Determinación de residuos de plaguicidas problemáticos en productos vegetales y suelos mediante cromatografía-espectrometría de masas en tándem

Actualmente, el uso de productos fitosanitarios para proteger a los cultivos está muy extendido. La presencia de residuos de estos compuestos en productos alimentarios y en el medioambiente puede suponer un riesgo para la salud de las personas y de los animales, así como para los ecosistemas, si no existen controles rigurosos sobre su uso. Para autorizar un plaguicida y controlar la presencia de sus residuos, la legislación europea establece límites máximos de residuos (LMR), que, a nivel comunitario, deben cumplirse para asegurar la protección de la salud. Aunque existen muchos métodos analíticos destinados a determinar plaguicidas de diversas familias de forma conjunta (métodos multirresiduales), en ocasiones se deben desarrollar métodos específicos para ciertos plaguicidas problemáticos que, por sus propiedades fisicoquímicas, requieren tratamientos especiales, y que en cualquier caso difícilmente se pueden incluir en los métodos multirresiduales. En esta tesis, se han afrontado diferentes situaciones analíticas relacionadas con la determinación de plaguicidas problemáticos en matrices vegetales y suelos. Los compuestos estudiados no suelen incluirse en métodos multirresiduales, que son los preferidos en análisis de rutina, debido a las dificultades analíticas que presentan, principalmente por su baja estabilidad. Las técnicas utilizadas han sido la cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas con analizadores de cuadrupolo (GC-MS, Q) y triple cuadrupolo (GC-MS/MS, QqQ), y la cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas con triple cuadrupolo (LC-MS/MS, QqQ). En el capítulo 1, se presenta una introducción general sobre la problemática asociada al uso de plaguicidas y la importancia de desarrollar métodos adecuados de análisis, basados en el acoplamiento cromatografía/espectrometría de masas, considerando las diferentes etapas del método analítico y algunos aspectos teóricos. Los capítulos posteriores, muestran los trabajos experimentales realizados y se han agrupado en tres capítulos en función de la técnica cromatográfica y el analizador utilizado. El capítulo 2, artículo científico 1, presenta el primer trabajo que se realizó, y se centra en el desarrollo de un método basado en la aplicación de la microextracción en fase sólida para la determinación de piretroides en muestras vegetales mediante GC-MS con cuadrupolo simple. Algunos de los piretroides incluidos en este estudio están clasificados como posibles agentes cancerígenos, por lo que su determinación es prioritaria. El método desarrollado fue validado en términos de precisión y linealidad, y se obtuvieron LODs en el rango de 0.003 y 0.025 mg/kg. La principal dificultad asociada al método desarrollado reside en la cuantificación de las muestras, cuestión que se discute en el trabajo. En los siguientes capítulos puede verse el avance y mejora que supone el uso del analizador de triple cuadrupolo en términos de sensibilidad y robustez. En el capítulo 3, se presentan dos trabajos basados en el uso de GC-MS/MS (QqQ). En el primero de ellos, artículo científico 2, se desarrolla un método para la determinación de residuos de clorotalonil en diversas matrices vegetales. El clorotalonil es un fungicida cuya dificultad analítica es conocida por la baja estabilidad que presenta durante la preparación de muestra. En el desarrollo del método, se hizo especial hincapié en la minimización y control de los factores que pueden provocar la degradación. El método desarrollado se basa en una extracción con acetona, añadiendo EDTA como conservante, seguida de una purificación mediante SPE en fase inversa (OASIS HLB). Los resultados de validación en todas las matrices estudiadas fueron satisfactorios, obteniendo recuperaciones entre 77 y 110% y RSD por debajo del 20%. En el artículo científico 3, se desarrolla un método basado en HS-SPME para la determinación de metilisotiocianato (MITC) en suelos. El MITC es un compuesto muy volátil y elevadamente tóxico que se genera rápidamente tras la aplicación de determinados ditiocarbamatos, como el metam sodio. La metodología HS-SPME presenta la ventaja de extraer y concentrar los analitos en una sola etapa sin utilizar disolventes orgánicos, y permite la introducción directa y cuantitativa de los analitos extraídos en el GC. El método se validó obteniendo recuperaciones entre 76 y 92% y RSD del orden del 7%. Dado que el principal problema asociado a la técnica SPME es la cuantificación, en este trabajo se evaluó el potencial del MHS-SPME para realizar la cuantificación. El capítulo 4, presenta dos trabajos basados en LC-MS/MS (QqQ). En el primero de ellos, artículo científico 4, se desarrolla un método para la determinación de residuos tiram en muestras vegetales. El tiram es un fungicida ditiocarbamato que se degrada rápidamente durante el proceso analítico generando, entre otros productos, CS2. Por ello, se estudió cuidadosamente la etapa de extracción tratando de minimizar los factores que pueden favorecer la degradación, como la temperatura, contenido en agua, pH, El método finalmente desarrollado consistió en una extracción con acetonitrilo sobre la muestra congelada, en presencia de NaSO4 anhidro, EDTA y NaHCO3 (sólo en el caso de matrices ácidas), tratando de mantener la cadena de frío durante todo el proceso mediante inmersión en baño de hielo a temperatura próxima a 5°C. Los resultados de la validación fueron buenos, obteniendo recuperaciones entre 80 y 106% y RSD inferiores al 10%. Finalmente, el artículo científico 5, presenta un método rápido y sensible para la determinación de residuos de piretrinas en muestras vegetales. Las piretrinas son insecticidas naturales que se degradan fácilmente en presencia de agua y por acción de la luz solar y el calor. El objetivo principal del trabajo fue desarrollar un método que permitiera cuantificar de forma específica e individual cada piretrina a bajos niveles de concentración en diversas matrices vegetales (lechuga, pimiento, pepino, tomate, fresa, arroz, patata y pistacho). Estos compuestos se suelen determinar de forma conjunta, como suma de piretrinas, por lo que la posibilidad de determinarlos de forma individual, por separado, se presenta como un reto analítico. El método desarrollado se basó en extracción con acetona o mezcla de acetona/H2O, en función de la matriz, e inyección directa del extracto en el sistema LC-MS/MS. En el caso de muestras grasas se evaluó el potencial de la interfase APCI. Finalmente, se consiguió un método robusto, con buenos resultados de validación en términos de exactitud y precisión. Todos los trabajos desarrollados en esta tesis han tenido un componente aplicado importante con el fin de demostrar la aplicabilidad de la metodología analítica puesta a punto en el análisis de muestras reales.</p

