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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-90344
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9034/


Identifizierung und Charakterisierung von Pestizidmetaboliten in pflanzlichen Matrices mittels Quadrupol-Flugzeit- und Tandem-Massenspektrometrie

Identification and characterization of pesticide metabolites in plant-derived commodities by quadrupole time-of-flight and tandem mass spectrometry

Bauer, Anna

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SWD-Schlagwörter: Massenspektrometrie , Pflanzenschutzmittel , Analytische Chemie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Pestizide , Metabolite , Substanzidentifizierung , Screening
Freie Schlagwörter (Englisch): Pesticide , metabolite , identification , screening
Basisklassifikation: 35.29 , 35.26 , 35.25 , 35.07
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Rohn, Sascha (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.02.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 21.03.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Pestizide werden in der Landwirtschaft zum Schutz der Pflanzen eingesetzt und dienen ihrem Erhalt und der Ertragssteigerung. Dabei handelt es sich um eine Vielzahl von verschiedenen Substanzklassen, die unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren werden die Pestizidwirkstoffe nach ihrem Wirkungsmechanismus unterteilt. Viele verschiedene Substanzklassen beugen Pilzbefall vor, schützen vor Insekten oder wirken auf den Hormonhaushalt der Pflanze ein. Der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln findet in der ganzen Welt in großen Mengen statt. Da diese Wirkstoffe ein Gesundheitsrisiko für Mensch und Tier darstellen sowie die Umwelt negativ beeinflussen können, unterliegen sie rechtlichen Regulierungen, in denen die Zulassung, Anwendung und Rückstandshöchstgehalte auf bzw. in den Lebensmitteln definiert werden. Nach der Anwendung der Pestizide auf das Pflanzengut werden diese von der Pflanze abgebaut bzw. metabolisiert. Bei den bekannten und unbekannten Metaboliten, die ebenfalls noch eine Pestizidwirkung aufweisen oder aufgrund der vorliegenden Konzentration und toxikologischen Eigenschaften eine Gefahr darstellen können, sollten diese ebenso erfasst werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Multianalyseverfahren für eine Pestizidbestimmung mittels hochauflösender Massenspektrometrie, gekoppelt mit Ionenmobilitätspektrometrie entwickelt und validiert. Des Weiteren wurde in einer Modellstudie eine Methode zur Bestimmung von Pestizidmetaboliten mittels Strukturaufklärungswerkzeugen in der hochauflösenden Massenspektrometrie entwickelt. Referenzstandards für die untersuchten Pestizidmetaboliten waren hierbei kommerziell nicht verfügbar. Anhand der entwickelten Methode erfolgte der Aufbau eines Pestizidmetaboliten-Screenings basierend auf dem entwickelten Multianalysenverfahren für Pestizide für unterschiedliche pflanzliche Lebensmittel.
Für Wirkstoffe, die aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften in einem Multirückstandardsverfahren nicht erfasst werden können, wurde ein alternatives Multianalysenverfahren für sehr polare Pestizide mittels Tandem-Massenspektrometrie evaluiert und validiert. Hierbei wurden die Analyseverfahren separat für kationische und anionische Pestizidwirkstoffe und deren Metabolite entwickelt.
Die vorliegende Arbeit umfasst ein Pestizidscreening-Verfahren für einen Parameterumfang von 280 Substanzen mit relevanten Metaboliten für eine Erfassung in einem Konzentrationsbereich von 0,100 bis 0,001 mg/kg in 20 verschiedenen pflanzlichen Lebensmitteln, repräsentativ für alle sechs pflanzen-basierten Matrixgruppen nach dem SANTE Guidance Document 11945/2015 der Europäischen Kommission. Hierbei sollte die Kopplung und Anwendung von Ionenmobilität als ein zusätzliches Kriterium für die Substanzidentifizierung mittels hochaufgelöster Massenspektrometrie (High-Resolution MS, HRMS) evaluiert werden.
Anhand der drei Modellwirkstoffe Thiacloprid, Azoxystrobin und Difenconazol wurde in einer Feldstudie eine Methode zur Identifizierung und Charakterisierung von 22 Metaboliten in unterschiedlichen Metabolisierungstufen in Brokkoli und Pak Choi entwickelt. Dabei wurden eine Analyse der Pflanzenkompartimente sowie eine Metabolisierungskinetik für den Abbau der Wirkstoffe sowie die Bildung der Metabolite durchgeführt. Die Studie ermöglichte den Aufbau einer Metaboliten Datenbank als ein neues Werkzeug zum Anwendungsnachweis von Pestizidwirkstoffen über ihre entsprechenden Metabolite. Ausschlaggebend war der Nachweis eines Pestizidmetaboliten in Brokkoli, ohne dass die Muttersubstanz in dem jeweiligen Kompartiment nachgewiesen werden konnte.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Entwicklung eines Screening-Verfahrens für Pestizidmetaboliten in pflanzlichen Lebensmitteln. Die Basis dafür lieferten die Verfahrensschritte, die in der Pestizidscreening-Methode und der Identifizierungsmethode für Pestizidmetabolite etabliert wurden. Im Rahmen dieses Screenings wurde für 58 Pestizidmuttersubstanzen eine theoretische spektrale Datenbank von 648 Metaboliten-Einträgen aufgebaut. Anhand von 96 Proben konnten 47 Metabolite identifiziert und charakterisiert werden. Als Endresultat wurde damit ein kombiniertes Screening für Pestizide und Pestizidmetabolite etabliert.
