2024-03-29T07:28:33Zhttp://diposit.ub.edu/dspace-oai/requestoai:diposit.ub.edu:2445/1064972024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
De Luca, Antonella
2017-02-03T15:07:06Z
2017-04-07T22:01:17Z
2016-09-26
http://hdl.handle.net/2445/106497
http://hdl.handle.net/10803/399786
[eng] In the last decades, the scientific community has been involved in the research of new kinds of contaminants generally known as of “emerging concern” (CECs). The harmfulness of CECs, even at small concentrations as well as, property of bioaccumulation and persistence, makes them extremely dangerous for the human health. The scientific community is constantly researching about novel treatments able to achieve the removal of these contaminants. Advanced Oxidation Processes (AOPs) are considered one of the most useful treatments to achieve CECs degradation. Among the AOPs, Fenton and photo‐Fenton processes are particularly powerful, cheap and easily managed. Nevertheless, some setting requirements of Fenton processes have limited their application at industrial scale. One of the most important limits is the necessity to operate a tight control of the pH in order to avoid iron precipitation (optimum pH~2.8). Unfortunately, the optimum pH for Fenton reaction is essentially far from the normal values of the wastewater treatment plant (WWTP) effluents. Scientific community is then working on the improvement of the operating conditions of Fenton processes in order to improve the applicability in wastewater treatment. These modifications are essentially focused on the possibility to perform the treatment at circumneutral pH (Fenton and photo‐ Fenton like processes). Fenton like processes can be carried out in heterogeneous or homogeneous way according to the phase of the catalyst into the solution. In this study was firstly confirmed the suitability of Fenton based processes in recalcitrant compounds removal. Fenton, UV‐A photo‐Fenton and UV‐C photo‐Fenton were, in fact, applied for atrazine removal from secondary effluent (SE) of municipal wastewater treatment plant (MWWTP). UV‐A and UV‐C photo‐Fenton allowed remove 50% and 100% of the initial atrazine content respectively. The main objective of this thesis was then the assessment of photo‐Fenton’s suitability for recalcitrant contaminant at circumneutral pH. Thus, homogeneous photo‐Fenton like at neutral pH was applied for sulfamethoxazole (SMX) removal. In order to avoid iron precipitation, chelating agents were used to keep soluble the iron at circumneutral pH. The chelating ability of four chelating agents (ethylenediaminetetraacetic acid‐EDTA, nitrilotriacetic acid‐NTA, oxalic acid and tartaric acid) was tested. Then, once determined the optimum molar ratio L:Fe for iron chelation (1.5:1 for EDTA and NTA, 10:1 for tartaric acid and 20:1 for oxalic acid), their catalytic activity was evaluated when employed in photo‐Fenton like for SMX removal. The highest SMX percentage removal, together with the minimum chelating agents required and the better property of biodegradability and low toxicity, demonstrated the suitability of NTA for the purpose. A further study on the stability of the chelates under reaction was carried out. The operating conditions adopted for the treatment significantly influence the stability of the chelate solution. Thus, in order to proper control the parameter set up the behavior of chelates has been study under thermal, oxidative and photochemical stress. It was demonstrated as the temperature control can represent an interesting tool to extend the chelates lifetime under oxidative and photochemical stress. By adopting different H2O2 doses, a linear correlation between doses and chelate decomposition could be identified. The better suitability of UV‐A irradiation, against UV‐C and Xe lamp, to preserve the iron chelate solution was demonstrated. Moreover, the influence of the influent characteristics on the process efficiency needed to be also considered. Thus, different water matrices were used for the experiments. The efficiency of photo‐Fenton like catalyzed by Fe(III)‐NTA has been compared when applied to different aqueous matrixes (Milli‐Q water, tap water, secondary effluent wastewater and well water). It was demonstrated as the ions content, especially Ca2+ and Mg2+, significantly compromise the process of chelation. High alkalinities and organic matter, instead, mainly influenced the phase of process, when acting as radicals scavengers, reduced the amount available for SMX oxidation. Some strategies were then adopted to promote SMX removal. Between them, Mn2+ mediated photo‐Fenton like showed somehow possibility for improvement. Highest removal rate was in fact exhibited in the first minutes of reaction when adding Mn2+ to the solution in ratio molar Mn:Fe 0.5:1. The conclusive study of the thesis regarded the assessment of the Br‐ presence on the efficiency achievable in recalcitrant compounds removal when applying UV/PS/Fe2+ for removal of benzophenone‐4 (BZ4), nitrobenzene (NB), nitrobenzoic acid (NBA), atrazine (ATZ) and ampicilline (AMP). Br‐ demostrated to be a strong inhibitor in the removal of all the considered contaminants except for NB when, the removal was instead enhanced in bromide containing water.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by (c) Luca, 2016
Fenton and Photo-Fenton like at neutral pH for the removal of emerging contaminants in water and wastewater effluents
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1074932024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Badia i Córcoles, Jordi Hug
2017-02-27T17:26:57Z
2017-02-27T17:26:57Z
2016-11-07
http://hdl.handle.net/2445/107493
http://hdl.handle.net/10803/400771
[eng] Functionalized ion-exchange resins are polymer-based materials that can be used as catalysts, in a wide variety of chemical reactions, to achieve highly selective formation of desired products at cost-effective rates. Among these catalysts, sulfonic macroreticular ion-exchange resins have become critical in major industrial processes, such as the etherification of isoolefins to obtain branched ethers. The production of branched ethers, which are oxygenated antiknocking additives used in commercial gasoline formulation, became massive after the phase out of lead-based compounds in the 1990s. Among the ethers which are used nowadays, the most relevant ones, in terms of their global market share, are methyl tert-butyl ether (MTBE) and ethyl tert-butyl ether (ETBE). These ethers are industrially obtained under mild conditions (i.e., at relatively low temperature and pressure) by means of the catalytic reaction between 2-methylpropene (isobutene) and methanol or ethanol, respectively, over sulfonic macroreticular ion-exchange resins. On the other hand, the use of reactants obtained from renewable feedstocks to produce fuel components is convenient, since it allows reducing the carbon footprint of transportation fuels in a context in which the global vehicle fleet is growing. In this sense, the trend has been to use biomass-derived ethanol as an alternative to carbon-based alcohols. Nevertheless, this option has generated concerns regarding its competition with the food supply chain. Alternatively, the use of other alcohols, such as 1-propanol and 1-butanol, which can also be obtained through fermentative processes, is becoming more attractive, given that they would not compete with food supplies. Etherification of isobutene with these alcohols would produce heavier ethers (i.e., propyl tert-butyl ether, PTBE, and butyl tert-butyl ether, BTBE, respectively), which have potential benefits as gasoline additives. Nowadays, this is one of the alternatives at hand to achieve an actual improvement of the gasoline formulation in the short- midterm. Even though the industrial-scale production of MTBE and ETBE is today widely spread, relevant physicochemical aspects regarding ion-exchange resins have not been completely understood. Therefore, studies aimed at providing a deeper insight into the catalytic behavior of these materials are of interest. The present PhD thesis contains several studies related to the liquid phase syntheses of MTBE, ETBE, PTBE, and BTBE. In the first place, an investigation was carried out aimed to determine the chemical equilibrium composition and thermodynamic properties of the liquid-phase syntheses of the mentioned reactions. Secondly, a study was performed regarding the products distribution and the conditions that favor side reactions taking place along with etherification reactions. On the other hand, in order to further understanding the catalytic behavior of sulfonic macroreticular ion-exchange resins, relations were established between the catalytic activity of sixteen different resins and their most relevant properties, taking into account the reaction media properties, in the four reaction systems. Also, the viability of an integrated process to obtain, simultaneously, ETBE and BTBE over sulfonic macroreticular ion-exchange resins was studied. In this sense, individual and simultaneous processes were compared, a catalytic screening study was carried out to determine the most suitable catalyst and the effect of temperature and initial reactants composition on the ethers formation, in terms of conversion, selectivity and reaction rate, was discussed. Finally, a kinetic study of three of the studied reaction systems is provided. These are the individual syntheses of PTBE and BTBE and the simultaneous syntheses of ETBE and BTBE over AmberlystTM 35. A mechanistic kinetic model, in terms of components activities, was proposed for each studied reaction and it was found that the most likely reaction mechanism is an Eley-Rideal mechanism in which the surface reaction step is the rate-determining step.
[cat] Les resines de bescanvi iònic funcionalitzades són materials polimèrics que s’utilitzen com a catalitzadors en una gran varietat de reaccions químiques. Entre aquests catalitzadors, les resines sulfòniques han assolit una importància cabdal en processos industrials molt rellevants, com ara l’eterificació d’isoolefines per obtenir èters ramificats, els quals, s’utilitzen com a additius oxigenats en la formulació de gasolines comercials. D’èters ramificats, se’n pot destacar el metil terc-butil èter (MTBE) o l’etil terc-butil èter (ETBE), que s’obtenen per reacció entre isobutè i metanol o etanol, respectivament, utilitzant resines de bescanvi iònic sulfòniques macroreticulades com a catalitzadors. Alternativament, l’ús d’1-propanol i 1-butanol produeix propil terc-butil èter (PTBE) i butil terc-butil èter (BTBE). Tot i que la producció d’MTBE i ETBE està molt estesa, hi ha aspectes de la naturalesa fisicoquímica dels processos catalítics en què participen les resines que continuen sense comprendre’s completament. En conseqüència, calen estudis que aportin nous coneixements en aquest sentit. És per això, doncs, que aquesta tesi inclou diversos estudis relatius al comportament catalític de resines de bescanvi iònic sulfòniques macroreticulades en les reaccions de síntesi en fase líquida d’MTBE, ETBE, PTBE i BTBE. Pel que fa a l’estudi sobre l’equilibri químic d’aquestes reaccions, s’han pogut determinar les propietats termodinàmiques corresponents i s’han pogut estimar els increments d’entalpia i entropia de formació dels èters resultants. En relació amb la formació de subproductes en aquests processos, s’ha pogut concloure que totes les reaccions secundàries es veuen afavorides per un increment de la temperatura d’operació. També s’han establert relacions entre les propietats dels catalitzadors i el nivell d’activitat catalítica que presenten i s’ha determinat que la capacitat àcida i el volum expansible de la fase gel de les resines determinen l’activitat catalítica que presenten. Quant a la producció simultània d’ETBE i BTBE, s’ha comprovat que el procés de síntesi simultània de tots dos èters presenta avantatges significatius respecte de la producció de cada èter individualment. Finalment, l’anàlisi cinètica de les reaccions estudiades ha permès determinar que el mecanisme de reacció més probable és del tipus Eley-Rideal i que l’etapa controlant del procés de síntesi és la de reacció en superfície.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nd, (c) Badia, 2016
Synthesis of ethers as oxygenated additives for the gasoline pool
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1076442024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Martínez Villalba, Anna
2017-03-01T17:19:52Z
2017-03-01T17:19:52Z
2016-11-24
http://hdl.handle.net/2445/107644
http://hdl.handle.net/10803/400865
[cat] Els fàrmacs veterinaris són utilitzats per tractar i prevenir malalties en els animals de producció, ja que és imprescindible disposar d’unes condicions salubres per als animals i així assegurar un subministrament de carn de qualitat amb garanties de seguretat. Ara bé, l’ús, que en alguns casos s’ha convertit en abús d’aquestes substàncies, ha portat a una creixent preocupació per part de la societat deguda a la possible presència d’aquests compostos en els productes d’origen animal destinats al consum humà i els possibles efectes adversos que aquests puguin provocar en la salut dels consumidors. Per aquest motiu i responent a la demanda de la població, tan la Unió Europea (per als països que hi pertanyen) com les autoritats responsables dels diferents països, han establert legislació on es fixen els límits màxims de residu (MRLs) permesos en els diferents teixits animals. Això obliga a disposar de mètodes analítics sensibles i selectius que permetin determinar aquests compostos amb garanties de seguretat. En aquest context, la cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses ha esdevingut la tècnica per excel·lència per a l’anàlisi de fàrmacs veterinaris ateses la seva sensibilitat que permet la detecció de baixes concentracions de residus de matrius alimentàries i la seva capacitat de caracteritzar compostos químics i identificar substàncies desconegudes. La present tesi s’ha centrat en el desenvolupament de metodologia analítica per a la determinació de fàrmacs veterinaris antiparasitaris, concretament els pertanyents a les famílies dels anticoccidials i les benzimidazoles en aliments i aigües. Amb l’objectiu de posar a punt mètodes altament sensibles, selectius i ràpids, els mètodes desenvolupats s’han basat majoritàriament en la cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses en tàndem (MS/MS) emprant columnes cromatogràfiques de partícules de rebliment de nova tecnologia (partícules sub-2 µm i de nucli sòlid) per tal de millorar l’eficàcia i la resolució; així mateix, els tractaments de mostra aplicats s’han basat principalment en estratègies d’extracció en fase sòlida i QuEChERS per tal de minimitzar la manipulació de la mostra i el temps emprat en aquesta etapa de l’anàlisi. La fase estacionaria generalment emprada per a la separació cromatogràfica d’aquests compostos ha estat l’octadecilsilà si bé l’anàlisi d’ampròlium, un anticoccidial catiònic, ha requerit d’una fase estacionària de tipus HILIC per a la seva separació. Alternativament es presenta un mètode basat en l’electroforesi capil·lar de zona i pre- concentració in-line de la mostra mitjançant el mètode FASI per a la determinació d’aquest mateix compost en ous. Finalment, per primer cop s’ha avaluat l’aplicabilitat d’una tècnica d’anàlisi directa, el Direct analysis in real time (DART), acoblada a l’espectrometria de masses d’alta resolució (Orbitrap) per a la determinació de coccidiostats en pinsos i benzimidazoles en llet posant de manifest que aquesta és una tècnica adequada per a la determinació d’aquests compostos, especialment les benzimidazoles, amb l’avantatge de proporcionar resultats quantitatius en qüestió de segons. Paral·lelament a l’establiment i validació de les condicions òptimes per a cadascun dels mètodes d’anàlisi desenvolupats, aquesta tesi planteja un estudi exhaustiu del comportament dels compostos estudiats en espectrometria de masses, tan des del punt de vista de la ionització, emprant diferents fonts API compatibles amb l’acoblament a la cromatografia de líquids, com pel que fa referència a la fragmentació dels mateixos emprant diversos tipus d’analitzadors de masses. Això ha permès evidenciar que l’electrosprai és la font d’ionització més adequada per a l’anàlisi de coccidiostats, observant-se la formació d’adductes amb sodi de forma predominant en la ionització dels polièters ionòfors. Ara bé, l’anàlisi del toltrazuril i els seus metabòlits ha requerit la utilització de l’APCI ja que l’ió generat en la font d’electrosprai no és suficientment estable com per poder ser sotmès a una etapa d’espectrometria de masses en tàndem. Aquesta mateixa font, l’APCI, es proposa per a l’anàlisi de benzimidazoles per ser la única capaç d’ionitzar tota la família de compostos estudiats. Els efectes matriu han estat avaluats en tot moment i fins i tot se n’ha tret profit de l’efecte d’enhancement observat durant l’anàlisi d’ampròlium, millorant així la sensibilitat del mètode. L’establiment de les rutes de fragmentació ha permès determinar les transicions més sensibles i selectives per tal de poder ser utilitzades com a ions diagnòstic dels mètodes d’anàlisi LC-MS/MS. Així mateix, la utilització de l’espectrometria de masses d’alta resolució i relativa alta resolució mitjançant la utilització d’analitzadors de tipus Orbitrap i de triple quadrupol de quadrupols hiperbòlics respectivament, ha estat també avaluada per a la millora de la selectivitat i sensibilitat dels mètodes desenvolupats i la identificació d’estructures moleculars desconegudes.
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-sa, (c) Martínez, 2016
Desenvolupament de metodologia analítica per a la determinació de fàrmacs antiparasitaris
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1085862024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Carneado Moreno, Sergio
2017-03-17T15:55:05Z
2017-03-17T15:55:05Z
2017-02-03
http://hdl.handle.net/2445/108586
http://hdl.handle.net/10803/401592
[eng] Food safety is an issue of vital importance in the world. It must be sustained so as to avoid pollution episodes in food, which subsequently could cause potential risks to health. The main approach of this thesis consist of the study of two particular food contamination cases: primary contamination of the aquatic media and the corresponding seafood with mercury, and direct contamination of beverages due to polyethylene terephthalate containers (PET) with antimony. To carry out these studies, the work was structured in three sections. The first one is the development of analytical methodology for the correct determination of mercury and antimony, in which atomic fluorescence spectrometry and inductive coupled plasma mass spectrometry were used to know the total content, whereas the coupling of the liquid chromatography to these detector was used for speciation. Additionally, online preconcentration methods for the speciation of these elements were successfully developed to determine the trace amounts present in the matrices under study, comprising tap and PET-bottled waters. The second section deals with the application of the developed methodology in real samples. Antimony was determined in PET-bottled waters, juices, spirits and PET bottles, obtaining concentrations under the limits established for the European Union, and different species depending on the matrix: Sb(V) for waters, Sb(III) for juices and both for spirits and PET extracts. Mercury was determined in seafood, obtaining concentrations beyond the limits for four predator fish, being methylmercury the predominant species. The third section consists of the study of the mechanisms of antimony migration from PET to beverages. To know the main variables which enhances migration, studies with waters, juices and spirits were performed at different times and temperatures. Results demonstrated that high temperatures (60ºC) enhanced migration, as antimony concentration rapidly increased and the limit permitted was exceeded in waters and spirits. Differences among the matrices studied and the tendencies observed throughout time demonstrated that not only temperature, but also matrix characteristics and the type of PET had influence on migration. These facts were demonstrated with the performance of crossed migration experiments, using different types of PET bottles for the storage of the aforementioned matrices.
[cat] La seguretat alimentària és un tema de vital importància en el món sencer. Aquesta s’ha de preservar per tal d’evitar episodis de contaminació en els aliments, els quals, a la vegada, poden provocar riscos a la salut humana, animal i mediambiental. La present tesi té com a principal enfoc l’estudi de dos casos particulars de contaminació dels aliments: la contaminació primària del medi aquàtic i dels peixos que hi viuen amb mercuri, i la contaminació directa de begudes deguda als envasos de polietilentereftalat (PET) amb antimoni. Per tal de realitzar aquests estudis, el treball s’ha estructurat en tres grans blocs: desenvolupament de metodologia analítica per a la correcta determinació de mercuri i antimoni, aplicació de la metodologia desenvolupada a mostres reals i la realització d’estudis per avaluar la potencial migració d’antimoni en diferents begudes embotellades en PET. El desenvolupament de mètodes per la determinació de mercuri i antimoni s’ha dut a terme mitjançant espectroscòpia de fluorescència atòmica (AFS) i plasma acoblat inductivament amb espectrometria de masses per conèixer el contingut total. Per l’especiació, s’ha acoblat la cromatografia de líquids a aquestes tècniques. Addicionalment, donat que les matrius a estudiar presenten concentracions baixes de mercuri i antimoni, s’han desenvolupat mètodes de preconcentració online per a la seva especiació utilitzant AFS com a detecció. Aquests s’han realitzat de manera sistemàtica estudiant diferents variables, com ara l’agent complexant o el volum de ruptura, entre d’altres. D’aquesta manera, s’ha aconseguit establir unes condicions òptimes d’anàlisi que proporcionen bones recuperacions, factors de preconcentració i reproductibilitat. Els mètodes s’han aplicat a mostres d’aigua d’aixeta i envasada, i s’han obtingut uns factors de 10, 70 i 30 per a Sb(V), Sb(III) i les espècies de mercuri, respectivament. Els mètodes esmentats s’han aplicat per determinar antimoni en aigües, sucs i licors envasats en PET, així com en el propi plàstic, i mercuri en peixos. En quant a l’antimoni, les concentracions trobades en les begudes no superen el límit màxim permès per la Unió Europea (5 µg L-1) en aigües. L’especiació, amb l’ajut de l’espectrometria de masses, va posar de manifest que la forma predominant en aigua és Sb(V) sense complexar, pels sucs és Sb(III) amb citrat i pels licors un complex orgànic de Sb(V). En el cas del plàstic, l’antimoni es pot extreure en qualsevol de les dues espècies inorgàniques, desconeixent la seva estructura en la superfície. En quant el mercuri, es van trobar concentracions superiors a les permeses (1 mg kg-1) en quatre mostres de peixos depredadors, sent el metilmercuri la forma predominant. Per tal de conèixer els mecanismes de migració d’antimoni del PET a la beguda i quines són les variables que més potencien el seu alliberament, s’han realitzat estudis en aigües, sucs i licors. Aquests s’han dut a terme a diferents temps i temperatures. Els resultats van demostrar per una banda que les temperatures altes (60ºC) afavoreixen la migració. Les aigües van superar els límits permesos al cap de 30 dies i els licors al cap d’una setmana, mentre que els sucs no el van superar. Les diferències entre matrius i les tendències observades al llarg del temps van demostrar que, a més de la temperatura, la migració pot dependre depèn d’altres variables, com ara la matriu o el tipus de PET de l’ampolla. Per estudiar aquest fet, es va realitzar un experiment de migració creuada a elevada temperatura amb aigües i sucs, en el qual es van envasar les matrius en ampolles diferents de les originals. Aquest experiment va demostrar que la migració d’antimoni també depèn de les característiques del PET així com de la matriu de la beguda.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Carneado, 2017
Determination of mercury and antimony in environmental and food matrices: development of analytical methodology and migration studies
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1103442024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Marcé Escalé, Mireia
2017-05-02T15:52:20Z
2018-03-10T23:01:20Z
2017-03-10
http://hdl.handle.net/2445/110344
http://hdl.handle.net/10803/402548
[eng] Water is essential for life in all the levels: humans, animals and plants depend on it for their existence. The unsustainable growth, the changes in the consumption pattern and the climate change have positioned water resources under pressure. In this scenario where the water quality and quantity are a worldwide concern, research and development have analyzed and generated various emerging technologies that can promote the use of alternative sources of water. Commonly, the Municipal WWTPs are organized in four stages that include physical, chemical and biological processes. Wastewater treatment plants (WWTPs) will have an important role in the future eco-cities since will provide energy by means of a system characterized by the smallest possible ecological footprint. However, several ecological effects have been observed downstream of WWTP outfalls, probably due to the incomplete removal of pollutants by the conventional WWTPs. The analysis and understanding of the pollutants fate in Conventional WWTPs is fully necessary to create measures to reduce their release in the environment. Even though, conventional WWTPs are designed to treat solid wastes, suspended solids and biodegradable dEfOM, many micropollutants are also affected by the treatment train. Hence, half of the micropollutant load is eliminated either by sorption to the sludge, biological degradation, volatilization and abiotic degradation. Despite this fact, some hydrophilic compounds are neither adsorbed into the sludge nor eliminated in the discharge effluents. Consequently, some of these micropollutants can end up in the aquatic environment generating negative effects, including long-term and short-term toxicity. In the problematic water pollution scenario mentioned before, advanced oxidation processes (AOPs) emerge as a possible alternative to treat the biologically persistent wastewater improving water quality and therefore restoring the aquatic environment. These processes degrade organic pollutants by forming hydroxyl radicals (OH·) which are highly reactive and non- selective. Nowadays, AOPs include also the processes that involve other radicals as sulfate radicals (SO4 ·). Ozone application is used in wastewater, disinfection and air treatment to minimize the pollution. This process has two main strengths: on one hand, the strong oxidant potential and secondly, the lack of residues after its application. Ozone can react directly, via molecular pathway or indirectly via hydroxyl radical. In this work, ozone has been applied to different non-conventional points of the treatment line, to check if its action could promote the enhancement of the whole treatment. Thus, it has been applied at the outlet of the primary effluent leading us to an improvement in the water quality parameters and in the removal of micropollutants. Moreover, other significant parameters for ozone application as the ozone demand and mass transfer have been studied. Afterwards, the study was focus in the application of ozone on the activated sludge matrix. In this case, ozone showed good performance too, improving the settleability, increasing the solubility of sludge and eliminating micropollutants in both phases (sludge and supernatant). Finally, the combination of ozone application with biological treatments was tested. Thus, ozone was applied to the primary effluent which was lately treated by an aerobic biological treatment. In this case, good performances were observed at the level of micropollutants. Lately, ozone was applied to the conventional activated sludge matrix which was subsequently introduced in an anaerobic process to check the enhancement of biogas production. In this case, only two ozone doses showed better performances than the initial sludge without ozone pretreatment. Biodegradability and acute toxicity was studied for the primary effluent before and after ozonation, showing an improvement when the transfer ozone dose increased.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Marcé, 2017
Ozonation of Municipal Wastewater for Water Reuse
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1103452024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Soto López, Rodrigo
2017-05-02T15:54:35Z
2017-05-02T15:54:35Z
2017-04-07
http://hdl.handle.net/2445/110345
http://hdl.handle.net/10803/402609
[eng] The use of tertiary alkyl ethers as gasoline components has been gaining relevance in the last decades because they can enhance the gasoline octane rating at the time that they reduce the environmental impact of combustion processes, being therefore considered as environmentally friendly additives. Methyl tert-butyl ether (MTBE) and ethyl tert-butyl ether (ETBE) are the most produced ethers at industrial scale. More recently, ETBE market is acquiring a predominant role compared to MTBE, due to environmental concerns associated with MTBE usage and because ETBE can be manufactured from bioethanol, what confers a bioether character. Apart from MTBE and ETBE, other ethers as tert-amyl methyl ether (TAME) and tert-amyl ethyl ether (TAEE) are interesting alternatives since they can be manufactured from C5 reactive olefins present in gasoline that present drawbacks as high blending vapor pressure or high potential of tropospheric ozone formation. Similar to ETBE, TAEE can be considered as a bioether since bioethanol can be used as reactant. In this sense, ETBE and TAEE can be envisaged as the most promising alternatives as gasoline additives to fulfill the progressively stricter legislation while being compatible with current engines and therefore, a plausible solution at medium-short term. The optimization and integration of chemical processes is an incentive for industrial plants since several benefits can be obtained as savings in operating and maintenance costs. The simultaneous production of several ethers in the same reaction unit can be a clear example of such technology. A simultaneous etherification unit yielding a mixture of ETBE and TAEE would be one of the most interesting configurations. To the best to our knowledge, such a process has not been yet studied at bench scale. The present PhD thesis is focused on the study of the feasibility of producing ETBE and TAEE as one pot synthesis in the same reaction unit since the industrial interest of such ethers implies a realistic possibility of implementation in the near future. The main topics covered and assessed throughout the present manuscript are: the comparison of different chemical pathways to evaluate the process feasibility, the optimization of experimental conditions that maximize etherification yields, the study of the effect of water presence on the ethanol used as reactant, the characterization of potential byproducts and how to avoid side reactions, the study of the chemical equilibrium and the implicit thermodynamics of involved reactions, the assessment of several catalysts in order to find the best catalyst and the catalytic properties influencing the observed catalytic activity, the study of the intrinsic kinetics of the main reactions involved in order to find a reliable kinetic model, the study of the adsorption equilibrium of involved species in a potential catalytic surface and finally, the study of the catalyst deactivation process caused by the presence of acetonitrile in the feed stream. As for the main results, the optimum chemical pathway for producing ETBE and TAEE has been found. Reactants equilibrium conversions and selectivity have been obtained over a wide range of experimental conditions and etherification yields have been empirically modeled and optimized to obtain the experimental conditions that maximize them. Equilibrium constants and thermodynamic state functions of main reactions involved have been experimentally determined, resulting that main etherification reactions are all of exothermic nature. Amberlsyt™35 has been obtained as the best catalyst among evaluated ones. The relation between acid capacity and volume of swollen polymer have been found as the catalyst properties with more influence on the observed catalytic activity. Reliable kinetic models including activation energies and adsorption parameters have been obtained for the main reactions. An Eley-Rideal mechanism has been deduced as the most probable for the reaction system studied. Adsorption equilibrium constants of species on Amberlsyt™35 have been determined in liquid and gas phase. Adsorption of olefins and ethers are comparable and notably lower than that of alcohols. Also diffusivities of species have been estimated. Finally, the catalyst poisoning is enhanced by the concentration of acetonitrile and temperature and a first order kinetic law has been found to describe better the deactivation process.
[spa] El uso de éteres terciarios como aditivos para las gasolinas ha estado ganando relevancia en las últimas décadas ya que además de aumentar el número de octano de la mezcla, reducen el impacto medioambiental generado por la quema del combustible. La optimización e integración de procesos químicos es un incentivo para muchas plantas industriales ya que se pueden obtener cuantiosos beneficios en los costes de operación y mantenimiento. La producción simultanea de varios éteres terciarios en la misma unidad podría considerarse un ejemplo claro de esta tecnología. Una unidad de eterificación simultanea de isobuteno e isoamilenos con etanol para producir una mezcla de etil terc-butil éter (ETBE) y terc-amil etil éter (TAEE) es una configuración industrial muy interesante y que hasta el momento no se ha planteado ni estudiado a escala de laboratorio. La presente tesis doctoral se basa en el estudio de la viabilidad de la producción simultánea de ETBE y TAEE en la misma unidad de reacción ya que el interés industrial y medioambiental la hace una alternativa plausible y realista que podría ser una realidad industrial a corto medio plazo. Los principales temas abordados en la tesis son: la comparación de diferentes rutas químicas con el objetivo de elucidar la ruta más verde desde un punto de vista medioambiental; la optimización de las condiciones experimentales que permiten maximizar el rendimiento a éteres; el estudio del efecto de agua como potencial impureza del etanol a usar como reactante; el estudio de las constantes de equilibrio y propiedades termodinámicas de las reacciones implicadas; la evaluación de varios tipos de catalizadores con el objetivo de encontrar un catalizador potencial para el proceso e indagar en las propiedades morfológicas que más influencia presentan sobre la actividad catalítica observada; un estudio cinético exhaustivo con el fin de elucidar información importante sobre la cinética del proceso y los posibles mecanismos de reacción implicados en el mismo; el estudio de la adsorción de las especies implicadas sobre un catalizador potencial con el fin de evaluar las constantes de equilibrio y propiedades de adsorción termodinámicas de los diferentes compuestos químicos; y finalmente, el estudio de la desactivación del catalizador por la presencia de posibles venenos en las corrientes de alimento de reactantes.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nd, (c) Soto, 2017
Simultaneous etherification of C4 and C5 iso-olefins with ethanol over acidic ion-exchange resins for greener fuels
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1123632024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Rúbies Prat, Antoni
2017-06-14T11:09:19Z
2017-06-14T11:09:19Z
2017-04-25
http://hdl.handle.net/2445/112363
http://hdl.handle.net/10803/403882
[cat] El sector de la producció ramadera i de l’aqüicultura són pilars fonamentals de la indústria alimentària, que té plantejats grans reptes, com el de poder posar a l’abast de la població quantitat suficient d’aliments i que aquests siguin saludables als consumidors. La indústria alimentària ha anat optimitzant els seus mecanismes de producció d’aliments, i a dia d’avui són molt esteses les pràctiques de producció intensiva, que es caracteritzen per una productivitat molt elevada amb un cost econòmic relativament baix. Aquests tipus d’enfocament utilitza medicaments veterinaris per tractar els animals malalts, però també amb finalitats profilàctiques, per minimitzar el risc de contagi. L’ús de medicaments pot comportar la presència de residus dels fàrmacs en els productes alimentaris destinats a consum humà, i el risc associat és un tema que preocupa la societat. Amb l’objectiu d’oferir a la població l’accés a aliments segurs i saludables, s’han establert límits màxims de residu (LMR) per a medicaments d’us veterinari o bé prohibició per d’altres, atenent a la seva toxicitat. No és aquest l’únic àmbit on es regula la presència als aliments de compostos que poden suposar un risc per als consumidors; podem citar els pesticides, els contaminants ambientals, les toxines d’origen natural, etc. El repte pels laboratoris de control és el de poder disposar de mètodes d’anàlisi prou sensibles i selectius com per poder donar compliment a la legislació. A la vegada aquests mètodes convé que siguin suficientment transversals com per poder ser aplicats a diferents matrius alimentàries, les quals poden ser de naturalesa molt diversa pel que fa a la seva composició. Els mètodes han de ser d’elevada fiabilitat, però també ràpids i senzills. En aquesta tesi, s’han posat a punt mètodes per l’anàlisi de residus de 3 famílies de medicaments veterinaris (avermectines, nitroimidazols i antiinflamatoris no estereoideus); moltes de les substàncies considerades tenen establerts LMR, però algunes són prohibides. Per altra banda, s’ha posat a punt un mètode d’anàlisi de toxines marines lipofíliques en mol·luscs bivalves. Les toxines estudiades tenen nivells màxims admissibles legislats.
[eng] Livestock plays an important role in food industry. In the last decades, the mechanisms for food production have been optimized, based mainly in an intensive livestock farming and, as a consequence an increasing use of veterinary drugs to raise the animals. As a result of the use of veterinary drugs in livestock raising, residues can be present in foodstuff for human consumption. Nowadays, this issue is currently becoming more and more important. Also some natural processes occurring in oceans and seas (red tides) may produce natural toxins that contaminate foodstuff, such as the bivalves. Food safety laboratories need to control the presence of such residues in food of animal origin. Therefore, reliable, easy and fast analytical methods should be used in order to control an increasing amount of samples. In this thesis, simple analytical methods for the analysis of avermectins, nitroimidazoles, non- steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) and lipophilic marine biotoxins (MBTXs) have been set up and validated. These methods are base in the QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe) strategy, a method that was first published for pesticide residue analysis and nowadays becoming widely used. Some of the compounds have a published MRL (Maximum Residue Limit) in some matrices of animal origin, but because of their mutagenic and carcinogenic properties, some nitroimidazoles are included in the list of prohibited substances of Regulation (EU) No 37/2010, namely dimetridazole, metronidazole and ronidazole. The instrumentation involved in the present analytical methods is UHPLC-MS/MS, (triple quadrupole, QqQ) using an electrospray ionization (ESI) interface in Multiple Reaction Monitoring (MRM) mode. The use of high resolution mass spectrometry (HRMS), with Q-Orbitrap mass analyzer, has been tested as well. The use of HRMS has permitted to resolve coeluting isobaric interferences which did not permit confirmation of analytical results by QqQ. Also due to its excellent selectivity, very low regulated limits could be achieved. This is the case of diclofenac, a NSAIDs with a very low MRL in milk (0.1 µg·kg-1). Different working modes of the Q-Orbitrap mass analyzer have been tested, among them, t-SIM-ddpp (target-sim-data-dependent) and t-MS/MS (target- MS/MS). Validation of the methods included in this thesis has been performed following European legislation rules included in the 657/2002/CE Decision with excellent results. CCα (decision limit) and CCβ (detection capability) have been calculated as well. Limits of quantification (LQ) of the analytical methods for veterinary drugs residues range between 0.5- 2.5 µg·kg-1. For MBTX, LQ has been set up at 25 µg·kg-1. The validated matrices are muscle, milk and mussel, but all methods have been tested in alternatives matrices with successful results. Avermectin analysis has been tested in liver and milk; nitroimidazole analysis in kidney and liver, NSAIDs analysis in kidney and MBTXs analysis in canned and processed bivalves. The methods have been implemented in the Laboratori de l’Agència de Salut Pública de Barcelona for control analysis and are used for routine analysis
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Rúbies, 2017
Noves propostes per a l’anàlisi de medicaments d’ús veterinari i de toxines marines en aliments destinats al consum humà
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1123982024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Reynaldos i Sistané, Ricard
2017-06-15T09:37:04Z
2018-05-26T22:01:35Z
2017-05-26
http://hdl.handle.net/2445/112398
http://hdl.handle.net/10803/403920
[cat] L’augment de la demanda i el progressiu esgotament dels jaciments minerals per a produir metalls emprats en la indústria galvànica, fa que els residus d’aquesta industria, que habitualment són gestionats als abocadors com un rebuig, siguin avui dia un producte potencialment valorable.
L’objectiu d’aquesta tesi es desenvolupar processos per a valoritzar un residu generat a les empreses galvàniques. Aquest tipus d’empresa genera un gran volum d’aigües residuals, amb baixes concentracions de metalls, resultants dels processos de rentat. Aquestes aigües se sotmeten a un tractament de depuració físicoquímic que genera un rebuig sòlid anomenat fang galvànic. Aquest fang està format bàsicament per una mescla d’hidròxids metàl·lics, sulfat de calci i aigua.
El contingut metàl·lic del fang estudiat en aquesta tesi està format per una barreja de crom, níquel, coure i ferro. Per a transformar aquest residu en un producte valoritzable s’estudia la separació dels metalls que poden acabar en forma de sals o òxids o en directament en forma metàl·lica per deposició catòdica.
A continuació es resumeixen alguns d’aquest processos de separació:
1) S’ha comparat diferents mètodes de lixiviació del fang galènic: lixiviació per complexació, lixiviació oxidant i lixiviació àcida. D’aquestes tres tècniques, la lixiviació per complexació i la lixiviació oxidant no permeten la separació dels metalls valoritzables amb un rendiment elevat. La lixiviació àcida, amb àcid sulfúric 5%, permet la dissolució d’un 96% Cu(II), 99% Ni(II) i 98% Cr(III). Els insolubles resultants continguts en el fang, pràcticament tot CaSO4, són separats per filtració.
2) La separació de metalls en solució mitjançant la precipitació selectiva d’hidròxids és una tècnica senzilla per a la que és possible l’obtenció de concentrats de metalls a partir de les diferències existents entre els productes de solubilitat que tenen les sals d’hidròxid formades. No obstant, la puresa dels productes obtinguts és molt baixa ja que existeix coprecipitació d’altres metalls.
3) S’ha estudiat l’electrodeposició per a l’obtenció de càtodes metàl·lics de coure i níquel a partir de la solució lixiviada. El rendiment elèctric i la morfologia del càtode obtingut es poden veure influenciats per la composició de l’electròlit, per això, s’han establert les condicions de treball a les quals és possible l’obtenció de metall mitjançant aquesta tècnica. En el cas de l’electrodeposició de coure, és possible obtenir coure metàl·lic pur, no obstant, la baixa concentració en la que es troba a l’electròlit obliga a treballar a baixes densitat de corrent (1 A/dm2) per a evitar la formació d’anomalies al dipòsit (com ara dentrites o cremats). L’aplicació de l’electrodeposició de níquel no és possible, ja que la baixa concentració de Cr(III) que conté l’electròlit (100ppm) no fa possible una adequada deposició.
4) L’extracció líquid-líquid amb determinats agents extractants mereix un èmfasi especial degut a la seva elevada selectivitat en les separacions. Depenent de les característiques d’aquests agents extractants es produeix certa selectivitat per una determinada barreja dels metalls. L’extracció líquid-líquid a més de separar permet concentrar i per això és aplicable a separar i/o
purificar un metall a partir d’una mescla metàl·lica residual de concentració diluïda. Una vegada purificat un metall la seva concentració porta a productes d’ús industrial. S’ha aprofundit en l’estudi de dos agents extractants: una oxima (Acorga M5640) i una amina primària (Primene 81R). S’ha estudiat la seva selectivitat de cara al fang galvànic s’ha adequat cada solvent a la matriu del licor galvànic i s’ha estimat les operacions de separació industrial que permeten la valorització dels metalls.
L’agent extractant Acorga M5640 permet l’extracció selectiva de Cu(II) i de Ni(II) seleccionant el pH de treball adequat. D’aquesta manera és possible obtenir solucions concentrades i purificades de cada un dels dos metalls, a partir de les quals és possible l’aplicació de tècniques com l’electrodeposició o cristal·lització per a l’obtenció de productes comercials. En un ampli interval de pH, l’agent extractant Acorga M5640 no interacciona amb el Cr(III), lo que permet obtenir solucions concentrades de sulfat de coure (45,8 g/L Cu(II)) i de sulfat de níquel (24,0 g/L Ni(II)) que són separables en forma metàl·lica mitjançant l’electrodeposició o en forma d’hidròxids mitjançant la precipitació. El crom de l’extracte es pot precipitar en forma d’hidròxid de crom pràcticament pur (93% Cr(OH)3 (deshidratat)).
S’ha utilitzat l’amina primària Primene 81R per a separar el Cr(III) del Ni(II) del lixiviat àcid del fang galvànic, en el que s’ha separat prèviament el coure. S’han estudiat les condicions de treball per a que aquest agent extractor sigui selectiu pel Cr(III). Això ha permès la valorització del Cr(III) i la purificació del Ni(II). Mitjançant aquesta operació és possible obtenir una solució concentrada de sulfat de crom(III) ( 41,8g/L Cr(III)) amb una puresa elevada (> 99%).
Un cop analitzades les diferents operacions de valorització dels metalls del fang galvànic, s’han esbossat tres propostes de processos industrials, tècnicament viables. per a recuperar els metalls continguts al fang galvànic.
[eng] The metal obtaining using extraction with solvents was initiated during the Second World War to satisfy the high purity nuclear resource requirements and exploit poor minerals uneconomically using conventional techniques. Thereafter, solvent extraction has quickly spread in hydrometallurgy field, not only applied in the nuclear energy developing, but also in metal synthesis process of copper, nickel, zinc… With the growing demand of metals as raw materials, has dedicated big efforts to develop new extractor solvents, diluents and industrial scale equipment, improving and offering new applications for this technique.
Actually, despite of the attempts to minimize the waste, a big number of industries are producing hazardous residues during their workflow. The growing waste generation, associated with the increase of consumption, and shortage of raw materials make necessary the implementation of valorization and recycle process. These processes are able to manage part of the produced waste achieving the reintroduction to the industry as raw materials.
In this thesis the metal extraction using solvents has been applied to recover value from a plating sludge containing Cu(II), Ni(II), Cr(III) and Fe(III). Acorga M5640 has been used to separate Cu(II) and Ni(II) with high selectivity from leach solution at pH 1,50 and 3,50, respectively. Also there is possible to increase the value of the content of Cr(III) in the sludge. The Cr(III) extraction has been performed with Primene 81R at pH 3,50. The products obtained with solvent extraction are high concentrated and purity solutions. This solutions are able to be reintroduced to the market or transformed to another valuable products like metals, oxides and salts. The application of solvent extraction technique has proved the feasibility of the metal waste recovery from leached plating sludge.
