Detection and fate of pharmaceutical compounds and personal care products in the environment

In the present thesis, different novel, powerful and “green” analytical protocols used for rapid and accurate measurement of trace amounts of insect repellents and parabens in various aqueous matrices. The detection of these pollutants was carried out using the solid phase micro-extraction (SPME) and liquid phase micro-extraction (LPME). The study of the photolytic fate of these compounds was monitored in various aqueous environmental matrices in order to determine the rates of decomposition and the effect of environmental matrix in the process of photolysis.More specifically, in chapter 1 of this thesis a brief overview of basic sample preparation techniques and a more detailed description in the hollow fiber liquid phase microextraction (HF-LPME) and SPME is discussed. The various degradation mechanisms and kinetics, that pollutants may follow in the environment are also reported.In chapter 2, the applicability of three phase HF-LPME coupled to liquid chromatography- multiple wavelength detector for the extraction of four parabens (methyl-, ethyl-, propyl- and butyl- paraben) from environmental water samples is demonstrated.Parameters such as extraction solvent, volume and pH of donor and acceptor solution, agitation speed of the aqueous sample and sampling time were controlled and optimised. Target analytes were extracted for 30 min from 14 mL of aqueous samples adjusted to pH 6 (donor solution) stirred at 1000 rpm through a thin phase of 1-octanol inside the pores of a 5.5 cm polypropylene hollow fiber and finally into a 18 μL basic acceptor solution placed in the lumen of the hollow fiber. The method provides isolation and preconcentration of the analytes as well as a final extract compatible with LC analysis without additional purification.The calculated calibration curves gave a high level of linearity for all target analytes in the range of 0.5-1000 μg L−1 with correlation coefficients higher than 0.9955. The repeatability of the proposed method, expressed as relative standard deviation varied between 1.6 and 7.0 % (n = 5) and 3.5 and 8.9 % (n = 5) for 10 and 100 μg L−1, respectively. The limits of detection were in the low μg L−1 concentration level. The applicability of the developed HF-LPME was demonstrated for real water samples. In particular, three different water samples originating from baby bathwater were analysed.In addition, the simplicity of the device and the low consumption of organic solvents made this method a cheap, green and easy procedure opening new pathways in environmental analysis.In chapter 3, the present thesis investigated the degradation of four parabens in ultrapure, natural waters and treated wastewater subjected to ultraviolet irradiation (16 W, 254 nm). The effect of operating conditions such as initial concentration and pH on the photodegradation of the parabens was studied. The results indicated that under direct photolysis with monochromatic light at 254 nm, nearly complete photoremoval of parabens (10 μg mL-1) could be achieved within 90 min of irradiation and the photochemical rates followed pseudo first-order kinetics. The removal of parabens was accelerated faster at pH 5 rather than at pH 7 and 11. The effect of important constituents of natural waters: (i.e. humic acids (HA) and nitrate ions) was also investigated the results showed that both of them act as filters in the aqueous photolysis of parabens. The presence of salt (NaCl) and 1-butanol in the ultrapure water solutions was also investigated on the degradation. 