ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVViewpointNEXTIdentifying Small Molecules via High Resolution Mass Spectrometry: Communicating ConfidenceEmma L. Schymanski*†, Junho Jeon†, Rebekka Gulde†‡, Kathrin Fenner†‡, Matthias Ruff†, Heinz P. Singer†, and Juliane Hollender*†‡View Author Information† Eawag: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Überlandstrasse 133, 8600 Dübendorf, Switzerland‡ Institute of Biogeochemistry and Pollutant Dynamics, ETH Zurich, 8092, Zurich, Switzerland*E-mail: [email protected]*E-mail: [email protected]Cite this: Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 4, 2097–2098Publication Date (Web):January 29, 2014Publication History Received14 January 2014Accepted17 January 2014Published online29 January 2014Published inissue 18 February 2014https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es5002105https://doi.org/10.1021/es5002105newsACS PublicationsCopyright © 2014 American Chemical Society. This publication is available under these Terms of Use. Request reuse permissions This publication is free to access through this site. Learn MoreArticle Views51321Altmetric-Citations2270LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail PDF (1 MB) Get e-AlertscloseSUBJECTS:Chemical structure,Mass spectrometry,Mathematical methods,Metabolomics,Molecular structure Get e-Alerts

Although various single-concentration measurements of pharmaceuticals are available in the literature, detailed information on the variation over time of the concentration and the load in wastewater effluents and rivers and on the fate of these compounds in the aquatic environment are lacking. We measured the concentrations of six pharmaceuticals, carbamazepine, clofibric acid, diclofenac, ibuprofen, ketoprofen, and naproxen, in the effluents of three wastewater treatment plants (WWTPs), in two rivers and in the water column of Lake Greifensee (Switzerland) over a time period of three months. In WWTP effluents, the concentrations reached 0.95 μg/L for carbamazepine, 0.06 μg/L for clofibric acid, 0.99 μg/L for diclofenac, 1.3 μg/L for ibuprofen, 0.18 μg/L for ketoprofen, and 2.6 μg/L for naproxen. The relative importance in terms of loads was carbamazepine, followed by diclofenac, naproxen, ibuprofen, clofibric acid, and ketoprofen. An overall removal rate of all these pharmaceuticals was estimated in surface waters, under real-world conditions (in a lake), using field measurements and modeling. Carbamazepine and clofibric acid were fairly persistent. Phototransformation was identified as the main elimination process of diclofenac in the lake water during the study period. With a relatively high sorption coefficient to particles, ibuprofen might be eliminated by sedimentation. For ketoprofen and naproxen, biodegradation and phototransformation might be elimination processes. For the first time, quantitative data regarding removal rates were determined in surface waters under real-world conditions. All these findings are important data for a risk assessment of these compounds in surface waters.

The removal efficiency for 220 micropollutants was studied at the scale of a municipal wastewater treatment plant (WWTP) upgraded with post-ozonation followed by sand filtration. During post-ozonation, compounds with activated aromatic moieties, amine functions, or double bonds such as sulfamethoxazole, diclofenac, or carbamazepine with second-order rate constants for the reaction with ozone >104 M−1 s−1 at pH 7 (fast-reacting) were eliminated to concentrations below the detection limit for an ozone dose of 0.47 g O3 g−1 dissolved organic carbon (DOC). Compounds more resistant to oxidation by ozone such as atenolol and benzotriazole were increasingly eliminated with increasing ozone doses, resulting in >85% removal for a medium ozone dose (∼0.6 g O3 g−1 DOC). Only a few micropollutants such as some X-ray contrast media and triazine herbicides with second-order rate constants <102 M−1 s−1 (slowly reacting) persisted to a large extent. With a medium ozone dose, only 11 micropollutants of 55 detected in the secondary effluent were found at >100 ng L−1. The combination of reaction kinetics and reactor hydraulics, based on laboratory- and full-scale data, enabled a quantification of the results by model calculations. This conceptual approach allows a direct upscaling from laboratory- to full-scale systems and can be applied to other similar systems. The carcinogenic by-products N-nitrosodimethylamine (NDMA) (≤14 ng L−1) and bromate (<10 μg L−1) were produced during ozonation, however their concentrations were below or in the range of the drinking water standards. Furthermore, it could be demonstrated that biological sand filtration is an efficient additional barrier for the elimination of biodegradable compounds formed during ozonation such as NDMA. The energy requirement for the additional post-ozonation step is about 0.035 kWh m−3, which corresponds to 12% of a typical medium-sized nutrient removal plant (5 g DOC m−3).

