Peptidbindungen beeinflussen die Bildung von Haloacetamiden, einer neuen Klasse von N

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 14412 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Haloacetamide (HAcAms), eine neue Klasse von gesundheitsgefährdenden stickstoffhaltigen Desinfektionsnebenprodukten (N-DBPs), wurden häufig in Trinkwasser identifiziert. Es ist seit langem bekannt, dass freie Aminosäuren (AAs), die einen kleinen Teil des Pools an gelöstem organischem Stickstoff (DON) ausmachen, während der Chlorierung Dichloracetamid (DCAcAm) bilden können. Die Informationen über die Auswirkungen kombinierter AAs, die zum größten nachweisbaren DON-Anteil in natürlichen Gewässern beitragen, sind jedoch begrenzt. In dieser Studie haben wir die Bildung von HAcAms aus freien AAs (Tyrosin [Tyr] und Alanin [Ala]) und kombinierten AAs (Tyr-Ala, Ala-Tyr, Tyr-Tyr-Tyr, Ala-Ala-Ala) verglichen und festgestellt dass die HAcAm-Bildung aus der Chlorierung von AAs in kombinierten Formen (Oligopeptiden) ein signifikant anderes Muster aufwies als die HAcAm-Bildung aus freien AAs. Aufgrund des Vorhandenseins von Peptidbindungen in Tripeptiden produzierten Tyr-Tyr-Tyr und Ala-Ala-Ala Trichloracetamid (TCAcAm), in dem freie AAs während der Chlorierung kein TCAcAm bilden konnten. Darüber hinaus bildete die Peptidbindung in Tripeptiden in Gegenwart von Bromid mehr Tri-HAcAms als Di-HAcAms. Daher kann die Peptidbindung ein wichtiger Indikator für die Vorhersage der Bildung spezifischer N-DBPs bei der Chlorierung sein. Die zunehmende Nutzung von algen- und abwasserbelastetem Wasser als Trinkwasserquellen wird die gesundheitlichen Bedenken hinsichtlich der Exposition gegenüber HAcAms im Trinkwasser verstärken.

Aufgrund des schnellen Bevölkerungswachstums und des steigenden Wasserbedarfs sind Trinkwasserquellen mit der Gefahr unzureichend gereinigter Abwässer oder Algenblüten konfrontiert. Diese Verschmutzungsquellen zeichnen sich durch einen höheren Gehalt an gelöstem organischem Stickstoff (DON) aus, der möglicherweise mit bestimmten Desinfektionsmitteln (z. B. Chlor) reagieren und in Trinkwasseraufbereitungsanlagen (DWTPs) unerwünschte stickstoffhaltige Desinfektionsnebenprodukte (N-DBPs) bilden kann1. 2,3. In jüngster Zeit hat das Interesse an der Bildung von N-DBPs zugenommen, da toxikologische Studien gezeigt haben, dass N-DBPs typischerweise genotoxischer, zytotoxischer oder krebserregender sind als die meisten kohlenstoffhaltigen Desinfektionsnebenprodukte (C-DBPs), die seit langem im Mittelpunkt stehen frühere Studien1,4,5. Haloacetamide (HAcAms), eine neue Klasse von halogenierten N-DBPs, sind besonders besorgniserregend, da berichtet wurde, dass sie in Tests an Säugetierzellen sehr zytotoxisch und genotoxisch sind (z. B. über 100-mal zytotoxischer und 10-mal genotoxischer als HAAs)6 und wurden häufig im Trinkwasser nachgewiesen2,7,8.

