Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف هذا البروتوكول طريقة بسيطة وفعالة لنقل أحماض البيرفلوروألكيل لمسافات طويلة في القمح.

Abstract

تم إدخال كميات كبيرة من أحماض البيرفلوروألكيل (PFAAs) في التربة وتراكمت بواسطة النباتات ، مما يشكل مخاطر محتملة على صحة الإنسان. من الضروري التحقيق في تراكم ونقل PFAAs داخل النباتات. يعد النقل لمسافات طويلة مسارا مهما ل PFAAs المنقولة من أوراق النبات إلى الأنسجة الصالحة للأكل عبر اللحاء. ومع ذلك ، كان من الصعب في السابق تقييم إمكانية انتقال التلوث العضوي في فترة التعرض قصيرة الأجل. توفر تجربة الجذر المنقسم حلا للكشف بشكل فعال عن النقل لمسافات طويلة ل PFAAs باستخدام تجربة مائية ، والتي أجريت في هذه الدراسة في أنبوبي طرد مركزي سعة 50 مل (A و B) ، كان أنبوب الطرد المركزي A يحتوي على 50 مل من ربع قوة محلول المغذيات المعقم Hoagland ، بينما كان أنبوب الطرد المركزي B يحتوي على نفس الكمية من تركيز المغذيات ، و PFAAs المستهدفة (حمض السلفونيك المشبع بالفلور أوكتين، والسلفونات المشبع بالفلور أوكتين، وحمض الأوكتين المشبع بالفلور، PFOA) مضاف بتركيز معين. تم فصل جذر القمح الكامل يدويا إلى جزأين وإدخاله بعناية في الأنبوبين A و B. تم تقييم تركيز PFAAs في الجذور وبراعم القمح والمحاليل في الأنابيب A و B باستخدام LC-MS / MS ، على التوالي ، بعد استزراعها في حاضنة لمدة 7 أيام وحصادها. وتشير النتائج إلى أن حمض بيرفلورو الأوكتين المشبعة بالفلور والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين يتعرضان لعملية انتقال مماثلة لمسافات طويلة عبر اللحاء من الساق إلى الجذر ويمكن إطلاقهما في البيئة المحيطة. وبالتالي ، يمكن استخدام تقنية الجذر المقسم لتقييم النقل لمسافات طويلة للمواد الكيميائية المختلفة.

Introduction

تستخدم أحماض البيرفلوروألكيل (PFAAs) على نطاق واسع في العديد من المنتجات التجارية والصناعية نظرا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية الممتازة ، بما في ذلك النشاط السطحي والاستقرار الحراري والكيميائي1،2،3. حامض السلفونيك المشبع بالفلور أوكتين (PFOS) وحامض الأوكتين المشبع بالفلور (PFOA) هما أهم اثنين من PFAAs المستخدمة في جميع أنحاء العالم4،5،6 ، على الرغم من أن هذه المركبات مدرجة في اتفاقية استكهولم الدولية في عامي 2009 و 2019 7,8 ، على التوالي. ونظرا لثباتها واستخدامها على نطاق واسع، تم الكشف عن السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين على نطاق واسع في مختلف المصفوفات البيئية. وتتراوح تركيزات حمض بيرفلورو أوكتين والسلفونات المشبع بالفلور أوكتين في المياه السطحية من مختلف الأنهار والبحيرات في جميع أنحاء العالم بين 0.15 و52.8 نانوغرام/لتر و0.09-29.7 نانوغرام/لتر، على التوالي9. ونظرا لاستخدام المياه الجوفية أو المياه المستصلحة للري وكذلك استخدام المواد الصلبة الأحيائية كسماد، فإن السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين موجودتان على نطاق واسع في التربة، وتتراوح بين 0.01-123 ميكروغرام/كغ و0.003-162 ميكروغرام/كغ، على التوالي10، مما يمكن أن يدخل كمية كبيرة من PFAAs في النباتات ويشكل مخاطر محتملة على صحة الإنسان. تظهر تركيزات PFAA (C4-C8) في التربة الزراعية والحبوب (القمح والذرة) ارتباطا خطيا إيجابيا11. لذلك ، من الضروري التحقيق في تراكم ونقل PFAAs داخل النباتات.

