英文原題:
Occurrence and Distribution of Pharmaceuticals and Their Transformation Products in Luxembourgish Surface Waters
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作者:Randolph R. Singh*,Adelene Lai,Jessy Krier,Todor Kondić,Philippe Diderich,Emma L. Schymanski*
通訊作者:Randolph R. Singh,Emma L. Schymanski,盧森堡大學系統生物醫學中心
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摘要圖片
內容簡介
盧森堡大學系統生物醫學中心 Randolph R. Singh 團隊利用非靶向分析對2019-2020年盧森堡地表水中藥物及其轉化產物進行篩查和定量監測,結果顯示抗高血壓藥物、精神活性藥物、抗生素等94種藥物及12種轉化產物在地表水樣品中被檢出。本研究為水資源管理、監測及非靶向污染物篩查提供數據基礎。
文章亮點
研究背景
隨着人類活動和經濟社會的發展,大量藥物及其轉化產物(TPs)被排放到自然水體中。由於藥物本身或其 TPs 具有一定的生物活性,水生生物及人體通過多種途徑暴露於這些污染物後所帶來的健康風險不容忽視。2013年盧森堡水管理局根據《歐盟水框架指令》,監測了盧森堡地表水中有機污染物含量。在92類目標分析化合物中,5類為藥物,分別為:卡馬西平、雙氯芬酸、布洛芬、酮洛芬、利多卡因。但近年來,水環境中實際存在的藥物種類可能更多,因此需要對盧森堡地表水中的藥物負荷有一個更全面的認識。相較於傳統靶向分析技術,基於高分辨率質譜(HRMS)的非靶向分析不僅可以監測環境介質中已知污染物濃度,還可以用於發現新污染物及展開回顧性篩查。但實際環境樣本中基於 HRMS 的篩查和識別仍具有一定難度,通過查閱大量文獻和分析多個開源數據庫平台,本研究選擇 Shinyscreen、MetFrag、PubChemLite 和 MassBank 作為本實驗中使用的開源計算工具和化合物信息匹配數據庫。
研究方法
本研究共設置13個採樣點,各採樣點位置及其詳細坐標信息見圖1。其中2019年4-11月間每隔四周採集其中9個不同地點(1-9號)的地表水樣品,2020年4-8月間每隔四周採集其中8個不同地點(1-4;10-13號)的地表水樣品。每次採樣量為1 L,水樣貯存於棕色玻璃瓶中,置於5±3oC黑暗條件下存放。本實驗中在2019-2020年間共採集盧森堡地表水樣品93份。
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圖1. 採樣點位置分布圖。
本研究採取固相萃取方法對水樣進行前處理,利用 LC-HRMS 進行分析,使用 LuxPharma (CNS)(包含816種藥物化合物)和 NORMAN-SLE S76(包含82種藥物相關TPs)對水樣中化合物進行識別。具體步驟如下:首先利用 Shinyscreen(https://git-r3lab.lu/eci/shinyscreen)進行預篩查;然後使用 MetFrag(https://msbi.ipb-halle.de/MetFrag/)對峰的形狀、寬度、強度以及 MS1 和 MS2 峰的排列進行分析以實現初步識別;並根據 Schymanski 等人文獻中所述方法對識別出的化合物進行置信度分級,後續分析及定量研究僅限於 2a 及1級化合物。本實驗詳細實驗流程和數據處理流程如圖2所示。
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圖2. 實驗流程圖和數據處理流程。
