Phytoremediation and Metabolomic Changes in Duckweeds upon Exposure to Pyrazoxyfen, Diuron, and Triclosan = Pyrazoxyfen, Diuron, Tricloan 노출에 대한 수서 식물 개구리밥 중 환경오염물질의 분해 및 대사체학적 변화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigated the comparative ecotoxicity of Lemna minor and Spirodela polyrhiza exposed to diuron, triclosan, and pyrazoxyfen. Among the evaluated toxicity endpoints, frond area yielded the most sensitive responses, resulting in 96 h EC₅₀ values of 2.642 mg/L and 2.360 mg/L for diuron, 0.592 mg/L and 0.689 mg/L for triclosan, and 2.395 mg/L and 0.044 mg/L for pyrazoxyfen in L. minor and S. polyrhiza, respectively. Environmental fate was evaluated by comparing residual concentrations under dark, light, and plant-mediated conditions to characterize degradation behavior. As expected from their physicochemical properties, removal efficiency differed markedly among chemicals, and plant-mediated contributions followed the order triclosan > pyrazoxyfen > diuron. Targeted GC–MS/MS metabolomics detected 185 and 174 metabolites in L. minor and S. polyrhiza, respectively, and revealed metabolic responses aligned with each compound’s mode of action. Diuron induced a conserved carbon- limited state; triclosan redirected carbon flow toward cytosolic and redox- associated pathways; and pyrazoxyfen perturbed aromatic amino acid metabolism and altered carbon allocation in line with HPPD inhibition. Although response amplitudes differed, both species exhibited these core chemical- specific signatures, with L. minor displaying greater overall metabolic disruption. Collectively, the integration of toxicity, fate, and metabolomic data highlights the utility of metabolomics for linking molecular responses to physiological stress while providing mechanistic insights into species-specific sensitivity and phytoremediation potential in aquatic duckweeds.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 두 종의 개구리밥(Lemna minor 및 Spirodela polyrhiza)을 대상으로 제초제(diuron, pyrazoxyfen)와 항균물질(triclosan)에 대한 비교 생태독성을 평가하였다. 독성지표 중 엽면적이 가장 민감하게 반응하였으며, 96시간 EC₅₀ 값은 L. minor에서 diuron은 2.642 mg/L, triclosan은 0.592 mg/L, 그리고 pyrazoxyfen에서는 2.395 mg/L로 나타났고, S. polyrhiza에서는 각각 2.360, 0.689, 0.044 mg/L이었다. 암조건·광조건·식물 존재 조건에서의 잔류농도 분석 결과, 물질의 이화학적 특성에 따라 제거 효율의 차이가 뚜렷하였으며, 식물 매개 제거 효과는 triclosan > pyrazoxyfen > diuron 순으로 나타났다. Targeted GC–MS/MS 기반 대사체 분석을 통해 L. minor와 S. polyrhiza에서 각각 185개와 174개의 대사체가 동정되었으며, 세 물질은 두 종에서 각기 다른 대사학적 반응 패턴을 유도하였다. Diuron은 두 종 모두에서 광합성 유래 탄소 흐름을 감소시키는 탄소 제한 상태를 초래하였다. Triclosan은 용해성 당 증가, 펜토스 인산경로 활성화, GABA 관련 대사 증가 등 세포질 기반 탄소 및 산화환원 경로로의 전환을 유도하였다. Pyrazoxyfen은 HPPD 저해 특성에 따라 방향족 아미노산 대사와 탄소 재분배를 교란하였다. 이러한 핵심적인 대사체학적 특징은 세 물질의 작용기작과 일치하였으며, 반응의 강도는 L. minor에서 더 크게 나타났다. 종합적으로, 본 연구는 독성·잔류·대사체 정보를 통합함으로써 물질별 생태 독성 메커니즘과 종별 민감도를 체계적으로 규명하였다. 또한 대사체학이 분자 수준의 변화를 생리적 독성과 연계하는 데 효과적인 접근법임을 제시 하며, 생태독성 평가에서의 활용 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 8
• 2.1. Plant materials and culture maintenance 8
• 2.2.1. Experimental setup for duckweed toxicity assessment 9
• 2.2.2. Determination of relative growth rate and fresh weight 10
• 2.2.3. Pigment contents 11
• 2.3. Removal experiments 12
• 2.3.1. Extraction and detection of triclosan in culture media 13
• 2.3.2. Extraction and detection of diuron and pyrazoxyfen in culture media 15
• 2.4. Metabolomics analysis 17
• 2.4.1. Metabolomics experimental design 17
• 2.4.2. Sample preparation for primary metabolites 18
• 2.4.3. GC-MS/MS analytical conditions 19
• 2.5. Statistical analysis 20
• Ⅲ. Results and Discussion 21
• 3.1. Effects of diuron, triclosan, and pyrazoxyfen on the growth of duckweeds 21
• 3.2. Pigment contents of duckweeds exposed to diuron, triclosan, and pyrazoxyfen 28
• 3.3. Contaminants removal characteristics between two duckweed systems 31
• 3.4. Metabolic changes in two duckweeds 34
• 3.4.1. Principal component analysis (PCA) 34
• 3.4.2. Partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA) 37
• 3.4.3. Heatmap-based hierarchical clustering analysis 40
• 3.4.4. Pathway analysis 43
• 3.4.5. Effect of diuron, triclosan, pyrazoxyfen treatment on the metabolism of L. minor 47
• 3.4.6. Effect of diuron, triclosan, pyrazoxyfen treatment on the metabolism of S. polyrhiza 52
• Ⅳ. Conclusion 57
• References 58
• Appendix 67
• Abstract (in Korean) 85