Die Bildung von N-DBPs aus Aminosäuren (AAs) bei der Chlorierung ist von Interesse, da AAs einen erheblichen Anteil an DON in natürlichen Gewässern ausmachen. In früheren Studien wurden meist freie AAs als Modellverbindungen zur Untersuchung des DBP-Bildungsmechanismus ausgewählt1,9. Allerdings machen freie AAs nur einen unbedeutenden Anteil (<6 %) des DON-Pools aus; Im Gegensatz dazu tragen kombinierte AAs zum größten identifizierbaren Anteil bei, insbesondere in Wasser, das von Algen und Abwasser betroffen ist10,11,12. Daher ist es wichtig, die Bildung von N-DBPs aus kombinierten AAs zu untersuchen. Kombinierte Aminosäuren (z. B. Oligopeptide und Proteine) sind in Oberflächengewässern allgegenwärtig und entstehen typischerweise durch virale Lyse oder Autolyse von Bakterien, mikrobielle Sekretion extrazellulärer Enzyme, atmosphärische Ablagerungen oder anthropogene Einträge als Schadstoffe11,13,14.

Es wurde erkannt, dass ein Teil der freien AAs als HAcAm-Vorläufer dienen kann1,15,16. Beispielsweise könnte freies Tyrosin (Tyr) mit Chlor reagieren und Dichloracetamid (DCAcAm) und Trichloracetamid (TCAcAm) bilden17. Allerdings kann Alanin (Ala) kein HAcAm bilden, sondern könnte als Chloroform-Vorläufer dienen15,18. Leider war noch unklar, ob sich die Bildung von HAcAms aus der Chlorierung von Oligopeptiden und freien AAs aufgrund des Vorhandenseins von Peptidbindungen in den Oligopeptiden signifikant anders verhält. Ziel dieser Studie war es, die Bildung von HAcAms zwischen der Chlorierung von freien AAs und kombinierten AAs (Oligopeptiden) mit niedriger Molekularmasse zu vergleichen und so die Auswirkungen von Peptidbindungen auf die HAcAm-Bildung zu bewerten. Als Vorläuferverbindungen wurden zwei freie AAs, Tyr (HAcAm-Vorläufer) und Ala (Nicht-HAcAm-Vorläufer) und vier Oligopeptide, Tyr-Ala, Ala-Tyr, Tyr-Tyr-Tyr und Ala-Ala-Ala (Abb. 1), ausgewählt in dieser Studie, weil sie ähnliche Molekülstrukturen aufweisen, mit Ausnahme der Anwesenheit oder Abwesenheit von Peptidbindungen bei der HAcAm-Bildung.

Chemische Strukturen ausgewählter freier und kombinierter AAs in der Studie.

Die Standards Chloracetamid (CAcAm) (98,5 %), DCAcAm (98,5 %) und TCAcAm (99 %) wurden von Alfa Aesar (Karlsruhe, Deutschland) bezogen. Die Standards Bromchlor- (BCAcAm), Dibrom- (DBAcAm), Bromdichlor- (BDCAcAm), Dibromchlor- (DBCAcAm) und Tribromacetamid (TBAcAm) wurden alle von Orchid Cellmark (New Westminster, BC, Kanada) bezogen. Bromacetamid (BAcAm), zwei Haloacetonitrile (HANs) (Dichloracetonitril [DCAN] und Trichloracetonitril [TCAN]) und die Modellverbindungen (Tyr [≥99 %], Ala [≥99 %], Tyr-Ala [>98 %], Ala -Tyr [>98 %], Ala-Ala [>98 %], Tyr-Tyr-Tyr [>98 %] und Ala-Ala-Ala [>98 %]) wurden von Sigma–Aldrich (Oakville, ON, Kanada). Eine Natriumhypochloritlösung (Reagenzqualität [>98 %], aktives Chlor >5 %, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) wurde zur Herstellung von Stammlösungen mit freiem Chlor verwendet. Das Reinstwasser wurde mit einem Millipore Milli-Q Gradient-Wasseraufbereitungssystem (Billerica, MA, USA) hergestellt. Alle anderen chemischen Reagenzien hatten mindestens Analysequalität und wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd (Shanghai, China) bezogen, sofern nicht anders angegeben.

