Assessment of the toxicity of xenobiotics in aquatic organisms through targeted and un-targeted metabolomics analysis, by the use of high resolution mass spectrometry techniques

Abstract

Given the large number of emerging contaminants (ECs), there is an important gap in the literature concerning their adverse effects on aquatic organisms. The impact of xenobiotics in the aquatic ecosystem is evaluated in more depth when the whole xeno-metabolome (xenobiotics and their biotransformation products (bio-TPs)) and endo-metabolome (metabolites and lipids) of aquatic organisms is studied. The high complexity of environmental matrices and the huge number of xenobiotics and endogenous chemicals potentially present at low concentrations pose an analytical challenge. Therefore, the development of powerful analytical methods that provide extensive analytical evidence is crucial. Apart from the analytical platform, the establishment of comprehensive annotation workflows that utilize the analytical evidence to its maximum is imperative. The overall objective of this thesis was to highlight a holistic approach for comprehensive xenometabolome and endo-metabolome coverage to facilitate toxicity assessment of aquatic organisms exposed to xenobiotics.In this context, a high-end analytical platform (RPLC/HILIC-HRMS (Chapter 3) and LC-TIMS-HRMS (Chapter 4)) that combines multiple dimensions of separation with HRMS was developed, in order to provide extensive experimental evidence for the identification of bio-TPs and endogenous metabolites/lipids. A data treatment workflow, consisted of suspect and non-target screening approaches was established, combining different annotation tools for the identification of bio-TPs (Chapters 3 & 4). Moreover, wide-scope targeted and untargeted metabolomics workflows, consisted of sophisticated data-processing tools that would utilize 4-D data, were also developed (Chapter 5).

Δεδομένου του μεγάλου αριθμού αναδυόμενων ρύπων (ΑΡ) στο περιβάλλον , υπάρχει ένα σημαντικό κενό στη βιβλιογραφία σχετικά με τις δυσμενείς επιπτώσεις τους στους υδρόβιους οργανισμούς. Ο αντίκτυπος των ξενοβιοτικών ενώσεων στο υδάτινο οικοσύστημα αξιολογείται σε μεγαλύτερο βάθος όταν μελετηθεί τόσο το ξενοβιοτικό μεταβόλωμα (ξενοβιοτικές ενώσεις και τα προϊόντα βιομετατροπής (ΠΒΜ) τους) όσο και το ενδο μεταβόλωμα (μεταβολίτες και λιπίδια) των υδρόβιων οργανισμών. Η μεγάλη πολυπλοκότητα των περιβαλλοντικών μητρών και ο τεράστιος αριθμός ξενοβιοτικών και ενδογενών χημικών ουσιών που δυνητικά υπάρχουν σε χαμηλές συγκεντρώσεις, αποτελούν μια αναλυτική πρόκληση. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη ισχυρών αναλυτικών μεθόδων που παρέχουν εκτεταμένα αναλυτικά στοιχεία είναι ζωτικής σημασίας. Εκτός από την αναλυτική πλατφόρμα που εφαρμόζεται, είναι επιβεβλημένη η δημιουργία περιεκτικών ροών επεξεργασίας δεδομένων που αξιοποιούν τα αναλυτικά στοιχεία στο μέγιστο.Ο γενικός στόχος αυτής της διατριβής ήταν να αναδείξει μια ολιστική προσέγγιση που θα προσφέρει ολοκληρωμένη κάλυψη του ξενο-μεταβολώματος και ενδο-μεταβολώματος για να επιτευχθεί ολοκληρωμένη αξιολόγηση της τοξικότητας των υδρόβιων οργανισμών που εκτίθενται σε ξενοβιοτικές ενώσεις.Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκε μια αναλυτική πλατφόρμα που βασίζεται σε τεχνικές τελευταίας τεχνολογίας (RPLC/HILIC-HRMS (Κεφάλαιο 3) και LC-TIMS-HRMS (Κεφάλαιο 4)) που συνδυάζει πολλαπλές διαστάσεις διαχωρισμού με φασματομετρία μάζας υψηλής διακριτικής ικανότητας, προκειμένου να παρέχει εκτεταμένα πειραματικά στοιχεία για την ταυτοποίηση ΠΒΜ και ενδογενών μεταβολιτών/λιπιδίων. Αναπτύχθηκε επίσης μια ροή εργασιών επεξεργασίας δεδομένων, αποτελούμενη από προσεγγίσεις σάρωσης ύποπτων ενώσεων και μη στοχευμένης σάρωσης, που συνδυάζει διαφορετικά εργαλεία ταυτοποίησης για την αναγνώριση της δομής των ΠΒΜ (Κεφάλαια 3 & 4). Επιπλέον, αναπτύχθηκαν ευρέως πεδίου εφαρμογής στοχευμένη και μη στοχευμένη προσέγγιση μεταβολομικής, αποτελούμενες από εξελιγμένα εργαλεία επεξεργασίας δεδομένων που μπορούν να αξιοποιήσουν δεδομένα 4-D (Κεφάλαιο 5).