In der vorliegenden Arbeit wurde darüber hinaus zum ersten Mal ein Multirückstandsverfahren zur Bestimmung anionischer Pestizide entwickelt, wobei die Analyten Fosetyl und sein Metabolit Phosphonsäure erstmalig mit dem sehr niedrigen reporting level von 0,010 mg/kg in pflanzlichen Lebensmitteln sensitiv ermittelt werden konnte. Dieser reporting level ist insbesondere für die Überprüfung von Kindernahrung und ökologischen Lebensmitteln äußerst wichtig und wurde erst mit dieser Methode möglich gemacht. Weiterhin wurde diese Methode zur Bestimmung der Analyten Ethephon, seinem Metaboliten 2-Hydroxyethephon und den anionischen Pestiziden Chlorat und Perchlorat ausgebaut. Das sensitive und robuste Verfahren wurde für sechs repräsentative Lebensmittel aus fünf pflanzlichen Lebensmittelgruppen nach dem SANTE Guidance Document 11945/2015 der Europäischen Kommission für die Verwendung in der Pestizidroutineanalytik evaluiert und validiert.
In einem weiteren Teil der Arbeit wurde ein Analysenverfahren zur Bestimmung der quartären Ammoniumverbindungen Chlormequat, Mepiquat, Paraquat und Diquat in pflanzenbasierten Lebensmitteln entwickelt. Hierbei wurde eine bestehende Referenzmethode optimiert und vereinfacht, so dass mit Hilfe der resultierenden robusten Methode ebenfalls eine Bestimmungsgrenze von 0,010 mg/kg erreicht werden konnte. Die Methode für quartäre Ammoniumverbindungen wurde ebenfalls für sechs repräsentative Lebensmittel aus fünf pflanzlichen Lebensmittelgruppen evaluiert und validiert.
Kurzfassung auf Englisch: Pesticides are used in agriculture to protect plants and thus to maintain and increase plant yields. Many different substance classes prevent fungal infections, protect against insects, or affect the plant's hormonal balance. The use of plant protection products takes place all over the world in large quantities. As those active substances provide a health risk to humans and animals as well as adversely affect the environment, the approval, application, and residue levels in foodstuffs are subject to legal regulations. After the application of the pesticides to the plant material, they are significantly metabolized by the plant to identified and also unidentified metabolites. Due to their residual pesticidal effects or an elevated concentration in the plant material in combination with toxicological effects they may pose a risk to consumers and therefore should be monitored, too.
In the present work, a multi analysis method for pesticide determination using high-resolution mass spectrometry coupled with ion mobility has been developed and validated. In addition, a method for the determination of metabolites in a model study was developed by means of structure elucidation tools by high-resolution mass spectrometry. Reference standards for the investigated pesticide metabolites were not commercially available. Based on this method, a pesticide metabolite screening was developed. For active substances that cannot be detected in a multi residue method, due to their chemical and physical properties, another multi analysis method for highly polar pesticides was evaluated and validated using tandem mass spectrometry. In this case, the analytical procedures were split apart for cationic and anionic analytes and their metabolites.
The present work includes a pesticide screening method for a parameter scope of 280 active substances and corresponding relevant metabolites comprising screening detection levels ranging from 0.100 to 0.001 mg/kg in 20 different plant-derived commodities representative for all six commodity groups according to document SANTE 11945/2015. On the basis of the three model substances thiacloprid, azoxystrobin and difenoconazole, a method for the identification and characterization of 22 metabolites at different metabolization levels in broccoli and pak choi were demonstrated in a field study. In addition, die application of a plant protection product was verified vie the detection of a metabolite in broccoli even in absence of the corresponding parent substance.
Another project basing on the identification method for pesticides and pesticide metabolites focused on the development of a pesticide metabolite screening approach. For 58 active compounds, a theoretical database of 648 metabolite entries was established and 47 metabolites were identified and characterized in 96 fruit and vegetables samples. A combined screening method for the identification of pesticides and their corresponding metabolites was established.
Furthermore, in the present work a multiresidue method for the determination of anionic pesticides was also developed, where the active compound fosetyl and its metabolite phosphonic acid was determined in a very sensitive way for the first time with a reporting level of 0.010 mg/kg in several plant commodities. Furthermore, the method was optimized for the determination of the analytes ethephone and its metabolite 2-hydroxyethephon, and the compounds chlorate, and perchlorate. The sensitive and robust method has been evaluated and validated for five matrices representative for five different commodity groups according to document SANTE 11945/2015.
In another project an analytical method for the development of the cationic quaternary ammonium compounds chlormequat, mepiquat, paraquat and diquat was developed. The method was optimized and simplified using a reference method so that a robust method with a limit of quantification of 0.010 mg/kg could also be achieved. The method for quaternary ammonium compounds has also been evaluated and validated for 5 matrices representative for five different commodity groups according to document SANTE 11945/2015.

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