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-sa, (c) Reynaldos, 2017
Desenvolupament de vies de valorització per a un residu industrial
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1133432024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Cruz Gonzalo, Angel
2017-07-05T07:42:36Z
2018-06-22T22:01:23Z
2017-06-22
http://hdl.handle.net/2445/113343
http://hdl.handle.net/10803/404350
[eng] As an essential resource for life and most human activities, water resources protection have become one of the major focuses of scientific community, especially the increasing occurrence of emerging pollutants which have its origin in commonly used pharmaceuticals, personal care products, pesticides and some other anthropogenic origin compounds. Fenton and photo-Fenton are advanced oxidation processes (AOPs) that have been widely proved on the removal of these compounds, but they are conventionally applied at acidic pH, below 3.0, because these processes involve the use of iron (II) salts, which are not soluble above. Also, the acidic effluents must be neutralized and high amounts of iron sludge are formed in the process. Current research in the field tries to solve this drawback by focusing in two possible solutions: the use of chelating agents to keep iron soluble at circumneutral pH or the use of heterogeneous catalysts containing iron that can be easily removed and reused after its application. This work is focused on the study, application and improvement of alginate-based heterogeneous catalysts for conducting photo-Fenton reactions at circumneutral pH. Initially, the preparation process of the conventionally used Fe(III)/alginate catalyst was optimized by evaluating the effect of the parameters involved on its synthesis. Then, the synthetized catalyst was applied to the abatement of antibiotic sulfamethoxazole (SMX), which was used as reference compound. The reaction mechanism of alginate-based catalysts was proposed according to the results obtained. Also, a deep study about catalyst stability revealed a high dependence with water’s pH. Fe(III)/alginate catalyst proved to release iron when sample’s pH was below alginate’s pKa. Also, due to its organic nature, a significant HO· scavenging effect of alginate itself was observed, which reduced the effective amount of hydroxyl radicals available for the oxidation of the target compound. Fe(III)/alginate was also tested for disinfection by adjusting the conditions to ensure a minimal iron release. Thus, the contribution of homogeneous reaction was significantly avoided. The catalyst proved being able to be used for disinfection of waters with low organic loads. In order to improve the Fe(III)/alginate catalyst, some modifications were applied. The first one was the addition of a dehydration stage after its synthesis. The resulting catalyst was tested on the removal of SMX and had a similar effectiveness than the conventionally used Fe(III)/alginate but with a significantly lower iron release, which confirmed its improved stability. This more stable catalyst was also modified by including TiO2, zero valent iron (ZVI) particles or cerium on its structure with the aim of, not only increase its stability, but its effectiveness. The TiO2 catalyst proved to increase the effectiveness of the overall removal of SMX while the other two modifications did not. Red volcanic rocks, iron shavings from metallurgical industry, a commercial Fe/Mn/O catalyst and a self-synthetized Fe/Ce/O catalyst were also tested as heterogeneous catalysts for Fenton and photo-Fenton at acidic and neutral pH. These catalysts were selected as inorganic-based ones and were compared to the Fe(III)/alginate dehydrated catalyst when applied to photo- Fenton at neutral pH. Results proved that only volcanic rocks had a significant activity when applied for photo-Fenton at neutral pH, but the effectiveness on the removal of SMX was low in comparison to the alginate-based catalyst. All other catalysts presented too low activity or major drawbacks that made them not suitable for water purification through Fenton-like and photo-Fenton-like processes.
[spa] Los procesos Fenton y foto-Fenton son procesos de oxidación avanzada (POA) que se basan en la descomposición del peróxido de hidrógeno catalizada por sales de hierro (II), produciendo radicales hidroxilo que son altamente oxidantes. El segundo además incorpora la irradiación con luz ultravioleta en el rango A, cosa que permite acelerar el proceso debido a la recuperación del hierro (II), que durante la reacción principal pasa a hierro (III). Estos procesos se suelen llevar a cabo a pH ácido (pH<3) debido a la baja solubilidad y la poca actividad de las especies de hierro a pH cercanos a la neutralidad. Este trabajo se centra en el estudio y aplicación de un catalizador heterogéneo de Fe/alginato formado gracias a la propiedad del alginato de formar geles sólidos en presencia de cationes di y trivalentes. En este caso, el Fe(III) actúan como enlace entre cadenas de alginato. Inicialmente se estudió el proceso de fabricación de este catalizador y se propuso un proceso estándar optimizado para su uso aplicado a la reacción foto-Fenton. Posteriormente se evaluó su aplicación a la eliminación del antibiótico sulfametoxazol y a la desinfección de bacterias Escherichia Coli. Basándose en los resultados obtenidos se propuso un mecanismo de reacción que además explicaba la inestabilidad observada experimentalmente que producía la liberación de hierro dependiendo del pH del medio de reacción, lo que desencadenaba la vía de reacción homogénea. Con la intención de mejorar la estabilidad del catalizador, se modificó el proceso de síntesis añadiendo una etapa de deshidratación controlada al final del proceso. Los resultados en su prueba para la reacción foto-Fenton aplicada a la eliminación de sulfametoxazol mostraron que el rendimiento no empeoraba pero mejoraba significativamente su estabilidad. Para aumentar su eficiencia se probó incorporar cerio, partículas de hierro monovalente y TiO2. Los resultados mostraron que solo el catalizador modificado con TiO2 mejoraba el rendimiento global de la reacción. Por último, se probaron otros catalizadores heterogéneos (piedras volcánicas, Fe/Ce/O, Fe/Mn/O, limaduras de hierro) aplicados a la reacción foto-Fenton. Solo las piedras volcánicas mostraron actividad catalítica y ésta, en comparación con la del catalizador de alginato fue baja.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nd, (c) Cruz, 2017
Synthesis and performance of heterogeneous catalysts for Fenton-like and photo-Fenton-like reactions at circumneutral pH
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1133472024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Fons Castells, Jordi
2017-07-05T08:11:38Z
2017-12-23T23:01:15Z
2016-12-23
http://hdl.handle.net/2445/113347
http://hdl.handle.net/10803/404352
[eng] In this thesis the development of different methodologies for the rapid determination of alpha and beta emitters by liquid scintillation spectrometry is described. The feasibility of PLS model construction for the decombolution of the spectra obtained with the proposed methodologies was studied. Finally, the developed methodologies together with multivariate calibration have been organized in a strategy for the quantification of the radionuclides included in the annex III of the directive 2013/51/EURATOM.
The methodologies developed in this thesis are; the simultaneous determination of gross alpha and gross beta by liquid scintillation spectrometry, and the determination of 226Ra, 228Ra and 210Pb using Radium RAD disk and liquid scintillation spectrometry.
The simultaneous determination of gross alpha and gross beta is based on a concentration of the sample by evaporation. The evaporated sample is measured by liquid scintillation spectrometry with the value of the instrumental parameter for α/β separation optimized using 236U as pure alpha emitter and 40K as pure beta emitter. Spectra obtained by means of this methodology are not just useful for quantify global alpha and beta activities but also for the quantification of specific radionuclides using the decombolution with PLS models.
The determination of 226Ra, 228Ra and 210Pb is based on the filtration of 1 L of the sample through a filter which selectively retains lead and radium isotopes. Lead isotopes, mainly 210Pb, are removed from the filter with a solution of di-hydrogen ammonium citrate (DHC). 210Pb is determined by liquid scintillation spectrometry from the eluted fraction while radium isotopes (226Ra and 228Ra) are determined directly from the RAD disk introducing it into a counting vial and measuring by liquid scintillation spectrometry. To avoid interferences in the quantification of the RAD disk is necessary to achieve an appropriate impregnation of the filter. For this aim the elapsed time between the sample preparation and the measure have to be eight hours at least. Alternatively, scintillation cocktail can be forced to pass through the RAD disk to ensure a correct impregnation.
The construction of PLS models for the analysis of liquid scintillation spectra requires from a data base of spectra which is constructed with the experimental work performed along this thesis.
Finally, a strategy for the determination of the radionuclides included in the annex III of the directive 2013/51/EURATOM using the developed methodologies and PLS models, is described. This strategy has been used total or partially for the determination of natural and artificial radionuclides with suitable results.
[cat] En la present tesi es descriu el desenvolupament de diferents mètodes ràpids per a la determinació d’emissors alfa y beta per escintil·lació líquida. S’estudia la viabilitat de la construcció de models PLS per a la deconvolució dels espectres obtinguts amb els mètodes desenvolupats per a quantificar radionúclids específics. Finalment, els mètodes desenvolupats juntament amb la quantificació mitjançant calibratge multivariant amb models PLS s’han organitzat sota una estratègia per a la quantificació dels radionúclids llistats en l’annex III de la directiva 2013/51/EURATOM.
Els mètodes desenvolupats son; la determinació simultània dels índex d’activitat alfa i beta total mitjançant escintil·lació líquida, i la determinació simultània de 226Ra, 228Ra i 210Pb en aigües mitjançant Radium RAD disk i mesura per escintil·lació líquida.
La determinació dels índex d’activitat alfa i beta total es realitza mitjançant la concentració per evaporació de la mostra i la mesura directa d’aquesta mostra concentrada per escintil·lació líquida, emprant com a valor del paràmetre instrumental per a la separació α/β (PSA) optimitzat amb 236U com a emissor alfa pur i 40K com a emissor beta pur. Els espectres obtinguts amb aquest procediments, a banda de proporcionar informació global sobre l’activitat alfa i beta de la mostra, son aptes per a la quantificació de radionúclids específics mitjançant models PLS.
En la determinació de 226Ra, 228Ra i 210Pb emprant Radium RAD disk es filtra 1 L de mostra a traves del filtre que reté de forma selectiva isòtops de radi i plom. Els isòtops de plom, bàsicament 210Pb, s’extrauen del filtra amb una solució de di hidrogen citrat d’amoni (DHC). El 210Pb es determina per escintil·lació líquida a partir de la fracció eluïda, mentre que els isòtops de radi (226Ra i 228Ra) es determinen directament per espectrometria d’escintil·lació líquida introduint el RAD disk en un val i afegint còctels. Per poder realitzar la mesura en aquestes condicions es necessari assolir una correcta impregnació del RAD disk. Amb aquesta finalitat, cal esperar vuit hores des de la preparació el vial fins a la mesura. Alternativament, es pot filtrar còctel a traves del RAD disk després del filtrat de la mostra per assegurar un correcta impregnació del filtre.
L’anàlisi d’espectres d’escintil·lació liquida mitjançant la construcció de models PLS requereix una se de dades d’espectres que s’ha elaborat en el treball experimental de la present tesi. En aquesta base de dades s’han considerat els radionúclids llistats a la directiva 2013/51/EURATOM, amb diferents nivells d’activitat i considerant l’esmorteïment químic i de color.
Finalment, s’ha definit una estratègia d’aplicació de les metodologies optimitzades, juntament amb l’ús de models PLS, per a la quantificació dels radionúclids inclosos en l’annex III de la directiva 2013/51/EURATOM. Aquesta estratègia, de forma total o parcial, s’ha aplicat a diferents tipus de mostra per a la quantificació de radionúclids naturals i artificials, amb resultats satisfactoris.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nc-sa, (c) Fons, 2016
Development of Analytical Methodologies for Rapid Determination of Alpha and Beta Emitters by Liquid Scintillation Spectrometry in Water Samples
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1137252024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Jimenez Villarin, Javier
2017-07-13T08:21:43Z
2018-06-08T22:01:48Z
2017-06-08
http://hdl.handle.net/2445/113725
http://hdl.handle.net/10803/404561
[eng] In the past 50 years there has been increasing interest and concern over pharmaceutical drugs and their presence in the environment, since they and/or their metabolites could induce toxicological effects and bacterial resistance in living organisms. Conventional sewage treatment plants are not able to efficiently remove these chemicals, reason why these compounds are being introduced into the aquatic environment at concentration levels of parts per-billion (ppb) and parts per-trillion (ppt). Although these concentrations are much lower than those used in medical applications, the related potential toxic effects are still poorly known and cannot be discarded. Heterogeneous TiO2 photocatalysis is an advanced oxidation process that can achieve complete oxidation and mineralisation of such organic compounds. TiO2 nanoparticles and nanofibers have been extensively investigated as the suspended semiconductors in common heterogeneous photocatalysis set-ups. However, the complete recovery of the semiconductor is still a major industrial challenge. That is the reason why their fixation onto an inner support represents a great alternative to overcome this problem.
The present PhD thesis has studied the degradation of four pharmaceutical drugs (ofloxacin, clofibric acid, diclofenac and ibuprofen) using two different set-ups (suspended and supported conditions) with three different TiO2 catalysts: synthesised TiO2 nanofibers and P25 nanoparticles and commercially available nanofibers, used as reference materials. Prior performing the photocatalytical process, all TiO2 samples were submitted to physical characterisation (BET surface area, X-Ray diffraction and SEM microscopy) showing significant differences between the synthesised and reference materials. Prepared TiO2 nanofibers, however, appeared to be the material with maximum adsorption capacity (derived from Langmuir’s isotherm) and appeared
to be slightly better at degrading the pharmaceuticals under study at a concentration of 10 µg L-1. Nevertheless, when the experiments were conducted under real conditions, none of all the studied catalysts could effectively degrade the studied compounds.
Additionally, this work has studied how one of the selected pharmaceuticals (ofloxacin) was degraded along the photocatalytical process by mass spectrometry techniques: (tandem) high-resolution mass spectrometry and ion mobility mass spectrometry. Due to the vast amount of information generated by these cutting-edge instruments, different data treatment techniques were applied in order to achieve a fast
identification of the generated transformation products (TPs). The degradation of ofloxacin led to the formation of 59 TPs. Chemical structures of these TPs were hypothesised on the basis of their accurate mass and product ion spectra. However, due to the lack of standards of these TPs, these hypothesised structures could not be confirmed until ion mobility, in combination with theoretical calculations, was used. This technique not only rendered additional separation in the gas phase for some of the identified TPs but also provided a tool to support the complete elucidation of the chemical structures hypothesised.
Having detected and identified ofloxacin TPs, the investigation of this PhD thesis was centred on the study of their toxicological impact. Toxicity was assessed by two different end-points: luminescence, using the luminescent bacteria Vibrio-fischeri and cytotoxicity using three different human cell lines (HK-2, HepG2 and fibroblast cells). Both end-points clearly demonstrated that, even at low concentrations, the formation of these TPs led to a toxicity increase when compared to the parent drug ofloxacin. Even though this toxicity increase, complete detoxification was achieved by ensuring enough irradiation time and promoting the complete depletion of ofloxacin TPs. The individual toxicity of these TPs was then studied by fractionating the reaction crude with a semi- preparative HPLC column which restricted the number of toxic TPs. Due to the poor chromatographic resolution achieved, the chemical synthesis of the generated TPs seems to be the only option, to date, to study their individual toxicity.
[spa] A lo largo de los últimos 50 años ha habido un creciente interés acerca de los fármacos y/o sus metabolitos ya que su presencia en el medio ambiente podría inducir efectos toxicológicos adversos y/o resistencia bacteriana. Puesto que los sistemas de depuradoras de aguas son incapaces de eliminarlos, éstos son introducidos y detectados en el sistema acuático. Aunque los niveles encontrados son mucho menores que las usadas en medicina, sus efectos adversos no pueden ser descartados. La fotocatálisis heterogénea mediante TiO2 es un proceso de oxidación avanzado que puede conseguir la completa oxidación y mineralización de estos compuestos en el agua.
La presente tesis doctoral se ha centrado en la degradación de cuatro fármacos (ofloxacino, ácido clofíbrico, diclofenaco e ibuprofeno) con tres catalizadores de TiO2: nanofibras sintetizadas y materiales comerciales: en forma de nanopartícula y nanofibra. Las nanofibras preparadas mostraron una mayor capacidad de adsorción y degradación de los fármacos estudiados. A pesar de los buenos resultados obtenidos experimentando en agua sintética, todos los catalizadores bajaron su rendimiento al experimentar con matriz de agua real.
Adicionalmente, se estudió cómo el ofloxacino se degradaba y transformaba a lo largo del proceso fotocatalítico mediante espectrometría de masas de alta resolución y de movilidad iónica. Se detectaron e identificaron 59 productos de transformación, los cuales fueron adicionalmente estudiados mediante la técnica de movilidad iónica acompañada de cálculos teóricos. Esta última combinación no solo demostró su poder separativo sino que proporcionó una herramienta para la confirmación de las estructuras químicas propuestas.
Finalmente, se estudió la toxicidad asociada a los productos de transformación del ofloxacino, evaluada mediante dos targets: luminiscencia (Vibrio-fischeri) y citotoxicidad (células humanas). Ambos ensayos demostraron que la generación de estos productos de degradación incrementaba toxicidad. Aun así, la completa detoxificación se consiguió extendiendo el tiempo de fotocatálisis. A fin de estudiar su toxicidad individual, el crudo de reacción fue fraccionado mediante HPLC semipreparativo. Sin embargo, la baja resolución cromatográfica obtenida imposibilitó el estudio individual y limitó a una fracción este aumento de la toxicidad. Actualmente, la síntesis química, parece la única vía para posibilitar el estudio individual de los productos generados.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Jimenez, 2017
Assessing the degradation and transformation of emerging pollutants submitted to TiO2 photocatalysis by high-resolution mass spectrometry techniques. Are we posing a new hazard to the environment?
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1137292024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Ramírez Guinart, Josep Oriol
2017-07-13T09:43:51Z
2017-07-13T09:43:51Z
2017-07-03
http://hdl.handle.net/2445/113729
http://hdl.handle.net/10803/404562
[eng] The assessment of the potential radiological risk for the human health and the environment that a radioactive contamination episode may entail is one of the most concerning issues in the current society, due to the increasing amounts of radioactive waste resulting from the proliferation of the nuclear industry and other activities. Such assessment is performed by taking into account a large number of environmental components, processes and interactions occurring in a given contamination scenario and governing the transport of radionuclides from the source point of contamination to a potential target individual. In those radioactive contamination episodes in which the terrestrial ecosystem may be affected, one of the key processes to be described, in order to properly assess the potential human exposure to radioactivity, is the partitioning of released radionuclides between water sources and soils in a given contaminated area, since it controls in a great extent radionuclide transport to non-contaminated areas and subsequent introduction into the food chain. Such process can be estimated with the solid-liquid distribution coefficient (Kd), which is a highly operational parameter that for a given radionuclide may remarkably vary depending on the soil-solution system characteristics.
In light of this, the aim of this thesis is the development of strategies to provide reliable solid-liquid distribution coefficients (Kd) of radionuclides in soils as input data for models devoted to assess the radiological risk that could be arisen from radioactive contamination episodes involving the terrestrial ecosystem. To reach this goal, two different approaches aiming at reducing and explaining the variability of this parameter and based on the knowledge of the specific radionuclide-soil interaction behaviour, are explored.
On the one hand, despite being paramount elements in the field of radioactive waste management and nuclear safety, there is limited knowledge regarding the interaction in soils of trivalent actinides and lanthanides, such as americium (Am) and samarium (Sm), respectively. Due to the scarce and highly variable soil Kd data available in the literature for these elements, and the unclear conclusions about their sorption mechanisms and the soil properties involved, the proposal of reliable Kd data for risk assessment purposes is seriously jeopardised. According to this, the present thesis is focused on the examination of the main factors controlling the interaction of trivalent actinides and lanthanides in soils.
On the other hand, due to the lack of site-specific Kd data, radiological risk is frequently assessed with models using, as input data, generic soil Kd values of radionuclides. Such generic Kd data (single values or functions) most of times are statistically derived from compilations in which Kd values may range within several orders of magnitude as a result of contrasting sorption behaviour among the soil-solution systems involved. This fact leads to a high uncertainty in the description or prediction of radionuclide soil-to-solution partitioning in the contamination scenario under assessment. According to this, the present thesis is also committed to the development of a strategy to derive probabilistic Kd data from compilations with low uncertainty and suitable to perform reliable risk assessments.
[cat] Atesa la creixent quantitat de residus radioactius generats principalment a conseqüència de la proliferació de la indústria nuclear i atès el potencial risc que poden comportar aquests residus per al medi ambient i la salut humana, l'estimació del risc radiològic que eventualment podria comportar un escenari de contaminació radioactiva ha esdevingut un desafiament científic d'especial interès en l'actualitat. L'estimació del risc radiològic és una tasca complexa que requereix tenir en compte un gran nombre de processos i interaccions que succeeixen entre els diferents compartiments mediambiental i que regeixen el transport dels radionúclids emesos des de la font de contaminació fins a un possible receptor. Quan el medi terrestre es pot veure afectat per un episodi de contaminació radioactiva, un dels processos clau a tenir en compte per tal de poder estimar l'exposició humana a radiacions ionitzants és la predicció de la distribució dels radionúclids emesos entre les fases sòlides i líquides dels sòls contaminats, ja que aquest procés controla, en cert grau, el posterior transport de radionúclids a zones no contaminades adjacents, així com la introducció d'aquestos en la cadena tròfica. Aquest procés de partició és pot estimar a partir del coeficient de distribució sòlid-líquid (Kd) de radionúclids en sòls, el qual pot variar significativament per a un mateix radionúclid depenent les característiques del sòl estudiat. D'acord amb aquests fets, la present tesi s'emmarca en el desenvolupament d'estratègies que permetin derivar valors fiables de Kd de radionúclids en sòls que puguin ser emprats per a la predicció del risc radiològic en cas de contaminació radioactiva.
Per tal d'assolir aquest objectiu, es van explorar dues estratègies basades en adquirir coneixement sobre la interacció radionúclid-sòl per tal de poder disminuir i descriure la variabilitat intrínseca d'aquest paràmetre. Per una banda, la present tesi s'ha centrat en l'estudi sistemàtic de la interacció de dos radioelements, l'americi (Am) i el samari (Sm), que representen dues famílies d'elements, actínids trivalents (Ac(III)) i lantànids trivalents (Ln(III)), respectivament, que tot i ser d'especial rellevància en el context de la gestió dels residus radioactius i seguretat nuclear, poc es sap sobre el seu comportament de sorció en sòls. D'altra banda, quan no existeixen dades de Kd específiques d'un l'emplaçament donat o quan es vol abastar un ventall ampli d'escenaris de contaminació possibles, els models d'estimació de risc radiològic acostumen a emprar dades genèriques de Kd en sòls, sovint en forma de funcions de densitat de probabilitat (FDP). Aquest tipus de dades sovint es dedueixen estadísticament de compilacions de dades on els valors de Kd inclosos poden variar molts ordres de magnitud ja que són representatius de molt tipus de sòls. Conseqüentment, aquest tipus de Kd probabilístiques tenen un alt grau de incertesa, el que limita la seva aplicabilitat i idoneïtat per estimar de manera fiable el risc radiològic. Per tal de donar una millor resposta en aquest escenari concret de Kd probabilístiques, en la present tesi s'ha treballat en el desenvolupament d'una estratègia que permeti la derivació d'aquest tipus de dades amb menys incertesa.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by, (c) Ramírez, 2017
Explaining and reducing variability of distribution coefficients of radionuclides in soils: improvement of input data for radiological assessments
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1207042024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Aceña i Sánchez, Jaume
2018-03-14T12:02:04Z
2018-03-14T12:02:04Z
2017-07-17
http://hdl.handle.net/2445/120704
http://hdl.handle.net/10803/462804
[cat] En la societat actual, els fàrmacs són imprescindibles per a millorar la qualitat de vida de les persones però la seva activitat biològica inherent a la seva naturalesa genera una creixent preocupació pels possibles efectes als ecosistemes. Els fàrmacs poden arribar al medi aquàtic i produir una exposició crònica d'organismes, els quals poden resultar afectats. Molts estudis conclouen que per una avaluació més completa és necessari tenir en compte les possibles transformacions que pateixen aquests compostos al medi ambient ja que els productes resultants poden retenir l’activitat biològica del pare o tenir efectes toxicològics superiors al compost original.
En el desenvolupament d’aquests tesi s’han estudiat les principals transformacions dels fàrmacs al medi aquàtic, incloent processos biòtics i abiòtics. Aquests estudis s’han realitzat mitjançant metodologies basades en la cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses d’alta resolució (LC-HRMS). Actualment, els espectròmetres de nova generació, han superat les limitacions tradicionals d’aquesta tècnica per a l’anàlisi quantitatiu, oferint linealitats i sensibilitats similars als instruments de triple quadrupol. Evidentment, les prestacions que ens ofereix aquesta tècnica per a l’elucidació estructural de compostos també la fa idònia per a aquestes finalitats. En els darrers anys s’han desenvolupat noves estratègies mitjançant instrumentació HRMS híbrida. Aquests mètodes permeten l’anàlisi dirigit de compostos coneguts, l’escombratge de compostos sospitosos a partir de bases de dades i fins i tot l’anàlisi no dirigit de compostos desconeguts. Moltes d’aquestes capacitats han estat utilitzades per a detectar i identificar els TPs dels diferents processos estudiats en aquesta tesi.
Al capítol 3 s’ha avaluat l’efecte de la llum del sol sobre els fàrmacs, considerat el principal mecanisme de transformació abiòtic. Concretament s’ha avaluat les reaccions de foto-transformació dels inhibidors de la fosfodiesterasa V mitjançant simulacions a escala laboratori. La avaluació conjunta de les rutes de degradació del sildenafil i els seus anàlegs ens ha permès determinar un patró de fragmentació comú i identificar els TPs principals pels diferents compostos. Finalment, s’han analitzat mostres ambientals per a detectar els
TPs identificats. Aquest estudi a significat la primera detecció de dos TPs del SDF i/o dels seus anàlegs al medi ambient.
Per tal d’estudiar també els processos de biodegradació causats per microorganismes, s’han determinat els principals TPs per biodegradació de sulfonamides a escala laboratori. En aquesta ocasió la identificació dels TPs es va utilitzar per a poder realitzar un estudi quantitatiu dels mecanismes de resistència bacteriana a les sulfonamides. Els resultats constaten que a altes concentracions el paper de la degradació de les sulfonamides és més important, mentre que a baixes concentracions la adaptació dels bacteris mitjançant la propagació de gens resistents als antibiòtics cobra protagonisme.
Al capítol 4 s’ha avaluat l’exposició de fàrmacs als organismes aquàtics mitjançant la identificació de metabòlits. En primer lloc s’han identificat els metabòlits de l’Ibuprofè i la carbamazepina mitjançant la injecció intraperitoneal a llenguados. La comparació de mostres control i mostres tractades i l’estudi dels patrons de fragmentació ha permès proposar les identitats dels metabòlits. Aquesta aproximació a permès identificar temptativament 13 metabòlits de l’ibuprofè i 11 de la carbamazepina. A continuació s’han identificat els metabòlits de l’ibuprofè en plantes aquàtiques (Lemna Gibba). En total s’han identificat 11 metabòlits de l’ibuprofè. Aquests estudis han permès demostrar la variabilitat en el metabolisme en diferents organismes i com això fa més complexa la seva avaluació, ja que un compost pot resultar inofensiu per a una espècie i molt tòxic per a una altre.
Finalment, s’ha estudiat el metabolisme dels fàrmacs en peixos salvatges mitjançant un mostreig al riu Llobregat. Inicialment s’ha realitzat un escombratge dirigit de més de 2000 contaminants orgànics. Això ens ha permès detectar més de 12 productes farmacèutics dels 150 que contenia la llista. Dels fàrmacs detectats s’han seleccionat 6 fàrmacs i a través d’un software de predicció de metabòlits s’ha generat una base de dades de 150 metabòlits. Amb aquesta llista s’ha realitzat un escombratge de sospitosos permeten la detecció d’un gran nombre de candidats dels que mitjançant l’estudi dels patrons de fragmentació s’ha proposat les seves estructures.
[eng] In this thesis, the main transformations of drugs in the aquatic environment have been studied, including biotic and abiotic processes. These studies have been performed using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry (LC-HRMS).The different approaches by LC-HRMS in environmental samples have been reviewed in chapter 1.
In chapter 3 the phototransformation reactions of phosphodiesterase V inhibitors have been studied through laboratory-scale simulations. Through these studies, common fragmentation pattern and the major TPs were identified. Finally, this study reported the first detection of two TPs of SDF and/or its analogues in the environment.
Chapter 3 also shows a study of biodegradation of sulfonamides and the identification of main TPs at laboratory scale. The results show that at high concentrations the role of sulphonamide degradation is more important, while at low concentrations the adaptation of bacteria through the propagation of antibiotic resistant genes is more relevant.
In chapter 4, the exposure of different aquatic organisms and their different metabolism was evaluated. Laboratory-scale studies have been performed to determine the metabolites of ibuprofen in plant and fish. With these approaches, 13 metabolites of ibuprofen and 11 metabolites of carbamazepine have been tentatively identified in bile of treated fish and 11 metabolites of ibuprofen in aquatic plants. These studies have demonstrated the variability of different aquatic organisms for the biotransformation of IBU.
Finally, target screening of more than 2000 organic pollutants was carried out in wild fish. This approach allowed us to detect 12 pharmaceuticals out of the 150 contained in this list. Then, a database of more than 150 metabolites corresponding to the transformations of six of these drugs, through metabolite prediction software, has been generated. Suspect screening approach has been carried out for the detection and identification of pharmaceutical metabolites.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Aceña, 2017
Transformació i metabolisme de fàrmacs al medi aquàtic mitjançant l’espectrometria de masses d'alta resolució
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1207572024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Barroso Ramos, Albert
2018-03-15T10:59:21Z
2018-03-15T10:59:21Z
2017-09-08
http://hdl.handle.net/2445/120757
http://hdl.handle.net/10803/462823
[spa] La glicómica se ha convertido en una de las ciencias ómicas de mayor interés, en gran parte debido a la importancia de los carbohidratos en multitud de procesos biológicos y a su implicación en un gran número de enfermedades. En la última década, los trabajos científicos relacionados con la glicómica han aumentado considerablemente, poniendo de manifiesto la gran novedad e impacto que posee esta ciencia ómica. En la actualidad, la espectrometría de masas (MS) es la técnica analítica más utilizada en el estudio de la glicosilación de proteínas (glicoproteómica) lo que es debido a su elevada capacidad para obtener información estructural de biomoléculas.
El estudio de la glicosilación de proteínas por MS se puede llevar a cabo a tres niveles diferentes: glicoproteína intacta, glicopéptidos y/o glicanos. De todos ellos, el análisis de los glicopéptidos proporciona varias ventajas, ya que se obtiene información de la composición de los glicanos de cada punto de glicosilación, así como del grado de ocupación. No obstante, en general, es necesaria una técnica de separación previa a la detección por MS para evitar que los péptidos presentes en el digesto supriman la ionización de los glicopéptidos. Consecuentemente, esta tesis doctoral se ha centrado principalmente en el desarrollo de metodologías analíticas para el estudio de la glicosilación de diferentes proteínas a nivel glicopeptídico, utilizando la cromatografía de líquidos capilar y la electroforesis capilar acopladas a la espectrometría de masas (CapLC- MS y CE- MS, respectivamente).
Sin embargo, detectar cambios en la abundancia y en la composición de los glicanos unidos a la proteína puede no ser suficiente para diagnosticar ciertas enfermedades y buscar dianas terapéuticas. A veces un proceso patológico puede afectar sólo a un isómero del glicano y no a los demás, siendo necesario, en este caso, el análisis de los isómeros de los diferentes glicanos para entender la extensión de la enfermedad. En este sentido, la movilidad iónica acoplada a la espectrometría de masas (IM-MS), ha suscitado gran interés como una técnica con potencial para la separación de isómeros. Por este motivo, en esta tesis doctoral, también se
ha evaluado la eficacia del IM-MS para la separación de isómeros debidos al tipo de enlace del ácido siálico a nivel de glicoproteína intacta, de glicopéptidos y de glicanos.
[eng] The work presented in this thesis is focused on the development and optimization of analytical methodologies for the glycosylation analysis and characterization of therapeutically and biologically relevant glycoproteins.
One of the first glycosylation studies carried out involved the detection and characterization of human transferrin (hTf) glycopeptide glycoforms by capillary liquid chromatography coupled to mass spectrometry (CapLC-MS). The aim was not only to characterize hTf glycosylation but also to verify whether its glycosylation was altered in individuals with chronic alcoholism and congenital disorders of glycosylation (CDG), a rare genetic disease, and identify which glycoforms were altered due to these two diseases. In the case of chronic alcoholism, several hTf glycopeptide glycoforms were observed to be altered, mainly, the H5N4S2, which decreased in relative abundance, and the non-glycosylated glycoform (peptide glycoform), which increased. Regarding the CDGs, the aim was to explore the data obtained with the analysis of both hTf glycopeptides glycoforms from control, CDG-I or CDG-II serum samples. However, the originated data set was too large and complex due to the number of samples. Consequently, two multivariate data analysis methods, principal component analysis (PCA) and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA), were evaluated for the classification of the different samples and for providing a novel insight into hTf glycopeptide glycoforms alteration in CDGs.
The following work involved the analysis of mouse transferrin (mTf), as a suspected altered glycoprotein in collagen induced arthritis (CIA), an inflammatory and autoimmune disease, which resembles human rheumatoid arthritis (RA). In this case, an increase in fucosylation and glycan branching was observed in sera from mice with CIA+ versus control. Additionally, the effect of a specific gene was evaluated to assess its contribution to the aggravation or amelioration of CIA. The results showed that mice deficient in CD38 developed an attenuated
CIA, that is, the increase in fucosylation and glycan branching was not as pronounced as in standard mice with CIA.
Additionally, a methodology based on capillary electrophoresis coupled to mass spectrometry (CE-MS) was also evaluated as an alternative method to CapLC-MS for the analysis of the glycosylation of proteins. However, the use of the mandatory anionic surfactant to correctly perform the glycoprotein digestion proved detrimental to CE-MS analysis. Therefore, some approaches regarding sample treatment were evaluated to eliminate the anionic surfactant, being the µElution plates, 96-well plates with Oasis® HLB (WATERS®) stationary phase, the only method that provided proper sample clean-up and complete elimination of the remaining surfactant.
Another interesting advantage of using CE as the separation technique prior MS detection is the fact that the electrophoretic migration behavior of ions can be easily predicted using the classical semiempirical relationships between electrophoretic mobility and charge-to-mass ratio (me vs q/Mα). In this thesis, the classical semiempirical relationships were used to predict and model the migration behavior of peptides and glycopeptides originated from the digestion of human recombinant erythropoietin (rhEPO). Simulated electropherograms were elaborated with these models, which matched almost perfectly the experimental electropherogram. Results were later validated predicting the migration and simulating the separation of a different set of rhEPO glycopeptides and also hTf peptides and glycopeptides, which also agreed with the experimental electropherograms.
Complexity of glycan structures can escalate rather quickly when we take into account that some monosaccharide units can have different orientation or be bound to different carbohydrates, giving rise to the formation of isomeric glycan structures. For instance, the sialic acid residue can have two types of linkage in complex N-glycans, depending on its orientation, referred to as α-23 or α-26 linkages. For that reason, the next work presented
in this thesis aimed to assess the capability of ion mobility mass spectrometry (IM-MS) for the separation of isomeric glycoconjugates of mTf due to the type of sialic acid linkage. Straightforward separation of isomers was achieved with the analysis of glycans, as opposed to the glycopeptides, which was relatively more complicated, or the intact glycoprotein, which was not possible. Positive results were obtained with the analysis of the free glycans not only in standard samples but also in serum samples from control mice and CIA+ mice, acknowledging the applicability of the developed methodology to the study of real complex samples as well as its potential for the analysis of other glycoproteins.
spa
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Barroso, 2017
Desarrollo de metodologías analíticas para la separación, detección y caracterización de biomarcadores glicoproteicos en muestras biológicas
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1208132024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Corcellas i Carramiñana, Cayo-Eduard
2018-03-16T08:33:40Z
2018-03-16T08:33:40Z
2017-09-28
http://hdl.handle.net/2445/120813
http://hdl.handle.net/10803/462848
[cat] Aquesta tesi pretén donar una visió general del comportament dels piretroides en el medi ambient i, concretament en la biota salvatge. A més, com a conseqüència directa d’això, també avalua l’exposició humana a aquests insecticides.
Els piretroides són uns insecticides emprats molt comunament. El seu ús avarca des d’usos agraris i ramaders fins a domèstics. També s’han emprat sovint en control de plagues i Salut Pública, com ara amb el control de mosquits vectors de malalties com la malària o el dengue. Per últim, l’ús dels piretroides sobre els humans tampoc no és estrany, ja que les fórmules més habituals de locions anti- polls i contra la sarna, entre d’altres, contenen piretroides com a principis actius.
Aquests insecticides són sintètics o semi-sintètics. Deriven d’uns extractes naturals de flors de diferents espècies de Chrisantemum. Aquests extractes contenen piretrines que són ésters de l’àcid crisantèmic. Els piretroides, són, també, ésters d’aquest àcid que solen estar funcionalitzats. Segons si contenen un grup ciano en la posició alfa’ de l’àcid, es distingeixen els piretroides tipus I (que no contenen el grup ciano) i els de tipus II (que sí que el tenen). Aquestes molècules, són molècules amb 2 o 3 centres quirals, raó per la qual la isomeria d’aquests també és un tema important a tractar.
Durant la tesi es va desenvolupar un mètode de determinació enantioselectiu per a 6 piretroides. Fins al inici de la tesi cap mètode quiral de la bibliografia era capaç de separar tots els enantiòmers d’un piretroide. El mètode desenvolupat demostrà l’eficàcia en separar els 4 isòmers de la tetrametrina. Per contra, amb la resta de piretroides del mètode (bifentrina, ciflutrina, cihalotrina, cipermetrina i peremetrina) només els isòmers cis es podien separar enantiomèricament, mentre que els trans no es podien discriminar. A més d’aquesta metodologia, es millorà la metodologia preexistent de quantificació de piretroides, la qual fou capaç, al final de la tesi, de determinar 19 piretroides i un pesticida organofosforat (clorpirifós) en una sola anàlisi.
Un cop es tenia metodologia adecuada, es mostrejar fauna salvatge. Es dividí el tipus de fauna segons el medi que habiten les espècies, a saber, medi terrestre i medi aquàtic. Les espècies de medi terrestre que es van incloure en el estudi foren aus i grans mamífers de l’Antàrtida. De les aus es mostrejaren ous. Concretament, s’analitzaren ous infèrtils d’aus del Parc Natural de Doñana. El 96% de les mostres donaren positiu a la presència de piretroides. A més de l’anàlisi de piretroides s’analitzaren els delta15N i el delta14C, amb la finalitat de comprovar si els piretroides eren biomagnificables en la xarxa tròfica. Tot i que els resultats de isòtops estables no foren concloents, tot semblà indicar que l’exposició als piretroides venia donada per la dieta, tot i que no es biomagnificaven. En mostres de mamífers de l’Antàrtic no es trobaren nivells de piretroides detectables, la qual cosa indicà que aquests insecticides no es transporten llargues distàncies.
Del medí aquàtic s’analitzaren peixos de riu i dofins. El 100% de les mostres presentà nivells quantificables de piretroides. Els peixos mostraren que l’exposició de piretroides ha d’estar relacionada amb quelcom més que no pas el medi físic ja que individus del mateix punt de presa de mostra presentaven perfils de piretroides diferents, és a dir, que la proporció d’un piretroide respecte d’un altre era diferent segon el individu analitzat. Això podia venir donat a una metabolització selectiva d’uns piretroides o a que l’exposició fos via dieta i els animals, que pertanyien a espècies diferents, tinguessin diferents hàbits alimenticis. Pel que fa a dofins, es va trobar que tant dofins brasilers com espanyols presentaven nivells de piretroides tot i que els primers solien presentar més nivells de cipermetrina i permetrina mentre que els segons de cipermetrina i tetrametrina. També es va demostrar la transferència materna com un possible problema toxicològic per als fetus i els lactants. Finalment, es va comprovar la distribució dels piretroides en diferents teixits i es va arribar a la conclusió que el teixit adipós és on més piretroides s’acumulen, tot i que, segurament gràcies a la unió amb diferents proteïnes, en teixits magres també s’hi trobaven nivells. Amb això es preferí per a mostrejos posteriors el fetge com a matriu a analitzar o, en cas de individus vius, el teixit adipós superficial.
Respecte dels humans, es comprovà que la població general està exposada als piretroides a nivells relativament baixos. Els estudis es van fer en poblacions de Brasil, Colòmbia i Barcelona. Amb tot, donats els resultats, s’optà per aconsellar un millor control dels nivells de piretroides en llets maternes, sobretot de poblacions sobre-exposades, i una revisió dels valors de ingesta acceptables de piretroide en el cas de infants i lactants.
[eng] The present Thesis is about pyrethroid insecticides. They are very used in agrarian, veterinarian and domestic environments. Besides, they are used in Public Health in order to control mosquito vectors of diseases such as malaria and dengue.
They are chiral molecules, thus isomeric characteristics are important in their environmental behavior and toxicology.
In this thesis, a new method for enantiomeric discrimination of 6 pyrethroids was developed. For the first time a method was able to separate all enantiomers of one pyrethorid, in this case, tetramethrin. Besides, the method was able to differentiate cis enantiomers of bifenthrin, cyfluthrin, cyhalothrin, cypermethrin and permethrin.
Pyrethorids were evaluated in unfertile wild bird egg samples, Antarctic mammals, river fishes and dolphins. In 96% of bird eggs residues of pyrethroids were observed. In 100% of all the rest of matrices presented quantifiable levels of pyrethroids except for Antarctic mammal samples. First way of exposure to pyrethroids for these wild species seemed to be diet. However, no biomagnification was described. Long distance transport was discarded since Antarctic samples did not present levels of pyrethrids.
Pyrethroids were mostly accumulated in lipid tissues, such as dolphin blubber. The best matrix to future monitoring was described as liver samples, even when for living individuals, superficial blubber sample could be used.
Cis isomer of pyrethroids were more bioaccumulated than trans, except in the case of tetramethrin. In this last case, commercial mixtures, which are enhanced in trans isomer, could explain this observation. For the rest of pyrethroids, cis isomer was enhanced because of the preference of trans isomer in the isomer-selective metabolization of most of organisms.
