Novel analytical methods for the identification of emerging contaminants in aquatic environments

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8811-7
Title: Novel analytical methods for the identification of emerging contaminants in aquatic environments
Author: Jernberg, Joonas
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Growth in economics and prosperity has been a global trend during recent decades and the use of chemicals has increased tremendously as a part of industrial production, agriculture and everyday life. The use of hazardous chemicals has been restricted by many intergovernmental treaties and legislation but new replacement chemicals are synthesized constantly and no decrease in the future production volumes of chemicals is soon expected. The term chemicalization is used to describe the increased use of chemicals and resultant environmental contamination. In the analysis of environmental samples, usually only some selected regulated compounds are measured. The problem with these target analyses is that other compounds remain undetected. Complementary techniques without any preselection of the analytes are thus required to identify new compounds. The aim of this study was to develop novel instrumental techniques for the determina-tion of organic compounds without any analyte preselection and to identify unknown anthropogenic contaminants in different water matrices. The methods developed were based on analytical separation, using gas and liquid chromatography combined with accurate mass measurement using time-of-flight mass spectrometry. The data produced were then processed with a deconvolution program to locate the chromatographic peaks and to extract their mass spectra. The measured accurate masses were then used to confirm the elemental compositions of the detected ions. The identification processes were validated, using spiked water samples, and finally the methods were applied to the identification of organic xenobiotics from wastewater effluent, stormwater, surface water and landfill leachate samples. The results showed that analysis using time-of-flight mass spectrometry enables screening of large analyte groups without previous information on sample composition. The most comprehensive knowledge is yielded by analysing the sample with both gas and liquid chromatography. In many cases, tentative compound identification can be obtained if the deconvoluted spectra and accurate mass data are complemented with information, e.g. from spectral libraries and peak isotope patterns. This tentative identifications must, however, always be confirmed with a pure standard compound. The main limitations of the methods were related to insufficient features of the deconvolution program used. Most of the data-processing stages had to be performed manually or visually, which slows down the data processing and hinders their applicability, especially with large sample sets. Dozens of compounds were tentatively identified from water samples and several of them were also confirmed with a standard compound. The highest numbers of compounds were identified from wastewater effluent, stormwater and landfill leachate samples. The results confirmed the fact that anthropogenic waste streams are an important route for organic xenobiotics into the environment. Since the future volumes of chemicals will increase, the control and efficient treatment of these fluxes becomes evermore essential.Globaalin vaurastumisen myötä maapallon teollinen tuotanto, maatalous ja jokapäiväi-nen arkielämä perustuvat yhä enemmän erilaisten kemikaalien käyttöön. Tämän kehi-tyksen haittapuoli on ympäristön kemikalisoituminen, jolla tarkoitetaan yhä lisääntyvää kemikaalien käyttöä ja sitä kautta tapahtuvaa ympäristön pilaantumista. Haitalliseksi tunnistettujen yhdisteiden käyttöä on rajoitettu useilla kansainvälisillä sopimuksilla ja kansallisella lainsäädännöllä, mutta uusia korvaavia yhdisteitä kehitetään ja otetaan käyttöön jatkuvasti, eikä kemikaalien käytön vähenemistä ole näköpiirissä. Pitkään jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta vain harvojen kemiallisten yhdisteiden päästöt ja pitoisuudet ympäristössä tunnetaan. Tyypillisesti kemikaalien määritykset ympäristöstä rajoittuvat lainsäädännössä mainittuihin haitta-aineisiin muiden yhdisteiden jäädessä huomiotta. Ympäristönäytteiden kokonaisvaltaisempi analyysi edellyttää laboratoriolta uusia menetelmiä, jotka mahdollistavat myös etukäteen määrittelemättömien yhdisteiden tunnistamisen ja mittaamisen. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena on ollut kehittää uusia, ensisijaisesti kvalitatiivisia, instrumenttianalyyttisiä menetelmiä vesien sisältämien orgaanisten yhdisteiden määritykseen ilman etukäteisvalintaa sekä tunnistaa antropogeenisiä haitta-aineita erityyppisistä vesinäytteistä. Tutkimuksessa kehitetyt menetelmät perustuvat kaasu- ja nestekromatografiseen erotukseen ja analyyttien tarkan massan mittaukseen lentoaikamassaspektrometrillä sekä kerätyn aineiston käsittelyyn dekonvoluutio-ohjelmistolla. Analyysimenetelmiin liittyvät tunnistusprosessit validoitiin tutkimalla tunnettuja väkevöityjä näytteitä, jonka jälkeen menetelmiä sovellettiin Päijät-Hämeen alueelta kerättyihin jätevesi-, hulevesi-, pintavesi- ja kaatopaikan suotovesinäytteisiin. Tutkimustulokset osoittivat, että analyysi lentoaikamassapektrometrillä mahdollistaa suurten yhdistejoukkojen seulonnan ilman ennakkotietoa näytteen koostumuksesta. Kattavin tieto näytteestä saavutetaan, kun näyte analysoidaan sekä kaasu- että nestekromatografisilla menetelmillä. Useissa tapauksissa mittauksilla voidaan saavuttaa alustava tunnistus yhdisteestä, mikäli tarkan massan mittauksiin yhdistetään tietoa esimerkiksi spektrikirjastoista ja ionien isotooppisuhteista. Lopullisen tunnistuksen tulee kuitenkin aina perustua malliaineen käyttöön. Tunnistusmenetelmien suurimmat rajoitteet johtuivat käytetyn dekonvoluutio-ohjelman puutteellisista ominaisuuksista, jonka vuoksi valtaosa työvaiheista jouduttiin suorittamaan manuaalisesti. Tulosten käsittelyn hitaus, erityisesti suurten näytemäärien yhteydessä, rajoittaakin vielä toistaiseksi menetelmien laaja-alaista sovellettavuutta. Tutkituista näytteistä tunnistettiin alustavasti kymmeniä yhdisteitä, joista osa varmistettiin myös malliaineilla. Suurimmat lukumäärät yhdisteitä tunnistettiin puhdistetusta jätevedestä, hulevedestä ja kaatopaikan suotovedestä. Tulokset osoittavat, että ihmisen toiminnasta syntyvät jätevirrat muodostavat tärkeän reitin orgaanisten yhdisteiden kulkeutumiselle ympäristöön. Kemikaalien käyttömäärien kasvaessa, näiden päästölähteiden kontrolloinnin ja asianmukaisen käsittelyn merkitys tulee entisestään korostumaan.
URI: URN:ISBN:978-952-10-8811-7
http://hdl.handle.net/10138/39273
Date: 2013-06-07
Subject: ympäristötieteet
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
novelana.pdf 1.413Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record