Estudi de processos de degradació de contaminants orgànics ambientals mitjançant tècniques cromatogràfiques i d'espectrometria i de mètodes quimiomètrics

Abstract

En els darrers anys, l’augment en la producció de compostos orgànics sintètics i el seu constant alliberament al medi ambient, sobretot en referència als productes farmacèutics, compostos en els quals s’ha centrat aquesta tesi, ha fet que aquestes substàncies d’origen generalment antropogènic s’hagin anat acumulant als ecosistemes biològics de forma important, extensa i persistent, especialment en el medi aquàtic. Per aquest motiu, és necessari utilitzar processos de depuració ambiental per tal d’eliminar les substàncies nocives per a la salut i el medi ambient que aquestes puguin ocasionar. Tanmateix, les tecnologies de depuració emprades encara no permeten eliminar aquestes substàncies totalment de forma quantitativa. A més, els possibles efectes perjudicials d’aquestes substàncies pel medi ambient no es produeixen només pels compostos originals, sinó que en molts casos, també pels seus productes de degradació i metabòlits. Consegüentment, és important conèixer el destí i la transformació que sofreixen els contaminants orgànics un cop entren en l’ecosistema i arriben al medi aquàtic. Cal, doncs, tenir present que l’aigua és un recurs imprescindible per a la vida que requereix de la millor qualitat sanitària possible per al seu consum. La matèria orgànica dissolta (DOM), present tant en aigües superficials com en subterrànies, i que té un efecte significatiu en els processos bioquímics dels sistemes aquàtics, actua moltes vegades com indicador del nivell de qualitat i salubritat que té l’aigua. Per tant, a l’hora d’optimitzar els processos de purificació realitzats, és també de gran importància conèixer i actuar sobre la concentració i les característiques de la DOM present en ella. Per aquest motius, en la present Tesi s’han realitzat els següents estudis: D’una banda, per tal de conèixer i entendre millor el procés de fotodegradació de fàrmacs, s’ha estudiat el procés de degradació de dos d’ells. En un primer estudi, diferents mostres d’un medicament citostàtic (tamoxifè) es sotmeten a una font de radiació UV controlada en el laboratori, que simula la radiació solar ambiental (suntest), emprant dues potències d’irradiació diferents. Al mateix temps, es realitza el seguiment de la seva fotodegradació a partir de mesures espectrofotomètriques UV-Visible i de fluorescència multidimensional (matrius d’excitació-emissió, EEM). Seguidament, diferents alíquotes de mostra al llarg de la degradació són analitzades mitjançant LC-DAD, LC-MS i/o LC-FLD. Aquestes anàlisis, que generen una quantitat de dades molt elevada, es fusionen i tracten simultàniament a partir de procediments quimiomètrics avançats (especialment amb el mètode de resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS)), que permeten descriure el procés i la reacció de degradació, resoldre els diferents productes de transformació (TPs), fer la seva identificació i fer l’avaluació de la cinètica associada al procés estudiat. Com a resultat d’aquest estudi, 3 TPs i 1 isòmer del tamoxifè van ser caracteritzats. Un segon estudi amb el mateix objectiu va ser realitzat sobre l’antibiòtic sulfametoxazol, present en rius i efluents de tot Europa en concentracions destacables. Addicionalment, un estudi de les propietats àcid-base d’aquesta substància va ser dut a terme per tal de veure com el pH pot afectar a l’especiació d’aquest compost. De la mateixa manera, per tal de conèixer si la fotodegradació del fàrmac es troba influenciada per aquest paràmetre, el procés de degradació va ser estudiat emprant solucions de mostra a pH diferents. Com a resultat de l’anàlisi quimiomètrica de les dades d’aquest segon estudi, un isòmer conformacional, un fotoproducte desconegut i 4 TPs van ser caracteritzats. D’altra banda, 3 formes diferents de l’antibiòtic van ser detectades en la corresponent valoració àcid-base. D’altra banda, per conèixer la qualitat de les aigües superficials dels rius, diferents mostres d’aigua superficial procedents de la conca del riu Llobregat han estat analitzades i caracteritzades mitjançant la fluorescència multidimensional (EEM). En aquest estudi, el seguiment de la qualitat de l’aigua a partir de la combinació de les mesures fluorimètriques d’EEM i de la seva modelització quimiomètrica flexible, per mitjà també del MCR-ALS, ha permès obtenir informació sobre la naturalesa de les fraccions de la DOM (origen húmic, fúlvic, proteínic, etc.) presents al riu Llobregat i de la seva distribució geogràfica al llarg de la conca en diferents campanyes de mostreig ambientals. Així doncs, atès que avui dia existeix una necessitat urgent per desenvolupar noves eines de tractament de dades multivariants, tals com les que s’han obtingut en aquesta Tesi en els diferents casos d’interès ambiental estudiats, la memòria que es presenta vol contribuir a resoldre aquest coll d'ampolla a partir de l’ús de la quimiometria, i en especial del mètode MCR-ALS, el qual pot jugar un paper molt important en la resolució de molts dels problemes associats a l’anàlisi de dades en diferents àmbits d’aplicació química i ambiental.

In recent years, the increase in the production of synthetic organic compounds and their constant release into the environment, especially in reference to pharmaceuticals, compounds on which this thesis has focused, has meant that these substances of origin generally anthropogenic have been accumulating in biological ecosystems in an important, extensive, and persistent way, especially in the aquatic environment. For this reason, it is necessary to use environmental purification processes to eliminate substances that are harmful to health and the environment. However, the purification technologies used today do not yet allow these substances to be completely eliminated in a quantitative way. In addition, the potentially harmful effects of these substances on the environment are not only due to the original compounds, but in many cases also to their degradation products and metabolites. Consequently, it is important to know the fate and transformation that organic pollutants undergo once they enter the ecosystem and reach the aquatic environment. We must therefore keep in mind that water is an essential resource for life that requires the best possible sanitary quality for its consumption. Dissolved organic matter (DOM), present in both surface and groundwater, and which has a significant effect on the biochemical processes of aquatic systems, often acts as an indicator of the level of quality and health of water. Therefore, when optimizing the purification processes carried out, it is also very important to know and act on the concentration and characteristics of the DOM present in it. For this reason, the following studies have been performed in this Thesis: On the one hand, to better understand the process of photodegradation of drugs, the degradation process of two of them has been studied. In a first study, different samples of a cytostatic drug (tamoxifen) were subjected to a controlled source of UV radiation in the laboratory, which simulates solar radiation (suntest), using two different irradiation powers. At the same time, its photodegradation is monitored using UV-Visible spectrophotometric measurements and multidimensional fluorescence (excitation-emission matrices, EEM). Then, different sample aliquots along the degradation are analyzed by LC-DAD, LC-MS and / or LC-FLD. These analyzes, which generate a very high amount of data, are merged and treated simultaneously using advanced chemometric procedures (especially with multivariate curve resolution alternating least squares method (MCR-ALS)), which describe the process and the degradation reaction, solve the different transformation products (TPs), identify them and evaluate the kinetics associated with the process studied. As a result of this study, 3 TPs and 1 isomer of tamoxifen were characterized. A second study with the same aim was carried out on the antibiotic sulfamethoxazole, present in rivers and effluents from all over Europe in remarkable concentrations. Additionally, a study of the acid-base properties of this substance was conducted to see how pH can affect the speciation of this compound. Similarly, to know whether the photodegradation of the drug is influenced by this parameter, the degradation process was studied using sample solutions at different pH. As a result of the chemometric analysis of the data from this second study, a conformational isomer, an unknown photoproduct, and 4 TPs were characterized. On the other hand, 3 different forms of the antibiotic were detected in the corresponding acid-base titration. On the other hand, to know the quality of the surface water of the rivers, different samples of surface water from the Llobregat river basin have been analyzed and characterized by multidimensional fluorescence (EEM). In this study, the monitoring of water quality from the combination of the fluorometric measurements of EEM and its flexible chemometric modeling, also through the MCR-ALS, has made it possible to obtain information on the nature of the fractions of the DOM (humic, fulvic, protein origin, etc.) present in the Llobregat river and its geographical distribution along the basin in different environmental sampling campaigns. Therefore, given that there is an urgent need today to develop new multivariate data processing tools, such as those obtained in this Thesis in the different cases of environmental interest studied, the presented report aims to contribute to solve this bottleneck from the use of chemometrics, and especially the MCR-ALS method, which can play a very important role in solving many of the problems associated with data analysis in different areas of chemical and environmental application.