Chlorierungstests wurden in 40-ml-Braunglasampullenflaschen bei kontrollierter Raumtemperatur (23,0 ± 0,2 °C) und unter kopfraum- und lichtfreien Bedingungen durchgeführt. In einem typischen Lauf wurde jeder Modellvorläuferlösung eine entsprechende Dosis Chlor (0,05 mM) zugesetzt, um zu Beginn das gleiche Molverhältnis von Chlor (Cl2) zum Modellvorläufer-Stickstoffatom (Cl2/N im Modellvorläufer = 20) zu erreichen der Chlorierungsreaktion. Der pH-Wert der Lösung wurde in Pufferlösung (10 mM) aufrechterhalten, die aus Phosphat- und Carbonatsalzen hergestellt wurde. Bei Bedarf wurden NaOH und HCl verwendet, um den pH-Wert auf einen gewünschten Wert einzustellen. Um die Speziation von HAcAms zu untersuchen, wurde jeder Modellvorläuferlösung eine entsprechende Dosis Bromid (Kaliumbromid) zugesetzt (0,05 mM), um das gleiche Molverhältnis von Bromid zum Stickstoffatom des Modellvorläufers (Bromid/N im Modellvorläufer = 2) zu erreichen ) zu Beginn der Chlorierungsreaktion. Das Cl2/N-Verhältnis im Modellvorläufer von 20 und das Bromid/N-Verhältnis im Modellvorläufer von 2 wurden ausgewählt, um realistischere Prozessbedingungen anzuwenden7,10,11,12,13,19,20. Um die Chlorierungsreaktion zu bestimmten Zeiten abzuschrecken, wurde der Desinfektionsmittelrückstand mit einer stöchiometrischen Menge Ascorbinsäure abgeschreckt. Die abgeschreckte Lösung wurde so bald wie möglich nach der Entnahme analysiert. Detaillierte Informationen zum experimentellen Ablauf finden Sie an anderer Stelle15.

Bei der Analyse von 9 HAcAms wird eine simultane Bestimmungsmethode für HAcAms verwendet, die Festphasenextraktion (SPE)-Anreicherung, Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)-Trennung und Triple-Quadrupol-MS (tqMS) mit chemischer Ionisierung bei Atmosphärendruck (APCI) kombiniert Es wurde eine selektive Reaktionsüberwachung (SRM) im positiven Modus entwickelt.

Die SPE-Leistung neutraler (HLB), kationenaustauschender (MCX, WCX) und anionenaustauschender (MAX, WAX) OASIS-Polymere von Waters (Milford, MA, USA) wurde kürzlich untersucht8. Der neutrale gelöste Stoff HLB hatte die höchste SPE-Leistung (höchste Wiederfindung) für die neun HAcAms und wurde als SPE-Sorptionsmittel für diese Methode ausgewählt.

Nach der SPE-Anreicherung wurde eine HPLC (e2695) von Waters (Milford, MA) unter Verwendung einer gepackten Hypersil GOLD C18-Säule (100 × 2,1 mm Innendurchmesser, 5 μm) mit einer Hypersil GOLD-Vorsäule (10 × 2,1 mm Innendurchmesser, 5 μm) durchgeführt ( Thermo Scientific; Waltham, MA) wurde zur Trennung verwendet. Die 9 HAcAms wurden durch LC in 9,0 Minuten getrennt.

Nach der HPLC-Trennung wurde ein tqMS (TSQ Quantum Access MAX) von Thermo Scientific (Waltham, MA) verwendet, um die 9 HAcAms durch positives APCI in Kombination mit dem SRM-Modus nachzuweisen. Die optimalen Betriebsparameter waren wie folgt: Entladestrom bei 4,0 μA, Verdampfertemperatur bei 350 °C, Hüllgasdruck bei 40 psi, Kapillartemperatur bei 250 °C und Kollisionsdruck bei 1,5 m Torr. Übergangsionen, Kollisionsenergie und Tubuslinsenversatz wurden für einzelne Analyten optimiert, wie in Tabelle S1 mit Zusatzinformationen (SI) gezeigt. Die Intraday- und Interday-Instrumentenpräzision wurde anhand der relativen Standardabweichungen (RSDs) bei drei Konzentrationsniveaus (0,1, 1, 10 μg/L) für jedes HAcAm innerhalb der linearen Bereiche berechnet. Die Intraday- und Interday-RSDs (n = 5) für jedes HAcAm lagen im Allgemeinen unter 10 %. Die Einzelheiten der HAcAm- und anderer N-DBP-Analysen werden an anderer Stelle21 dargestellt und im SI zusammengefasst. Die HAcAm-Ausbeute war das Molverhältnis des gebildeten HAcAm zur Anfangskonzentration ausgewählter freier oder kombinierter AAs (Gleichung 1). Bei einem Cl2/N-Molverhältnis im Modellvorläufer von 20 konnten die AAs in kurzer Zeit (<60 min) vollständig verbraucht werden17,18,22, wodurch die anfängliche molare AA-Konzentration als verbrauchte molare AA-Konzentration angesehen werden kann Konzentration.

Abbildung 2 zeigt die zeit- und pH-abhängige Bildung von DCAcAm und TCAcAm während der Chlorierung von freien AAs und kombinierten AAs bei einem Cl2/N im Modellvorläufer (Molverhältnis) von 20. Wie aus Abb. 2A ersichtlich, wurden die Konzentrationen von DCAcAm gebildet aus freiem Tyr, Tyr+Ala und zwei Dipeptiden (Tyr-Ala und Ala-Tyr) stieg zunächst an und nahm dann mit der Kontaktzeit von 1 bis 72 Stunden ab und erreichte nach 24 Stunden Spitzenwerte von 0,170 %, 0,026 %, 0,024 % und 0,005 % , jeweils. Der Rückgang der HAcAm-Ausbeuten nach 24 Stunden war wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass das restliche Chlor die Zersetzungsrate von HAcAms22 beschleunigte. Das gemischte „Tyr+Ala“ bildete weniger DCAcAm als freies Tyr, was darauf hindeutet, dass die Anwesenheit von Ala (Nicht-HAcAm-Vorläufer)18 in der Wasserlösung die Bildung von DCAcAm aus Tyr (Nicht-HAcAm-Vorläufer)17 bei der Chlorierung unterdrückte, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist zur Differenz des Chlorbedarfs für Ala und Tyr.

Bildung von HAcAms während der Chlorierung der ausgewählten AAs bei unterschiedlichen Kontaktzeiten (DCAcAm [A] und TCAcAm [B]) und pH-Werten (DCAcAm und DCAN [C] und TCAcAm und TCAN [D]).

AAs-Molkonzentration = 0,05 mM, Cl2/N im Modellvorläufer (Molverhältnis) = 20, pH = 7,5, sofern nicht anders angegeben. „Tyr+Ala“ stellt die gemischte Lösung aus reinem Tyr und freiem Ala dar ([Tyr] = [Ala] = 0,05 mM). Die Balken stellen die Standardabweichung der Wiederholungsmessungen dar (n = 3).

Im Gegensatz dazu wurde TCAcAm während der Chlorierung von Tyr, Ala, Tyr-Ala oder Ala-Tyr nicht nachgewiesen (Abb. 2B). Dieses Ergebnis stimmt mit der vorherigen Studie überein, in der festgestellt wurde, dass HAcAm-Vorläufer in natürlichen Gewässern leichter DCAcAm bilden als TCAcAm23. Ala-Ala verhielt sich ähnlich mit freiem Ala, das kein DCAcAm und TCAcAm bilden kann. Wie in Abb. 2C gezeigt, stiegen die DCAcAm-Ausbeuten kontinuierlich mit steigendem pH-Wert von 6,5 auf 8,5 für Tyr-Ala und Ala-Tyr, wohingegen die DCAN-Ausbeuten im Allgemeinen mit zunehmendem pH-Wert sanken. Die Bildungs- und Abbaumuster von DCAcAm können auf die Hydrolyse von DCAN und DCAcAm zurückgeführt werden. DCAN ist bei pH 6,5 relativ stabil, kann jedoch mit zunehmender Alkalität zu DCAcAm hydrolysieren (Gleichung S1)24. Obwohl DCAcAm zu DCAA hydrolysieren kann, war die Hydrolyserate von DCAcAm im Allgemeinen geringer als die Bildungsrate von DCAcAm aus der DCAN-Hydrolyse15,21.

Frühere Studien haben gezeigt, dass freies Tyr DCAcAm durch anfängliche Substitution (Reaktion A in Abb. 3), Decarboxylierung, Eliminierung und weitere Substitutionsreaktionen (Reaktion D in Abb. 3) sowie Hydrolysereaktion (Reaktion F in Abb. 3) bilden kann )17. In dieser Studie ergab freies Tyr in der gemischten „Tyr+Ala“-Lösung DCAcAm in ähnlichen Konzentrationen wie Tyr-Ala, das mehr DCAcAm als Ala-Tyr bildete, wahrscheinlich weil der Schutz der Aminogruppe in Ala-Tyr die Bildung von verhinderte organische Chloramine durch anfängliche Substitution (Reaktion C in Abb. 3) als erster Schritt für die Bildung von N-DBPs25,26.

Vorgeschlagener Bildungsweg von HAcAms aus freiem Tyr, Tyr-Ala und Ala-Tyr.

Abbildung 2 zeigt auch die Bildung von DCAcAm und TCAcAm aus der Chlorierung zweier Tripeptide (Tyr-Tyr-Tyr und Ala-Ala-Ala). Bemerkenswert ist, dass sich Ala-Ala-Ala im Wesentlichen in DCAcAm umwandelte, wohingegen bekannt ist, dass freies Ala und Ala-Ala während der Chlorierung in der Studie kein DCAcAm oberhalb der Nachweisgrenze bilden können, was auch in der vorherigen Studie festgestellt wurde15. Darüber hinaus produzierten Tyr-Tyr-Tyr und Ala-Ala-Ala im Gegensatz zu freien AAs (Tyr und Ala) und Dipeptiden (Ala-Ala, Tyr-Ala und Ala-Tyr) beide TCAcAm. Die Konzentrationen von DCAcAm und TCAcAm aus der Chlorierung von Tyr-Tyr-Tyr und Ala-Ala-Ala stiegen über die gesamte Untersuchungsdauer von 1 auf 72 Stunden (Abb. 2A, B).

Wie in Abb. 2C, D gezeigt, konnte Ala-Ala-Ala bei drei ausgewählten pH-Werten kein DCAN und TCAN oberhalb der Nachweisgrenze bilden, und DCAcAm und TCAcAm nahmen beide mit zunehmendem pH-Wert ab. Dieser Befund zeigte, dass die Bildung von DCAcAm unabhängig von der DCAN-Hydrolyse war, die sich vom vorherigen HAcAm-Bildungsweg unterschied (Abb. 3). Frühere Studien hatten ergeben, dass eine Chlorsubstitutionsreaktion am Stickstoffatom an der Amino-terminalen Funktion stattfinden würde27. Bisher wurde jedoch keine Chlorreaktivität mit dem Stickstoffatom an der Peptidbindung oder dem Carboxyl-terminalen Rest gezeigt28,29,30. Es wurde auch erkannt, dass die Wasserstoffatome der Methylgruppe zwischen zwei Carbonylfunktionsgruppen leicht dissoziieren und die Chlorsubstitution daher schnell erfolgt31,32. Dementsprechend könnte die Methylgruppe zwischen den beiden Carbonylfunktionsgruppen in Ala-Ala-Ala und Tyr-Tyr-Tyr durch Chlor ersetzt werden (Reaktionen G und G' in Abb. 4) und wahrscheinlich eine kleine Menge DCAcAm und TCAcAm bilden Aufbrechen der C-N-Bindung (Bindungen a und b)33,34,35 und weitere Chlorsubstitution und (Reaktionen H und J, H' und J' in Abb. 4). Es ist zu beachten, dass der vorgeschlagene Bildungsweg von HAcAms während der Chlorierung von Oligopeptiden ein spekulativer Nebenreaktionsweg war. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Hypothese zu bestätigen.