يحدث نقل PFAAs في النباتات أولا من الجذور إلى الأنسجة الموجودة فوق سطح الأرض ، ويعتبر نقل PFAAs من الجذور إلى الأنسجة الصالحة للأكل بمثابة نقل لمسافات طويلة12,13. اكتشفت الدراسات السابقة ثنائي الفينول أ ونونيل فينول والإستروجين الطبيعي في الخضار والفواكه14 ، مما يعني أن هذه المواد الكيميائية قد تهاجر عبر اللحاء. ومن ثم ، فإن الكشف عن نقل PFAAs في النباتات أمر مهم لتقييم مخاطرها المحتملة. ومع ذلك ، يتأثر تراكم ونقل PFAAs بتوافرها البيولوجي في التربة ، لذلك ليس من السهل تقييم قدرة PFAAs المستهدفة في النباتات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التجارب المائية محدودة بشكل عام بعدة عوامل ، مما يجعل من الصعب الحصول على الأنسجة الصالحة للأكل للنباتات. عادة ، تم جمع اللحاء مباشرة من النباتات لمراقبة انتقال المركبات العضوية عبر مسافات طويلة في النباتات ، في حين أنه من الصعب الحصول على اللحاء من شتلات النباتات15. ومن ثم ، تم تقديم طريقة بسيطة وفعالة ، وهي تقنية الجذر المقسم ، لدراسة نقل PFAAs في النباتات أثناء التعرض قصير الأجل نسبيا. أما بالنسبة للتحقيق في تقسيم الجذر ، يتم فصل الجذور في شتلة نباتية واحدة إلى قسمين ؛ يتم وضع جزء واحد في محلول المغذيات الذي يحتوي على PFAAs المستهدفة (الأنبوب A) ، ويتم وضع الآخر في محلول المغذيات في حالة عدم وجود PFAAs (الأنبوب B). بعد التعرض لعدة أيام ، يتم قياس PFAAs في الأنبوب B بواسطة LC-MS / MS. يكشف تركيز PFAAs في الأنبوب B عن إمكانية نقل PFAAs عبر اللحاء داخل النباتات16،17،18.

تم الإبلاغ عن تجربة الجذر المنقسم لدراسة النقل لمسافات طويلة للعديد من المركبات في النباتات ، مثل الجسيمات النانوية CuO17 ، والإستروجين الستيرويد 18 ، واسترات الفوسفاتالعضوي 16. قدمت هذه الدراسات دليلا على أن هذه المركبات يمكن أن تنتقل عبر اللحاء إلى الأجزاء الصالحة للأكل من النباتات. ومع ذلك ، ما إذا كانت PFAAs يمكن أن تساعد في النقل في النباتات وتأثير الخصائص المركبة تحتاج إلى مزيد من الاستكشاف. بناء على هذه التقارير ، أجريت تجربة الجذر المقسم في هذه الدراسة للكشف عن النقل لمسافات طويلة ل PFAAs في القمح.

Protocol

تم شراء بذور القمح ، Triticum aestivum L. ، (انظر جدول المواد) واستخدامها في هذه الدراسة.

1. إنبات شتلات القمح والثقافة المائية

  1. اختر بذور القمح ذات الحجم المماثل وقم بتطهيرها لمدة 15 دقيقة باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين بنسبة 8٪ (وزن / وزن).
  2. اشطف البذور المطهرة بالماء منزوع الأيونات جيدا ، ثم ضعها على ورق ترشيح رطب في الظلام في درجة حرارة الغرفة لتنبت لمدة 5 أيام.
  3. اختر ما يقرب من تسع شتلات نبتة ذات حجم موحد وانقلها إلى أكواب بلاستيكية تحتوي على 250 مل من محلول المغذيات (1/4 قوة محلول Hoagland ؛ يظهر تركيبها الكيميائي في الجدول 1).
    ملاحظة: من بين البذور التسعة، اختيرت ثلاث بذور لكل منها فارغة، وحمض بيرفلورو أوكتانويك، والسلفونات المشبع بالفلور أوكتين، على التوالي.
  4. قم بزراعة الشتلات في غرف النمو لمدة 7 أيام قبل التعرض بدورة 14 ساعة عند 22 درجة مئوية و 10 ساعات عند 27 درجة مئوية.

