Construction and evaluation of cysteine selective electrodes for FIA analysis of pharmaceuticals

A flow injection analysis (FIA) system comprising a cysteine selective electrode as detection system was developed for determination of this amino acid in pharmaceuticals. Several electrodes were constructed for this purpose, having PVC membranes with different ionic exchangers and mediator solvents. Better working characteristics were attained with membranes comprising o-nitrophenyl octyl ether as mediator solvent and a tetraphenylborate based ionic-sensor. Injection of 500 µL standard solutions into an ionic strength adjuster carrier (3x10-3 M) of barium chloride flowing at 2.4mL min-1, showed linearity ranges from 5.0x10-5 to 5.0x10-3 M, with slopes of 76.4±0.6mV decade-1 and R2>0.9935. Slope decreased significantly under the requirement of a pH adjustment, selected at 4.5. Interference of several compounds (sodium, potassium, magnesium, barium, glucose, fructose, and sucrose) was estimated by potentiometric selectivity coefficients and considered negligible. Analysis of real samples were performed and considered accurate, with a relative error to an independent method of +2.7%.

Development of a simple analytical method for the simultaneousdetermination of paracetamol, paracetamol-glucuronide andp-aminophenol in river water

Paracetamol is among the most worldwide consumed pharmaceuticals. Although its occurrence in the environment is well documented, data about the presence of its metabolites and transformation products is very scarce. The present work describes the development of an analytical method for the simultaneous determination of paracetamol, its principal metabolite (paracetamol-glucuronide) and its main transformation product (p-aminophenol) based on solid phase extraction (SPE) and high performance liquid chromatography coupled to diode array detection (HPLC-DAD). The method was applied to analysis of river waters, showing to be suitable to be used in routine analysis. Different SPE sorbents were compared and the use of two Oasis WAX cartridges in tandem proved to be the most adequate approach for sample clean up and pre-concentration. Under optimized conditions, limits of detection in the range 40–67 ng/L were obtained, as well as mean recoveries between 60 and 110% with relative standard deviations (RSD) below 6%. Finally, the developed SPE-HPLC/DAD method was successfully applied to the analysis of the selected compounds in samples from seven rivers located in the north of Portugal. Nevertheless all the compounds were detected, it was the first time that paracetamol-glucuronide was found in river water at concentrations up to 3.57 μg/L.

Water quality in lakes and reservoirs in China

Dissertation elaborated for the partial fulfilment of the requirements of the Master Degree in Civil Engineering in the Speciality Area of Hydarulics

Impact of excipients in the chronic toxicity of fluoxetine on the alga Chlorella vulgaris

Fluoxetine is a selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI) widely used in the treatment of major depression. It has been detected in surface and wastewaters, being able to negatively affect aquatic organisms. Most of the ecotoxicity studies focused only in pharmaceuticals, though excipients can also pose a risk to non-target organisms. In this work the ecotoxicity of five medicines (three generic formulations and two brand labels) containing the same active substance (fluoxetine hydrochloride) was tested on the alga Chlorella vulgaris, in order to evaluate if excipients can influence their ecotoxicity. Effective concentrations that cause 50% of inhibition (EC50) ranging from 0.25 to 15 mg L−1 were obtained in the growth inhibition test performed for the different medicines. The corresponding values for fluoxetine concentration are 10 times lower. Higher EC50 values had been published for the same alga considering only the toxicity of fluoxetine. Therefore, this increase in toxicity may be attributed to the presence of excipients. Thus more studies on ecotoxicological effects of excipients are required in order to assess the environmental risk they may pose to aquatic organisms.

Sulphonamide-imprinted sol–gel materials as ionophores in potentiometric transduction

