Analyse des pesticides dans l’eau de surface, l’eau potable et les produits de consommation par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse

Abstract

L’utilisation intensive de certains pesticides et leur relative persistance vont de pair avec la présence de résidus dans l’eau de surface et l’eau potable mais aussi dans les produits agricoles disponibles pour les consommateurs, y compris les denrées alimentaires. À l’heure actuelle, les effets des pesticides sur la vie aquatique et d’autres organismes non ciblés sont relativement bien connus, et la possibilité des effets sur l’être humain fait débat. Des normes de qualité ont été proposées pour l’eau, que ce soit des critères pour l’eau potable ou des critères de protection de la vie aquatique pour l’eau de surface. Des limites maximales de résidus (MRL) de pesticides ont également été établies pour certains produits, notamment les fruits et légumes. Un des défis pour les chercheurs est la mise en œuvre de nouvelles méthodes analytiques sensibles et robustes pour la quantification ultra-trace de ces composés, afin de déterminer si les différents échantillons sont conformes aux directives ou aux MRL. L’analyse des pesticides modérément polaires dans des matrices complexes repose tout d’abord sur la méthode d’extraction. Plusieurs options sont disponibles, telles que l’extraction liquide-liquide ou en phase solide (SPE, Solid Phase Extraction) pour les matrices aqueuses, ou encore dSPE de type QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) pour les matrices solides. Actuellement, la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem représente un choix pertinent pour les analyses ultra-traces, mais sa mise en œuvre peut présenter certains défis. Dans ce contexte, les principaux objectifs de ce travail de recherche sont les suivants : i) proposer des méthodes analytiques rapides, sensibles et robustes pour déterminer des pesticides multi-classes aux niveaux d’exposition que l’on retrouve dans différentes matrices comme l’eau potable, les denrées alimentaires et l’urine comme matrice biologique, et ii) évaluer le lien entre les sources de contamination des divers pesticides et leur mobilité afin de documenter la distribution spatiale et temporelle dans l’eau de surface et l’eau potable au Québec. Pour les échantillons aqueux, une méthode SPE en ligne entièrement automatisée couplée à la chromatographie liquide haute performance et spectrométrie de masse en tandem a été développée. La méthode proposée est rapide (8 min par échantillon) avec des limites de détection comprises entre 0.1 et 5 ng L-1 pour les pesticides de la famille des néonicotinoïdes et l’atrazine. Pour les produits alimentaires tels que les fruits et légumes, l’optimisation d’une méthode de type QuEChERS a été réalisée. La méthode permet d’atteindre des niveaux de détection entre 0.05 ng g-1 et 2 ng g-1 pour une gamme de 22 pesticides couvrant 7 classes différentes, incluant les organophosphorés, les carbamates, les néonicotinoïdes et les triazines, entre autres. La robustesse des diverses méthodes a été démontrée par des expériences de contrôle qualité inter- et intra-journaliers afin de garantir l’exactitude, la précision et l’absence d'effets matriciels pour de longues séquences d’analyse. Les méthodes validées ont été appliquées à des échantillons réels, y compris des échantillons d’eau du robinet couvrant 52 villes de la province du Québec (Canada), 68 échantillons d’eau de surface (fleuve Saint-Laurent et tributaires), et 133 échantillons de laitue, pomme, raisin et tomates achetés sur les marchés locaux. Les résultats indiquent une forte occurrence de l’atrazine, la thiaméthoxame, la clothianidine et l’imidaclopride dans les échantillons d’eau et les quatre produits alimentaires.

The extensive use of certain pesticides and their relative persistence go on par with the presence of residue levels in surface water and drinking water, but also in agricultural products available to consumers (including foodstuffs). There are potential effects on aquatic life and non-target organisms, and the possibility of effects in humans remains a topical issue. Quality standards have been proposed for water, including criteria for drinking water and criteria for the protection of aquatic life (surface water). Maximum residue limits (MRLs) for pesticides have also been established for foodstuff, including fruits and vegetables. One of the challenges for researchers is the implementation of sensitive and robust analytical methods for the ultra-trace quantification of these compounds, with a view to determining whether the samples are compliant with guidelines or MRLs. The analysis of moderately polar pesticides in complex matrices relies notably on the extraction method. Diverse options are available, including liquid-liquid or solid phase extraction (SPE) for aqueous samples, and dSPE approaches such as QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) for solid samples. Liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry is usually selected for separation and detection at the ultra-trace level, but there are some pitfalls. In this context, the main objectives of the present research were as follows: i) to propose fast and robust analytical methods to determine multi-class pesticides at different exposure routes including drinking water and food, and ii) to evaluate the link between the contamination sources of various pesticides and their mobility to document their distribution in surface water and tap water in Quebec. For water samples, a fully automated on-line SPE method coupled to ultra-highperformance liquid chromatography tandem mass spectrometry was developed. The proposed method is rapid (8 min per sample) with detection limits between 0.1 and 5 ng L- 1 for neonicotinoids and atrazine. For food products (fruits and vegetables), a QuEChERS method was investigated. The optimized procedure shows limits of detection between 0.05 ng g-1 and 2 ng g-1 for a total of 22 pesticides encompassing 7 different classes, including organophosphorus compounds, carbamates, neonicotinoids and triazines, among others. The robustness of the various methods has been demonstrated by inter-day and intra-day iv quality control experiments to ensure suitable accuracy, precision, and the absence of matrix effects in long LC-MS batch sequences. The validated methods were applied to real samples, including tap water samples from 52 municipalities in the province of Quebec (Canada), 68 surface water samples from the St. Lawrence River and its main tributaries, and 133 fruits and vegetables samples (lettuce samples, apples, grapes and tomatoes) purchased from local markets. The results indicate a high occurrence of atrazine, thiamethoxam, clothianidin, and imidacloprid in the water samples and the four food products.