水樣用固相萃取濃縮後,利用 LC-HRMS 分析,並使用開源計算工具和資源(Shinyscreen、MetFrag、PubChemLite 和 MassBank)對疑似藥物及其 TPs 進行篩查。如表1和2所示,在盧森堡河流中共發現94種藥物,其中88種為1級置信水平(其中86種可定量,金剛烷胺和8-羥基喹啉因濃度太低無法定量),6種為2a級置信水平。對於 TPs 而言,12種藥物轉化物也處於 2a 置信度水平。其中,治療心臟相關疾病的藥物(15種)、精神活性藥物(15種)、抗生素(8種)和鎮痛類藥物(8種)是主要的藥物類別。
表1. 盧森堡河水中陽離子模式下篩選的藥物及其TPs匯總
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表2. 盧森堡河水中陰離子模式下篩選的藥物及其 TPs 匯總
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通過繪製2019-2020年各採樣點藥物中位值濃度水平熱圖(圖3和4),進一步探究了藥物及其轉化產物在盧森堡河水中的空間分布情況。如圖所示,希耶河盧森堡段(採樣點1)、阿爾澤特河畔埃特爾布呂克市(採樣點2)和阿爾澤特河畔梅爾施市 Berschbach村(採樣點3)藥物檢出濃度較高。希耶河主要接收來自 Petange 污水處理廠的污水,且本實驗中1號採樣點鄰近該污水處理廠,這可能是其具有較高藥物檢出濃度的主要原因之一。相比之下,2和3號採樣點都處於 Beggen 污水處理廠的下游位置,距離污水處理廠排污口較遠,藥物濃度在一定程度上被稀釋。在所有採樣點中,3、7和10號採樣點中位值濃度最低。在所有的藥物及其TPs中,興奮劑咖啡因、抗抑鬱藥代謝物奧得斯甲基文拉法辛、高血壓治療藥物厄貝沙坦和替米沙坦、糖尿病治療藥物西格列汀和鎮痛藥曲馬多在盧森堡地表水中檢出濃度最高。
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圖3. 2019年各採樣點各物質中位濃度熱圖。
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圖4. 2020年各採樣點各物質中位濃度熱圖。
從時間變化角度來看(圖5),2019年9月和10月檢測到的藥物中位值濃度最高。與2020年相比,阿米替林、碘海醇、苯丙氨酸和雷尼替丁僅在2019年地表水中被檢出,且D-泛醇、二甲雙胍、尼古丁、索他洛爾和維達列汀在2019年中位值濃度更高。D-泛醇是一種用於預防的藥物,二甲雙胍和維達列汀是治療糖尿病的藥物,索他洛爾是治療心律失常的藥物,而尼古丁與吸煙有關。此外,不同年份所檢測到的同一類別藥物含量不同。2019年檢出濃度最高的抗高血壓藥物為索他洛爾和替米沙坦,而2020年為厄貝沙坦。克拉黴素和克林黴素是2019年檢測出濃度最高的抗生素,而2020年是磺胺甲惡唑和甲氧苄啶。在2019-2020期間,上述抗生素和抗高血壓藥物在1和2號採樣點濃度相對較高。
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圖5. 2019-2020年地表水中各藥物及其 TPs 中位濃度時間分布熱圖。
圖6進一步分析了2019及2020年濃度最高的50種藥物及其 TPs 的濃度變化趨勢。相較於2019年,多種藥物及其 TPs 在2020年中位值濃度均有所下降,其中D-泛醇、尼古丁、二甲雙胍和索他洛爾濃度下降最為顯著。此外,在本文中作者對藥物及其 TPs 濃度下降的可能原因進行了分析。2020年由於新冠病毒的影響導致工作方式產生重大改變,遠程辦公取代了傳統的工作方式,這導致跨境工作人員的減少,從而使得污水系統中的藥物負荷量降低;同時新冠病毒的大流行也導致非傳染性疾病醫療程序大幅減少,使得碘己醇類用於醫學成像的放射造影劑用量大幅下降。此外,降水量也是影響地表水中污染物濃度水平的關鍵原因之一,2020年採樣月中盧森堡降水量較2019年更小,這可能是導致檢測到的藥物濃度較低的原因。
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圖6. 2019年和2020年所有月份和採樣地點濃度最高的50種藥物的濃度箱線圖
