Resumen de Estrategias analíticas en el control de ácidos haloacéticos
RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE Dª MARIA JOSE CARDADOR DUEÑAS El resumen de la tesis para la base de datos Teseo debe ser una presentación de la tesis y tener la extensión suficiente para que quede explicado el argumento de la tesis doctoral. El formato debe facilitar la lectura y comprensión del texto a los usuarios que accedan a Teseo, debiendo diferenciarse las siguientes partes de la tesis:
1. Introducción o motivación de la tesis La cloración del agua para consumo humano conlleva la formación de subproductos de desinfección (disinfection byproducts, DBPs), debido a la reacción del desinfectante y bromuro con la materia orgánica natural presente en el agua [1]. Los ácidos haloacéticos (haloacetic acids, HAAs) constituyen los principales componentes de la fracción no volátil de DBPs y por lo tanto es un buen indicador del total de DBPs en aguas. Debido a su alta toxicidad y riesgo cancerígeno [2,3], algunos países y organismos internacionales han regulado los niveles de estos compuestos en aguas [4-6]. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, en la Tesis Doctoral se han desarrollado métodos analíticos rápidos y sensibles para determinar estos compuestos en las aguas tratadas, así como en la orina de personas expuestas a estos contaminantes. A lo largo de la investigación han surgido nuevos temas relacionados con la determinación de estos compuestos en bebidas y alimentos, donde pueden aparecer como consecuencia de los tratamientos en la industria alimentaria.
2. Contenido de la investigación En primer lugar se desarrolló un método analítico para la determinación de los nueve HAAs clorados y bromados en aguas empleando espacio de cabeza estático y cromatografía de gases acoplada con espectrometría de masas (HS-GC-MS) [7]. Las innovaciones se basaron en la selección de un reactivo derivatizador que permitió llevar a cabo simultáneamente la extracción/derivatización de los HAAs en medio acuoso. Para favorecer el rendimiento de la reacción se empleó un reactivo iónico como catalizador de transferencia de fases, así como la adición de microvolúmenes de un modificador orgánico. Se estableció por primera vez el mecanismo de esta reacción de derivatización que implica 3 fases: acuosa, orgánica y gaseosa. Con este método se consiguió simplificar el tratamiento de la muestra y las condiciones de la derivatización.
El segundo trabajo de la Tesis se orientó a combinar el mecanismo de derivatización anterior con técnicas de microextracción con vistas a minimizar el consumo de disolventes orgánicos en consonancia con la tendencia actual de una "Química Verde". Para ello se desarrollaron y compararon varios métodos de miniaturización, tales como microextracción en fase sólida (SPME), y tres modalidades distintas de microextracción en fase líquida (SDME, HF-LPME y SBME) [8]. Se ensayaron alternativas a los disolventes orgánicos comúnmente empleados en LPME con objeto de encontrar un extractante que minimizara los problemas relacionados con la columna del cromatógrafo de gases y la fuente del espectrómetro de masas ya que se ensucian rápidamente cuando se trabaja con disolventes con puntos de ebullición muy elevados (~200 ºC). La modalidad SBME representó una alternativa económica al método de HS-GC-MS con similar sensibilidad. La extracción/metilación de los HAAs tiene lugar a temperatura ambiente, evitando su degradación a trihalometanos, pero presenta la desventaja de necesitar 60 min para el proceso de extracción/derivatización.
