Исследование переноса перфторалкильных кислот в пшенице на большие расстояния с помощью метода воздействия расщепленных корней
Summary
Настоящий протокол описывает простой и эффективный метод переноса перфторалкильных кислот в пшенице на большие расстояния.
Abstract
Большое количество перфторалкильных кислот (PFAA) было введено в почву и накоплено растениями, создавая потенциальные риски для здоровья человека. Крайне важно исследовать накопление и транслокацию PFAA внутри растений. Транспортировка на большие расстояния является важным путем для PFAA, переносимых из листьев растений в съедобные ткани через флоэму. Однако ранее было трудно оценить транслокационный потенциал органического загрязнения в краткосрочном периоде воздействия. Эксперимент с расщепленным корнем обеспечивает решение для эффективного раскрытия дальней транслокации PFAA с использованием гидропонного эксперимента, который в этом исследовании проводился в двух 50 мл центрифужных трубок (A и B), из которых центрифужная трубка A имела 50 мл стерильного питательного раствора Hoagland в одну четверть, в то время как центрифужная трубка B имела такое же количество концентрации питательных веществ, и целевые ПФАА (перфтороктановая сульфоновая кислота, ПФОС и перфтороктановая кислота, ПФОК), добавленные в данной концентрации. Цельный пшеничный корень вручную разделяли на две части и аккуратно вставляли в трубки А и В. Концентрацию PFAA в корнях, побегах пшеницы и растворах в трубках A и B оценивали с использованием LC-MS/MS, соответственно, после культивирования в инкубаторе в течение 7 дней и сбора урожая. Полученные результаты свидетельствуют о том, что ПФОК и ПФОС подвергаются аналогичному процессу переноса на большие расстояния через флоэму от побега к корню и могут высвобождаться в окружающую среду. Таким образом, метод расщепления корней может быть использован для оценки переноса различных химических веществ на большие расстояния.
Introduction
Перфторалкиловые кислоты (PFAA) широко используются в различных коммерческих и промышленных продуктах благодаря их превосходным физико-химическим свойствам, включая поверхностную активность и термическую и химическую стабильность 1,2,3. Перфтороктановая сульфоновая кислота (ПФОС) и перфтороктановая кислота (ПФОК) являются двумя наиболее важными PFAA, используемыми во всем мире 4,5,6, хотя эти соединения были перечислены в международной Стокгольмской конвенции в 2009 и 2019 годах 7,8 соответственно. Благодаря своей стойкости и широкому применению ПФОС и ПФОК широко обнаруживаются в различных экологических матрицах. Концентрации ПФОК и ПФОС в поверхностных водах различных мировых рек и озер составляют соответственно 0,15-52,8 нг/л и 0,09-29,7 нг/л9. В связи с использованием грунтовых вод или регенерированной воды для орошения, а также использованием биотвердых веществ в качестве удобрений в почве широко присутствуют ПФОК и ПФОС в диапазоне от 0,01 до 123 мкг/кг до 0,003-162 мкг/кг, соответственно10, что может привести к образованию большого количества ПФЖК и создать потенциальную опасность для здоровья человека. Концентрации PFAA (C4-C8) в сельскохозяйственных почвах и зерновых (пшеница и кукуруза) показывают положительную линейную корреляцию11. Поэтому крайне важно исследовать накопление и транслокацию PFAA внутри растений.
Транслокация PFAA в растениях в первую очередь происходит от корней к надземным тканям, а транслокация PFAA от корней к съедобным тканям рассматривается как транспортировка на большие расстояния 12,13. Предыдущие исследования обнаружили бисфенол А, нонилфенол и природные эстрогены в овощах и фруктах14, что означает, что эти химические вещества могут мигрировать через флоэму. Следовательно, выявление транслокации PFAA в растениях важно для оценки их потенциального риска. Однако на накопление и транслокацию PFAA влияет их биодоступность в почве, поэтому нелегко оценить транслокационную способность целевых PFAA в растениях. Кроме того, гидропонные эксперименты, как правило, ограничены несколькими факторами, что затрудняет приобретение съедобных тканей растений. Как правило, флоэму собирали непосредственно с растений для наблюдения за транслокацией органических соединений на большие расстояния в растениях, тогда как из саженцев растений трудно приобрести флоэмы15. Следовательно, был введен простой и эффективный метод, метод расщепления корней, для изучения транслокации PFAA в растениях во время относительно краткосрочного воздействия. Что касается расщепленного корневого исследования, то корни в одном саженце растения разделены на две части; одну часть помещают в питательный раствор, содержащий целевые PFAA (трубка A), а другую помещают в питательный раствор в отсутствие PFAA (трубка B). После воздействия в течение нескольких дней PFAA в пробирке B измеряются с помощью LC-MS/MS. Концентрация PFAA в трубке B раскрывает транслокационный потенциал PFAA через флоэму внутри растений 16,17,18.
Сообщалось об эксперименте с расщепленным корнем для изучения транслокации на большие расстояния многих соединений в растениях, таких как наночастицы CuO17, стероидные эстрогены18 и сложные эфиры фосфорорганических соединений16. Эти исследования предоставили доказательства того, что эти соединения могут передаваться через флоэму в съедобные части растений. Однако необходимо дополнительно изучить вопрос о том, могут ли PFAA способствовать транслокации растений и влиянию свойств соединений. Основываясь на этих отчетах, в настоящем исследовании был проведен эксперимент с расщепленным корнем, чтобы выявить перенос PFAA в пшенице на большие расстояния.
