Occurrence and fate of estrogens and antibiotics in the environment evaluated by low-cost analytical methodologies

Abstract

Endocrine disruptors and pharmaceuticals are considered to be concerning environmental contaminants. During the last two decades, studies dealing with the occurrence and fate of these emerging contaminants in the aquatic environment have raised attention and its number is constantly increasing. The presence of these contaminants in the environment is particularly important since they are known to induce adverse effects in the ecosystems even at extremely low concentrations. Estrogens and antibiotics, in particular, are identified as capable of induce endocrine disruption and contribute for the appearance of multi-resistant bacteria, respectively. A better assessment and understanding of the real impact of these contaminants in the aquatic environment implies the evaluation of their occurrence and fate, which is the main aim of this Thesis. Two estrogens (17-estradiol and 17-ethinylestradiol) and an antibiotic (sulfamethoxazole) were the contaminants under study and their occurrence in surface and waste waters was assessed by the implementation of enzyme linked immunosorbent assays (ELISAs). The assays were optimized in order to accomplish two important aspects: to analyze complex water samples, giving special attention to matrix effects, and to increase the sensitivity. Since the levels of these contaminants in the environment are extremely low, a pre-concentration methodology was also object of study in this Thesis. Dispersive liquid-liquid microextraction (DLLME) was developed for the preconcentration of E2 and EE2, subsequently quantified by either highperformance liquid chromatography (HPLC) and the previously optimized ELISAs. Moreover, the use of anthropogenic markers, i.e. indicators of human presence or activity, has been discussed as a tool to track the origin and type of contamination. An ELISA for the quantification of caffeine, as an anthropogenic marker, was also developed in order to assess the occurrence of human domestic pollution in Portuguese surface waters. Finally, photodegradation is considered to be one of the most important pathways contributing for the mitigation of pollutants’ presence in the aquatic environment. Both direct and indirect photodegradation of E2 and EE2 were evaluated. Since the presence of humic substances (HS) is known to have a noticeable influence on the photodegradation of pollutants and in order to mimic the real aquatic environment, special attention was given to the influence of the presence and concentration of different fractions of HS on the photodegradation of both hormones.

Os disruptores endócrinos e os fármacos constituem grande preocupação, a nível ambiental. Nas últimas duas décadas, os estudos relacionados com a ocorrência e destino destes contaminantes emergentes no ambiente aquático, têm recebido grande atenção por parte da comunidade científica internacional. A sua presença no ambiente é particularmente importante, uma vez que se sabe que podem causar efeitos adversos nos ecossistemas, mesmo em concentrações extremamente baixas. Os estrogénios e os antibióticos, em particular, são identificados como sendo capazes de induzir disrupção endócrina e contribuir para o aparecimento de bactérias multirresistentes, respetivamente. Uma melhor avaliação e compreensão do impacto real destes contaminantes no ambiente aquático implicam a análise da sua ocorrência e destino, o que constitui o principal objetivo desta Tese. Os estrogénios 17-estradiol e 17-etinilestradiol e o antibiótico sulfametoxazol foram os contaminantes estudados neste trabalho, tendo sido avaliada a sua ocorrência em águas superficiais e residuais através da implementação de ensaios imunológicos (ELISA). Os ensaios foram otimizados por forma a conseguir-se: (i) a análise de amostras aquosas de matriz complexa, dando-se especial atenção aos efeitos de matriz, e (ii) aumentar a sensibilidade. Uma vez que os níveis destes contaminantes no ambiente são extremamente baixos, foi desenvolvida, também, uma metodologia de pré-concentração. A microextração líquido-líquido dispersiva (DLLME) foi utilizada para a préconcentração do E2 e EE2, subsequentemente quantificados por cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) e pelo imunoensaio ELISA previamente otimizado. Além disso, o uso de marcadores antropogénicos, ou seja, indicadores da presença ou atividade humana, tem sido discutido como uma ferramenta válida para seguir a origem e tipo da contaminação. Desta forma, foi também desenvolvido um imunoensaio para a quantificação da cafeína, como marcador antropogénico, de modo a avaliar a ocorrência de poluição de origem humana em águas superficiais portuguesas. Por último, a fotodegradação é considerada como um dos principais processos que afetam a persistência dos poluentes no ambiente aquático. Foram, assim, avaliadas as fotodegradações direta e indireta do E2 e do EE2. Uma vez que se sabe que as substâncias húmicas (HS) representam uma importante influência na fotodegradação dos poluentes, e, com o intuito de mimetizar o ambiente aquático real, foi dada especial atenção à influência da presença e concentração de diferentes frações de HS na fotodegradação das duas hormonas.