Undersøgelse af langdistancetransport af perfluoralkylsyrer i hvede via en split-root eksponeringsteknik
Summary
Den nuværende protokol beskriver en enkel og effektiv metode til langdistancetransport af perfluoralkylsyrer i hvede.
Abstract
Store mængder perfluoralkylsyrer (PFAA’er) er blevet indført i jorden og akkumuleret af planter, hvilket udgør potentielle risici for menneskers sundhed. Det er bydende nødvendigt at undersøge akkumulering og translokation af PFAA’er i planter. Langdistancetransport er en vigtig vej for PFAA’er, der overføres fra plantebladene til det spiselige væv gennem phloem. Det var imidlertid tidligere vanskeligt at vurdere translokationspotentialet for organisk forurening i en kortvarig eksponeringsperiode. Split-root-eksperimentet giver en løsning til effektivt at afdække langdistancetranslokationen af PFAA’er ved hjælp af et hydroponisk eksperiment, som i denne undersøgelse blev udført i to 50 ml centrifugerør (A og B), hvoraf centrifugerør A havde 50 ml en kvart styrke Hoagland steril næringsstofopløsning, mens centrifugerør B havde samme mængde næringsstofkoncentration, og målPFAA’erne (perfluoroctansulfonsyre, PFOS og perfluoroctansyre, PFOA) tilsat i en given koncentration. En fuldkornsrod blev manuelt adskilt i to dele og indsat omhyggeligt i rør A og B. Koncentrationen af PFAA’er i rødderne, hvedeskuddene og opløsningerne i rør A og B blev evalueret ved hjælp af henholdsvis LC-MS/MS efter at have været dyrket i en inkubator i 7 dage og høstet. Resultaterne antydede, at PFOA og PFOS oplever en lignende langdistancetransportproces gennem floemet fra skuddet til roden og kunne frigives i det omgivende miljø. Således kan split-root-teknikken bruges til at evaluere langdistancetransport af forskellige kemikalier.
Introduction
Perfluoralkylsyrer (PFAA’er) anvendes i vid udstrækning i forskellige kommercielle og industrielle produkter på grund af deres fremragende fysisk-kemiske egenskaber, herunder overfladeaktivitet og termisk og kemisk stabilitet 1,2,3. Perfluoroctansulfonsyre (PFOS) og perfluoroctansyre (PFOA) er de to vigtigste PFAA’er, der anvendes på verdensplan 4,5,6, selvom disse forbindelser blev opført i den internationale Stockholmkonvention i henholdsvis 2009 og 2019 7,8. På grund af deres vedholdenhed og udbredte anvendelse er PFOS og PFOA blevet bredt påvist i forskellige miljømatricer. Koncentrationerne af PFOA og PFOS i overfladevand fra forskellige verdensomspændende floder og søer er henholdsvis 0,15-52,8 ng/L og 0,09-29,7 ng/l9. På grund af brugen af grundvand eller genvundet vand til kunstvanding og også brug af biosolider som gødning er PFOA og PFOS bredt til stede i jorden, der spænder mellem 0,01-123 μg / kg og 0,003-162 μg / kg, henholdsvis10, hvilket kan indføre en stor mængde PFAA’er i planter og udgøre potentielle risici for menneskers sundhed. PFAA-koncentrationerne (C4-C8) i landbrugsjord og korn (hvede og majs) viser en positiv lineær korrelation11. Derfor er det bydende nødvendigt at undersøge akkumulering og translokation af PFAA’er i planter.
Translokationen af PFAA’er i planter sker først og fremmest fra rødderne til det overjordiske væv, og translokationen af PFAA’er fra rødderne til det spiselige væv betragtes som langdistancetransport12,13. Tidligere undersøgelser har påvist bisphenol A, nonylphenol og naturlige østrogener i grøntsager og frugter14, hvilket indebærer, at disse kemikalier kan migrere via phloem. Derfor er det vigtigt at afdække translokationen af PFAA’er i planter for at vurdere deres potentielle risiko. Akkumuleringen og translokationen af PFAA’er påvirkes imidlertid af deres biotilgængelighed i jorden, så det er ikke let at evaluere translokationsevnen for målPFAA’er i planter. Derudover er hydroponiske eksperimenter generelt begrænset af flere faktorer, hvilket gør det vanskeligere at erhverve planternes spiselige væv. Typisk blev phloem indsamlet direkte fra planter for at observere translokationen af organiske forbindelser gennem lange afstande i planter, mens det er vanskeligt at erhverve floemer fra planteplanter15. Derfor blev en enkel og effektiv metode, split-root-teknikken, introduceret for at studere translokationen af PFAA’er i planter under relativt kortvarig eksponering. Hvad angår split-root-undersøgelsen, er rødderne i en planteplante adskilt i to dele; den ene del anbringes i næringsopløsningen indeholdende målPFAA’er (rør A), og den anden anbringes i næringsopløsningen i fravær af PFAA’er (rør B). Efter eksponering i flere dage måles PFAA’erne i rør B ved LC-MS/MS. Koncentrationen af PFAA’er i rør B afslører translokationspotentialet for PFAA’er gennem phloem i planter16,17,18.
Split-root-eksperimentet er blevet rapporteret til undersøgelse af langdistancetranslokationen af mange forbindelser i planter, såsom CuO nanopartikler17, steroidøstrogener 18 og organophosphatestere16. Disse undersøgelser gav bevis for, at disse forbindelser kunne overføres via phloem til de spiselige plantedele. Det skal dog undersøges nærmere, om PFAA’er kan bidrage til translokation i planter og virkningen af sammensatte egenskaber. Baseret på disse rapporter blev split-root-eksperimentet udført i denne undersøgelse for at afsløre langdistancetransport af PFAA’er i hvede.
Protocol
Representative Results
Discussion
For at sikre nøjagtigheden af denne metode skal der foretages omhyggelig behandling for at sikre, at spidsopløsningen i rør B ikke forurener den ikke-spidsede opløsning i rør A. Den givne koncentration af mål-PFAA’er i denne undersøgelse var relativt højere end deres koncentration i det virkelige miljø, hvilket sikrede overvågning af målPFA’er i hvede og ikke-spidset opløsning ved hjælp af LC-MS/MS.
Der er begrænsninger for denne metode. Da der kun blev anvendt én hvedeplante i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkender taknemmeligt økonomisk støtte fra Natural Science Foundation of China (NSFC 21737003), Chinese Universities Scientific Fund (nr. 2452021103) og Chinese Postdoctoral Science Foundation (nr. 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).