Regarding human exposure, breast milk samples from Brazil, Colombia and Spain were analyzed. All samples were positive in the pyrethroid determination analyses. Even when levels in general population seemed to be save, Acceptable Daily Intake values should be reconsidered for breastfed children.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Corcellas, 2017
Estudi dels insecticides Piretroides en mostres biològiques i humanes
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1208642024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Hernández Albors, Alejandro
2018-03-19T11:26:11Z
2018-03-22T23:01:27Z
2017-09-22
http://hdl.handle.net/2445/120864
http://hdl.handle.net/10803/462880
[spa] El desarrollo de biosensores para la determinación de biomarcadores de interés en el ámbito clínico es uno de los retos más importantes en el análisis de determinadas enfermedades, como las cardiovasculares. Por tanto hay una necesidad por parte del ámbito clínico de desarrollar herramientas que permitan realizar un diagnóstico y pronóstico de estas enfermedades de una manera rápida y eficaz. Además, teniendo en cuenta la portabilidad que pueden tener este tipo de dispositivos, podrían ser utilizados tanto a nivel de consultorio primario como en urgencias (dispositivos para el diagnóstico inmediato, PoC, point of care devices). Actualmente, los laboratorios centralizados usan instrumentos específicos para cada grupo de biomarcadores de la enfermedad a determinar, incrementando de esta forma el coste y el tiempo necesario para obtener un resultado. Existen evidencias de que es posible realizar un seguimiento del estado de salud y desarrollo de la enfermedad cardiovascular de un individuo mediante la monitorización de varios biomarcadores. En el caso de las enfermedades cardiovasculares, varios biomarcadores para el diagnóstico temprano o tardío han sido bien identificados, llegándose a conocer su cinética de liberación en aquellos que son indicadores de fallo cardíaco y necrosis miocárdica. En el transcurso de esta tesis doctoral, se han desarrollado anticuerpos específicos y diferentes herramientas de diagnóstico para la detección de un biomarcador prematuro de enfermedad coronaria, como es la Lipoproteína (a) (Lp(a)), y un biomarcador de etapas más avanzadas, la Troponina I Cardíaca (cTnI), claro indicador de infarto de miocardio y necrósis miocárdica. En el caso de ambas proteínas, se ha realizado un estudio en profundidad para conocer su estructura y todos los fenómenos relacionados con su inmunodetección. Finalmente, se ha conseguido producir anticuerpos específicos para cada uno de los biomarcadores y se han implementado en diferentes superficies sensoras. Para el caso de la cTnI se ha desarrollado un inmunosensor amperométrico que permite obtener un resultado fiable en tan solo 30 minutos, con una detectabilidad de 5 ng/mL. Del mismo modo, se ha desarrollado un inmunosensor potenciométrico combinando los anticuerpos producidos con distintos nanomateriales como partículas magnéticas y Quantum Dots. Para la Lp(a) se han desarrollado haptenos específicos y producido anticuerpos monoclonales de forma innovadora para la detección de este biomarcador. Del mismo modo, se ha demostrado la especificidad y validez de estos anticuerpos mediante técnicas tipo Western blot, indicando su viabilidad para el desarrollo de una herramienta de diagnóstico precoz para las ECVs.
[eng] The development of biosensors for the determination of biomarkers of interest in the clinical setting is one of the most important challenges in the analysis of certain diseases, such as cardiovascular diseases (CVDs). Therefore there is a need on the part of the clinical setting to develop tools that allow for a diagnosis and prognosis of these diseases quickly and efficiently. There is evidence that it is possible to track the status of health and development of cardiovascular disease in an individual by monitoring several biomarkers. In the case of CVDs, several biomarkers for the early or late diagnosis have been well identified. In the course of this dissertation, specific antibodies and different diagnostic tools for the detection of a biomarker of early stages of the coronary heart disease, such as lipoprotein (a) (Lp(a)), and a biomarker of more advanced stages, the cardiac troponin I (cTnI), a clear indicator of myocardial infarction and myocardial necrosis, have been developed. In both cases, an in- depth study to learn about the structure and all the phenomena related with their immunodetection, has been done. Finally, antibodies specific to each of the biomarkers have been successfully produced and these antibodies have been implemented in different sensing platforms. In the case of cTnI, considered as a golden biomarker for cardiovascular risk stratification, an amperometric immunosensor has been developed allowing a reliable result in only 30 minutes, with a detectability of 5 ng/mL. In the same way, a novel potentiometric immunosensor has been developed, combining succesfully the antibodies produced against this biomarker with different nanomaterials as magnetic particles and Quantum Dots In the case of Lipoprotein (a), a macromolecular complex found in human plasma that combines structural elements from the lipoprotein and blood clotting systems and that is associated with premature coronary heart disease and stroke, a broad new specific haptens have been developed and a set of monoclonal antibodies have been produced for the detection of Lp(a). The specificity and validity of these antibodies was established by Western blot techniques, indicating their viability for the development of a tool to diagnose and stretify the risk associated to CVDs.
spa
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by, (c) Hernández, 2017
Desarrollo de técnicas inmunoquímicas para la detección de biomarcadores cardíacos
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1208942024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Pont Villanueva, Laura
2018-03-20T11:02:22Z
2018-03-20T11:02:22Z
2017-07-14
http://hdl.handle.net/2445/120894
http://hdl.handle.net/10803/462905
[spa] Esta tesis doctoral se ha centrado en el desarrollo de metodologías analíticas adecuadas que permitan la separación, detección, caracterización e identificación de proteínas y metabolitos como biomarcadores de diferentes enfermedades o procesos patológicos. Concretamente, se ha centrado en el análisis de biomarcadores proteicos tales como la transtiretina (TTR), una proteína oligomérica con una gran tendencia a formar agregados amiloides y relacionada con la polineuropatía amiloidótica familiar tipo I (FAP-I), y el antígeno carcinoembrionario humano (CEA), una glicoproteína biomarcadora del cáncer de colon y de la metástasis de hígado (derivada del cáncer de colon). También se ha hecho especial énfasis en el estudio de biomarcadores metabólicos relacionados con la progresión de la enfermedad del Huntington, una enfermedad neurodegenerativa hereditaria caracterizada también por la formación de agregados amiloides. La dificultad de las metodologías empleadas para el análisis de biomarcadores proteicos y metabólicos reside principalmente en el tratamiento de muestra que se tiene que llevar a cabo para aislar y preconcentrar los compuestos de interés presentes en muestras biológicas complejas (tales como suero y plasma) y en la utilización de técnicas de separación y detección adecuadas que permitan la correcta caracterización de dichos biomarcadores. Por este motivo, se han empleado diferentes estrategias para el análisis dirigido (targeted analysis) y no dirigido (untargeted analysis, global profiling) de biomarcadores proteicos y metabólicos, así como para el análisis de proteínas mediante estrategias de top-down y bottom-up, cada una con sus ventajas e inconvenientes. También se han evaluado diferentes técnicas de separación de alta resolución miniaturizadas como la electroforesis capilar (CE), la cromatografía de líquidos capilar (CapLC) y la movilidad iónica (IM), todas ellas acopladas a la espectrometría de masas (CE-MS, CapLC- MS y IM-MS, respectivamente). En resumen, esta tesis doctoral presenta una visión global de las estrategias analíticas más utilizadas actualmente para el estudio de biomarcadores en el campo de la investigación proteómica y metabolómica, con el objetivo de poder diagnosticar, predecir un debut temprano y proponer nuevas dianas terapéuticas a diferentes enfermedades y procesos patológicos.
[eng] The present thesis is focused on the separation, detection and characterization of proteins, glycoproteins and metabolites in biological fluids that may be able to act as disease biomarkers. Specifically, it addresses the analysis of amyloidotic neurodegenerative and cancer biomarkers from different proteomics and metabolomics perspectives, depending on the analytical and the sample preparation strategies employed: (i) targeted or untargeted strategies and (ii) top-down or bottom-up strategies (only in the case of proteomics analysis). Furthermore, different microscale separation techniques, such as capillary electrophoresis (CE), capillary liquid chromatography (CapLC) and ion mobility spectrometry (IMS), all of them hyphenated to mass spectrometry (CE-MS, CapLC-MS and IM-MS, respectively) are evaluated for the analysis of different proteins and metabolites of interest.
Transthyretin (TTR) is a homotetrameric protein known to misfold and aggregate causing different types of amyloidosis. Familial amyloidotic polyneuropathy type I (FAP-I), which is the most common hereditary systemic amyloidosis, is associated with a TTR variant that presents a single amino acid substitution of valine for methionine at position 30 of the monomeric sequence (Met30). In this thesis, we describe different off-line and on-line immunoprecipitation (IP) procedures under denaturing and non-denaturing conditions for the isolation of TTR from healthy controls and FAP-I human serum samples prior analysis by CE- MS, CapLC-MS and IM-MS. The obtained results permit us to propose complementary and reliable methods to screen, diagnose, and follow-up patients with suspected TTR amyloidosis, as well as to gain a novel insight into the structural changes on TTR proteoforms or oligomers to understand the mechanism underlying FAP-I.
Huntington’s disease (HD) is also subject of study of this thesis. HD is an inherited neurodegenerative disorder caused by an expansion of the cytosine-adenine-guanine (CAG) repeat in the exon 1 of the huntingtin gene (HTT), which encodes a stretch of glutamines in the huntingtin protein that make it prone to form amyloid fibrils. However, the mechanisms involving aggregation onset or progression are not fully understand yet. Therefore, studies targeting metabolism as an alternative to the huntingtin protein are regarded as necessary. The present thesis describes the optimization of a plasma pretreatment for optimized recovery of low molecular mass compounds prior to on-line solid-phase extraction capillary electrophoresis mass spectrometry with a C18 chromatographic sorbent (C18-SPE-CE-MS), a novel sensitive method for on-line sample clean-up and concentration enhancement in metabolomics studies. Moreover, it presents the capacity of the C18-SPE-CE-MS methodology to analyze low molecular mass compounds in plasma samples from wild-type (wt) and HD mice in combination with advanced chemometric data analysis tools, such as multivariate curve resolution alternating least squares (MCR-ALS), principal component analysis (PCA) and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA), for the identification of potential metabolite biomarker candidates involved in HD progression, which could provide a window of opportunity for prediction of disease onset, evaluation of HD early progression and response to treatment.
Colorectal cancer (CRC) and liver metastatic disease are also studied in this thesis. Specifically, human carcinoembryonic antigen (CEA) is a highly N-glycosylated protein (60% m/m of glycans and 28 N-linked glycosylation sites) found in normal human colonic epithelial cells, as well as in tumor forming CRC cell lines. Despite the demonstrated usefulness of CEA as a biomarker for monitoring CRC and liver metastatic disease patients’ therapy, improvement in the selectivity of CEA detection remains a challenge for clinical tumor diagnosis. This thesis describes a multienzyme sheathless capillary electrophoresis tandem mass spectrometry (CE- MS/MS) strategy for the N-glycosylation analysis of CEA samples purified from human colon carcinoma and human liver metastases. The obtained results permit us to propose novel
potential N-glycopeptide markers, which could provide important biologic information on how N-glycosylation may influence CEA structure in CRC and liver metastatic disease.
spa
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Pont, 2017
Detección y caracterización de péptidos, proteínas y glicoproteínas como biomarcadores en fluidos biológicos. Aplicación al diagnóstico y seguimiento de diversas patologías
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1209382024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Rubirola, Adrià
2018-03-21T07:51:26Z
2018-09-26T05:10:27Z
2017-09-26
http://hdl.handle.net/2445/120938
http://hdl.handle.net/10803/462951
[cat] La Directiva de la Unió Europea 2013/39/UE, que modifica la Directiva Marc de l’Aigua (Directiva 2000/60/CE) i la Directiva 2008/105/CE, inclou un total de 45 substàncies prioritàries que cal regular. L’any 2015 es va publicar la Llista de vigilància (Decisió 2015/495) on s’inclouen fins a un total de 10 grups de substàncies que han de ser monitoritzades i estudiades com a pas previ a la seva possible futura inclusió en les revisions de la Directiva. L’augment del nombre de substàncies regulades en la legislació comporta que el Laboratori d’Aigües de Barcelona disposi de metodologia analítica que permeti el control dels compostos prioritaris. En aquesta tesi s’han optimitzat i validat metodologies d’anàlisi tipus multi-residu. Tan sols es proposa emprar un mètode diferenciat per a la determinació de les parafines clorades de cadena curta atesa la dificultat d’analitzar aquests compostos, utilitzant una extracció líquid-líquid, posterior clean-up i anàlisi per cromatografia de gasos i detecció de captura d’electrons. La incertesa obtinguda demostra que el mètode compleix els requeriments necessaris per ser utilitzat per a l’anàlisi de SCCPs en mostres d’aigua. Com a part de la validació, s’han comparat els resultats amb els obtinguts emprant espectrometria de masses amb ionització química negativa i els resultats obtinguts han estat satisfactoris. El primer mètode multi-residu utilitza microextracció líquid-líquid dispersiva i cromatografia de gasos acoblada a l’espectrometria de masses en tàndem i permet la determinació de 32 substàncies prioritàries (pesticides, PAHs i PBDEs). El segon es basa en una extracció en fase sòlida on-line i cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses en tàndem i permet la determinació de 24 substàncies prioritàries (fàrmacs, pesticides, hormones i fenols). Els dos mètodes desenvolupats són ràpids, exactes i precisos, i presenten uns límits de detecció baixos, que arriben a valors dels pocs ng/L, que permeten la detecció d’aquestes substàncies als nivells requerits per la legislació.
Els mètodes analítics s’han aplicat a la determinació de les substàncies orgàniques prioritàries en aigües de la conca hidrogràfica del riu Llobregat, inclosos els seus afluents més importants, i l’entrada de la planta potabilitzadora de Sant Joan Despí. Els resultats obtinguts en les mostres del riu Llobregat han posat de manifest la presència de determinades substàncies com alguns pesticides i diversos compostos farmacèutics que s’han detectat a concentracions d’entre els ng/L fins als pocs µg/L. El compost més abundant ha estat el diuró amb concentracions de fins als 1460 ng/L a la riera de Rubí. A l’aigua de la captació de la potabilitzadora de Sant Joan Despí, s’han
detectat per sobre el límit de quantificació fins a vuit substàncies prioritàries (terbutrina, diclofenac, clorpirifós, diuró, isoproturó, eritromicina, claritromicina, imidacloprid), a uns nivells de concentració que arriben fins als 105 ng/L pel diclofenac.
La darrera part d’aquesta tesi s’ha enfocat a estudiar el comportament de les substàncies identificades a l’aigua crua d’entrada, en els tractaments utilitzats en la potabilitzadora de Sant Joan Despí. En una primera fase s’ha estudiat la possible generació de subproductes en la dioxicloració en estudis duts a terme a escala laboratori i utilitzant cromatografia de líquids acoblada a espectrometria de masses d’alta resolució i han permès identificar diversos subproductes de la degradació de la eritromicina, claritromicina, clorpirifós i imidacloprid. Dos d’aquests subproductes, la anhidroeritromicina i la desmetil claritromicina s’han pogut identificar en mostres de la planta potabilitzadora. En una segona fase, s’ha avaluat l’eliminació de les substàncies detectades a l’aigua captada del riu Llobregat al llarg dels tractaments de la potabilitzadora. D’entre aquestes, només el diclofenac s’aconsegueix eliminar en una elevada proporció (>95%) en l’etapa de la dioxicloració mentre que les altres substàncies requereixen l’ozonització, l’adsorció sobre carbó actiu o la osmosi inversa per a la seva eliminació.
[eng] European Union adopted the Directive 2013/39/EU that included a total of 45 priority substances. More recently, the Decision 2015/495 was published listing 10 groups of substances that must be monitored and studied as a preliminary step to their possible future inclusion in the Directive. The increase in the number of substances regulated in the legislation implies that the Laboratory of Aigües de Barcelona needs to have available analytical methodology to control the organic priority compounds. In this thesis, multi-residue methodologies have been optimized and validated. The first multi- residue method uses dispersive liquid-liquid microextraction and gas chromatography coupled to tandem mass spectrometry and allows the determination of 32 priority substances (pesticides, PAH and PBDE). The second is based on on-line solid phase extraction and liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry and allows the determination of 24 priority substances (drugs, pesticides, hormones and phenols). Only short chain chlorinated paraffins required an independent analytical method due to the high number of compounds present in the mixtures. For their determination a method that use liquid-liquid extraction, clean-up and gas chromatography with electron capture detection is proposed.
The developed analytical methods have been applied for the determination of the organic priority substances in surface waters of the Llobregat River basin, including the intake of Sant Joan Despí drinking water treatment plant (DWTP). The results obtained showed that pesticides and pharmaceuticals are present in the samples from the Llobregat River at concentrations between ng/L and μg/L. Eight priority substances (terbutryn, diclofenac, chlorpyrifos, diuron, isoproturon, erythromycin, clarithromycin, imidacloprid) have been detected at the intake of DWTP up to 105 ng/L.
The last part of this thesis was focused to the study of the behavior of the substances identified in the raw water in the treatments used in the DWTP. As a first step, the generation of by-products during dioxychloration was evaluated in laboratory studies and using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry for the identification and some by-products of the degradation of erythromycin, clarithromycin, chlorpyrifos and imidacloprid were identified. In a second step, the removal of the substances detected in water collected from the Llobregat River during the treatment was evaluated. Diclofenac was oxidized (>95%) in the dioxychloration step while the other substances required ozonation, carbon filtration or reverse osmosis for their elimination.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Rubirola, 2017
Compostos orgànics regulats en la Directiva Marc de l'Aigua: presència en aigües residuals, superficials i potables
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1227082024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Corzo García, Beatriz
2018-06-01T08:08:54Z
2018-06-01T08:08:54Z
2018-05-11
http://hdl.handle.net/2445/122708
http://hdl.handle.net/10803/565820
[eng] Hybrid forward osmosis (FO) processes such as forward osmosis with membrane bioreactors (FO-MBR), electrodialysis (FO-ED), nanofiltration (FO-NF) or reverse osmosis (FO-RO) present promising technologies for wastewater reuse in agriculture. Their niche of application can be found when dealing with high-salinity wastewater in water stress situations, when the removal of trace organics or boron is targeted due to the multibarrier concept, or when water with high fouling potential is compulsory to treat, among other uses. In this case, one of these emerging technologies, FO-NF treatment has been studied at long-term with the aim of evaluating this technology at demonstration scale for irrigation purposes.
In order to design the definitive pilot demonstration plant, an intensive evaluation of draw solutions (DS) was performed by focusing on the wastewater reuse applications of hybrid forward osmosis (FO) processes. The substances studied were potassium formate, potassium phosphate, magnesium sulphate, sodium chloride, sodium polyacrylate and polyethylene glycol, and their osmotic pressure, conductivity, pH, thermostability, sunlight exposure, toxicity, FO filtration performance and replenishment costs were determined. Based on these characteristics, three DS, sodium polyacrylate, magnesium sulphate and potassium phosphate, were selected as the most interesting to be evaluated in the demonstration plant. The results also revealed that the most relevant DS properties for wastewater reuse under the studied conditions were the DS regeneration method, DS replacement price, pH adjustment and toxicity. These properties were shown to be more relevant than filtration flux when a maximum DS osmotic pressure value of 10 bar was used, establishing this pressure as the limit for efficient DS recovery. Thus, prioritizing energy consumption, NF 270 4040 from Filmtec (Dow Chemical), were selected as the most suitable recovery nanofiltration (NF) membrane; because they offered the best relationship permeate flow/feed pressure with an adequate rejection. Additionally, to select the most suitable FO membrane, five commercially available FO membrane modules were evaluated and compared, where thin-film composite (TFC) flat sheet membranes from Porifera showed the highest flux and the highest salt rejection, and the lowest permeability and salt rejection values were presented by cellulose triacetate (CTA) hollow fibre membranes from Toyobo.
Based on the information obtained, a FO/NF demonstration plant was constructed next to the wastewater treatment plant (WWTP) in San Pedro del Pinatar, in the region of Murcia (Spain). This plant represented the world’s first FO demonstration plant for municipal wastewater reclamation to be evaluated for agricultural purposes. The plant was operated treating 3 m3 h-1 of real wastewater with an average salinity of 3-5 mS
cm-1 and 1.5 mg L-1 of boron in continuous mode for 480 days. Two of the three DS that had been previously selected (sodium polyacrylate and magnesium sulphate) were evaluated in different periods of experimentation. In a later study, magnesium chloride was catalogued as a DS with great potential to achieve economical expenses during the whole operation. The operation with sodium polyacrylate led to reversible fouling on the FO and NF membranes and the permeate was not suitable for irrigation. Although the permeate quality obtained was acceptable using magnesium sulphate as DS, this generated severe irreversible fouling on NF membranes and therefore, it was discarded. Finally, magnesium chloride showed the best performance, with FO-NF membranes presenting a stable permeability and low membrane fouling during long-
term operation. The FO-NF permeate showed high quality for irrigation, achieving a conductivity value of 1 mS cm-1, a boron concentration below 0.4 mg L-1 and an average sodium adsorption ratio (SAR) of 1.98 (mequ L-1)0.5.
[spa] La ósmosis directa (OD) utiliza los principios de la ósmosis para desalinizar agua. El proceso de ósmosis directa utiliza un fluido denominado solución extractora a partir del cual se extrae agua de la fuente principal a través de una membrana semipermeable, aprovechando las diferencias de presión osmótica. Este proceso tiene la desventaja de que no genera agua de alta calidad en una sola etapa debido a que el agua producto se mezcla con el agente osmótico de la solución extractora. Así, se debe prever un sistema de separación del agente extractor para obtener el agua deseada, lo que se denomina sistema híbrido.
Durante la tesis doctoral se estudió un sistema híbrido OD-Nanofiltración a escala piloto, demostrando que el proceso híbrido OD-NF es una tecnología con baja propensión al ensuciamiento, que puede lograr un permeado estable y de alta calidad para la reutilización de aguas residuales en una operación a largo plazo. Sin embargo, el consumo energético y del agente extractor es relevante.
La falta de módulos de membrana de OD optimizados y disponibles en el mercado sigue siendo la principal limitación para la aplicación del proceso de OD a gran escala. En un futuro cercano, se espera que este proceso emergente se vuelva más sostenible y competitivo para el caso de uso estudiado en esta tesis.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Corzo, 2018
Forward osmosis application for water reuse
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1233112024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Navarro Reig, Meritxell
2018-07-02T10:02:06Z
2018-11-07T06:10:28Z
2018-05-07
http://hdl.handle.net/2445/123311
http://hdl.handle.net/10803/586090
[cat] Les mostres analitzades en els estudis de metabolòmica ambiental presenten una elevada complexitat per la gran quantitat d’informació bioquímica que contenen, especialment, en el cas d’estudis no dirigits. En aquests estudis és necessari l’ús de tècniques analítiques d’alt rendiment com, per exemple, la cromatografia de líquids acoblada a espectrometria de masses (LC-MS), les quals permeten analitzar els canvis en la concentració dels metabòlits en diferents tipus de mostres. D’aquesta forma es generen grans conjunts de dades multivariants (amb desenes de mostres i milers de variables), els quals requereixen l’aplicació d’eines quimiomètriques d’anàlisi de dades per tal d’extreure la informació d’interès. En aquesta Tesi s’han desenvolupat i aplicat nous mètodes d’anàlisi basats en tècniques de cromatografia de líquids uni- i bidimensional acoblada a espectrometria de masses, conjuntament amb noves estratègies d’anàlisi multivariant de dades que permeten extreure la màxima informació bioquímica en estudis de metabolòmica no dirigida d’organismes vegetals. En un estudi metabolòmic no dirigit, els reptes analítics i quimiomètrics més importants són: l’anàlisi instrumental exhaustiva del màxim nombre de metabòlits presents a les mostres, l’anàlisi quimiomètrica de les dades experimentals generades i la identificació i quantificació dels metabòlits resolts, especialment d’aquells que mostren canvis importants en la seva concentració degut a l’estímul o estrès aplicat sobre les mostres analitzades. En aquesta Tesi s’han avaluat i proposat diverses estratègies i eines que poden resultar útils per solucionar els reptes existents en aquestes etapes. S’ha estudiat per exemple la influència que poden tenir diferents factors experimentals en la separació dels metabòlits mitjançant cromatografia d’interacció hidrofílica (HILIC) com ara el tipus de fase estacionària, el pH i la força iònica de la fase mòbil. Els resultats obtinguts han demostrat que els factors més importants són el tipus de fase estacionària HILIC i el pH de la fase mòbil. Concretament, en l’estudi dels diferents tipus de fase estacionària s’ha determinat que les fases amida i zwitteriònica són les que proporcionen millors resultats per a l’anàlisi de metabòlits polars. D’altra banda, s’han comparat dues estratègies de tractament de dades de metabolòmica no dirigida: l’estratègia de referència en el camp basada en la utilització del programa XCMS, i la que s’ha proposat en aquesta Tesi, que es basa en el mètode quimiomètric de resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS). Els dos procediments han proporcionat resultats similars i, en conseqüència, tots dos resulten apropiats pel tractament de dades de metabolòmica no dirigida. Però cal destacar que el procediment basat en MCR-ALS és més robust ja que s’ha pogut aplicar a una varietat major de dades experimentals. S’ha proposat també l’ús de models de relació quantitativa estructura-retenció (QSRR) que han permès relacionar l’estructura dels metabòlits amb el seu temps de retenció observat experimentalment. Els resultats obtinguts demostren que l’aplicació de models QSRR pot ser una eina a considerar per a la identificació dels metabòlits, ja que redueix el nombre de possibles candidats i en facilita la seva confirmació. La complexitat de les mostres analitzades en els estudis metabolòmics sovint excedeix els límits de capacitat de pic aconseguits per la cromatografia de líquids unidimensional. Per aquest motiu, la cromatografia de líquids bidimensional exhaustiva (LC×LC) es presenta com una bona tècnica alternativa que permet ampliar la capacitat de separació de mescles molt complexes, com ara les d’extractes de metabòlits de mostres biològiques. S’ha avaluat l’estructura de les dades obtingudes a partir de l’aplicació de LC×LC-MS, i la seva possible modelització. Els resultats obtinguts han mostrat que, en general, el model de MCR-ALS bilineal és el més indicat per a l’anàlisi d’aquest tipus de dades. S’ha estudiat també el possible ús del procediment ROIMCR (compressió de les dades per cerca de regions d’interès [ROIs] seguida d’una resolució mitjançant MCR-ALS) per a estudis de metabolòmica no dirigida mitjançant de LC×LC-MS. Els resultats han mostrat que la combinació de les tècniques de separació multidimensional i dels mètodes quimiomètrics de resolució és adequada en estudis metabolòmics, ja que permet resoldre i identificar un nombre molt elevat de metabòlits i lípids en una sola anàlisi. Finalment, s’ha investigat la influència de diferents factors estressants ambientals sobre el metaboloma d’un organisme vegetal model com l’arròs (Oryza sativa L.). Els factors estressants ambientals estudiats han estat abiòtics, com ara, l’estrès hídric, l’augment de la temperatura i la presència de metalls pesants (Cd, Cu i As) contaminants al sòl. Els resultats obtinguts han demostrat que els tres factors ambientals avaluats afecten de forma significativa el metaboloma de l’arròs durant el seu creixement. Els espectres de masses resolts s’han utilitzat per a la identificació dels metabòlits i lípids de les mostres biològiques analitzades. La interpretació biològica dels canvis de concentració dels metabòlits i lípids identificats han demostrat que la contaminació per metalls pesants ocasiona una disminució del creixement i de l’activitat fotosintètica de la planta, i que s’indueix un mecanisme de desintoxicació que permet disminuir el dany cel·lular. S’ha demostrat també que els increments de temperatura i d’estrès hídric provoquen un reajustament important del grau d’insaturació dels lípids de les cèl·lules de l’arròs, el qual permet millorar de forma considerable la fluïdesa de les membranes cel·lulars.
[eng] In environmental metabolomic studies, the analysed samples are highly complex due to the great amount of biochemical information contained therein, especially in the case of non-targeted studies. In these studies, it is necessary to use high-throughput analytical methodologies, such as liquid chromatography coupled with mass spectrometry (LC-MS), which allow analysing the concentration changes of metabolites among different types of samples. Multivariate datasets (with dozens of samples and thousands of variables) are generated in order to retrieve the information of interest. These huge datasets required the application of chemometric tools during the data treatment. In this Thesis, new analytical methods based on mono- and two-dimensional liquid chromatography coupled with mass spectrometry, combined with new multivariate data analysis strategies, have been developed and applied to obtain the major biochemical information in non-targeted metabolomic studies of vegetal organisms. In a non-targeted metabolomic study, the most important analytical and chemometric challenges are: instrumental analysis of metabolites, chemometric analysis of the experimental generated data and identification of metabolites, especially of those that show significant changes in their concentration due to the stress applied to the analysed samples. In this Thesis, different tools and strategies that can help to overcome these challenges have been proposed and assessed. For instance, the influence of different experimental factors in the separation of metabolites by hydrophilic chromatographic interaction (HILIC), such as the type of stationary phase, the pH and the ionic strength of the mobile phase, has been studied. The obtained results have shown that the most important factors are the type of stationary phase and the pH of the mobile phase. Specifically, in the comparison of different stationary phases, the amide and zwitterionic phases have been determined to provide better results for the analysis of polar metabolites. On the other hand, two data treatment strategies for non-targeted metabolomics data have been compared: the approach based on the XCMS software (which is the standard strategy in the metabolomics field) and the approach based on the multivariate curve resolution by alternating least squares (MCR-ALS) method (which has been proposed in the presented Thesis). Both procedures have provided similar results, and consequently, both are appropriate for the treatment of non-targeted metabolomic data. The MCR-ALS based procedure is more robust since it has been applied to a greater variety of experimental data. Moreover, the use of quantitative structure-retention relationship (QSRR) models, which have been able to relate the structure of the metabolites with their experimentally observed retention time, has also been proposed. The obtained results showed that the applications of QSRR models can be a useful tool for the identification of metabolites since it reduces the number of possible candidates and facilitates their confirmation. The complexity of the samples analysed in metabolomics studies often exceed the limits of peak capacity achievable by one-dimensional liquid chromatography. For this reason, comprehensive two- dimensional liquid chromatography (LC×LC) appears as a good alternative that increases the separation capacities of highly complex samples, such as extracts of metabolites from biological samples. The structure of the data obtained from LC×LC-MS analysis and its possible modelling have been evaluated. The obtained results have shown that generally, the MCR-ALS bilinear model is the most suitable for the analysis of this type of data. The use of ROIMCR data treatment approach (data compression by the search of regions of interest [ROI] and data resolution using MCR-ALS) in non-targeted metabolomics studies using LC×LC-MS has been studied. Results have shown that the combination of multidimensional separation techniques and chemometric methods is properly adequate in non-targeted metabolomic studies, since it allows the resolution and identification of a great number of metabolites in a single analysis. Finally, the effect of different environmental stressors on the metabolome of a vegetal model organism such as rice (Oryza sativa L.) has been investigated. The studied environmental stressors have been abiotic, such as hydric stress, temperature alterations and heavy metal (Cd, Cu and As) pollution. The obtained results have demonstrated that the three evaluated environmental factors significantly alter the rice metabolome. The resolved mass spectra have been used to identify the lipids and metabolites contained in the analysed rice samples. The biological interpretation of concentration changes of the identified lipids and metabolites have shown on the one hand that heavy metal pollution causes a decrease in growth and photosynthetic activity of the plant, and also it induces a detoxification mechanism that reduces cell damage. On the other hand, it has also been demonstrated that increases in temperature and hydric stress causes an important readjustment of the unsaturation degree of lipids in rice cells, which improve the fluidity of cell membranes.
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-sa, (c) Navarro, 2018
Estratègies cromatogràfiques i quimiomètriques per a estudis de metabolòmica no dirigida en arròs (Oryza sativa L.)
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1251812024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Ortiz Villanueva, Elena
2018-10-09T10:36:17Z
2018-10-09T10:36:17Z
2018-09-25
http://hdl.handle.net/2445/125181
http://hdl.handle.net/10803/663061
[cat] L’aplicació de tecnologies transcriptòmiques i metabolòmiques en estudis no dirigits té com a principal objectiu la caracterització global (funcional i estructural) dels transcrits de mRNA i dels metabòlits, respectivament, que conformen els sistemes biològics. En el camp mediambiental, aquestes dues aproximacions òmiques permeten avaluar i comparar els nivells d’aquestes molècules en els organismes vius en resposta a diferents estímuls o variacions en les condicions ambientals. D’aquesta manera, ambdues ciències proporcionen coneixement de les interaccions dels sistemes biològics amb el seu entorn a nivell molecular. En els estudis òmics no dirigits són imprescindibles les tècniques analítiques d’alt rendiment com la seqüenciació de RNA (RNA-Seq) i les tècniques de separació acoblades a l’espectrometria de masses, com per exemple la cromatografia de líquids i l’electroforesi capil·lar acoblades a l’espectrometria de masses (LC-MS i CE-MS, respectivament). Ara bé, els grans conjunts de dades generats en aquests estudis són complexos i fan necessari el desenvolupament i l’aplicació de mètodes estadístics i quimiomètrics multivariants d’anàlisi de dades, els quals permetin extreure la informació biològica rellevant i facilitar-ne la seva interpretació. Aquesta Tesi s’ha centrat especialment en el desenvolupament de mètodes analítics i quimiomètrics que puguin ser útils en aquests tipus estudis i en la seva aplicació en diversos casos d’interès ambiental i toxicològic on es pren el peix zebra com a organisme model.
D’una banda, s’ha treballat en el desenvolupament i optimització de mètodes analítics de LC-MS i CE-MS i de tractament de dades multivariants per a estudis de metabolòmica no dirigida. S’ha avaluat la influència de diferents factors experimentals en la separació de metabòlits mitjançant la cromatografia de líquids d'interacció hidrofílica (HILIC) (per exemple, la fase estacionària, el pH, la força iònica i el modificador orgànic). També, s’han optimitzat les condicions experimentals per a l’anàlisi metabolòmica no dirigida mitjançant la tècnica de CE-MS. D’altra banda, s’han presentat diferents estratègies de tractament de dades metabolòmiques no dirigides basades en la resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS), les quals permeten la detecció i la identificació dels metabòlits de les dades de LC-MS i CE-MS. Finalment, s’ha aplicat la compressió
de les dades de cerca de regions d’interès (ROI) i la resolució per MCR-ALS (mètode ROIMCR) per a l’estudi simultani o fusió de conjunts de dades que provenen de diferents plataformes de MS. La idoneïtat de totes aquestes metodologies analítiques i quimiomètriques s’ha demostrat en estudis comparatius dels perfils metabòlics de mostres de llevat (Saccharomyces cerevisiae) en diferents condicions de creixement estressants.
Un segon aspecte d’aquesta Tesi ha estat l’aplicació de les metodologies prèviament proposades en la investigació dels possibles efectes de diferents compostos disruptors endocrins, com ara el bisfenol A (BPA), el sulfonat de perfluorooctà (PFOS) i el tributilestany (TBT), en embrions de peix zebra (Danio rerio). En concret, s’ha detectat que els tres contaminants produeixen importants alteracions en el metabolisme dels embrions, produint efectes tòxics, estrès oxidatiu i alteracions en la proliferació cel·lular, a més d’efectes específics en vies de senyalització. Addicionalment, s’han postulat noves hipòtesis sobre els efectes toxicològics i morfològics adversos d’aquests compostos químics. En el cas del BPA s’ha realitzat, a més, un estudi transcriptòmic no dirigit de seqüenciació de RNA (RNA-Seq), que ha permès obtenir informació addicional a l’extreta a nivell metabolòmic, la qual cosa permet una comprensió més global i conjunta del mecanisme d’acció del BPA en el metabolisme dels embrions.
[eng] The application of transcriptomic and metabolomic technologies in non-targeted studies is primarily based on the global (functional and structural) characterization of mRNA transcripts and metabolites, respectively, in biological systems. In the environmental field, these two omic approaches aim at the evaluation and comparison of the abundances of these molecules in biological organisms in response to external stimuli. In this way, both omic sciences provide knowledge about the interactions of the biological systems with their environments at the molecular level. Non-targeted transcriptomics and metabolomics have progressed due to advances in high-performance analytical techniques, such as RNA-sequencing (RNA-Seq) and separation techniques coupled with mass spectrometry (e.g., liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS; and capillary electrophoresis-mass spectrometry, CE- MS). However, datasets generated in these studies are large and complex. Therefore, the development and application of multivariate chemometric data analysis methods are mandatory to extract the relevant information and achieve a reliable biological interpretation.
The first half of this thesis focuses on the development and optimization of LC-MS and CE-MS methodologies in combination with advanced chemometric tools for non-targeted metabolomic studies. Firstly, the influence of different experimental factors in the separation of metabolites by hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC), such as the type of stationary phase, the organic modifier and the pH and the ionic strength of the mobile phase, was evaluated. Also, the experimental conditions for a non-targeted metabolomic analysis using CE-MS technique were optimized. Secondly, different data treatment strategies based on the use of multivariate curve resolution by alternating least squares (MCR-ALS) for the detection and identification of the metabolites from non-targeted LC-MS and CE-MS metabolomics data were presented. Finally, the search of the regions of interest (ROI) data compression in combination with MCR-ALS resolution (so-called ROIMCR method) was applied for the simultaneous study or fusion of datasets from different MS platforms. The suitability of all these analytical and chemometric methodologies was
shown in comparative studies of the metabolic profiles of yeast (Saccharomyces cerevisiae) samples under different growth stressors.
The second half of this thesis deals with the application of the previously proposed methodologies in the investigation of the effects of different endocrine disrupting compounds (e.g., bisphenol A, BPA; perfluorooctane sulfonate, PFOS; and tributyltin, TBT) on zebrafish (Danio rerio) embryos. These three pollutants produced important alterations on embryo metabolism, causing toxic effects, oxidative stress and alterations in cell proliferation, as well as specific effects in signaling pathways. Additionally, new hypotheses were postulated on the adverse toxicological and morphological effects of these chemical compounds. In order to extract more information about BPA effects on the exposed embryos, a non-targeted transcriptomic approach based on RNA-Seq was performed. Overall, the combination of the knowledge coming from both omic levels allowed a global understanding of the mechanism of action of BPA on embryo metabolism.
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-sa, (c) Ortiz, 2018
Avaluació dels efectes de factors ambientals en organismes model mitjançant metodologies òmiques i quimiomètriques
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1261642024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Benabou Zdaou, Sanae
2018-11-16T08:45:50Z
2019-10-31T06:10:13Z
2018-10-31
http://hdl.handle.net/2445/126164
http://hdl.handle.net/10803/663796
[eng] The i-motif is a DNA structure formed by cytosine-rich sequences that consists of parallel- stranded duplexes held together by intercalated base pairs. The in vitro formation of this structure in DNA sequences corresponding to the promoter regions of several oncogenes, such as c-kit, c-myc or bcl-2, has been demonstrated. Recently, the first direct evidence for its in vivo presence in human cells and control regulatory functions has been proven. This structure is not only interesting from a biophysical and biomedical point of view, but also for their potential application in Analytical Chemistry or Nanotechnology.
The present Doctoral Thesis deals with the application of analytical and chemometric methodologies to study complex bioanalytical processes involving DNA i-motif structures. The sequences studied correspond to those found at cytosine-rich regions found near the promoter regions of the nmyc and SMARCA4 genes. On the one hand, the stability of the i- motif structures formed by these sequences according to variations of pH, temperature, ionic strength, or presence of ligands in steady-state conditions has been studied. On the other hand, the potential of ultrafast spectroscopies for the study of fast kinetic processes triggered by light has been evaluated. Through the Thesis, curve resolution methods, either based on soft-, hard- or hybrid-modelling have been used extensively to model the biochemical processes of interest.
The steady-state studies have demonstrated that the stability against pH or temperature variations of the three different kinds of cytosine-rich sequences mentioned above is strongly dependent on the number of the C·C+ base pairs, but also on the contribution of other factors, such as the base composition and length of the loops and the presence of additional stabilising structures (hairpins) in the DNA sequence. The studies performed at ultrafast time scales have revealed that the photochemical process induced by UV-lamp irradiation and monitored by rapid-scan FTIR involves the formation of dimeric photoproducts in folded and unfolded sequences. The study of processes monitored by time-resolved fluorescence in the scale of picoseconds has shown that i-motif relaxation is detected by the presence of fast lifetimes in the pH range between 4 and 6, associated with intrinsic conformational changes at the fluorescent site. In this last study, one or two
different i-motif structures have been detected in the nmyc and in the shortest DNA sequences studied, respectively.
Finally, the application of multivariate resolution methods, based either on hard- or soft- modelling, has allowed the recovery of valuable chemical information from evolutionary processes of DNA. Besides, the adaptation and application of hybrid hard- and soft- modelling has been shown to be a useful approach to detect intermediate temperature- dependent conformational transitions and to avoid the effect of baseline drifts in the estimation of the melting temperature, as well to retrieve rate constants from the kinetic information present in rapid-scan FTIR difference spectra.
[cat] La estructura de l’ADN coneguda com “i-motif” es forma en seqüències riques en bases citosina (C). L’esquelet de l’i-motif està format per parells de bases C·C+ intercalats i estabilitzats per ponts d’hidrogen. S'ha demostrat la formació in vitro d'aquesta estructura en seqüències d'ADN corresponents a les regions promotores de diversos oncògens, com el c-kit, el c-myc o el bcl-2. Recentment, s'ha demostrat la primera evidència de la seva presència in vivo.
La present Tesi Doctoral tracta de l'aplicació de metodologies analítiques i quimiomètriques per estudiar processos bioanalítics complexos que en els que intervenen aquestes estructures. Les seqüències estudiades corresponen a les regions promotores dels gens nmyc i SMARCA4. D'una banda, s'ha estudiat l'estabilitat de les estructures formades per aquestes seqüències segons variacions de pH, temperatura, força iònica o presència de lligands en condicions d'estat estacionari. D'altra banda, s'ha avaluat el potencial d'espectroscòpia ultraràpida per a l'estudi de processos cinètics ràpids provocats per la llum. Al llarg de la Tesi, els mètodes de resolució multivariant, ja sigui basats en models flexibles, rígids o híbrids, s'han utilitzat àmpliament per modelitzar els processos d'interès.
