Features of preconcentration and determination of PAHs in soils with high organic matter content by gas chromatography–mass spectrometry

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Specific features of the preconcentration and determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in humus-rich soils by gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) are studied. The QuEChERS technique and dispersive liquid–liquid microextraction (DLLME) were employed to extract PAHs from soils using acetone and binary extractants of various compositions, including acetonitrile–dichloromethane, acetonitrile–acetone, acetone–hexane, acetone–chloroform, acetone–dichloromethane, and ethyl acetate–dichloromethane. Recoveries of low- and medium-molecular-weight PAHs using these solvent mixtures reached approximately 100%, while the acetone–dichloromethane mixture yielded over 90% recovery for high-molecular-weight PAHs. Under optimized GC–MS conditions with QuEChERS extraction, the limits of quantification (LOQ) for fluoranthene, pyrene, chrysene, and triphenylene reached 5 μg/kg, and for the remaining PAHs, 10 μg/kg in humus-rich soils. It was shown that the reliable GC–MS determination of lower concentrations of PAHs requires both the elimination of the matrix effect and the preconcentration of the analytes. The sequential application of QuEChERS and DLLME techniques enabled a decrease in the limits of quantification by GC–MS to 1.8 μg/kg for fluoranthene, pyrene, chrysene, and triphenylene, and to 3.5 μg/kg for the remaining PAHs. The optimized procedure for PAH determination in humus-rich soils was validated using real chernozem samples.

