543wil50ref
Contents
Contributors to Volume 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . vii
xi
Volumes in the Series. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Editor's preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv
Series editor's preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix
Glossary of acronyms and abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi
Chapter 1 Pharmaceuticals in the environment: sources and
their management
Christian G. Daughton
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Scope: the universe of pharmaceuticals . . . . . . . . . . .
1.1.2 Background regarding the acronym "PPCPs". . . . . . .
1.1.3 An historical perspective regarding the published
literature and PPCPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Sources and pathways for pharmaceuticals to
the environment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Importance of understanding sources and
origins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Sources/origins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2.1 Sources: general considerations . . . . . . . . . .
1.2.2.2 The role of source in the perception
of risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2.3 Specific sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2.4 Data needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Means for minimizing these sources (e.g., pollution prevention)
1.3.1 Drug disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1.1 Example of the hazards associated with
storage of drugs at the home . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Drug reuse and recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Notice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Contents
Chapter 2. Analysis of pharmaceuticals as environmental
contaminants
Chapter 2.1. Analysis of antibiotics i n aqueous samples
M. Silvia Diaz-Cruz and Damia Barcelo
2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.1 Antibiotic classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.2 Physical-chemical properties . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.3 Occurrence in aqueous samples. . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2.1 Sample preservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2.2 Enrichment and purification procedures . . . . . . . .
2.1.3 Quantitative analytical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3.1 Gas chromatography methods . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3.2 Liquid chromatography methods . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3.2.1 Analytical columns . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3.2.2 Mobile phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3.2.3 Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3.2.4 Matrix effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 2.2. Analysis of antibiotics i n solid samples
Sung-Chul Kim and Kenneth Carlson
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Classification of antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Physicochemical properties of antibiotics . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3.1 Tetracyclines (TCs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3.2 Sulfonamides (SAs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3.3 Macrolides (MLs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3.4 Ionophores (IPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Antibiotic extraction in solid matrices . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4.1 Liquid-solid extraction (LSE) method . . . . . . . . . .
2.2.4.2 Accelerated solvent extraction (ASE) method . . . . .
2.2.5 Sample cleanup and concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.6 Sample separation and detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.7 Application of LCIMS for quantifying antibiotics in the
environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.8 Fate and transport of antibiotics in solid matrices . . . . . . .
61
63
63
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101
101
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115
120
Contents
2.2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 2.3. Analysis of neutral and acidic pharmaceuticals by liquid
chromatography mass spectrometry
Xiu-Sheng Miao and Chris D. Metcalfe
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.1 Sample collection and storage . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.2 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.2.1 Aqueous samples . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.2.2 Particulate samples . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.2.3 Biota samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.3 LC-MS and LC-MS/MS analysis . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.3.1 Liquid chromatography separation . . . .
2.3.2.3.2 Mass spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.3.3 Time of flight mass spectrometry . . . . .
2.3.2.4 Matrix effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2.5 Quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 2.4. Multi-residue analysis of pharmaceuticals using
LC-tandem M S and LC-hybrid M S
Mira Petrovit. Meritxell Gros. Damia Barcelo
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Simultaneous extraction of multi-class pharmaceuticals
from aqueous samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Chromatographic separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4 Mass spectrometric analysis using tandem MS . . . . . . . . . .
2.4.4.1 Triple quadrupole (QqQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.5 Mass spectrometric analysis using hybrid MS. . . . . . . . . . .
2.4.5.1 Quadrupole time-of-flight (QqTOF) . . . . . . . . . . . .
2.4.5.2 Quadrupole-linear ion trap (QqLIT) . . . . . . . . . .
2.4.6 Pitfalls in LC-MS analysis of pharmaceuticals in complex
environmental samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.6.1 False positive results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.6.2 Matrix effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Contents
2.6.2.3.1 Water samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.3.2 Solid environmental samples. . . . . . . . .
2.6.2.4 Extraction and purification . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.4.1 Water samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.4.2 Solid environmental samples . . . . . . . . .
2.6.2.5 Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.6 Analytical determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.6.1 General remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.6.2 Bioassays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.6.3 Gas chromatography-(tandem)mass
spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.6.4 Liquid chromatography-(tandem)mass
spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.6.5 LC-(tandem)MS vs GC-(tandem)MS . . .