Vorgeschlagener Bildungsweg von HAcAms aus freiem Ala-Ala-Ala und Tyr-Tyr-Tyr.

Unter einem typischen für die Wasseraufbereitung relevanten pH-Wert hydrolysiert Cl2 vollständig und die primären aktiven Chlorspezies umfassen HOCl und OCl− (Gleichung S2). Da die Gleichgewichtskonstante (K) für Gleichung (S3) 2,9 × 10−8 bei 25 °C beträgt, sind HOCl und OCl− die dominierenden Spezies bei pH 4,0–8,0 bzw. 8,0–10,032. Da HOCl in Wasser reaktiver als OCl− ist32, erfolgte die Chlorsubstitution bei niedrigeren pH-Werten (pH = 6,5) schneller als bei höheren pH-Werten (pH = 8,5). Folglich führte dies wahrscheinlich zu einer stärkeren Produktion von DCAcAm und TCAcAm aus Ala-Ala-Ala bei pH 6,5 als bei pH 8,5. In ähnlicher Weise wurde durch die Chlorierung von Tyr-Tyr-Tyr bei niedrigerem pH-Wert mehr TCAcAm gebildet. Die DCAcAm-Bildung aus Tyr-Tyr-Tyr zeigte jedoch kein ähnliches Muster wie TCAcAm, wahrscheinlich weil die Bildung von DCAcAm nicht nur auf der Chlorsubstitutionsreaktion neben der Peptidbindung beruhte (Reaktion G' in Abb. 4), sondern auch auf die Hydrolyse von DCAN (Reaktion B' in Abb. 4), die der Bildung von DCAcAm aus Tyr-Ala (Reaktion B in Abb. 3) ähnelt.

Die Bildung bromierter HAcAms ist von besonderem Interesse, da sie toxischer sind als ihre chlorierten Analoga2,6. Um die Wirkung von Peptidbindungen auf die HAcAm-Speziation aus den ausgewählten freien AAs und kombinierten AAs (Oligopeptiden) zu untersuchen, wurde der AA-Wasserlösung Bromid zugesetzt. Wie in Abb. 5A gezeigt, veränderte Bromid die Ausbeuten an gesamten HAcAms aus der Chlorierung von freiem Tyr und Dipeptiden (Tyr-Ala und Ala-Tyr) nicht wesentlich, erhöhte jedoch die Ausbeuten an gesamten HAcAms aus den Tripeptiden (Tyr-Tyr- Tyr und Ala-Ala-Ala). Im Allgemeinen kann Bromid während der Chlorierung HOBr bilden, wie in Gleichung (S4)36,37 gezeigt. Im Vergleich zu HOCl hat HOBr einen geringeren Dissoziationsgrad und eine hohe Oxidationsfähigkeit als HOCl20,32 und daher konnte die Methylgruppe zwischen den beiden Carbonylfunktionen in Ala-Ala-Ala und Tyr-Tyr-Tyr leichter durch HOBr ersetzt werden als durch HOCl ( Reaktionen G und G' in Abb. 4) und bilden wahrscheinlich mehr bromierte HAcAms.

Gesamtausbeuten (A) und NBIF-Werte (B) von HAcAms während der Chlorierung der ausgewählten AAs.

Molare AAs-Konzentration = 0,05 mM, Cl2/N im Modellvorläufer (Molverhältnis) = 20, pH = 7,5, Bromid/N im Modellvorläufer (Molverhältnis) = 2, sofern nicht anders angegeben. Die Balken stellen die Standardabweichung der Wiederholungsmessungen dar (n = 3).

