Хромато-масс-спектрометрическое определение антибиотиков тетрациклинового ряда в воде с использованием одноквадрупольного масс-анализатора

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

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

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

1. Zuccato 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)02270-4

2. Hirsch 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)00337-4

3. Ekpeghere 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.2018.05.218

4. Evgenidou 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.2014.10.021

5. Styszko 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/s41598-022-16354-5

6. Pinto 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/antibiotics11121700

7. Richmond 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.252

8. Kumirska J. Special issue «Pharmaceutical residues in the environment». Molecules. 2020; 25(12): 2941. https://doi.org/10.3390/molecules25122941

9. Hanamoto 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-z

10. Gonçalves 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-0031-1296474

11. Kostopoulou 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.2008.09.011

12. Мирошникова 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/dyrlpb

13. 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.0001305

14. Visconti 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.2022.340711

15. Picó 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.10071

16. Gross M.L., Armentrout P.B., Caprioli R.M. The Encyclopedia of Mass Spectrometry: Volume 1: Theory and Ion Chemistry. Elsevier Science; 2003.