Automatische, simultane und schnelle Trinkwasseranalyse von Pestiziden mit Online-SPE und UHPLC-MS/MS
Die Gesamtentnahme an Frischwasser in ganz Europa beläuft sich auf etwa 182 Mrd. m3/Jahr – zu etwa gleichen Anteilen gewonnen aus Grundwasser und Oberflächenwasser. EU-Trinkwasser stammt von etwa 11.000 Groß- und 85.000 Klein versorgern, die etwa 80 % beziehungsweise 20 % der Bevölkerung beliefern.
Mehr als 60 % der EU-weiten Wasserinfrastruktur besteht aus Dienstleistungen, die von Unternehmen der öffentlichen Hand erbracht werden – der Rest sind regulierte Unternehmen, zu unterschiedlichen Anteilen privatwirtschaftlich strukturiert. Die europäische Wasserwirtschaft ist ein wirtschaftlich bedeutender Akteur (1 % des BIP) mit einem Jahresumsatz innerhalb der EU von etwa 80 Mrd. Euro. Sie stellt circa 500.000 Vollzeit-Arbeitsplätze und investiert jährlich etwa 7 Mrd. Euro [1].
156 Liter Wasser – so viel verbrauchen EU-Bürger täglich pro Kopf. Grundwasser und Oberflächengewässer wie Flüsse, Seen, Talsperren sowie Meerwasser dienen als Ressourcen. Die sichere und hohe Qualität des Wassers ist für die öffentliche und individuelle Gesundheit unverzichtbar, ebenso für die Wirtschaft.
Pathogene Mikroorganismen gefährden die Wasserbestände, aber auch chemische Substanzen aus Haushalt, Landwirtschaft, Gewerbe oder der Natur. Mangelhafte Qualität und Quantität erzeugen massive Probleme und verursachen hohe soziale und wirtschaftliche Kosten. Strenge und stetige Kontrollen sind daher unerlässlich.
Hintergrund
1998 verabschiedete die Europäische Union (EU) die Trinkwasserrichtlinie 98/83/EC1 (Drinking Water Directive = DWD) [2]. Für mehr als 20 Jahre hat die DWD die Qualität von Wasser für den menschlichen Verbrauch festgelegt. Die Beurteilung dieser Richtlinie wurde in das Arbeitsprogramm 20152 als Teil des behördlichen Fitness- und Leistungsprogramms der Kommission aufgenommen („Programm zur Gewährleistung der Effizienz und Leistungsfähigkeit der Rechtsetzung“ = REFIT), um zu bewerten, ob dieses Instrument weiterhin seinen Zweck erfüllt. Als erste vollständige Evaluierung der DWD wurde sie im Dezember 2016 als Arbeitsdokument der Kommissionsdienststellen (Commission Staff Working Document = SWD, 2016, 428 abschließend) veröffentlicht.
Der Umgang der Landwirtschaft mit der DWD ist ein entscheidender Faktor für sicheres und hochwertiges Trinkwasser. Düngung oder Pflanzenschutz mit Pestiziden wirken sich beträchtlich auf die Trinkwasserqualität aus. Um Kontaminationen aus der Landwirtschaft zu vermeiden, wurden Parameter wie Nitrate und Pestizide in die DWD einbezogen. Diese Standards tragen dazu bei, das Ausbringen von Dünger und Pflanzenschutzmitteln zu reduzieren, so die Umwelt zu schützen und sicheres Trinkwasser von hoher Qualität zu gewährleisten.
Pestizide im Trinkwasser
Pestizide werden häufig für den Pflanzenschutz eingesetzt. Ihr intensiver Gebrauch und der langsame natürliche Abbau tragen zur Verunreinigung des Oberflächen- und Grundwassers bei – den wichtigsten Quellen für Trinkwasser. Diese Belastung kann für Tiere, Menschen und Ökosysteme gefährlich sein – mit einem sofortigen oder einem Langzeiteffekt. Bezüglich dieser Substanzen haben einige Untersuchungen Gesundheitsauswirkungen aufgedeckt, wie Veränderungen im Nervensystem, Erkrankungen des Immunsystems, Fertilitäts- und Entwicklungsstörungen sowie Krebs. Deshalb wurde in der DWD eine Konzentrationsgrenze von 0,1 μg/l für einzelne Pestizide und 0,5 μg/l für die Gesamtmenge an Pestiziden festgelegt.
Bestimmung von 272 Pestiziden in Wasser
Herkömmliche Trennmethoden benötigen ein langwieriges Vorbereitungsprotokoll, um die durch Umweltstandards festgesetzten Schwellenwerte zu erreichen. Die schnelle und empfindliche Online-SPE-LC-MS/MS-Methode von Shimadzu quantifiziert gleichzeitig 272 Pestizide in Oberflächenund Grundwasser. Diese hochempfindliche Technik benötigt Lösungsmittel und Reagenzien hoher Qualität für die mobilen Phasen (LCMS-Grade Biosolve 1) ).
