Nuevas aportaciones en el control analítico de compuestos carbónicos como subproductos de desinfeccion de aguas

Resumen

RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE Dª MARÍA SERRANO ORTIZ 1. Introducción o motivación de la tesis La desinfección del agua potable es un tratamiento esencial usado para inactivar los patógenos microbianos en el suministro del agua. En la actualidad se emplean como desinfectantes del agua el cloro, dióxido de cloro, cloraminas y ozono entre los más comunes. Una consecuencia inmediata de este proceso de desinfección es la formación de los denominados subproductos de desinfección (DBPs) que se producen fundamentalmente cuando el desinfectante reacciona con la materia orgánica presente en el agua y/o con los bromuros/yoduros contenidos en la misma [1]. Entre los DBPs no regulados se encuentran los compuestos carbonílicos tales como los haloacetaldehídos (HAs), las halocetonas (HKs) y los aldehídos de bajo peso molecular (LMMAs) tanto alifáticos como aromáticos [2–4]. Los compuestos carbonílicos son mutagénicos debido a la interacción química del grupo carbonilo con las bases púricas y pirimidínicas del ADN, ARN o las enzimas implicadas en la replicación del ADN, provocando una alteración del material genético que se replica, desvirtuando la composición y función de la nueva secuencia de nucleótidos formada a partir de los cambios [5–7]. Además, aquellos compuestos carbonílicos que presentan halógenos en su estructura, como son los HAs y HKs, están despertando un gran interés debido a su potencial toxicidad, ya que incluso encontrándose a concentraciones más bajas que los DBPs regulados, son más tóxicos que éstos. Hasta la fecha del comienzo de la Tesis Doctoral no había métodos específicos para la determinación de los 7 HAs y las 14 HKs que más frecuentemente se encuentran en las aguas, ya que la mayoría de los métodos propuestos se incluyen dentro de los desarrollados para otros DBPs que incluyen técnicas de separación para la preconcentración de estas especies en aguas. En el caso de los LMMAs, los métodos existentes no son sensibles, siendo además largos y tediosos, conllevando un elevado consumo de disolventes orgánicos. Teniendo en cuenta lo anterior, es necesario proponer nuevos métodos miniaturizados o automáticos para la determinación de estos compuestos en muestras de agua con el objetivo de minimizar el consumo de reactivos (derivatizadores) y disolventes orgánicos. 2. Contenido de la investigación En primer lugar se desarrolló un método de microextracción líquido-líquido (MLLE) que se combinó con un inyector de elevados volúmenes (LVI) y de temperatura programable (PTV) de un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas (GC–MS) para la determinación de 7 HAs [8] a niveles de ppt en aguas tratadas. Las innovaciones más relevantes de este método radican en la reducción del consumo de disolvente orgánico y tiempo de extracción, y en la propuesta de las condiciones de conservación de las muestras antes de su análisis. El segundo trabajo de la Tesis se orientó a los LMMAs, los cuales requieren una derivatización previa a la extracción. El método se basó como anteriormente en la MLLE acoplada a un LVI–PTV–GC–MS [9]. En este caso, la derivatización/extracción simultánea se realiza en medio ácido (pH 1,1) y se añaden 4 g de MgSO4 que calienta el vial espontáneamente a 60 ºC, lo que favorece la cinética de la reacción que tiene lugar simultáneamente a la extracción. Las principales ventajas de este método respecto al método EPA 556.1 son: 1) la derivatización y extracción se llevan a cabo de manera simultánea en sólo 1 minuto; 2) se requiere un bajo consumo de disolvente orgánico, del orden de microlitros; y 3) se obtiene un elevado factor de preconcentración, aumentando la sensibilidad del método. Posteriormente se desarrolló un método analítico para la determinación de los LMMAs en aguas tratadas empleando espacio de cabeza estático (SHS)–GC–MS [10]. La principal innovación fue llevar a cabo la reacción de derivatización en medio básico. El uso de una disolución saturada de hidrogeno carbonato de sodio además de proporcionar el pH básico para llevar a cabo la derivatización, proporcionó