About the authors

Z. A. Temerdashev

Kuban State University

Email: TemZA@kubsu.ru
ul. Stavropolskaya 149, Krasnodar, 350040 Russia

S. K. Ovsepyan

Kuban State University

ul. Stavropolskaya 149, Krasnodar, 350040 Russia

T. N. Musorina

Kuban State University

ul. Stavropolskaya 149, Krasnodar, 350040 Russia

I. G. Korpakova

Kuban State University

ul. Stavropolskaya 149, Krasnodar, 350040 Russia

References

  1. Karickhoff S.W., Brown D.S., Scott T.A. Sorption of hydrophobic pollutants on natural sediments // Water Res. 1979. V. 13. № 3. P. 241. https://doi.org/10.1016/0043-1354(79)90201-x
  2. Means J.C., Wood S.G., Hassett J.J., Banwart W.L. Sorption of polynuclear aromatic hydrocarbons by sediments and soils // Environ Sci Technol. 1980. V. 14. № 12. P. 1524. https://doi.org/10.1021/es60172a005.
  3. Murindangabo Y.T., Kopecký M., Hoang T.N., Bernas J., Parajuli T., Dhakal S., Konvalina P., Ufitikirezi J.D.M., Kaneza G., Khanal B.R., Dhakal S.C., Shrestha A.K. Comparative analysis of soil organic matter fractions, lability, stability ratios, and carbon management index in various land use types within bharatpur catchment, Chitwan District, Nepal // Carbon Balance Manag. 2023. V. 18. Article 21. https://doi.org/10.1186/s13021-023-00241-1
  4. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  5. Чайковская О.Н., Нечаев Л.В. Взаимодействие полициклических ароматических углеводородов с органическим веществом почв и водных осадков. Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2017. 124 с.
  6. Lamichhane S., Krishna K.C.B., Sarukkalige R. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) removal by sorption: A review // Chemosphere. 2016. V. 148. P. 336. doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.01.036
  7. Ahangar A.G. Sorption of PAHs in the soil environment with emphasis on the role of soil organic matter: A review // World Appl. Sci. J. 2010. V. 11. № 7. P. 759.
  8. Chefetz B., Xing B. Relative role of aliphatic and aromatic moieties as sorption domains for organic compounds: A review // Environ Sci Technol. 2009. V. 43. P. 1680. https://doi.org/10.1021/es803149u
  9. Филимонов В.Д., Слепченко Г.Б., Белянин М.Л., Нартов А.С. Определение полициклических ароматических углеводородов в почвах с использованием газовой хроматографии – масс-спектрометрии // Аналитика и контроль. 2015. Т. 19. С. 310. https://doi.org/10.15826/analitika.2015.19.4.003
  10. Galuszka A., Migaszewski Z., Namiesnik J. The 12 principles of green analytical chemistry and the SIGNIFICANCE mnemonic of green analytical practices // TrAC, Trends Anal. Chem. 2013. V. 50. P. 78. https://doi.org/10.1016/j.trac.2013.04.010
  11. Lopez-Lorente A.I., Pena-Pereiro F., Pedersen-Bjergaard S., Zuin V.G., Ozkan S.A., Psillakis E. The ten principles of green sample preparation // TrAC, Trends Anal. Chem. 2022. V. 148. Article 116530. https://doi.org/10.1016/j.trac.2022.116530
  12. Perestrelo R., Silva P., Porto-Figueira P., Pereira J.A.M., Silva C., Medina S., Camara J.S. QuEChERS – Fundamentals, relevant improvements, applications and future trends // Anal. Chim. Acta. 2019. V. 2. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.02.036
  13. Kokosa J.M., Przyjazny A. Green microextraction methodologies for sample preparation // Green Anal. Chem. 2022. V. 3. Article 100023. https://doi.org/10.1016/j.greeac.2022.100023
  14. Celeiro M., Llompart M., Dagnac T. Green analytical methodologies to determine personal care products in solid environmental matrices: Soils, sediments, sludge and biota ˗ A review // Adv. Sample Prep. 2022. V. 2. Article 100013. https://doi.org/10.1016/j.sampre.2022.100013
  15. González-Curbelo M.Á., Socas-Rodríguez B., Herrera-Herrera A.V., González-Sálamo J., Hernández-Borges J., Rodríguez-Delgado M. Á. Evolution and applications of the QuEChERS method // TrAC, Trends Anal. Chem. 2015. V. 71. P. 169. https://doi.org/10.1016/j.trac.2015.04.012
  16. Santana-Mayor A., Socas-Rodríguez B., V. Herrera-Herrera A., Rodríguez-Delgado M. A. Current trends in QuEChERS method. A versatile procedure for food, environmental and biological analysis // TrAC, Trends Anal. Chem. 2019. V. 116. P. 214. https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.04.018
  17. Varela-Martínez D.A., González-Sálamo J., González-Curbelo M.Á., Hernández-Borges J. Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe (QuEChERS) Extraction. Liquid-Phase Extraction. Elsevier, 2020. P. 399. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816911-7.00014-1
  18. Kim L., Lee D., Cho H.-K., Choi S.-D. Review of the QuEChERS method for the analysis of organic pollutants: Persistent organic pollutants, polycyclic aromatic hydrocarbons, and pharmaceuticals // TrAC, Trends Anal. Chem. 2019. V. 22. Article e00063. https://doi.org/10.1016/j.teac.2019.e00063
  19. Socas-Rodríguez B., González-Sálamo J., Herrera-Herrera A.V., Hernández Borges J., Rodríguez-Delgado M.A. Recent advances and developments in the QuEChERS method // Compr. Anal.Chem. 2017. V. 76. P. 319. https://doi.org/10.1016/bs.coac.2017.01.008
  20. Cvetkovic J.S., Mitic V.D., Jovanovic V.P.S., Dimitrijevic M.V., Petrovic G.M., Nikolic-Mandic S.D., Stojanovic G.S. Optimization of the QuEChERS extraction procedure for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil by gas chromatography-mass spectrometry // Anal. Methods. 2016. V. 8. P. 1711. https://doi.org/10.1039/C5AY03248B
  21. Nikolic J.S., Mitic V.D., Stankov Jovanovic V.P., Dimitrijevic M.V., Ilic M.D., Simonovic S.R., Stojanovic G.S. Novel sorbent and solvent combination for QuEChERS soil sample preparation for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons by gas chromatography—mass spec trometry // Anal. Lett. 2018. V. 51. P. 1087. https://doi.org/10.1080/00032719.2017.1367007
  22. Salem F.B., Said O.B., Duran R., Monperrus M., Validation of an adapted QuEChERS method for the simultaneous analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons, polychlorinated biphenyls and organochlorin pesticides in sediment by gas chromatography–mass spectrometry // Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2016. V. 96. P. 678. https://doi.org/10.1007/s00128-0161770-2