El método HS-GC-MS desarrollado previamente se aplicó a la determinación de los nueve HAAs en muestras de orina [9], dado que estos compuestos son rápidamente excretados tras la ingestión. Las innovaciones fueron encaminadas a reducir el tiempo de tratamiento de la muestra omitiendo operaciones tediosas (extracción, centrifugación, evaporación, etc.), lo que se consigue con el empleo de reactivos derivatizantes en medio acuoso. El método es lo suficiente sensible para determinar los HAAs a las concentraciones usuales en las muestras de orina (ppt). Durante los meses de enero-agosto de 2010 se llevó a cabo un estudio sobre la exposición a HAAs mediante el análisis de muestras de orina de personas expuestas [10]. Los 49 voluntarios de este estudio fueron nadadores (niños y adultos) y monitores (trabajadores) que utilizaban regularmente dos piscinas, una de interior y otra exterior. En dicho trabajo se ha establecido por primera vez la cinética de excreción de los HAAs en la orina para seleccionar el tiempo de muestreo adecuado y determinar el proceso de eliminación así como los tiempos de vida medios de estos compuestos en el organismo. También se ha estimado la contribución de las tres posibles rutas al total de la exposición de los HAAs: ingestión (~94%), inhalación (~5%) y absorción dérmica (~1%). Esto pone de manifiesto que, a pesar de ser compuestos no volátiles, existe una ruta de inhalación a través de los aerosoles presentes en el ambiente de la piscina.
El método HS-GC-MS descrito previamente para la determinación de HAAs en aguas, se aplicó al análisis de bebidas y alimentos debido a su simplicidad. El primer estudio se realizó en vinos y cervezas [11] dado que los ácidos monocloro-, monobromo-, y monoyodo-acético se han empleado como estabilizantes o desinfectantes en la industria vitivinícola y actualmente están prohibidos en la Unión Europea [12] y en USA [13]. En el trabajo se llevó a cabo un estudio exhaustivo de la influencia de la matriz de la muestra (concentración de etanol y ácidos primarios presentes en el vino) en la extracción/derivatización de los ácidos monohalogenados. El método descrito presenta una mejora de la sensibilidad (a niveles de ppb) y una reducción del tiempo de análisis y de la manipulación de la muestra en comparación con el Método Oficial para la determinación de estos compuestos [14]. El segundo estudio se centró en los alimentos de IV gama [15]. En la industria alimentaria, las frutas y hortalizas pasan por una etapa de lavado con disoluciones de hipoclorito/dióxido de cloro, donde pueden contaminarse con restos de DBPs. El método HS-GC-MS y el empleo de reactivos derivatizantes en medio acuoso permitieron llevar a cabo el lixiviado y la derivatización de los HAAs en una sola etapa, con lo que se consigue minimizar el tiempo de análisis drásticamente. El 25 % de las muestras analizadas (n = 100) contenían al menos dos HAAs, lo que demuestra que estos compuestos se forman durante la etapa de lavado y permanecen en el producto comercializado. Finalmente se estudió la posibilidad de eliminar estos contaminantes en las hortalizas, antes de su consumo, empleando disoluciones acuosas de productos disponibles en el hogar: vinagre, sal común y lejía. El lavado con agua y sal elimina al menos el 70¿80% del total de HAAs de la muestra de vegetales.
Por último se ha desarrollado un método que permite determinar por primera vez los trece HAAs clorados, bromados y yodados simultáneamente. En este trabajo se ha llevado a cabo un estudio riguroso de las dos modalidades de derivatización (medio acuoso y medio orgánico) y de los reactivos derivatizantes comúnmente empleados en la bibliografía (metanol-ácido sulfúrico y dimetilsulfato). Se empleó la técnica de microextracción líquido-líquido con vistas a minimizar el consumo de disolvente. Se seleccionó la derivatización que ofrece mejores resultados en términos de sensibilidad y rapidez del método (2 min de derivatización) usando metanol-ácido sulfúrico en medio acuoso y posterior extracción. Esta investigación ha dado lugar a un trabajo que se encuentra actualmente en vías de publicación.
La estancia (noviembre 2012-marzo 2013) realizada en el Departamento de Química de la Universidad de Ioannina (Grecia), ha dado lugar a un trabajo que actualmente se encuentra en vías de redacción. Se ha abordado la síntesis de nanopárticulas de sílice para su posterior inmovilización en fibras de algodón. El material se ha modificado inmovilizando óxido de grafeno en su superficie. La caracterización del material se llevó a cabo mediante microscopía de barrido electrónico y espectroscopía de infrarrojos. El nuevo material se usó para la microextracción de compuestos iónicos e hidrofóbicos (hidrocarburos policíclicos aromáticos, ftalatos, aromas, disruptores endocrinos y HAAs) en muestras de agua.