Els estudis d'estat estacionari han demostrat que l'estabilitat davant el pH o les variacions de temperatura de les tres diferents seqüències riques en citosina esmentades anteriorment depèn molt del nombre de parells de bases de C·C+, però també de la contribució d'altres factors, com ara la composició de la base i la longitud dels bucles. A partir d'estudis ultraràpids, el procés fotoquímic induït per la irradiació de llum UV i l'IR d'escaneig ràpid s'ha relacionat amb la formació de fotoproductes dimèrics en seqüències plegades i desplegades. L'estudi dels processos seguits mitjançant fluorescència resolta en el temps ha demostrat l’existència de més d’una espècie associada amb l’estructura i-motif en el cas de les seqüencies curtes.
Finalment, l'aplicació de mètodes de resolució multivariant, basats tant en models rígids o flexibles, han permès extreure informació química valuosa dels processos evolutius de l'ADN. A més, s'ha demostrat que l'adaptació i l'aplicació del modelatge híbrid ha permet calcular les constants cinètiques i detectar transicions dependents de la temperatura.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Benabou, 2018
Application of analytical and chemometric methodologies to study complex bioanalytical processes involving DNA i-motif structures
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1261652024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Olmos Peñarroja, Víctor
2018-11-16T09:12:50Z
2019-10-26T05:10:11Z
2018-10-26
http://hdl.handle.net/2445/126165
http://hdl.handle.net/10803/663798
[cat] L’òmica ambiental estudia canvis ocasionats en un organisme viu per variacions físiques o químiques en el seu entorn i pretén avaluar el seu impacte i identificar marcadors biològics que caracteritzin l’estat biològic causat per aquestes variacions. La metabolòmica ambiental va sovint associada a la utilització de tècniques de separació acoblades a espectrometria de masses per gestionar adequadament la complexitat de les mostres. En aquesta tesi s’ha estudiat el potencial de tècniques d’espectroscòpia i d’imatge hiperespectral (HSI) com una nova aproximació als estudis de metabolòmica ambiental. En l’anàlisi de mostres biològiques complexes mitjançant espectroscòpia, les signatures espectrals contenen informació de moltes molècules simultàniament, és a dir, l’empremta espectral de les mostres proporciona informació global sobre la mostra estudiada. Les HSI proporcionen informació química i, a més, espacial sobre les mostres, cosa que permet diferenciar i interpretar la complexitat i heterogeneïtat dels teixits biològics. La utilització d’HSI en òmica ambiental no és comú i això fa necessària la creació d’estratègies per interpretar la informació que proporcionen.
L’objectiu principal d’aquesta tesi és el desenvolupament de protocols i estratègies per tractar i interpretar la informació procedent de mesures espectroscòpiques i d’HSI en estudis d’òmica ambiental. Seguint aquesta orientació, s’han proposat estratègies de preprocessat per millorar la identificació de marcadors espectrals, s’ha proposat un protocol per caracteritzar poblacions de mostres biològiques mitjançant HSI i el mètode de resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS) i s’ha proposat una estratègia per incorporar la informació d’HSI en mètodes d’anàlisi estadística per comparar poblacions de mostres biològiques i avaluar l’efecte d’estressants ambientals.
Per millorar la identificació de marcadors espectrals, s’han estudiat combinacions d’escalat i normalització per diferenciar diferents poblacions biològiques mitjançant el mètode de regressió parcial per mínims quadrats amb anàlisi discriminant (PLS-DA). Concretament, s’han comparat les poblacions de
cèl·lules de càncer de pròstata control i contaminades amb el pesticida aldrin. S’ha estudiat l’efecte dels preprocessats quant a la qualitat dels models de classificació i a la identificació de biomarcadors fiables. També s’ha proposat un mètode d’escalat per millorar la classificació, que combinat amb la normalització euclidiana, ha proporcionat els millors resultats de classificació i detecció de biomarcadors.
D’altra banda, s’ha proposat una metodologia per caracteritzar poblacions biològiques mitjançant HSI i MCR-ALS. A tall d’exemple, s’han utilitzat imatges de crioseccions d’embrions de peix zebra. L’anàlisi mitjançant MCR-ALS proporciona l’espectre pur i el mapa de distribució sobre la superfície de la mostra per als components del teixit estudiat. Cal destacar el disseny d’estructures multiconjunt per millorar la modelització de contribucions biològiques i no biològiques del senyal i l’ús de la restricció de correspondència d’espècies per descriure millor la variabilitat associada a les HSI de diferents individus i crioseccions.
Finalment, s’ha proposat una estratègia per incorporar informació de l’anàlisi d’HSI mitjançant MCR-ALS en mètodes d’anàlisi estadística, com PLS-DA i ANOVA-anàlisi simultània de components (ASCA), en estudis d’òmica ambiental. En aquests estudis, s’ha avaluat l’efecte del pesticida clorpirifos-oxon (CPO) sobre teixits de l’ull d’embrions de peix zebra. PLS-DA s’ha utilitzat per comparar una població control amb una contaminada amb CPO per avaluar l’efecte del contaminant i els biomarcadors espectrals associats. D’altra banda, ASCA ha proporcionat models estadístics més complexos per a l’estudi de l’efecte del temps d’exposició al CPO sobre diferents fenotips del peix zebra i avaluar l’efecte d’aquests dos factors i de la interacció entre ells. El major avantatge de l’estratègia proposada que combina HSI, MCR-ALS i PLS-DA o ASCA és que permet construir models d’anàlisi estadística específics per a l’estudi de cadascun dels components biològics de les poblacions, que avaluen i interpreten els efectes dels factors estudiats més detalladament i s’adapten a l’heterogeneïtat dels teixits biològics.
[eng] The main objective of environmental metabolomics is the assessment of the effect of environmental stressors on living organisms and the identification of possible biomarkers related to this effect. In this thesis, new analytical approaches based on the use of vibrational spectroscopy and hyperspectral imaging (HSI) in environmental metabolomics studies are proposed. Vibrational spectroscopy and, recently, HSI, is often used in biological sample characterization, but it is not common in metabolomic studies. For this reason, the development of analytical and chemometric strategies oriented to handle information provided by this kind of measurements is required.
The main objective of this thesis is providing analytical strategies and data analysis protocols to interpret the information contained in spectroscopic data and HSI associated with environmental omics studies. Following this motivation, several aspects have been addressed, such as the proposal of preprocessing treatments for the reliable selection of spectroscopic biomarkers, a protocol to characterize biological populations by HSI and multivariate curve resolution-alternating least squares (MCR-ALS) and the proposal of a strategy to incorporate the information from the MCR-ALS analysis of HSI into statistical tools for comparison of biological populations.
In order to improve biomarker selection, several scaling and normalization preprocessing methods have been tested on Raman spectra from control and contaminated cell samples analyzed using the classification method partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). A scaling method oriented to improve classification and biomarkers identification has been proposed.
A tutorial for the characterization of biological samples by HSI and MCR-ALS has been presented. The use of multiset structures of several images from different individuals and dedicated constraints to span the variability of biological populations provides more reliable spectral signatures and distribution maps of the different tissues in the samples. Zebrafish embryos were used as model organism.
For a better assessment of the environmental stressor effects on biological populations using HSI, a strategy to submit HSI information to statistical analysis methods, such as PLS-DA or ANOVA-simultaneous component analysis (ASCA), has been proposed. The strategy proposed uses tissue spectroscopic fingerprints resolved by MCR-ALS and provides tissue-specific statistical models for a more detailed description of the environmental stressor effects.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Olmos, 2018
Disseny de protocols metodològics per a estudis d’òmica ambiental basats en l’ús d’imatges hiperespectrals i mètodes quimiomètrics
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1276092024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Cárdenas Youngs, Gina Mabel
2019-01-25T10:45:18Z
2019-01-25T10:45:18Z
2018-12-13
http://hdl.handle.net/2445/127609
http://hdl.handle.net/10803/665150
[spa] Esta tesis trata sobre el estudio del comportamiento de sorción de un grupo de fluoroquinolonas (Danofloxacina DAN, Difloxacina DIF, Enrofloxacina ENR, Marbofloxacina MAR, Sarafloxacina SAR) en suelos agrícolas. Los suelos han sido elegidos de tal forma que poseen una amplia variedad de características fisico-químicas, a fin de que el estudio sea representativo. La parte experimental de la tesis ha consistido, por un lado, en la realización de estudios de sorción en suelos y en mezclas suelo/biochar, y, por otra parte, en la determinación de los coeficientes de partición octanol/agua y de las constantes de disociación ácida a este grupo de fluoroquinolonas. Para los estudios de sorción, primeramente, se han obtenido los perfiles cromatográficos de los suelos, a fin de asegurarnos de la ausencia de los analitos a investigar en cada una de las matrices. Seguidamente, se han determinado los tiempos necesarios para que la sorción en la fase suelo/agua llegue al equilibrio, luego de lo cual se procedió a obtener las isotermas de sorción para cada suelo, de un total de catorce, con cada fluoroquinolona, mediante el método de equilibrio en “batch” descrita en la prueba 106. Sorción-Desorción publicado por el OECD (Organisation for Economic Cooperation and Development). Una vez obtenidas las isotermas, se ajustaron las mismas a las ecuaciones de los modelos de Freundlich y Langmuir utilizando el análisis por mínimos cuadrados no lineales. Luego, con el fin de conseguir aquella isoterma que mejor describiera el comportamiento de sorción, se aplicó el software ISOT_CALC y la herramienta macro Solver de Microsoft Excell. En esta etapa, la mayoría de las isotermas fueron mejor definidas por el modelo de Freundlich, lo cual se midió mediante el cálculo de la función Unitaria U de error cuadrático. La isoterma que exhibió el menor valor en esta función, es la que corresponde al mejor ajuste. De las isotermas, a partir de la relación entre las concentraciones en equilibrio del analito en la fase acuosa y en el suelo, fue posible calcular los coeficientes de sorción de las fluoroquinolonas en cada suelo, a las concentraciones que nos interesaban. A partir de estos coeficientes y de las características fisicoquímicas de los suelos, realizamos la correlación de todas las variables, mediante la utilización del Análisis por Componentes Principales PCA y, por último, predecimos el comportamiento de sorción de los analitos, a través del análisis de Regresión por Mínimos Cuadrados Parciales PLSR. Del PCA es posible afirmar que el pH, la Kd, la capacidad de intercambio catiónico CEC y el contenido de materia orgánica OC, son las variables que más influyen en el comportamiento de sorción de las fluoroquinolonas en los suelos estudiados. Y los que menos influyen son los contenidos de arena, limo y arcilla. En cuanto a los modelos de predicción PLSR, el que obtuvo el mejor coeficiente de correlación entre los valores experimentales y predichos ha sido el modelo de la ENR (0,989), seguido por el modelo de la MAR (0.9675), SAR (0.960), DIF (0.919) y, por último, DAN (0.905). Los resultados obtenidos de los estudios de sorción en mezclas suelo/biochar nos permiten afirmar que la utilización de biochar como enmienda para suelos es viable para suelos tipo arenosos, con características similares a las del suelo estudiado, tanto con ENR, como con DAN. En cambio, un suelo franco-arcilloso-limoso, no mejora su capacidad de sorción, sino que puede llegar a ser inferior a la del suelo sin tratar.
[eng] This work deals with studies of sorption of a group of fluoroquinolones (Danofloxacine, Difloxacine, Enrofloxacine, Marbofloxacine, Sarafloxacine) into agricultural soils through obtaining sorption isotherms. From the fit of the experimental data to the models of Freundlich and Langmuir, and obtaining the sorption coefficients from these, it has been possible to explain the sorption behavior of these after the application of chemometric tools as Principal Component Analysis. From here, it was concluded that the characteristics of the studied soils that have the most influence on the sorption behavior of these drugs are the pH, the content of organic matter, the cation exchange capacity, and the silt content, while the one that exerts less influence is the sand content.
Another chemometric tool used has been the Partial Least Squares Regression (by using the PLS Toolbox under Matlab), from which we have obtained prediction models of the sorption with prediction errors below 0.2 units of logKd for a concentration of 0.1 mg L-1.
Also, we carry out sorption studies in soil-biochar mixtures, from which it is possible to point out that sandy soils with characteristics like those studied, are good candidates to be amended and thus obtain an improvement in their sorption capacities.
On the other hand, the octanol-water partition coefficients and the acid dissociation constants for each of the fluoroquinolones were measured. This allowed us to establish the speciation of each fluoroquinolone studied and its lipophilicity, which was very useful to infer the sorption mechanisms of the fluoroquinolones involved in the studies.
spa
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Cárdenas, 2018
Sorción de quinolonas en suelos agrícolas
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1344592024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Cruz Alcalde, Alberto
2019-06-04T07:53:31Z
2019-06-04T07:53:31Z
2019-05-17
http://hdl.handle.net/2445/134459
http://hdl.handle.net/10803/667016
[eng] Ozonation is nowadays a competent technology for micropollutant oxidation in wastewater effluents. The combination of ozone with hydroxyl radical formed through ozone decomposition is effective in the abatement of a number of organic compounds. However, there are still some points to be addressed for a more efficient application of ozone-based processes to wastewater treatment and reclamation. There are, for instance, several organic compounds that react very slowly with ozone. They are known as ozone-resistant micropollutants. If a high quality water is wanted to be obtained, these substances should be also removed from the effluent. In addition, modelling the abatement of micropollutants during wastewater ozonation is essential for process simulation, optimization and real-time control. To make this possible, performance characterization in terms of oxidation efficiency is required, as well as some kinetic information regarding the abatement of micropollutants. The first can be addressed by using normalizing parameters allowing the estimation, for instance, of hydroxyl radical availability as a function of the consumed ozone, or any other parameter whose measurement during the process is simple. The most accurate way of obtaining kinetic data of micropollutants oxidation is conducting individual studies on this chemicals degradation by ozone and hydroxyl radicals. Some complementary tests, in addition, may be useful to obtain valuable data regarding the mechanisms of degradation and the potential ecotoxicological effects of formed transformation products.
This thesis was divided in two parts: first, individual batch ozonation studies of selected concerning micropollutants were conducted. Particularly, the pesticides methiocarb, acetamiprid and dichlorvos were selected for that work. The second part consisted of the application of single ozonation and the combination O3/H2O2 was tested in the removal of ozone-refractory micropollutants from actual wastewater effluents. The latter was done through semi-batch ozonation experiments. The objectives were, on one hand, obtaining kinetic, mechanistic and toxicological data of some priority/emerging concern chemicals. On the other, ozonation studies with real effluent samples were performed with the aim of exploring the removal of ozone-recalcitrant chemicals and potential strategies for the modelling and real-time control of this process. In addition, improvement strategies for O3/H2O2 process application were investigated.
Different kinetics were observed for pesticides reaction with ozone, being acetamiprid the most recalcitrant compound. In addition, toxicity of some of the pesticides transformation products was revealed, especially in the case of methiocarb degradation. Regarding ozone-based processes application to actual wastewater effluents, the removal of model ozone-recalcitrant compounds was found difficult, concluding that ozone doses higher than the immediate ozone demand (IOD) value are required for a more effective abatement of these substances regardless of the process employed. In the case of the O3/H2O2 process application, dosing hydrogen peroxide simultaneously to ozone bubbling was found to potentially entail important energy savings related to oxidants use. The oxidation performance of ozone-based processes and thus the abatement of ozone-refractory compounds could be effectively modelled using kinetic parameters, the monitoring of water quality parameters and empirical relationships obtained for each effluent. Furthermore, side reactions of involved oxidants with effluent organic compounds was found to increase the content in small and oxidized organic compounds in all cases. In the case of effluents containing suspended solids, ozone application also caused a net increase in the dissolved organic load.
[spa] El proceso de ozonización constituye una de las tecnologías de tratamiento de aguas con mayor potencial para la eliminación de microcontaminantes de los efluentes de depuradoras municipales. Pese a ello, algunos aspectos como la eliminación de aquellos contaminantes resistentes al ataque del ozono y la modelización cinética de este proceso ofrecen aún amplias posibilidades de mejora. La formación de productos de transformación a partir de reacciones del ozono y el radical hidroxilo con la materia orgánica del efluente es otro aspecto escasamente considerado. Dados los problemas técnicos y ambientales que dichos subproductos pueden ocasionar, la investigación de este fenómeno es también de gran interés.
En esta tesis se estudiaron en primer lugar los fundamentos (cinética, mecanismos de reacción y efectos toxicológicos de los productos de transformación) del proceso de degradación de tres microcontaminantes orgánicos de preocupación emergente mediante el proceso de ozonización. A continuación, éstos y otros compuestos típicamente detectados en aguas residuales urbanas se emplearon como sustancias modelo en el estudio de la aplicación del ozono en efluentes reales de depuradora de calidad variada, con el fin de evaluar la eficiencia del proceso y proponer estrategias para la modelización del mismo. En este sentido, se propuso la combinación de parámetros cinéticos y la monitorización de parámetros de calidad del agua para el control a tiempo real del proceso. Las predicciones de eliminación de contaminantes llevadas a cabo mediante esta metodología mostraron una gran concordancia con los datos experimentales, tanto para el proceso de ozonización simple como para la combinación ozono-peróxido de hidrógeno, que por otro lado exhibió una gran eficiencia en la eliminación de contaminantes resistentes al ozono cuando se aplicó con dosificación simultánea de ambos oxidantes. Finalmente, la evaluación de los cambios experimentados por la materia orgánica del efluente durante la aplicación del ozono reveló una acumulación de compuestos de bajo peso molecular en todas las aguas ensayadas, además de la solubilización de materia orgánica en suspensión en efluentes con mayor carga orgánica.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Cruz, 2019
Contribution to Performance Characterization and Kinetic Modelling of Micropollutants Abatement in Water and Wastewater by Ozone-based Oxidation Processes
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1448022024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Cardete García, Mª Alicia
2019-11-14T11:23:09Z
2019-11-14T11:23:09Z
2019-09-19
http://hdl.handle.net/2445/144802
http://hdl.handle.net/10803/667866
[eng] Due to the recent approval of the Best Available Techniques Reference Document for Wastewater Treatment in the Chemical Sector (Decision (UE) 2016/902), the European industry is urged to improve the wastewater treatments, in order to attain more stringent regulations. Particularly, petrochemical activated sludge systems focused on organic matter removal must face two frequent issues, which difficult sludge settling: i) Development of filamentous bulking due to low food-to-microorganism (F/M) ratio in the biological reactor ii) Unintended biological nitrification, which leads to denitrification in the clarifier. These tendencies were confirmed in a pilot petrochemical continuous stirred tank reactor (500 L), where sludge volumetric index (SVI) values of 350 mL g-1 were obtained. Nitrification was studied with an experimental petrochemical bench-scale bioreactor (1L), which provided concentrations up to 350 mg NOx--N L-1.
To overcome the filamentous bulking, a one-compartment selector was implemented in the pilot activated sludge system. The selector could be operated as anoxic or aerobic. Both configurations succeeded to solve the excessive proliferation of filaments with average SVI values below 75 mL g-1, provided dissolved oxygen concentrations higher than 2 mg L-1 were guaranteed in the main reactor. However, the aerobic selector showed the more robust and consistent performance, aiming to its full-scale implementation. Its optimum design parameters were determined at hydraulic retention time of 30 minutes and F/M of 35 g sCOD g-1 VSS d-1. Its performance improved with the biodegradability of the wastewaters supplied in the range of 10 to 50 g BOD g-1VSS d-1. Otherwise, the selector was unable to enhance sludge settling when being provided with high concentrations of particulate matter (up from 65 g tCOD g-1 VSS d-1). Nevertheless, the inclusion of the aerobic selector doubled the nitrification rates in the activated sludge system. Since conventional methodologies to limit nitrification may not be convenient for existing installations due to process or site constraints, a new strategy has been bench-scale developed. Two petrochemical bioreactors have been supplied with cost-effective concentrations of 0.4 and 0.9 mg g-1VSS d-1 of folic acid in comparison to a control. Afterwards, the vitamin supply has been stopped in order to
assess about habituation effects. Despite both doses have succeeded to control nitrification, the addition of folic acid has also affected the operational parameters of the biological system. The supply of the lower vitamin concentration provided a reduction on nitrification rates of 93.6% and improved the sludge volumetric index compared to control (17.4 in front of 67.3 mL g-1). However, its full-scale feasibility is conditioned to the availability of spare aeration capacity, since oxygen demand increased 85.7%, probably due to an older sludge age (71.4% reduction in observed sludge yield). Reductions up to 97.1% in nitrification rates were obtained during and 60 days after the dosage of the higher vitamin concentration. Despite other advantages, such as increasing the organic matter removal efficiency (60.0%) and reducing oxygen demand (14.7%) relative to control, the high dosed reactor exhibited a worse sludge settling (93.1 mL g-1) and more sludge production (57.1% increase in observed sludge yield). These results suggest new dosing alternatives, such as supplying a discontinuous folic acid concentration of 0.9 mg g-1VSS d-1.
To conclude, this manuscript provides industrial engineers with guidelines to upgrade their existing wastewater treatments. Although the experimentation has been conducted with petrochemical effluents, the methodology and conclusions could be extrapolated to other industrial sectors with similar characterization of wastewater. With regard to future steps, this research sets the basis for the development of the action mechanism for nitrogen heterocyclic compounds, as nitrification inhibitors, which is of interest for the wastewater and the agricultural field.
[spa] Con la aprobación de la nueva versión del BREF de aguas residuales, la industria química europea está obligada a mejorar sus procesos de tratamiento de agua para adaptarse a especificaciones de vertido más restrictivas. Particularmente, los sistemas de fangos activos petroquímicos focalizados en la degradación de materia orgánica deben afrontar dos limitaciones frecuentes que dificultan la decantación del lodo: fuerte tendencia al bulking filamentoso por baja razón alimento-biomasa (F/M) y nitrificación biológica no deseada. Ensayos piloto con efluentes petroquímicos han demostrado que la inclusión de un selector aerobio en el sistema de fangos activos permite superar el bulking filamentoso, obteniendo siempre valores de índice volumétrico de fangos inferiores a 75 mL g-1. Los parámetros de diseño óptimos para el selector son un tiempo de residencia de 30 minutos y una razón F/M de 35 g DQO g-1 VSS d-1. Se debe alimentar al selector los efluentes más biodegradables y con el mínimo contenido en materia orgánica particulada. Sin embargo, con la implementación del selector, la nitrificación se ha duplicado. Puesto que las técnicas convencionales de control de nitrificación no resultan adecuadas por limitaciones de proceso y de implementación, se ha desarrollado como alternativa, la dosificación de ácido fólico al reactor biológico. En ensayos de laboratorio con un reactor petroquímico, dosis continuas de 0,4 y 0,9 g g-1 VSS d-1 de vitamina han permitido limitar la nitrificación a concentraciones inferiores a 10 mg NOx—N L-1 sin aportar toxicidad al efluente. La alta concentración, incluso ha mantenido este efecto hasta 60 días después de cortar la dosificación de vitamina. Sin embargo, el ácido fólico ha modificado los parámetros operativos del sistema biológico. La concentración baja ha aumentado el consumo de oxígeno (85,7%). La concentración alta ha aumentado la eficiencia en degradación de materia orgánica (60,0%), la producción de biomasa (57,1%) y ha empeorado la decantación del lodo (93±29 mL g-
1). Estos resultados aconsejan ensayar otras estrategias posológicas, tales como dosis
discontinuas de 0,9 g g-1 VSS d-1. Esta investigación proporciona las bases para un desarrollo futuro del mecanismo de acción de las moléculas heterocíclicas nitrogenadas, como inhibidores de la nitrificación.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Cardete, 2019
Implementation of a selector for sludge settling enhancement in an activated sludge system treating petrochemical wastewate
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1449202024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Garreta Lara, Elba
2019-11-15T10:55:24Z
2019-11-15T10:55:24Z
2019-11-11
http://hdl.handle.net/2445/144920
http://hdl.handle.net/10803/667876
[cat] Durant el segle XX i principis del XXI, el clima i els ecosistemes han patit canvis apreciables com a conseqüència directa de l’activitat humana. Els impactes naturals i antropogènics juntament amb els efectes del canvi climàtic han esdevingut un problema urgent per resoldre. Aquestes alteracions químiques i físiques de l’entorn i dels ecosistemes aquàtics produeixen canvis en els sistemes metabòlics dels organismes vius. En el camp de la metabolòmica ambiental, l’estudi i l’anàlisi d’aquests canvis proporciona informació significativa sobre les respostes biològiques a aquestes alteracions ambientals. En aquest context, els enfocaments basats en l’espectrometria de masses (MS) han estat clau en el ràpid desenvolupament de les tecnologies metabolòmiques, ja que han proporcionat un nou enfocament per investigar i avaluar els efectes dels productes químics i altres factors abiòtics en la complexitat molecular dels sistemes biològics. En aquest context, aquesta Tesi s’ha centrat en el desenvolupament de mètodes analítics de metabolòmica dirigida i no dirigida basats en tècniques de separació acoblades a la MS, com per exemple la cromatografia de gasos i la cromatografia de líquids (GC-MS i LC-MS, respectivament), i en l’aplicació dels mètodes quimiomètrics per tal de determinar, identificar i avaluar els canvis produïts en el metaboloma de la D. magna a causa de l’exposició a un estressant ambiental.
Per una banda, s’han desenvolupat i optimitzat els mètodes analítics de GC-MS i cromatografia de gasos bidimensional acoblada a l’espectrometria de masses (GCxGC-MS) i de tractament de les dades multivariants per a estudis de metabolòmica no dirigida. En concret, s’han optimitzat les condicions experimentals d’extracció i de derivatització i s’han avaluat diferents tipus de columnes cromatogràfiques per la determinació dels metabòlits presents en la D. magna. Per altra banda, s’han presentat dues aproximacions per la compressió dels grans conjunts de dades que es generen per tal d’extreure la informació biològica rellevant i facilitar-ne la seva interpretació. D’aquesta manera, s’ha demostrat la gran eficàcia i la robustesa del mètode quimiomètric de resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS) per la resolució dels perfils d’elució i dels espectres de masses dels metabòlits presents en les mostres de metabolòmica de D. magna analitzades mitjançant GC-MS i GCxGC-MS. A més, s’han avaluat els efectes de les exposicions a diferents factors abiòtics com la salinitat, la temperatura i la hipòxia en el metaboloma de la
D. magna. L’aplicació del disseny experimental per a l’estudi dels factors d’exposició ha permès avaluar les possibles interaccions entre els diferents tractaments i llurs combinacions. Els resultats han demostrat la gran influència de la salinitat en el perfil metabolòmic de la D. magna, la qual està relacionada amb el metabolisme dels aminoàcids, de les proteïnes, dels sucres, dels àcids grassos i amb el metabolisme energètic, com el cicle de Krebs.
Finalment, s’han presentat els resultats de l’avaluació de les alteracions de diversos contaminants ambientals mitjançant les estratègies dirigida i no dirigida per a l’estudi del metaboloma de la D. magna. L’anàlisi dirigida ha permès la quantificació absoluta dels nivells de les oxilipines i l’avaluació dels efectes de la fluoxetina, el diazepam i la carbamazepina en el metaboloma de la D. magna. Els resultats han demostrat una influència de les exposicions als productes farmacèutics en els nivells de diversos derivats de l’àcid araquidònic, l’àcid linoleic, l’àcid alfa-linoleic i àcid eicosapentaenoic. Per altra banda, s’ha realitzat una caracterització exhaustiva dels efectes del bisfenol A en els perfils metabolòmics de la D. magna mitjançant la combinació de les estratègies dirigida i no dirigida. S’ha realitzat una interpretació detallada i quantitativa dels metabòlits afectats per l’exposició a bisfenol A mitjançant l’estratègia dirigida. Mentre que, en l’anàlisi no dirigida s’ha aplicat la compressió de les dades mitjançant la selecció de les regions d’interès (ROIs) i la resolució mitjançant MCR-ALS a causa de la complexitat de les dades obtingudes per cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses d’alta resolució (LC-HRMS). La interpretació biològica de les alteracions produïdes a causa de l’exposició al bisfenol A estan relacionades amb el metabolisme del carboni i amb una disminució dels nivells de glutamat, el qual juga un paper central en el metabolisme dels aminoàcids.
[eng] In environmental metabolomics, methods based on mass spectrometry (MS) have provided a new approach to investigate and evaluate the effects of chemical products and other abiotic factors on the molecular complexity of biological systems. In this context, this Thesis has focused on the development of analytical methods using gas chromatography and liquid chromatography (GC-MS and LC-MS, respectively), and in the application of chemometric methods in order to determine, identify and evaluate changes produced in D. magna metabolome due to the exposure to an environmental stressor.
For non-targeted metabolomic studies analytical methods using GC-MS and of two- dimensional gas chromatography coupled to mass spectrometry (GCxGC-MS) have been developed and optimized. Moreover, two approaches have been presented for compression of the large data sets generated. In this way, it has been demonstrated the efficiency and robustness of the multivariate curve resolution by alternating least squares (MCR-ALS) method for resolution of elution and mass spectra profiles of the metabolites present in D. magna samples analyzed using GC-MS and GCxGC-MS. In addition, the effects of exposures on different abiotic factors such as salinity, temperature and hypoxia in D. magna metabolome were evaluated. An experimental design allowed the evaluation of the possible interactions between the different factors and their combinations. The results have shown the great influence of salinity, which is related to the metabolism of amino acids, proteins, sugars, fatty acids and energy metabolism, such as the Krebs cycle.
Finally, the targeted analysis has allowed the quantification of oxylipins levels and the evaluation of fluoxetine, diazepam and carbamazepine effects on the metabolome of D. magna. The results have shown an influence at the levels of various derivatives of arachidonic acid, linoleic acid,
alpha-linoleic acid and eicosapentaenoic acid. Moreover, an exhaustive characterization of the effects of bisphenol A was evaluated by combining targeted and non-targeted approaches. The use of ROIMCR data treatment approach (data compression by the search of regions of interest (ROI) and data resolution using MCR-ALS) in non-targeted strategy was performed to resolve complex data sets obtained by liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry (LC-HRMS). The biological interpretation of the alterations caused by bisphenol A exposure are related to carbon metabolism and with a decrease in glutamate levels, which plays a central role in amino acids metabolism.
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nc-sa, (c) Garreta, 2019
Avaluació dels efectes dels factors ambientals en el metaboloma de la Daphnia magna mitjançant mètodes cromatogràfics i quimiomètrics
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1450212024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Pérez Ràfols, Clara
2019-11-18T11:21:43Z
2020-05-08T05:10:23Z
2019-11-08
http://hdl.handle.net/2445/145021
http://hdl.handle.net/10803/667890
[cat] La problemàtica mediambiental associada a la contaminació per ions metàl·lics és mundialment coneguda. En les últimes dècades hi ha hagut un enduriment de la legislació associada a aquests contaminants que ha permès disminuir les seves emissions al medi ambient però, degut a la seva elevada persistència i al seu caràcter no biodegradable, les concentracions dels ions metàl·lics en mostres mediambientals són encara preocupants.
Actualment, tot i que existeixen diverses tècniques analítiques per a la determinació d’ions metàl·lics, encara és necessari el desenvolupament de noves metodologies analítiques que permetin determinar-los on-site i a nivell traça. En aquest sentit, les tècniques voltamperomètriques de redissolució són una bona opció ja que són tècniques sensibles i reproduïbles que proporcionen anàlisis ràpides sense requerir instrumentació voluminosa o excessivament costosa. A més, el caràcter portàtil d’aquestes tècniques s’ha vist afavorit amb la introducció dels elèctrodes serigrafiats, que són dispositius compactes, miniaturitzats, versàtils i que es poden produir en massa.
Un dels avantatges que proporcionen els elèctrodes serigrafiats és la possibilitat de modificar el seu elèctrode de treball per tal de millorar la seva sensibilitat i selectivitat o permetre treballar a diferents condicions experimentals. En aquest sentit, una primera part d’aquesta tesi doctoral s’ha centrat en el desenvolupament de nous elèctrodes serigrafiats voltamperomètrics per a la determinació d’ions metàl·lics a nivell traça en mostres mediambientals. Concretament, s’han estudiat diferents estratègies de modificació com la modificació química, la formació de pel·lícules metàl·liques i l’ús de diversos nanomaterials (nanopartícules metàl·liques, nanoal·lòtrops de carboni i silici porós). Per a cada estratègia s’han estudiat diferents aspectes del procés de modificació i s’ha avaluat l’aplicabilitat del sensor que proporciona millors resultats en mostres reals.
Sovint però, en l’anàlisi de mostres reals trobem mescles complexes on els ions metàl·lics s’interfereixen entre si o donen lloc a pics solapats. En aquests casos l’ús d’un sol sensor no permet determinar correctament la concentració dels diferents ions i cal recórrer a altres estratègies d’anàlisi més sofisticades. Aquest és el cas de les llengües voltamperomètriques, on es combinen diversos sensors no específics amb un tractament de dades multivariant. Així, la segona part d’aquesta tesi doctoral s’ha centrat en el desenvolupament de llengües voltamperomètriques per a l’anàlisi de mostres complexes d’ions metàl·lics. Concretament s’han estudiat el sistema Tl(I) i In(III) i el sistema Cd(II), Pb(II), Tl(I) i Bi(III) en presència de Zn(II) i In(III), que es caracteritzen, respectivament, per la presència de dos metalls que donen lloc a senyals fortament solapats i per la presència d’un elevat nombre de metalls. Concretament, s’ha estudiat la selecció dels sensors que componen la llengua voltamperomètrica, la seva disposició i el disseny experimental.
Un altre aspecte crucial en el desenvolupament de les llengües voltamperomètriques és el tractament de dades. Així, en la segona part d’aquesta tesi doctoral també s’ha fet èmfasi en aquest tema, on s’han estudiat diversos pretractaments i s’han construït diversos models quimiomètrics basats en la regressió per mínims quadrats parcials (PLS). A més, s’han estudiat
també dos sistemes de calibratge multivariant, el calibratge multivariant extern i l’addició estàndard multivariant, per a la qual s’ha desenvolupat una nova estratègia basada en l’ús de PLS i la simulació del blanc de la mostra a partir de l’omissió de l’etapa de preconcentració de la mesura voltamperomètrica. Aquest segon mètode de calibratge proporciona prediccions més acurades per a mostres amb un fort efecte matriu.
Els resultats obtinguts a partir dels estudis realitzats al llarg d’aquesta tesi doctoral han donat lloc a 12 articles, 9 d’ells referents a la part de desenvolupament de sensors voltamperomètrics i 3 referents al desenvolupament de llengües voltamperomètriques.
[eng] On-site monitoring of metal ions at trace levels is crucial for safety and environmental reasons. In this sense, stripping voltammetry is a good option due to its high sensitivity and reproducibility and the fact that it provides fast analysis with relatively low cost and portable equipment. These last features are further enhanced by the coupling of stripping voltammetry with screen-printed electrodes, which are compact, miniaturized and versatile devices that can be mass-produced in a reproducible manner.
A first part of this PhD thesis has focused on the development of new screen-printed voltammetric sensors for the determination of metal ions at trace levels in environmental samples. Particularly, several modification strategies (chemical modification, metal films and nanomaterials) have been studied. For each strategy, some aspects of the modification process were evaluated and their applicability to real samples was tested for the sensor that provided better results.
Frequently though, the analysis of real samples involves complex mixtures where metal ions interact with each other or give rise to highly overlapped peaks. In these scenarios, it is necessary to resort to more sophisticated analytical strategies like voltammetric electronic tongues. Thus, the second part of this PhD thesis has focused on the development of voltammetric tongues for the analysis of complex mixtures of metal ions. In particular, two systems have been studied: Tl(I) and In(III), two metals that give rise to highly overlapped peaks, and Cd(II), Pb(II), Tl(I) and Bi(III) in the presence of Zn(II) and In(III). In both cases, several studies involving the selection of sensors, their arrangement and the experimental design were performed.
The second part of this PhD thesis has also focused on data treatment, a key aspect in the development of voltammetric tongues. Two multivariate calibration systems were studied, multivariate external calibration and multivariate standard addition, for which a new strategy based on PLS and the simulation of a blank signal by skipping the deposition step of stripping voltammetry was developed.
The results achieved throughout this PhD thesis have resulted in 12 articles, 9 related to the development of voltammetric sensors and 3 related to the development of voltammetric electronic tongues.
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nc-sa, (c) Pérez, 2019
Desenvolupament de sensors i llengües electròniques voltamperomètriques per a la determinació d’ions metàl·lics en mostres d’interès ambientals
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1450822024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Seró Llor, Raquel
2019-11-19T10:53:05Z
2019-11-19T10:53:05Z
2019-10-31
http://hdl.handle.net/2445/145082
http://hdl.handle.net/10803/667905
[cat] Avui dia, l’espectrometria de masses és una eina indispensable en molts laboratoris analítics que treballen en els camps d’aplicació d’alimentació, medi ambient, d’anàlisi forense així com per a l’anàlisi clínica per al diagnòstic de malalties. Les excel·lents prestacions d’aquesta tècnica en termes de sensibilitat i de selectivitat i la gran quantitat d’informació estructural que se n’obté faciliten la identificació inequívoca d’una gran varietat de compostos orgànics en tot tipus de matrius. Així, el desenvolupament de mètodes analítics ràpids, senzills i versàtils que permetin donar una resposta gairebé immediata al problema analític que es planteja són de gran interès per millorar la productivitat d’aquests laboratoris i per facilitar la presa de decisions diagnòstiques. És per aquest motiu que aquesta tesi està centrada en un nou grup de tècniques d’ionització a pressió atmosfèrica anomenat Ambient Ionization Mass Spectrometry (Ambient MS), les quals possibiliten l’anàlisi directa de tot tipus de mostres sense o amb una mínima manipulació i permeten obtenir informació molecular rellevant gairebé en temps real.
En aquesta tesi s’ha estudiat l’aplicabilitat de la tècnica d’ionització per desorció per electroesprai (DESI) combinada amb l’espectrometria de masses d’alta resolució, per a l’anàlisi de compostos sospitosos i desconeguts en matrius d’elevada complexitat. S’ha establert un mètode de cribratge de mostres per a la identificació de drogues veterinàries en pinsos com a conseqüència d’una contaminació creuada i s’ha caracteritzat un producte fitosanitari sospitós d’haver-se adulterat i del qual se’n desconeixia la seva naturalesa química. S’han avaluat diferents estratègies de manipulació ràpides (<5 min) de les mostres mitjançant les quals s’han resolt els problemes de contaminació del sistema instrumental del DESI provocats per la textura de les matrius de pinso i s’ha disminuït el temps d’assecatge de la mostra líquida fitosanitària analitzant un paper de filtre impregnat amb la mostra. També s’han estudiat els paràmetres operacionals que afecten d’una forma més crítica a l’eficàcia d’extracció i d’ionització dels compostos de la superfície de les matrius estudiades i s’han optimitzat la resolució i el temps d’acumulació dels ions a la C-Trap en l’analitzador híbrid Q-Orbitrap per assolir una molt bona exactitud en la mesura de la massa i una sensibilitat i una selectivitat adequades. Amb el propòsit d’interrogar ràpidament la gran quantitat d’informació espectral obtinguda en l’anàlisi de les mostres emprant els mètodes DESI-HRMS desenvolupats, s’han avaluat diferents
estratègies de tractament de les dades per facilitar la identificació dels compostos en les mostres, com són l’ús de bases de dades o l’anàlisi del defecte de massa de Kendrick.
També en aquesta tesi s’han modificat i adaptat dues tècniques Ambient MS basades en l’ús de substrats mostrejadors com a sondes generadores de l’esprai. S’ha avaluat la possibilitat d’utilitzar hisops mèdics en la touch spray (TS) per al desenvolupament d’un mètode que permeti l’assistència en les proves de resecció de tumors (gliomes) mitjançant el mostreig i l’anàlisi directa del teixit viu. Per altra banda, s’ha incorporat una làmpada de Criptó al disseny original del paper spray (PS) per establir un mètode basat en la fotoionització a pressió atmosfèrica (PS-APPI) que permeti la determinació ràpida de compostos per- i polifluoroalquilats neutres (PFASs), que presenten problemes per ionitzar-se pel mecanisme d’electroesprai, en productes d’impregnació. En ambdós casos s’ha avaluat la millor configuració del disseny TS i PS-APPI per a la seva implementació al laboratori i s’han optimitzat els paràmetres operacionals. L’anàlisi de les mostres de teixit emprant el mètode TS-MS ha permès discriminar entre teixit sa i teixit tumoral, i les diferències en la resposta de dos oncometabòlits han possibilitat establir qualitativament el grau d’infiltració tumoral i si hi ha una mutació del tumor. Finalment, el mètode PS-APPI-HRMS desenvolupat per a la determinació de PFAS ha mostrat bons paràmetres de qualitat i s’ha aconseguit arribar a la sensibilitat necessària per determinar- los en productes d’impregnació a uns nivells de concentració de l’ordre dels mg L-1.
