Águas Calmantes e Estéreis:

Análise da Presença e Efeitos

de Hormônios, Antibióticos e

Drogas Ilícitas no Meio

Ambiente

Piero R. Gardinali, Xu Zhao, Arlette Azua, Simrat

Singh, Jun Shi, Mark Cejas, Sudha Batchu, Chengtao

Wang, and Venkat Reddy

Department of Chemistry & Biochemistry

Southeast Environmental Research Center (SERC)

Marine Sciences Program

49o Congresso Brasileiro de Quimica

11,000,000 Quimicos conocidos

100,000 Preparaciones

90,000 Quimicos “registrados” en USA 1200-1500 Nuevos registros anuales ~120 Contaminantes con niveles controlados! ~220 Microconstituyentes no regulados en aguas superficiales 1 Atrazina en >90% de las muestras

Cuantos quimicos hay en el ambiente?

Que agua beben en Porto Alegre?

Agua con Oxigeno

Agua con Caffeina

Agua con Vitaminas

Los estandades de calidad (FDA)

son similares en USA.

La botella puede introducir BPA

Que agua beben en Porto Alegre?

Para que producirla si no la tomamos?

Agua potable Patogenos (la lista crece)

Metales/ Aniones y Cationes

Contaminantes organicos

Radioactividad

Aguas tratadas Patogenos

Nutrientes

Solidos

Que tan limpia esta el agua?

~220 Microconstituyentes no regulados en aguas superficiales Farmacos, quimicos de uso personal, hormonas, aditivos y quimicos industriales

Depende del agua!

~220 Microconstituyentes no regulados en

aguas superficiales NO REGULADOS = NO TRATAMIENTO

Cual debe ser la

calidad del agua

antes de

reintroducirla en el

medio ambiente?

Hollywood ocean outfall (baned in 2015)

50-90% del flujo de un rio puede ser de

efluentes de plantas de tratamiento

Feminizacion de organismos en lagos y rios!

Otras aguas saborizadas energeticas

y medicinales

Agua con:

Vitaminas

Proteinas

Caffeina

Antibioticos

….

A donde va el agua?

Quien pregunta?

Aguas saborizadas: la triste

realidad

Aguas

superficiales

Aquiferos

Aguas

subterraneas

PRODUCCION

DE AGUA

POTABLE

Domestico Agricultura Industrial

TRATAMIENTO

Lo que creemos

Aguas saborizadas: la triste

realidad

Aguas

superficiales

Aquiferos

Aguas

subterraneas

PRODUCCION

DE AGUA

POTABLE

Domestico Agricultura

Ganadería Industrial

TRATAMIENTO

Lo que pensamos

que hacemos

Aguas saborizadas: la triste

realidad

Aguas

superficiales

Aquiferos

Aguas

subterraneas

PRODUCCION

DE AGUA

POTABLE

Domestico Agricultura

Ganadería Industrial

TRATAMIENTO

Biosolidos

Rellenos

sanitarios

Lo que pasa

Pozos

Septicos

Aguas saborizadas: la triste

realidad

PRODUCCION

DE AGUA

POTABLE

Usos

El futuro! Como mantener el agua sin perderla?

TRATAMIENTO

Recipiente de

agua

Aguas saborizadas: la triste

realidad

PRODUCCION

DE AGUA

POTABLE

Usos

El futuro!

Que tratamiento es adecuado?

TRATAMIENTO

Recipiente de

agua

50-80% de

efectividad

Por que vivo en Florida?

Daughton CG. "Chemicals from Pharmaceuticals and Personal Care

Products," in Water: Science and Issues, E. Julius Dasch (ed.), New

York: Macmillan Reference USA, 2003, Vol. 1:158-164.

Lo que no sabia!

Swamp & Overflowed Lands Act (1850)

400 millas de canales Drenaje de humedales

Hurricane and Severe Flooding (1926/1928)

Central & Southern Florida Project (1948)

Control de inundaciones Garantizar fuentes de agua Revenir flujo de agua salobre Garantizar flujo en ENP Preservar recursos biologicos Recreacion y navegacion

“Yes, the Everglades is a swamp; so was Chicago 60 years ago.”

Florida Governor Napoleon Bonaparte Broward

Agua como recurso ecologico

Solucion

Drenar partes del sistema para permitir agricultura y usos urbanos (N y E)

Crear areas de retencion (WCAs)

Resultado

Distribucion de humedales e interconexion

Cambios del ecosistema en humedales nuevos y areas de manglares

Perdida de la capacidad de recargar los aquiferos

Sistema de pulsos vs flujo laminar

ANTES AHORA

Restauracion de los Everglades

Agua como recurso ecologico

Incrementar el flujo de agua (Q)

El agua disponible tiene un

caracter antropogenico (Q)

Durante el tiempo adecuado (T)

En ell lugar apropiado (D)

Sustentabilidad “do no harm”

Cual es el riesgo?

Llegamos tarde?

Fate and Pathways of Injection-Well Effluent in the Florida Keys

Eugene A. Shinn, Ronald S. Reese , and Christopher D. Reich (USGS OFR-94-276)

Fate and Pathways of Injection-Well Effluent

in the Florida Keys

Eugene A. Shinn, Ronald S. Reese , and

Christopher D. Reich (USGS OFR-94-276)

Ground Water Characterization in Marine Areas of Biscayne National Park

Robert Halley (2004)

Compuestos orgánicos no regulados procedentes de efluentes domésticos

Medir o regular?

Productos de uso personal

DEET, Triclosan, Sucralosa, Caffeina

Farmacos

Antibióticos, antidepresivos, estimulantes, anticonceptivos

Productos de uso industrial

Bisphenol A, nonylfenol, octylfenol

Hormonas y esteroides naturales

Estrona, Estradiol, Testosterona, Progesterona, Coprostanol

Kolpin et al., Environ. Sci. Technol., 36 (6), 1202 -1211, 2002

Que hay en el agua?

10 ng/L

Kolpin et al., Environ. Sci. Technol., 36 (6), 1202 -1211, 2002

A que nivel?

10 ng/L

Deteccion > 50%

Kolpin et al., Environ. Sci. Technol., 36 (6), 1202 -1211, 2002

Con que frequencia?

10 ng/L

50% detection

Kolpin et al., Environ. Sci. Technol., 36 (6), 1202 -1211, 2002

Que analizo?

Que es lo que vemos en el

ambiente Subterraneas

Fuentes

Superficiales

Focazio et al (2008) Sci. Tot. Env. 402(201-216)

Barnes et al. (2008) Sci. Tot. Env. 402(192-200)

Quimica analitica Estructurras y funcionalidades diferentes

Mas polares que los contaminantes tradicionales

Se pueden separar por HPLC (UHPLC)

Limites de deteccion entre 1-20 ppt (ng/L)

Nuevos desarrollos

SPE OASIS HLB fases polimericas

LC/MS

LS/MS/MS

Las limitaciones

Es imposible analizar todo al mismo tiempo

Instrumentos son todavia caros e inaccesibles

Los limites de deteccion dependen de la matriz

Por que no comprometer?

“Trazador” o “Riesgo”

El riesgo es importante pero la

desconexión es evidente Focazio et al (2008) Sci. Tot. Env. 402(201-216)

Costanzo et al (2007) Sci. Tot. Env. 398 (214-220)

Frecuencia 34%

Max 14mg/L

13 resultados

Mas toxico?

71 mg/L

5000x maximo ambiental

La desconexion es similar para

muchos compuestos

Medicion

Prediccion

Toxicidad

A excepcion de las hormonas!

17b-Estradiol (E2)

Estrone (E1)

17b-Ethynylestradiol (EE)

Estriol (E3)

EDC’s

Hormonas: 1 ng/L es relevante

Soares, J., et al., Disruption of zebrafish (Danio rerio) embryonic

development after full life-cycle parental exposure to low levels of

ethinylestradiol. Aquat. Toxicol. (2009), doi:10.1016/j.aquatox.2009.07.021

expresion de Vtg1 Mortalidad en diferentes etapas

Embriones de ( Dario rerio)

10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00

Bis

ph

en

ol-

A

Bis

ph

en

ol-

A-d

16

Tri

clo

san

4-n

on

lph

en

ol

Caff

ein

e-1

3C

3

DE

ET

Steroids/Hormones (15)

19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 25.00 26.00 27.00 28.00 29.00

