Analyse par spectrométrie de masse des antibiotiques vétérinaires liés à l’élevage porcin

Abstract

L’élevage des porcs représente une source importante de déversement d’antibiotiques dans l’environnement par l’intermédiaire de l’épandage du lisier qui contient une grande quantité de ces molécules sur les champs agricoles. Il a été prouvé que ces molécules biologiquement actives peuvent avoir un impact toxique sur l’écosystème. Par ailleurs, elles sont aussi suspectées d’engendrer des problèmes sanitaires et de contribuer à la résistance bactérienne pouvant mener à des infections difficilement traitables chez les humains. Le contrôle de ces substances dans l’environnement est donc nécessaire. De nombreuses méthodes analytiques sont proposées dans la littérature scientifique pour recenser ces composés dans plusieurs types de matrice. Cependant, peu de ces méthodes permettent l’analyse de ces contaminants dans des matrices issues de l’élevage agricole intensif. Par ailleurs, les méthodes analytiques disponibles sont souvent sujettes à des faux positifs compte tenu de la complexité des matrices étudiées et du matériel utilisé et ne prennent souvent pas en compte les métabolites et produits de dégradation. Enfin, les niveaux d’analyse atteints avec ces méthodes ne sont parfois plus à jour étant donné l’évolution de la chimie analytique et de la spectrométrie de masse. Dans cette optique, de nouvelles méthodes d’analyses ont été développées pour rechercher et quantifier les antibiotiques dans des matrices dérivées de l’élevage intensif des porcs en essayant de proposer des approches alternatives sensibles, sélectives et robustes pour quantifier ces molécules. Une première méthode d’analyse basée sur une technique d’introduction d’échantillon alternative à l’aide d’une interface fonctionnant à l’aide d’une désorption thermique par diode laser munie d’une source à ionisation à pression atmosphérique, couplée à la spectrométrie de masse en tandem a été développée. L’objectif est de proposer une analyse plus rapide tout en atteignant des niveaux de concentration adaptés à la matrice étudiée. Cette technique d’analyse couplée à un traitement d’échantillon efficace a permis l’analyse de plusieurs antibiotiques vétérinaires de différentes classes dans des échantillons de lisier avec des temps d’analyse courts. Les limites de détection atteintes sont comprises entre 2,5 et 8,3 µg kg-1 et sont comparables avec celles pouvant être obtenues avec la chromatographie liquide dans une matrice similaire. En vue d’analyser simultanément une série de tétracyclines, une deuxième méthode d’analyse utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) a été proposée. L’utilisation de la HRMS a été motivée par le fait que cette technique d’analyse est moins sensible aux faux positifs que le triple quadripôle traditionnel. Des limites de détection comprises entre 1,5 et 3,6 µg kg-1 ont été atteintes dans des échantillons de lisier en utilisant un mode d’analyse par fragmentation. L’utilisation de méthodes de quantifications ciblées est une démarche intéressante lorsque la présence de contaminants est suspectée dans un échantillon. Toutefois, les contaminants non intégrés à cette méthode d’analyse ciblée ne peuvent être détectés même à de fortes concentrations. Dans ce contexte, une méthode d’analyse non ciblée a été développée pour la recherche de pharmaceutiques vétérinaires dans des effluents agricoles en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution et une cartouche SPE polymérique polyvalente. Cette méthode a permis l’identification d’antibiotiques et de pharmaceutiques couramment utilisés dans l’élevage porcin. La plupart des méthodes d’analyse disponibles dans la littérature se concentrent sur l’analyse des composés parents, mais pas sur les sous-produits de dégradation. L’approche utilisée dans la deuxième méthode d’analyse a donc été étendue et appliquée à d’autres classes d’antibiotiques pour mesurer les concentrations de plusieurs résidus d’antibiotiques dans les sols et les eaux de drainage d’un champ agricole expérimental. Les sols du champ renfermaient un mélange d’antibiotiques ainsi que leurs produits de dégradation relatifs à des concentrations mesurées jusqu’à 1020 µg kg-1. Une partie de ces composés ont voyagé par l’intermédiaire des eaux de drainage du champ ou des concentrations pouvant atteindre 3200 ng L-1 ont pu être relevées.

Swine production is a major source of antibiotic release into the environment via manure spreading on agricultural fields. It has been shown that these biologically active compounds may have a toxic impact on ecosystems. Moreover, they are also suspected to cause health problems and contribute to bacterial resistance that could lead to difficult-to-treat infections in humans. Therefore, control of these substances in the environment is necessary. Several analytical methods are proposed in the scientific literature to identify these compounds in various matrices. However, few of these methods allowed the analysis of these contaminants in matrices derived from intensive livestock farming. Furthermore, the analytical methods available are often subject to false positives, given the complexity samples and the equipment used and do not take into account the metabolites and degradation products. Finally, concentration levels reached with these methods are sometimes outdated since the evolution of analytical chemistry and mass spectrometry. In this context, new analytical methods have been developed to investigate and quantify the antibiotics derived from swine husbandry to propose alternative, sensible, selective and robust approaches to quantify these molecules. A first analytical method has been proposed based on an alternative sample introduction technique using the laser diode thermal desorption interface with an atmospheric pressure chemical ionization source coupled to tandem mass spectrometry. The objective was to provide a simpler and faster analysis while reaching levels suitable for the studied matrix. This alternative sample introduction method coupled with an efficient sample processing allowed the analysis of several classes of veterinary antibiotics in swine manure in a short analysis time. Detection limits ranged between 2.5 and 8.3 µg kg-1 and are comparable with those obtained with liquid chromatography in a similar matrix. In order to simultaneously analyze a series of tetracyclines, a second analytical method using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (HRMS) was proposed. The use of HRMS was motivated by the fact that this mass spectrometer is less sensitive to false positive that the traditional triple quadrupole given the complexity of the studied matrix. Detection limits between 1.5 and 3.6 µg kg-1 have been achieved in swine manure using a fragmentation analysis mode to avoid false positives. Targeted screening methods are interesting approaches when contaminants are suspected to be present in a sample. However, a non-included contaminant in this targeted analysis method could not been detected even at a high concentration. In this context, a non-target compound screening method focused on veterinary pharmaceutical compounds in swine manure was developed using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry. A polymeric SPE cartridge was used to collect polar compounds including pharmaceuticals prior analysis. This method allowed the identification of antibiotics and pharmaceuticals of commonly used in swine farming. Most of the analytical methods available in the literature focus on parent compounds, regardless degradation products. The approach used in the second method of analysis was applied and extended to other classes of antibiotics to measure concentrations of several antibiotic residues in soils and drainage waters of an experimental agricultural field. Field soil contained a mixture of antibiotics and their related degradation products with concentrations measured up to 1020 µg kg-1. Some of these compounds have migrated through the field via drainage waters wherein concentrations up to 3200 ng L-1 were observed.