[eng] Nowadays, mass spectrometry is an indispensable tool in many application fields for food, environmental, forensic and for clinical analysis. This thesis is focused on a new family of mass spectrometric techniques called Ambient Ionization Mass Spectrometry (Ambient MS), which enable the direct analysis of samples with minimal or without any sample manipulation, providing relevant molecular information data almost in-real time. The applicability of desorption electrospray ionization (DESI) combined with high- resolution mass spectrometry (HRMS) has been evaluated for non-target analysis and for the identification of unknown compounds in complex samples. A DESI-HRMS method has been developed for the identification of veterinary drugs in cross-contaminated feedstuffs and for the characterization of unknown compounds in an adulterated phytosanitary product. Several fast sample manipulation strategies have been evaluated and DESI and Q-Orbitrap working conditions have been optimized to achieve accurate mass measurements and suitable sensitivity and selectivity. Furthermore, several approaches such as custom-made databases or Kendrick mass defect analysis have been applied for the rapid interrogation of mass spectral raw data. Modified touch spray (TS) and paper spray (PS) techniques have also been evaluated. A TS-MS method using commercial medical swabs has been developed to provide relevant diagnostic molecular information for brain cancer. Moreover, PS has been combined with atmospheric pressure photoionization (PS-APPI) for the direct determination of neutral polyfluorinated alkyl substances (PFASs) in waterproof impregnation sprays. The best TS and PS-APPI assembly configurations have been evaluated. Among the operational working parameter, solvent composition and spray voltage have been critical in TS for the generation of a stable cone-jet electrospray plume. Instead, in PS-APPI the effect of these parameters is more related to the response of the ions generated by APPI. Phospholipid profiles obtained by swab TS-MS tissue analysis have allowed to discriminate between cancer and normal tissues. Moreover, measurements of two oncometabolites have allowed to qualitatively assess tumor infiltration grade and glioma mutation status. PS-APPI-HRMS method quality parameters have demonstrated the good performance of the proposed method for the quantification of neutral PFASs in waterproof impregnation sprays and the analysis of raw samples revealed the presence of several PFASs at mg L-1 levels.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nc-sa, (c) Seró, 2019
Noves estratègies per a l'anàlisi directa de compostos orgànics per espectrometria de masses
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1465612024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Dalmau Solà, Núria
2019-12-12T10:52:08Z
2019-12-12T10:52:08Z
2019-11-18
http://hdl.handle.net/2445/146561
http://hdl.handle.net/10803/668125
[cat] Les ciències òmiques proporcionen una visió holística de la fisiologia cel·lular i del funcionament dels sistemes biològics i estan presents en tots els camps d’estudi de la biologia molecular. La lipidòmica és una subdisciplina de la metabolòmica, la qual a la seva vegada és una de les branques principals de l’òmica. En el camp ambiental, els estudis òmics tenen la finalitat d’avaluar les alteracions que els organismes poden patir com a conseqüència de l’exposició a diferents factors presents en el medi, com poden ser els compostos químics contaminants (per exemple els pesticides), i que en el seu conjunt donen lloc al que avui en dia s’anomena l’exposòmica. Els estudis lipidòmics duts a terme en aquesta Tesi s’han realitzat seguint una anàlisi no dirigida emprant la cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses (LC-MS). Aquesta és una de les tècniques analítiques més potents que ha estat àmpliament emprada gràcies a la seva capacitat d’anàlisi dels metabòlits i lípids dels diversos sistemes biològics. L’aproximació òmica no dirigida porta associada l’anàlisi multivariant de dades, donat el gran volum de dades que s’acostumen a generar. En aquests estudis és necessària la compressió de les dades sense pèrdua d’informació espectral i resolució, i una identificació simultània de l’elevat nombre de compostos químics presents en les mostres. Per tot això, els conjunts de dades LC-MS necessiten ser processats adequadament a partir de mètodes d’anàlisi multivariant de dades i de mètodes quimiomètrics. En aquest sentit, s’ha realitzat la validació d’una nova metodologia pel tractament de dades de LC-MS d’estudis òmics no dirigits. Aquesta nova metodologia es denomina ROIMCR i està basada en l’acoblament d’un mètode de compressió i filtració de les dades, sense pèrdua de resolució espectral, com és el mètode de selecció de les Regions d’interès (ROI), amb el mètode de resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS). A partir de l’anàlisi d’una mescla sintètica de diferents lípids i de mostres de cultius cel·lulars que els contenien es va realitzar la validació del mètode ROIMCR, prèviament desenvolupat en el nostre grup d’investigació. En aquesta Tesi a més, s’han estudiat els efectes de diferents estressants ambientals sobre diversos models cel·lulars. En un primer bloc es van determinar els efectes de tres disruptors endocrins (Aroclor 1254, Clorpirifòs i Aldrin) en el fenotip i el lipidoma de les cèl·lules de càncer de pròstata DU145. Es va comprovar que l’exposició cel·lular a l’Aroclor i el Clorpirifòs indueix un fenotip maligne amb mecanismes similars en ambdós casos. Aquests resultats van ser diferents als observats en les cèl·lules exposades a Aldrin, que presentaven un fenotip de transició epitelial mesenquimal (EMT. Posteriorment, es va aprofundir en l’estudi lipidòmic de la inducció de la EMT en les cèl·lules DU145 mitjançant la citoquina TNFα. En l’estudi lipidòmic no dirigit de la inducció de EMT es va poder detectar i confirmar un increment significatiu de triacilglicèrids (TAGs), que també s’havia detectat en l’exposició crònica als diferents disruptors endocrins estudiats. En l’altre bloc d’exposòmica d’aquesta Tesi, s’ha realitzat l’estudi lipidòmic no dirigit dels efectes de la radiació solar UV de forma aguda i crònica en els melanòcits i queratinòcits primaris humans. Aquest tipus de cèl·lules es troba present en l’epidermis, una de les capes de la pell humana que té com a funció principal protegir el cos humà de les agressions ambientals externes, entre els quals destaca la radiació solar. Ambdós models cel·lulars de l’epidermis varen presentar patrons fenotípics i una composició de lípids diferents a la irradiació UV, ja que cadascun adopta una estratègia diferent de supervivència. En el cas dels melanòcits, els canvis s’aprecien en les irradiacions agudes, donant lloc a pseudòpodes. Per contra, amb el pas de les irradiacions (irradiació crònica) tendeixen a adquirir els valors de les mostres control. D’altra banda, els queratinòcits presenten les modificacions de forma més progressiva, fent-se més significatives amb l’augment del nombre d’irradiacions UV, mostrant la inducció de la diferenciació cel·lular cap a corneòcits. En conjunt, aquesta Tesi pretén aportar i contribuir al desenvolupament de les eines de recerca de la lipidòmica analítica no dirigida en estudis exposòmics on s’avaluen els efectes produïts pels estressants ambientals sobre cultius cel·lulars, com a organisme biològic model.
[eng] Omics sciences refer to the collective technologies used to deeply characterize different types of molecules (nucleic acids, proteins, metabolites) present in the cells of organisms. Omics analysis are often conducted using high-throughput technologies that produce huge amounts of data, which need for chemometric analysis methods to extract information about the relevant molecules in the cells under specific conditions. In this Thesis, liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC-MS) analysis and different chemometric methodologies are applied to perform untargeted lipidomic analysis of cell cultures under specific environmental stresses.
In the first section of results, the validation of a recently proposed procedure for LC-MS data compression and processing is presented, using as example the analysis of lipid mixture. This method consists of a preliminary selection of the Regions of Interest of the LC-MS data (MSROI) coupled to their throughout chemometric analysis by the Multivariate curve resolution alternating least squares method (MCR-ALS).
In the following chapters, different untargeted lipidomic studies of cell cultures exposed to different environmental stressors are presented. In a first section, prostate cancer cells were long-term exposed to three endocrine disruptors (aldrin, aroclor 1254 and chlorpyriphos), a class of environmental toxic molecules able to interfere with the normal hormone metabolism. In order to deepen in the epithelial to mesenchymal transition (EMT) observed in some exposed cells, EMT was induced in the same cell culture model and an untargeted lipidomic analysis was performed. EMT is a biological process that plays a crucial role in cancer metastasis, and, at the time of our investigations, little was known about the involvement of lipids in this process. The work presented reports for the first time an increase of many species of triacylglycerides under EMT induction.
On the other hand, in the last publications, the untargeted lipidomic studies of primary human epidermal melanocytes and keratinocytes exposed acutely and chronically to ultraviolet (UV) radiation are presented. The UV radiation present in the sunlight has been related to harmful effects on skin such as premature aging and skin cancer. In these works, primary cultures of melanocytes and keratinocytes were exposed to UV radiation in a similar UVA/UVB ratio to that found in solar light. Changes in their phenotypes and lipidomic profiles are described in both cases.
Overall, the aim of the present Thesis is to contribute to the knowledge of the effects of environmental stressors to different cell cultures. To unveil these effects, the work presented in this manuscript emphasizes the importance of lipids in the cells response, and proposes the use of the untargeted approach and chemometric analytical methods as the most useful strategy to discover relevant molecules in the processes studied.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Dalmau, 2019
Avaluació dels efectes lipidòmics i fenotípics d’estressants ambientals sobre cultius cel·lulars mitjançant mètodes bioanalítics i quimiomètrics
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1510572024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Soriano Meseguer, Sara
2020-02-24T11:32:50Z
2020-02-24T11:32:50Z
2020-02-10
http://hdl.handle.net/2445/151057
http://hdl.handle.net/10803/668706
[cat] L’absorció cutània descriu el transport d’una certa substància a través de la pell humana i és un procés clau en els estudis d’alliberament de fàrmacs administrats per via tòpica, en la indústria cosmètica i a l’hora d’avaluar el risc potencial d’absorció de compostos tòxics per contacte cutani. L’absorció cutània es troba representada pel coeficient de permeabilitat a través de la pell (Kp). Els mètodes òptims per avaluar l’absorció d’un compost a través de la pell són els estudis in vivo i in vitro. El mètode in vitro més emprat és el basat en les cel·les de difusió de Franz, tot i això aquest mètode té una alta variabilitat intra- i inter-laboratori degut a la complexitat de les mostres biològiques. Uns altres mètodes in vitro sorgits més recentment són els basats en models de pell artificial com l’anomenat skin PAMPA. Una alternativa encara més ràpida i més econòmica que els mètodes in vitro són els models de predicció basats en mesures físico-químiques, com la retenció cromatogràfica. En el present treball s’ha desenvolupat una metodologia per a la predicció de la permeabilitat cutània de soluts i espècies neutres basada en mesures cromatogràfiques en un sistema HPLC amb una columna C18, combinat amb detecció UV-Vis i MS, i una altra basada en mesures de permeabilitat skin PAMPA a partir d’unes condicions d’assaig de 4 hores d’incubació i utilitzant l’agitació per reduir la capa aquosa que es forma al voltant de la membrana artificial. Ambdós models es validen correctament en termes de robustesa i capacitat predictiva. Per estendre aquests models a espècies ionitzades ha estat necessari estudiar la influència de la ionització de diferents compostos àcid-base en la permeabilitat de la pell humana, la retenció cromatogràfica i la permeabilitat skin PAMPA. Per aquest propòsit, els perfils de cada propietat en funció del pH de diferents compostos àcid-base s’han ajustat a una equació general que relaciona la propietat d’interès amb el pH. Aquest ajust proporciona els valors de cada propietat per a la forma neutra i iònica del solut, així com el pKa del solut en el medi de dissolució. En tots els casos els valors dels anions i cations són molt més petits que els de les formes neutres i els valors de pKa procedents dels ajusts es poden relacionar linealment amb els valors aquosos de pKa dels fàrmacs. Amb relació a la permeabilitat skin PAMPA, s’han trobat alguns valors anòmals a pH superior a 8 a causa de la pèrdua d’integritat de la membrana a pH bàsic. A partir dels resultats dels ajusts, la permeabilitat de la pell s’ha relacionat amb la retenció cromatogràfica, corregida pel volum de McGowan del solut, i també amb la permeabilitat skin PAMPA d’espècies parcialment i totalment ionitzades. Aquestes correlacions s’han establert i validat amb bons resultats. Finalment, els mètodes establerts per a la predicció de la permeabilitat a través de la pell s’han aplicat per a la determinació dels coeficients de permeabilitat de diferents compostos a pH 5.5. i 7.4 (pH de la superfície de la pell i pH de la sang, respectivament) dins de les línies d’investigació d’Esteve Pharmaceuticals, centrades en el camp del tractament del dolor on és particularment interessant estudiar l’administració per la via tòpica. Els valors predits de Kp a partir del model cromatogràfic i el model skin PAMPA són força coherents amb els obtinguts experimentalment mitjançant les cel·les de difusió de Franz. Compostos amb coeficients de permeabilitat de la pell favorables i paràmetres farmacocinètics apropiats es poden seleccionar com a potencials candidats per a l’administració tòpica.
[eng] Dermal absorption is a key process in drug delivery studies of pharmaceutical and cosmetic industries. This process is typically described by skin permeability coefficient (Kp) and can be determined using experimental techniques, both in vivo and in vitro. Among the in vitro models, the Franz cell diffusion method is the most popular. However, these methods are laborious, costly and ethically questionable. An alternative can be an artificial skin membrane, skin PAMPA, or subrogation through physico-chemical parameters, as chromatographic retention. In the present work a methodology based on measurements in an HPLC system with a C18 column, and another based on skin-PAMPA permeability measurements with optimal assay conditions of 4 hours of incubation time and with the use of stirring to decrease the thickness of the aqueous boundary layer, have been established for a wide set of drugs to predict Kp values of neutral species. Both models have been successfully validated in terms of robustness and prediction ability. To extent these methods to ionized species is necessary to study the influence of acid-base ionization in chromatographic retention, skin PAMPA permeability and skin permeability. Therefore, property vs. pH profiles of drugs of different acid-base nature have been obtained through a general equation which relates the measured property with the pH. Fitting of these equations provides the corresponding values of the neutral and ionic form and the pKa values of the drugs in the media solution. In all cases the values of the anions and cations are much lower than that of the neutral forms and the pKa values obtained from the fitting can be linearly related to the aqueous pKa values of the drugs. Anomalous values due to the loss of membrane integrity at basic pH have been found in the skin PAMPA permeability at pH higher than 8. From these results, the relationship between skin permeability and chromatographic retention, corrected by the volume, and skin PAMPA permeability of ionized species has been established and validated correctly. Finally, Kp values of drugs, belonging to different Esteve’s research programs, have been obtained from previous models at pH 5.5 and 7.4 with good predictions. Compounds with favorable permeability coefficient and appropriate pharmacokinetic parameters can be selected as potential candidates to topical administration.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Soriano, 2020
Predicció de la permeació a través de la pell a partir de mesures físico-químiques
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1708942024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Marqueño Bassols, Anna
2020-09-28T10:42:45Z
2021-09-21T05:10:18Z
2020-09-21
http://hdl.handle.net/2445/170894
http://hdl.handle.net/10803/669613
[cat] La lipidòmica és una de les ciències òmiques més recents, que s’ha aplicat amb èxit en estudis mèdics per el descobriment de biomarcadors i d’alteracions en vies metabòliques associades a malalties. La seva aplicació en ciències ambientals està adquirint rellevància a causa de l’important paper dels lípids en el desenvolupament, creixement i reproducció dels metazous. A nivell cel·lular, els lípids estan implicats en l’emmagatzematge d’energia, la senyalització i presenten funcions estructurals. Els organismes contenen milers d'espècies de lípids diferents amb estructures bastant semblants. Els darrers avenços en l’espectrometria de masses han impulsat el camp de la lipidòmica, permetent una millor anotació de les espècies lipídiques de diferents matrius biològiques (cèl·lules, biofluids, teixits), però també la detecció d’alteracions com a resposta a l’exposició a contaminació química.
En el marc d'aquesta tesi, s'han utilitzat tres tècniques analítiques diferents basades en espectrometria de masses d'alta resolució per a la caracterització del perfil lipídic de diferents models biològics. El primer mètode, anàlisi per injecció en flux acoblat a l’espectrometria de masses d'alta resolució, representa una eina molt potent ja que, en només dos minuts, proporciona el cribratge del perfil lipídic dels lípids cel·lulars. Els altres dos mètodes, que incorporen una cromatografia de líquids d’ultra alta eficàcia per a la separació prèvia dels lípids, han permès la detecció d’espècies minoritàries, i l’aplicació de l’espectrometria de masses en tàndem juntament amb un enfocament no dirigit per al processament de dades va proporcionar un perfil de lípids més exhaustiu, juntament amb la confirmació de la identitat dels lípids.
Aquestes tècniques analítiques s’han utilitzat per a l’estudi de l’impacte de diversos contaminants ambientals, sobre el metabolisme de lípids tant en cèl·lules humanes com de peix. Entre els compostos químics estudiats s’inclouen additius de plàstics i els seus derivats (BPA, BPF, BADGE, BADGE·H2O, BADGE·2HCl), el compost obesogènic tributil d’estany, all- trans àcid retinoic, el progestagen sintètic drospirenona i una mescla complexa de contaminants ambientals (estudi de camp). Els models cel·lulars utilitzats en aquesta Tesi són cèl·lules de placenta humana (JEG-3), cèl·lules hepàtiques de peix zebra (ZFL) i/o en carcinoma hepatocel·lular de Poeciliopsis lucida (PLHC-1), mentre que per a la mescla complexa, es van mostrejar dues espècies de peixos sentinella en un riu seguint un gradent
de contaminació. La lipidòmica, juntament amb la realització d'alguns assaigs toxicològics i l'ús de reacció en cadena de la polimerasa en temps real han permès traçar un escenari més complet dels efectes toxicològics dels productes químics estudiats. En general, aquesta Tesi pretén contribuir a la implementació de la lipidòmica en investigació mediambiental proposant models biològics útils i fluxos de treball per a la caracterització del mecanisme d’acció de contaminants ambientals amb la capacitat d’actuar com a disruptors lipídics.
[eng] Lipidomics is one of the newest omics sciences, which has proven their utility in medical research for the discovery of biomarkers and altered metabolic pathways related to disease. Its application in environmental sciences is becoming relevant due to the important role of lipids in development, maintenance, and reproduction of metazoans. At the cellular level, lipids are involved in energy storage, signaling, and exhibit structural functions. Organisms contain thousands of different lipid species with rather similar structures. The latest advances in mass spectrometry have prompted the field of lipidomics, allowing a better annotation of the lipid species of different biological matrices (cells, biofluids, tissues), but also the detection of alterations as a response to chemical pollution exposure.
Three analytical techniques based on high-resolution mass spectrometry have been used for the characterization of the lipid profile of different biological models. The first method, flow injection analysis coupled to high-resolution mass spectrometry represents a powerful tool since, just in two minutes, it provides a quick screening of the lipid profile of cellular lipids. The other two methods, which incorporate ultra-high performance liquid chromatography for the previous separation of the lipids, have allowed the detection of minority species, and the application of tandem mass spectrometry together with an untargeted approach for data processing provided a more comprehensive lipid profile, together with the confirmation of lipid identities.
These analytical techniques have been used for the study of the impact of several widespread environmental pollutants on the lipid metabolism of both human and fish cell models, comprising plastic additives (BPA, BPF, BADGE, BADGE·H2O, BADGE·2HCl), the obesogenic compound tributyltin, all-trans retinoic acid, the synthetic progestin drospirenone and a complex mixture of environmental pollutants (field study). Lipidomics, together with some toxicological assays and the use of real-time polymerase chain reaction have allowed drawing a more complete scenario of the toxicological effects of the chemicals under study. Overall, this dissertation aims to contribute to the use of lipidomics in environmental research by proposing useful biological models and workflows for the characterization of the mode of action of environmental pollutants with the capability to act as lipid disruptors
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc-by-nc-sa, (c) Marqueño, 2020
Noves eines per a la detecció de disruptors lipídics i obesògens ambientals
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1717982024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Peró Gascón, Roger
2020-11-06T10:16:29Z
2021-05-03T05:10:19Z
2020-11-03
http://hdl.handle.net/2445/171798
http://hdl.handle.net/10803/669938
[spa] En las últimas décadas, el análisis de compuestos biomarcadores en muestras biológicas se ha convertido en una herramienta esencial para el diagnóstico, seguimiento y pronóstico de diversas enfermedades. Las principales dificultades en muchos casos son la baja concentración de los biomarcadores, la complejidad de la matriz de la muestra y la limitada disponibilidad de muestra. En esta tesis doctoral, se presentan nuevas estrategias basadas en electroforesis capilar- espectrometría de masas (CE-MS) para la separación, detección, caracterización y cuantificación de péptidos, proteínas y microARNs (miRNAs) biomarcadores en fluidos biológicos. La CE-MS es una técnica excelente para la separación de biomoléculas cargadas y su identificación inequívoca. En esta tesis, se han desarrollado estrategias novedosas para la predicción y optimización de las separaciones de mezclas complejas de péptidos en CE. Para evaluar estas estrategias, se han estudiado los péptidos beta amiloides. Una limitación importante de la CE es su baja sensibilidad en términos de concentración para la mayoría de analitos a causa del pequeño volumen de inyección de muestra. La extracción en fase sólida en línea con la electroforesis capilar (SPE-CE) es una excelente estrategia para disminuir los límites de detección. En esta tesis se han investigado diferentes metodologías de SPE-CE-MS unidireccional empleando sorbentes selectivos, como los sorbentes de inmunoafinidad, afinidad a aptámero, afinidad a metal inmovilizado y el carburo de silicio, para el análisis de proteínas intactas (transtiretina y α-sinucleína), digestos de proteínas y miRNAs en fluidos biológicos. También se ha investigado el potencial de la SPE-CE-MS con una nanoválvula (nvSPE-CE-MS) para el análisis de péptidos en fluidos biológicos. Se ha desarrollado un método de nvSPE-CE-MS empleando un sorbente C18 para el análisis de péptidos opioides y péptidos beta amiloides y se han comparado las ventajas e inconvenientes de la nvSPE-CE-MS respecto a la SPE-CE-MS unidireccional. Finalmente, se han investigado nuevas estrategias para el análisis rápido y eficiente de digestos de proteínas. La tripsina es la enzima proteolítica más comúnmente utilizada y la digestión se realiza habitualmente en disolución, requiriéndose largos tiempos de digestión. Con el objetivo de disminuir el volumen de muestra, su manipulación y el tiempo total de análisis, en esta tesis se ha desarrollado una metodología de análisis de proteínas empleando microrreactores empaquetados con partículas con tripsina inmovilizada en línea con la CE-MS (IMER-CE-MS).
[eng] In recent years, an increased emphasis has been placed on the analysis of biomarker compounds in biological samples for the diagnosis, follow-up and prognosis of numerous diseases. The leading difficulties in many of these analyses are the low concentration of the biomarkers, their structural complexity, the sample matrix effects and the limited availability of sample. In this doctoral thesis, we present novel strategies based on capillary electrophoresis- mass spectrometry (CE-MS) for the separation, detection, characterization and quantification of peptide, protein and microRNA (miRNA) biomarkers in biological fluids. MS is a powerful technique for the unequivocal identification of biomolecules due to its potential with regard to the detailed structural characterization of unknown compounds. However, due to the complexity of most biological fluids, the hyphenation of high-performance separation techniques is essential prior to MS analysis. In this regard, CE is a microscale technique that is very suitable for the separation of charged biomolecules. Nevertheless, electrophoretic separation methods must be properly optimized to achieve rapid, efficient, sensitive and high-resolution separations. In this thesis, we have investigated novel strategies to predict and optimize the separation of complex mixtures of peptides in CE. To assess these strategies, amyloid beta peptides, which are biomarkers of Alzheimer’s disease, were studied. A major limitation of CE is the relatively poor concentration sensitivity for most analytes due to the small sample volume that can be injected in the separation capillary. On-line solid- phase extraction capillary electrophoresis (SPE-CE) is a powerful approach for sample clean-up and reduction of the limits of detection. In SPE-CE, analytes from a large volume of sample are retained on a sorbent contained in a microcartridge. In unidirectional SPE-CE, the most typical configuration, the microcartridge is mounted in series to the separation capillary, inserted near the capillary inlet. After sample loading, the microcartridge is washed to remove non-selectively retained molecules. Then, the retained analytes are desorbed in a small volume of eluent, resulting in sample clean-up and concentration enhancement before electrophoretic separation and detection. In the present thesis, selective sorbents, such as immunoaffinity, aptamer affinity, immobilized metal affinity and silicon carbide sorbents have been explored in unidirectional SPE-CE-MS for the analysis of intact proteins, such as transthyretin, which is a biomarker of familial amyloidotic polyneuropathy type I, and α-synuclein, which is related to Parkinson’s disease, protein digests and miRNAs, which are related to cancer, in biological fluids. Unidirectional SPE-CE-MS is straightforward to implement. However, this simple setup has some inherent limitations. On the one hand, the sample volumes introduced using pressure depend on the dimensions of the separation capillary. On the other hand, sample loading is conducted in the same direction as the subsequent separation. Therefore, some of the matrix components could be irreversibly adsorbed in the inner wall of the separation capillary. Furthermore, in many cases, the requirements of on-line preconcentration are incompatible with the BGE necessary for an efficient separation or sensitive MS detection. In order to overcome these drawbacks, some new configurations where the sample is introduced in an orthogonal direction to the separation have been proposed, requiring the use of valves. We have investigated SPE-CE-MS with a nanoliter valve (nvSPE-CE-MS). A nvSPE-CE-MS method with a C18 sorbent for the analysis of opioid peptides and amyloid beta peptide fragments has been developed and the advantages and disadvantages compared to the unidirectional SPE-CE- MS have been discussed. New strategies for high-throughput bottom-up analysis of proteins have also been investigated. Tryptic digestion has been traditionally conducted in solution and requires long digestion times. In contrast, immobilized enzymes allow decreasing the sample volume and the total digestion times, minimize the sample handling, improve the digestion yields, as well as to stabilize the enzyme, avoid its autoproteolysis and simplify its recovery making it reusable. In this thesis, we have investigated on-line immobilized enzyme microreactor capillary electrophoresis-mass spectrometry (IMER-CE-MS) using microreactors packed with immobilized trypsin particles.
spa
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Peró, 2020
Nuevas estrategias para la mejora de la sensibilidad y la selectividad en el análisis de biomarcadores proteómicos y miRNómicos en fluidos biológicos mediante CE-MS
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1723152024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Soler Lecha, Anna
2020-11-24T09:44:12Z
2020-11-24T09:44:12Z
2020-11-11
http://hdl.handle.net/2445/172315
http://hdl.handle.net/10803/670019
[cat] La gestió del risc és una activitat que s’ha anat introduint al laboratori clínic en els darrers anys. Una de les eines més utilitzades per al seu estudi és l’Anàlisi Modal de Fallades i Efectes (AMFE), però té l’inconvenient d’utilitzar escales subjectives per realitzar la caracterització dels errors a partir de la valoració de la seva probabilitat d’aparició, gravetat i capacitat de detecció. Una altra eina, la mètrica Sigma, permet avaluar, a partir dels errors detectats, el rendiment d’un procés d’una manera objectiva i quantitativa, utilitzant una escala internacionalment reconeguda. En aquesta Tesi, s’han utilitzat les dues eines per a la gestió dels riscos del procés analític del Programa de Cribratge Neonatal de Catalunya, al llarg dels anys 2016-2018, a la seqüència metodològica que es descriu a continuació. En primer lloc, l’aplicació de l’AMFE i de la mètrica Sigma han permès avaluar els possibles errors potencials, al llarg de tot el procés analític del Programa, calculant el Número de Priorització del Risc (NPR) mitjançant l’AMFE i el valor de Sigma () a partir de la freqüència d’aparició de cada error expressada com a Defectes Per Milió d’Oportunitats (DPMO). En segon lloc, s’ha determinat el grau de concordança de la informació que ofereixen les dues metodologies establint una correspondència quant als valors i significat dels resultats obtinguts amb cada una d’elles. El resultat s’ha utilitzat per establir l’acceptació o no del risc i quan cal introduir millores.
Els resultats finals de l’estudi mostren que s’han detectat 48 riscos al llarg del procés analític del Programa de Cribratge Neonatal: 14 a la fase pre pre analítica, 6 a la fase pre analítica, 22 a la fase analítica, 5 a la fase post analítica i 1 a la fase post post analítica. En 14 riscos es va trobar que no existia una concordança entre els resultats de les dues metodologies, i precisaven d’un seguiment acurat de cadascun d’ells per prendre la decisió més convenient. De la resta, 27 riscos es van considerar residuals i no calia fer cap acció de millora perquè els valors de NPR i de Sigma () es trobaven en el marge acceptable establert, però 6 riscos no eren acceptables i requerien la introducció d’accions de millora. Aquests 6 riscos es distribuïen de la següent manera: 4 riscos a la fase pre pre analítica, 1 risc a la fase analítica i 1risc a la fase post analítica. Ha estat el laboratori o bé l’Agència de Salut Pública de Catalunya, d’acord amb els responsables del laboratori, els encarregats d’establir les accions de millora amb l’objectiu de mitigar o eliminar aquests riscos.
Per demostrar que la metodologia desenvolupada pot ser d’aplicació en d’altres àmbits del laboratori clínic, es mostren els resultats de la seva aplicació a les fases extra analítiques dels processos analítics del Centre de Diagnòstic Biomèdic. S’han detectat 14 riscos a la fase pre pre analítica en què existeix una concordança entre els resultats del NPR de l’AMFE i el valor de Sigma (). En tots els casos es tracta de riscos menors i residuals.
A partir dels resultats obtinguts es mostra que la metodologia que es proposa pot ser de gran utilitat per a la gestió dels riscos de qualsevol activitat del laboratori clínic i que les eines utilitzades (AMFE i Sigma) ofereixen informació complementària: amb l’AMFE a més de la priorització dels riscos, es posa de manifest la gravetat i la capacitat de detecció d’un error potencial mentre que la mètrica Sigma dóna idea del rendiment del procés.
[eng] Risk management has been introduced in clinical laboratories in recent years.
Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) and Sigma metrics have been used for the risk management of the analytical process of the Neonatal Screening Program of Catalonia from 2016 to 2018. The methodological sequence that has been used was: firstly, the application of FMEA and Sigma metrics; secondly, the establishment of a correspondence of the degree of agreement of the information provided by the two methodologies, and finally, the criteria to decide whether or not to accept the risk have been defined
The results of the study show that 48 risks have been detected throughout the analytical process of the Neonatal Screening Program: 14 in the pre-pre-analytical phase, 6 in the pre-analytical phase, 22 in the analytical phase, 5 in the post-analytical phase and 1 in the post-post-analytical phase. It was found that in 14 risks there was no agreement between the results of the NPR provided by the FMEA and the Sigma value. Another 28 were considered marginal risks and improvement actions were not required. A further 6 risks were classified as not acceptable risks and required the introduction of improvement actions and were distributed as follows: 4 in the pre-analytical phase; 1 in the analytical phase and 1 in the post-analytical phase. It has been the laboratory or the Public Health Agency of Catalonia (in agreement with laboratory staff), who established the improvement actions with the aim of mitigating or eliminating the risks.
In order to demonstrate that the developed methodology may be applicable in other areas of the clinical laboratory, results of its application to the extra-analytical phases of the analytical processes carried out at the Biomedical Diagnostic Centre are also shown.
These results show that the proposed methodology can be useful for the risk management of any activity undertaken in a clinical laboratory. Moreover, FMEA and Sigma metric tools give complementary information in addition to risk prioritization. FMEA highlights the severity and ability to detect a potential error, while Sigma metrics provide an idea of process performance.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Soler, 2020
Desenvolupament de la gestió del risc al laboratori clínic. Aplicació al procés analític del Programa de Cribratge Neonatal de Catalunya
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1731172024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Barbosa Barbero, Sergio
2021-01-13T10:57:07Z
2021-12-16T06:10:20Z
2020-12-16
http://hdl.handle.net/2445/173117
http://hdl.handle.net/10803/670330
[spa] En los últimos años, el consumo de productos naturales ha aumentado enormemente. Cada vez más, los consumidores prefieren una línea natural para la alimentación, medicinas, cosméticos y hasta perfumería, en lugar de consumir productos procesados o preparados sintéticamente. La obtención de productos naturales suele tener un coste más elevado que la de productos sintéticos o procesados, debido a múltiples factores como por ejemplo la necesidad de cumplir con ciertos parámetros de calidad. Por ello, cada vez es más fácil encontrar en el mercado productos naturales con diferentes logos o etiquetas que garantizan su composición natural, su elaboración y su procedencia. La regulación de los productos naturales varía a nivel mundial y además depende del tipo de producto comercializado. Sin embrago, el fraude en los productos naturales sigue siendo una práctica muy extendida que busca principalmente el beneficio económico, ya sea a través de un aumento en las ventas o mediante la reducción de los costes de producción. Esta práctica es muy difícil de combatir, debido principalmente a la globalización del comercio, la complejidad de las cadenas de suministro, las diferencias políticas regulatorias entre cada país y el hecho de que la responsabilidad legal principal se delega de forma predeterminada en los fabricantes. El fraude es un término colectivo que abarca la sustitución, la adición, la manipulación, la tergiversación de ingredientes o envases, o declaraciones falsas o engañosas sobre un producto para beneficio económico. Por tanto, el fraude de un producto natural abarca desde la adulteración del producto hasta un etiquetado incorrecto con la finalidad de obtener un beneficio económico a costa del consumidor. Sin embargo, se debe considerar que el fraude no solo tiene consecuencias económicas sino que también representa importantes problemas de salud cuando se agregan sustancias prohibidas (y puede que tóxicas). Por lo tanto, se requiere el desarrollo de nuevas metodologías analíticas para garantizar la integridad y autenticidad de los productos naturales, considerando también que su adulteración se ha vuelto cada vez más sofisticada, a menudo especialmente diseñada para evitar la detección mediante análisis de rutina. La cromatografía líquida es una de las técnicas de separación más eficaces para garantizar la integridad y autenticidad de los productos naturales. Normalmente se emplean dos enfoques principales: análisis dirigidos y no dirigidos. El análisis dirigido se basa en la determinación específica de un grupo dado de sustancias químicas seleccionadas como los compuestos polifenólicos. La concentración y distribución de estos compuestos obtenidos por LC acoplada a espectrometría de masas de baja resolución (LRMS) o espectrometría de masas de alta resolución (HRMS), pueden emplearse como descriptores químicos para lograr la autenticación de los productos naturales mediante métodos quimiométricos. Por el contrario, los enfoques no dirigidos (basados en la obtención del perfil metabolómico) se basan en las respuestas instrumentales LC-LRMS y LC-HRMS sin asumir ningún conocimiento previo de sus componentes. En este trabajo, se han desarrollado varias estrategias por LC-LRMS y LC-HRMS dirigidas y no dirigidas en combinación con métodos quimiométricos multivariados (análisis de componentes principales y análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales) para abordar la clasificación y autentificación de los varios productos naturales y alimentos. Las diferentes metodologías se aplicaron con éxito en muestras de arándanos rojos, arándano azul, uva, frambuesa y productos farmacéuticos a base de arándano rojo, para garantizar su composición en función de la fruta de origen, así como muestras de pimentón de la Vera, pimentón de Murcia y pimentón procedente de la República Checa con la finalidad de garantizar las denominaciones de origen (DOP) y sus diferentes variedades de sabor.
[eng] In recent years, the consumption of natural products has increased enormously. Nowadays, consumers prefer a natural production line for food, medicine, cosmetics and even perfumery, instead of consuming processed or synthetically prepared products. Obtaining natural products usually has a higher cost than synthetic or processed ones, due to multiple factors such as the need to comply with certain quality parameters. For this reason, it is becoming easier to find natural products on the market with different logos or labels that guarantee their natural composition, their production and their origin. The regulation of natural products varies worldwide and also depends on the type of product marketed. However, fraud in natural products continues to be a very widespread practice that seeks primarily economic benefit, either through an increase in sales or by reducing production costs. This practice is very difficult to prevent, mainly due to the globalization of trade, the complexity of supply chains, the regulatory political differences between each country and the fact that the main legal responsibility is delegated by default to the manufacturers. Fraud is a collective term that encompasses the substitution, addition, manipulation, misrepresentation of ingredients or packaging, or false or misleading statements about a product for financial gain. Therefore, the fraud of a natural product ranges from the adulteration of the product to an incorrect labeling in order to obtain an economic benefit at the expense of the consumer. However, it must be considered that fraud not only has economic consequences but also represents significant health problems when prohibited (and maybe toxic) substances are added. Therefore, the development of new analytical methodologies is required to guarantee the integrity and authenticity of natural products, considering also that their adulteration has become increasingly sophisticated, often specially designed to avoid detection by routine analysis. Liquid chromatography is one of the most effective separation techniques to ensure the integrity and authenticity of natural products. Two main approaches are typically used: targeted and non-targeted analysis. Targeted analysis is based on the specific determination of a given group of selected chemicals such as polyphenolic compounds. The concentration and distribution of these compounds obtained by LC coupled to low- resolution mass spectrometry (LRMS) or high-resolution mass spectrometry (HRMS) can be used as chemical descriptors to achieve the authentication of natural products by chemometric methods. In contrast, non-targeted approaches (based on metabolomic fingerprinting) are based on the LC-LRMS and LC-HRMS instrumental responses without assuming any prior knowledge of their components. In this work, several targeted and non-targeted LC-LRMS and LC-HRMS strategies have been developed in combination with multivariate chemometric methods (principal component analysis and partial least squares regression-discriminant analysis) to address the classification and authentication of several natural products and food. The different methodologies were successfully applied with samples of cranberries, blueberries, grapes, raspberries and cranberry-based pharmaceutical products, to guarantee their composition depending on the fruit of origin, as well as samples of La Vera, Murcia and Czech Republic paprika in order to guarantee the designations of origin (PDO) and their different flavor varieties.
spa
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Barbosa Barbero, Sergio, 2021
Desarrollo de metodologías analíticas para la caracterización y autenticación de fármacos y alimentos derivados de productos naturales de origen vegetal y ricos en polifenoles
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1744662024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Fernández Pumarega, Alejandro
2021-03-01T10:28:41Z
2021-03-13T06:10:24Z
2020-03-13
http://hdl.handle.net/2445/174466
http://hdl.handle.net/10803/670960
[cat] En la present tesi doctoral s’han estudiat i desenvolupat diferents sistemes de partició cromatogràfics per poder estimar diferents propietats de biopartició, tant d’interès ambiental com d’interès farmacèutic. La determinació d’aquestes propietats a partir dels mètodes tradicionals implica l’ús de procediments tediosos, d’un elevat cost i, sovint, èticament qüestionables, ja que s’utilitzen éssers vius. Per aquest motiu, l’ús de mètodes cromatogràfics (automatitzats, ràpids i relativament senzills) per estimar aquests paràmetres és d’un gran interès. Amb aquesta fi, s’han compilat diferents sistemes cromatogràfics i de biopartició que han estat caracteritzats a partir d’un mateix model el model de paràmetres de solvatació (SPM). Adicionalment, s’han desenvolupat i caracteritzat a partir del mateix model 4 sistemes cromatogràfics: 3 basats en liposomes i microemulsió de preparats de lecitina i un altre basat en una microemulsió formada per bromur de tetradeciltrimetilamoni (TTAB), 1-butanol i heptà. Tots aquests sistemes s’han comparat a partir dels coeficients normalitzats obtinguts de la caracterització pel SPM utilitzant un seguit d’eines matemàtiques i quimiomètriques. Com més similars són els coeficients normalitzats de l’equació de solvatació, més similars són els sistemes comparats. A continuació, per aquells sistemes cromatogràfics que, a priori, podrien subrogar un sistemes de biopartició d’interès, s’han establert correlacions entre la propietat biològica i el logaritme del factor de retenció del compost en el sistema cromatogràfic (k). Després d’avaluar els resultats obtinguts, es pot concloure que la toxicitat envers certs organismes aquàtics (Capgrossos, Fathead Minnow, Daphnia magna, Tetrahymena pyriformis i Streptococcus sobrinus), propietat d’interès mediambiental, pot subrogar-se a partir de 3 sistemes de cromatografia electrocinètica micel·lar i un sistema de cromatografia líquida de fase inversa. Pel que fa a la partició a la pell i la partició octanol-aigua, propietats d’interès farmacèutic, poden subrogar-se a partir de sistemes de cromatografia electrocinètica de microemulsions. Generalment, aquesta metodologia s’aplica a substàncies neutres i hi ha una manca d’estudis per a substàncies carregades. Però, tenint en compte que la majoria de fàrmacs són compostos àcid-base i que la forma iònica d’un compost presenta habitualment un comportament biològic i químic diferent del de la seva forma neutra, s’ha estudiat la idoneïtat de dos sistemes de cromatografia electrocinètica de microemulsions per estimar el coeficient de distribució octanol-aigua (Do/w) de compostos àcid-base ionitzats. A la literatura ja s’ha demostrat que existeix una bona correlació entre el logaritme del coeficient de partició octanol-aigua (Po/w) i el logaritme del factor de retenció de substancies neutres. Per avaluar la capacitat predictiva d’aquests sistemes per compostos àcid-base, s’han establert perfils k-pH en aquests sistemes per 14 àcids i bases monopròtics. Els resultats obtinguts indiquen que, per obtenir factors de retenció precisos, és recomanable evitar la presència de parells iònics utilitzant una microemulsió amb la mateixa càrrega de l’analit (en aquest cas dodecilsulfat de sodi pels anions i TTAB pels cations). També és necessari introduir un factor de correcció de la viscositat quan es calcula k. S’ha de tenir en compte que per calcular k per a compostos carregats s’ha de determinar la mobilitat electroforètica dels compostos amb i sense la presència de la microemulsió. Tenint en compte que la mobilitat electroforètica està inversament relacionada amb la viscositat, la mobilitat electroforètica pot variar en funció de la viscositat del medi on es mesuri. Tot seguit, a partir del perfils k-pH i de la recta log Po/w-log k establerta per compostos neutres, s’ha estimat el valor de log Do/w de compostos àcid-base a diferents valors de pH i s’ha comparat amb l’obtingut amb els mètodes tradicionals (principalment el mètode shake-flask). Els valors obtinguts a partir de les dues metodologies són similars quan el compost es troba a la seva forma neutra o parcialment ionitzat (fins el 99%), mentre que el log Do/w s’ha sobreestimat quan el compost es troba totalment ionitzat. Finalment, a la recerca de nous sistemes cromatogràfics que permetin estimar altres propietats de biopartició, es va realitzar una estada predoctoral a la Vrije Universiteit Brussel (VUB), situada a Brussel·les (Bèlgica). Durant aquest temps es va desenvolupar una columna monolítica basada en un polímer d’estirè-co-divinilbenzè, la qual es va caracteritzar per a la separació de proteïnes a partir de cromatografia líquida de fase inversa per formació de parells iònics.