Ch

ole

ste

rol

Co

pro

sta

no

ne

Co

pro

sta

no

l

Estr

iol

Pro

geste

ron

e

Pro

geste

ron

e-d

9 (IS

5) Co

pro

sta

ne

Eq

uil

en

in

Eth

yn

yl estr

ad

iol

Testo

ste

ron

e b

-Estr

ad

iol

Mestr

an

ol

b-E

str

ad

iol-

d5 (IS

4)

Eq

uil

in

Estr

on

e

Estr

on

e-d

4 (IS

3)

a-E

str

ad

iol A

nd

roste

ron

e

Ch

rysen

e-d

12 (R

S)

Caff

ein

e

PPCP (5)

Trazadores Evalaudores de riesgo

El equipo esta disponible en muchos laboratorios

Si se controla la derivatizacion los resultados son

reproducibles (BSTFA + 1%TMS + piridina, <70°)

Estandares enriquecidos con isotopos estables

Por lo menos un estandar por cada –OH en la molecula

Extaccion liquido-liquido (2+litros), SPE OASIS HLB

(hasta 1 litro).

GC/MS con BSTFA/TMS

Target Analytes Surrogate used for the quantification of analytes

Average Surrogate Recoveries (n=57)

Caffeine

DEET

Caffeine 13C3 52% (25-70%)

Triclosan

Bisphenol A

Nonyphenol

Bisphenol A – d16

51% (35-95%)

Androsterone

Estrone

Equilin

Testosterone

Equilenin

Coprostanol

Cholesterol

Estrone – d4

100% (70-130%)

b-Estradiol

a- Estradiol

Estriol

b- Estradiol – d5

156%

(100-260%)

Progesterone

Ethynyl Estradiol

Coprostane

Mestranol

Coprostanone

Progesterone – d9

124%

(80-160%)

COMPOUND METHOD DETECTION

LIMIT (ng/L, n=7)

AVERAGE %

RECOVERIES

(n=15)

Linearity (n=7)

Androsterone 0.5 101% 0.994

Estrone 0.5 96% 0.999

a-Estradiol 0.5 126% 0.998

Equilin 0.5 79% 0.999

Mestranol 0.5 88% 0.995

b-Estradiol 0.5 109% 0.993

Testosterone 2 119% 0.992

17a-Ethynyl Estradiol

2 112% 0.991

Equilenin 0.5 109% 0.998

Coprostane 0.7 91% 0.994

Progesterone 2 87% 0.995

Estriol 1 26% 0.996

Coprostanol 0.5 126% 0.995

Coprostanone 0.7 98% 0.994

Cholesterol 150 170% 0.991

Caffeine 1 123% 0.999

Bisphenol A 4 126% 0.999

Nonyphenol 2 108% 0.998

DEET 4 126% 0.996

Triclosan 1 101% 0.999

AGRICULTURAL RESIDENTIAL LANDFILL / WWTP / MARINA

1

2

3

4

5 6 7

8 9 10 11-14

SOUTH DADE

N

Atlantic Ocean

Florida Bay

Key West

Gulf of Mexico Miami

KEY LARGO

MRCP

MRSF MRYC

MRNS MRMS

MRBP

MIAMI RIVER

1

3

2

5

4

7

6

9

8

10

LITTLE VENICE, MARATHON

LOOE

KEY

Little Venice

C-1 CANAL

Miami River

Key Largo

DEET

LV-01LV-02

LV-03LV-04

LV-05LV-06

LV-07LV-08

LV-09LV-10

Con

cent

ratio

n (n

g/L)

0

50

100

150

200

250

300

350

Bisphenol A

LV-01LV-02

LV-03LV-04

LV-05LV-06

LV-07LV-08

LV-09LV-10

Con

cent

ratio

n (n

g/L)

0

5

10

15

20

25

Coprostanol

LV-01LV-02

LV-03LV-04

LV-05LV-06

LV-07LV-08

LV-09LV-10

Con

cent

ratio

n (n

g/L)

0

10

20

30

40

50

60

Estrone

LV-01LV-02

LV-03LV-04

LV-05LV-06

LV-07LV-08

LV-09LV-10

Con

cent

ratio

n (n

g/L)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Little Venice, el efecto de los pozos septicos

Microconstituents in South Florida

Microconstituent

Caffein

e

DEET

Bisphenol-A

Triclo

san

Estro

ne

Coprost

anol

Estra

diol

Coprost

anone

Equilin

Co

nc

en

tra

tio

n (

ng

/L)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

(85%) (66%)

