Distribución de fármacos y compuestos disruptores endocrinos entre agua natural superficial y sedimento

Resumen Los contaminantes emergentes son compuestos químicos que, debido a su gran uso, constantemente están siendo introducidos a las distintas matrices ambientales. Algunos estudios han demostrado que la acumulación de estos compuestos en el ambiente puede ser perjudicial tanto para el hombre, como para los organismos acuáticos que habitan los mantos freáticos, ocasionando principalmente, alteraciones negativas en el sistema endocrino. En este trabajo de tesis, fue determinada la distribución en el ambiente (agua y sedimentos) de 6 compuestos emergentes; naproxeno (NPX), ibuprofeno (IBU), 4-nonilfenol (4NP), bisfenol A (BPA), 17β-estradiol (E2) y 17α-etinilestradiol (EE2). Así mismo, mediante el cálculo del coeficiente de partición (Log Kd) entre sedimento y agua, se realizó una estimación del destino en el ambiente de los compuestos analizados. Adicionalmente fueron determinados los niveles de estrogenicidad (EEQE2) provocados por la presencia de los compuestos disruptores endocrinos (CDEs) 4NP, BPA, E2 y EE2 en muestras de agua y sedimentos obtenidas de los sitios Chapultepec (CPTPC), Tetela (TTL), Temixco 1 (TMC1), Temixco 2 (TMC2) y Jiutepec (JTPC). Los compuestos de interés detectados en muestras de agua y sedimentos fueron obtenidos mediante extracción en fase sólida y extracción asistida por ultrasonido, respectivamente. Estos métodos fueron optimizados y validados en forma previa a la extracción de muestras naturales. Para la matriz de agua, los mayores porcentajes de recuperación fueron obtenidos a pH neutro, utilizando una mezcla acetona – metanol (3:2) en la elución de los compuestos, obteniéndose porcentajes de recuperación en el rango de 54 (4NP) – 89 (EE2) %. Por otro lado, para la optimización de la extracción en la matriz de sedimentos, muestras de sedimentos naturales fueron enriquecidas con los estándares de interés y extraídas con diferentes disolventes. Los mayores porcentajes de extracción fueron obtenidos con acetona – metanol 3:2, obteniéndose porcentajes de extracción en el intervalo de 52 (4NP) – 71 (EE2) %. La cuantificación de los compuestos presentes en agua y sedimento fue realizada mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas, el método instrumental demostró ser selectivo y lineal en el rango de concentración de 0 a 320 ng/mL para 4NP, BPA, NPX y EE2, y de 0 a 240 ng/mL para IBU y E2. Entre tanto, el límite de detección para todos los compuestos osciló en el rango 0.03 – 13.73 ng/mL, mientras que el límite de cuantificación osciló en el rango 0.09 – 45.75 ng/mL (E2 e IBU respectivamente). Las concentraciones de los compuestos determinadas en agua oscilaron en el rango no detectado (ND) – 51.93 ng/L para IBU, menor al límite de detección (< LDD) – 11.08 ng/L para 4NP, ND – 86.40 ng/L para NPX, < LDD – 65.21 ng/L para BPA, < LDD – 5.37 ng/L para E2 y ND – 16.06 ng/L para EE2. Las concentraciones de los compuestos determinadas en sedimento oscilaron en el rango ND – 0.72 XIV ng/g para IBU, < LDD – 0.70 ng/g para 4NP, ND – 0.85 ng/g para NPX, < LDD – 3.97 ng/g para BPA, 0.01 – 0.85 ng/g para E2 y ND – 0.46 ng/g para EE2. A partir de la concentración ambiental determinada entre agua y sedimento para los compuestos de interés, se determinó el coeficiente de distribución (Log Kd) para cada compuesto. Los valores Log Kd obtenidos fueron 1.43 ± 0.26, 1.35 ± 0.37, 1.05 ± 0.17, 1.24 ± 0.59, 1.91 ± 0.56 y 1.41 ± 0.13 L/Kg para IBU, 4NP, NPX, BPA, E2 y EE2 respectivamente. Lo que indica que los compuestos en el ambiente se encuentran en mayor concentración en sedimentos. Esto se debe principalmente a las interacciones hidrofóbicas que presentan los compuestos analizados. Mediante un análisis de correlación de Spearman, fueron determinadas correlaciones significativas entre los compuestos presentes en ambas matrices y los parámetros fisicoquímicos determinados para las muestras analizadas. En este sentido, a un nivel de probabilidad de p ≤ 0.05, en la matriz de agua fueron determinadas correlaciones (r) significativas entre los parámetros fisicoquímicos y los compuestos analizados, tales como carbono orgánico total (COT), demanda biológica de oxígeno (DBO5) y demanda química de oxígeno (DQO) con IBU (0.8499, 0.8369 y 0.8628 respectivamente), BPA (0.8503, 0.9272 y 0.9446 respectivamente) y EE2 (0.8423, 0.9027 y 0.9552 respectivamente). Mientras que en la matriz de sedimentos fueron encontradas correlaciones significativas de los parámetros COT, DBO5, DQO con BPA (0.9246, 0.9158 y 0.9880 respectivamente) y EE2 (0.8376, 0.8990 y 0.9524 respectivamente). Por otra parte, de acuerdo con criterios de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (USEPA por sus siglas en inglés) y de la Unión Europea (EU por sus siglas en inglés), fue determinado el nivel de estrogenicidad. El cual es determinado como el equivalente estrogénico a la hormona E2 (EEQE2), y es útil para establecer posibles alteraciones endocrinas al sistema nervioso central. Como resultado, los sitios 4 de los 5 sitios muestreados presentaron valores de EEQ E2 > 1 ng/L para 4NP, BPA, E2 y EE2. Lo que indica que los organismos acuáticos endémicos del Estado de Morelos que habitan en la microcuenca del río Apatlaco están expuestos posibles alteraciones negativas al sistema endocrino.