2. تجربة تقسيم الجذر

  1. نفذ زراعة الشتلات في أنبوبي طرد مركزي سعة 50 مل (A و B).
    ملاحظة: في أنبوب الطرد المركزي A ، كان محلول Hoagland المعقم 50 مل من محلول Hoagland المعقم موجودا ، وكانت نفس الكمية من محلول المغذيات موجودة في أنبوب الطرد المركزي B.
    1. إذابة السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين التجارية (انظر جدول المواد) في الميثانول وتخفيفها بمحلول المغذيات المعقم كمحلول مخزون. ثم يضاف محلول المخزون إلى الأنبوب باء بتركيز PFOA/PFOS مقداره 100 ميكروغرام/لتر.
    2. قم بإجراء العلاجات في ثلاث نسخ مع عنصر تحكم فارغ لمراقبة تلوث الخلفية. يوضح الشكل 1 مخططا تخطيطيا لتجارب التعرض لجذر الانقسام.
  2. افصل الجذور الكاملة لشتلة القمح باستخدام ملاقط إلى جزأين متساويين بحيث تظل الجذور مرتبطة بنفس اللقطة وأدخلها بعناية في الأنابيب A و B ، على التوالي.
  3. أغلق الأنبوبين بورق الألمنيوم واستزرعهما في حاضنة لمدة 7 أيام. الحفاظ على نفس ظروف الحضانة كما هو مذكور في الخطوة 1.4.
  4. اجمع شتلات القمح بعد 7 أيام من الاستزراع وافصل القمح إلى ثلاثة أجزاء: البراعم والجذور المستزرعة في المحلول المسنن من PFAAs والمحلول غير المسنن ، على التوالي ، باستخدام مقص معقم.
  5. قم بتجميد وتجفيف عينات النبات في مجفف بالتجميد عند -55 درجة مئوية لمدة 48 ساعة.
  6. تجانس ووزن الجذر وإطلاق النار على العينات. اجمع عينات المحلول المسننة وغير المسننة.

3. استخراج حمض بيرفلورو أوكتين والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين من الأنسجة النباتية

  1. أضف 2 مل من محلول كربونات الصوديوم (0.25 مول / لتر) ، و 1 مل من كبريتات هيدروجين رباعي بوتيلامونيوم (0.5 مول / لتر) ، و 5 مل من ميثيل ثالثي بوتيل إيثر (انظر جدول المواد) إلى أنبوب بولي بروبيلين سعة 15 مل ، بما في ذلك الجذر أو اللقطة المتجانسة.
  2. هز الأنبوب عند 250 دورة في الدقيقة لمدة 20 دقيقة وأجهزة الطرد المركزي عند 2000 × جم لمدة 10 دقائق في درجة حرارة الغرفة للحصول على المرحلة العضوية الطافية. نفذ عملية الاستخراج مرتين.
  3. امزج المستخلصات المجمعة ، وتبخر حتى تجف في تيار نيتروجين لطيف (N2) ، ثم أعد تكوينها باستخدام 5 مل من الميثانول ودوامة لها ، مع الحفاظ على نفس السرعة لمدة 30 ثانية تقريبا.
  4. قم بتكييف خرطوشة pesticarb (انظر جدول المواد) ب 5 مل من 0.1٪ NH4OH في الميثانول و 5 مل من الماء و 5 مل من الميثانول.
  5. أضف 5 مل من محلول استخراج الميثانول من خلال خرطوشة pesticarb (500 مجم / 6 مل) لإزالة الصباغ ، وقم بإخراج الخرطوشة ب 5 مل من الميثانول ، وقم بتجميعها في نفس الأنابيب.
  6. قم بتبخير 10 مل من محلول الميثانول المجمعة إلى الجفاف تقريبا وإعادة تكوينها باستخدام 200 ميكرولتر من الميثانول ، تليها الدوامة والطرد المركزي عند 10000 × جم لمدة 20 دقيقة في درجة حرارة الغرفة.

4. إعداد عينة من محلول المغذيات

  1. قم بتكييف 5 مل من الميثانول و 5 مل من الماء لتنشيط خرطوشة استخراج البوليمر القطبي المعزز (PEP) (60 مجم / جم ، 3 مل) (انظر جدول المواد).
  2. أضف 1 مل من المحلول المسنن أو 50 مل من عينات المحلول غير المسنن (الخطوة 2.6) من خلال الخرطوشة، على التوالي.
  3. قم بتخفيف PFAAs المستهدفة ب 10 مل من الميثانول ، وقم بتبخير المستخلص باستخدام N2 اللطيف ، ثم أعد تكوينه باستخدام 200 ميكرولتر من الميثانول للتحليل.

