دراسة الانتقال لمسافات طويلة لأحماض البيرفلوروألكيل في القمح عن طريق تقنية التعرض لجذور الانقسام
Summary
يصف هذا البروتوكول طريقة بسيطة وفعالة لنقل أحماض البيرفلوروألكيل لمسافات طويلة في القمح.
Abstract
تم إدخال كميات كبيرة من أحماض البيرفلوروألكيل (PFAAs) في التربة وتراكمت بواسطة النباتات ، مما يشكل مخاطر محتملة على صحة الإنسان. من الضروري التحقيق في تراكم ونقل PFAAs داخل النباتات. يعد النقل لمسافات طويلة مسارا مهما ل PFAAs المنقولة من أوراق النبات إلى الأنسجة الصالحة للأكل عبر اللحاء. ومع ذلك ، كان من الصعب في السابق تقييم إمكانية انتقال التلوث العضوي في فترة التعرض قصيرة الأجل. توفر تجربة الجذر المنقسم حلا للكشف بشكل فعال عن النقل لمسافات طويلة ل PFAAs باستخدام تجربة مائية ، والتي أجريت في هذه الدراسة في أنبوبي طرد مركزي سعة 50 مل (A و B) ، كان أنبوب الطرد المركزي A يحتوي على 50 مل من ربع قوة محلول المغذيات المعقم Hoagland ، بينما كان أنبوب الطرد المركزي B يحتوي على نفس الكمية من تركيز المغذيات ، و PFAAs المستهدفة (حمض السلفونيك المشبع بالفلور أوكتين، والسلفونات المشبع بالفلور أوكتين، وحمض الأوكتين المشبع بالفلور، PFOA) مضاف بتركيز معين. تم فصل جذر القمح الكامل يدويا إلى جزأين وإدخاله بعناية في الأنبوبين A و B. تم تقييم تركيز PFAAs في الجذور وبراعم القمح والمحاليل في الأنابيب A و B باستخدام LC-MS / MS ، على التوالي ، بعد استزراعها في حاضنة لمدة 7 أيام وحصادها. وتشير النتائج إلى أن حمض بيرفلورو الأوكتين المشبعة بالفلور والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين يتعرضان لعملية انتقال مماثلة لمسافات طويلة عبر اللحاء من الساق إلى الجذر ويمكن إطلاقهما في البيئة المحيطة. وبالتالي ، يمكن استخدام تقنية الجذر المقسم لتقييم النقل لمسافات طويلة للمواد الكيميائية المختلفة.
Introduction
تستخدم أحماض البيرفلوروألكيل (PFAAs) على نطاق واسع في العديد من المنتجات التجارية والصناعية نظرا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية الممتازة ، بما في ذلك النشاط السطحي والاستقرار الحراري والكيميائي1،2،3. حامض السلفونيك المشبع بالفلور أوكتين (PFOS) وحامض الأوكتين المشبع بالفلور (PFOA) هما أهم اثنين من PFAAs المستخدمة في جميع أنحاء العالم4،5،6 ، على الرغم من أن هذه المركبات مدرجة في اتفاقية استكهولم الدولية في عامي 2009 و 2019 7,8 ، على التوالي. ونظرا لثباتها واستخدامها على نطاق واسع، تم الكشف عن السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين على نطاق واسع في مختلف المصفوفات البيئية. وتتراوح تركيزات حمض بيرفلورو أوكتين والسلفونات المشبع بالفلور أوكتين في المياه السطحية من مختلف الأنهار والبحيرات في جميع أنحاء العالم بين 0.15 و52.8 نانوغرام/لتر و0.09-29.7 نانوغرام/لتر، على التوالي9. ونظرا لاستخدام المياه الجوفية أو المياه المستصلحة للري وكذلك استخدام المواد الصلبة الأحيائية كسماد، فإن السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين موجودتان على نطاق واسع في التربة، وتتراوح بين 0.01-123 ميكروغرام/كغ و0.003-162 ميكروغرام/كغ، على التوالي10، مما يمكن أن يدخل كمية كبيرة من PFAAs في النباتات ويشكل مخاطر محتملة على صحة الإنسان. تظهر تركيزات PFAA (C4-C8) في التربة الزراعية والحبوب (القمح والذرة) ارتباطا خطيا إيجابيا11. لذلك ، من الضروري التحقيق في تراكم ونقل PFAAs داخل النباتات.