Removal efficiency for emerging contaminants in a WWTP from Madrid (Spain) after secondary and tertiary treatment and environmental impact on the Manzanares River

The effluents from wastewater treatment plants (WWTPs) can be an important contamination source for receiving waters. In this work, a comprehensive study on the impact of a WWTP from Madrid on the aquatic environment has been performed, including a wide number of pharmaceuticals and pesticides, among them those included in the European Watch List. 24-h composite samples of influent (IWW) and effluent wastewater after secondary (EWW2) and after secondary + tertiary treatment (EWW3) were monitored along two campaigns. Average weekly concentrations in IWW and EWW2 and EWW3 allowed estimating the removal efficiency of the WWTP for pharmaceutical active substances (PhACs). In addition, the impact of EWW3 on the water quality of the Manzanares River was assessed, in terms of PhAC and pesticide concentrations, through analysis of the river water collected upstream and downstream of the discharge point. After a preliminary risk assessment, a detailed evaluation of the impact on the aquatic environment, including a toxicological study and screening of pharmaceutical metabolites, was made for the seven most relevant PhACs: sulfamethoxazole, azithromycin and clarithromycin (antibiotics), metoprolol (antihypertensive), diclofenac (anti-inflammatory/analgesic), irbesartan (antihypertensive), and the antidepressant venlafaxine. Among selected PhACs, irbesartan, clarithromycin and venlafaxine presented moderate or high risk in the river water downstream of the discharge. Albeit no acute toxicity was detected, more detailed studies should be carried out for these substances, including additional toxicological studies, to set up potential sublethal and chronic effects on aquatic organisms.Funding for open access charge: CRUE-Universitat Jaume