3. Conclusión De todos los métodos desarrollados en la bibliografía para la determinación de HAAs en aguas, HS-GC-MS se plantea como una alternativa simple, rápida y robusta con mínima manipulación de la muestra y automática, la cual permite llevar a cabo la extracción, derivatización y volatilización de los analitos en una sola etapa. Por lo tanto esta metodología ha sido la más empleada a lo largo de la Memoria, para llevar a cabo los estudios en orina de personas expuestas a HAAs, en bebidas y alimentos de IV Gama.
Se ha evaluado la exposición a HAAs en trabajadores y usuarios (50 voluntarios) de una piscina cubierta y otra al aire libre. La excreción de estas especies en la orina es máxima entre 20 y 30 min después de la exposición y se eliminan totalmente del organismo después de ~3 h. La estimación cualitativa de las 3 posibles vías de exposición a estos compuestos ha revelado que la ingestión es la vía de exposición más importante (~94%), seguida de la inhalación (~5%), la cual no debe considerarse despreciable, y de la contribución dérmica (~1%). Se ha demostrado por primera vez que los HAAs se encuentran en el aire de las piscinas cubiertas en las microgotas de agua en forma de aerosol, y por tanto puede ser una fuente de exposición por inhalación para los trabajadores de estos ambientes cerrados.
En la Tesis Doctoral se ha puesto de manifiesto la presencia de HAAs en estos productos de IV Gama, lo cual demuestra que pueden contaminarse con residuos de DBPs durante la etapa de lavado con desinfectantes en la industria alimentaria.
4. Bibliografía [1] S.D. Richardson, Anal. Chem. 84 (2012) 747.
[2] J.A. Pals, J.K. Ang, E.D. Wagner, M.J. Plewa, Environ. Sci. Technol. 45 (2011) 5791.
[3] S.D. Richardson, M.J. Plewa, E.D. Wagner, R. Schoeny, D.M. DeMarini, Mutat. Res. 636 (2007), 178.
[4] U.S. Environmental Protection Agency: Disinfection Byproducts: A Reference Resource; Washington, DC, 2008; http://www.cummingutilities.com/Disinfection_Byproducts_and_THMs_2005.pdf.
[5] World Health Organization. Guidelines for Drinking-Water Quality, 2006. http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/gdwq0506.pdf.
[6] J. Cortvriend, Establishment of a list of chemical parameters for the revision of the drinking water directive ENV.D.2/ETU/2007/0077r, 2006. http://circa.europa.eu/Public/irc/env/drinking_water_rev/library?l1/4/chemical_parameters/parameters_26092008pdf/_EN_1.0_&a1/4d.
[7] M.J. Cardador, A. Serrano, M. Gallego, J. Chromatogr. A, 1209 (2008) 61.
[8] M.J. Cardador, M. Gallego, Anal. Bioanal. Chem. 396 (2010)1331.
[9] M.J. Cardador, M. Gallego, J. Chromatogr. B, 878 (2010) 1824.
[10] M.J. Cardador, M. Gallego, Environ. Sci. Tecnol. 45 (2011) 5783.
[11] M.J. Cardador, M. Gallego, J. Agric.Food Chem. 60 (2012) 725.
[12] Regulation No. 8222/87 on the common organization of the market in wine. Off. J. Eur. Communities 1987, L 84, 1¿58.
[13] Food and drugs, Vol. 3, Chapter 3, Part 189 relating to substances prohibited from use in human food. Code Fed. Regul. 2009, 593¿600.
[14] Official Methods of Analysis of the Association of Official Analytical Chemists, 13th ed.; Washington, DC, 1980; Sections 20.067¿20.072.
[15] M.J. Cardador, M. Gallego, J. Agric. Food Chem. 60 (2012) 7326.
