Motorização de fármacos na água bruta e na água para consumo humano por cromatolografia líquida de ultra eficiência associada à espectrometria de massa tandem

Tese de doutoramento, Farmácia (Bromatologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Este trabalho tem como objetivos o desenvolvimento de um método de ensaio para a análise de fármacos na água captada e na água para consumo humano da rede de distribuição da cidade de Lisboa e a implementação de um programa de monitorização que possibilite a caracterização da qualidade das águas no que diz respeito a este tipo de compostos. Este trabalho pretende contribuir para os Planos de Segurança da Água da EPAL S.A. (Empresa Portuguesa das Águas Livres S.A.), cujo principal objetivo é a identificação dos potenciais riscos para o sistema de abastecimento de água desta entidade gestora de sistema de abastecimento público. O presente trabalho faz o enquadramento ambiental e legal relacionado com a temática fármacos e ciclo urbano da água e apresenta uma breve introdução à EPAL como entidade gestora de água de abastecimento público. Apresenta resumidamente as etapas de um processo de avaliação de risco, dando ênfase à avaliação de risco ambiental e para a saúde humana relacionados com a exposição involuntária a fármacos. A metodologia analítica selecionada para a análise de trinta e seis fármacos pertencentes a diferentes classes terapêuticas foi a cromatografia líquida de ultra eficiência associada à espectrometria de massa tandem (UPLC-MS/MS) utilizando como método de preparação da amostra a extração em fase sólida (SPE). A otimização do método de ensaio começou pela determinação das melhores condições de formação do ião precursor para cada fármaco, tendo-se utilizado o electrospray como método de ionização, em modo positivo e negativo. Estabelecidas as condições de formação do ião precursor para cada analito, foram otimizados diversos parâmetros de forma a possibilitar a utilização do modo de aquisição MRM (Multiple Reaction Monitoring). Sempre que possível, para cada composto foi estabelecida uma transição de quantificação (MRM1) e uma transição de qualificação (MRM2) com o objetivo de aumentar a sensibilidade e garantir uma elevada seletividade na quantificação destes compostos em concentrações vestigiais nas amostras de água. As condições cromatográficas foram também otimizadas de forma a permitir a análise de todos os compostos alvo, dividindo os compostos por dois métodos cromatográficos diferentes, baseados no pH da fase móvel, de forma a se conseguir um perfil cromatográfico adequado e uma melhor sensibilidade para todos os fármacos. Foi desenvolvido e implementado um único método de preparação da amostra que permite a extração simultânea de todos os fármacos nas várias matrizes de água, nomeadamente água superficial, água subterrânea e água para consumo humano. Os estudos de recuperação realizados permitiram verificar a ocorrência de efeitos de matriz acentuados derivados da utilização do electrospray como técnica de ionização, os quais foram corrigidos através da aplicação do método da adição de padrão. Os métodos de SPE-UPLC-MS/MS utilizando o método de adição de padrão foram validados através da aplicação de diversos testes estatísticos que permitiram definir o intervalo de linearidade, os limiares analíticos, a precisão, a exatidão e a estimativa da incerteza dos métodos de ensaio. Dos 36 fármacos selecionados, apenas dois fármacos (amoxiciclina e metmorfina) não cumpriram os vários requisitos analíticos definidos pelo processo de validação e deste modo, o programa de monitorização destinou-se à análise dos restantes 34 fármacos. O programa de monitorização implementado durante o ano de 2013 permitiu a análise de 243 amostras de água (superficial, subterrânea e água para consumo humano), em 20 pontos de amostragem ao longo do sistema de abastecimento da EPAL S.A. Dos trinta e quatro fármacos monitorizados apenas dezasseis foram quantificados nas amostras analisadas, com concentrações máximas entre 0,46 e 46 ng/L nas captações (cafeína, acetaminofeno, indometacina, ibuprofeno, diclofenac, naproxeno, nimesulida, eritromicina, sulfadiazina, sulfametoxazol, sulfapiridina, sulfametazina, atenolol, propranolol, gemfibrozil, carbamazepina) e 0,09 e 46 ng/L na água para consumo humano, embora na água tratada apenas fossem detetados sete fármacos (cafeína, carbamazepina, atenolol, eritromicina, sulfametoxazol, sulfapiridina e sufadiazina). Os dados de ocorrência obtidos foram posteriormente utilizados na realização de estudos de avaliação de risco ambiental e para a saúde humana, de forma a avaliar a probabilidade de ocorrência de efeitos adversos no ambiente aquático e na saúde dos consumidores. A avaliação de risco ambiental sugere que apenas um dos fármacos analisados, a eritromicina, apresenta um valor de quocientes de risco (RQ) superior a 1, indicando um risco elevado para o meio ambiente. Outros três fármacos, sulfametoxazol, propranolol e diclofenac, apresentam risco médio para o meio ambiente com valores de RQ entre 0,11 e 0,81. Os restantes fármacos apresentam um baixo risco ambiental com valores de RQ entre 0,000004 e 0,05. Os resultados obtidos na avaliação de risco para a saúde humana indicam que a probabilidade de ocorrência de efeitos adversos na saúde do consumidor é baixa, uma vez que nenhum fármaco apresentou valores de RQ superiores 1 ou 0,1. Os resultados do estudo de monitorização também possibilitaram a seleção de indicadores que poderão ser utilizados pela EPAL S.A. como ferramentas de controlo de qualidade das águas e da eficiência do tratamento nas estações de tratamento de água.