[eng] The determination of biological properties usually implies expensive and complex procedures which sometimes require the use of living beings, a practice ethically questionable. Thus, the use of physicochemical systems that emulate biopartitioning processes would allow the estimation of biological properties in a faster and automated way avoiding in vivo testing. In the present work, chromatographic and biopartitioning systems characterized in previous works through a same model (the solvation parameter model (SPM)) have been compiled, adding the new developed and characterized systems in the present study. Then, all the systems have been compared using the normalized coeficients resulting from their characterization through the SPM. Finally, correlations between the biological property of interest and the logarithm of the retention factor determined in the best surrogating chromatographic system have been established. The results have shown that toxicity to aquatic species, skin partition, and the octanol-water partition systems can be surrogated employing chromatographic systems based on reserved-phase liquid chromatography and electrokinetic chromatography. Moreover, since there is a lack of studies regarding ionizable solutes, the feasibility of this methodology to estimate biopartitioning properties for ionized compounds have also been evaluated. Particularly, in the present work, the estimation of the octanol-water distribution coefficient of ionized acid-base substances has been studied. With this aim, retention factor-pH profiles have been established for a set of monoprotic acids and bases. To obtain accurate retention factors, the surfactant used to prepare the microemulsion and the ionized solute have the same charge, and a viscosity correction factor has been used. Then, the retention factor of acid-base compounds has been correlated to log Po/w at several degrees of ionization. Results point out that accurate estimations of the parameter can be achieved up to a 99% of ionization. Finally, in order to look for new chromatographic systems presenting different selectivities from those reported to the present, an in-house styrene-co-divinylbenzene monolithic capillary column has been developed and characterized for the separation of a mixture of proteins by ion-pairing gradient reversed-phase liquid chromatography.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Fernández Pumarega, Alejandro, 2021
Caracterització de Sistemes de Partició Cromatogràfics per a la Subrogació de Processos de Biopartició
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1752842024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Fuertes Rodríguez, Inmaculada
2021-03-18T08:33:14Z
2022-03-09T06:10:23Z
2021-03-09
http://hdl.handle.net/2445/175284
http://hdl.handle.net/10803/671146
[eng] Environmental toxicology is undergoing a paradigm shift due to the new concerning environmental reality. Nowadays, to manage subtler and chronic effects of chemicals, either single or mixtures, is an imperative need, especially at low and environmentally relevant concentrations. Not least important is to deal with emerging contaminants (ECs), whose harmful effects in ecosystems and toxicity mechanisms are still unknown. Therefore, new strategies for assessing the toxicity of pollutants with greater environmental relevance must be developed, what requires the application of integrative approaches combining tools from different disciplines. Omic technologies allow the holistic measurement of effects at low levels of biological organization in high throughput platforms, and provide mechanistic data which may become essential in the development and application of more efficient and effective testing strategies. Overall, this thesis aimed to prove the importance of integrating omic and conventional toxicological approaches in order to obtain significant information that helps to unravel any new toxicity mechanism triggered by ECs on the aquatic environment using Daphnia magna as model species. The ECs studied included suspected lipid disruptors (endocrine disrupting compounds, EDCs) and ECs that are known to affect the central nervous system (i.e. neuroactive pharmaceuticals and other chemicals). Different integrative approaches have been developed to assess the toxicity of these compounds by linking effects on reproduction and behavior (individual organism responses), with gene expression changes and its subsequent metabolomic (and thus lipidomic) disruption in D. magna. The ability of EDCs and neuroactive pharmaceuticals to affect reproduction and disrupt lipid homeostasis, as well as the molecular signaling pathways that modulate this disruption, has been addressed throughout the thesis. Within the chapter 2, microarray transcriptomic analysis of D. magna adult females exposed to some EDCs during reproduction was performed, together with the effects on their lipidome by a lipidomic analysis using UHPLC-TOF MS. Common transcriptional mechanisms were identified as energy-related categories, molting and reproduction, and different lipid functional categories. The obtained results allowed to link reproductive effects with changes in lipid profiles and disrupted transference of lipids to eggs in D. magna females. Lipidomic effects of neuroactive pharmaceuticals at environmental concentrations and the driven molecular mechanisms behind them were studied in chapter 3. The hypothesis that serotonin may be involved in regulating lipid dynamics and fecundity responses in D. magna was confirmed by the analysis of the lipidome of genetically tryptophan hydrolase gene knockout clones. Finally, in chapter 4 a targeted metabolomic approached was developed to analyze neurotransmitters in D. magna samples and employed in the study of the effects of neuroactive pharmaceuticals that affected Daphnias’ cognitive behavior. Metabolomic results were linked to the associated transcriptional disruption studied through RNAseq, probing the suitability of these organisms for environmental neurotoxicity studies. Overall, the results obtained throughout this thesis allowed to link transcriptomic signaling pathways with metabolomic effects (lipidomic and neurotransmitter profiles) and with apical responses (reproduction and behavior).
[spa] La toxicología ambiental está experimentando un cambio de paradigma debido a la preocupante nueva realidad medioambiental. Hoy en día, gestionar los efectos más sutiles y crónicos de los compuestos químicos, ya sean individualizados o en mezclas, es una necesidad imperiosa, especialmente en concentraciones bajas y relevantes para el medio ambiente. No menos importante es ocuparse de los contaminantes emergentes (EC), cuyos efectos nocivos en los ecosistemas y sus mecanismos de toxicidad aún se desconocen. Por lo tanto, deben elaborarse nuevas estrategias con mayor relevancia ambiental para evaluar la toxicidad de los contaminantes, lo que requiere la aplicación de enfoques integradores que combinen herramientas de distintas disciplinas. Las tecnologías ómicas permiten medidas holística de efectos producidos a bajos niveles de organización biológica en plataformas de alto rendimiento, y proporcionan datos mecanicistas que pueden resultar esenciales para el desarrollo y la aplicación de estrategias de ensayo más eficientes y eficaces. En general, el objetivo de esta tesis ha sido demostrar la importancia de integrar enfoques toxicológicos ómicos con ensayos toxicológicos convencionales a fin de obtener información significativa que ayude a desentrañar cualquier nuevo mecanismo de toxicidad desencadenado por ECs en el medio acuático utilizando Daphnia magna como especie modelo. Los contaminantes estudiados en esta tesis incluyeron aquellos sospechosos de ser disruptores de lípidos (compuestos disruptores endocrinos, EDC) y ECs que se sabe que afectan al sistema nervioso central (es decir, fármacos neuroactivos y otros productos químicos). Se han desarrollado diferentes enfoques integradores para evaluar la toxicidad de estos compuestos vinculando los efectos sobre la reproducción y el comportamiento (respuestas individuales del organismo), con los cambios en la expresión de los genes y su posterior alteración metabolómica (y por tanto lipidómica) en D. magna. A lo largo de esta tesis se ha abordado la capacidad de los EDCs y de los fármacos neuroactivos de afectar a la reproducción y perturbar la homeostasis lipídica, así como a las vías de señalización molecular que modulan esta perturbación. En el capítulo 2, se realizó un análisis transcriptómico mediante microarrays de hembras adultas de D. magna expuestas a algunos EDCs durante su etapa reporductora, y se estudiaron los efectos producidos en su lipidoma mediante un análisis lipidómico utilizando UHPLC-TOF MS. Se identificaron mecanismos transcripcionales comunes descritos con categorías funcionales relacionadas con la energía, la muda y la reproducción, así como diferentes categorías funcionales de lípidos. Los resultados obtenidos permitieron vincular los efectos reproductivos con cambios en los perfiles de lípidos, así como con una alterada transferencia de lípidos de las hembras de D. magna a sus huevos. En el capítulo 3 se estudiaron los efectos lipidómicos de productos farmacéuticos neuroactivos en concentraciones ambientalmente relevantes y los mecanismos moleculares asociados a ellos. La hipótesis de que la serotonina puede participar en la regulación de la dinámica de los lípidos y las respuestas de la fecundidad en D. magna se confirmó mediante el análisis del lipidoma de clones con el gen triptófano hidrolasa silenciado. Por último, en el capítulo 4 se desarrolló un enfoque metabolómico dirigido para analizar neurotransmisores en D. magna y se empleó en el estudio de los efectos de fármacos neuroactivos que afectaban a su comportamiento cognitivo. Los resultados metabólicos se vincularon a la alteración transcripcional asociada estudiada a través del RNAseq, probando la idoneidad de estos organismos para estudios de neurotoxicidad ambiental. En general, los resultados obtenidos a lo largo de esta tesis permitieron vincular las vías de señalización transcriptómica con efectos metabolómicos (perfiles lipidómicos y de neurotransmisores) y con respuestas apicales (reproducción y comportamiento).
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Fuertes Rodríguez, Inmaculada, 2021
Application of omic approaches on the mechanisms of pollutants using Daphnia magna as model species
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1777632024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Lucero Borja, Diego Sebastián
2021-05-28T09:57:36Z
2022-05-21T05:10:19Z
2021-05-21
http://hdl.handle.net/2445/177763
http://hdl.handle.net/10803/671762
[eng] The present doctoral thesis is focused on the effect of pH, enhancers and biorelevant media in the Solubility and the Dissolution Rates of some selected acidic active pharmaceutical ingredients (API). Because of the effect of these physicochemical parameters in the bioavailability of drugs and their pharmacological action, deepen the knowledge on the factors affecting the dissolution properties is of paramount importance in the drug development process. Solubility and dissolution rates are examined in different aqueous solutions and buffering systems, accounting for the pH values of main interest in the gastrointestinal tract (2.0, 5.8 and 6.5), together with dissolution media that simulate intestinal fluids in fasted (FaSSIF) and fed states (FeSSIF). It is also determined in these media and discussed the effect of some excipients intended as dissolution enhancers, such as cyclodextrins, polyvinylpyrrolidones and hydroxypropylcellulose. Finally, differential scanning calorimetry was used to identify solid-solid interactions between excipients and APIs. As a complementary investigation, this thesis also presents a comparative study of the reference shake-flask and potentiometric CheqSol methods for the determination of solubility, including APIs with different acid/base properties (acidic, amphoteric and basic). The study confirms that solubility is pH dependent, and an accurate pKa determination of the drugs is needed to detect the presence of concurrent aggregation or complexation reactions affecting the amount of compound dissolved. As expected, the addition of excipients increases the solubility of APIs, but in different degrees depending on the drug, excipient, and pH conditions. Solubility in simulated intestinal fluids is generally improved, and the addition of excipients might increase, diminish or even cancel the enhancement, depending on the matrix formed. Interestingly, the factors improving the solubility of an API do not necessarily enhance its dissolution rate. The release of the drug from its compressed solid form (tablet) is a complex process, involving an aqueous boundary layer between the solid and the bulk solution. The results of this thesis point out the need of systematic and detailed dissolution studies in the step of pharmaceutical formulation, as long as the enhancement produced by a particular excipient in a singular dissolution medium can be characteristic of an individual API, and these results cannot be uncritically extended to other drugs.
[spa] La presente tesis doctoral se enfoca en el efecto del pH, excipientes y medios biorelevantes sobre la solubilidad y velocidad de disolución de algunos principios activos (PA). Dado el efecto de estos parámetros fisicoquímicos en la biodisponibilidad de los fármacos y su acción farmacológica, el profundizar en el conocimiento de los factores que afectan estas propiedades de disolución es de suma importancia en el desarrollo de medicamentos. La solubilidad y velocidad de disolución se examinan en diferentes soluciones y sistemas tamponadores, de acuerdo a valores de pH de interés del tracto gastrointestinal, junto a medios de disolución que simulan fluidos intestinales. También se determina el efecto que puedan tener en estos medios, sustancias como excipientes que aumenten la disolución, tales como ciclodextrinas, polivinilpirrolidonas e hidroxipropilcelulosa. Calorimetría diferencial de barrido fue utilizada para identificar interacciones sólido-sólido entre excipientes y PA. Complementariamente, en esta tesis también se presenta un estudio comparativo entre el método de referencia de equilibrio de fases y el método potenciométrico CheqSol para la determinación de solubilidad, incluyendo PA de diferentes propiedades fisicoquímicas. El estudio confirma la dependencia entre pH y solubilidad, una medición exacta del pKa de los fármacos es necesaria para detectar la presencia de agregados o complejos que afecten la cantidad de muestra disuelta. Como se esperaba, la adición de excipientes incrementa la solubilidad pero en diferente grado dependiendo del compuesto, el excipiente y las condiciones de pH. La solubilidad generalmente es mejorada cuando se usan medios biorelevantes, mientras que el uso de excipientes en estos medios podría incrementar, disminuir o cancelar el efecto de solubilización, dependiendo de la matriz formada. Sorpresivamente, los factores que incrementan la solubilidad no necesariamente lo hacen en la velocidad de disolución. La liberación del compuesto desde la superficie de la tableta es un proceso complejo, relacionado con la capa acuosa intermedia entre la tableta y la solución. Los resultados de esta tesis señalan la necesidad de estudios sistemáticos y detallados en el paso previo de formulación farmacéutica, pues la mejora producida por un excipiente en particular en condiciones singulares del medio, puede ser característica para un PA específico, y estos resultados no deben ser extrapolados sin criterio a otros fármacos.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Lucero Borja, Diego Sebastián, 2021
Solubility and Dissolution Rate of Active Pharmaceutical Ingredients: Dissolution Media and Effect of Enhancers
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1803912024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Mancera Arteu, Montserrat
2021-10-06T09:19:31Z
2021-12-11T06:10:24Z
2020-12-11
http://hdl.handle.net/2445/180391
http://hdl.handle.net/10803/672552
[spa] La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de nuevos métodos de análisis para la identificación y separación de glicopéptidos y glicanos utilizando técnicas microseparativas acopladas a la espectrometría de masas (cromatografía de líquidos capilar y electroforesis capilar, CapLC-MS y CE-MS). Aunque el análisis de los glicopéptidos es una estrategia habitualmente utilizada para la caracterización de productor farmacéuticos, continúa siendo difícil la detección de glicoformas poco abundantes que podrían ser esenciales para diferenciar proteínas endógenas de variantes recombinantes. De este modo, en esta tesis se han desarrollado dos métodos para la purificación selectiva de glicopéptidos, obtenidos de digestos de glicoproteínas, utilizando la eritropoetina humana recombinante (rhEPO) como glicoproteína modelo.
Por otro lado, en muchas patologías se han descrito alteraciones en los glicanos de ciertas glicoproteínas en presencia de procesos inflamatorios importantes y muchos tipos de cáncer. Además, dado que ciertas estructuras de glicano así como tipos de enlace han estado relacionados con enfermedades específicas, la caracterización exhaustiva de los tipos de enlace de los isómeros de los glicanos ha suscitado gran interés biomédico en los últimos años. En este sentido, se han establecido en esta tesis doctoral diferentes metodologías para la caracterización de los isómeros de los glicanos de la alfa-1-glicoproteína ácida (hAGP), la cual ha generado interés biomédico dada la alteración de sus glicanos en ciertos procesos inflamatorios y cáncer. Primero, la digestión con diversas exoglicosidasas (sialidasa, fucosidasa y galactosidasa) en combinación con el análisis de los glicanos per cromatografía de líquidos capilar de interacción hidrofílica zwitteriónica acoplada a la espectrometría de masas (CapZIC-HILIC-MS) y la estrategia GRIL utilizando [12C6]/[13C6]- anilina, permitió asignar los enlaces de los ácidos siálicos, así como de las fucosas de los isómeros de los glicanos de la hAGP. Por otro lado, se desarrolló un método para asignar los isómeros de los glicanos per espectrometría de masas en tándem de alta resolución. La posibilidad de separar los isómeros antes de la detección, juntamente con la obtención de la masa exacta de los iones fragmentos, permitió el establecimiento de un método de caracterización de los glicanos fiable por CapZIC-HILIC-MS/MS. Además, la doctoranda realizó una estancia en la Freie Universität Berlin (Berlin, Alemania), bajo la supervisión del Dr. Kevin Pagel, para estudiar la separación de los isómeros de glicanos per espectrometría de movilidad iónica acoplada a la espectrometría de masas (IM-MS).
Finalmente, el método por CapZIC-HILIC-MS en combinación con la estrategia GRIL utilizando [12C6]/[13C6]-anilina se aplicó en esta tesis para el análisis de muestras patológicas, con el fin de evaluar posibles alteraciones en los isómeros de los glicanos de dos glicoproteínas de fase aguda, l’hAGP y la transferrina de ratón (mTf), en presencia de ciertos procesos inflamatorios y cáncer. Además, se emplearon herramientas quimiométricas con el objetivo de identificar glicanos como candidatos biomarcadores de estas patologías.
[eng] The present thesis is focused on the development of novel analytical methods for the identification and separation of glycopeptides and glycans by microseparative techniques coupled to mass spectrometry. Although the analysis of glycopeptides is a commonly used strategy for glycan characterization of biopharmaceuticals, the detection of low abundant glycopeptides that could be essential to differentiate endogenous and recombinant variants of certain proteins continues to be a challenge. In this thesis, methods to selectively enrich glycopeptides from glycoprotein digests were developed using recombinant human erythropoietin (rhEPO) as model glycoprotein.
On the other hand, alterations in glycan structures have been described in presence of important inflammatory processes and many types of cancer. As certain glycan isomers or linkage-types have been related to specific pathologies, the in depth characterization of glycan isomer linkage-types has aroused great interest in last years. In this regard, different methodologies were established in this thesis to characterize human alpha-1-acid glycoprotein (hAGP) glycan isomers, whose glycosylation has been described to be altered in several diseases. Exoglycosidase digestions, tandem mass spectrometry (MS/MS) as well as ion-mobility mass spectrometry (IM-MS) were used with this purpose.
Finally, the established method for glycan isomer separation in combination with the GRIL strategy with [12C6]/[13C6]aniline was used in this thesis to evaluate possible glycan isomer modifications in two acute-phase proteins, hAGP and mouse transferrin (mTf), caused by certain inflammatory diseases and cancer. Moreover, multivariate data tools, such as PCA and PLS-DA, were also employed in these studies to identify glycan-based biomarker candidates.
spa
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Mancera Arteu, Montserrat, 2021
Separación y caracterización de glicopéptidos y glicanos en fluidos biológicos. Aplicación al diagnóstico del cáncer y otras patologías
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1827192024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Capodiferro, Marco
2022-01-27T16:04:06Z
2022-07-13T05:10:24Z
2022-01-13
http://hdl.handle.net/2445/182719
http://hdl.handle.net/10803/673295
[eng] Mercury is a strong neurotoxin. It has adverse effects on the nervous and cardiovascular systems, it is also deleterious for several organs, and may act as immunotoxic and hormonal disruptor. This compound is released to the environment by several processes which have generated a widespread contamination throughout the whole planet. However, because of the physical-chemical properties of this metal, semi-volatility and water insolubility, the sink of most of it are the sediments of water bodies, namely marine and lacustrine systems. Bacterial processes transform mercury into methylmercury which is much more deleterious for the organisms and human beings. Methylmercury enters into the food chain and accumulates in fish and from fish into humans. Fish consumption is the main source of mercury for the general population. The Mediterranean Sea is a hot spot of mercury pollution, but the origin of this metal has not been elucidated. The present PhD dissertation is devoted assessing what is the origin of this metal and which human pollution burden is involved in fish consumption. To assess the impact of a chlor-alkali plant on a confined environment, fish, sediment and a mammal were collected downstream from the location of a chlor-alkali plant that used a technology that directly releases mercury. Mercury and other metals were examined in the area surrounding the Ebro River and in the marine area located near the mouth of this river. The study has shown that the effects of metal contamination are visible nearby the industrial complex, downriver and in the fish of the Mediterranean area located nearby the Ebro mouth, more than 110 kilometres downriver. This study has also allowed to characterize the specific mercury isotopic composition of chlor-alkali plants. Subsequently, the study of the fish devoted to human consumption in L’Ampolla, Ametlla de Mar, Alacant, Mallorca, Menorca, Eivissa, Marseille, Genoa, Civitavecchia and Alghero has allowed the contribution characterization of the atmospheric deposition plus the background level and chlor-alkali plants in the fish from Western Mediterranean. The inputs from the chlor-alkali plants represented about 63-100% of total mercury while the inputs from background + atmospheric fallout ranged between 0% and 37%. The study of 1345 specimens of commercial value sold for human consumption in the above- mentioned locations allowed the characterization of the mercury concentrations in 58 species of lean and cartilaginous fish. 316 samples (23.5% of the total) showed Hg concentrations above the EU recommended limits for human consumption, 0.5 mg kg-1 wet weight (ww) or 1 mg kg-1 ww. The extrapolation of the mercury concentrations observed in Mediterranean fish to the tolerable provisional weekly intakes of methylmercury showed intakes above the thresholds recommended by EFSA for the three countries where the fish was collected, 152%, 151% and 144% for the populations of Spain, France and Italy, respectively. Comparison of the mercury content in the different species allowed to define one group of twelve species whose specimens always fulfilled the EU recommended values for human consumption: sardine, anchovie, squid, surmullet, painted comber, blackspot seabream, blue whiting, salema, brown meagre, picarel, pearly razorfish and common dolphinfish. On the contrary, the species showing a high percentage of individuals not fulfilling the EU recommendations were dusky grouper, european barracuda, common dentex, norway lobster, greater forkbeard, common seabream, porbeagle and thornback ray.
[spa] El mercurio es un contaminante potente que se libera tanto a partir de fuentes industriales como naturales. Se encuentra en todas partes pero tiende a acumularse en los sistemas acuáticos debido a sus propiedades fisicoquímicas. La fuente principal de mercurio en los seres humanos es el consumo de pescado y marisco. La ingesta de dicho metal da lugar a efectos adversos a nivel neuronal, endocrino e inmunológico. Este contaminante es particularmente abundante en los organismos marinos del Mediterráneo occidental, desconociendose las causas que han dado lugar a las concentraciones elevadas y su distribución en dicha cuenca marina. Por ello, en la presente memoria de tesis se ha tomado esta cuenca como referencia y se ha investigado cuál es el origen y distribución de dicho contaminante y su posible acumulación en humanos mediante los temas siguientes: • descripción de la distribución de mercurio y su acumulación en sedimentos y organismos de un ambiente fluvial altamente contaminado por las emisiones de una planta cloro-álcali que utilizaba tecnología de mercurio en el cátodo. • composición isotópica del mercurio en diferentes tipos de muestras contaminadas por emisiones de plantas de cloro-álcali. • rastreo de la extensión geográfica de la contaminación utilizando las composiciones de los isótopos de mercurio de las diversas muestras contaminadas. • rastreo del origen del mercurio en muestras de pescado en el Mediterráneo occidental utilizando la composición isotópica del mercurio, discriminando entre diferentes fuentes y, específicamente, entre los aportes de plantas cloro-álcali, la deposición atmosférica y otras contribuciones. • desarrollo de un método para estimar la contribución de mercurio de diferentes fuentes. • descripción de la cantidad total de mercurio en el pescado del Mediterráneo occidental. • cálculo de las estimaciones de la ingesta semanal provisional tolerable de metilmercurio en las poblaciones de España, Francia e Italia. Estas estimaciones proporcionarán información preliminar para una evaluación futura de los riesgos para la salud asociados al consumo de pescado local. • evaluación de qué especies de peces comestibles en el mar Mediterráneo representan un riesgo o no para el consumo humano debido al mercurio. • identificación de las especies que tienen un nivel alto de mercurio en una región mediterránea específica.
[ita] Il mercurio è un potente inquinante rilasciato sia da fonti industriali che naturali. Si trova ovunque, ma tende ad accumularsi nei sistemi acquatici a causa delle sue proprietà fisico-chimiche. La fonte primaria di mercurio nell'uomo è il consumo di pesce e frutti di mare. La maggiore preoccupazione per l'assorbimento del mercurio è dovuta agli effetti neuronali, endocrini e immunologici avversi che provoca. Nonostante le informazioni disponibili in letteratura, è necessario colmare diverse lacune in termini di valutazione dell'entità degli effetti di questo neuroinquinante, di previsione del contributo delle sorgenti che lo rilasciano e di considerazione della situazione del mercurio in un contesto come quello occidentale Mediterraneo perché si trova in grande abbondanza. Quindi in questa dissertazione si è cercato di colmare queste lacune trattando diverse tematiche che, nella fattispecie, sono: • la descrizione della distribuzione e l’estensione del mercurio in un ambiente altamente contaminato a causa del rilascio di questo inquinante da un impianto di produzione di cloro- alcali che utilizza una tecnologia a rilascio di mercurio. • la composizione isotopica del mercurio in diversi tipi di campioni contaminati dalle emissioni di impianti cloro-alcali. • il tracciamento dell'estensione geografica della contaminazione utilizzando le firme degli isotopi di mercurio dei diversi esemplari contaminati. • Il tracciamento dell'origine del mercurio in campioni di pesce nel Mar Mediterraneo occidentale utilizzando la composizione isotopica del mercurio, discriminando tra fonti diverse e, nello specifico, tra input di impianti cloro-alcalini e deposizione atmosferica più background. • lo sviluppo di un metodo per la stima del contributo del mercurio da diverse fonti. • la descrizione del quantitativo complessivo di mercurio nei pesci del Mediterraneo occidentale. • il calcolo delle stime di assunzione settimanale provvisoria tollerabile di metilmercurio nelle popolazioni di Spagna, Francia e Italia. Queste stime forniscono informazioni preliminari per una futura valutazione dei rischi per la salute associati al consumo locale di pesce. • la valutazione di specie ittiche edibili del Mar Mediterraneo che possono essere rischiose o sicure per il consumo umano. • identificare le specie che hanno un alto livello di mercurio in una specifica regione.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-nd (c) Capodiferro, Marco, 2022
Dietary exposure to neurotoxic and endocrine disruptive effects: The mercury case
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1827602024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Rocha de Oliveira, Rodrigo
2022-01-27T16:27:57Z
2022-01-27T16:27:57Z
2022-01-19
http://hdl.handle.net/2445/182760
http://hdl.handle.net/10803/673296
[eng] With the emergence of Industry 4.0 and the increasing availability of sensors and data acquisition systems, modern manufacturing processes are now generating large amounts of process data on a scale as never seen before. During the past few decades, the intense development of powerful data-driven methodologies for process analytics has demonstrated the importance of multivariate data analysis for this field. Still, new strategies inspired by current methodologies and yet to be developed will continuously be required to tackle new challenges posed by the digital revolution in process analytics.
This thesis has been focused on the development and application of chemometric tools for process analytical technology (PAT) and includes approaches for process monitoring, modeling and control of batch processes. All the methodology proposed has been tested on real batch processes of diverse nature monitored with sensor of different typology. The chemometric tools developed in this thesis are meant to be used in two different contexts: a) process monitoring, modeling, and control using spectroscopic probes and process sensors, and b) process monitoring using hyperspectral images.
In the context of process monitoring using spectroscopic probes and process sensors, different methodologies have been designed to handle information coming from synchronized and non-synchronized batch process data. For synchronized batch process data, new strategies for offline and online Multivariate Statistical Process Control (MSPC) have been designed. Offline MSPC models, meant to control complete batches, were built based on information coming from original sensor variables or from compressed spectral information, issued from multivariate exploratory and resolution analysis outputs. Online process control methodologies were based on the use of local MSPC models built exploring the effect of different designs of process time windows onto the capacity to discriminate between observations following normal operation conditions (NOC) and showing an abnormal behavior. For non-synchronized batch data, a novel batch synchronization-free online MSPC methodology for tracking process evolution and control was proposed based on the idea of a global batch process trajectory and the use of local MSPC models.
A clear improvement of the results linked to all MSPC scenarios is linked to the use of new mid-level data fusion strategies. The novel contribution in this thesis is the extension of the idea of data fusion to incorporate both diverse sensor outputs and diverse model outputs issued from the same sensor, but related to different modeling tasks. These model outputs, which are much more specific than mere compressed scores, help significantly to tune the information introduced in the MSPC models and to a better interpretation of the sources of abnormal process behavior.
The chemometric solutions proposed for process monitoring using hyperspectral images (HSI) were mainly oriented to take advantage of the spatial information of the
measurement for the qualitative and quantitative heterogeneity assessment in blending processes. The qualitative description of heterogeneity is linked to HSI unmixing analysis, which provides pure component distribution maps that offer a good visual representation of the evenness in the spatial distribution of the different materials in the blending formulation. The quantitative characterization of heterogeneity is obtained from the variographic analysis of the distribution maps and results in two indices: the Global Heterogeneity Index (GHI), related to the scatter of the individual pixel concentration values, and the Distributional Uniformity Index (DUI), describing the distributional heterogeneity, usually overlooked in traditional approaches, that expresses the evenness in the spatial distribution of the different materials forming a blend. These indices have been proven to be a powerful process analytical tool to characterize the heterogeneity in blending processes monitored atline and inline with NIR-HSI. For image-based inline process monitoring, an extension of this methodology, called SWiVIA (Sliding Window Variographic Image Analysis), has been adapted for the continuous assessment of heterogeneity in real-time blending process monitoring. The versatility of the SWiVIA methodology enables heterogeneity assessment at the time resolution and spatial scale of scrutiny required for the blending application of interest.
[cat] Amb l'arribada de la Indústria 4.0 i la creixent disponibilitat de sensors i sistemes d'adquisició de dades, els processos de fabricació moderns generen quantitats ingents de dades de procés a una escala mai vista. Durant les últimes dècades, el desenvolupament continuat de metodologies d'anàlisi de processos basades en la interpretació directa de la mesura ha confirmat la importància de l'anàlisi multivariant de dades en aquest camp. Tot i així, caldrà desenvolupar noves aproximacions inspirades en metodologies existents o encara per descobrir per afrontar els nous reptes que planteja la revolució digital en l'anàlisi de processos.
Aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament i aplicació d'eines quimiomètriques lligades a la tecnologia analítica de processos (PAT) per al seguiment, modelització i control de processos per lots. Tota la metodologia proposada ha estat provada en processos reals de diversa naturalesa monitorats amb sensors de diferents tipologies. Les eines quimiomètriques desenvolupades en aquesta tesi estan pensades per ser utilitzades en dos contextos diferents: a) el seguiment, modelització i control de processos mitjançant sondes espectroscòpiques i sensors de procés, i b) el seguiment de processos mitjançant imatges hiperespectrals.
En el context del monitoratge de processos mitjançant sondes espectroscòpiques i sensors de procés, s'han dissenyat diferents metodologies per gestionar la informació procedent de dades de procés per lots sincronitzats i no sincronitzats. Per a dades de lots sincronitzats, s'han dissenyat noves estratègies per al control estadístic multivariant de processos (MSPC, Multivariate Statistical Process Control) offline i online. Els models MSPC offline, destinats a controlar lots complets, es van construir a partir d'informació associada a variables originals de sensors o d'informació espectral comprimida, procedent de resultats de models d'anàlisi exploratòria i de resolució multivariant. Les metodologies de control de processos online es van basar en l'ús de models locals de MSPC construïts explorant l'efecte de diferents dissenys de finestres de temps de procés sobre la capacitat de discriminar observacions seguint condicions normals d’operació (NOC, Normal Operation Conditions) d’observacions amb un comportament anòmal. Per a les dades de lots no sincronitzats, es va proposar una nova metodologia MSPC online exempta de l’etapa de sincronització per fer un seguiment de l'evolució i el control del procés basada en l’ús d'una trajectòria global del procés per lots, que serveix per a la construcció de models locals de MSPC.
Una millora clara dels resultats associada a tots els escenaris de models MSPC està vinculada a l'ús de noves estratègies de fusió de dades de nivell intermedi (mid-level data fusion). La nova contribució d'aquesta tesi és l'extensió de la idea de fusió de dades a la incorporació tant de respostes de sensors diversos com de resultats de models multivariants obtinguts de respostes d’un mateix sensor, però relacionats amb
diferents tasques de modelització. Aquests resultats de models multivariants, que aporten informació molt més específica que els scores de PCA, per exemple, permeten una tria més acurada de la informació que s’introdueix en els models MSPC i faciliten una millor interpretació de les causes de comportaments anòmals en el procés.
Les solucions quimiomètriques proposades per al seguiment de processos mitjançant imatges hiperespectrals (HSI, Hyperspectral Images) es van orientar principalment a aprofitar la informació espacial de la mesura per a l'avaluació qualitativa i quantitativa de l'heterogeneïtat en els processos de mescla. La descripció qualitativa de l'heterogeneïtat està vinculada al resultat de l’anàlisi de resolució multivariant de les dades HSI, que proporciona mapes de distribució de components purs que ofereixen una bona representació visual de la uniformitat en la distribució espacial dels diferents materials en la mescla estudiada. La caracterització quantitativa de l'heterogeneïtat s'obté de l'anàlisi variogràfica dels mapes de distribució i està basada en dos índexs: l'índex d'heterogeneïtat global (GHI, Global Heterogeneity Index), relacionat amb la dispersió dels valors de concentració dels píxels individuals, i l'índex d'uniformitat distribucional (DUI, Distributional Uniformity Index), que descriu l'heterogeneïtat distribucional, normalment ignorada en plantejaments tradicionals, que expressa el grau d’uniformitat en la distribució espacial dels diferents materials que formen una mescla. S'ha demostrat que aquests índexs són una eina PAT potent per caracteritzar l'heterogeneïtat dels processos de mescla seguits amb mesures discretes o en temps real mitjançant imatgeria hiperespectral d’infraroig proper (NIR-HSI). Per al seguiment de processos en temps real basat en imatges, s'ha adaptat una extensió d'aquesta metodologia, anomenada SWiVIA (Sliding Window Variographic Image Analysis – Anàlisi variogràfica d’imatges basada en finestres mòbils), per a l'avaluació en temps real de l'heterogeneïtat en el seguiment continu de processos. La versatilitat de la metodologia SWiVIA permet l'avaluació de l'heterogeneïtat amb la resolució temporal i l'escala espacial d'escrutini desitjada segons les característiques del procés de mescla estudiat.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Rocha de Oliveira, Rodrigo, 2022
Development and implementation of strategies for process data fusion, modelling and control
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1866502024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Sala Solà, Berta
2022-06-16T14:13:32Z
2022-06-16T14:13:32Z
2022-06-10
http://hdl.handle.net/2445/186650
http://hdl.handle.net/10803/674582
[cat] Els organofosfats èsters (OPEs) s’apliquen a una gran varietat de materials tant com a retardants de flama (FRs) i/o com a plastificants. En són un exemple els aparells electrònics, els teixits, mobles i els plàstics en si. Cada vegada hi ha una demanda més gran d’aquests compostos ja que són els principals substituts dels FRs èters difenílics polibromats (PBDEs), prohibits el 2009 pel Conveni d’Estocolm.
En aquesta tesi s’ha volgut avaluar l’impacte d’OPEs i d’altres FRs ja prohibits en el medi ambient i més concretament, en els organismes marins. Per fer-ho, s’ha estudiat el comportament espai- temporal dels OPEs analitzant 4 espècies diferents de dofins. Per tal de poder escollir quin teixit dels dofins era el més idoni per poder estudiar la concentració d’OPEs en biota marina, es va dur a terme un anàlisi d’aquests contaminants en diferents teixits del dofins recol·lectats al Mar d’Alboran. L’estudi va demostrar que el múscul era el més adient i per tant, és el teixit que es va mostrejar en els altres dofins.
Les diferents espècies de dofí s’han mostrejat en 3 zones. L’anàlisi espacial només s’ha realitzat per a les dues zones que disposàvem de mostres d’anys similars: Mar Mediterrani (per la costa catalana) i l’Oceà Índic (per la costa de Sudàfrica). En aquest estudi, es va poder observar que la concentració d’OPEs a la costa de Sudàfrica era 1,5 vegades superior a la del Mediterrani occidental. Tot i així, la diferència de concentracions entre ambdues zones no era significativa. També es va poder estudiar la concentració de PBDEs en les mateixes zones d’estudi, observant que eren molt més baixes que les trobades pels OPEs. Es va destacar que pel cas de la costa de Sudàfrica els OPEs eren significativament superiors als PBDEs, fins a dos ordres de magnitud per sobre. Aquest fet, va fer pensar que la contaminació d’OPEs, a banda de venir del seu ús com a FRs, també hi tenia un gran impacte la seva funció com a plastificant ja que es tracta d’una zona molt contaminada pels residus plàstics. Els perfils d’OPEs trobats a les 3 zones ens mostra la semblança que hi ha entre les dues costes del mateix mar, el Mediterrani, enfront a la del sud-oest de l’Índic. La tendència temporal dels OPEs, es va veure només en el Mar Mediterrani, a on s’observà que la concentració dels OPEs era constant al llarg del temps, així com les concentracions de plàstics en la mateixa zona.
També s’ha estudiat la bioacumilació i la biomagnificació d’OPEs en organismes marins. En aquest cas, s’han pogut analitzar per primera vegada mostres de diferents espècies d’organismes marins de diferents nivells tròfics, com per exemple la medusa i la tortuga babaua, entre d’altres. Es va poder observar que no existien diferències significatives entre els nivells tròfics estudiats, indicant una manca de biomagnificació global dels OPEs.
Tot i així, al disposar de mostres de parelles predador-presa es va poder calcular el BMF i veure quins contaminants tendien a biomagnificar-se de manera individual on es va observar que compostos que la bibliografia descriu com que tendeixen a metabolitzar-se, com per exemple el TNBP, presenten un potencial de biomagnificació. També es va comprovar que l’aportació dels OPEs als organismes marins pot venir donada tant per la dieta com per la ingesta directa de plàstics. Els resultats de les mostres de lluç ens va permetre calcular la ingesta d’OPEs a través del consum
de peix, observant una nul·la amenaça per a la salut pública d’aquests contaminants per aquesta via d’entrada, tot i que l’exposició dels humans cap aquests contaminants és més àmplia.
Finalment, al disposar de les mostres de rorqual comú i fetus, es va poder fer el primer estudi de transferència materna d’OPEs i també es va poder mirar la transferència de les SCCPs i el DBDPE. Els resultats van demostrar concentracions d’aquests tres compostos en els fetus, demostrant així la transferència placentària.
[eng] Organophosphate ester (OPEs) are applied to a wide variety of materials both as flame retardants (FRs) and/or as plasticizers. Examples are textiles, furniture and plastics. There is a growing demand for these compounds as they are the main substitutes for FRs polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), banned in 2009 by the Stockholm Convention.
The aim of this thesis is to evaluate the impact of OPEs and other FRs already banned on the environment and on marine organisms. The spatio-temporal trends of OPEs has been studied by analyzing 4 different species of dolphins from 3 different areas. The spatial analysis was carried out for the two areas where we had samples from similar years: the northwestern Mediterranean Sea and the Indian Ocean. It was observed that the concentration of OPEs on the coast of South Africa was 1.5 times higher than in the Mediterranean. In the case of the Indian Ocean the OPEs were significantly higher than the PBDEs, up to two orders of magnitude above. This fact suggested that the contamination of OPEs had a great impact on its function as a plasticizer as it is an area heavily contaminated by plastic litter. The profiles of OPEs found in the 3 zones show the similarity between the two coasts of Mediterranean, compared to Indian Ocean. The temporary trend of OPEs was seen only in the Mediterranean Sea, where it was observed that the concentration of OPEs was constant over time, as well as the concentrations of plastics in the same area.
We also studied the bioaccumulation and biomagnification of OPEs in marine organisms. In this case, samples of different species of marine organisms of different trophic levels could be analyzed for the first time. It was observed that there were no significant differences between the trophic levels studied, indicating a lack of global biomagnification of OPEs.
Having samples of predator-prey pairs, it was possible to calculate the BMF and see which contaminants tended to biomagnify individually and with the common whale and foetus samples available, the first maternal transfer study of OPEs, SCCPs and DBDPE could also be looked at.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Sala Solà, Berta, 2022
Impacte dels residus plàstics en organismes marins: avaluació de la bioacumulació de plastificants i retardants de flama
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1875412024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Vidal Antich, Carme
2022-07-11T09:54:48Z
2022-07-11T09:54:48Z
2022-06-14
http://hdl.handle.net/2445/187541
http://hdl.handle.net/10803/674750
[eng] Rapid population growth is leading to many environmental problems, among which a large waste generation should be highlighted. More than 40% of these wastes correspond to organic wastes that are mainly treated by composting, anaerobic digestion, incineration, or even landfilled. Hence, it is important to implement new treatment strategies within the circular economy concept transforming organic waste treatment plants into biorefineries. In this way, acidogenic fermentation emerges as a key technology to valorise these substrates producing high value- added products such as volatile fatty acids (VFAs), that could be further transformed into bioplastics (i.e., polyhydroxyalkanoates or PHA). Consequently, acidogenic fermentation and co-fermentation of waste activated sludge (WAS) and food waste (FW) were studied to achieve a VFA-rich effluent for its subsequent conversion into PHA.
The pH effect on the acidogenic fermentation of FW was studied in batch mode (pH range from 4 to 11) and in semi-continuous fermenters working under acidic (6) and alkaline pH (9.5-10). Batch tests revealed that pH between 6-9 could lead to a higher VFA production, with a higher acetic acid content when pH increased within this range. In the semi-continuous fermenters, a maximum VFAs yield of
503.1 mgCOD/gVS was obtained when working at pH 6 with acetic, butyric and caproic acids as majoritarian VFAs, while at pH 10, a lower yield (315.1 mgCOD/gVS) was obtained with acetic as the main acid.
WAS and FW co-fermentation was explored (50%, 70% and 90% WAS on VS basis), demonstrating the benefits, since a higher fermentation yield was obtained in WAS/FW co-fermentation assays compared to WAS or FW mono-fermentation. In all mixtures tested, the buffer capacity of WAS was enough to maintain the pH above inhibitory levels without reagents addition. Moreover, when the proportion of FW in the WAS/FW was raised, more butyric and less propionic acid was produced achieving a maximum fermentation yield of 480 mgCOD/gVS when the mixture was
50%FW+50%WAS. Since the effect of each FW fraction has been barely studied, discontinuous assays using diverse FW fractions were also performed. The principal components analysis (PCA) revealed the relation between each fraction and each fermentation profile. Furthermore, these assays were essential to understanding the
importance of balancing the protein-to-carbon ratio to achieve a maximum VFA
yield of about 500 mgCOD/gVS.
WAS and FW co-fermentation was studied under long-term conditions in semi-continuous fermenters at several organic loading rates (OLR). This study demonstrated the importance of microorganisms’ immigration with the feed substrates and their adaptation in semi-continuous processes. The stages carried out at OLR 9 and 11 gVS/(L·d) obtained lower VFAs yields probably due to the methanogenic activity favoured at the neutral pH. However, when higher OLR were applied (14 and 18 gVS/(L·d)), the pH started to decrease with a concomitant increase on the VFA yield until achieving a maximum of 475 mgCOD/gVS, with butyric as the main acid. Moreover, this study demonstrates that not only the FW properties and its proportion affect the obtained VFA yield and distribution on co-fermentation, but also the WAS characteristics are important, especially when the pH is low, and the buffering capacity could avoid a sudden drop in the pH.
Finally, the start-up and operation of a sequencing batch reactor (SBR) to select PHA-storing microorganisms was performed using a VFA-rich feeding with an OLR of 2.0 and 2.8 gCOD/(L·d). The biomass selection was carried out with a double growth limitation strategy (feast/famine and uncoupled carbon and nitrogen feeding). The successful selection of PHA-storing biomass was confirmed in batch accumulations assays where VFA pulse feeding strategy was used obtaining a PHA content between 44 and 46% (on SS basis) with polyhydroxybutyrate (PHB) as the main component.