Abstract Emerging pollutants are chemical compounds that, due to their high demand, are constantly being introduced to the different environmental matrices. Some studies have demonstrated that the accumulation of these compounds in the environment can be harmful both for man and for the aquatic organisms that inhabit the water bodies, mainly causing negative alterations in the endocrine system. In this thesis work, the distribution in the environment (water and sediments) of 6 emerging compounds was determined: naproxen (NPX), ibuprofen (IBU), 4-nonylphenol (4NP), bisphenol A (BPA), 17β-estradiol (E2) and 17α-ethinyl estradiol (EE2). Likewise, by calculating the partition coefficient (Log Kd) between sediment and water, an estimate of the fate in the environment of the analyzed compounds was made. Additionally, estrogenicity levels (EEQE2) caused by the presence of endocrine disrupting compounds (CDEs) 4NP, BPA, E2 and EE2 were determined in water and sediment samples obtained from the Chapultepec (CPTPC), Tetela (TTL), Temixco 1 (TMC1), Temixco 2 (TMC2) and Jiutepec (JTPC) sites. The compounds of interest detected in water and sediment samples were obtained by solid phase extraction and ultrasound-assisted extraction, respectively. These methods were optimized and validated prior to the extraction of natural samples. For the water matrix, the highest percentages of recovery were obtained at neutral pH, using an acetone-methanol mixture (3:2) in the elution of the compounds, obtaining recovery percentages in the range of 54 (4NP) – 89 (EE2) %. On the other hand, for the optimization of extraction in the sediment matrix, samples of natural sediments were enriched with the standards of interest and extracted with different solvents. The highest percentages of extraction were obtained with acetone – methanol 3:2, extraction percentages obtained were in the range of 52 (4NP) – 71 (EE2) %. The quantification of the compounds present in water and sediment was performed by gas chromatography coupled to mass spectrometry, the instrumental method proved to be selective and linear in the concentration range of 0 to 320 ng/mL for 4NP, BPA, NPX and EE2, and from 0 to 240 ng/mL for IBU and E2. Meanwhile, limit of detection for all compounds oscillated in the range 0.03 – 13.73 ng/mL, while the limit of quantification oscillated in the range 0.09 – 45.75 ng/mL (E2 and IBU respectively). The concentrations of determinated compounds in water ranged in the undetected range (ND) – 51.93 ng/L for IBU, lower than the limit of detection (< LDD) – 11.08 ng/L for 4NP, ND – 86.40 ng/L for NPX, < LDD – 65.21 ng/L for BPA, < LDD – 5.37 ng/L for E2 and ND – 16.06 ng/L for EE2. Concentrations of determinated compounds in sediments oscillated in the range ND – 0.72 ng/g for IBU, < LDD – 0.70 ng/g for 4NP, ND – 0.85 ng/g for NPX, < LDD – 3.97 ng/g for BPA, 0.01 – 0.85 ng/g for E2 end ND – 0.46 ng/g for EE2. XVI From the environmental concentration determined between water and sediment for the compounds of interest, the distribution coefficient (Log Kd) for each compound was determined. The Log Kd values obtained were 1.43 ± 0.26, 1.35 ± 0.37, 1.05 ± 0.17, 1.24 ± 0.59, 1.91 ± 0.56 and 1.41 ± 0.13 L/Kg for IBU, 4NP, NPX, BPA, E2 and EE2 respectively. This indicates that the compounds in the environment are found in higher concentration in sediments. This is mainly due to the hydrophobic interactions presented by the analyzed compounds. By means of a Spearman correlation analysis, significant correlations were determined between compounds present in both matrices and the physicochemical parameters determined for the samples analyzed. In this sense, at a probability level of p ≤ 0.05, significant correlations (r) were determined in the water matrix between the physicochemical parameters and the compounds analyzed, such as total organic carbon (TOC), biological oxygen demand (BOD5) and chemical oxygen demand (COD) with IBU (0.8499, 0.8369 and 0.8628 respectively), BPA (0.8503, 0.9272 and 0.9446 respectively) and EE2 (0.8423, 0.9027 and 0.9552 respectively). While in the sediment matrix were found significant correlations of the parameters COT, BOD5, COD with BPA (0.9246, 0.9158 and 0.9880 respectively) and EE2 (0.8376, 0.8990 and 0.9524 respectively). On the other hand, according to criteria of the Environmental Protection Agency of United State of America (USEPA) and the European Union (EU), the level of estrogenicity was determined. Which is determined as the estrogenic equivalent to the hormone E2 (EEQE2) and is useful for establishing possible endocrine alterations to the central nervous system. As a result, sites 4 of the 5 sites sampled presented EEQE2 values > 1 ng/L for 4NP, BPA, E2 and EE2. This indicates that the endemic aquatic organisms of the State of Morelos that inhabit the micro-basin of the Apatlaco River are exposed to possible negative alterations to the endocrine system. In the analysis of the water quality of the sampled sites, the water quality was classified as "excellent" in Chapultepec (CPTPC), "acceptable" in Tetela (TTL), Temixco 1 (TMC1), Temixco 2 (TMC2) and "contaminated" at Jiutepec site (JTPC)