In de lucht, de bodem en het water bevinden zich vervuilende stoffen. Deze stoffen zijn afkomstig van consumenten, uit de landbouw en van de industrie. De gemeente Utrecht wilde achterhalen welke vervuilende stoffen aanwezig zijn in haar grondwater. Zij heeft daarom het afgelopen jaar de chemische waterkwaliteit van verschillende peilbuizen laten onderzoeken door Het Waterlaboratorium. Middels screeningsanalyses is gezocht naar zowel bekende als onbekende stoffen om zo een beeld te krijgen van de chemische samenstelling van het grondwater. In dit artikel worden de meest opvallende onderzoeksresultaten besproken en de toepassing van screeningsanalyses toegelicht.
In het dagelijks leven gebruiken we talloze producten. Denk aan geneesmiddelen, schoonmaakmiddelen en cosmetica, maar ook aan de bestrijdingsmiddelen die in de gangbare landbouw worden gebruikt om de groenten te verbouwen, die ’s avonds op je bord liggen. Het gebruik van deze producten, en daarmee van de daarin aanwezige stoffen, is onvermijdelijk. Uiteindelijk komt een deel van deze stoffen, direct of indirect, in het milieu terecht, waaronder in ons water. Deze vervuilende stoffen kunnen een negatieve invloed op hun omgeving uitoefenen. Om het lot van deze stoffen in het milieu beter te begrijpen en het bijbehorende risico nauwkeuriger in te schatten, is het essentieel om deze stoffen te kunnen monitoren. Omdat het gaat om duizenden stoffen is dat minder vanzelfsprekend dan het lijkt. Bij Het Waterlaboratorium gebruiken we onder andere doelstof- en screeningsanalyses om te achterhalen welke niet-natuurlijke stoffen in het water aanwezig zijn.
Gericht of ongericht analyseren?
Binnen het onderzoek naar vervuilende stoffen maken we afwisselend gebruik van doelgerichte analyses (doelstofanalyse) en ongerichte analyses (screening).
Doelstofanalyses
Een doelstofanalyse is een gerichte methode waarbij alleen wordt gekeken naar vooraf bepaalde stoffen. Met een doelstofanalyse kijken we met hoge zekerheid en nauwkeurigheid naar een specifieke selectie van stoffen. We meten de ‘overige’ stoffen niet. Met een doelstofanalyse toets je veelal tussen de 5 en 50 stoffen. Omdat niet altijd bekend is welke stoffen in het grondwater zitten, bestaat hier wel het risico dat gericht onderzoek belangrijke informatie mist.
Screeningsanalyse
Een screeningsanalyse is een ongerichte analyses en kijkt specifiek naar onbekendere stoffen. Het is ingericht op het verzamelen van zo veel mogelijk informatie over stoffen in plaats van toewerken naar een specifiek resultaat. Hierdoor kijk je met screening al snel naar honderden of duizenden mogelijke stoffen. Screeningsanalyses bevatten door hun non-specifieke karakter een grotere onzekerheid dan doelstofanalyses. Dit zorgt ervoor dat veel stoffen onbekend blijven en hierdoor kan de nauwkeurige concentratie van stoffen niet bepaald worden.
Casus: Het grondwater van de gemeente Utrecht
De gemeente Utrecht was benieuwd naar welke vervuilende stoffen er voorkomen in haar grondwater. Voor dit onderzoek zijn 30 peilbuizen, verspreid over de gemeente Utrecht, onderzocht met screeningsanalyses. In totaal zijn 8 diepe peilbuizen, ongeveer 12 meter onder het maaiveld, en 22 ondiepe peilbuizen, ongeveer 6 meter onder het maaiveld, bemonsterd. Vervolgens zijn de monsters gemeten met zowel de GC-MS als LC-MS screeningsanalyses.
De verwachting is dat het diepe grondwater minder beïnvloed is door menselijke activiteiten doordat het ouder en meer gefilterd is, en hiermee dus ook minder stoffen bevat dan ondieper grondwater. Als een locatie sterk is beïnvloed door menselijke activiteiten verwachten we dat deze veel meer stoffen bevat. We hebben dit onderzocht door met behulp van multivariate statistiek, zoals hoofdcomponentenanalyse en hiërarchische clusteranalyse, peilbuizen te identificeren die verschillen van andere peilbuizen. Vervolgens hebben we onderzocht welke stoffen verantwoordelijk zijn voor het verschil. Hiernaast hebben we ook gekeken of bepaalde locaties unieke of bekende verontreinigingsstoffen bevatten.
Resultaten
Met de GC-MS NTS vielen twee peilbuizen op vanwege de hoge hoeveelheid polyaromatische koolwaterstoffen (PAK) en enkelvoudige aromatische verbindingen. Waaronder naftalenen, benzenen, fluorenen. Deze stoffen komen voort uit het verbranden of verhitten van koolstof houdende materialen, zoals olie of steenkool.
Met de LC-MS target-screening vielen juist twee andere peilbuizen op door de grotere hoeveelheid aangetroffen stoffen. Dit is extra opmerkelijk omdat één van deze peilbuizen een dieper grondwatermonster is. Deze diepere peilbuis ligt vlak bij de rioolwaterzuiveringsinstallatie van Utrecht. Deze invloed zien we ook terug in de gegevens: de peilbuis bevat relatief hoge concentraties van een aantal bekende farmaceutische stoffen en metabolieten zoals sotalol, temazepam, en lidocaine. De ondiepere peilbuis ligt in het buitengebied aan de rand van de gemeente Utrecht waar nog steeds tuinbouw plaatsvindt. Ook dit zien we terug: deze ondiepere peilbuis bevat een grote hoeveelheid bestrijdingsmiddelen, zoals fluopyram, pyrimethanil, en carbendazim. Deze stoffen komen overigens niet voor in andere peilbuizen.
