Undersøke langdistansetransport av perfluoralkylsyrer i hvete via en split-root eksponeringsteknikk
Summary
Denne protokollen beskriver en enkel og effektiv metode for langdistansetransport av perfluoralkylsyrer i hvete.
Abstract
Store mengder perfluoralkylsyrer (PFAA) har blitt introdusert i jorda og akkumulert av planter, noe som utgjør potensielle farer for menneskers helse. Det er viktig å undersøke akkumulering og translokasjon av PFAAer i planter. Langdistansetransport er en viktig vei for PFAAer overført fra plantebladene til spiselige vev gjennom floem. Det var imidlertid tidligere vanskelig å vurdere translokasjonspotensialet for organisk forurensning i en kortvarig eksponeringsperiode. Split-root-eksperimentet gir en løsning for effektivt å avdekke langdistansetranslokasjonen av PFAA-er ved hjelp av et hydroponisk eksperiment, som i denne studien ble utført i to 50 ml sentrifugerør (A og B), hvorav sentrifugerør A hadde 50 ml av en fjerdedel styrke Hoagland steril næringsoppløsning, mens sentrifugerør B hadde samme mengde næringskonsentrasjon, og mål-PFAA-ene (perfluoroktansulfonsyre, PFOS og perfluoroktansyre, PFOA) tilsatt ved en gitt konsentrasjon. En hel hveterot ble manuelt delt i to deler og satt forsiktig inn i rør A og B. Konsentrasjonen av PFAAer i røttene, hveteskuddene og løsningene i rør A og B ble evaluert ved bruk av henholdsvis LC-MS / MS etter å ha blitt dyrket i en inkubator i 7 dager og høstet. Resultatene antydet at PFOA og PFOS opplever en lignende langdistanse transportprosess gjennom floem fra skytingen til roten og kan slippes ut i omgivelsene. Dermed kan split-root-teknikken brukes til å evaluere langdistansetransporten av forskjellige kjemikalier.
Introduction
Perfluoralkylsyrer (PFAA) er mye brukt i ulike kommersielle og industrielle produkter på grunn av deres utmerkede fysisk-kjemiske egenskaper, inkludert overflateaktivitet og termisk og kjemisk stabilitet 1,2,3. Perfluoroktansulfonsyre (PFOS) og perfluoroktansyre (PFOA) er de to viktigste PFAA-ene som brukes over hele verden 4,5,6, selv om disse forbindelsene ble oppført i den internasjonale Stockholm-konvensjonen i henholdsvis 2009 og 2019 7,8. På grunn av deres utholdenhet og utbredt bruk har PFOS og PFOA blitt mye oppdaget i ulike miljømatriser. Konsentrasjonene av PFOA og PFOS i overflatevann fra forskjellige verdensomspennende elver og innsjøer er henholdsvis 0,15-52,8 ng / L og 0,09-29,7 ng /L, 9. På grunn av bruk av grunnvann eller gjenvunnet vann til vanning og også bruk av biosolids som gjødsel, er PFOA og PFOS allment tilstede i jorda, mellom 0,01-123 μg / kg og 0,003-162 μg / kg, henholdsvis10, noe som kan introdusere en stor mengde PFAA i planter og utgjøre potensielle farer for menneskers helse. PFAA-konsentrasjonene (C4-C8) i jordbruksjord og korn (hvete og mais) viser en positiv lineær korrelasjon11. Derfor er det viktig å undersøke akkumulering og translokasjon av PFAA i planter.
Translokasjonen av PFAA i planter skjer først fra røttene til det overjordiske vevet, og translokasjonen av PFAA fra røttene til det spiselige vevet regnes som langdistansetransport12,13. Tidligere studier har oppdaget bisfenol A, nonylfenol og naturlige østrogener i grønnsaker og frukt14, noe som innebærer at disse kjemikaliene kan migrere via floem. Derfor er det viktig å avdekke translokasjon av PFAA i planter for å vurdere deres potensielle risiko. Akkumuleringen og translokasjonen av PFAA påvirkes imidlertid av deres biotilgjengelighet i jorda, så det er ikke lett å evaluere translokasjonsevnen til mål-PFAA-er i planter. I tillegg er hydroponiske eksperimenter generelt begrenset av flere faktorer, noe som gjør det vanskeligere å skaffe seg spiselige vev av planter. Vanligvis ble floem samlet direkte fra planter for å observere translokasjon av organiske forbindelser gjennom lange avstander i planter, mens det er vanskelig å skaffe phloems fra planteplanter15. Derfor ble en enkel og effektiv metode, split-root-teknikken, introdusert for å studere translokasjonen av PFAA i planter under relativt kortvarig eksponering. Når det gjelder split-root-undersøkelsen, er røttene i en planteplante delt inn i to deler; den ene delen settes inn i næringsoppløsningen som inneholder mål PFAA (rør A), og den andre plasseres i næringsoppløsningen i fravær av PFAA (rør B). Etter eksponering i flere dager måles PFAA-ene i rør B med LC-MS/MS. Konsentrasjonen av PFAA i rør B avslører translokasjonspotensialet til PFAA gjennom floem i planter16,17,18.
Split-root-eksperimentet har blitt rapportert for å studere langdistansetranslokasjonen av mange forbindelser i planter, som CuO nanopartikler17, steroidøstrogener 18 og organofosfatestere16. Disse studiene ga bevis på at disse forbindelsene kunne overføres via floem til de spiselige delene av planter. Hvorvidt PFAA kan hjelpe til med translokasjon i planter og virkningen av sammensatte egenskaper, må imidlertid undersøkes nærmere. Basert på disse rapportene ble split-root-eksperimentet utført i denne studien for å avsløre langdistansetransporten av PFAAer i hvete.
Protocol
Representative Results
Discussion
For å sikre nøyaktigheten av denne metoden, må det tas forsiktig operasjon for å sikre at den piggede løsningen i rør B ikke forurenser den upiggede løsningen i rør A. Den gitte konsentrasjonen av mål-PFAAer i denne studien var relativt høyere enn konsentrasjonen i det virkelige miljøet, noe som sikret å overvåke mål-PFAAer i hvete og unspiked-løsning ved bruk av LC-MS / MS.
Det er begrensninger for denne metoden. Siden bare en hveteplante ble brukt i hver behandlingsgruppe og …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkjenner takknemlig 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).
