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Authors: Zhang, Yingyi
Title: Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins
Online publication date: 18-Jun-2010
Language: english
Abstract: Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie ( HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn
Water-soluble organic compounds (WSOCs) are major components of atmospheric aerosols, accounting for ~50% or more of the organic fraction of particulate matter. They can influence the optical properties and hygroscopicity of aerosol particles and their effects on climate. Moreover, they can contribute to the toxicity and allergenicity of air particulate matter.rnIn this study, high performance liquid chromatography coupled with optical diode array detection and mass spectrometry (HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS) has been applied to measure WSOCs with a wide range of molecular masses and structures that are characteristic for different aerosol types, sources, and processes. Carboxylic acids and nitrophenols with low molecular mass were investigated as tracers for fossil fuel combustion and the formation and aging of secondary organic aerosols (SOA) from biogenic precursors. Protein macromolecules were investigated with regard to the influence of air pollution and nitration on the allergenicity of primary biological particles like pollen and fungal spores. rnFilter samples of fine and coarse aerosol particles collected over a period of one year in central Europe (Mainz, Germany) were analyzed for WSOCs, including the α- and β-pinene oxidation products (pinic acid, pinonic acid and 3-methyl¬-1,2,3-¬butane¬tricarboxylic acid (3-MBTCA) ) as well as a variety of dicarboxylic acids and nitrophenols. Seasonal variations and other characteristic features are discussed with regard to aerosol sources and sinks in comparison to data from other studies and regions. The ratios of adipic acid and phthalic acid to azelaic acid indicate that the investigated aerosol samples were mainly influenced by biogenic sources. A strong Arrhenius-type correlation was found between the 3-MBTCA concentration and inverse temperature (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, temperature range: 275–300 K). Model calculations suggest that the temperature dependence observed for 3-MBTCA can be explained by enhanced photochemical production due to an increase of OH radical concentration with increasing temperature, whereas the influence of gas-particle partitioning appears to play a minor role. The results suggest that the OH-initiated oxidation of pinonic acid is the rate-limiting step in the formation of 3-MBTCA, and that 3-MBTCA may be a suitable tracer for the chemical aging of biogenic SOA by OH radicals. An Arrhenius-type temperature dependence was also observed for the concentration of pinic acid (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1); it can be tentatively explained by the temperature dependence of biogenic pinene emission as the rate-limiting step of pinic acid formation.rn rnFor the investigation of protein nitration, nitrated protein standards were synthesized by liquid-phase reaction of bovine serum albumin (BSA) and ovalbumin (OVA) with tetranitromethane (TNM). Protein nitration occurs primarily on residues of the aromatic amino acid tyrosine, and UV-Vis photometry was used to determine the protein nitration degree (ND), which is defined as the average number of nitrotyrosine residues divided by the total number of tyrosine residues in a protein molecule. BSA and OVA exhibited different relations between ND and TNM/tyrosine ratios in the reaction mixture, which is likely due to the different solubilities and molecular structures of the two proteins. rnThe nitration of BSA and OVA upon exposure to gas mixtures of nitrogen dioxide (NO2) and (O3) was investigated with a newly developed analytical method using HPLC-DAD. This simple and robust method enables the determination of ND without hydrolysis or digestion of the investigated protein macromolecules, and thus efficient investigation of the reaction kinetics of protein nitration. For detailed product studies, however, nitrated BSA and OVA were enzymatically digested. The obtained oligopeptides were analyzed using advanced HPLC-MS/MS techniques and database search functions, and high sequence coverage was achieved. The nitration degrees of individual nitrotyrosine residues (NDY) were well correlated with the overall protein ND, and different ratios of NDY to ND provided insight into the regioselectivity of the reaction. The nitration patterns observed in BSA and OVA nitrated with TNM indicate that the vicinity of negatively charge amino acids promotes the nitration of tyrosine residues. The nitration patterns observed in BSA nitrated by NO2 and O3 differed from those obtained with TNM, which indicates that the regioselectivity of protein nitration depends on the nitrating agent. However, tyrosine residues located in loop structures were preferentially nitrated regardless of the nitrating agent.rnThe methods and results of this study provide a basis for further detailed investigations of the reaction kinetics, products and mechanisms of protein nitration. They shall help to elucidate the relations between traffic-related air pollutants like nitrogen oxides and O3 and the allergenicity of air particulate matter.rn
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4620
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 116 S.
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