Triclosan is used as an antimicrobial agent in a wide range of medical and consumer care products. To investigate the occurrence and fate of triclosan in the aquatic environment, analytical methods for the quantification of triclosan in surface water and wastewater, sludge, and sediment were developed. Furthermore, the fate of triclosan in a wastewater treatment plant (biological degradation, 79%; sorption to sludge, 15%; input into the receiving surface water, 6%) was measured during a field study. Despite the high overall removal rate, the concentration in the wastewater effluents were in the range of 42−213 ng/L leading to concentrations of 11−98 ng/L in the receiving rivers. Moreover, a high removal rate of 0.03 d-1 for triclosan in the epilimnion of the lake Greifensee was observed. This is due to photochemical degradation. The measured vertical concentration profile of triclosan in a lake sediment core of lake Greifensee reflects its increased use over 30 years. As the measured concentrations in surface waters are in the range of the predicted no effect concentration of 50 ng/L, more measurements and a detailed investigation of the degradation processes are needed.

This article provides an overview of the state-of-the-art and future trends of the application of LC–high resolution mass spectrometry to the environmental analysis of polar micropollutants. Highly resolved and accurate hybrid tandem mass spectrometry such as quadrupole/time-of-flight and linear ion trap/orbitrap technology allows for a more reliable target analysis with reference standards, a screening for suspected analytes without reference standards, and a screening for unknowns. A reliable identification requires both high resolving power and high mass spectral accuracy to increase selectivity against the matrix background and for a correct molecular formula assignment to unknown compounds. For the identification and structure elucidation of unknown compounds within a reasonable time frame and with a reasonable soundness, advanced automated software solutions as well as improved prediction systems for theoretical fragmentation patterns, retention times, and ionization behavior are needed.

The vast, diverse universe of organic pollutants is a formidable challenge for environmental sciences, engineering, and regulation. Nontarget screening (NTS) based on high resolution mass spectrometry (HRMS) has enormous potential to help characterize this universe, but is it ready to go for real world applications? In this Feature article we argue that development of mass spectrometers with increasingly high resolution and novel couplings to both liquid and gas chromatography, combined with the integration of high performance computing, have significantly widened our analytical window and have enabled increasingly sophisticated data processing strategies, indicating a bright future for NTS. NTS has great potential for treatment assessment and pollutant prioritization within regulatory applications, as highlighted here by the case of real-time pollutant monitoring on the River Rhine. We discuss challenges for the future, including the transition from research toward solution-centered and robust, harmonized applications.

A pilot-scale membrane bioreactor (MBR) was installed and operated for one year at a Swiss hospital. It was fed an influent directly from the hospital's sanitary collection system. To study the efficiency of micropollutant elimination in raw hospital wastewater that comprises a complex matrix with micropollutant concentrations ranging from low ng/L to low mg/L, an automated online SPE-HPLC-MS/MS analytical method was developed. Among the 68 target analytes were the following: 56 pharmaceuticals (antibiotics, antimycotics, antivirals, iodinated X-ray contrast media, antiinflamatory, cytostatics, diuretics, beta blockers, anesthetics, analgesics, antiepileptics, antidepressants, and others), 10 metabolites, and 2 corrosion inhibitors. The MBR influent contained the majority of those target analytes. The micropollutant elimination efficiency was assessed through continuous flow-proportional sampling of the MBR influent and continuous time-proportional sampling of the MBR effluent. An overall load elimination of all pharmaceuticals and metabolites in the MBR was 22%, as over 80% of the load was due to persistent iodinated contrast media. No inhibition by antibacterial agents or disinfectants from the hospital was observed in the MBR. The hospital wastewater was found to be a dynamic system in which conjugates of pharmaceuticals deconjugate and biological transformation products are formed, which in some cases are pharmaceuticals themselves.