Zwei Oberflächenwasser- und eine Grundwasserprobe wurden mit Standardpestiziden von Sigma-Aldrich (St. Louis, Mis – souri, USA) versetzt. Sechs Kalibrationsstufen von 1, 10, 20, 50, 100 und 500 ng/l wurden dreimal in jeder Matrix angefertigt.
SPE-UHPLC-Betriebsbedingungen: Nexera X2
System: Shimadzu Nexera X2
Säule SPE: Mayi-ODS C18 Säule LC: C18AQ CS Interchim 2,6 μm 150 * 3 mm
A/B (SPE): Wasser/Acetonitril + 0,002 % Ameisensäure + 2 mM Ammoniumformiat
A: Wasser + 0,002 % Ameisensäure + 2 mM Ammoniumformiat
B: 50/50 Acetonitril/Methanol + 0,002 % Ameisensäure + 2 mM Ammoniumformiat
LC-Fluss: 0,7 ml/min
SPE-Elutionsfluss: 0,2 ml/min
Ofentemperatur: 40 °C
Injektionsvolumen: 1.000 μl
MS-Betriebsbedingungen: LCMS-8050
System: Shimadzu LCMS-8050
ESI-Ionisationsmodus: Positiv und negativ
Verweildauer: 4 bis 199 msec, um mindestens 15 Datenpunkte pro Peak zu erhalten
Fluss des Zerstäubergases: 2,8 l/min
Fluss des Heizgases: 10 l/min
Fluss des Trocknungsgases: 10 l/min
Desolvatisierungsgrenze: 150 °C
Temperatur des Heizblockes: 300 °C
Temperatur der Schnittstelle: 350 °C
Die Analyse zeigt die unterschiedlichen, in drei Wasserproben hergestellten Konzentrationsstufen (Abbildung 2).
Eine der vorigen, mit verschiedenen Konzentrationsstufen versetzten Matrizes wurde ausgewählt, um eine Kalibrationskurve zu generieren. Die anderen dotierten Wasserproben dienten als Kontrollen. Die 23 verschiedenen Isotopen markierten Standards wurden hinzugefügt, um eine interne Kalibrierung durchzuführen. Um den Matrixeffekt zu beseitigen, wurden interne Standards (ISTD) gewählt, die die Hauptfamilien von Pestiziden abdecken, wie Phenylharnstoffe, Triazine, Carbamate, Sulphonylharnstoffe und Organophosphorverbindungen.
Die Quantifizierungsgrenzen wurden für jede Verbindung durch ein Signal-Rausch-Verhältnis größer 10 festgelegt. Tabelle 1 klassifiziert die Verbindungen gemäß ihrer Quantifizierungsgrenzen: 1, 10 und 25 ng/l. Die erhaltenen LLOQs (lower limit of quantification/ untere Quantifizierungs – grenze) entsprechen den Anforderungen der europäischen Richtlinien und den Vorgaben der Weltgesundheitsorganisation WHO.
Tabelle 1: Quantifizierungsgrenze in ng/l für jede Verbindung
Leistungsbewertung
Die Reproduzierbarkeit wurde auf der niedrigsten Konzentration eines jeden Wassers mit drei Injektionen bestimmt. Ungeachtet der Wassermatrix lag die Reproduzierbarkeit bei weniger als 15 % für alle 272 Zielsubstanzen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten Wiederfindungsraten von 85 bis 115 % für die Kalibrationsstandards und die Kontrollproben.
Fazit
Shimadzu bietet eine einzigartige, automatisierte und empfindliche Methode an, um eine große Zahl von Pestiziden in Wasser zu quantifizieren. Die Quantifizierungsgrenzen lagen im Bereich von 1 bis 25 ng/l bei einer Probeninjek tion von 1 ml. Die Wiederfindungsraten reichen von 85 – 115 %, wobei die Reproduzierbarkeit bei kleiner als 15 % für die vollständige Liste liegt. Letztlich ist diese Technik geeignet für die Schwellenwerte des aktuellen normativen Umfelds wie der DWD. Sie ist ein perfektes Beispiel, wie Chromatographie und Massenspektrometrie zusammengehen als leistungsstarke, anwenderfreundliche und zeitsparende Technik, die die Bedürfnisse der Anwender bedient.
Biosolve ist der Handelsname der BioSolve® Company (TBC)
Referenzen
[1] REFIT EVALUATION of the Drinking Water Directive 98/83/EC, 2016.
[2] European Drinking Water Directive 98/83/EC1.