Protocol
Representative Results
Discussion
Чтобы обеспечить точность этого метода, необходимо провести тщательную операцию, чтобы убедиться, что шипованный раствор в трубке В не загрязняет невыжатый раствор в трубке А. Данная концентрация целевых PFAA в настоящем исследовании была относительно выше, чем их концентрация в реальн?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы с благодарностью выражаем финансовую поддержку со стороны Фонда естественных наук Китая (NSFC 21737003), Научного фонда китайских университетов (No 2452021103) и Китайского научного фонда постдокторантуры (No 2021M692651, 2021M702680).
Materials
| ACQUITY UPLC BEH C18 column | Waters, Milford, MA | Liquid chromatographic column | |
| Cleanert PEP cartridge | Bonna- Angel Technologies, China | Solid phase extraction column | |
| Clearnert Pesticarb cartridge | Bonna- Angel Technologies, China | Solid phase extraction column | |
| LC-MS/MS(Waters Acquity UPLC i-Class Coupled to Xevo TQ-S) | Waters, Milford, MA | Liquid chromatography and mass spectrometry | |
| Lyophilizer | Boyikang Instrument Ltd., Beijing, China | FD-1A50 | Freeze-dried sample |
| Masslynx | Waters, Milford, MA | data analysis software | |
| Methyl tert-butyl ether | Sigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US) | use for extracting target compounds from plant tissues | |
| MPFAC-MXA | Wellington Laboratories (Ontario, Canada) | PFACMXA0518 | the internal standards |
| PFAC-MXB | Wellington Laboratories (Ontario, Canada) | PFACMXB0219 | mixture of PFAA calibration standards |
| PFOA | Sigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US) | 335-67-1 | a represent PFAAs |
| PFOS | Sigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US) | 2795-39-3 | a represent PFAAs |
| Sodium carbonate buffer | Sigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US) | use for extracting target compounds from plant tissues | |
| Tetrabutylammonium hydrogen sulfate | Sigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US) | use for extracting target compounds from plant tissues | |
| Wheat seeds | Chinese Academy of Agricultural Sciences (Beijing,China) | Triticum aestivum L. |
Referenzen
- Lindstrom, A. B., Strynar, M. J., Libelo, E. L. Polyfluorinated compounds: Past, present, and future. Environmental Science & Technology. 45 (19), 7954-7961 (2011).
- Kannan, K. Perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances: Current and future perspectives. Environmental Chemistry. 8 (4), 333-338 (2011).
- Cui, Q., et al. Occurrence and tissue distribution of novel perfluoroether carboxylic and sulfonic acids and legacy per/polyfluoroalkyl substances in black-spotted frog (Pelophylax nigromaculatus). Environmental Science & Technology. 52 (3), 982-990 (2018).
- Negri, E., et al. Exposure to PFOA and PFOS and fetal growth: a critical merging of toxicological and epidemiological data. Critical Reviews in Toxicology. 47 (6), 489-515 (2017).
- Chi, Q., Li, Z., Huang, J., Ma, J., Wang, X. Interactions of perfluorooctanoic acid and perfluorooctanesulfonic acid with serum albumins by native mass spectrometry, fluorescence and molecular docking. Chemosphere. 198, 442-449 (2018).
- Zhang, X., Chen, L., Fei, X. C., Ma, Y. S., Gao, H. W. Binding of PFOS to serum albumin and DNA: insight into the molecular toxicity of perfluorochemicals. Bmc Molecular Biology. 10, 16 (2009).
- Pan, Y. T., et al. Worldwide distribution of novel perfluoroether carboxylic and sulfonic acids in surface water. Environmental Science & Technology. 52 (14), 7621-7629 (2018).
- Knight, E. R., et al. An investigation into the long-term binding and uptake of PFOS, PFOA and PFHxS in soil – plant systems. Journal of Hazardous Materials. 404, 124065 (2021).
- Liu, Z. Y., et al. Crop bioaccumulation and human exposure of perfluoroalkyl acids through multi-media transport from a mega fluorochemical industrial park, China. Environment International. 106, 37-47 (2017).
- Mei, W. P., et al. Per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) in the soil-plant system: Sorption, root uptake, and translocation. Environment International. 156, 106642 (2021).
- Wang, W., Rhodes, G., Ge, J., Yu, X., Li, H. Uptake and accumulation of per- and polyfluoroalkyl substances in plants. Chemosphere. 261, 127584 (2020).
- Lu, J., Wu, J., Stoffella, P. J., Wilson, P. C. Analysis of bisphenol A, nonylphenol, and natural estrogens in vegetables and fruits using gas chromatography-tandem mass spectrometry. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 61 (1), 84-89 (2013).
- Herschbach, C., Gessler, A., Rennenberg, H., Luttge, U., Beyschlag, W., Budel, B., Francis, D. Long Distance Transport and Plant Internal Cycling of N- and S-Compounds. Progress in Botany 73. , 161-188 (2012).
- Liu, Q., et al. Uptake kinetics, accumulation, and long-distance transport of organophosphate esters in plants: Impacts of chemical and plant properties. Environmental Science & Technology. 53 (9), 4940-4947 (2019).
- Wang, Z. Y., et al. Xylem- and phloem-based transport of CuO nanoparticles in maize (Zea mays L.). Environmental Science & Technology. 46 (8), 4434-4441 (2012).
- Chen, X., et al. Uptake, accumulation, and translocation mechanisms of steroid estrogens in plants. Science of the Total Environment. 753, 141979 (2021).
- Felizeter, S., McLachlan, M. S., de Voogt, P. Uptake of perfluorinated alkyl acids by hydroponically grown lettuce (Lactuca sativa). Environmental Science & Technology. 46 (21), 11735-11743 (2012).
- Zhou, J., et al. Insights into uptake, translocation, and transformation mechanisms of perfluorophosphinates and perfluorophosphonates in wheat (Triticum aestivum L.). Environmental Science & Technology. 54 (1), 276-285 (2020).
