medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2025-104-1-110-116sbmjbjmedlit-4558Research ArticleМЕТОДЫ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙMETHODS OF HYGIENIC AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONSХромато-масс-спектрометрическое определение антибиотиков тетрациклинового ряда в воде с использованием одноквадрупольного масс-анализатораChromatographic mass spectrometric determination of tetracycline antibiotics in water using a single-quadrupole mass analyzerhttps://orcid.org/0000-0002-8194-1536СтрелецкийАлексей ВладимировичStreletskiyAlexey V.

Канд. хим. наук, ст. науч. сотр. отд. физико-химических исследований и экотоксикологии ФГБУ «ЦСП» ФМБА России, 119121, Москва, Россия

e-mail: AStreletsky@cspfmba.ru

PhD (Chemistry), Senior Researcher at the Department of Physico-Chemical Research and Ecotoxicology, Center for Strategic Planning of the FMBA, Moscow, 119121, Russian Federation

e-mail: AStreletsky@cspfmba.ru

AStreletsky@cspfmba.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7032-1366СавостиковаОльга НиколаевнаSavostikovaOlga N.

Канд. мед. наук, начальник отд. физико-химических исследований и экотоксикологии ФГБУ «ЦСП» ФМБА России, 119121, Москва, Россия

e-mail: OSavostikova@cspfmba.ru

PhD (Medicine), Head of the Department of Physico-Chemical Research and Ecotoxicology, Center for Strategic Planning of the FMBA, Moscow, 119121, Russian Federation

e-mail: OSavostikova@cspfmba.ru

OSavostikova@cspfmba.ruФГБУ «Центр стратегического планирования и управление медико-биологическими рисками здоровью» Федерального медико-биологического агентстваРоссияCenter for Strategic Planning of the FMBA of RussiaRussian Federation2025280120251041110116Copyright © Стрелецкий А.В., Савостикова О.Н., 20252025Стрелецкий А.В., Савостикова О.Н.Streletskiy A.V., Savostikova O.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/4558Введение

Введение. Антибиотики наряду с другими фармацевтическими препаратами встречаются в поверхностных, подземных водах и питьевой воде в малых концентрациях, что является определённым фактором риска возникновения негативного влияния как на экосистему, так и на здоровье человека. Стандартные методы очистки сточных вод зачастую неэффективны для удаления малых органических молекул, в том числе антибиотиков тетрациклинового ряда. Для решения этой задачи необходимы мониторинг и постоянный контроль на основе анализа сточных вод. Современные аналитические методы, такие как высокоэффективная жидкостная хроматография с масс-спектрометрическим детектированием (ВЭЖХ-МС), позволяют определять следовые концентрации веществ. В данной работе представлен новый способ качественного и количественного анализа с использованием квадрупольного масс-анализатора как возможная альтернатива тандемной масс-спектрометрии.

Материалы и методы

Материалы и методы. Антибиотики тетрациклинового ряда (окситетрациклин, тетрациклин, хлортетрациклин и доксициклин) в водных средах определяли в режиме сканирования выбранных ионов методом ВЭЖХ-МС и в режиме регистрации выбранных реакций методом тандемной масс-спектрометрии ВЭЖХ-МС/МС.

Результаты

Результаты. Установлены хроматографические и масс-спектрометрические критерии идентификации тетрациклинов, определяющие такие ключевые параметры работы квадруполя, как сканирование выделенного иона по его массе к заряду (m/z), время и продолжительность регистрации сигнала. Разработанный способ анализа тетрациклинов с использованием квадрупольного масс-анализатора демонстрирует аналитические характеристики, сопоставимые с тандемной масс-спектрометрией на базе тройного квадрупольного масс-анализатора. Выполнена апробация разработанного способа анализа на квадрупольном масс-анализаторе при исследовании водных проб природных объектов (питьевая вода, вода централизованного водоснабжения и очищенные сточные воды). В представленном способе анализа водных проб был упрощён подход пробоподготовки, что позволило оценить содержание антибиотиков от 1 нг/мл и выше в зависимости от типа водной матрицы (дистиллированная вода, вода централизованного водоснабжения, очищенные сточные воды) без трудоёмкой твердофазной экстракции и концентрирования проб.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. В настоящей работе определяли только исходные формы тетрациклинов без выявления продуктов их химической трансформации и эпимеризации. Представленный подход возможно применять для анализа сточных вод и проверки качества их очистки при концентрации микрозагрязнителей (в данном случае – антибиотиков тетрациклинового ряда) выше 10 нг/мл.

Заключение

Заключение. В разработанном нами способе анализа одноквадрупольный масс-анализатор может служить альтернативой более дорогому по начальной стоимости и обслуживанию тандемному масс-спектрометру. Такие ключевые параметры анализа, имеющие принципиальное значение при экологическом мониторинге, как селективность и чувствительность, улучшаются при настройке режима сканирования выделенных ионов. Последнее было успешно продемонстрировано на примере анализа тетрациклинов в водной среде, и данный подход может стать основой для разработки методик определения на базе квадрупольного масс-спектрометра фармацевтических препаратов в водных пробах окружающей среды.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует представления заключения комитета по биомедицинской этике или иных документов.

Участие авторов

Участие авторов: Стрелецкий А.В. – сбор и обработка материала, выполнение экспериментальной работы, статистическая обработка, написание текста, редактирование; Савостикова О.Н. – концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование. Все соавторы – утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Исследование проведено в рамках темы госзадания: рег. № 388-00099-23-02, № 123040500002-3.

Поступила

Поступила: 18.10.2023 / Поступила после доработки: 24.07.2024 / Принята к печати: 02.10.2024 / Опубликована: 31.01.2025

Introduction

Introduction. Antibiotics and other pharmaceuticals are increasingly detected in surface groundwater, and drinking water, raising concerns about their potential adverse impacts on ecosystems and human health. Standard wastewater treatment methods often fail to effectively remove these compounds, particularly small organic molecules like tetracycline antibiotics, leading to their persistence in the environment. To address this issue, continuous monitoring and surveillance are necessary, including regular analysis of wastewater. Modern analytical methods, such as high-performance liquid chromatography coupled with mass spectrometric detection (HPLC-MS), allow detecting trace concentrations. This work presents a new method for qualitative and quantitative analysis using a quadrupole mass analyzer, which can serve as an alternative to tandem mass spectrometry.

Materials and methods

Materials and methods. Tetracycline antibiotics (oxytetracycline, tetracycline, chlortetracycline, and doxycycline) in aquatic environments were detercted using selected ion monitoring (HPLC-MS) and selected reaction monitoring through tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS).

Results

Results. There have been established chromatographic and mass spectrometric criteria for the identification of tetracyclines, determining key operating parameters for the quadrupole, such as selected ion scanning based on mass-to-charge ratio (m/z), signal registration time, and duration. The developed method for analyzing tetracyclines using a quadrupole mass analyzer demonstrates analytical characteristics comparable to tandem mass spectrometry based on a triple quadrupole mass analyzer. The method was validated on a quadrupole mass analyzer during the analysis of water samples from natural sources (drinking water, centralized water supply, and treated wastewater). In this analytical approach, the sample preparation process was simplified, allowing for the assessment of antibiotic content in samples without the need for labour-intensive solid-phase extraction and concentration, starting from 1 ng/ml and above (for various types of water mactrices).

Limitations

Limitations. In this study, only the intact forms of tetracyclines were identified. Separate investigations into the detection of their chemical transformation products and epimerization were not conducted. The presented approach can be applied for analyzing wastewater and assessing the quality of its treatment, where the concentration of tetracycline antibiotics as micro-pollutants may exceed 10 ng/ml.

Conclusion

Conclusion. The proposed analytical method using a single quadrupole mass analyzer can serve as an alternative to the more expensive tandem mass spectrometer, both in terms of acquisition cost and maintenance. Key analytical characteristics that are important for environmental monitoring, such as selectivity and sensitivity, can be enhanced by optimizing the selected ion scanning mode. This was successfully demonstrated in the analysis of tetracyclines in aquatic environments. This approach could serve as a foundation for developing methodologies for detecting pharmaceutical compounds in environmental water samples using a quadrupole mass spectrometer.

Compliance with ethical standards. This study does not require the conclusion of a biomedical ethics committee or other documents.

Contribution

Contribution: Streletskiy A.V. – the concept and design of the study, collection and processing of material, statistical processing, writing a text; Savostikova O.N. — the concept and design of the study, text writing, editing. All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgment

Acknowledgment. The work was completed within the framework of the state task: reg. No 388-00099-23-02, No 123040500002-3.

Received

Received: October 18, 2023 / Revised: July 24, 2024 / Accepted: October 2, 2024 / Published: January 31, 2025

водные пробытетрациклинымасс-спектрометрияэлектрораспылительная ионизацияжидкостная хроматографияwater probetetracyclinesmass-spectrometryelectrospray ionizationliquid chromatographyReferencesZuccato E., Calamari D., Natangelo M., Fanelli R. Presence of therapeutic drugs in the environment. Lancet. 2000; 355(9217): 1789–90. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(00)02270-4Zuccato E., Calamari D., Natangelo M., Fanelli R. Presence of therapeutic drugs in the environment. Lancet. 2000; 355(9217): 1789–90. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(00)02270-4Hirsch R., Ternes T., Haberer K., Kratz K.L. Occurrence of antibiotics in the aquatic environment. Sci. Total. Environ. 1999; 225(1–2): 109–18. https://doi.org/10.1016/s0048-9697(98)00337-4Hirsch R., Ternes T., Haberer K., Kratz K.L. Occurrence of antibiotics in the aquatic environment. Sci. Total. Environ. 1999; 225(1–2): 109–18. https://doi.org/10.1016/s0048-9697(98)00337-4Ekpeghere K.I., Sim W.J., Lee H.J., Oh J.E. Occurrence and distribution of carbamazepine, nicotine, estrogenic compounds, and their transformation products in wastewater from various treatment plants and the aquatic environment. Sci. Total. Environ. 2018; 640–641: 1015–23. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.05.218Ekpeghere K.I., Sim W.J., Lee H.J., Oh J.E. Occurrence and distribution of carbamazepine, nicotine, estrogenic compounds, and their transformation products in wastewater from various treatment plants and the aquatic environment. Sci. Total. Environ. 2018; 640–641: 1015–23. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.05.218Evgenidou E.N., Konstantinou I.K., Lambropoulou D.A. Occurrence and removal of transformation products of PPCPs and illicit drugs in wastewaters: a review. Sci. Total. Environ. 2015; 505: 905–26. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.10.021Evgenidou E.N., Konstantinou I.K., Lambropoulou D.A. Occurrence and removal of transformation products of PPCPs and illicit drugs in wastewaters: a review. Sci. Total. Environ. 2015; 505: 905–26. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.10.021Styszko K., Durak J., Kończak B., Głodniok M., Borgulat A. The impact of sewage sludge processing on the safety of its use. Sci. Rep. 2022; 12(1): 12227. https://doi.org/10.1038/s41598-022-16354-5Styszko K., Durak J., Kończak B., Głodniok M., Borgulat A. The impact of sewage sludge processing on the safety of its use. Sci. Rep. 2022; 12(1): 12227. https://doi.org/10.1038/s41598-022-16354-5Pinto I., Simões M., Gomes I.B. An overview of the impact of pharmaceuticals on aquatic microbial communities. Antibiotics (Basel). 2022; 11(12): 1700. https://doi.org/10.3390/antibiotics11121700Pinto I., Simões M., Gomes I.B. An overview of the impact of pharmaceuticals on aquatic microbial communities. Antibiotics (Basel). 2022; 11(12): 1700. https://doi.org/10.3390/antibiotics11121700Richmond E.K., Grace M., Kelly J.J., Reisinger A.J., Rosi E.J., Walters D.A. Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) are ecological disrupting compounds (EcoDC). Elem. Sci. Anth. 2017; 5(4): 66. https://doi.org/10.1525/elementa.252Richmond E.K., Grace M., Kelly J.J., Reisinger A.J., Rosi E.J., Walters D.A. Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) are ecological disrupting compounds (EcoDC). Elem. Sci. Anth. 2017; 5(4): 66. https://doi.org/10.1525/elementa.252Kumirska J. Special issue «Pharmaceutical residues in the environment». Molecules. 2020; 25(12): 2941. https://doi.org/10.3390/molecules25122941Kumirska J. Special issue «Pharmaceutical residues in the environment». Molecules. 2020; 25(12): 2941. https://doi.org/10.3390/molecules25122941Hanamoto S., Nakada N., Jürgens M.D., Johnson A.C., Yamashita N., Tanaka H. The different fate of antibiotics in the Thames River, UK, and the Katsura River, Japan. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2018; 25(2): 1903–13. https://doi.org/10.1007/s11356-017-0523-zHanamoto S., Nakada N., Jürgens M.D., Johnson A.C., Yamashita N., Tanaka H. The different fate of antibiotics in the Thames River, UK, and the Katsura River, Japan. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2018; 25(2): 1903–13. https://doi.org/10.1007/s11356-017-0523-zGonçalves T.M., Bedor D.C., de Abreu L.R., de Sousa C.E., Rolim C.M., de Santana D.P. Determination of ampicillin in human plasma by solid-phase extraction-liquid chromatography-tandem mass spectrometry (SPE-LC-MS/MS) and its use in bioequivalence studies. Arzneimittelforschung. 2008; 58(2): 91–6. https://doi.org/10.1055/s-0031-1296474Gonçalves T.M., Bedor D.C., de Abreu L.R., de Sousa C.E., Rolim C.M., de Santana D.P. Determination of ampicillin in human plasma by solid-phase extraction-liquid chromatography-tandem mass spectrometry (SPE-LC-MS/MS) and its use in bioequivalence studies. Arzneimittelforschung. 2008; 58(2): 91–6. https://doi.org/10.1055/s-0031-1296474Kostopoulou M., Nikolaou A. Analytical problems and the need for sample preparation in the determination of pharmaceuticals and their metabolites in aqueous environmental matrices. Trends Analyt. Chem. 2008; 27(11): 1023–35. https://doi.org/10.1016/j.trac.2008.09.011Kostopoulou M., Nikolaou A. Analytical problems and the need for sample preparation in the determination of pharmaceuticals and their metabolites in aqueous environmental matrices. Trends Analyt. Chem. 2008; 27(11): 1023–35. https://doi.org/10.1016/j.trac.2008.09.011Мирошникова М.С., Мирошникова Е.П., Аринжанов А.Е., Киля-кова Ю.В. Применение антибиотиков в сельском хозяйстве и альтернативы их использования. Аграраный научный журнал. 2021; (5): 65–70. https://doi.org/10.28983/asj.y2021i5pp65-70 https://elibrary.ru/dyrlpbMiroshnikova M.S., Miroshnikova E.P., Arinzhanov A.E., Kilyakova Yu.V. Application of antibiotics in agriculture and alternatives of their use. Agraranyi nauchnyi zhurnal. 2021; (5): 65–70. https://doi.org/10.28983/asj.y2021i5pp65-70 https://elibrary.ru/dyrlpb (in Russian)Mulchandani R., Wang Y., Gilbert M., Van Boeckel T.P. Global trends in antimicrobial use in food-producing animals: 2020 to 2030. PLOS Glob. Public Health. 2023; 3(2): e0001305. https://doi.org/10.1371/journal.pgph.0001305Mulchandani R., Wang Y., Gilbert M., Van Boeckel T.P. Global trends in antimicrobial use in food-producing animals: 2020 to 2030. PLOS Glob. Public Health. 2023; 3(2): e0001305. https://doi.org/10.1371/journal.pgph.0001305Visconti G., Boccard J., Feinberg M., Rudaz S. From fundamentals in calibration to modern methodologies: A tutorial for small molecules quantification in liquid chromatography-mass spectrometry bioanalysis. Anal. Chim. Acta. 2023; 1240: 340711. https://doi.org/10.1016/j.aca.2022.340711Visconti G., Boccard J., Feinberg M., Rudaz S. From fundamentals in calibration to modern methodologies: A tutorial for small molecules quantification in liquid chromatography-mass spectrometry bioanalysis. Anal. Chim. Acta. 2023; 1240: 340711. https://doi.org/10.1016/j.aca.2022.340711Picó Y., Blasco C., Font G. Environmental and food applications of LC-tandem mass spectrometry in pesticide-residue analysis: an overview. Mass Spectrom. Rev. 2004; 23(1): 45–85. https://doi.org/10.1002/mas.10071Picó Y., Blasco C., Font G. Environmental and food applications of LC-tandem mass spectrometry in pesticide-residue analysis: an overview. Mass Spectrom. Rev. 2004; 23(1): 45–85. https://doi.org/10.1002/mas.10071Gross M.L., Armentrout P.B., Caprioli R.M. The Encyclopedia of Mass Spectrometry: Volume 1: Theory and Ion Chemistry. Elsevier Science; 2003.Gross M.L., Armentrout P.B., Caprioli R.M. The Encyclopedia of Mass Spectrometry: Volume 1: Theory and Ion Chemistry. Elsevier Science; 2003.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.