Functional omics techniques for drinking water quality monitoring

Clean and safe drinking water is of the highest importance for the global population. However, water quality is in danger of being affected by the large number of chemicals produced and used which may ultimately end up in the environment (Kools et al., 2019; van Wezel et al., 2017). In addition, long periods of droughts decrease the volume of water bodies, concentrating the chemicals therein (Kümmerer et al., 2018).
To guard the quality of surface water and drinking water, drinking water companies and regional water authorities traditionally monitor waterbodies using targeted chemical analyses. Using these methods, the concentrations of on selected target chemicals are determined and evaluated against (drinking) water quality guidelines. Of the thousands of chemicals in water, targeted analyses only detect a limited number of the chemicals as specific methods have to be run for each chemical (group) of interest. However, the occurrence of chemicals in water sources beyond the regulated list of targeted chemicals needs to be monitored to ensure safe drinking water. To be able to get a better view on water quality, suspect and non-target screening methodologies were developed in which many chemicals can be detected based on comparable chemical properties (known registered chemicals, as well as unknown compounds) using high resolution mass spectrometry (HRMS), even if these chemicals were not identified yet. Identification of the suspects is possible, but it is time and cost consuming to select promising patterns to further identify among the many thousands possible. If suspects are identified, chemicals can be evaluated in terms of target concentrations such as health-based guideline values (hGLVs) (Baken et al., 2018). If these are not available, concentrations can be compared to generic signalling values, and drinking water companies can take action if these values are exceeded. These guideline values are based on the toxicological effects of individual chemicals in official guideline studies. However, because in practice there are many different low-level concentration chemicals present in water it is difficult to detect all with methods for non-target screening (NTS) or target screening (TS). Also, for many emerging chemicals there is a lack of toxicological information, as well as on potential mixture toxicity (EFSA scientific committee, 2019). Therefore it is not possible to monitor, identify and characterize the hazards of all chemicals detected in water.

De voordelen van het gebruik van bioassays op basis van functionele omics technieken maken het de moeite waard om een specifiek raamwerk op te gaan bouwen voor de beoordeling van de mengseltoxiciteit in drinkwater(bronnen). Dit blijkt uit een studie naar de stand van zaken rond functionele omics technieken voor het monitoren en duiden van de drinkwaterkwaliteit. Functionele omics is een verzamelnaam voor een aantal biochemische technieken (transcriptomics, proteomics, metabolomics) die veel biomoleculen tegelijk kunnen meten die een rol spelen in de mechanismen waarmee een organisme reageert op veranderende omstandigheden. Hiermee geven deze technieken inzicht in de mogelijke toxische effecten van stoffen op moleculair niveau. Door te analyseren op moleculair niveau zijn -omics technieken zeer gevoelig, zodat effecten na kortdurende blootstelling aan lage stofconcentraties kunnen worden gedetecteerd, zelfs wanneer nog geen fysieke toxische effecten te verwachten zijn. In een modelorganisme kunnen deze technieken de invloed van aanwezige stoffen op veel verschillende biologische mechanismen tegelijk vaststellen. Dit maakt functionele omics technieken een interessante kandidaat om individuele traditionele bioassays – die vaak een enkel eindpunt meten – te vervangen. Daarbij is het voor het inschatten van een risico wel belangrijk de reactie van biomoleculen op een stof te linken is aan het fysieke humaan toxische eindpunt dat met deze stof is geassocieerd. De grootste hindernis voor de toepassing van -omics technieken op de monitoring van de drinkwater(bronnen) kwaliteit is dan ook het gebrek aan onderzoek naar de expressie van biomoleculen in relatie tot het toxisch eindpunt dat wordt geïnduceerd door chemicaliën.