1-butanol as radical scavenger was found not to affect the photolytic rates of parabens, but the salt had a minor effect on target analytes. The environmental waters inhibited the photodegradation of parabens compared to ultrapure water. The inhibition followed the order of river water treatment wastewater.To the best of our knowledge the present work represents the first attempt to characterize the photochemistry of R-326 and butopyronoxyl, and as such some points need much more study. At this stage of the study our efforts were most focused on determining the mechanisms of decomposition and the effect of environmental matrix on the process of photolysis and not to identify the possible products formed. In summary, the use of SPME constitutes a powerful tool that clearly simplifies monitoring of photo-transformation processes.In chapter 5 of this thesis, conclusions and proposals for future investigation are presented.Στην παρούσα διατριβή, χρησιμοποιήθηκαν νέα, ισχυρά και "πράσινα" αναλυτικά πρωτόκολλα για την ταχεία και ακριβή μέτρηση μικροποσοτήτων εντομοαπωθητικών και παραβένιων σε διάφορες υδατικές μήτρες. Η ανίχνευση αυτών των ρύπων διεξήχθη χρησιμοποιώντας τη μικροεκχύλισης στερεά φάσης (solid phase microextraction, SPME) και τη μικροεκχύλιση υγρής φάσης (liquid phase microextraction, LPME). Ακολούθησε μελέτη της φωτολυτικής τύχης αυτών των ενώσεων σε διάφορες υδάτινες περιβαλλοντικές μήτρες, προκειμένου να καθοριστούν οι ρυθμοί αποσύνθεσης και η επίδραση της περιβαλλοντικής μήτρας στη διαδικασία της φωτόλυσης.Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο κεφάλαιο της παρούσα διατριβής παρέχει μια σύντομη επισκόπηση των βασικών τεχνικών παρασκευής δείγματος καθώς και μια λεπτομερέστερη περιγραφή της μικροεκχύλισης υγρής φάσης με σωληνοειδή μεμβράνη (hollow fiber liquid phase microextraction, HF-LPME) και της SPME. Επίσης αναφέρθηκαν οι διάφοροι μηχανισμούς αποδόμησης, καθώς και οι κινητικές, που μπορούν να ακολουθήσουν οι ρύποι στο περιβάλλον.Στο δεύτερο κεφάλαιο, αποδεικνύεται η εφαρμοσιμότητα της HF-LPME συζευγμένη με υγρή χρωματογραφία και ανιχνευτή πολλαπλών μήκων κύματος για την εξαγωγή και ανίχνευση των τεσσάρων παραβενίων (μεθυλ-, αιθυλ-, προπυλ- και βουτυλ παραβενίου) από περιβαλλοντικά δείγματα νερού.Παράμετροι όπως ο διαλύτης εκχύλισης, ο όγκος και το pΗ του διαλύματος δότη και δέκτη, η ταχύτητα ανάδευσης του υδατικού δείγματος και ο χρόνος δειγματοληψίας ελέγχτηκαν και να βελτιστοποιήθηκαν. Οι αναλυτές εκχυλίστηκαν για 30 min από 14 mL υδατικού δείγματος, του οποίου το pH είχε ρυθμιστεί στην τιμή 6 (διάλυμα δότης) και αναδευόταν με ταχύτητα 1000 rpm, μέσω μιας λεπτής φάσης από 1-οκτανόλη, η οποία βρισκόταν ακινητοποιημένη μέσα στους πόρους μιας 5,5 cm σωληνοειδούς μεμβράνης από πολυπροπυλένιο και τελικά σε 18 μL βασικού διαλύματος δέκτη, που βρισκόταν στον αυλό της σωληνοειδούς μεμβράνης.