuales encontrados sí podrían guardar relación con emisiones locales. Con este trabajo se evidenció que la estimación del consumo de drogas a partir de las concentraciones detectadas en el aire sigue siendo una tarea complicada que requiere más investigación (mayor conocimiento acerca de la fotodegradación, deposición, y dispersión de estos compuestos en diferentes condiciones meteorológicas).

Durante el periodo de formación, con el fin de potenciar colaboraciones entre centros de investigación y la adquisición de conocimiento de nuevas herramientas de investigación, se realizó una estancia de tres meses en la University of Bath, Department of Chemistry, Faculty of Science, Bath, UK, bajo la supervisión de la Dra. Barbara Kasprzyk-Hordern. Durante esta estancia se estudió a nivel enantiomérico el destino del MDMA durante el tratamiento de aguas residuales utilizando diferentes

herramientas para la separación enantiomérica (cromatografía de líquidos quiral) y la formación de productos de transformación mediante espectrometría de masas de alta resolución.

Los resultados obtenidos en los diferentes trabajos llevados a cabo en el marco de esta tesis doctoral se han dado a conocer a la comunidad científica a través de diferentes publicaciones en revistas especializadas así como a través de la participación en numerosos congresos, tanto nacionales como internacionales. Esta tesis ha contribuido a generar conocimiento acerca de la presencia y el destino ambiental de las principales drogas de abuso en el medio ambiente y a desarrollar y evaluar la aplicación del método epidemiológico del agua residual para estimar el uso de drogas en una determinada población. Esta metodología, aunque aún está sujeta a ciertas incertidumbres (asociadas a la estimación de la población a la que da servicio la EDAR, y la estabilidad y el metabolismo de las drogas), nos permite obtener información acerca del uso de drogas a tiempo casi-real, y así evaluar tendencias de uso a nivel espacial y temporal de una manera rápida, económica y fiable. Por otro lado, queda aún por demostrar el valor añadido del control y vigilancia ambiental de estos compuestos en aire para estimar y evaluar figuras y hábitos de consumo.

En consonancia con estudios previos, los resultados obtenidos en esta tesis excluyen un efectos adversos a corto plazo sobre la salud humana y la de los organismos acuáticos asociado a la presencia de drogas en los compartimentos estudiados. Sin embargo, nada se sabe acerca de los efectos a largo plazo de una exposición constante a estos contaminantes emergentes. Además, en los últimos años, el desarrollo de metodologías analíticas basadas en la espectrometría de masas de alta resolución ha permitido demonstrar la presencia de una mezcla más compleja de productos de transformación y metabolitos previamente desconocidos, que han de ser también caracterizados, para poder evaluar correctamente los potenciales riesgos para los ecosistemas, y eventualmente para el hombre, de la continua exposición a estas mezclas.