The main goals of this work are the development of an analytical method for the analysis of pharmaceuticals in the water sources and in Lisbon´s drinking water supply system and the implementation of a monitoring program that will enable the characterization of the water quality with regards to pharmaceutical compounds. This study will contribute to the EPAL´s (Empresa Portuguesa das Águas Livres S.A.) Water Safety Plans, whose main focus is on the identification of the potential risks to the company´s water supply system. This report presents the environmental and legal background related to the theme pharmaceuticals and the urban water cycle. A brief description of EPAL as the company responsible for the public supply of drinking water is also performed. The risk assessment stages are also briefly described, emphasizing the environmental risk assessment and human health risk assessment related to involuntary exposure to pharmaceuticals. The analytical methodology selected for the analysis of 36 pharmaceuticals of different therapeutical classes was ultraperformance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS) using solid phase extraction (SPE) as the sample´s preparation method. The method´s optimization began with the assessment of the best formation conditions of the precursor ion for each pharmaceutical, using electrospray as the ionization source in both positive and negative modes. Once these conditions were established for each compound, several parameters were optimized that will enable the use of the MRM (Multiple Reaction Monitoring) acquisition mode. When possible, for each compound a quantification transition (MRM1) and a confirmation transition (MRM2) were established that will allow an increase in the method´ sensitivity, as well as a high degree of selectivity in the quantification of trace levels of these compounds in water samples. The chromatographic conditions were also optimized in order to ensure the analysis of all the target compounds, sorting the pharmaceuticals by two different chromatographic methods, based on the pH of the mobile phase. This will enable an adequate chromatographic profile and a better sensitivity for all the pharmaceuticals. A single sample preparation method was developed and implemented for the simultaneous extraction of all the pharmaceuticals in the different water matrices, namely surface water, groundwater and drinking water. Strong matrix effects related to the use of electrospray as the ionization technique were detected during the recovery studies, which were corrected by applying the standard addition method. The SPE-UPLC-MS/MS methods using the standard addition method were validated through the application of several statistical methods in order to study its linearity, precision, accuracy and measurement uncertainty. Of the 36 selected pharmaceuticals, only two (amoxycillin and metformin) did not fulfill the different analytical requirements of a validation process and in this sense, the monitoring program comprised the analysis of the other 34 compounds. The monitoring program was implemented in 2013 and comprised the analysis of 243 water samples (surface water, groundwater and drinking water) in 20 sampling points along EPAL´s water supply system. Of the 34 monitored pharmaceuticals, only sixteen were quantified in the analysed samples, with maximum concentrations ranging from 0.46 to 46 ng/L in the water sources (caffeine, acetaminophen, indomethacin, ibuprofen, diclofenac, naproxen, nimesulide, erythromycin, sulfadiazine, sulfamethoxazole, sulfapyridine, sulfamethazine, atenolol, propranolol, gemfibrozil, carbamazepine) and 0.09 e 46 ng/L in drinking water, although in this latter type of water only 7 pharmaceuticals were detected (caffeine, carbamazepine, atenolol, erythromycin, sulfamethoxazole, sulfapyridine and sufadiazine). The occurrence data were used in environmental and human health risk assessment studies, in order to evaluate the probability of occurrence of adverse effects in the aquatic environment and in the consumer´s health. The environmental risk assessment performed suggests that only one pharmaceutical, erythromycin, has a risk quotient (RQ) higher than 1, indicating a high risk for the environment. Three pharmaceuticals, sulfamethoxazole, propranolol and diclofenac, present a medium risk for the environment with RQ values between 0.11 and 0.81. The other pharmaceuticals present a low environmental risk with RQ values between 0.000004 and 0.05. The results of the human health risk assessment indicate that the occurrence of adverse effects in the consumer´s health are unlikely, as none of the pharmaceuticals presented RQ values higher than 1 or 0.1. The results from the monitoring study have also enabled the selection of indicators that can be used by EPAL S.A. as control tools of the water quality and of the efficiency of the treatment processes used in the water treatment plants.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)