[spa] El gran crecimiento poblacional está comportando una gran generación de residuos que necesitan ser tratados de la mejor manera posible. Por ello, la Unión Europea propone implementar nuevas estrategias de tratamiento de residuos dentro del concepto de economía circular mediante la transformación de las plantas de residuos en biorrefinerías, donde los residuos son concebidos como productos. En este sentido, el proceso de fermentación acidogénica emerge como una tecnología clave para valorizar los sustratos orgánicos en forma de productos de alto valor añadido como son los ácidos grasos volátiles (AGVs) que pueden ser usados para la producción de bioplásticos (polihidroxialcanoatos o PHA).
Los residuos alimentarios y los fangos activos de las depuradoras son los residuos orgánicos más generados en las zonas urbanas. Actualmente son tratados por separado, pero debería contemplarse su tratamiento conjunto ya que resultaría beneficioso debido a las sinergias que se formarían. Por este motivo, la presente tesis se basa en el estudio de la fermentación acidogénica de estos residuos por separado, así como su tratamiento conjunto (co-fermentación) con el fin de generar un efluente rico de AGVs para su posterior conversión en PHA.
Para ello, se llevaron a cabo estudios en discontinuo y en semi-continuo para comprobar el efecto del pH en la fermentación de los residuos alimentarios viendo que tiene un papel crucial. Seguidamente, se estudió la co-fermentación de fangos activados con los residuos alimentarios en diferentes proporciones. Este estudio demostró que la capacidad tampón del fango era suficiente para sostener el pH por encima de los niveles inhibitorios. Asimismo, se mostraron sinergias al co-fermentar estos residuos con producciones mayores que mono-fermentando, viendo que la proporción de cada residuo afectaba a la producción y perfil de los AGVs. Además, también se estudió la relación entre cada fracción de los residuos alimentarios y el perfil de producción de ácidos. También se comparó el efecto de trabajar en discontinuo y semi-continuo viendo que tenía importantes efectos debido a la inmigración y adaptación de los microorganismos. Finalmente, se estudió la viabilidad de producir PHA usando un efluente sintético rico en AGVs obteniendo unos buenos porcentajes de acumulación del biopolímero.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Vidal Antich, Carme, 2022
Food waste and waste activated sludge conversion into volatile fatty acids to produce bioplastics
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1881402024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Marín García, Marc
2022-07-28T07:09:02Z
2022-07-28T07:09:02Z
2022-07-20
http://hdl.handle.net/2445/188140
http://hdl.handle.net/10803/675050
[cat] En els darrers anys, l’augment en la producció de compostos orgànics sintètics i el seu constant alliberament al medi ambient, sobretot en referència als productes farmacèutics, compostos en els quals s’ha centrat aquesta tesi, ha fet que aquestes substàncies d’origen generalment antropogènic s’hagin anat acumulant als ecosistemes biològics de forma important, extensa i persistent, especialment en el medi aquàtic.
Per aquest motiu, és necessari utilitzar processos de depuració ambiental per tal d’eliminar les substàncies nocives per a la salut i el medi ambient que aquestes puguin ocasionar. Tanmateix, les tecnologies de depuració emprades encara no permeten eliminar aquestes substàncies totalment de forma quantitativa. A més, els possibles efectes perjudicials d’aquestes substàncies pel medi ambient no es produeixen només pels compostos originals, sinó que en molts casos, també pels seus productes de degradació i metabòlits. Consegüentment, és important conèixer el destí i la transformació que sofreixen els contaminants orgànics un cop entren en l’ecosistema i arriben al medi aquàtic.
Cal, doncs, tenir present que l’aigua és un recurs imprescindible per a la vida que requereix de la millor qualitat sanitària possible per al seu consum. La matèria orgànica dissolta (DOM), present tant en aigües superficials com en subterrànies, i que té un efecte significatiu en els processos bioquímics dels sistemes aquàtics, actua moltes vegades com indicador del nivell de qualitat i salubritat que té l’aigua. Per tant, a l’hora d’optimitzar els processos de purificació realitzats, és també de gran importància conèixer i actuar sobre la concentració i les característiques de la DOM present en ella.
Per aquest motius, en la present Tesi s’han realitzat els següents estudis:
D’una banda, per tal de conèixer i entendre millor el procés de fotodegradació de fàrmacs, s’ha estudiat el procés de degradació de dos d’ells. En un primer estudi, diferents mostres d’un medicament citostàtic (tamoxifè) es sotmeten a una font de radiació UV controlada en el laboratori, que simula la radiació solar ambiental (suntest), emprant dues potències d’irradiació diferents. Al mateix temps, es realitza el seguiment de la seva fotodegradació a partir de mesures espectrofotomètriques UV-Visible i de fluorescència multidimensional (matrius d’excitació-emissió, EEM). Seguidament, diferents alíquotes de mostra al llarg de la degradació són analitzades mitjançant LC-DAD, LC-MS i/o LC-FLD. Aquestes anàlisis, que generen una quantitat de dades molt elevada, es fusionen i tracten simultàniament a partir de procediments quimiomètrics avançats (especialment amb el mètode de resolució multivariant de corbes per mínims quadrats alternats (MCR-ALS)), que permeten descriure el procés i la reacció de degradació, resoldre els diferents productes de transformació (TPs), fer la seva identificació i fer l’avaluació de la cinètica associada al procés estudiat. Com a resultat d’aquest estudi, 3 TPs i 1 isòmer del tamoxifè van ser caracteritzats.
Un segon estudi amb el mateix objectiu va ser realitzat sobre l’antibiòtic sulfametoxazol, present en rius i efluents de tot Europa en concentracions destacables. Addicionalment, un estudi de les propietats àcid-base d’aquesta substància va ser dut a terme per tal de veure com el pH pot afectar a l’especiació d’aquest compost. De la mateixa manera, per tal de conèixer si la fotodegradació del fàrmac es troba influenciada per aquest paràmetre, el procés de degradació va ser estudiat emprant solucions de mostra a pH diferents. Com a resultat de l’anàlisi quimiomètrica de les dades d’aquest segon estudi, un isòmer conformacional, un fotoproducte desconegut i 4 TPs van ser caracteritzats. D’altra banda, 3 formes diferents de l’antibiòtic van ser detectades en la corresponent valoració àcid-base.
D’altra banda, per conèixer la qualitat de les aigües superficials dels rius, diferents mostres d’aigua superficial procedents de la conca del riu Llobregat han estat analitzades i caracteritzades mitjançant la fluorescència multidimensional (EEM). En aquest estudi, el seguiment de la qualitat de l’aigua a partir de la combinació de les mesures fluorimètriques d’EEM i de la seva modelització quimiomètrica flexible, per mitjà també del MCR-ALS, ha permès obtenir informació sobre la naturalesa de les fraccions de la DOM (origen húmic, fúlvic, proteínic, etc.) presents al riu Llobregat i de la seva distribució geogràfica al llarg de la conca en diferents campanyes de mostreig ambientals.
Així doncs, atès que avui dia existeix una necessitat urgent per desenvolupar noves eines de tractament de dades multivariants, tals com les que s’han obtingut en aquesta Tesi en els diferents casos d’interès ambiental estudiats, la memòria que es presenta vol contribuir a resoldre aquest coll d'ampolla a partir de l’ús de la quimiometria, i en especial del mètode MCR-ALS, el qual pot jugar un paper molt important en la resolució de molts dels problemes associats a l’anàlisi de dades en diferents àmbits d’aplicació química i ambiental.
[eng] In recent years, the increase in the production of synthetic organic compounds and their constant release into the environment, especially in reference to pharmaceuticals, compounds on which this thesis has focused, has meant that these substances of origin generally anthropogenic have been accumulating in biological ecosystems in an important, extensive, and persistent way, especially in the aquatic environment.
For this reason, it is necessary to use environmental purification processes to eliminate substances that are harmful to health and the environment. However, the purification technologies used today do not yet allow these substances to be completely eliminated in a quantitative way. In addition, the potentially harmful effects of these substances on the environment are not only due to the original compounds, but in many cases also to their degradation products and metabolites. Consequently, it is important to know the fate and transformation that organic pollutants undergo once they enter the ecosystem and reach the aquatic environment.
We must therefore keep in mind that water is an essential resource for life that requires the best possible sanitary quality for its consumption. Dissolved organic matter (DOM), present in both surface and groundwater, and which has a significant effect on the biochemical processes of aquatic systems, often acts as an indicator of the level of quality and health of water. Therefore, when optimizing the purification processes carried out, it is also very important to know and act on the concentration and characteristics of the DOM present in it.
For this reason, the following studies have been performed in this Thesis:
On the one hand, to better understand the process of photodegradation of drugs, the degradation process of two of them has been studied. In a first study, different samples of a cytostatic drug (tamoxifen) were subjected to a controlled source of UV radiation in the laboratory, which simulates solar radiation (suntest), using two different irradiation powers. At the same time, its photodegradation is monitored using UV-Visible spectrophotometric measurements and multidimensional fluorescence (excitation-emission matrices, EEM). Then, different sample aliquots along the degradation are analyzed by LC-DAD, LC-MS and / or LC-FLD. These analyzes, which generate a very high amount of data, are merged and treated simultaneously using advanced chemometric procedures (especially with multivariate curve resolution alternating least squares method (MCR-ALS)), which describe the process and the degradation reaction, solve the different transformation products (TPs), identify them and evaluate the kinetics associated with the process studied. As a result of this study, 3 TPs and 1 isomer of tamoxifen were characterized.
A second study with the same aim was carried out on the antibiotic sulfamethoxazole, present in rivers and effluents from all over Europe in remarkable concentrations. Additionally, a study of the acid-base properties of this substance was conducted to see how pH can affect the speciation of this compound. Similarly, to know whether the photodegradation of the drug is influenced by this parameter, the degradation process was studied using sample solutions at different pH. As a result of the chemometric analysis of the data from this second study, a conformational isomer, an unknown photoproduct, and 4 TPs were characterized. On the other hand, 3 different forms of the antibiotic were detected in the corresponding acid-base titration.
On the other hand, to know the quality of the surface water of the rivers, different samples of surface water from the Llobregat river basin have been analyzed and characterized by multidimensional fluorescence (EEM). In this study, the monitoring of water quality from the combination of the fluorometric measurements of EEM and its flexible chemometric modeling, also through the MCR-ALS, has made it possible to obtain information on the nature of the fractions of the DOM (humic, fulvic, protein origin, etc.) present in the Llobregat river and its geographical distribution along the basin in different environmental sampling campaigns.
Therefore, given that there is an urgent need today to develop new multivariate data processing tools, such as those obtained in this Thesis in the different cases of environmental interest studied, the presented report aims to contribute to solve this bottleneck from the use of chemometrics, and especially the MCR-ALS method, which can play a very important role in solving many of the problems associated with data analysis in different areas of chemical and environmental application.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Marín García, Marc, 2022
Estudi de processos de degradació de contaminants orgànics ambientals mitjançant tècniques cromatogràfiques i d'espectrometria i de mètodes quimiomètrics
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1925252024-03-14T07:11:07Zcom_2445_34657col_2445_105623
Sunyer Caldú, Adrià
2023-01-24T11:37:30Z
2023-01-24T11:37:30Z
2023-01-10
http://hdl.handle.net/2445/192525
http://hdl.handle.net/10803/687481
[cat] Els contaminants d’interès emergent (CECs) són aquells que s'han detectat en mostres ambientals i/o humanes, poden causar impactes ecològics o en la salut humana i normalment no estan regulats. La seva contínua introducció al medi ambient (afavorida per la ineficiència de les depuradores convencionals), la pseudo-persistència i la capacitat intrínseca d'interferir amb els organismes, preocupen la comunitat científica i pública. Els seus potencials efectes tòxics poden amenaçar l'estat ecològic de les masses d'aigua així com la salut humana. Cal conèixer quins són aquests contaminants i comprendre la seva presència, destí i processos de transformació en el medi ambient. En el context actual de canvi climàtic, els processos d'economia circular adquireixen una gran importància. En aquest sentit, la reutilització d’aigües residuals i renaturalitzades s'aplica com una solució útil a l'escassetat d'aigua i un millor aprofitament dels recursos. Tanmateix, aquest enfocament no està exempt de risc, ja que els contaminants transmesos per l'aigua es poden traslladar als cultius comestibles després del reg, representant una amenaça per a la salut humana. Així mateix, hi ha altres vies d'exposició als CECs que s'han d'estudiar, i és necessari el biomonitoreig en humans per avaluar exposicions específiques. En aquesta tesi, es van desenvolupar i aplicar potents metodologies analítiques en les diferents etapes del cicle dels CECs, des de l'alliberament fins a la seva degradació (transformació) o (bio)acumulació. Es va avaluar la presència de diferents tipus de CECs, inclosos productes per a la cura personal (PCP), productes farmacèutics, biocides i substàncies per- i polifluoroalquilades (PFAS) en diferents compartiments ambientals. Es van aplicar análisis dirigits i no dirigits per ampliar el coneixement de la presència d'aquests productes químics, i els seus productes de transformació relacionats, a l'aigua, els sediments, la biota i els cultius. Es va posar especial èmfasi en l'estudi de la viabilitat de reutilitzar d'aigües residuals amb finalitats agrícoles. Finalment, es va avaluar l'exposició humana als CECs, posant especial atenció en l'exposició prenatal, durant fases inicials del desenvolupament, mitjançant l'anàlisi de la sang del cordó umbilical. Així, aquesta tesi ha millorat la comprensió i el coneixement sobre la presència, eliminació, transformació i destí dels CECs en ecosistemes aquàtics, medis agroalimentari i, en definitiva, humans.
[eng] Contaminants of emerging concern (CECs) are those that have been detected in environmental and/or human samples, can cause ecological or human health impacts, and are normally not regulated. Their continuous introduction into the environment (favoured by conventional WWTPs inefficiency), pseudo-persistence, and intrinsic ability to interfere with organisms, concern the scientific and public community. Their potential toxic effects can threaten the ecological status of water bodies as well as human health. There is a need to know what these contaminants are and understand their occurrence, fate and transformation processes in the environment. In the current context of climate change, circular economy processes acquire great importance. In this regard, the reuse of waste and reclaimed water is applied as a helpful solution to water scarcity and better use of resources. However, this approach is not exempt from risk, since the water-borne contaminants can be translocated into the edible crops after irrigation, representing a threat to human health. Likewise, there are other routes of exposure to CECs that should be studied, and human biomonitoring is necessary to address specific exposures. In this thesis, powerful analytical methodologies were developed and applied in the different stages of the CECs cycle, from release until they are degraded (transformed) or (bio)accumulated. The presence of different types of CECs including personal care products (PCPs), pharmaceuticals, biocides and per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) was assessed in different environmental compartments. Advanced target and non-target approaches were applied to expand the knowledge of the presence of these chemicals and their related transformation products in water, sediment, biota, and crops. Special emphasis was placed on evaluating the wastewater reuse feasibility for irrigation purposes in agriculture. Finally, human exposure to CECs was evaluated, putting a special focus on prenatal exposure at the early stage of development through the analysis of umbilical cord blood. Thus, this thesis has improved the understanding and knowledge about CECs occurrence, removal, transformation, and fate in aquatic ecosystems, agrifood environment and, ultimately, humans.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Sunyer Caldú, Adrià, 2023
Combinació de l’anàlisi dirigida i no dirigida per a la identificació i determinació de contaminants
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1964602024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Ayala Cabrera, Juan Francisco
2023-04-04T07:07:51Z
2023-04-04T07:07:51Z
2021-10-02
http://hdl.handle.net/2445/196460
http://hdl.handle.net/10803/688016
[eng] The environment sustainability is being threatened by the continuous release of pollutants that can negatively affect not only environmental compartments but also wildlife and human beings. Among these pollutants, halogenated persistent organic pollutants and new emerging contaminants have cause great concern due to their toxicity, persistence, bioaccumulation and biomagnification capacity and/or their high mobility in the environment. Moreover, their hazardous effects are manifested even at trace levels, thus requiring very selective and sensitive analytical methodologies to face their detection in environmental samples. In this sense, atmospheric pressure ionization (API) sources such as atmospheric pressure chemical ionization (APCI) and atmospheric pressure photoionization (APPI) for both liquid-mass spectrometry (LC-MS) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) could offer great advantages to overcome the limitations observed in the determination of these group of substances.
In the present Thesis, the feasibility of these ionization sources, especially APPI, has been evaluated to develop sensitive and selective LC-API-MS and GC-API-MS methodologies to monitor relevant halogenated contaminants in environmental samples. API sources have been thoroughly tested to achieve an efficient ionization of neutral per- and polyfluoroalkyl substances (nPFAS). The ionization behavior of these compounds was assessed through optimization of the mobile phase composition, the addition of additives or dopants as well as critical ion source working parameters. These studies have led to highly selective and sensitive liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) and gas chromatography-high- resolution mass spectrometry (GC-HRMS) methodologies (up to fg injected on column). Furthermore, an efficient solid-phase extraction and a fast and in-situ preconcentration headspace solid-phase microextraction procedures have been developed to analyze nPFAS in river water samples avoiding analyte losses observed during evaporation steps. Additionally, the fragmentation pathways of ions generated for these compounds in API sources has been tentatively proposed using the combined information of in-source fragmentation, tandem mass spectrometry and high-resolution mass spectrometry. These fragmentation pathways aim to provide useful information for the development of target, suspect and non-targeted analysis strategies for the identification of known and new families of nPFAS in complex environmental samples.
Furthermore, in this Thesis, the novel GC-APPI-HRMS (Orbitrap) system is proposed to face the main limitations that have been observed in the currently used analytical determinations of relevant chlorinated contaminants such as dechlorane plus (DP) and analogs, polychlorinated naphthalenes (PCNs), polychlorinated dibenzo-ρ-dioxins and dibenzofurans (PCDD/Fs), dioxin-like polychlorinated biphenyls (dl- PCBs), and short-chain chlorinated paraffins (SCCPs). The soft ionization of GC-APPI has been used to promote molecular or quasi-molecular ions as well as characteristic cluster ions such as [M‒Cl+O]‒, allowing the development of sensitive and selective methods. The use of dopant vapors has been thoroughly investigated to detect the critical parameters that allow maximizing the ionization efficiency of the analytes. Additionally, anion-attachment ionization strategies have been also studied to reduce the in-source fragmentation and to improve sensitivity and selectivity for SCCPs. Furthermore, multidimensional separation strategies (using novel stationary phases and/or ion mobility separation) have been also evaluated to improve the separation of those compounds that often coelute (PCNs or SCCPs).The GC- APPI-HRMS methods developed in this Thesis have shown a great detection capability (up to low fg injected on column) and a high selectivity due to both the exact mass measurements (Orbitrap) and the soft ionization provided by the GC-APPI source. Moreover, they have demonstrated a good performance to determine these compounds in marine sediments, fly ashes, gull eggs, or fishes among other complex environmental samples.
[spa] La incesante emisión de contaminantes supone una amenaza tanto para el medio ambiente como para los seres vivos. Entre los contaminantes que han despertado un mayor interés ambiental destacan los compuestos orgánicos halogenados debido a su alta toxicidad a bajas concentraciones, persistencia, capacidad de bioacumulación y para ser transportados a largas distancias. La monitorización de estos contaminantes a bajos niveles de concentración en muestras ambientales requiere de metodologías analíticas selectivas y con una alta capacidad de detección. Así, en esta Tesis se ha evaluado la capacidad de las fuentes de ionización química (APCI) y la fotoionización a presión atmosférica (APPI) para ionizar eficientemente estas familias de contaminantes y así proponer métodos basados en cromatografía de líquidos y de gases acopladas a la espectrometría de masas en tándem y/o de alta resolución (LC-MS/MS y GC-HRMS).
Los estudios desarrollados durante esta Tesis han permitido establecer condiciones de trabajo que reducen la fragmentación en la fuente y aumentan la respuesta de los iones generados. Para ello, se han evaluado la composición de la fase móvil, la adición de aditivos que influyen en la ionización de los analitos y diversas condiciones de trabajo, permitiendo establecer tendencias en la ionización de estos contaminantes, haciendo especial énfasis en la novedosa fuente de ionización del sistema GC-APPI-HRMS. Además, se ha estudiado la fragmentación MS/MS de estos compuestos, establecido rutas de fragmentación e identificado/caracterizado los iones observados. Estos estudios han permitido desarrollar métodos que ofrecen una solución a algunas de las limitaciones observadas en las metodologías existentes, mejorando la selectividad y la capacidad de detección. Además, los estudios de ionización y el uso de la MS/MS y de la HRMS han permitido desarrollar estrategias de análisis no dirigido para facilitar la identificación en muestras complejas de compuestos similares a los estudiados en esta Tesis.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Ayala Cabrera, Juan Francisco, 2023
New Analytical Methodologies based on Chromatography-Atmospheric Pressure Ionization-Mass Spectrometry for the Determination of Halogenated Organic Contaminants
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1964612024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Arrizabalaga Larrañaga, Ane
2023-04-04T07:37:06Z
2023-04-04T07:37:06Z
2021-07-23
http://hdl.handle.net/2445/196461
http://hdl.handle.net/10803/688017
[eng] The continuous increase in adulterations and contamination in food puts the integrity of food under continuous threat, which generates suspicion in the consumer. For these reasons, assuring the quality, authenticity, and safety of food for consumers and stakeholders is of great importance to the agri- food economy and human and animal health. To face fraudulent practices and food safety alerts, food control laboratories require fast, reliable, and simple analytical methods fulfilling the selectivity and sensitivity requirements and providing chemical structural information about the target compounds. This thesis is focused on the development of analytical strategies based on mass spectrometry to deal with two issues in the food analysis field, food fraud and safety.
Regarding food fraud, in this thesis, analytical methods based on ultra-high-performance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (UHPLC‒MS/MS) for the determination of pigments and banned dyes in oils and spices have been developed. In addition, a UHPLC method coupled to high-resolution mass spectrometry (UHPLC‒HRMS) has been proposed to obtain pigment profiles for the characterization and authentication of these matrices regarding their geographical origin. For this purpose, both the chromatographic method (stationary phase and mobile phase) and the sample treatment (solid-phase and solvent extraction) have been optimized. The ionization behavior of analytes, as well as the product ions generated with different atmospheric pressure ionization (API) sources, such as electrospray (ESI), atmospheric pressure chemical ionization (APCI), and photoionization (APPI), have been studied. MS/MS studies allowed the assignment of the most characteristic and relevant product ions and the proposal of fragmentation pathways for each family of compounds using the complementary information obtained with both low- and high- resolution mass spectrometry. These studies also allowed the identification of common losses and/or fragment ions useful for the rapid detection of analytes in complex food samples, and the identification of unknown related compounds. The UHPLC‒MS/MS methods developed have provided good performance and enough sensitivity to determine the banned dyes in oils and spices. While UHPLC‒HRMS methods combined with chemometric methods have demonstrated the feasibility to detect fraudulent activities derived from the mixture of different qualities of olive oils and spices, as well as due to the doubtful geographical origin of the samples.
Concerning food safety, the monitoring of contaminants requires not only methods that allow their unequivocal determination in the laboratory, but also on-site screening methods that reduce the number of samples to be analyzed by control laboratories. In this sense, a UHPLC‒MS/MS method has been developed for the determination of primary aromatic amines (PAAs) that migrate from food contact materials, as well as screening techniques based on ambient ionization mass spectrometry for the detection of growth promoters in food supplements. For the determination of PAAs, a pentafluorophenylpropyl column with superficially porous particles has been proposed, enabling the separation of 23 PAAs in a short analysis time and avoiding the use of ionic pair reagents in the mobile phase by using acidic additives. Furthermore, the ionization behavior of analytes in different API sources has been studied and the product ions generated by tandem spectrometry have been assigned to develop a reliable method. These studies demonstrated that APCI is the most suitable ionization source since it presents detection limits that meet with the legislation established by the European Union with the advantage of being less susceptible to matrix effects. On the other hand, two on-site screening methods have been proposed for the direct analysis of selective androgen receptor modulators (SARMs) and anabolic steroid esters. For this purpose, the laser diode thermal desorption-electrospray ionization (LDTD-ESI) and atmospheric solids analysis probe (ASAP) have been used. The configurations of the different devices (position and distances) have been evaluated and the operational parameters (composition and flow of solvent, temperature) have been optimized to obtain the highest ionization efficiency of analytes. Both methods have demonstrated the capability to identify suspect compounds in a short analysis time (<1 min) and their applicability for future on- site analysis of organic compounds.
[spa] El aumento continuado de adulteraciones y de contaminaciones hace que la integridad de los alimentos esté bajo una continua amenaza. Para hacer frente a estos problemas, los laboratorios de control alimentario necesitan disponer de métodos analíticos rápidos, fiables y sencillos que cumplan con los requerimientos de selectividad y sensibilidad y que proporcionen información estructural sobre los compuestos identificados. Así, esta tesis se centra en el desarrollo de estrategias analíticas basadas en la espectrometría de masas para hacer frente a dos problemáticas en el campo del análisis de alimentos, el fraude y la seguridad alimentaria.
Para desarrollar todos estos métodos, se ha realizado un estudio exhaustivo del tratamiento de muestra y el comportamiento cromatográfico de las diferentes familias de compuestos, cuando esto era necesario, mediante la evaluación de diferentes fases estacionarias o la composición de la fase móvil, así como amplios estudios de ionización empleando fuentes a presión atmosférica convencionales y otras más novedosas con el fin de obtener iones característicos. Así mismos, se han realizado estudios de fragmentación que permitieran una detección inequívoca de los analitos de interés. En lo referido al fraude alimentario, los estudios realizados en esta tesis han permitido desarrollar métodos de análisis basados en la cromatografía de líquidos de ultra elevada eficacia acoplada a la espectrometría de masas en tándem (UHPLC‒MS/MS) para la determinación de pigmentos y colorantes prohibidos en aceites y especias. Además, se ha propuesto un método de UHPLC acoplado a la espectrometría de masas de alta resolución (UHPLC‒HRMS) para la obtención de perfiles de pigmentos que permita la caracterización y autenticación de estas matrices respecto a su denominación de origen. En lo que respecta a la seguridad alimentaria, se ha desarrollado un método de UHPLC‒MS/MS para la determinación de aminas aromáticas primarias que migran de materiales en contacto con los alimentos, así como técnicas de cribado basadas en “Ambient Ionization-Mass spectrometry” para la detección de promotores de crecimiento en suplementos alimentarios. Además, estas técnicas de cribado propuestas permiten el análisis in-situ de los alimentos, lo cual permitirá aligerar considerablemente la carga de trabajo de los laboratorios de control alimentario.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Arrizabalaga Larrañaga, Ane, 2023
New analytical strategies based on mass spectrometry for food fraud and food safety
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1964622024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
López Vinent, Núria
2023-04-04T09:32:04Z
2023-04-04T09:32:04Z
2021-07-23
http://hdl.handle.net/2445/196462
http://hdl.handle.net/10803/688019
[eng] Water is an essential resource for life. However, the low water availability of freshwater together with the increase in its demand in the last decades, has provoked worldwide water stress. Thus, the reused wastewater can play an important role to reduce freshwater demand, for instance, in agriculture with around 70% of the total freshwater demand. Nevertheless, the reused wastewater must guarantee the safety for public health and environment. In the last decades, there is an especial concern on removing micropollutants, since they are potentially harmful substances for public health and aquatic ecosystems.
Advanced oxidation processes have been proven their efficiency in the degradation of several compounds of emerging concern, such micropollutants. Among these techniques, photo-Fenton process is one of the most effective. However, the requirement to work at acidic conditions to keep the iron in solution is one of the drawbacks of the process. Additionally, the need of irradiation rises the treatment operational costs and environmental impact since some conventional lamps comprises mercury. These inconveniences make the processes unattractive for its full scale-application.
The investigation derived from this thesis is focused on different solutions trying to solve these drawbacks. Firstly, LEDs and solar simulated irradiation were used, carrying out the photo-Fenton process more economically and ecofriendly. The employment of organic fertilizers, as a chelating agents of iron, is the second foundation on which the investigation is based. The final objective is the reuse of wastewater in agriculture, facing the current water scarcity scenario.
The study of the conventional photo-Fenton with UV-A LEDs revealed the suitability of the process to remove a recalcitrant compound with high conversion efficiencies. Additionally, the results suggested that synergies on micropollutant, COD and TOC conversion were observed combining two wavelength ranges, because the treatment time was reduced by half. However, from the results obtained in the comparison between UV-A LEDs in wastewater effluents it was evidenced the necessity to optimize the system geometry when LEDs are used as irradiation source. This fact is essential in the treatment of wastewater since the turbidity and organic matter present in these matrices influence on the radiation transfer throughout the photoreactor affecting more when LEDs are used, because they are punctual sources of irradiation.
The study in the use of organic fertilizers, as iron chelating agents, revealed that all tested agents (DTPA, HEDTA, EDDS and EDTA, except EDDHA) were effective in photo-Fenton process at circumneutral pH in MBR, CAS and CAS-NE effluents in removing micropollutants. The results showed that the efficiency in the degradation is linked to the stability constant of chelates with iron. Low stability corresponds to high reaction rates at initial times but also high iron release. The opposite happens with chelating agents with high stability constant with iron. The enhancement in removal kinetics and the decrease in iron release was achieved combining organic fertilizers with different stability constant. The organic fertilizers mixtures were also tested in two different wastewater effluents to study the effect of the matrix on iron release. It was observed that, in wastewater with higher turbidity, alkalinity and organic matter, the iron precipitation was higher, decreasing the efficiency of the process overall in EDDS, which have the lowest stability constant with iron.
Finally, the mechanisms involved in photo-Fenton process, with iron chelates in aquatic environment, cannot be generalized, since each iron complex have its stability constant with iron and its specific absorbance in solar spectrum. The irradiation experiments without H2O2 revealed that only EDDS and DTPA were capable to generate hydroxyl radicals. Tests with dosing of non-chelated iron revealed that reaction with iron chelates are the main via to hydroxyl radical generation.
[spa] El agua es un recurso esencial para la vida. Sin embargo, la baja disponibilidad de agua dulce, junto con el incremento en su demanda, durante las últimas décadas, ha ocasionado estrés hídrico en todo el mundo. Por lo que la reutilización del agua residual podría ser un parámetro clave para hacer frente a esta situación, sobre todo en la agricultura ya que, el 70% del total de la demanda de agua dulce se destina a este sector. Ahora bien, el agua reutilizada debe garantizar la seguridad para la salud pública y el medioambiente, por lo que tiene que estar libre de los llamados microcontaminantes ya que, son sustancias potencialmente nocivas para el medio acuático y la salud pública.
El proceso foto-Fenton es uno de los procesos de oxidación avanzada más efectivos. Sin embargo, el requisito de trabajar a pH ácido para evitar la precipitación del hierro y la necesidad de irradiación son sus mayores inconvenientes para su aplicación a gran escala.
La investigación derivada de esta tesis se centra en potenciales soluciones para la aplicación del proceso foto-Fenton. En primer lugar, se utilizaron LEDs como fuente de luz para llevar a cabo un proceso más económico y respetuoso con el medio ambiente. En este sentido se estudió la importancia de la optimización de los reactores con LEDs, posibles sinergias entre diferentes longitudes de onda y comparación con lámparas convencionales. El empleo de fertilizantes orgánicos comerciales como agentes quelantes del hierro para trabajar a pH casi neutro utilizando luz solar simulada, es el segundo fundamento en el que se basa esta tesis. De esta investigación se destacó la importancia de la estabilidad de los complejos con el hierro en la cinética de degradación de los microcontaminantes y cómo esto influye en el tratamiento de efluentes con más materia orgánica. Mezclas de fertilizantes con diferentes estabilidades con el hierro fueron probadas con el fin de mejorar las cinéticas de eliminación de contaminantes y la disponibilidad de hierro disuelto al final del tratamiento. Todo ello, con el objetivo final fue la reutilización de los efluentes tratados con fines agrícolas.
eng
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) López Vinent, Núria, 2023
Photo-Fenton at Circumneutral pH for Agricultural Water Reuse
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/1999222024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Izquierdo i Llopart, Anaïs
2023-06-27T10:03:01Z
2023-06-27T10:03:01Z
2023-06-20
http://hdl.handle.net/2445/199922
http://hdl.handle.net/10803/688555
[cat] El cava és un vi escumós amb Denominació d’Origen on la varietat vinífera, el clima i el sòl en fan d’ell l’elegància en l’aroma, el sabor i el color que presenta. És un producte elaborat mitjançant el mètode tradicional Champenoise de segona fermentació i criança a la mateixa ampolla que constitueix, avui en dia, un referent de qualitat dins i fora de les nostres fronteres.
Per dur a terme aquesta tesi doctoral s’ha estudiat quatre famílies d’anàlits – àcids orgànics de baix pes molecular, polifenols, amines biògenes i composició elemental – involucrades en les diferents etapes del procés d’elaboració del cava (most, vi base i cava) en diferents varietats i qualitats de raïm. També s’ha valorat un estudi de tasts en mostres de vins base considerades les més descriptives organolèpticament. Pel tractament de les dades composicionals i organolèptiques, s’ha utilitzat una fusió de diagrames de barra, radials i de caixa combinats amb eines quimiomètriques que han aportat resultats molt satisfactoris.
Els tasts han estat centrats en mostres de les varietats pinot noir i xarel·lo de diferents qualitats, on s’ha vist que els consumidors han seguit les tendències detectades pels experts, on la varietat pinot noir ha destacat més organolèpticament enfront de la xarel·lo.
Els àcids orgànics estan associats a la qualitat, control químic i organolèptic dels mostos, vins i caves. Donat que les indústries vinícoles utilitzen mètodes lents i poc econòmics per determinar-los, en aquesta tesi es presenta un nou mètode ràpid, robust, selectiu, simple i fiable per a la determinació de vuit àcids orgànics importants en el procés d’elaboració del cava mitjançant la cromatografia de líquids d’alta resolució amb detecció al ultraviolat – visible (HPLC–UV/vis) . El mètode optimitzat ha resultat ser molt exitós i els resultats han mostrat que l’àcid tartàric i l’àcid màlic són compostos molt influents i importants en el tipus de mostres estudiades sent marcadors de qualitat.
Els polifenols són compostos responsables d’algunes propietats sensorials del vi i participen en nombrosos processos de protecció d’aquest. La metodologia emprada per determinar-los ha estat HPLC–UV/vis. Els resultats han mostrat que la varietat chardonnay té una gran riquesa fenòlica i que els àcids cafeic i caftàric han sigut marcadors de qualitat.
Les amines biògenes són indicadores de les condicions i l’evolució fermentativa dels vins i caves. El mètode desenvolupat per cromatografia de líquids amb detecció per fluorescència (HPLC–FLD) ha resultat ser molt exitós. Els resultats han mostrat que les amines biògenes tenen el seu màxim després de la primera fermentació i de la fermentació malolàctica.
La composició elemental és l’empremta geoquímica d’un sòl. És d’especial importància, perquè els metalls poden causar un efecte nutricional i toxicològic en el sòl, la planta i el fruit, on també és fonamental per detectar pràctiques fraudulentes i adulteracions. Les metodologies emprades per a la seva detecció han sigut l’espectroscòpia d’emissió atòmica amb plasma acoblat inductivament (ICP–OES) i l’espectrometria de masses amb plasma acoblat inductivament (ICP–MS). Els resultats han mostrat que pocs metalls passen del sòl al most i posteriorment al cava. La major part s’adquireixen a través dels diferents additius emprats en el procés d’elaboració del cava. També s’ha vist que cap metall ha superat els límits màxims residuals (LMRs) permesos per legislació.
Finalment, s’ha optat per fer una fusió de les dades obtingudes d’aquestes quatre famílies d’anàlits per aconseguir una caracterització de les mostres més globals. S’ha observat que la fusió de dues famílies d’anàlits ha aportat resultats rellevants, però a més variables involucrades, la complexitat dels models ha sigut major i la capacitat descriptiva dels compostos s’ha vist més limitada.
[eng] Cava is a sparkling wine with Protected Origin Designation and long tradition and unique personality. The grape variety, climate and soil, make it, the elegance in the aroma, in the taste and in the color that presents. It is a product produced by the Champenoise method of second fermentation and aging in the bottle. It is today a benchmark of quality within and outside our borders.
In this project, four families of analytes have been studied including low weight organic acids, polyphenols, biogenic amines and elemental composition – involved in the different stages of the elaboration process of cava (musts, base wines, and cava samples) in different grape varieties and qualities. To identify and quantify these substances, high-resolution liquid chromatography with ultraviolet-visible detector (HPLC–UV/vis) was used for organic acids and polyphenols, high-resolution liquid chromatography with fluorescence detector (HPLC-FLD) for biogenic amines, and inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-OES) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) for elemental composition. To study the relationship between the chemical and sensory information, it was carried out tastings of base wines among a group of experts and consumers to determine if the organoleptic properties perceived by winemakers are also for consumers. All data was treated using bar charts, box plots and chemometric tools.
Results showed that all the methods used provided satisfactory results, thus being appropriate to analyze this kind of samples. The results of tastings showed that consumers followed the trends found for the experts, and the pinot noir variety stood out organoleptically from xarel·lo. Organic acids showed that tartaric and malic acids were very influential and important compounds in the studied samples being quality markers. From polyphenols, caffeic and caftaric acids were the ones that denoted quality. The concentrations of biogenic amines were low, and their maximum concentrations were after the first fermentation and malolactic fermentation. From the elemental composition, it was seen that few metals pass from the soil to the must and subsequently to the cava. Most of them are acquired through the different additives used in the cava production process.
cat
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Izquierdo i Llopart, Anaïs, 2023
De la vinya al laboratori. Caracterització de mostos, vins base i caves per tècniques cromatogràfiques, espectromètriques, enzimàtiques i sensorials
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2001632024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Guiñón Muñoz, Leonor
2023-06-30T09:56:59Z
2023-06-30T09:56:59Z
2023-06-22
http://hdl.handle.net/2445/200163
http://hdl.handle.net/10803/688579
[spa] Los estudios realizados en los últimos años han demostrado que la medicina de laboratorio es una pieza clave en la toma de decisiones clínicas y el manejo del paciente. Debido al impacto que se ha reconocido tienen los resultados analíticos en la seguridad del paciente, los profesionales del laboratorio clínico y las sociedades científicas de este ámbito han ido adquiriendo conciencia de la importancia del aseguramiento de la calidad del proceso analítico. Así, se considera necesario que los profesionales del laboratorio clínico se aseguren de que cada uno de los pasos que conforman el proceso analítico se realiza correctamente, de que son capaces de identificar las posibles debilidades que existan en el mismo y de que se diseñan e implementan acciones correctivas o de mejora para abordar tales debilidades. La necesidad de controlar, monitorizar y mejorar la calidad en los laboratorios clínicos ha crecido de la mano de los avances tecnológicos, la automatización y el alto nivel de especialización. Por otro lado, la aparición de la norma ISO 15189 puso sobre la mesa los requisitos que debía cumplir un laboratorio clínico para asegurar la calidad técnica de sus procedimientos analíticos, así como la competencia del personal para la realización de cualquier actividad perteneciente al proceso analítico. Todo ello ha dado lugar a la necesidad de implementar nuevas herramientas de aseguramiento de la calidad para mejorar la prevención y la detección de errores con la finalidad de garantizar la fiabilidad de la información proporcionada por el laboratorio. Sin embargo, en función del tipo de laboratorio que se considere y de los recursos de los que disponga, su incorporación y compaginación con la práctica asistencial puede resultar compleja o incluso inviable. En esta Tesis Doctoral se han diseñado e implementado diferentes estrategias para el aseguramiento de calidad de los resultados analíticos en el laboratorio de un hospital de tercer nivel, tras la identificación de algunas debilidades del proceso analítico. Su interés y novedad radican, fundamentalmente, en los aspectos que se consideraron para adaptar las
recomendaciones de las sociedades científicas a las peculiaridades de cada proceso analítico y a la realidad de cada laboratorio. Los estudios realizados permiten establecer especificaciones de calidad de error total basadas en el estado del arte. Por otro lado, se presenta una metodología basada en la combinación del análisis de riesgos y la métrica sigma aplicable a la evaluación a largo plazo del rendimiento de la fase analítica. Por último, se desarrollan estrategias para verificar periódicamente la intercambiabilidad de resultados entre equipos duplicados, para verificar la fiabilidad de los resultados en ausencia de un programa de intercomparación y para evaluar la concordancia entre observadores en actividades subjetivas. Más allá de mostrarse su aplicación para asegurar la calidad de los resultados de ciertas magnitudes, la finalidad de esta Tesis Doctoral es ofrecer el conocimiento adquirido durante la implementación de dichas estrategias a la comunidad científica, dada la posibilidad de aplicarlas para otras magnitudes y áreas de especialización del laboratorio clínico.
[eng] Studies in recent years have shown that laboratory medicine is an essential component for the clinical decision-making and patient management. Due to the recognized impact of analytical results on patient safety, clinical laboratory professionals and scientific societies in this field have become aware of the importance of ensuring the quality of the analytical process.
The need to control, monitor and improve quality in clinical laboratories has grown hand in hand with technological advances, automation and the high level of specialization. Furthermore, the emergence of ISO 15189 laid out the requirements that a clinical laboratory must fulfil to ensure the technical quality of its analytical procedures, as well as the competence of the staff to perform any of the activities that belong to the analytical process. All this has prompted to implement new quality assurance tools to improve prevention and error detection in order to ensure the reliability of the information provided by the laboratory.
This Doctoral Thesis shows the design and implementation of different strategies for quality assurance of analytical results in the laboratory of a third-level hospital. Fundamentally, its novelty and interest lie in the aspects that were considered to adapt the recommendations of scientific societies to the peculiarities of each analytical process and to the reality of each laboratory.
The studies performed allow us to establish total error quality specifications based on the state of the art. On the other side, it presents a methodology based on the combination of risk analysis and the sigma metric applicable to the long-term evaluation of the performance of the analytical phase. Finally, strategies are developed to verify periodically the comparability of results between duplicate analyzers, to verify the reliability of the results in the absence of proficiency testing, and to assess the agreement between observers in subjective activities.