2.6.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 2.7. Analysis of iodinated X-ray contrast media
Anke Putschew and Martin Jekel
2.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.2 Adsorbable organic bound iodine (AOI) . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.3 Liquid chromatography-tandem mass spectrometry
(LC-ESI-MSiMS)and A01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.4 Selective detection of organic bound iodine
(LC.ESI.IISF-MS), LC-ESI-MSiMS and A01. . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 2.8 Application of bioassays/biosensors for the analysis o f
pharmaceuticals i n environmental samples
J.-Pablo Salvador. Javier Adrian. Roger Galve. Daniel G. Pinacho.
Mark Kreuzer. Francisco Sanchez-Baeza and M.-Pilar Marco
2.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.2 Bioassays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.3 Biochemical assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.3.1 Biochemical assays based on receptors. . . . . . . . . .
2.8.3.2 Antibodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.4 Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.4.1 Transducing principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.4.1.1 Electrochemical sensors . . . . . . . . . . . .
2.8.4.1.2 Optical transducers. . . . . . . . . . . . . . . .
Contents
3.2.7 Other abiotic transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.8 Field studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
381
382
382
383
Chapter 3.3 Ecotoxicity o f pharmaceuticals
Oliver A.H. Jones. Nikolaos Voulvoulis and John N. Lester
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Acute effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Chronic effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Mixture effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 Impacts of Pharmaceuticals in the environment . . . . . . . . .
3.3.6 Environmental risk assessment of pharmaceuticals . . . . . .
3.3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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392
401
403
406
410
413
416
417
Chapter 4 Removal of pharmaceuticals in wastewater and drinking
water treatments
Chapter 4.1 Removal of pharmaceutical residues during wastewater
treatment
Jorg E. Drewes
4.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1.1 Acidic, neutral and basic pharmaceutical residues .
4.1.1.2 Antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1.3 X-ray contrast agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1.4 Steroid hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Removal during primary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Removal during secondary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3.1 Acidic, neutral and basic pharmaceutical residues .
4.1.3.2 Antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3.3 X-ray contrast agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3.4 Steroid hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Removal during tertiary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.5 Removal during disinfection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6 Removal during membrane treatment . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6.1 Microfiltration/ultrafiltration . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6.2 Nanofiltrationlreverse osmosis . . . . . . . . . . . . . . . .
427
429
429
430
431
431
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432
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437
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442
443
443
443
Contents
4.1.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 4.2. Removal o f pharmaceuticals by advanced treatment
technologies
Maria Dolores Hernando Guil. Mira Petrovik. Jelena Radjenovic.
Antonio Rodriguez Fernandez.Alba. Amadeo Rodriguez FernandezAlba and Damia Barcel6
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Membrane bioreactor (MBR) technology . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2.1 General aspects of MBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2.2 Removal of Pharmaceuticals by MBR . . . . . . . . . .
4.2.2.2.1 Acidic, neutral and basic
pharmaceuticals . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2.2.2 Steroid hormones . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2.2.3 X-ray contrast agents . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Advanced oxidation processes (AOP . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1 Photocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1.1 Steroid hormones . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1.2 Antiepileptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1.3 Anti-inflammatories and lipid regulating
drugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.1.4 X-ray contrast agents . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.2 Ozonation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.2.1 Antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.2.2 Anti-inflammatories, lipid regulating
drugs, beta-blockers and antiepileptics .
4.2.3.2.3 Steroid hormones . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.2.4 X-ray contrast agents . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 4.3. Removal of pharmaceuticals during drinking water
production
Thomas Heberer
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.1 Contamination of groundwater . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.2 Behavior of drug residues in the groundwater body
Contents
4.3.2.3 Removal of drug residues by soil aquifer treatment
(SAT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.4 Removal of drug residues from contaminated
surface waters by bank filtration . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.5 Removal of drug residues from contaminated
surface waters by groundwater replenishment
(GWR). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Removal in waterworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3.1 Flocculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3.2 Aeration and rapid sand filtration . . . . . . . . . . . . .
4.3.3.3 Ozonation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3.4 Treatment with chlorine dioxide . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3.5 GAC filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3.6 Membrane filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Overall conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapter 5. Conclusions and future research needs
Damia Barcel6 and Mira Petrovik
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
General remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Legislation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chemical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Occurrence, fate and behaviour and modelling . . . . . . . . . .
Removal from WWTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subject Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .