חקירת הובלה למרחקים ארוכים של חומצות פרפלואורואלקיל בחיטה באמצעות טכניקת חשיפה לשורש מפוצל
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר שיטה פשוטה ויעילה להובלה למרחקים ארוכים של חומצות פרפלואורואלקיל בחיטה.
Abstract
כמויות גדולות של חומצות פרפלואורואלקיל (PFAA) הוכנסו לקרקע והצטברו על ידי צמחים, מה שמהווה סיכון פוטנציאלי לבריאות האדם. חובה לחקור את ההצטברות והטרנסלוקציה של PFAAs בתוך צמחים. הובלה למרחקים ארוכים היא מסלול חשוב עבור PFAAs המועברים מעלי הצמח לרקמות המאכל דרך הפלום. עם זאת, בעבר היה קשה להעריך את פוטנציאל הטרנסלוקציה של זיהום אורגני בתקופת חשיפה קצרת טווח. ניסוי השורש המפוצל מספק פתרון לחשיפה יעילה של טרנסלוקציה למרחקים ארוכים של PFAAs באמצעות ניסוי הידרופוני, אשר, במחקר זה, בוצע בשני צינורות צנטריפוגה 50 מ”ל (A ו- B), מתוכם צינור צנטריפוגה A היה 50 מ”ל של רבע כוח Hoagland תמיסת הזנה סטרילית, בעוד צינור צנטריפוגה B היה באותה כמות של ריכוז חומרים מזינים, ו-PFAAs המטרה (חומצה סולפונית פרפלואורוקטנית, PFOS וחומצה פרפלואורוקטנית, PFOA) שנוספו בריכוז נתון. שורש מחיטה מלאה הופרד ידנית לשני חלקים והוכנס בזהירות לצינורות A ו-B. ריכוז ה-PFAAs בשורשים, יורה של חיטה ותמיסות בצינורות A ו-B הוערכו באמצעות LC-MS/MS, בהתאמה, לאחר שגודלו באינקובטור במשך 7 ימים ונקטפו. התוצאות הצביעו על כך ש-PFOA ו-PFOS חווים תהליך העברה דומה למרחקים ארוכים דרך הפלום מהיורה לשורש ויכולים להשתחרר לסביבה הסביבתית. לפיכך, ניתן להשתמש בטכניקת השורש המפוצל כדי להעריך את ההובלה למרחקים ארוכים של כימיקלים שונים.
Introduction
חומצות פרפלואורואלקיליות (PFAAs) נמצאות בשימוש נרחב במוצרים מסחריים ותעשייתיים שונים בשל תכונותיהן הפיסיקוכימיות המצוינות, כולל פעילות פני השטח ויציבות תרמית וכימית 1,2,3. חומצה סולפונית פרפלואורוקטנית (PFOS) וחומצה פרפלואורוקטנית (PFOA) הן שתי חומצות ה-PFAAs החשובות ביותר המשמשותברחבי העולם 4,5,6, אם כי תרכובות אלה נרשמו באמנת שטוקהולם הבינלאומית בשנים 2009 ו-20197,8, בהתאמה. בשל ההתמדה שלהם ושימוש נרחב, PFOS ו- PFOA זוהו באופן נרחב במטריצות סביבתיות שונות. הריכוזים של PFOA ו-PFOS במים עיליים מנהרות ואגמים שונים ברחבי העולם הם 0.15-52.8 ng/L ו-0.09-29.7 ng/L,בהתאמה 9. בשל השימוש במי תהום או מים מושבים להשקיה וגם שימוש בביוסולידים כדשן, PFOA ו- PFOS נמצאים באופן נרחב בקרקע, ונעים בין 0.01-123 מיקרוגרם לק”ג ו 0.003-162 מיקרוגרם / ק”ג, בהתאמה10, אשר יכול להכניס כמות גדולה של PFAAs לצמחים ולהוות סיכונים פוטנציאליים לבריאות האדם. ריכוזי ה-PFAA (C4-C8) בקרקע חקלאית ובדגנים (חיטה ותירס) מראים מתאם ליניארי חיובי11. לכן, חובה לחקור את ההצטברות והטרנסלוקציה של PFAAs בתוך צמחים.
הטרנסלוקציה של PFAAs בצמחים מתרחשת תחילה מהשורשים לרקמות שמעל פני הקרקע, והטרנסלוקציה של PFAAs מהשורשים לרקמות המאכל נחשבת להובלה למרחקים ארוכים12,13. מחקרים קודמים זיהו ביספנול A, נונילפנול ואסטרוגנים טבעיים בירקות ופירות14, מה שמרמז על כך שהכימיקלים האלה עשויים לנדוד דרך הפלום. לפיכך, חשוב לחשוף את הטרנסלוקציה של PFAAs בצמחים כדי להעריך את הסיכון הפוטנציאלי שלהם. עם זאת, הצטברות וטרנסלוקציה של PFAAs מושפעים מהזמינות הביולוגית שלהם בקרקע, ולכן לא קל להעריך את יכולת הטרנסלוקציה של PFAAs מטרה בצמחים. בנוסף, ניסויים הידרופוניים מוגבלים בדרך כלל על ידי מספר גורמים, מה שמקשה על רכישת רקמות מאכל של צמחים. בדרך כלל, הפלום נאסף ישירות מצמחים כדי לבחון טרנסלוקציה של תרכובות אורגניות דרך מרחקים ארוכים בצמחים, בעוד שקשה להשיג פלומים משתילי צמחים15. לפיכך, שיטה פשוטה ויעילה, טכניקת השורש המפוצל, הוצגה כדי לחקור את הטרנסלוקציה של PFAAs בצמחים במהלך חשיפה לטווח קצר יחסית. באשר לחקירת השורשים המפוצלים, השורשים בשתיל צמח אחד מופרדים לשני חלקים; חלק אחד מוכנס לתמיסת ההזנה המכילה PFAAs מטרה (צינור A), והשני ממוקם בתמיסת ההזנה בהיעדר PFAAs (צינור B). לאחר חשיפה של מספר ימים, ה-PFAAs בצינור B נמדדים על-ידי LC-MS/MS. ריכוז ה-PFAAs בצינור B חושף את פוטנציאל הטרנסלוקציה של PFAAs דרך הפלום בתוך צמחים16,17,18.
ניסוי השורש המפוצל דווח על חקר הטרנסלוקציה למרחקים ארוכים של תרכובות רבות בצמחים, כגון ננו-חלקיקי CuO17, אסטרוגנים סטרואידים 18 ואסטרים אורגנופוספטים16. מחקרים אלה סיפקו ראיות לכך שהתרכובות האלה יכולות לעבור דרך הפלום לחלקים האכילים של הצמחים. עם זאת, יש לבחון עוד יותר אם PFAAs יכולים לסייע בטרנסלוקציה בצמחים ואת ההשפעה של תכונות תרכובת. בהתבסס על דיווחים אלה, ניסוי השורש המפוצל נערך במחקר הנוכחי כדי לחשוף את ההובלה למרחקים ארוכים של PFAAs בחיטה.
Protocol
Representative Results
Discussion
כדי להבטיח את הדיוק של שיטה זו, יש לנקוט פעולה זהירה כדי להבטיח כי תמיסה spiked בצינור B לא לזהם את תמיסה unspiked בצינור A. הריכוז הנתון של PFAAs מטרה במחקר הנוכחי היה גבוה יחסית לריכוזם בסביבה האמיתית, מה שהבטיח לנטר PFAAs מטרה בחיטה ובתמיסה לא מרוסקת באמצעות LC-MS/MS.
ישנן מגבלות לשיטה זו. ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים על תמיכה כספית מקרן מדעי הטבע של סין (NSFC 21737003), הקרן המדעית של האוניברסיטאות הסיניות (מס ‘2452021103) והקרן הסינית למדע פוסט-דוקטורט (מס’ 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).
