LC-MS/MS QTOF analysis of river water identifies contaminants of environmental concern by non-targeted profiling

LC-MS/MS QTOF analýza říční vody: non-targeted profilování kontaminantů životního prostředí

Význam tématu

Identifikace kontaminantů zájmu v povrchových vodách je klíčová pro pochopení vlivu odpadních vod, povrchového odtoku a průmyslových vstupů na kvalitu vody a zdraví ekosystémů. Non-targeted analýza (NTA) s vysokým rozlišením umožňuje detekci neočekávaných a dosud nehlášených sloučenin, rozšiřuje chemický prostor mimo tradiční cílové seznamy a podporuje včasné rozpoznání nově se objevujících kontaminantů a jejich zdrojů.

Cíle a přehled studie / článku

- Cílem bylo aplikovat workflow non-targeted analýzy (Insight Profiler) na data z LC/QTOF pro screening kontaminantů v městských říčních vodách a porovnat rozdíly mezi lokalitami.
- Vzorkování proběhlo na 12 lokalitách dvou říčních systémů v Londýně: komplexní, přílivově ovlivněná řeka Thames a malý, vysoce urbanizovaný přítok Hogsmill. Hodnoceny byly vlivy čistírenských výpustí, povrchového odtoku a dopravou podmíněných emisí.

Použitá metodika a instrumentace

- Vzorkování: odtokové grab vzorky z 12 míst; vytvořen byl pooled QC aliquot pro kontrolu kvality během běhů.
- Příprava vzorků: filtrace Millipore Ultrafree (PVDF 0,22 µm) centrifugací 4 min při 12 000 g; přímá injekce objemu 40 µL.
- Chromatografie: Nexera X2, kolonka Shim-pack Velox Biphenyl (100 x 2.1 mm, 2.7 µm), teplota 40 °C, průtok 0,3 mL/min, binární gradient methanol:voda s 2 mM amonnou formiátovou solí a 0,002 % kyseliny formiové, doba analýzy ~17 min (reversed-phase „forensic toxicology“ gradient).
- Hmotnostní spektrometrie: LCMS-9050 QTOF; MS scan m/z 100–1000, čas skenování 100 ms; DIA MS/MS: 35 po sobě jdoucích skenů (m/z 100–500 s izolační šířkou 20 Da; m/z 500–1025 s šířkou 35 Da), 25 ms scan time pro MS/MS, celkový cyklus ~0,925 s.
- Software a zpracování dat: Insight Profiler pro detekci a zarovnání signálů, statistické filtry a screening proti velkým knihovnám (Shimadzu Forensic Toxicology DB, MassBank .msp). Parametry identifikace pro vysokou důvěru: mass tolerance do 5 ppm a shoda retenčního času do ±1 minuty.

Použitá instrumentace

- LC systém: Shimadzu Nexera X2
- Kolona: Shim-pack Velox Biphenyl (100 x 2.1 mm, 2.7 µm)
- MS: Shimadzu LCMS-9050 QTOF ( vysoké rozlišení, DIA-MS/MS režim )
- Filtrace: Millipore Ultrafree MC-GV (PVDF 0,22 µm)
- Softwarové nástroje: Insight Profiler (non-targeted workflow), Shimadzu Forensic Toxicology databáze, MassBank .msp spektrální knihovny

Hlavní výsledky a diskuse

- Non-targeted workflow úspěšně odhalil široké spektrum antropogenních sloučenin: řada farmaceutik a metabolitů (venlafaxin, desmethylvenlafaxin, tramadol, O‑desmethyltramadol, gabapentin, ketamin, clarithromycin, metronidazol, carbamazepin, lidokain, tapentadol, apixaban aj.).
- Tradiční markery odpadních vod, paracetamol a kofein, byly detekovány konzistentně; v jednom malém urbanizovaném přítoku byly jejich hladiny snížené za výpustí ČOV, což může indikovat efektivní odstranění některých snadno rozložitelných sloučenin.
- Naproti tomu v lokalitách pod výpustí čistírny (na malém přítoku) byly zaznamenány výrazně vyšší koncentrace léků na předpis a jejich metabolitů, které tvořily významnou část detekovaných sloučenin (~70 %), což ukazuje na lokální dominance bodových zdrojů z ČOV.
- Detekce HMMM (hexa‑methoxymethyl‑melamine), aditiva používaného v povlacích, plastech a gumě a známého jako emisní produkt z dopravy, byla možná díky rozsáhlému suspect screeningu a MassBank knihovnám; nejvyšší hladina byla v lokalitě blízko silniční infrastruktury, což potvrzuje příspěvek dopravních zdrojů.
- Aplikace DIA‑MS/MS poskytla fragmentační informace vhodné pro vysokokonfidenční identifikace při podpoře spektrálních knihoven; nicméně plná kvantifikace a jednoznačné potvrzení vyžaduje standardy a reprodukovatelné retenční časy.

Přínosy a praktické využití metody

- NTA s LC/QTOF a DIA umožňuje „hypotézu‑volné“ mapování chemického složení rizikových vodních profilů a rychlou detekci nově se objevujících kontaminantů, které nejsou zahrnuty v cílených metodách.
- Workflow je užitečný pro environmentální monitoring, sledování účinnosti čistírenských technologií, identifikaci zdrojů (bodové vs. difuzní) a prioritizaci látek pro následné cílené analýzy.
- Opakované nasazení pooled QC a automatizované zpracování dat zvyšují robustnost a reprodukovatelnost analýzy ve větších šaržích vzorků.

Omezení studie

- Přímá injekce omezuje citlivost na velmi nízké hladiny stopových kontaminantů ve srovnání s extrakčními koncentracemi (SPE); výsledky jsou spíše semi‑kvantitativní.
- Ne všechny identifikace mohou být definitivní bez analytických standardů a potvrzení retenčním časem a kvalitou fragmentů.
- Interpretace původu některých sloučenin může být komplikovaná kvůli transformacím během čištění odpadních vod a v prostředí.

Budoucí trendy a možnosti využití

- Integrace rozsáhlých spektrálních knihoven a kooperativní sdílení .msp souborů pro zlepšení kvality identifikací a rozšíření databází emergentních kontaminantů.
- Využití strojového učení a pokročilé chemometrie pro automatickou prioritizaci signálů, odhalování vzorců a predikci původu sloučenin.
- Kombinace non‑targeted přístupů s pasivním odběrem vzorků a časově rozlišeným vzorkováním pro lepší prostorově‑časové pokrytí a odhad expozice.
- Následné cílené kvantitativní ověření klíčových zjištěných látek s použitím interních standardů a validovaných metod pro regulační nebo zdravotní hodnocení.

Závěr

Studie demonstruje, že LC‑QTOF s DIA‑MS/MS v kombinaci s robustním non‑targeted softwarem (Insight Profiler) efektivně mapuje chemický profil městských říčních vod, identifikuje široké spektrum farmaceutik, metabolitů a průmyslových aditiv (např. HMMM) a umožňuje rozlišení vlivu bodových zdrojů, jako jsou výpusti ČOV, od ostatních antropogenních vstupů. Metoda nabízí silný nástroj pro environmentální sledování a priorizaci látek pro následné ověření a řízení rizik, přičemž vyžaduje doplňující cílené analýzy pro úplné kvantitativní vyhodnocení.

Reference

- Barnes A., Armitage E. G., Ault J., Loftus N. J., Egli M., Rapp Wright H. L., Barron L. LC-MS/MS QTOF analysis of river water identifies contaminants of environmental concern by non-targeted profiling. Shimadzu Corporation / Imperial College London; WP 290.