This work proposes different kind of solid-contact graphite-based electrodes for the selective determination of sulphonamides (SPHs) in pharmaceuticals, biological fluids and aquaculture waters. Sulfadiazine (SDZ) and sulfamethoxazole (SMX) were selected for this purpose for being the most representative compounds of this group. The template molecules were imprinted in sol–gel (ISG) and the resulting material was used as detecting element. This was made by employing it as either a sensing layer or an ionophore of PVC-based membranes and subsequent potentiometric transduction, a strategy never reported before. The corresponding non-imprinted sol–gel (NISG) membranes were used as blank. The effect of plasticizer and kind/charge of ionic lipophilic additive was also studied. The best performance in terms of slope, linearity ranges and signal reproducibility and repeatability was achieved by PVC membranes including a high dielectric constant plasticizer and 15 mg of ISG particles. The corresponding average slope was −51.4 and −52.4 mV/decade, linear responses were 9.0 × 10−6 and 1.7 × 10−5 M, and limits of detection were 0.74 and 1.3 μg/mL for SDZ and for SMX, respectively. Good selectivity with log Kpot < −0.3 was observed for carbonate, chloride, fluoride, hydrogenocarbonate, nitrate, nitrite, phosphate, cyanide, sulfate, borate, persulphate, citrate, tartrate, salicylate, tetracycline, ciprofloxacin, sulphamerazine, sulphatiazole, dopamine, glucose, galactose, cysteine and creatinine. The best sensors were successfully applied to the analysis of real samples with relative errors ranging from −6.8 to + 3.7%.

Microbiology of membrane bioreactors for wastewater treatment: a molecular approach

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences, Biotechnology.

Modelling of a wastewater treatment plant using GPS-X

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

Evaluation of uv spectrophotometry for estimation of nitrite and nitrate in nitrified urine

Water is a limited resource for which demand is growing. Contaminated water from inadequate wastewater treatment provides one of the greatest health challenges as it restricts development and increases poverty in emerging and developing countries. Therefore, the connection between wastewater and human health is linked to access to sanitation and to human waste disposal. Adequate sanitation is expected to create a barrier between disposed human excreta and sources of drinking water. Different approaches to wastewater management are required for different geographical regions and different stages of economic governance depending on the capacity to manage wastewater. Effective wastewater management can contribute to overcome the challenges of water scarcity. Separate collection of human urine at its source is one promising approach that strongly reduces the economic and load demands on wastewater treatment plants (WWTP). Treatment of source-separated urine appears as a sanitation system that is affordable, produces a valuable fertiliser, reduces pollution of water resources and promotes health. However, the technical realisation of urine separation still faces challenges. Biological hydrolysis of urea causes a strong increase of ammonia and pH. Under these conditions ammonia volatilises which can cause odour problems and significant nitrogen losses. The above problems can be avoided by urine stabilisation. Biological nitrification is a suitable process for stabilisation of urine. Urine is a highly concentrated nutrient solution which can lead to strong inhibition effects during bacterial nitrification. This can further lead to process instabilities. The major cause of instability is accumulation of the inhibitory intermediate compound nitrite, which could lead to process breakdown. Enhanced on-line nitrite monitoring can be applied in biological source-separated urine nitrification reactors as a sustainable and efficient way to improve the reactor performance, avoiding reactor failures and eventual loss of biological activity. Spectrophotometry appears as a promising candidate for the development and application of on-line nitrite monitoring. Spectroscopic methods together with chemometrics are presented in this work as a powerful tool for estimation of nitrite concentrations. Principal component regression (PCR) is applied for the estimation of nitrite concentrations using an immersible UV sensor and off-line spectra acquisition. The effect of particles and the effect of saturation, respectively, on the UV absorbance spectra are investigated. The analysis allows to conclude that (i) saturation has a substantial effect on nitrite estimation; (ii) particles appear to have less impact on nitrite estimation. In addition, improper mixing together with instabilities in the urine nitrification process appears to significantly reduce the performance of the estimation model.

A biochemical predictor of performance during mesophilic anaerobic fermentation of starch wastewater

The aim of this study was to determine the potential of biochemical parameters, such as enzyme activity and adenosine triphosphate (ATP) levels, as monitors of process performance in the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor utilizing a starch wastewater. The acid and alkaline phosphatase activity and the ATP content of the UASB sludge were measured in response to changes in flow rate and nutrient loading. Conventional parameters of process performance, such as gas production, acetic acid production, COD, phosphorus, nitrogen and suspended solids loadings and % COD removal were also monitored. The response of both biochemical and conventional parameters to changing process conditions was then compared. Alkaline phosphatase activity exhibited the highest activity over the entire study perioda A high suspended solids loading was observed to upset the system in terms of gas production, acetic acid production and % COD removala The initial rate of increase in alkaline phosphatase activity following an increase in loading was four times as great during process upset than under conditions of good performance. The change in enzyme actiVity was also more sensitive to process upset than changes in acetic acid production. The change in ATP content of the sludge with time suggested that enzyme actiVity was changing independently of the actual viable biomass present. The bacterial composition of the anaerobic sludge granules was similar to that of other sludge bed systems, at the light and scanning electron microscope level. Isolated serum bottle cultures produced several acids involved in anaerobic carbohydrate metabolism. The overall performance of the UASB system indicated that higher loadings of soluble nutrients could have been tolerated by the system.

Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

Biomethanation of syngas: identification of metabolic pathways from CO in a natural anaerobic consortium

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies.

Devenir environnemental des antidépresseurs dans les rejets urbains par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem

Les troubles reliés à la dépression, l’épuisement professionnel et l’anxiété sont de plus en plus répandus dans notre société moderne. La consommation croissante d’antidépresseurs dans les différents pays du monde est responsable de la récente détection de résidus à l’état de traces dans les rejets urbains municipaux. Ainsi, ces substances dites « émergentes » qui possèdent une activité pharmacologique destinée à la régulation de certains neurotransmetteurs dans le cerveau suscitent maintenant de nombreuses inquiétudes de la part de la communauté scientifique. L’objectif principal de ce projet de doctorat a été de mieux comprendre le devenir de plusieurs classes d’antidépresseurs présents dans diverses matrices environnementales (i.e. eaux de surfaces, eaux usées, boues de traitement, tissus biologiques) en développant de nouvelles méthodes analytiques fiables capables de les détecter, quantifier et confirmer par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-QqQMS, LC-QqToFMS). Une première étude complétée à la station d’épuration de la ville de Montréal a permis de confirmer la présence de six antidépresseurs et quatre métabolites N-desmethyl dans les affluents (2 - 330 ng L-1). Pour ce traitement primaire (physico-chimique), de faibles taux d’enlèvement (≤ 15%) ont été obtenus. Des concentrations d’antidépresseurs atteignant près de 100 ng L-1 ont également été détectées dans le fleuve St-Laurent à 0.5 km du point de rejet de la station d’épuration. Une seconde étude menée à la même station a permis l’extraction sélective d’antidépresseurs dans trois tissus (i.e. foie, cerveau et filet) de truites mouchetées juvéniles exposées à différentes concentrations d’effluent dilué traité et non-traité à l’ozone. Un certain potentiel de bioaccumulation dans les tissus (0.08-10 ng g-1) a été observé pour les spécimens exposés à l’effluent non-traité (20% v/v) avec distribution majoritaire dans le foie et le cerveau. Une intéressante corrélation a été établie entre les concentrations de trois antidépresseurs dans le cerveau et l’activité d’un biomarqueur d’exposition (i.e. pompe N/K ATPase impliquée dans la régulation de la sérotonine) mesurée à partir de synaptosomes de truites exposées aux effluents. Une investigation de l’efficacité de plusieurs stations d’épuration canadiennes opérant différents types de traitements a permis de constater que les traitements secondaires (biologiques) étaient plus performants que ceux primaires (physico-chimiques) pour enlever les antidépresseurs (taux moyen d’enlèvement : 30%). Les teneurs les plus élevées dans les boues traitées (biosolides) ont été obtenues avec le citalopram (1033 ng g-1), la venlafaxine (833 ng g-1) et l’amitriptyline (78 ng g-1). Des coefficients de sorption expérimentaux (Kd) calculés pour chacun des antidépresseurs ont permis d’estimer une grande sorption des composés sertraline, desméthylsertraline, paroxetine et fluoxetine sur les solides (log Kd > 4). Finalement, un excellent taux d’enlèvement moyen de 88% a été obtenu après ozonation (5 mg L-1) d’un effluent primaire. Toutefois, la caractérisation de nouveaux sous-produits N-oxyde (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) par spectrométrie de masse à haute résolution (LC-QqToFMS) dans l’effluent traité à l’ozone a mis en lumière la possibilité de formation de multiples composés polaires de toxicité inconnue.