(44%)

(21%)(81%)

(12%)

(18%)

(44%)

(21%)

190 ng/L

a b

Singh el at. (2009) Ecotoxicolgy, in press

Miami River – Key Largo harbor

MRCP MRSF MRYC MRMS MRNS MRBP

Co

nc

en

tra

tio

n (

ng

/L)

0

20

40

60

80

Miami River

KLH-01 KLH-02 KLH-03 KLH-04 KLH-05 KLH-06 KLH-07 KLH-08

Co

ncen

trati

on

(n

g/L

)

0

20

40

60

80

DEET

Caffeine

Bisphenol-A

Triclosan

Estrone

Coprostanol

b-Estradiol

INLAND (W) OFFSHORE (E)

Key Largo Harbor

Bisfenol-A mas frecuente

Triclosan mas

influencia de

septicos

Sistema cerrado con

dilucion y marea

Singh el at. (2009) Ecotoxicolgy, in press

Fuentes diferentes ?

Co

ncen

trati

on

(n

g/L

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Co

nc

en

tra

tio

n (

ng

/L)

0

10

20

30

40

50

60

CAFFEINE

Cw= 53.35 e

-0.0013Distance

r2=0.986

COPROSTANOL

Cw= 3.18 e

-0.0012Distance

r2=0.913

Distance from Source (meters)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600C

on

cen

trati

on

(n

g/L

)0

5

10

15

20

25

30

BISPHENOL-A

KLH01 Atlantic Ocean

Cafeina y Coprostanol

tienen la misma fuente al

final del canal

Bisfenol-A relacionado

con las marinas

No hay evidencia de

transporte a los arecifes

cercanos (>5000 m)

Singh el at. (2009) Ecotoxicolgy, in press

Buceo en un arecife a 10 km?

9 July-noon 10 July-morning 10 July-noon 11 July-morning

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

9 July-noon 10 July-morning 10 July-noon 11 July-morning 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Estrogen Equivalence

Cholesterol

Caffeine

Estrone

0.8

1.0 E

str

og

en

Eq

uiv

ale

nce (

ng

/L)

9 July-noon 10 July-morning 10 July-noon 11 July-morning 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Estr

on

e C

on

cen

trati

on

(n

g/L

)

9 July-noon 10 July-morning 10 July-noon 11 July-morning 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Ch

ole

ste

rol C

on

cen

trati

on

(n

g/L

) 9 July-noon 10 July-morning 10 July-noon 11 July-morning 0

10

20

30

40

Caff

ein

e C

on

cen

trati

on

(n

g/L

)

Correlacion con el numero

de personas

Mas compuestos en la

superficie que a 7 metros

Correlacion entre YES y el

nivel de estrona

LANDFILL

SOUTH DADE WWTP

8 13

9 10

11 12

Caffeine

Agricultural Area Residential Area Landfill Area

Co

ncen

trati

on

(n

g/L

)

0

5

10

15

20

25

Coprostanol

Agricultural Area Residential Area Landfill Area

Co

nc

en

tra

tio

n (

ng

/L)

0

2

4

6

8

10

Estrone

Agricultural Area Residential Area Landfill Area

Co

ncen

trati

on

(n

g/L

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Bisphenol-A

Agricultural Area Residential Area Landfill Area

Co

ncen

trati

on

(n

g/L

)

0

20

40

60

80

100

120

140

Calidad de agua y reuso Si se introduce agua tratada a

un ecosistema...

Vemos la diferencia?

Calidad de agua y reuso

Biscayne Bay Coastal

Wetlands Phase I

Cual es la “calidad” del agua de reuso

ESTRONE CAFFEINE

Cual es la “calidad” del agua de reuso

ESTRONE CAFFEINE

Cual es la “calidad” del agua de reuso

ESTRONE CAFFEINE

Cual es la “calidad” del agua de reuso

ESTRONE CAFFEINE

After Ultra-filtr

ation

After Reverse osmosis

After Nano-filtration

After UV irradiation

Co

prs

tan

on

e c

on

ce

ntr

atio

n (

ng

/L)

0

20

40

60

80

100

120

140

After Ultra-filtr

ation

After Reverse osmosis

After Nano-filtration

After UV irradiation

Co

pro

sta

no

l co

nce

ntr

atio

n (

ng

/L)

0

500

1000

1500

2000

2500

COPROSTANOL

COPROSTANONE

Tratamiento?