Het ophelderen van alle onbekende stoffen is helaas nog niet zo eenvoudig. Desondanks kunnen we de onbekende stoffen ook zonder identificatie gebruiken om de waterkwaliteit te vergelijken. Met de LC-MS NTS hebben we in de 30 peilbuizen in totaal meer dan 800 onbekende stoffen aangetroffen, waarbij in één peilbuis 275 onbekende stoffen zijn aangetroffen. Deze peilbuis was niet een van de hierboven genoemde opvallende buizen. Van de 800 onbekende stoffen zijn er 26 stoffen opgehelderd met een redelijke hoge betrouwbaarheid.
Conclusie
De veelzijdigheid van de screeningsmethoden maakt het mogelijk om snel en efficiënt te toetsen of grondwater nog ‘schoon’ is en niet beïnvloed is door menselijke activiteiten. Door ongerichte screeningsanalyses toe te passen ontstaat een holistisch beeld van zowel bekende als onbekende stoffen die met de vernauwde blik van doelstof analyses waarschijnlijk gemist waren. Hierbij is het niet altijd nodig om precies te weten naar welke stoffen je kijkt door gebruik te maken van het principe: ‘waar rook is, is vuur’.
De combinatie van verschillende scheidingsprincipes (GC en LC) en screeningstechnieken (TAS en NTS) levert waardevolle inzichten over de chemische samenstelling van grondwater in de gemeente Utrecht. Voor enkele peilbuismonsters viel duidelijk op dat deze zijn beïnvloed door menselijke activiteiten. Zo werden er onder andere verbrandingsproducten (o.a. PAK), farmaceutische stoffen en bestrijdingsmiddelen gevonden in diverse grondwaterlocaties. Het type en aantal stoffen kon worden gelinkt aan (historische) activiteiten in de omgeving. Voor toekomstig onderzoek zou het zinvol zijn om juist deze opvallende peilbuizen opnieuw te monitoren en hierbij eventuele veranderingen in de concentraties van deze stoffen vast te stellen. Andersom zou het ook interessant zijn om plekken met veel (historische) activiteit extra te onderzoeken.
Hoe werkt een screening?
De eerste stap na het nemen van een grondwatermonster is het scheiden van alle onbekende stoffen via chromatografie. Tijdens de chromatografie worden alle stoffen in een watermonster vertraagd op basis van hun fysische eigenschappen, zoals de affiniteit tot water. Door vast te leggen hoeveel een stof wordt vertraagd krijgen we iets te weten over de fysische eigenschappen. Met verschillende vormen van scheiding wordt gekeken naar verschillende eigenschappen en dus ook stofgroepen. Gaschromatografie (GC) scheidt op kookpunt en kijkt naar vluchtige en semi-vluchtige stoffen, bijvoorbeeld olieproducten, pesticiden, en explosieven. Vloeistofchromatografie (LC) scheidt op wateroplosbaarheid en kijkt naar wateroplosbare en niet-vluchtige verbindingen, zoals medicijnen, eiwitten en afbraakproducten van bestrijdingsmiddelen.
Na de scheiding komen de stoffen langs een massadetector waar middels massaspectrometrie (MS) de molecuulmassa van de stoffen wordt gemeten. De combinatie van scheiding en massaspectrometrie noemen we verkort respectievelijk GC-MS en LC-MS. Bij massaspectrometrie is het ook mogelijk om een unieke ‘vingerafdruk’ van een stof te verzamelen. De verzameling van gegevens uit beide analysemethoden (piekintensiteit, fysische eigenschappen, massa, vingerafdruk) van alle aanwezige onbekende stoffen zegt veel over de waterkwaliteit, en soms lukt het ook om de identiteit van een onbekende stof op te helderen.+
Ophelderen van onbekende stoffen
Het ontbreken van een nauwkeurige concentratie bij een screening zorgt ervoor dat je op een andere manier naar de meetgegevens dient te kijken. Screening is uitermate geschikt voor vergelijkend onderzoek en hiervoor worden de relatieve concentraties in verschillende monsters gebruikt. Het vergelijken van de relatieve concentraties per stof maakt het mogelijk om veranderingen in kaart te brengen. Juist deze veranderingen kunnen relevant zijn. Zo kunnen trends zoals seizoensinvloeden en de geografische spreiding worden onderzocht.
Er zijn twee verschillende strategieën om onbekende stoffen op te helderen. De eerste gebruikt de volledige vingerafdruk en vergelijkt deze met een vertrouwde referentiebibliotheek van opgeslagen vingerafdrukken. Je krijgt hiermee een lijst van gemeten stoffen die overeenkomen met een stof in de referentiebibliotheek. Dit wordt een target screening (TAS) genoemd en is redelijk nauwkeurig. Met de tweede methode vergelijk je de vingerafdruk of delen hiervan met allerlei verschillende externe bibliotheken. Hierdoor kijk je veel breder dan één referentiebibliotheek en kan je een breed palet aan aanwezige onbekende stoffen vinden. Dit wordt non-target screening (NTS) genoemd en is een stuk minder nauwkeurig. Figuur 2 geeft de verschillende analysemethoden schematisch weer.