Wastewater effluents contain a multitude of organic contaminants and transformation products, which cannot be captured by target analysis alone. High accuracy, high resolution mass spectrometric data were explored with novel untargeted data processing approaches (enviMass, nontarget, and RMassBank) to complement an extensive target analysis in initial "all in one" measurements. On average 1.2% of the detected peaks from 10 Swiss wastewater treatment plant samples were assigned to target compounds, with 376 reference standards available. Corrosion inhibitors, artificial sweeteners, and pharmaceuticals exhibited the highest concentrations. After blank and noise subtraction, 70% of the peaks remained and were grouped into components; 20% of these components had adduct and/or isotope information available. An intensity-based prioritization revealed that only 4 targets were among the top 30 most intense peaks (negative mode), while 15 of these peaks contained sulfur. Of the 26 nontarget peaks, 7 were tentatively identified via suspect screening for sulfur-containing surfactants and one peak was identified and confirmed as 1,3-benzothiazole-2-sulfonate, an oxidation product of a vulcanization accelerator. High accuracy, high resolution data combined with tailor-made nontarget processing methods (all available online) provided vital information for the identification of a wider range of heteroatom-containing compounds in the environment.

Abstract Wastewater treatment plants (WWTPs) are implicated as hotspots for the dissemination of antibacterial resistance into the environment. However, the in situ processes governing removal, persistence, and evolution of resistance genes during wastewater treatment remain poorly understood. Here, we used quantitative metagenomic and metatranscriptomic approaches to achieve a broad-spectrum view of the flow and expression of genes related to antibacterial resistance to over 20 classes of antibiotics, 65 biocides, and 22 metals. All compartments of 12 WWTPs share persistent resistance genes with detectable transcriptional activities that were comparatively higher in the secondary effluent, where mobility genes also show higher relative abundance and expression ratios. The richness and abundance of resistance genes vary greatly across metagenomes from different treatment compartments, and their relative and absolute abundances correlate with bacterial community composition and biomass concentration. No strong drivers of resistome composition could be identified among the chemical stressors analyzed, although the sub-inhibitory concentration (hundreds of ng/L) of macrolide antibiotics in wastewater correlates with macrolide and vancomycin resistance genes. Contig-based analysis shows considerable co-localization between resistance and mobility genes and implies a history of substantial horizontal resistance transfer involving human bacterial pathogens. Based on these findings, we propose future inclusion of mobility incidence (M%) and host pathogenicity of antibiotic resistance genes in their quantitative health risk ranking models with an ultimate goal to assess the biological significance of wastewater resistomes with regard to disease control in humans or domestic livestock.

A comprehensive assessment of pesticides in surface waters is challenging due to the large number of potential contaminants. Most scientific studies and routine monitoring programs include only 15–40 pesticides, which leads to error-prone interpretations. In the present study, an extensive analytical screening was carried out using liquid chromatography–high-resolution mass spectrometry, covering 86% of all polar organic pesticides sold in Switzerland and applied to agricultural or urban land (in total 249 compounds), plus 134 transformation products; each of which could be quantified in the low ng/L range. Five medium-sized rivers, containing large areas of diverse crops and urban settlements within the respective catchments, were sampled between March and July 2012. More than 100 parent compounds and 40 transformation products were detected in total, between 30 and 50 parent compounds in each two-week composite sample in concentrations up to 1500 ng/L. The sum of pesticide concentrations was above 1000 ng/L in 78% of samples. The chronic environmental quality standard was exceeded for 19 single substances; using a mixture toxicity approach, exceedances occurred over the whole measurement period in all rivers. With scenario calculations including only 30–40 frequently measured pesticides, the number of detected substances and the mixture toxicity would be underestimated on average by a factor of 2. Thus, selecting a subset of substances to assess the surface water quality may be sufficient, but a comprehensive screening yields substantially more confidence.