Development of a fast analytical method for the individual determination of pyrethrins residues in fruits and vegetables by liquid chromatography–tandem mass spectrometry

Pyrethrins are natural insecticides derived from chrysanthemum flowers containing a mixture of six components: pyrethrin I, cinerin I, jasmolin I, pyrethrin II, cinerin II, and jasmolin II. In this work, a rapid and sensitive LC–(ESI)-MS/MS method has been developed for the individual quantification and confirmation of pyrethrin residues in fruit and vegetable samples by monitoring two specific transitions for each pyrethrin component under Selected Reaction Monitoring (SRM) mode. Samples were extracted with acetone/water or acetone, depending on the sample type, and raw extracts were directly injected in the LC–MS/MS system. Method validation was carried out evaluating linearity, accuracy, precision, specificity, limit of quantification (LOQ) and limit of detection (LOD) in eight types of fruit and vegetable samples at 0.05 mg/kg and 0.5 mg/kg (referred to the sum of all pyrethrins). The method based on acetone/water (70:30) extraction led to satisfactory recoveries (70–110%) and good precision (below 14%) for all pyrethrin components in lettuce, pepper, strawberry and potato. The method based on acetone extraction allowed satisfactory recoveries for lettuce, cucumber, tomato and rice samples with recoveries between 71 and 107% and RSDs below 15%. For pistachio samples, satisfactory results were obtained only for some analytes and extracts were also injected using APCI interface, but the lower sensitivity achieved allowed only the validation at 0.5 mg/kg. The analytical methodology developed was applied to the analysis of fruit and vegetable samples

Determination of methylisothiocyanate in soil and water by HS-SPME followed by GC-MS-MS with a triple quadrupole

Methylisothiocyanate (MITC) is the main degradation product of metam sodium, a soil disinfectant widely used in agriculture, and is responsible for its disinfectant properties. Because MITC is highly toxic and volatile, metam sodium has to be applied in a manner that tries to reduce atmospheric emissions but still maintains adequate concentration of MITC in soil to ensure its disinfectant effect. Thus, monitoring of MITC concentrations in soil is required, and to this end sensitive, fast, and reliable analytical methods must be developed. In this work, a headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) method was developed for MITC determination in water and soil samples using gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC–MS–MS) with a triple-quadrupole analyzer. Two MS–MS transitions were acquired to ensure the reliable quantification and confirmation of the analyte. The method had linear behavior in the range tested (0.026–2.6 ng mL−1 in water, 1–100 ng g−1 in soil) with r 2 over 0.999. Detection limits were 0.017 ng mL−1 and 0.1 ng g−1 in water and soil, respectively. Recoveries for five replicates were in the range 76–92 %, and RSD was below 7 % at the two spiking levels tested for each matrix (0.1 and 1 ng mL−1 for water, 4 and 40 ng g−1 for soil). The potential of using multiple HS-SPME for analyzing soil samples was also investigated, and its feasibility for quantification of MITC evaluated. The developed HS-SPME method was applied to soil samples from experimental plots treated with metam sodium following good agriculture practices

Optimisation and validation of a specific analytical method for the determination of thiram residues in fruits and vegetables by LC–MS/MS

Thiram is a non-systemic dithiocarbamate fungicide, which is easily degraded during sample preparation since it is affected by pH, matrix components and temperature. In this work, specific methodology for thiram analysis in vegetable (eggplant and lettuce) and fruit (strawberry) samples has been developed based on liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC–MS/MS). Minimising thiram degradation during standards storage and sample preparation was carefully studied. The effect of low temperature (about 5 °C), addition of a dehydrating agent (Na2SO4 anhydrous), pH regulator (NaHCO3), and enzymatic activity reduction (EDTA) during extraction was evaluated. The optimised procedure was validated for eggplants, lettuces, and strawberries. Satisfactory recoveries, between 80% and 106%, and relative standard deviations below 10% were obtained at 0.1 and 0.01 mg/kg fortification levels (n = 5). Limits of detection below 0.0012 mg/kg were achieved. The validated method has been applied to eggplant and lettuce samples collected from different field trials as well as several strawberry and apple samples