Root uptake and metabolization of Alternaria toxins by winter wheat plants using a hydroponic system

Fungi of the genus Alternaria are ubiquitous in the environment. Their mycotoxins can leach out of contaminated plants or crop debris into the soil entering the plant via the roots. We aim to evaluate the importance of this entry pathway and its contribution to the overall content of Alternaria toxins (ATs) in wheat plants to better understand the soil–plant-phytopathogen system. A hydroponic cultivation system was established and wheat plants were cultivated for up to two weeks under optimal climate conditions. One half of the plants was treated with a nutrient solution spiked with alternariol (AOH), alternariol monomethyl ether (AME), and tenuazonic acid (TeA), whereas the other half of the plants was cultivated without mycotoxins. Plants were harvested after 1 and 2 weeks and analyzed using a QuEChERS-based extraction and an in-house validated LC–MS/MS method for quantification of the ATs in roots, crowns, and leaves separately. ATs were taken up by the roots and transported throughout the plant up to the leaves after 1 as well as 2 weeks of cultivation with the roots showing the highest ATs levels followed by the crowns and the leaves. In addition, numerous AOH and AME conjugates like glucosides, malonyl glucosides, sulfates, and di/trihexosides were detected in different plant compartments and identified by high-resolution mass spectrometry. This is the first study demonstrating the uptake of ATs in vivo using a hydroponic system and whole wheat plants examining both the distribution of ATs within the plant compartments and the modification of ATs by the wheat plants

On the behaviour of selected triazole fungicides in the environment and under technical conditions

In order to ensure acceptable crop yield the use of plant protection products is inevitable. Triazole fungicides are a class of pesticides often used against a variety of fungal diseases in plants. During application an involuntary introduction into soil and surface water is possible, as well as a subsequent leaching into groundwater. In these environmental compartments the fungicides are subject to transformation reactions, metabolisation by (micro-)organisms and can also undergo widespread transport through adsorption onto particles. Since ground and surface waters are also used for drinking water production the pesticides may enter drinking water facilities where they can undergo technical transformations. These processes may result in the formation of transformation products (TP) which are often more polar than the parent compound and may exhibit differing toxicological properties. This highlights the necessity for the identification of relevant TP. During this study potential oxidative TP of the triazole fungicides propiconazole and difenoconazole in soil and water were identified using model reactions with Fenton’s reagent and electrochemical conversion. For analysis of the TP gaschromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS) as well as liquid chromatography coupled to either tandem mass spectrometry (LC/MS/MS) or high resolution mass spectrometry (LC/HRMS) were applied. TP were identified by comparison of mass spectra and retention times with those of authentic standards, if available. Both propiconazole and difenoconazole were transformed into their corresponding ketone. Additionally, monoand dihydroxylated species as well as cleavage products were postulated. Follow-up experiments investigated the behaviour of the triazole fungicides under technical conditions found in water treatment plants. Neither chlorination nor ozonation resulted in a significant reduction of analyte concentration. However, irradiation with energy-rich UV-light lead to fast transformation of the substances. Some TP which also occured in the aforementioned model reactions could be detected during this process. These results were compared to the behaviour of the analytes when irradiated with simulated global irradiation with or without the addition of humic substances. The latter were characterised physico-chemically and either used as purchased or isolated from soil and suspended particulate matter. A strong relation between the humic substance content and the conversion rate could be demonstrated. This holds for irradiated soils as well. Furthermore, the triazole fungicides were incubated with iron-/manganese-oxidising bacteria. Yet, no change in analyte concentration after a sampling period of four weeks was evident. Finally, the affinity of difenoconazole towards microplastics was investigated which resulted in a ready sorption of the analyte to all employed materials. Hence, a long-range transport of difenoconazole on the base of this mechanism might be possible.Der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln (PSM) ist notwendig, um mit einfachen Mitteln ertragreiche Ernten sicherzustellen. Zum Schutz der Feldfrüchte vor Pilzerkrankungen werden sehr häufig Triazolfungizide eingesetzt. Während deren Anwendung ist es möglich, dass diese unbeabsichtigt in Oberflächengewässer und Böden sowie durch Auswaschungsprozesse ins Grundwasser gelangen. In der Umwelt unterliegen die Substanzen Veränderungen ihrer molekularen Struktur durch Transformations- und Metabolisierungsreaktionen und können auch z. B. durch Adsorption an Partikel über große Strecken transportiert werden. Sowohl Grundwasserressourcen als auch Oberflächenwasser werden zur Produktion von Trinkwasser verwendet, sodass die Pestizide dann ebenso in Wasseraufbereitungsanlagen eingebracht werden. Dort können sie u.U. bei technischen Prozessen chemisch umgesetzt werden. Dabei entstehende Transformationsprodukte (TP) sind oft polarer als die Ausgangssubstanz und können auch eine veränderte Toxizität aufweisen. Dies macht die Identifizierung relevanter TP notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst potentielle Reaktionsprodukte der Triazolfungizide Propiconazol und Difenoconazol unter oxidativen Bedingungen erzeugt. Hierzu wurden die Modellanalyten mit Fentonreagenzien umgesetzt und elektrochemisch behandelt. Die dabei entstehenden Reaktionsprodukte wurden mit Gaschromatografie-Massenspektrometrie (GC/MS), Flüssigchromatografie-Tandemmassenspektrometrie (LC/MS/MS) und Flüssigkeitschromatografie gekoppelt mit hochauflösender Massenspektrometrie (LC/HRMS) analysiert und nach Möglichkeit im Abgleich mit authentischen Standards charakterisiert. Sowohl für Propiconazol als auch für Difenoconazol konnte dabei das jeweils korrespondierende Keton identifiziert werden. Weiterhin wurden ein- und zweifach am aromatischen und aliphatischen System hydroxilierte Produkte sowie Spaltprodukte postuliert. In nachfolgenden Experimenten unter modellhaften Bedingungen der Wasseraufbereitung wurde die Transformation der Analyten unter Einfluss von Chlorreagenzien, Ozon und energiereicher UV-Strahlung untersucht. Einzig bei der Behandlung der Analyten mit UV-Strahlung wurde ein Umsatz der Triazolfungizide festgestellt und einige TP aus den Vorversuchen konnten dabei ebenfalls detektiert werden. Das Verhalten der PSM wurde zusätzlich mit dem unter Einfluss von Globalstrahlung und zugesetzten, käuflich erworbenen und selbst isolierten Huminstoffen in Beziehung gesetzt. Die Huminstoffe wurden physiko-chemisch charakterisiert. Es zeigte sich eine starke Abhängigkeit der Umsatzrate von der Art der zugegebenen Huminstoffe. Gleiches gilt für die Bestrahlung von mit den Analyten dotierten Böden. In weiteren Versuchen wurden die Triazolfungizide mit eisen- und manganoxidierender Bakterien (FeOB) inkubiert, wobei jedoch keine Abnahme der Konzentration in einem Zeitraum von vier Wochen beobachtet werden konnte. Schließlich wurde die Fähigkeit von Difenoconazol zur Sorption an Mikroplastik (MP) untersucht. Dieser Analyt sorbierte sehr schnell an alle eingesetzten MP. Daraus lässt sich ggf. ein Potential für den Transport dieser Substanz über weite Strecken ableiten