Um die Speziation von HAcAms aus den ausgewählten freien AAs und Oligopeptiden weiter zu untersuchen, wurden Bromeinbaufaktoren (BIF) für HAcAms wie in Studien anderer DBPs38,39 berechnet, wobei der BIF als Index zur Beschreibung des Anteils der HAcAms verwendet wurde das teilweise oder vollständig durch Bromatome substituiert sein kann. Zur Berechnung des BIF (Gleichungen (2) und (3)) wurden die folgenden Formeln angewendet, wobei alle Konzentrationen auf molarer Basis angegeben sind:

Die BIFs für di-HAcAms lagen im Bereich von 0 (alle DCAcAm) bis 2 (alle DBAcAm) und die BIFs für Tri-HAcAms lagen im Bereich von 0 (alle TCAcAm) bis 3 (alle TBAcAm). Ein Tri-HAcAm-BIF von 1,0 bedeutet, dass die durchschnittliche Tri-HAcAm-Art BDCAcAm ist. Um die BIFs besser vergleichen zu können, wurde jeder durch die Anzahl der Halogene normalisiert, wobei der normalisierte BIF (NBIF) für Di-HAcAms sein BIF geteilt durch 2 und der NBIF für Tri-HAcAms sein BIF geteilt durch 3 war (d. h. der Bereich beider NBIFs). von 0 bis 1), wie in Abb. 5B gezeigt. Die NBIF-Werte für alle ausgewählten AAs lagen alle zwischen 0,1 und 0,35, was mit einer aktuellen Studie23 übereinstimmt. Die aktuelle Studie untersuchte die NBIFs von HAcAms, die durch die Chlorierung mehrerer natürlicher Wässer mit einem Bromidgehalt von 50–200 μg/L23 entstehen. Bemerkenswert ist, dass bei der Chlorierung von Tyr-Tyr-Tyr und Ala-Ala-Ala mehr Brom in Tri-HAcAms eingebaut wurde als in Di-HAcAms. Bei chlorierten HAcAms wurden mehr di-HAcAms (0,043 % für Tyr-Tyr-Tyr, 0,015 % für Ala-Ala-Ala) als tri-HAcAms (0,018 % für Tyr-Tyr-Tyr, 0,011 % für Ala-Ala-Ala) gebildet. Ala). Während die Ausbeuten an bromierten Tri-HAcAms (0,029 % für Tyr-Tyr-Tyr, 0,019 % für Ala-Ala-Ala) höher waren als die an bromierten di-HAcAms (0,019 % für Tyr-Tyr-Tyr, 0,007 % für Ala). -Ala-Ala). Insbesondere für Ala-Ala-Ala war der NBIF (tri-HAcAms) deutlich höher als der NBIF (di-HAcAms). Wie bereits erwähnt, bildete Ala-Ala-Ala im Gegensatz zu Tyr-Tyr-Tyr di-HAcAms und tri-HAcAms nur durch eine einzige Halogenierungsreaktion neben der Peptidbindung (Abb. 4) und die Ausbeuten an di-HAcAms (DCAcAm) und Tri-HAcAms (TCAcAm) waren ähnlich (ca. 0,02 %), wenn kein Bromid zugesetzt wurde (Abb. 2A, B). Diese Ergebnisse zeigten, dass bromierte Tri-HAcAms leichter durch eine Halogen-Substitutionsreaktion (Chlor und Brom) neben der Peptidbindung gebildet werden konnten als bromierte Di-HAcAms. Wie berichtet, sind bromierte Tri-HAcAms zytotoxischer und genotoxischer als ihre Di-HAcAm-Analoga. Daher sollten DWTPs auf die Bildung von HAcAms in den von Algen und Abwässern betroffenen Gewässern achten, die reich an Peptidbindungen und Bromid sind.

Die Verwendung von abwasserbelastetem Wasser als Trinkwasserquelle erhöht die Besorgnis über die Exposition von N-DBPs (z. B. HAcAms), da abwasserinduziertes DON eine Schlüsselrolle als N-DBP-Vorläufer spielt. In früheren Studien zur Untersuchung des Stickstoffursprungs von HAcAms lag der Schwerpunkt auf dem α-Amin-Terminus freier AAs. Freie AAs machen jedoch nur einen kleinen Teil des Pools an gelöstem organischem Stickstoff (DON) in Quellgewässern aus. Aufgrund der geringen HAcAm-Ausbeuten (<0,2 %) bei der Chlorierung von AAs können geringe Mengen freier AAs nicht ausreichend Stickstoff in HAcAms in chloriertem Trinkwasser liefern. Kombinierte AAs könnten eine wichtige Stickstoffquelle bei der HAcAm-Bildung während der Chlorierung sein, insbesondere in algen- und abwasserbelastetem Wasser.

Diese Studie ergab zunächst, dass sich die HAcAm-Bildung aus AAs in komplexeren Strukturen (Oligopeptiden) von der Bildung aus freien AAs unterscheidet. Im Vergleich zu freien AAs verringerten die Peptidbindungen in Oligopeptiden, einschließlich Dipeptiden und Tripeptiden, den Beitrag der kombinierten AAs zur DCAcAm-Bildung. Allerdings produzierte die Peptidbindung in Tripeptiden mehr TCAcAm als freie AAs, die kein TCAcAm bilden konnten. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Peptidbindungen zur Bildung von HAcAms beitrugen und somit wahrscheinlich eine wichtigere Rolle bei der Vorhersage spezifischer N-DBPs (z. B. HAcAm)-Konzentrationen bei der Chlorierung spielten.

Abgesehen von den am häufigsten und am häufigsten nachgewiesenen Di-HAcAms sollten DWTPs auch die Bildung von Tri-HAcAms in jenen von Algen und Abwasser beeinflussten Wässern berücksichtigen, die reich an Peptidbindungen und Bromid sind, da Bromid wahrscheinlich die Bildung von Gesamt-HAcAms fördert (insbesondere. , bromierte Tri-HAcAms) und bromhaltige Tri-HAcAms erwiesen sich als zytotoxischer und genotoxischer als di-HAcAm-Analoga. Ein Vorteil der verbesserten Entfernung kombinierter AAs vor der Chlordesinfektion besteht in der geringeren Bildung von HAcAms und damit in der Verringerung gesundheitlicher Bedenken.

Zitierweise für diesen Artikel: Chu, W. et al. Peptidbindungen beeinflussen die Bildung von Haloacetamiden, einer neuen Klasse von N-DBPs im Trinkwasser: freie Aminosäuren versus Oligopeptide. Wissenschaft. Rep. 5, 14412; doi: 10.1038/srep14412 (2015).

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Dieses Projekt wird von der National Natural Science Foundation of China (51378366) und dem National Major Science and Technology Project of China (2015ZX07406004 und Natural Science Foundation of Jiangsu Province, China (Nr. BK2012677)) unterstützt. Dr. Y. Deng arbeitet an diesem Projekt mit Unterstützung des Global Education Center an der Montclair State University (New Jersey, USA). Die Autoren danken außerdem Stuart W. Krasner (Metropolitan Water District of Southern California, USA) für hilfreiche Anregungen in der Studie.

Staatliches Schlüssellabor für Umweltverschmutzungskontrolle und Ressourcenwiederverwendung, Hochschule für Umweltwissenschaften und -technik, Tongji-Universität, Shanghai, 200092, China

Wenhai Chu, Xin Li, Naiyun Gao, Daqiang Yin, Dongmei Li und Tengfei Chu

Abteilung für Erd- und Umweltstudien, Montclair State University, Montclair, 07043, NJ, USA

Yang Deng

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HWC konzipierte die Experimente, analysierte die Daten, schrieb den Artikel und trug zur kritischen Überarbeitung des Artikels bei. XL führte die Experimente durch und bereitete Abbildungen vor. YNG leistete technischen Support für die DBP-Analyse. YD hat den Artikel geschrieben. QDY konzipierte die Experimente. MDL hat die Experimente durchgeführt. FTC leistete Unterstützung bei der Probenvorbehandlung.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Chu, W., Li, X., Gao, N. et al. Peptidbindungen beeinflussen die Bildung von Haloacetamiden, einer neuen Klasse von N-DBPs im Trinkwasser: freie Aminosäuren versus Oligopeptide. Sci Rep 5, 14412 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14412

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Eingegangen: 15. April 2015

Angenommen: 26. August 2015

Veröffentlicht: 23. September 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep14412

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