Advancing Discovery of Polar Polycyclic Aromatic Hydrocarbons via UHPLC-HRMS

Abstract

Industrielle utslipp fra offshore petroleumsvirksomhet introduserer polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH-er) i marine miljøer. Miljøovervåkning av petroleum-relaterte PAH-er i fisk innebærer måling av et sett av deres metabolitter, som er produkter fra avgiftningsprosesser. Til tross for at PAH-er er velkjente skadelige forurensninger, er det fulle omfanget av PAH-metabolitter og deres assosierte mutagene og kreftfremkallende versjoner bundet til DNA (DNA addukter) uklart. Utviklingen innen væskekromatografi (LC) og elektrosprayionisering kombinert med tandem massespektrometri (MS/MS), og den mer avanserte ion mobility quadrupole time-of-flight MS (IMS-QTOF MS), gir nå nye muligheter for separasjon, deteksjon og identifikasjon av et bredere spekter av polare forbindelser i biologiske prøver.

Denne doktorgradsforskningen siktet på å bruke ultra-high performance LC (UHPLC), koplet til IMS-QTOF MS for kvalitativ screening for å (i) forbedre forståelsen av PAH-avgiftning i fisk og (ii) identifisere PAH-DNA addukter. I tillegg forsøkte forskningen å undersøke kvantitativ analyse av PAH-metabolitter ved bruk av LC-MS/MS. Det presenterte arbeidet er basert på galle- og DNA ekstrakter fra kontrollerte forsøk med eksponering for enkeltkomponenter på atlantisk hyse (Melanogrammus aeglefinus). Den omfattende screeningsmetoden integrerte funksjonsprioritering basert på fragmenteringsmønstre, mistenktlister og in silico verktøy i egendefinerte arbeidsflyter som muliggjorde påvisningen av et bredt spekter av PAH-metabolitter. Dette resulterte i oppdagelsen av både kjente og ukjente metabolske veier, samt utviklingen av et omfattende internt bibliotek av massespektra, med hydroksy-, dihydrodiol-, karboksylsyre-, glukuronid-, sulfat-, glutation- og merkaptursyre-avledede metabolitter. Foreløpige LC-MS/MS resultater antyder betydelig potensial for metabolittkvantifisering i overvåkning av PAH-er i fisk. DNA addukter ble ikke identifisert til tross for omfattende innsats, men optimismen for adductomics vedvarer.

Dette doktorgradsarbeidet presenterer den mest detaljerte oversikten over PAH-metabolitter i fisk som er tilgjengelig. Implementeringen av nye metodikker i dette arbeidet signaliserer et behov for overgang fra gammel til ny overvåkingspraksis, da disse metodikkene i betydelig grad øker forståelsen av PAH-avgiftning i fisk.

Industrial offshore petroleum discharges introduce polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) into marine environments. Environmental monitoring of petroleum-related PAHs in fish involves measuring a set of their metabolites, which are products formed by detoxification processes. Although PAHs are well-known harmful contaminants, the full scope of PAH metabolites and their associated mutagenic and carcinogenic species coupled to DNA (DNA adducts) remains unclear. Developments in liquid chromatography (LC) and electrospray ionization coupled with tandem mass spectrometry (MS/MS), and the more advanced ion mobility quadrupole time-of-flight MS (IMS-QTOF MS), now offer new opportunities for the separation, detection and identification of a wider array of polar compounds in biological samples.

This PhD research aimed to use ultra-high performance LC (UHPLC) coupled with IMS-QTOF MS for qualitative screening to (i) enhance the understanding of PAH detoxification in fish and (ii) identify PAH-DNA adducts. Additionally, the research sought to investigate the quantitative analysis of PAH metabolites using LC-MS/MS. The presented work is based on bile- and DNA extracts from controlled single-component exposure experiments on Atlantic haddock (Melanogrammus aeglefinus). The comprehensive screening approach integrated feature prioritization based on fragmentation patterns, suspect lists, and in silico tools in custom workflows, enabling the detection of a diverse range of PAH metabolites. This resulted in the discovery of both known and unknown metabolic pathways and the development of an extensive in-house mass spectral library, featuring hydroxy-, dihydrodiol-, carboxylic acid-, glucuronide-, sulfate-, glutathione-, and mercapturic acid-derived metabolites. Preliminary LC-MS/MS results suggest significant potential for metabolite quantification in the monitoring of PAHs in fish. DNA adducts were not identified despite extensive efforts, but optimism for adductomics persists.

This PhD presents the most detailed overview of PAH metabolites in fish available. The implementation of new methodologies in this work signals a need to transition from old to new monitoring practices, as these methodologies significantly enhance the understanding of PAH detoxification in fish.