la fuerza iónica suficiente para provocar el efecto salting-out; además, hay un efecto catalítico del ion hidrogeno carbonato en la reacción de formación de oximas. Cabe resaltar que la adición de n-hexano como modificador favoreció la volatilización de todas las oximas. Finalmente, el método fue aplicado al análisis de muestras de agua sometidas a diferentes procesos de desinfección (cloración, cloraminación y ozonización). Debido a las bondades previamente demostradas de los métodos MLLE/GC–MS acoplados a un inyector LVI–PTV, éste se aplicó a la determinación de otros compuestos carbonílicos como son las HKs [11]. Éste es el único método descrito hasta la fecha para la determinación de las 14 HKs que se pueden formar en aguas tratadas. Además es la primera vez que se establecen las condiciones de conservación de las muestras antes del análisis y se proporcionan datos sobre las concentraciones de hasta 7 HKs en aguas de piscina. Durante 2013–2014 se llevó a cabo un estudio sobre el control de 46 DBPs en aguas de la empresa municipal de aguas cordobesa [12]. Para ello, se han llevado a cabo dos estudios en paralelo: los parámetros químico-físicos y el control de los DBPs, desde el agua bruta hasta el agua en la red de distribución. Para el control de los LMMAs se empleó el método de SHS–GC–MS. Cinco aldehídos alifáticos fueron detectados en el agua bruta. Tras la desinfección con dióxido de cloro, los aldehídos ya formados aumentaron su concentración y se formaron 3 nuevos. El paso a través de filtros de arena redujo la concentración de todos los aldehídos, sin embargo la cloraminación los incrementó de nuevo. La concentración de estos compuestos disminuyó a lo largo de la red de distribución. Finalmente, se puso de manifiesto la correlación existente entre estos compuestos y la materia orgánica presente en el agua. Siguiendo la tendencia actual de la “Química Verde”, se desarrolló un método basado en una técnica libre de disolventes orgánicos, como es la microextracción en fase sólida (SPME) acoplado a GC–MS para las 14 HKs [13]. Este método presenta la ventaja de una fácil automatización y una sensibilidad suficiente para detectar estos compuestos a niveles de ppt en aguas tratadas. Por último, se ha desarrollado un método rápido, simple y automático para la determinación de aldehídos (no halogenados) en muestras de orina humana, dado que estos compuestos se encuentran de manera endógena en el cuerpo debido al estrés oxidativo y procesos celulares [14]. Para ello, se empleó la misma técnica de SHS utilizada anteriormente, ya que es simple, robusta y se afecta por la matriz de la orina. Una vez optimizado el método se aplicó a 17 muestras de orina humana, procedentes en su mayoría de personas sanas, siendo algunos fumadores, y personas con diabetes. La estancia (septiembre 2014-diciembre 2014) realizada en el Departamento de Química de la Universidad de Ioannina (Grecia) ha posibilitado el aprendizaje de síntesis de nuevos materiales a partir de óxido de grafeno cuya superficie se ha modificado con un líquido iónico. La caracterización del material se llevó a cabo mediante resonancia magnética nuclear y espectroscopía de infrarrojos. El nuevo material se usó para la microextracción de esteroides y β-bloqueantes en muestras de agua (lago, río y procedentes de una planta de tratamiento de aguas residuales) [15]. 3. Conclusión De todos los métodos desarrollados en la bibliografía para la determinación de compuestos carbonílicos halogenados y sin halogenar en aguas, los métodos propuestos se plantean como alternativas simples, rápidas y robustas con bajo o nulo consumo de disolventes orgánicos. Además en los métodos de SHS hay una mínima manipulación de la muestra porque son automáticos, lo que permite llevar a cabo la derivatización y volatilización de los LMMAs simultáneamente. Se ha evaluado la orina como indicador biológico del estrés oxidativo utilizando aldehídos como marcadores. Se ha observado un aumento en las concentraciones de algunos de ellos debido a la exposición al humo del tabaco o por padecer algún tipo de enfermedad, como la diabetes, lo que ha puesto de manifiesto la utilidad del método propuesto.