Η μέθοδος παρέχει την απομόνωση και προσυγκέντρωση των αναλυτών, καθώς και ένα τελικό εκχύλισμα συμβατό για την ανάλυση με υγρή χρωματογραφία χωρίς επιπλέον καθαρισμό. Οι καμπύλες βαθμονόμησης έδωσαν ένα υψηλό επίπεδο γραμμικότητας για όλους τους αναλύτες σε εύρος 0,5-1000 μg L-1 με συντελεστές συσχέτισης μεγαλύτερους από 0,9955. Η επαναληψιμότητα της προτεινόμενης μεθόδου, που εκφράζεται ως σχετική τυπική απόκλιση κυμάνθηκε μεταξύ 1,6 και 7,0 % (n = 5), και 3,5 και 8,9% (n = 5) για 10 και 100 μg L-1, αντίστοιχα. Τα όρια ανίχνευσης ήταν σε χαμηλά επίπεδα της τάξης των μg L-1. Η HF-LPME αποδείχθηκε για πραγματικά δείγματα νερού. Ειδικότερα, αναλύθηκαν τρία διαφορετικά δείγματα νερού που προέρχονται από εκπλύματα της μπανιέρας μωρών.Επιπλέον, η απλότητα της συσκευής και η χαμηλή κατανάλωση οργανικών διαλυτών κατέστησε τη μέθοδο αυτή φτηνή, πράσινη και εύκολη ανοίγοντας νέους δρόμους στην περιβαλλοντική ανάλυση.Στο τρίτο κεφάλαιο, η παρούσα διατριβή διερεύνησε επίσης την αποδόμηση τεσσάρων παραβενίων σε υπερκάθαρο, φυσικό νερό και επεξεργασμένα αστικά λύματα υποβάλλοντάς τα σε υπεριώδη ακτινοβολία (ultraviolet, UV) (16 W, 254 nm). Μελετήθηκαν η επίδραση των συνθηκών λειτουργίας, όπως η αρχική συγκέντρωση και το pΗ στην φωτοαποδόμηση των παραβενίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπό την άμεση φωτόλυση με μονοχρωματικό φως στα 254 nm θα μπορούσε να επιτευχθεί σχεδόν πλήρης φωτοαπομάκρυνση των παραβενίων (10 μg mL-1) σε χρόνο ακτινοβόλησης 90 min και οι φωτοχημικοί ρυθμοί ακολούθησαν κινητική ψευδο-πρώτης τάξης. Η απομάκρυνση των παραβενίων επιτεύχθηκε ταχύτερα σε pΗ 5 σε σχέση με το pΗ 7 και 11. Προσδιορίστηκαν επίσης η επίδραση των σημαντικών συστατικών των φυσικών υδάτων: χουμικά οξέα (humic acids, ΗΑ) και νιτρικά ιόντα και τα ααποτελέσματα έδειξαν ότι και τα δύο δρουν ως φίλτρα στην υδατική φωτόλυση των παραβενίων. Ερευνήθηκε επιπλέον η παρουσία του άλατος (NaCl) και της 1-βουτανόλη στην αποδόμηση των διαλυμάτων υπερκάθαρου νερού. Η 1-βουτανόλη ως μέσο δέσμευσης ριζών διαπιστώθηκε ότι δεν επηρέασε τους φωτολυτικούς ρυθμούς των παραβενίων, αλλά το αλάτι είχε μικρή επίδραση στους αναλύτες. Τα περιβαλλοντικά νερά ανέστειλαν την φωτοαποδόμηση των παραβενίων σε σύγκριση με το υπερκαθαρό νερό. Η αναστολή ακολούθησε της εξής σειρά: νερό ποταμού επεξεργασμένο λύμα.Τα αποτελέσματα που παρατηρήθηκαν στα πειράματα φωτοαποδόμησης του R-326 υπό την επίδραση υπεριώδους ακτινοβολίας συγκρίθηκαν επίσης με εκείνα που λήφθηκαν σε πειράματα φωτοαποδόμησης με προσομοιωμένη ηλιακή ακτινοβολία.Στο καλύτερο της γνώσης μας, η παρούσα εργασία αποτελεί την πρώτη απόπειρα να χαρακτηρίσει την φωτοχημεία τoυ R-326 και του butopyronoxyl, και ως εκ τούτου ορισμένα σημεία χρειάζονται περισσότερη μελέτη. Σε αυτό το στάδιο της μελέτης οι προσπάθειές μας εστιάστηκαν περισσότερο στον προσδιορισμό των μηχανισμών αποσύνθεσης και επίδρασης της περιβαλλοντικής μήτρας στη διαδικασία της φωτόλυσης και όχι στον προσδιορισμό των πιθανών προϊόντων που σχηματίζονται. Συνοψίζοντας, η χρήση της SPME αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο που απλοποιεί την παρακολούθηση σε διαδικασίες φωτομετασχηματισμού.Στο πέμπτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής παρουσιάζονται συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική έρευνα