  23. Wang D., Ma J., Li H., Zhang X. Concentration and potential ecological risk of PAHsin different layers of soil in the petroleum-contaminated areas of the Loess Plateau, China // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2018. V. 15. № 1785. https://doi.org/10.3390/ijerph15081785
  24. Słowik-Borowiec M., Szpyrka E., Ksiazek-Trela P., Podbielska M. Simultaneous determination of multi-class pesticide residues and PAHs in plant material and soil samples using the optimized QuEChERS method and tandem mass spectrometry analysis // Molecules. 2022. V. 27. Article 2140. https://doi.org/10.3390/molecules27072140
  25. Халиков И.С. Экстракция полиаренов из почв с помощью метода QuEChERS // Вестник научных конференций. 2016. № 7-3. С. 130.
  26. Sobhi H.R. GC/MS monitoring of selected PAHs in soil samples using ultrasound-assisted QuEChERS in tandem with dispersive liquid-liquid microextraction // Int. J. Environ. Monit. Anal. 2015. V. 3. P. 288. https://doi.org/ 10.11648/j.ijema.20150305.17
  27. Miossec C., Lanceleur L., Monperrus M. Adaptation and validation of QuEChERS method for the simultaneous analysis of priority andemergingpollutantsin sedimentsby gas chromatography mass spectrometry // Int. J. Environ. Anal. Chem. 2018. V. 98. P. 695.
  28. Acosta-Dacal A., Rial-Berriel C., Díaz-Díaz R., Bernal-Suárez M.d.M., Zumbadoa M., Henríquez-Hernández L. A., Macías-Montes A., Luzardo O.P. Extension of an extraction method for the determination of 305 organic compounds in clay-loam soil to soils of different characteristics // MethodsX. 2021. V. 8. Article 101476. https://doi.org/10.1016/j.mex.2021.101476
  29. Дмитриенко С.Г., Апяри В.В., Толмачева В.В., Горбунова М.В. Дисперсионная жидкостно-жидкостная микроэкстракция органических соединений. Обзор обзоров // Журн. аналит. химии. 2020. Т. 75. С. 867. (Dmitrienko S.G., Apyari V.V., Tolmacheva V.V., Gorbunova M.V. Dispersive liquid–liquid microextraction of organic compounds: An overview of reviews // J. Anal. Chem. 2020. V. 75. P. 1237.). https://doi.org/10.31857/S0044450220100059
  30. Zgoła-Grześkowiak A., Grześkowiak T. Dispersive liquid-liquid microextraction // TrAC, Trends Anal. Chem. 2011. V. 30. P. 1382. https://doi.org/10.1016/j.trac.2011.04.014
  31. Sajid M., Alhooshani K. Dispersive liquid-liquid microextraction based binary extraction techniques prior to chromatographic analysis: A review // TrAC, Trends Anal. Chem. 2018. V. 108. P. 167. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.08.016
  32. Leong M.-I., Fuh M.-R., Huang S.-D. Beyond dispersive liquid–liquid microextraction // J. Chromatogr. A. 2014. V. 1335. P. 2. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2014.02.021
  33. Sajid M., Płotka-Wasylka J. Combined extraction and microextraction techniques: Recent trends and future perspectives // TrAC, Trends Anal. Chem. 2018. V. 103. P. 74. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.03.013.
  34. Темердашев З.А., Мусорина Т.Н., Червонная Т.А. Хромато-масс-спектрометрическое определение полициклических ароматических углеводородов в почвах и донных отложениях с применением техники дисперсионной жидкостно-жидкостной микроэкстракции // Журн. аналит. химии. 2020. Т. 75. С. 702. (Temerdashev Z.A., Musorina T.N., Chervonnaya T.A. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil and bottom sediments by gas chromatography–mass spectrometry using dispersive liquid–liquid microextraction // J. Anal. Chem. 2020. V. 75. P. 1000.). https://doi.org/10.31857/S0044450220080150
  35. Soursou V., Campo J., Pico Y. Revisiting the analytical determination of PAHs in environmental samples: An update on recent advances // TrEAC, Trends Environ. Anal. Chem. 2023. V. 37. Article e00195. https://doi.org/10.1016/j.teac.2023.e00195
  36. J. de Boer, Law R.J. Developments in the use of chromatographic techniques in marine laboratories for the determination of halogenated contaminants and polycyclic aromatic hydrocarbons // J. Chromatogr. A. 2003. V. 1000. P. 223. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(03)00309-1
  37. Santos F.J., Galceran M.T. The application of gas chromatography to environmental analysis // TrAC, Trends Anal. Chem. 2002. V. 21. P. 672. https://doi.org/10.1016/S0165-9936(02)00813-0
  38. Темердашев З.А., Овсепян С.К., Мусорина Т.Н., Васильева Л.В., Васильев А.М., Корпакова И.Г. Извлечение ПАУ из почв и донных отложений различного состава по технике QuEChERS с последующим хроматографическим определением // Журн. аналит. химии. 2023. Т. 78. С. 821. (Temerdashev Z.A., Ovsepyan S.K., Musorina T.N., Vasileva L.V., Vasilev A.M., Korpakova I.G. QuEChERS extraction of PAHs from various soils and sediments followed by chromatographic determination // J. Anal. Chem. 2023. V. 78. P. 1159). https://doi.org/ 10.31857/S0044450223090177
  39. Wohlfarth Ch., Wohlfahrt B. Viscosity of Pure Organic Liquids and Binary Liquid Mixtures. Subvolume A. Pure Organometallic and Organononmetallic Liquids, Binary Liquid Mixtures. Berlin: Lüderitz & Bauer, 2001. 1431 p.
  40. Lide D.R. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90th Ed. Boca Raton: Taylor and Francis, 2009. 2804 p.
  41. Рудаков О.Б., Востров И.А., Федоров С.В. Спутник хроматографиста. Методы жидкостной хроматографии. Воронеж: изд-во “Водолей”, 2004. 520 с.
  42. Bayer V.J., Hümmler A., Brinkmann N., Achten C. Varying extractability of petrogenic and pyrogenic polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in urban soils: Evaluation of sample preparation and extraction of 71 PAH and alkylated PAH // Environ. Pollut. 2025.V. 366. Article 125411. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.125411
  43. ГОСТ 26213-2021 Почвы. Методы определения органического вещества. М.: ФГБУ “РСТ”, 2021. 11 с.
  44. ФР.1.31.2007.03548. Методика выполнения измерений массовой доли полициклических ароматических углеводородов в пробах почв и донных отложений пресных и морских водных объектов. Ростов-на-Дону: ФГУП “Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства”, 2007. 9 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».