يحدث نقل PFAAs في النباتات أولا من الجذور إلى الأنسجة الموجودة فوق سطح الأرض ، ويعتبر نقل PFAAs من الجذور إلى الأنسجة الصالحة للأكل بمثابة نقل لمسافات طويلة12,13. اكتشفت الدراسات السابقة ثنائي الفينول أ ونونيل فينول والإستروجين الطبيعي في الخضار والفواكه14 ، مما يعني أن هذه المواد الكيميائية قد تهاجر عبر اللحاء. ومن ثم ، فإن الكشف عن نقل PFAAs في النباتات أمر مهم لتقييم مخاطرها المحتملة. ومع ذلك ، يتأثر تراكم ونقل PFAAs بتوافرها البيولوجي في التربة ، لذلك ليس من السهل تقييم قدرة PFAAs المستهدفة في النباتات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التجارب المائية محدودة بشكل عام بعدة عوامل ، مما يجعل من الصعب الحصول على الأنسجة الصالحة للأكل للنباتات. عادة ، تم جمع اللحاء مباشرة من النباتات لمراقبة انتقال المركبات العضوية عبر مسافات طويلة في النباتات ، في حين أنه من الصعب الحصول على اللحاء من شتلات النباتات15. ومن ثم ، تم تقديم طريقة بسيطة وفعالة ، وهي تقنية الجذر المقسم ، لدراسة نقل PFAAs في النباتات أثناء التعرض قصير الأجل نسبيا. أما بالنسبة للتحقيق في تقسيم الجذر ، يتم فصل الجذور في شتلة نباتية واحدة إلى قسمين ؛ يتم وضع جزء واحد في محلول المغذيات الذي يحتوي على PFAAs المستهدفة (الأنبوب A) ، ويتم وضع الآخر في محلول المغذيات في حالة عدم وجود PFAAs (الأنبوب B). بعد التعرض لعدة أيام ، يتم قياس PFAAs في الأنبوب B بواسطة LC-MS / MS. يكشف تركيز PFAAs في الأنبوب B عن إمكانية نقل PFAAs عبر اللحاء داخل النباتات16،17،18.
تم الإبلاغ عن تجربة الجذر المنقسم لدراسة النقل لمسافات طويلة للعديد من المركبات في النباتات ، مثل الجسيمات النانوية CuO17 ، والإستروجين الستيرويد 18 ، واسترات الفوسفاتالعضوي 16. قدمت هذه الدراسات دليلا على أن هذه المركبات يمكن أن تنتقل عبر اللحاء إلى الأجزاء الصالحة للأكل من النباتات. ومع ذلك ، ما إذا كانت PFAAs يمكن أن تساعد في النقل في النباتات وتأثير الخصائص المركبة تحتاج إلى مزيد من الاستكشاف. بناء على هذه التقارير ، أجريت تجربة الجذر المقسم في هذه الدراسة للكشف عن النقل لمسافات طويلة ل PFAAs في القمح.
Protocol
Representative Results
Discussion
لضمان دقة هذه الطريقة ، يجب إجراء عملية دقيقة للتأكد من أن المحلول المسنن في الأنبوب B لا يلوث المحلول غير المسنن في الأنبوب A. كان التركيز المعطى ل PFAAs المستهدفة في الدراسة الحالية أعلى نسبيا من تركيزها في البيئة الحقيقية ، مما يضمن مراقبة PFAAs المستهدفة في القمح والمحلول غير المسنن باستخدا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نعترف بامتنان بالدعم المالي المقدم من مؤسسة العلوم الطبيعية في الصين (NSFC 21737003) ، والصندوق العلمي للجامعات الصينية (رقم 2452021103) ، ومؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية (رقم 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. |
References
- 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).
