Accumulation and phytotoxicity of perfluoroethylcyclohexane sulfonate (PFECHS) and perfluorooctane sulfonate (PFOS) in Arabidopsis thaliana

Abstract

Per- og polyfluorerte alkylstoffer (PFAS-er) finnes overalt i miljøet på grunn av deres høye persistens og bioakkumuleringspotensial. Nylig litteratur har vist at PFAS-er kan tas opp i plantevev med ulike konsekvenser for planteindividet, både på et fysiologisk og molekylært nivå. Det er imidlertid fortsatt få studier som har undersøkt effektene av nye PFAS-er, som perfluoretylcykloheksan-sulfonat (PFECHS). Målet med denne studien var å undersøke opptaket av PFECHS og perfluoroktan-sulfonat (PFOS) i skuddene til Arabidopsis thaliana og å bestemme mulige effekter på spiring og skuddvekst, samt på induksjon av celledød. I to replika eksperimenter ble frø av Arabidopsis sådd på faste ½ Murashige og Skoog (MS)-medier tilsatt 0,1 mg/L eller 10 mg/L PFOS eller PFECHS i sju replikanter. ½ MS-medier uten PFOS eller PFECHS fungerte som kontroll. Antall spiredyktige frø ble kvantifisert, og frisk- og tørrvekten av skuddene per plate ble bestemt etter 21 dager. Konsentrasjonen av PFOS og PFECHS i skuddene ble kvantifisert ved hjelp av massespektrometri. I ytterligere eksperimenter ble induksjon av celledød ved ekstern påføring av PFOS eller PFECHS (10 mg/L PFOS, 10 mg/L PFECHS eller 100 mg/L PFECHS) evaluert i blader ved hjelp av rødlysavbildning og trypanblå farging. PFOS og PFECHS ble tatt opp i skuddene i konsentrasjoner på henholdsvis 165 ± 1,22 og 18,9 ± 0,43 mg/kg tørrvekt. Eksponering for 0,1 mg/L PFECHS økte skuddbiomasse-produksjonen signifikant i ett forsøk, og den gjennomsnittlige tørrvekten av skudd per individ gikk signifikant ned i 10 mg/L PFOS-behandlingen i ett forsøk. Spiringsprosent, gjennomsnittlig spiringstid og synkronisering av spiring ble ikke endret under PFOS- eller PFECHS-eksponering. I tillegg var det ingen induksjon av celledød som følge av PFOS eller PFECHS under de eksperimentelle forholdene. Denne studien bekrefter akkumuleringspotensialet til PFECHS i planter. Opptak eller translokasjon kan forekomme i mindre grad for PFECHS enn for PFOS. De vekstfremmende effektene av PFECHS ved lave konsentrasjoner var imidlertid større sammenlignet med PFOS, og kan potensielt stamme fra effekter på membranpermeabilitet og økt næringsopptak. På den andre siden kan de negative effektene av PFOS på skuddbiomasseproduksjonen være større enn for PFECHS under høye eksponeringskonsentrasjoner. PFOS og PFECHS hadde et lavt potensial for å påvirke spiring eller induksjon av celledød under de undersøkte forholdene. Ettersom PFAS-effekter kan variere mellom arter, forbindelser og eksperimentelle forhold, er det behov for ytterligere studier for å evaluere mulige effekter av PFAS på planter for å forhindre negative effekter på biologisk mangfold og menneskers helse.

Per and polyfluoroalkyl substances (PFASs) are ubiquitously found in the environment due to their high persistency and bioaccumulation potential. Recent literature has shown that PFASs can be taken up into plant tissues with diverse consequences for the plant individual, both on a physiological and molecular level. However, studies investigating the effects of emerging PFASs, such as perfluoroethylcyclohexane sulfonate (PFECHS), are still rare. This study aimed to investigate the uptake of PFECHS and perfluorooctane sulfonate (PFOS) into the shoots of Arabidopsis thaliana and to determine possible effects on germination and shoot growth, as well as on cell death induction. In two replicate experiments, seeds of Arabidopsis were sown on solid ½ Murashige and Skoog (MS) media spiked with 0.1 mg/L or 10 mg/L PFOS or PFECHS, each in seven replicates. ½ MS media without PFOS or PFECHS served as a control. The number of germinated seeds was quantified, and the fresh and dry weight of the shoots per plate was determined after 21 days. PFOS and PFECHS shoot concentrations were quantified by mass spectrometry. In further experiments, cell death induction by externally applied PFOS or PFECHS (10 mg/L PFOS, 10 mg/L PFECHS or 100 mg/L PFECHS) was evaluated in leaves using red light imaging and trypan blue staining. PFOS and PFECHS were taken up into the shoots to concentrations of 165 ± 1.22 and 18.9 ± 0.43 mg/kg dry weight, respectively. Exposure to 0.1 mg/L PFECHS significantly increased shoot biomass production in one experiment and the average shoot dry weight per individual decreased significantly in the 10 mg/L PFOS treatment in the same experiment. Germination percentage, mean germination time and synchrony of germination were not affected under PFOS or PFECHS exposure. In addition, there was no cell death induction by PFOS or PFECHS visible under the experimental conditions. The current study confirms the accumulation potential of PFECHS in plants. Uptake or translocation might occur in lower quantities for PFECHS than for PFOS. However, growth promoting effects of PFECHS at low concentrations were larger compared to PFOS and might potentially originate from effects on membrane permeability and enhanced nutrient uptake. On the other hand, negative effects on shoot biomass production by PFOS might be larger than for PFECHS under high exposure concentrations. A low potential of PFOS and PFECHS to affect germination or cell death induction was indicated under the studied conditions. As PFASs effects might differ between species, compounds and experimental conditions, further studies are needed to evaluate possible impacts of PFASs on plants in order to prevent negative effects on biodiversity and human health.