5. التحليل الآلي

  1. استخدم كروماتوغرافيا سائلة فائقة الأداء UPLC مقترنة بمطياف الكتلة الترادفي (LC-MS / MS) لتحديد كمية PFAAs المستهدفة في وضع التفاعل المتعدد (MRM) والتأين الكهربائي السلبي (ESI-) (انظر جدول المواد).
  2. حقن 10 ميكرولتر من العينات وفصل PFAAs المستهدفة باستخدام عمود كروماتوغرافي سائل C18 (1.7 ميكرومتر ، 2.1 مم × 50 مم ، انظر جدول المواد) ، واستخدم 2 مللي متر أسيتات الأمونيوم في الماء (المرحلة أ) والميثانول (المرحلة ب) كمرحلة متنقلة ل UPLC ، بمعدل تدفق 0.3 مل / دقيقة. الحفاظ على درجة حرارة العمود عند 50 درجة مئوية.
    ملاحظة: التحولات الأيونية ل PFOA و PFOS هي 413 إلى 369 و 499 إلى 80 ، على التوالي. يتم سرد برنامج شطف التدرج والمعلمات الآلية LC-MS / MS للقياس الكمي ل PFAAs المستهدفة في الجدول 2.
  3. معالجة البيانات باستخدام برنامج تحليل البيانات (انظر جدول المواد).

النتائج

بحثت تجربة الجذر المقسم في النقل لمسافات طويلة ل PFAAs في القمح. وكما هو مبين في الشكل 2A، C، يمكن أن يمتص جذر القمح كلا من PFOA والسلفونات المشبعة بالفلور أوكتين ونقلها إلى الساق. ولم تكتشف سلفونات الأوكتين المشبعة بالفلور وحمض الأوكتين المشبعة بالفلور في جذر القمح وال...

Discussion

لضمان دقة هذه الطريقة ، يجب إجراء عملية دقيقة للتأكد من أن المحلول المسنن في الأنبوب B لا يلوث المحلول غير المسنن في الأنبوب A. كان التركيز المعطى ل PFAAs المستهدفة في الدراسة الحالية أعلى نسبيا من تركيزها في البيئة الحقيقية ، مما يضمن مراقبة PFAAs المستهدفة في القمح والمحلول غير المسنن باستخدا?...

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

نعترف بامتنان بالدعم المالي المقدم من مؤسسة العلوم الطبيعية في الصين (NSFC 21737003) ، والصندوق العلمي للجامعات الصينية (رقم 2452021103) ، ومؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية (رقم 2021M692651 ، 2021M702680).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
ACQUITY UPLC BEH C18 columnWaters, Milford, MALiquid chromatographic column
Cleanert PEP cartridgeBonna- Angel Technologies, ChinaSolid phase extraction column
Clearnert Pesticarb cartridgeBonna- Angel Technologies, ChinaSolid phase extraction column
LC-MS/MS(Waters Acquity UPLC i-Class Coupled to Xevo TQ-S)Waters, Milford, MALiquid chromatography and mass spectrometry
Lyophilizer Boyikang Instrument Ltd., Beijing, ChinaFD-1A50Freeze-dried sample
MasslynxWaters, Milford, MAdata analysis software
Methyl tert-butyl etherSigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US)use for extracting target compounds from plant tissues
MPFAC-MXAWellington Laboratories (Ontario, Canada)PFACMXA0518the internal standards
PFAC-MXBWellington Laboratories (Ontario, Canada)PFACMXB0219mixture of PFAA calibration standards
PFOASigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US)335-67-1a represent PFAAs
PFOSSigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US)2795-39-3a represent PFAAs
Sodium carbonate bufferSigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US)use for extracting target compounds from plant tissues
Tetrabutylammonium hydrogen sulfateSigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, US)use for extracting target compounds from plant tissues
Wheat seedsChinese Academy of Agricultural Sciences (Beijing,China) Triticum aestivum L.

References

  1. Lindstrom, A. B., Strynar, M. J., Libelo, E. L. Polyfluorinated compounds: Past, present, and future. Environmental Science & Technology. 45 (19), 7954-7961 (2011).
  2. Kannan, K. Perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances: Current and future perspectives. Environmental Chemistry. 8 (4), 333-338 (2011).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Wang, W., Rhodes, G., Ge, J., Yu, X., Li, H. Uptake and accumulation of per- and polyfluoroalkyl substances in plants. Chemosphere. 261, 127584 (2020).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Chen, X., et al. Uptake, accumulation, and translocation mechanisms of steroid estrogens in plants. Science of the Total Environment. 753, 141979 (2021).
  17. 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).
  18. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

187

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved