Onderzoek naar langeafstandstransport van perfluoralkylzuren in tarwe via een split-root exposure techniek
Summary
Dit protocol beschrijft een eenvoudige en efficiënte methode voor het langeafstandstransport van perfluoralkylzuren in tarwe.
Abstract
Grote hoeveelheden perfluoralkylzuren (PFAAs) zijn in de bodem gebracht en door planten opgehoopt, wat potentiële risico’s voor de menselijke gezondheid met zich meebrengt. Het is absoluut noodzakelijk om de accumulatie en translocatie van PFAAs binnen planten te onderzoeken. Transport over lange afstand is een belangrijke route voor PFAA’s die via het floëem van de plantenbladeren naar de eetbare weefsels worden overgebracht. Voorheen was het echter moeilijk om het translocatiepotentieel van organische verontreiniging in een kortdurende blootstellingsperiode te beoordelen. Het split-root experiment biedt een oplossing om de langeafstandstranslocatie van PFAA’s effectief bloot te leggen met behulp van een hydroponisch experiment, dat in deze studie werd uitgevoerd in twee centrifugebuizen van 50 ml (A en B), waarvan centrifugebuis A 50 ml hoagland steriele voedingsoplossing van een kwart sterkte had, terwijl centrifugebuis B dezelfde hoeveelheid nutriëntenconcentratie had, en de beoogde PFAAs (perfluoroctaansulfonzuur, PFOS en perfluoroctaanzuur, PFOA) toegevoegd in een bepaalde concentratie. Een volkorenwortel werd handmatig in twee delen gescheiden en zorgvuldig in buizen A en B ingebracht. De concentratie van PFAAs in de wortels, scheuten van tarwe en oplossingen in buizen A en B werden geëvalueerd met behulp van respectievelijk LC-MS / MS, na 7 dagen in een incubator te zijn gekweekt en geoogst. De resultaten suggereerden dat PFOA en PFOS een vergelijkbaar transportproces over lange afstand door het floëem van de scheut naar de wortel ervaren en in de omgeving kunnen worden vrijgegeven. Zo kan de split-root techniek worden gebruikt om het langeafstandstransport van verschillende chemicaliën te evalueren.
Introduction
Perfluoralkylzuren (PFAAs) worden op grote schaal gebruikt in verschillende commerciële en industriële producten vanwege hun uitstekende fysisch-chemische eigenschappen, waaronder oppervlakteactiviteit en thermische en chemische stabiliteit 1,2,3. Perfluoroctaansulfonzuur (PFOS) en perfluoroctaanzuur (PFOA) zijn de twee belangrijkste PFAAs die wereldwijd worden gebruikt 4,5,6, hoewel deze verbindingen respectievelijk in 2009 en 2019 in het internationale Verdrag van Stockholm werden opgenomen 7,8. Vanwege hun persistentie en wijdverbreid gebruik zijn PFOS en PFOA op grote schaal gedetecteerd in verschillende omgevingsmatrices. De concentraties PFOA en PFOS in oppervlaktewater van verschillende wereldwijde rivieren en meren zijn respectievelijk 0,15-52,8 ng/L en 0,09-29,7 ng/L, respectievelijk9. Vanwege het gebruik van grondwater of teruggewonnen water voor irrigatie en ook het gebruik van biosolids als meststof, zijn PFOA en PFOS op grote schaal aanwezig in de bodem, variërend tussen 0,01-123 μg / kg en 0,003-162 μg / kg, respectievelijk10, wat een grote hoeveelheid PFAAs in planten zou kunnen introduceren en potentiële risico’s voor de menselijke gezondheid zou kunnen vormen. De PFAA (C4-C8) concentraties in landbouwgrond en graan (tarwe en maïs) vertonen een positieve lineaire correlatie11. Daarom is het noodzakelijk om de accumulatie en translocatie van PFAAs binnen planten te onderzoeken.
De translocatie van PFAAs in planten vindt in de eerste plaats plaats van de wortels naar de bovengrondse weefsels, en de translocatie van PFAAs van de wortels naar de eetbare weefsels wordt beschouwd als langeafstandstransport12,13. Eerdere studies hebben bisfenol A, nonylfenol en natuurlijke oestrogenen in groenten en fruit gedetecteerd14, wat impliceert dat deze chemicaliën via het floëem kunnen migreren. Daarom is het blootleggen van de translocatie van PFAAs in planten belangrijk om hun potentiële risico te beoordelen. De accumulatie en translocatie van PFAAs worden echter beïnvloed door hun biologische beschikbaarheid in de bodem, dus het is niet eenvoudig om het translocatievermogen van doel-PFAAs in planten te evalueren. Bovendien worden hydroponische experimenten over het algemeen beperkt door verschillende factoren, waardoor het moeilijker wordt om de eetbare weefsels van planten te verkrijgen. Typisch werd het floëem rechtstreeks van planten verzameld om de translocatie van organische verbindingen over lange afstanden in planten te observeren, terwijl het moeilijk is om floëems van plantenzaailingen te verkrijgen15. Daarom werd een eenvoudige en effectieve methode, de split-root-techniek, geïntroduceerd om de translocatie van PFAAs in planten tijdens relatief korte blootstelling te bestuderen. Wat betreft het splijtwortelonderzoek, de wortels in één plantzaailing worden in twee delen gescheiden; een deel wordt in de voedingsoplossing met doel-PFAAs (buis A) gedaan en het andere wordt in de voedingsoplossing geplaatst in afwezigheid van PFAAs (buis B). Na blootstelling gedurende enkele dagen worden de PFAAs in buis B gemeten met LC-MS/MS. De concentratie van PFAAs in buis B onthult het translocatiepotentieel van PFAA’s via het floëem in planten 16,17,18.
Het split-root experiment is gerapporteerd voor het bestuderen van de lange afstand translocatie van vele verbindingen in planten, zoals CuO nanodeeltjes17, steroïde oestrogenen18 en organofosfaatesters16. Deze studies leverden bewijs dat deze verbindingen via het floëem konden worden overgedragen naar de eetbare delen van planten. Of PFAAs kunnen helpen bij translocatie in planten en de impact van samengestelde eigenschappen moeten echter verder worden onderzocht. Op basis van deze rapporten werd het split-root experiment uitgevoerd in de huidige studie om het langeafstandstransport van PFAAs in tarwe te onthullen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Om de nauwkeurigheid van deze methode te garanderen, moet zorgvuldig worden gewerkt om ervoor te zorgen dat de puntige oplossing in buis B de ongespikte oplossing in buis A niet verontreinigt. De gegeven concentratie van doel-PFAAs in deze studie was relatief hoger dan hun concentratie in de reële omgeving, waardoor de beoogde PFAAs in tarwe en ongespikte oplossing met behulp van LC-MS/MS werden gemonitord.
Er zijn beperkingen aan deze methode. Aangezien in elke behandelingsgroep slechts é?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We erkennen dankbaar de financiële steun van de Natural Science Foundation of China (NSFC 21737003), het Chinese Universities Scientific Fund (nr. 2452021103) en de 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).