Beyond showing its application to ensure the quality of certain magnitudes, the purpose of this Doctoral Thesis is to offer the knowledge acquired during the implementation of these strategies to the scientific community, given the possibility of applying them for other magnitudes and areas of clinical laboratory specialization.
spa
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Guiñón Muñoz, Leonor, 2023
Estrategias para asegurar la calidad del proceso analítico en el laboratorio clínico
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2012932024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Tapia Montesinos, Maria Alejandra
2023-07-27T10:45:50Z
2023-07-27T10:45:50Z
2023-07-20
http://hdl.handle.net/2445/201293
http://hdl.handle.net/10803/688878
[spa] Los materiales 2D han surgido como una clase fascinante de materiales con propiedades únicas. Estas propiedades los convierten en candidatos idóneos para su explotación en diversas ramas como la optoelectrónica, nanomedicina, (bio)sensores, catálisis, entre otras. Su estructura bidimensional les confiere propiedades físicas, químicas y electrónicas diferentes a las de sus materiales precursores. Dentro de esta familia, los materiales 2D pnictógenos han surgido como una clase de gran interés. En la actualidad se han sintetizado con éxito el fosforeno, el arseneno, el antimoneno y el bismuteno. Entre sus propiedades destacan su alta área superficial, su biocompatibilidad y la anisotropía de sus propiedades ópticas, mecánicas y eléctricas. En este sentido, la primera parte de la presente tesis doctoral se centró en un estudio de revisión bibliográfica de los trabajos relacionados con los materiales pnictógenos 2D publicados entre los años 2017 y 2020. En este trabajo se revisaron aspectos relacionados con sus propiedades, los métodos de síntesis y de caracterización, y las aplicaciones a sensores electroquímicos. Los materiales pnictógenos han sido empleados en el campo de los sensores como alternativa eco-amigable en reemplazo de los materiales más tóxicos como el mercurio. El bismuto y el antimonio han sido elementos estudiados ampliamente para aplicaciones en el campo de los sensores. El desarrollo de electrodos modificados con películas de los elementos bismuto o antimonio depositadas en la superficie del electrodo de trabajo, permiten la detección de analitos como metales pesados a concentraciones de trazas. Estos electrodos pueden ser cada vez más miniaturizados como los electrodos serigrafiados que se caracterizan por ser una unidad de detección compacta compuesta en el mismo soporte por los tres electrodos necesarios para la configuración de la celda electroquímica (electrodo auxiliar, electrodo de referencia y electrodo de trabajo). La modificación del electrodo de trabajo con nanomateriales como los materiales pnictógenos 2D permite principalmente mejorar la sensibilidad y la selectividad del electrodo, así como trabajar a diferentes condiciones experimentales. De esta manera, las técnicas voltamperométricas junto con los electrodos serigrafiados ofrecen una metodología alternativa, portátil y miniaturizada para la detección in situ de los analitos tanto en el ámbito ambiental para la monitorización de contaminantes, como en el ámbito sanitario para la detección de biomoléculas o marcadores de enfermedades. En esta línea, la segunda parte de la tesis comprende el desarrollo de electrodos serigrafiados modificados con materiales pnictógenos 2D. Concretamente, se desarrolló un electrodo serigrafiado de carbono modificado con fosforeno para la detección de dopamina y se constató que la oxidación controlada del material 2D mejoraba sustancialmente los parámetros analíticos de la detección. Además, se desarrollaron electrodos serigrafiados de carbono modificados con bismuteno, antimoneno y con compuestos derivados del antimonio (Sb2S3, Sb2Se3 y Sb2Te3), y electrodos serigrafiados de nanofibras de carbono modificados con antimoneno, todos ellos para la determinación de concentraciones traza de Cd(II) y Pb(II). Cabe destacar que, en el caso de los materiales derivados del antimoneno, se optimizó la exfoliación mecánica en líquido para la obtención de nanomateriales de diferentes dimensionalidades. Para todos los electrodos desarrollados se optimizaron los parámetros de modificación y los parámetros experimentales para la detección de los analitos, se evaluó su comportamiento analítico y se valoró su aplicabilidad en muestra reales diversas. En el caso del electrodo modificado con fosforeno se realizó adicionalmente un estudio extenso de su estabilidad y de interferentes para la determinación de la dopamina. Los resultados obtenidos a lo largo de la presente tesis doctoral se han plasmado en cinco artículos publicados en revistas internacionales de alto impacto. Estos trabajos se dividen en un trabajo de revisión bibliográfica y cuatro trabajos de investigación referidos al desarrollo de electrodos serigrafiados modificados con materiales pnictógenos 2D.
[eng] Among the family of 2D materials lead by graphene, 2D pnictogen materials (phosphorene, arsenene, antimonene, and bismuthene) have emerged as a highly interesting class with exceptional properties such as high surface area, biocompatibility, and anisotropic behavior in optical, mechanical, and electrical properties. Pnictogen materials, particulary bismuth, and antimony, have been extensively investigated for their applications in sensors. The development of modified electrodes with bismuth or antimony films allows for the detection of trace concentrations of analytes, including heavy metals. Screen-printed electrodes provide a miniaturized alternative to bulky electrodes, offering the ability to modify the working electrode surface to enhance selectivity and sensivity towards analytes. Consequently, the combination of voltammetric techniques with screen-printed electrodes presents a portable, miniaturized methodology for on-site analyte detection in both healthcare and environmental monitoring applications. In this context, the first part of the thesis focused on a review study of 2D pnictogen materials, covering aspects related to their properties, synthesis, and characterization methods, and electrochemical sensor applications published between 2017 and 2020. The second part of the thesis comprises the development of screen-printed electrodes modified with 2D pnictogen materials. A phosphorene-modified carbon screen-printed electrode was developed for dopamine detection Additionally, carbon screen-printed electrodes modified with bismuthene, antimonene, and a antimony-based compounds (Sb2S3, Sb2Se3, and Sb2Te3), as well as antimonene -modified carbon nanofiber screen-printed electrodes, were developed for the detection of trace concentrations of Cd(II) and Pb(II). For all the developed electrodes, modification parameters and experimental parameters for analyte detection were optimized, and their applicability in different real samples was evaluated. In the case of the phosphorene-modified electrode, an extensive study of stability and interferences for dopamine determination was also conducted. Likewise, for the antimony-based materials, liquid-phase mechanical exfoliation was performed to obtain nanomaterials with different dimensionalities. The results obtained throughout this doctoral thesis have been published in five articles in high-impact journals. These works consist of a literature review article and four research articles related to the development of screen-printed electrodes modified with 2D pnictogen materials.
spa
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Tapia Montesinos, Maria Alejandra, 2023
Aplicación de materiales 2D pnictógenos como modificadores de electrodos serigrafiados para el desarrollo de sensores electroquímicos
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2012492024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Campmajó Galvan, Guillem
2023-07-28T10:00:56Z
2023-07-28T10:00:56Z
2023-07-14
http://hdl.handle.net/2445/201249
http://hdl.handle.net/10803/688893
[eng] Food fraud is an intentional and misleading act in food that generally does not comply with food law and is motivated by economic gain. It encompasses several fraudulent practices such as deception during manufacture, diversion into illicit supply chains, interventions with the food product, or misrepresentation. In this context, the coming to light of the horse meat scandal at the beginning of 2013 highlighted the shortcomings of the European system against food fraud, increasing concern and interest among European citizens and administrative bodies.
Under these circumstances, in recent years, omics tools —comprising genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics, and elementomics/isotopollomics— have been applied to solve food fraud issues, along with biostatistics and chemometrics. In most cases, their application has relied on profiling (focusing on determining targeted secondary chemical markers) or fingerprinting approaches (based on the unspecific detection of instrumental responses without assuming any previous knowledge about the sample composition), overcoming the traditional targeted analysis. In particular, since a food product’s metabolome varies according to its biological nature and several external conditions (i.e., either from a natural or anthropogenic origin), metabolomics has shown excellent potential to assess several issues related to its authenticity and quality.
Therefore, in this thesis, several metabolomic profiling and fingerprinting approaches were developed to address different food fraud cases. In this line, liquid chromatography coupled to low- or high-resolution mass spectrometry (LC–LRMS, LC–HRMS) was proposed for the targeted approaches. In contrast, non-targeted methods were based on liquid chromatography with ultraviolet detection (LC-UV) or fluorescence detection (LC-FLD), LC–HRMS, or direct mass spectrometry (MS)-based techniques. Furthermore, non-supervised and supervised chemometric techniques allowed sample assignation and classification. As a result, the proposed analytical methodologies were successfully applied to several food products —including paprika, nuts and seeds, hen eggs, vegetable oils, and red wine— guaranteeing their classification and authentication regarding the geographical origin, botanical origin, production system, or quality category.
[cat] El frau alimentari és un acte intencionat i enganyós produït en els aliments que, generalment, no compleix amb la legislació alimentària i que està motivat per un benefici econòmic. La sortida a la llum de l’escàndol de la carn de cavall a principis del 2013 va posar de manifest les mancances del sistema europeu contra el frau alimentari, augmentant la preocupació i l’interès entre els ciutadans i els organismes administratius europeus.
En aquestes circumstàncies, en els darrers anys, s’han aplicat eines òmiques —que inclouen la genòmica, la transcriptòmica, la proteòmica, la metabolòmica i l’elementòmica/isotopol·lòmica— per resoldre qüestions relacionades amb el frau alimentari, juntament amb bioestadística i quimiometria. En la majoria dels casos, la seva aplicació s’ha efectuat mitjançant estratègies basades en perfils (centrant-se en la determinació dirigida de marcadors químics secundaris) o empremtes dactilars (basades en la detecció inespecífica de respostes instrumental sense assumir cap coneixement previ sobre la composició de la mostra), superant l’anàlisi dirigida tradicional. En concret, com que el metaboloma d’un producte alimentari varia segons la seva naturalesa biològica i un seguit de condicions externes (siguin d’origen natural o antropogènic), la metabolòmica ha demostrat un excel·lent potencial per avaluar diverses qüestions relacionades amb la seva autenticitat i qualitat.
En aquesta tesi, es van desenvolupar diverses estratègies de perfils i empremtes dactilars metabolòmiques per abordar alguns casos de frau alimentari. Així, es va proposar la cromatografia líquida acoblada a l’espectrometria de masses de baixa o alta resolució (LC–LRMS, LC–HRMS) per als enfocaments dirigits. En canvi, els mètodes no dirigits es van basar en la cromatografia líquida amb detecció ultraviolada (LC-UV) o fluorescent (LC-FLD), LC–HRMS o tècniques basades en l’espectrometria de masses (MS) directa. A més, tècniques quimiomètriques no supervisades i supervisades van permetre l’assignació i classificació de les mostres. Com a resultat, les metodologies analítiques proposades es van aplicar amb èxit a diferents productes alimentaris —incloent el pebre vermell, fruits secs i llavors, ous de gallina, olis vegetals i vi negre— garantint-ne la classificació i autenticació pel que fa a l’origen geogràfic, l’origen botànic, el sistema de producció o la categoria de qualitat.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Campmajó Galvan, Guillem, 2023
Application of metabolomic profiling and fingerprinting approaches to food fraud cases
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2019092024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Medina Pérez, Noemí-Inmaculada
2023-09-14T08:27:57Z
2023-07-28
http://hdl.handle.net/2445/201909
http://hdl.handle.net/10803/688954
[spa] Las proliferaciones de algas nocivas (HABs) son fenómenos naturales en los que ciertos tipos de algas, en concentraciones específicas, tienen efectos adversos en humanos y/o el medio ambiente. Algunas HABs producen toxinas que pueden transmitirse a través de la cadena alimentaria, afectando a quienes consumen los alimentos contaminados. Otras proliferaciones pueden causar problemas cutáneos, respiratorios e incluso la muerte de la fauna marina. En las últimas décadas, las HABs han aumentado debido al calentamiento global, la eutrofización y otras presiones humanas. El estudio de las HABs se dirige a comprender sus causas, predecir su ocurrencia y mitigar sus efectos. Esta Tesis se centra en el dinoflagelado Ostreopsis cf. ovata, que ha provocado HABs en zonas costeras de mares templados y tropicales. Esta alga produce toxinas similares a la palitoxina (PLTX), que se han relacionado con intoxicaciones alimentarias, irritaciones cutáneas y respiratorias en humanos, así como la mortalidad de la fauna marina. En esta Tesis se ha desarrollado una metodología analítica para el estudio de los análogos de la PLTX (OVTXs e iso-PLTX) en muestras medioambientales. Se ha evaluado un método de extracción y se ha desarrollado un método para la identificación/cuantificación de estas toxinas por UHPLC‒HRMS. Los análogos de la PLTX son compuestos polihidroxilados que generan un espectro de masas complejo debido a la presencia de múltiples iones incluyendo pérdidas de moléculas de agua y la formación de iones aductos con sodio y calcio, entre otros. Se ha estudiado la variabilidad de la abundancia de estos iones en función del tipo de fuente de electrospray y de espectrómetro de masas, permitiendo establecer un método de cuantificación robusto utilizando la señal integrada de trece iones que podrían variar su intensidad según las condiciones instrumentales. Además, y por primera vez, se han estudiado estas toxinas utilizando la movilidad iónica (IM) en tres sistemas diferentes (DTIMS, TWIMS, TIMS). Como resultado de estos estudios se han propuesto, por primera vez, los valores de sección transversal de colisión (CCS) para los diferentes iones observados tanto en la PLTX patrón como en las OVTX-a y OVTX-b detectadas en muestras de agua de mar. Además, se han combinado los experimentos de movilidad iónica con estudios de simulaciones de dinámica molecular para poder dar respuesta a algunos de los datos observados en la espectrometría de movilidad iónica (IMS). Este trabajo también incluye estudios de las proliferaciones anuales ocurridas en la zona de estudio (Sant Andreu de Llavaneres, Barcelona), en el periodo 2018–2021. Estos estudios han permitido evaluar el efecto de la disponibilidad de nutrientes en la modulación de la concentración de toxinas en el agua, sugiriendo que los niveles de fósforo orgánico y la temperatura tienen una relación directa con las concentraciones de toxinas en el medio natural. Además, se han llevado a cabo experimentos con cultivos observándose que la cepa estudiada es capaz de utilizar diferentes tipos de fuentes de nitrógeno tanto orgánicas como inorgánicas para su crecimiento, sin presentar una relación directa con la producción de toxinas. La Tesis finaliza con unos estudios sobre la aerosolización de las toxinas incubando comunidades naturales procedentes de 3 proliferaciones (2019, 2020 y 2021) de O. cf. ovata mediante una cámara generadora de aerosoles. La aerosolización de las toxinas ocurriría principalmente durante las primeras horas de la incubación. Las concentraciones de toxinas en los aerosoles variaron según la fase de la proliferación en la que las células fueron obtenidas, y la concentración de la toxina en el agua incubada. Otros aspectos técnicos y la implicación de la toxina disuelta requieren futuros estudios.
[eng] Harmful algal blooms (HABs) are natural phenomena in which specific types of algae reach relatively high concentrations and pose risks to humans and/or the environment. Some HABs produce toxins that harm marine life and can be transmitted through food chain, affecting humans that consume contaminated seafood. Global warming, eutrophication and other human pressures are contributing to the increase in HABs observed over the past decades. Therefore, studying HABs is important to understand their causes, predict their occurrence/impacts and prevent their impacts. This Thesis focuses on the Ostreopsis cf. ovata dinoflagellate, which causes HABs in coastal areas of temperate and tropical seas, and produces palytoxin (PLTX) analogues, which can cause food poisoning, skin irritations, respiratory problems in humans, as well as mortality in marine fauna. This work presents an analytical methodology to study PLTX analogues (OVTXs and iso-PLTX) in environmental samples by UHPLC-HRMS. The complex mass spectrum generated by these polyhydroxylated compounds has been analyzed to establish a robust quantification method using different ions for the identification/quantification that can vary depending on the instrumental conditions/systems. Moreover, ion mobility spectrometry (IMS) has been used, for the first time, to study the toxins, providing collision cross-section (CCS) values and molecular dynamics simulations to support some studies. The Thesis also includes studies of annual blooms in Sant Andreu de Llavaneres (Barcelona) from 2018 to 2021, evaluating the effect of nutrient availability on cell abundance and toxin concentrations in the field and in laboratory experiments with a strain isolated in the study area. Furthermore, the aerosolization of toxins in a controlled chamber during O. cf. ovata blooms has been investigated. The concentration levels of aerosolized toxins varied depending on the bloom phase and toxin concentration in the water during incubation. Further research is needed to explore technical aspects and the implications of dissolved toxins. In summary, this Thesis provides information on the identification, quantification, and study of PLTX analogues in HABs caused by Ostreopsis cf. ovata. It also explores the factors influencing toxin concentrations and their aerosolization, contributing to a better understanding of HABs and their potential risks to human health and the environment.
spa
http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
cc by-nc (c) Medina Pérez, Noemí-Inmaculada, 2023
Análogos de la palitoxina generados por la microalga Ostreopsis cf. ovata: perspectiva analítica y biológica
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2025232024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Marrugo-Madrid, Siday
2023-10-05T09:45:53Z
2023-09-29
http://hdl.handle.net/2445/202523
http://hdl.handle.net/10803/689087
[spa] El mercurio (Hg) es uno de los contaminantes más tóxicos en el medioambiente. En esta tesis doctoral se ha priorizado la implementación in situ de la técnica de gradiente de difusión en capa fina (DGT) con el propósito de cuantificar la fracción biodisponible de Hg en medio acuático, es especial en aquellos impactados por La minería de oro artesanal y en pequeña escala (MAPE). Asimismo, se ha llevado a cabo una exhaustiva exploración y evaluación de nuevos materiales poliméricos y derivados de biomasa residual, con el objetivo de incorporarlos a esta técnica como alternativas para la captación del Hg lábil. Estos esfuerzos han sido orientados hacia el desarrollo de una estrategia eficiente y confiable para la evaluación y el monitoreo del Hg en sistemas acuáticos de áreas remotas y de difícil acceso. En la primera parte de la tesis, se presentan los resultados de la evaluación del nivel de contaminación, el riesgo para la salud humana y el riesgo carcinogénico por consumo de alimentos contaminados con Hg y As en áreas de difícil acceso altamente impactadas por MAPE en la selva tropical colombiana. En términos generales, los resultados de los índices de peligrosidad (HI) para Hg y As a través del consumo de frutas, tubérculos y pescado superaron el nivel aceptable (HI>1) y también se muestra el riesgo carcinogénico relacionado con As. En cuanto a la cuantificación de la fracción biodisponible de Hg, se desplegaron dispositivos DGT a lo largo del río Atrato (Colombia) y en pozas mineras abandonadas (AMPs) por la MAPE cercanas a poblaciones locales. Estos dispositivos DGT fueron manufacturados y calibrados en el laboratorio usando sílica funcionalizada con 3-mercaptopropilo (3MFS) como gel para el Hg. Además, se consideró relevante cuantificar la fracción biodisponible de otros metales traza (Pb, Cu, Zn, Cd, Ni, Mn y Cr) utilizando dispositivos DGT de tipo comercial con Chelex-100. Los resultados presentados fueron coherentes con otros estudios de Hg en el río Atrato y AMPs, y fueron comparados con otros estudios con métodos similares, lo que nos permitió concluir que la aplicación de la técnica DGT es eficiente para la cuantificación y monitoreo del Hg biodisponible en sistemas acuáticos altamente vulnerables y de difícil acceso. La segunda parte de la tesis se enfocó en la exploración y evaluación de nuevos materiales para su incorporación en la técnica DGT mediante la revaloración de residuos agroindustriales y la aplicación de nuevos materiales poliméricos para la determinación de la fracción lábil de Hg en el medio acuático. Los materiales derivados de biomasa (biocarbón, plumas de pollo, corcho, cáscara de arroz y canola) fueron evaluados en cuanto a su capacidad de captación del Hg, la facilidad de preparación de las capas de unión (hidrogeles de agarosa y poliacrilamida), y su eficacia en la determinación de la fracción lábil de Hg. Para este fin se diseñaron experimentos de serie temporal en medio acuoso, en ausencia y presencia de otros elementos traza (Mn, Cu, Zn, Ni, Pb, Cd y As) y en condiciones controladas de laboratorio. De manera similar, se evaluaron tres polímeros sintetizados a partir de la benzoiltiourea (BTP1, BTP2 y PBTU) con demostrada afinidad con el Hg para su uso en la técnica DGT. En esta búsqueda de nuevos materiales, el polímero BTP1 demostró una mayor efectividad en la captación y cuantificación del Hg lábil, y la eficacia de los dispositivos DGT-BTP1 fue comparada con la de dispositivos DGT preparados con 3MFS en mediciones in situ de Hg en el río Quito (Colombia). Los resultados mostraron un buen rendimiento en la cuantificación de la fracción de Hg lábil y, a su vez, se demostró que los dispositivos DGT-BTP1 son una herramienta útil para la monitorización in situ de Hg biodisponible en aguas dulces. En conclusión, los resultados obtenidos a través de la inclusión de nuevos materiales en la técnica DGT podrían considerarse satisfactorios y prometedores.
[eng] Mercury (Hg) is one of the most toxic pollutants in the environment. In this doctoral thesis, priority has been given to the in situ implementation of the diffusive gradients in thin films (DGT) in order to quantify the bioavailable fraction of Hg in aquatic environments, especially in those impacted by Artisanal and Small Scale Gold Mining (ASGM). Likewise, an exhaustive exploration and evaluation of new polymeric materials and biomass-derived materials has been carried out, with the objective of incorporating them into this technique as alternatives for the capture of labile Hg. These efforts have been oriented towards the development of an efficient and reliable strategy for the evaluation and monitoring of Hg in aquatic systems in remote and difficult to access areas.
The first part of the thesis presents the results of the evaluation of the level of contamination, the risk to human health and the carcinogenic risk from the consumption of food contaminated with Hg and As in areas of difficult access highly impacted by ASM in the Colombian rainforest. In general, the results presented were consistent with other Hg studies in the Atrato River and abandoned mine ponds (AMPs), which allowed us to conclude that the application of the DGT technique is efficient for the quantification and monitoring of bioavailable Hg in highly vulnerable and difficult to access aquatic systems.
The second part of the thesis focused on the exploration and evaluation of new materials for incorporation in the DGT technique. Biomass-derived materials (biochar, chicken feathers, cork, rice husk and canola) were evaluated for their Hg uptake capacity, ease of preparation of binding layers (agarose and polyacrylamide hydrogels), and their efficiency in determining the labile Hg fraction. Similarly, three polymers synthesized from benzoylthiourea (BTP1, BTP2 and PBTU) with demonstrated affinity for Hg were evaluated for use in the DGT technique. In this search for new materials, the BTP1 polymer demonstrated greater effectiveness in the uptake and quantification of labile Hg, and the efficacy of the DGT-BTP1 devices was compared to that of DGT devices prepared with 3MFS in in situ Hg measurements in the Quito River (Colombia).
spa
info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
(c) Marrugo-Madrid, Siday, 2023
Nuevos materiales en el uso de la técnica de gradiente de difusión en capa fina (DGT) en estudios de la contaminación por mercurio en ambientes impactados por la mineria de oro
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2027122024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Miralles Cardiel, Ester
2023-10-10T10:30:18Z
2023-10-10T10:30:18Z
2023-10-06
http://hdl.handle.net/2445/202712
http://hdl.handle.net/10803/689114
[cat] La pioglitazona (PGZ) és un fàrmac que s’utilitza per al tractament de la diabetis tipus 2 ja que incrementa la sensibilitat de les cèl·lules a la insulina plasmàtica. La PGZ actua com a agonista del receptor nuclear PPAR-γ, el qual regula l’homeòstasi de la glucosa, el metabolisme dels lípids i la inflamació. És per això que s’investiguen altres possibles funcions de la PGZ, entre elles l’antiinflamatòria.
De fa unes quantes dècades la nanotecnologia també s’utilitza en el camp de la medicina i una de les principals aplicacions és el transport de fàrmacs amb sistemes nanoestructurats. En concret les nanopartícules (NPs) polimèriques presenten una gran versatilitat ja que transporten el fàrmac i l’alliberen de forma perllongada. Per fabricar- les s’han de seleccionar polímers biodegradables i no tòxics i poden ser utilitzades en diferents vies d’aplicació. El desenvolupament de NPs ha esdevingut molt important per a l’aplicació ocular ja que les formes tradicionals (col·liris i cremes) s’eliminen ràpidament i això fa que la biodisponibilitat dels fàrmacs sigui molt baixa.
Les NPs polimèriques de PGZ amb PLGA-PEG (àcid poli(làctic-co-glicòlic)- polietilenglicol) elaborades en aquesta tesi mitjançant la tècnica de la nanoprecipitació presentaven les següents característiques: una grandària aproximada de 250 nm amb un índex de polidispersitat < 0.2, una càrrega superficial aproximada de - 3 mV i una eficàcia d’encapsulació al voltant del 90 %. Aquestes propietats són adequades per al tractament ocular. L’anàlisi fisicoquímica amb tècniques espectroscòpiques i calorimètriques va confirmar que la PGZ es troba dispersa dins de les NPs. Aquests sistemes col·loidals s’han d’estabilitzar mitjançant un procés d’assecatge per poder emmagatzemar-los a llarg termini i en condicions ambientals. En aquest treball les NPs es van estabilitzar per la tècnica d’assecatge de l’aerosol i es va analitzar l’impacte del procés d’assecat en la integritat de l’estructura, la repercussió en els perfils d’alliberament in vitro i en la penetració tissular ex vivo, la toxicitat, i l’efecte en l’activitat farmacològica. L’administració del fàrmac a través de membranes de diàlisi proporcionava un alliberament retardat i durador de la PGZ. L’anàlisi de la penetració ex vivo a través de còrnia i escleròtica va revelar que una concentració suficient de PGZ es va retenir en el teixit, evitant una penetració excessiva.
El test d’irritació HET-CAM va determinar que la tolerància de la formulació era òptima.
El test de Draize de tolerància ocular in vivo, va confirmar que no hi havia signes
d’irritació o dany i, respecte a l’eficàcia terapèutica es va demostrar que les NPs de PGZ aplicades en conills disminuïen significativament la inflamació quan s’induïa la inflamació ocular amb araquidonat sòdic, comparant amb animals control no tractats. Els estudis de toxicitat es van realitzar amb la línia cel·lular de retinoblastoma humà Y- 79 demostrant que la viabilitat cel·lular es mantenia al 90 % passades 48 h.
En conills tractats amb PGZ-NPs, i en un estudi d’eficàcia en porcs, es va analitzar la ultraestructura de la còrnia mitjançant difracció de raigs-X amb radiació de sincrotró, utilitzant la tècnica SAXS (Small-Angle X-Ray Scattering), la qual va permetre avaluar possibles canvis en la distància interfibril·lar i en el diàmetre fibril·lar del col·lagen. Els resultats van indicar que no es produïen alteracions significatives que fessin pensar en una pèrdua de visió i que la formulació possiblement té un efecte protector de la inflamació.
Es va determinar la presència de PGZ en diferents teixits oculars (còrnia, escleròtica, cristal·lí, humor aquós i humor vitri) de porcs i conills després d’administrar-los la formulació. La determinació es va realitzar mitjançant un mètode de cromatografia de líquids amb detecció per espectrometria de masses, el qual es va desenvolupar i validar en aquesta tesi seguint les guies de validació dels mètodes bioanalítics. La presència de PGZ en tots els teixits indica que pot arribar al segment posterior de l’ull, el qual se sol tractar amb injeccions intraoculars per la seva inaccessibilitat.
En resum, les NPs desenvolupades poden ampliar l’aplicabilitat de la PGZ utilitzant-la per al tractament de la inflamació ocular.
[eng] Pioglitazone (PGZ) is a drug used to treat type 2 diabetes by enhancing insulin sensitivity. PGZ acts as agonist of peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-γ), a nuclear receptor that regulates glucose homeostasis, lipid metabolism and inflammation. Because of that, PGZ is investigated beyond its primary use and studies are found employing it as anti-inflammatory in the treatment of different diseases.
Classical ocular drug delivery systems (eye drops and ointments) often fail to fight against diseases due to poor ocular bioavailability and low ocular residence time. Drug- loaded nanoparticles (NPs) are the new systems that can greatly improve the delivery and targeting of drugs to specific tissues and organs, therefore, the use of polymeric nanoparticles has reached much interest for ophthalmic drug delivery.
In this work, PGZ-loaded poly(lactic-co-glycolic)acid-polyethylene glycol (PLGA-PEG) NPs were synthetized and stabilized by the spray drying technique. The formulation was characterized physicochemically showing that it was suitable for ocular application and that PGZ was efficiently encapsulated in the polymer matrix. The nanosystem showed in vitro prolonged release in comparison with free PGZ and ex vivo permeation studies revealed not only a prolonged release but also that PGZ was retained in the cornea and sclera tissues. No toxicity was detected in the retinoblastoma cellular line Y-
79. The formulation was tested in animal models with the objective of providing a new formulation safe for ocular treatment: HET-CAM test, Draize test, anti-inflammatory efficacy, corneal transparency, corneal histology and study of the ultrastructure of the cornea with small-angle X-ray scattering (SAXS).
A very sensitive and accurate LC-MS/MS method to determine pioglitazone in ocular tissues was developed and validated according to bioanalytical method guidelines to demonstrate that after the instillation, the drug penetrates through the cornea to the sclera, iris, aqueous and vitreous humours, and remains in the tissues.
In summary, the developed nanocarrier can extend the applicability of PGZ to inflammatory ocular processes.
cat
info:eu-repo/semantics/openAccess
(c) Miralles Cardiel, Ester, 2023
Estabilització de sistemes polimèrics nanoestructurats de pioglitazona per al tractament de la inflamació ocular: estudis in vitro, ex vivo i in vivo
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2074872024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Porcar Santos, Oriol
2024-02-12T11:19:14Z
2024-02-02
http://hdl.handle.net/2445/207487
http://hdl.handle.net/10803/690024
[eng] Bisphenol A (BPA) has been one of the most produced chemicals during the last decades. However, as a result of its endocrine-disrupting behaviour, the use of this compound was restricted by legislation in different countries. To face restrictions, BPA has been replaced by other bisphenol analogues, such as bisphenol AF (BPAF), bisphenol AP (BPAP), bisphenol B (BPB), bisphenol C (BPC), bisphenol C-Cl (BPC-Cl), bisphenol E (BPE), bisphenol F (BPF), bisphenol S (BPS) and bisphenol Z (BPZ).
These substitutes are expected to exhibit similar endocrine-disrupting effects compared to BPA, as the chemical structure of all bisphenol analogues is similar. In fact, some of them exhibit even higher estrogenic activity than that of BPA. Additionally, the extended use of its substitutes is resulting in the increase of their occurrence in aquatic environments. Considering these facts, the replacement of BPA by other bisphenol analogues is environmentally concerning, evidencing the requirement to study several removal strategies. Thus, this thesis evaluated the abatement of these BPA substitutes through some of the most efficient and technologically mature treatments, such as ozonation, UV/H2O2 and UV processes. This included the evaluation of the reactivity, the identification of the main transformation products (TPs) and the assessment of the resulting toxicity.
The reactivity of ozone with bisphenol A substitutes resulted high under basic pH conditions (k = 8.83 x 108 - 1.43 x 109 M-1 s-1), while it decreased significantly at strong acidic pH (k = 5.01 - 1.22 x 105 M-1 s-1). This arises from the lower electron density placed in the phenol rings of the di-protonated species, resulting in lower reactivity with ozone. Then, the reactivity of hydroxyl radical with bisphenols under neutral pH conditions was determined to be high and similar for all bisphenols ((5.89 - 14.1) x 109 M-1 s-1). On the other hand, the efficiency of the UV-photolysis treatment ( λ = 254 nm) for the removal of these bisphenols at pH 7 was generally low, as well as the determined values of the quantum yield ((4.8 - 28.7) x 10-3 mol E-1). One exception was the favoured photolysis of BPC-Cl, whose determined value of the quantum yield was 4.7 x 10-1 mol E-1, which is approximately 45 times higher than that of BPA.
Regarding the elucidation of the main transformation products, hydroxylation was distinguished as the main degradation pathway of bisphenol analogues by ozone and
hydroxyl radical. Generally, this resulted in the formation of catechol and ortho-quinone derivatives as primary and most relevant TPs. Excluding the case of BPC-Cl, the detected TPs from the photolysis of bisphenols were equivalent to those from the UV/H2O2 treatment. This suggests the involvement of hydroxyl radical during their photolytic removal. On the other hand, BPC-Cl presented a unique photolysis mechanism, which is based on the favoured cleavage of the C-Cl bonds under UV radiation. Among the detected TPs, phenanthrene-3,6-diol was suggested as the most relevant initial product.
Considering the toxicity assessment, the acute toxicity and endocrine-disrupting activity were experimentally evaluated during the oxidation of BPA, BPAF and BPC-Cl by ozone, and throughout the UV-photolysis of BPC-Cl. This was conducted by the exposure of zebrafish eleutheroembryos to several treatment samples, with the subsequent determination of the survival and swim bladder inflation rates and the execution of transcriptomic analysis. Results demonstrated that ozone is able to reduce the acute toxicity and the endocrine-disrupting activity of these bisphenols. The acute toxicity of BPC-Cl and most of the altered biological pathways in zebrafish eleutheroembryos were also mitigated during its photolysis treatment. However, the estrogenic activity increased significantly, indicating that certain of its photolysis products may exhibit higher estrogenic activity than the parent compound.
[cat] Actualment, hi ha una creixent preocupació respecte la capacitat disruptiva endocrina de diversos bisfenols, tots ells substituts del BPA, com el BPAF, BPAP, BPB, BPC, BPC-Cl, BPE, BPF, BPS i BPZ. Aquests compostos s’estan trobant cada vegada més en aigües naturals i de rebuig. És per això que aquesta tesis s’ha centrat en l’estudi de la seva eliminació mitjançant tractaments avançats eficients i tecnològicament madurs, com són l’ozonització i els tractaments UV i UV/H2O2. L’estudi ha inclòs la seva reactivitat, la identificació dels productes de transformació i l’avaluació de la toxicitat durant els tractaments.
La reactivitat de l’ozó i radical hidroxil amb els bisfenols ha resultat ser alta en la majoria dels casos, a excepció de la baixa reactivitat de l’ozó amb els bisfenols, observada en condicions àcides. D’altra banda, l’eficiència del tractament UV per a l’eliminació d’aquests contaminants ha estat generalment baixa, excepte per a la fotòlisi del BPC-Cl.
Respecte la identificació dels productes de transformació, la hidroxilació dels grups fenol en la posició orto s’ha distingit com la via principal de degradació dels bisfenols amb l’ozó i el radical hidroxil. Aquesta hidroxilació també s’ha detectat durant el tractament UV de la majoria dels bisfenols, suggerint la intervenció del radical hidroxil durant l'eliminació fotolítica dels bisfenols. L’excepció ha estat la fotòlisi del BPC-Cl. Aquest compost presenta un mecanisme de fotòlisi únic, basat en el trencament afavorit dels enllaços C-Cl sota radiació UV, donant lloc a l’eliminació de clor per tots els productes de la fotòlisi.
L’estudi de toxicitat, realitzat mitjançant l’exposició de larves del peix zebra a diferents mostres tractades de diversos bisfenols seleccionats, ha demostrat que l’ozó es capaç de reduir tant la toxicitat aguda com també la seva activitat com a disruptors endocrins. D’altra banda, encara que també s’ha constatat una reducció de la toxicitat aguda durant la fotòlisi del BPC-Cl, l’estrogenicitat d’aquest compost augmenta amb el tractament. Aquest resultat indica que alguns dels productes de transformació del la fotòlisi del BPC-Cl poden presentar una activitat estrogènica més alta que la del propi contaminant, el BPC-Cl.
eng
info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
(c) Porcar Santos, Oriol, 2024
Abatement of bisphenol analogues through ozone, hydroxyl radical and UV radiation in water: Kinetics, transformation products and toxicity
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
oai:diposit.ub.edu:2445/2075412024-03-12T17:02:13Zcom_2445_34657col_2445_105623
Albishri, Abdulkarim Khalaf
2024-02-13T10:21:14Z
2024-02-13T10:21:14Z
2024-02-07
http://hdl.handle.net/2445/207541
http://hdl.handle.net/10803/690045
[eng] Determining the acidity (pKa) and lipophilicity (log Po/w) of organic compounds is fundamental in analytical chemistry fields, with potential relevance in drug development, material science, analytical separation, and environmental research. In the first part of the thesis, a high-throughput internal standard capillary electrophoresis (IS- CE) method was established to determine the pKa of ISs at different concentrations of methanol and acetonitrile from 0 to 90% (v/v). The acid and base scales of methanol-water mixtures and acetonitrile-water mixtures were properly anchored to the potentiometrically obtained pKa values of reference compounds to get absolute pKa scales. As a consequence, a set of 46 acid- base compounds with changing structures were proposed as internal standards for consistent pKa measurements in methanol-water and acetonitrile-water mixtures buffers using capillary electrophoresis. The determined ISs reference set facilitates the determination of analytes pKa and measurement of buffer pH in the range 4-11.5 (in water) for any methanol-water and acetonitrile-water composition. Secondly, to prove its feasibility, the IS-CE approach was successfully used to determine the aqueous pKa in methanol-aqueous buffer compositions up to 40% of methanol in volume. The Yasuda-Shedlovsky extrapolation method was utilized to determine seven drugs of different chemical nature with intrinsic water solubilities lower than 10−6 M. The results were successfully compared to literature ones obtained by other approaches. It is concluded then that the IS-CE methodolgy permits the measurement of aqueous pKa values using lower ratios of methanol than the classical method, becoming then more accurate in the extrapolation procedure than other reference methods. Finally, since methanol-water and acetonitrile-water mixtures are solvents of interest in liquid chromatographic separations because of their use as the mobile phase, the IS-CE method was also applied to measure the pKa of eight organic bases in methanol-water and acetonitrile-water mixtures (0-90%,v/v), which are usually used as test compounds in HPLC column evaluation. In the second part of the thesis, a new approach based on microfluidics was developed to determine the octanol-water partition. As a first step, a design with a perpendicular configuration of the channels was developed using direct 3D printed microfluidics. A gravitational perfusion system was implemented to create a spontaneous flow within the octanol and water channels without need for external pump. The movement of octanol and water phases was successfully validated using fluorescent dyes. After that, the intensity of the fluorescent dye was used to evaluate the partition dynamics in static and dynamic conditions. The results prove that the proposed design with this microfluidic methodology allows the evaluation of molecule partition, achieving high efficiency partition and reaching the equilibrium of O/W partition faster than conventional techniques. Later, the design was adapted to a parallel configuration of the channels to be compatible with up-scalable manufacturing techniques and parallelize it for up to 56 simultaneous determinations in a single platform. Finally, both the perpendicular and parallel designs were validated using several drugs with well standardize log Po/w values that cover a wide range of lipophilicity. The microfluidic device was coupled with HPLC to determine their partition coefficients from the peak areas of the compounds in octanol and in water after partition. Good agreement with the literature values was achieved, showing the capability of microfluidic chips for precise and accurate prediction of the partition coefficient. Finally, the progress of a cost-effective and consistent method for predicting partition coefficient via microfluidic chips demonstrated a great advancement in the field of analytical chemistry, with powerful applications in drug discovery and other related fields. The results gotten from this investigation offer an establishment for additional research and advance of this approach.
[cat] La determinació de l'acidesa (pKa) i de la lipofilicitat (log Po/w) dels compostos orgànics és fonamental en els camps de la química analítica, amb rellevància potencial en el desenvolupament de fàrmacs, la ciència dels materials, la separació analítica i la investigació ambiental.
En la primera part de la tesi s’estableix un mètode d'electroforesi capil·lar estàndard interna’'alt rendiment (IS-CE) per determinar el pKa de’'analit àcid-base en mescles d'aigua amb solvents orgànics. En aquest treball es va establir un mètode d'electroforesi capil·lar estàndard d'alt rendiment (IS-CE) per determinar el pKaa dels IS a diferents concentracions de metanol i acetonitril del 0 al 90% (v/v).
En segon lloc, per demostrar la seva viabilitat, L'enfocament IS-CE es va utilitzar amb èxit per determinar el pKa aquós en composicions tampó aquoses de metanol fins a un 40% del volum de metanol. El mètode d'extrapolació De Yasuda-Shedlov es va utilitzar per determinar set fàrmacs de diferent naturalesa química amb solubilitats d'aigua intrínseques inferiors a 10-6 M.
Aplicat el mètode IS-CE per mesurar el pKa de vuit bases orgàniques en mescles de metanol- aigua (0 -90%, v/v) i d’acetonitril-aigua, que s’utilitzen habitualment en l'avaluació de columnes de HPLC.
A la segona part de la tesi, es va desenvolupar un nou mètode basat en la microfluídica per determinar la partició octanol-aigua.
Com a primer pas, es va desenvolupar un disseny amb una configuració perpendicular dels canals mitjançant microfluídica impresa En 3d Directa. Es va implementar un sistema de perfusió per gravetat per crear flux espontani dins dels canals d'octanol i aigua sense necessitat de bombament extern. El moviment de les fases d'octanol i aigua es va validar amb èxit mitjançant colorants fluorescents. Després d'això, es va utilitzar la intensitat del colorant fluorescent per avaluar la dinàmica de partició en condicions estàtiques i dinàmiques.
Posteriorment, el disseny es va adaptar a una configuració paral·lela dels canals per ser compatible amb tècniques de manufacturar up-scalable i parallelitzar-lo fins a 56 determinacions simultànies en una sola plataforma. Finalment, tant els dissenys perpendiculars com els paral·lels es van validar utilitzant diversos fàrmacs amb valors log Po/w de registre ben estandarditzats que cobreixen una àmplia gamma de lipofilicitat.
El dispositiu microfluídic es va acoblar amb HPLC per determinar els seus coeficients de partició a partir de les àrees dels pics d’HPLC del compostos en octanol i en aigua després de la partició. Es va aconseguir un bon acord amb els valors de la literatura, mostrant la capacitat dels xips microfluídics per a una predicció precisa del coeficient de partició.
eng
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
cc by-nc-sa (c) Albishri, Abdulkarim Khalaf, 2024
High throughput determination of relevant physicochemical parameters in the drug discovery and HPLC processes. Microfluidic devices
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/publishedVersion