對於非靶向分析而言,同量異位素、同分異構體和源內碎片離子的存在使 HRMS 數據中化學物質的識別變得較為複雜。在本實驗中通過使用標準品能夠解決部分同量異位素物質的篩查和識別,例如:對乙酰氨基酚和1,2,3,6-四氫酞酰亞胺、胡椒鹼以及嗎啡和依託度酸、可卡因和莨菪鹼等。而對於其他物質,由於缺乏相關標準品,需要通過數據庫指紋譜圖比較或特徵離子的一級、二級譜圖對比的方式對可以篩查物進行識別和分析。例如:如圖7所示,m/z = 253.0972陽離子模式下提取的離子色譜圖在 5 ppm誤差範圍內可觀察到三個顯著峰(tr: 13.95、14.31和14.85 min),通過 MetFrag 進一步檢測和數據庫匹配可知14.31和14.85 min處峰屬於卡馬西平的代謝物2-羥基卡馬西平和3-羥基卡馬西平的空間異構體,而通過對比13.95 min處峰的一級質譜圖和 MetFrag 匹配分析可以推測該處峰對應的物質為10,11-二羥基卡馬西平。然而,目前仍有一部分的物質難以準確區分,例如:立體異構體阿糖腺苷和腺苷碰撞截面差異較小,使用本研究色譜方法或離子遷移率都較難區分。
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圖7. (A)地表水樣品中 m/z = 253.0969提取的離子色譜圖。(B) tr:13.97峰在 MS1 圖譜中顯示了一個較高的峰,可能為已經失水產生了253.0969峰。(C) m/z = 271.1073(可能為10,11-二羥基卡馬西平) MS2 圖譜與3-羥基卡馬西平標準的 MS2 片段相似;見(D)。(E)苯妥英標準品 MS2 圖譜。
本研究利用非靶標分析技術(HRMS分析)考察了盧森堡地表水中藥物及其TPs的污染種類、水平及時空變化趨勢,為全面了解盧森堡地表水中藥物污染現狀及水平提供了新的見解,在本研究中主要分析了1級和2a級置信水平的化合物。關於其它置信水平物質,已與盧森堡水管理局進行了匯報和溝通,隨着更多數據的收集,在未來工作中可以展開深入分析。此外,本實驗中所使用的標準化開放數據庫中對於TPs的可用信息較少,816個母體化合物中,PubChem 中僅有44個 TPs 具有相關信息,因此隨着後續數據庫資源的增加和功能的完善,將進一步展開 TPs 的分析和篩查研究。
該項目得到了 the Luxembourg National Research Fund (FNR) for project A18/BM/12341006 (盧森堡國家研究基金) 支持。研究的相關結果已發表於 ACS Environmental Au。
*感謝廣東工業大學薛靖川教授撰寫本文中文解讀!
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ACS Environ. Au2021, 1, 1, 58–70
Publication Date: July 29,2021
https://doi.org/10.1021/acsenvironau.1c00008
Copyright © 2022 American Chemical Society
關於 ACS EnvironmentalAu
主編:Shelley D. Minteer
執行主編: Xiang-Dong Li
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ACS Environmental Au (音"gold")是美國化學會2021年1月推出的九本 ACS Au 金色開放獲取系列期刊之一。
作為出版範圍十分廣泛的開放獲取期刊,ACS Environmental Au 發表研究論文、快報、綜述和展望,涵蓋環境科學與技術各領域的各類實驗和理論優秀的研究結果,同時涵蓋基礎和應用兩個方向。主題範圍包括:替代能源;人類活動對大氣、土壤或水的影響;生物地球化學循環;用作資源的生物質或廢棄物;水生和陸地環境污染物;環境數據科學;生態毒理學和公共衛生;能源和氣候;環境模擬、過程和測量方法與技術;環境納米技術和生物科技;綠色化學;綠色製造和工程;風險評估;以及處理和資源回收和廢棄物管理。我們歡迎覆蓋廣泛地區和全球性環境課題的學術研究者前來投稿。
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