Développement d’une méthode d’extraction des contaminants émergents dans les solides particulaires par LDTD-APCI-MS/MS

Douze contaminants émergents (composés pharmaceutiques, pesticides et hormones) ont été quantifiés et extraits de l'eau de rivières et d’échantillons d'eaux usées municipales. La séparation des solides en suspension est effectuée par filtration des échantillons d'eau. L'effet de filtration sur les concentrations de contaminants dissous a été évaluée afin de minimiser les pertes de composés cibles. Les échantillons ont été lyophilisés et ont été extraits en deux cycles par ultrasons combinés avec une étape de nettoyage sur cartouche d’extraction de type C18. La quantification a été réalisée en utilisant la spectrométrie de masse. Les recouvrements de la méthode pour tous les composés ont varié de 68 à 112% dans toutes les matrices étudiées, sauf pour le sulfaméthoxazole et le diclofénac où des recouvrements plus modestes ont été obtenus (38 à 85%). Les limites de détection pour les 12 analytes dans les sédiments et particules en suspension (SPM) de la rivière variaient de 0,7 à 9,4 ng g-1 et de 21 à 92 ng g-1, pour les échantillons SPM de station d'épuration. Tous les contaminants émergents cibles ont été détectés à des concentrations variant de 3 à 5440 ng g-1 dans les matrices étudiées, les concentrations les plus élevées ont été observées dans les échantillons SPM de stations d'épuration. Une partie importante de certains de ces contaminants est clairement associée aux sédiments de rivière ou aux particules en suspension. L’optimisation des processus de traitement de l'eau et le devenir environnemental doit absolument tenir compte de la fraction de contaminants qui liée à des particules si on espère avoir un bilan de masse raisonnable.

Influence of plant species and richness on pollutant removal in treatment wetlands

Les marais filtrants artificiels sont des écosystèmes recréés par l’homme dans le but d’optimiser l’épuration des eaux usées. Lors de la sélection d’espèces végétales pour la mise en place de ces marais filtrants, l’utilisation d’une polyculture ainsi que d’espèces indigènes non invasives est de plus en plus recommandée. Néanmoins, la plupart des marais filtrants existants sont des monocultures utilisant des plantes envahissantes, probablement à cause du manque d’évidences scientifiques sur les avantages de la diversité végétale et de la performance des espèces locales. Ainsi, les questions de recherche autour desquelles s’oriente ma thèse sont: Les polycultures présentent-elles un potentiel épuratoire aussi ou plus grand que les monocultures, et une espèce indigène est-elle aussi efficace et performante qu’une espèce exotique envahissante dans des marais filtrants ? Trois expériences ont été conduites afin de répondre à ces questions. J’ai d’abord testé l’influence de la richesse végétale sur l’élimination des polluants en deux dispositifs expérimentaux: 1) comparant deux espèces de plantes émergentes en monoculture ou combinées séquentiellement, et 2) évaluant la performance de quatre espèces flottantes plantées en monoculture par rapport à des associations de deux (avec toutes les combinaisons possibles) et de quatre espèces. Une troisième expérience a été réalisée afin de comparer l’efficacité épuratoire de l’haplotype européen envahissant du roseau commun (Phragmites australis) et de la sous-espèce locale non-invasive (P. australis subsp. americanus). La composition en espèces végétales a produit un effet notable sur la performance des marais filtrants. La comparaison des performances en mono- et en polyculture n’a pas permis de démontrer clairement les avantages de la diversité végétale pour l’élimination des polluants dans les marais filtrants. Toutefois, les marais filtrants plantés avec une combinaison d’espèces étaient aussi efficaces que les monocultures des espèces les plus performantes. La comparaison entre les deux sous-espèces de P. australis indiquent que la sous-espèce indigène pourrait remplacer le roseau exotique envahissant, évitant ainsi les potentiels risques environnementaux sans toutefois compromettre l’efficacité du traitement. Les résultats prometteurs de la sous-espèce indigène de P. australis doivent encore être testés dans des expériences à grande échelle avant d’utiliser largement cette espèce dans les marais filtrants. Nos résultats suggèrent que, dans des conditions où la performance des macrophytes disponibles est inconnue ou ne peut être déterminée, l’utilisation d’une combinaison d’espèces présente les meilleures chances d’accomplir le plus haut niveau possible d’élimination de polluants. De plus, même si la diversité végétale ne présente pas un avantage mesurable en termes d’efficacité épuratoire, celle-ci améliore la résilience des marais filtrants et leur résistance aux stress et aux maladies.

Semiconductor Oxides Mediated Photocatalytic Removal of Chemical and Bacterial Pollutants from Wastewater

School of Environmental Studies, Cochin University of Science and Technology