•RO OK

•MF OK

Orange County Utilities

After Ultra-filtr

ation

After Reverse osmosis

After Nano-filtration

After UV irradiation

b-e

str

ad

iol co

nce

ntr

ation

(ng

/L)

0

2

4

6

8

10

After Ultra-filtr

ation

After Reverse osmosis

After Nano-filtration

After UV irradiation

Estr

one c

oncentr

ation (

ng/L

)

0

5

10

15

20

25

ESTRONE

17b-ESTRADIOL

Tratamiento?

•MF -

•RO -

•UV OK

Orange County Utilities

Si sobreviven el tratamiento que

pasa en el ambiente?

Photodegradation of Erythromycin at 350 nm

Time (hrs)

0 50 100 150 200

Ln (Ct/Co)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

DDW

CW

SW

Antibioticos comunes en el ambiente

Photodegradation of Sulfamethoxazole at 350nm

Time (hrs)

0 1 2 3

Ln

(C

t/C

o)

-8

-6

-4

-2

0

2

DDW

CW

SW

~20% detecciones

S

O O

N

H

NO

CH3

H2N Sulfamethoxazole

Los problemas – matrices solidas

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

Caffein

e 13C3

Bisphen

ol A

D16

Triclo

san

D3

Equlili

n D4

Norges

trel D

6

17A E

thyn

yl e

stra

diol

D4

Choles

tane

D6

DEET

Nonylp

heno

l

Estro

ne

Equile

nin

Testo

ster

one

Copros

tano

l

17B-E

stra

diol

Estrio

l

Proges

tero

ne

Copros

tane

Ethyl Acetate

CH2CL2

Recuperacion en sedimento despues

de cromatorafia en silica gel.

Surrogados Compuestos

Aguas dulces?

22.00 23.00 24.00 25.00 26.00 27.00 28.00 29.00 30.00 31.00 32.00 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

Time

Abundance Key Largo Harbor

SUCRALOSA

LLE, GC/MS BSTFA

30-127 ng/l

Aguas dulces?

Mead, Ralph N., Morgan, Jeremy B., Avery Jr., G. Brooks,

Kieber, Robert J., Kirk, Aleksandra, Skrabal, Stephan A., Willey, Joan D.,

Occurrence of the artificial sweetener sucralose in coastal and marine waters of the United States,

Marine Chemistry (2009), doi: 10.1016/j.marchem.2009.09.005

67 ng/L

*

* At a dose of 100mg 2.7% usage in population age 15-34 !

Aguas envigorizantes?

CSI (chemical spying at your institution)

N

H

O

HO

O

OCH3

H3C

N

O

O

O

OH

H3C

Cocaine

Cocaine-d3

N

O

O

O

OH

D3C

O

OCH3

HN

CH3

Benzoylecgonine-d3

Benzoylecgonine MDMA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

Time (min)

19.5

17.51

19.4

17.93

22.1

22.0

24.3

24.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

Time (min)

0

100 22.0

22.0

O

OCH3

HN

CH3

N

H

O

HO

O

OCH3

H3C

MDMA

COCAINE

BENZOYLECOGNINE

1000x 100 0

N

O

O

O

OH

H3C

MDMA-d5

BENZOYLECOGNINE-d3

COCAINE-d3

DORM SAMPLE

STANDARD

194137

290168

304182

287 ng/L BENZOYLECOGNINE

BENZOYLECOGNINE-d3

FIU Dorms •Efluente en estación de bombeo

•Centrifugar a 4ºC

•Filtrar en 0.45 um

•Ajustar pH

•Anadir estándares deuterados

•HPLC-MS2

Everglades Hall

Panther Hall

Para terminar...

El “sabor” del agua depende de quien la tome

La lista de comppuestos puede ser infinita

Hay una desconeccion entre las concentraciones ambientales y la toxicologia

HPLC (UPLC) MS-MS (QQQ, Q-LIT)

Limites de deteccion entre 1-10 ng/l (muestars limpias)

Concentrar el esfuerzo en lo que podemos hacer

“Trazadores ambientales” – “Evaluadores de riesgo”

Control “anonimo” de drogas de abuso

Gracias!

$$$$

National Park Service

Orange County Utilities

Water Reuse Foundation

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