Undersöker långväga transport av perfluoralkylsyror i vete via en split-root-exponeringsteknik
Summary
Detta protokoll beskriver en enkel och effektiv metod för långväga transport av perfluoralkylsyror i vete.
Abstract
Stora mängder perfluoralkylsyror (PFAA) har införts i jorden och ackumulerats av växter, vilket utgör potentiella risker för människors hälsa. Det är absolut nödvändigt att undersöka ackumulering och flyttning av PFAA inom växter. Långväga transporter är en viktig väg för PFAA som överförs från växtbladen till de ätbara vävnaderna genom floemet. Det var dock tidigare svårt att bedöma translokationspotentialen för organisk kontaminering under en kortvarig exponeringsperiod. Split-root-experimentet ger en lösning för att effektivt avslöja den långväga translokationen av PFAA med hjälp av ett hydroponiskt experiment, som i denna studie utfördes i två 50 ml centrifugrör (A och B), varav centrifugrör A hade 50 ml en fjärdedels styrka Hoagland steril näringslösning, medan centrifugrör B hade samma mängd näringskoncentration, och mål-PFAA (perfluoroktansulfonsyra, PFOS och perfluoroktansyra, PFOA) som tillsatts vid en given koncentration. En fullkornsrot separerades manuellt i två delar och sattes försiktigt in i rör A och B. Koncentrationen av PFAA i rötterna, skott av vete och lösningar i rör A och B utvärderades med användning av LC-MS / MS respektive efter att ha odlats i en inkubator i 7 dagar och skördats. Resultaten tydde på att PFOA och PFOS upplever en liknande långväga transportprocess genom floem från skottet till roten och kan släppas ut i den omgivande miljön. Således kan split-root-tekniken användas för att utvärdera långväga transporter av olika kemikalier.
Introduction
Perfluoralkylsyror (PFAA) används i stor utsträckning i olika kommersiella och industriella produkter på grund av deras utmärkta fysikalisk-kemiska egenskaper, inklusive ytaktivitet och termisk och kemisk stabilitet 1,2,3. Perfluoroktansulfonsyra (PFOS) och perfluoroktansyra (PFOA) är de två viktigaste PFAA som används i världen 4,5,6, även om dessa föreningar listades i den internationella Stockholmskonventionen 2009 respektive 2019 7,8. På grund av deras persistens och utbredda användning har PFOS och PFOA upptäckts i stor utsträckning i olika miljömatriser. Halterna av PFOA och PFOS i ytvatten från olika globala floder och sjöar är 0,15-52,8 ng/L respektive 0,09-29,7 ng/L9. På grund av användningen av grundvatten eller återvunnet vatten för bevattning och även användning av biosolider som gödningsmedel finns PFOA och PFOS i stor utsträckning i jorden, mellan 0,01-123 μg/kg respektive 0,003-162 μg/kg, vilket skulle kunna införa en stor mängd PFAA i växter och utgöra potentiella risker för människors hälsa. Halterna av PFAA (C4-C8) i jordbruksmark och spannmål (vete och majs) uppvisar en positiv linjär korrelation11. Därför är det absolut nödvändigt att undersöka ackumulering och flyttning av PFAA inom växter.
Flyttningen av PFAA i växter sker först från rötterna till vävnaderna ovan jord, och translokationen av PFAA från rötterna till de ätbara vävnaderna betraktas som långväga transport12,13. Tidigare studier har upptäckt bisfenol A, nonylfenol och naturliga östrogener i grönsaker och frukter14, vilket innebär att dessa kemikalier kan migrera via floemet. Därför är det viktigt att avslöja translokationen av PFAA i växter för att bedöma deras potentiella risk. Ackumuleringen och translokationen av PFAA påverkas dock av deras biotillgänglighet i jorden, så det är inte lätt att utvärdera translokationsförmågan hos mål-PFAA i växter. Dessutom är hydroponiska experiment i allmänhet begränsade av flera faktorer, vilket gör det svårare att förvärva växternas ätbara vävnader. Typiskt samlades floem direkt från växter för att observera translokationen av organiska föreningar genom långa avstånd i växter, medan det är svårt att förvärva floem från växtplantor15. Därför introducerades en enkel och effektiv metod, split-root-tekniken, för att studera translokationen av PFAA i växter under relativt kortvarig exponering. När det gäller split-root-undersökningen separeras rötterna i en växtplanta i två delar; en del sätts i näringslösningen innehållande mål-PFAA (rör A) och den andra placeras i näringslösningen i frånvaro av PFAA (rör B). Efter exponering i flera dagar mäts PFAA i rör B med LC-MS/MS. Koncentrationen av PFAA i rör B avslöjar translokationspotentialen för PFAA genom floem i växter16,17,18.
Split-root-experimentet har rapporterats för att studera långväga translokation av många föreningar i växter, såsom CuO-nanopartiklar17, steroidöstrogener18 och organofosfatestrar16. Dessa studier gav bevis för att dessa föreningar kunde överföras via floem till de ätbara delarna av växter. Huruvida PFAA kan bidra till translokation i anläggningar och effekterna av sammansatta egenskaper måste dock undersökas ytterligare. Baserat på dessa rapporter genomfördes split-root-experimentet i den aktuella studien för att avslöja långväga transport av PFAA i vete.
Protocol
Representative Results
Discussion
För att säkerställa noggrannheten i denna metod måste noggrann användning vidtas för att säkerställa att den spikade lösningen i rör B inte förorenar den ospikade lösningen i rör A. Den givna koncentrationen av mål-PFAA i den aktuella studien var relativt högre än deras koncentration i den verkliga miljön, vilket säkerställde övervakning av mål-PFAA i vete och ospikad lösning med LC-MS/MS.
Det finns begränsningar för denna metod. Eftersom endast en veteplanta användes…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkänner tacksamt ekonomiskt stöd från Natural Science Foundation of China (NSFC 21737003), Chinese Universities Scientific Fund (nr 2452021103) och 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).
