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Quantum chemical calculation studies toward microscopic understanding of retention mechanism of Cs radioisotopes and other alkali metals in lichens. Sci Rep 2021; 11:8228. [PMID: 33859257 PMCID: PMC8050294 DOI: 10.1038/s41598-021-87617-w] [Citation(s) in RCA: 6] [Impact Index Per Article: 2.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/30/2020] [Accepted: 03/30/2021] [Indexed: 01/23/2023] Open
Abstract
We evaluate stability of cesium (Cs) and other alkali-metal cation complexes of lichen metabolites in both gas and aqueous phases to discuss why lichens can retain radioactive Cs in the thalli over several years. We focus on oxalic acid, (+)-usnic acid, atranorin, lecanoric acid, and protocetraric acid, which are common metabolite substances in various lichens including, e.g., Flavoparmelia caperata and Parmotrema tinctorum retaining Cs in Fukushima, Japan. By performing quantum chemical calculations, their gas-phase complexation energies and aqueous-solution complexation free energies with alkali-metal cations are computed for their neutral and deprotonated cases. Consequently, all the molecules are found to energetically favor cation complexations and the preference order is Li\documentclass[12pt]{minimal}
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\begin{document}$$^+$$\end{document}+ for all conditions, indicating no specific Cs selectivity but strong binding with all alkali cations. Comparing complexation stabilities among these metabolites, lecanoric and protocetraric acids seen in medullary layer are found to keep higher affinity in their neutral case, while (+)-usnic acid and atranorin in upper cortex exhibit rather strong affinity only in deprotonated cases through forming stable six atoms’ ring containing alkali cation chelated by two oxygens. These results suggest that the medullary layer can catch all alkali cations in a wide pH range around the physiological one, while the upper cortex can effectively block penetration of metal ions when the metal stress grows. Such insights highlight a physiological role of metabolites like blocking of metal-cation migrations into intracellular tissues, and explain long-term retention of alkali cations including Cs in lichens containing enough such metabolites to bind them.
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Korovitch A, Mulon JB, Souchon V, Leray I, Valeur B, Mallinger A, Nadal B, Le Gall T, Lion C, Ha-Duong NT, El Hage Chahine JM. Norbadione A: Kinetics and Thermodynamics of Cesium Uptake in Aqueous and Alcoholic Media. J Phys Chem B 2010; 114:12655-65. [DOI: 10.1021/jp1060232] [Citation(s) in RCA: 12] [Impact Index Per Article: 0.9] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/30/2022]
Affiliation(s)
- Alexandre Korovitch
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Jean-Baptiste Mulon
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Vincent Souchon
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Isabelle Leray
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Bernard Valeur
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Aurélie Mallinger
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Brice Nadal
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Thierry Le Gall
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Claude Lion
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Nguyêt-Thanh Ha-Duong
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
| | - Jean-Michel El Hage Chahine
- Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes, Université Paris 7-CNRS UMR 7086, Bât. Lavoisier, 15 rue Jean Antoine de Baïf, 75205 Paris Cedex 13, France; Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires, Département de Chimie, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France; Département Sciences et Techniques Industrielles, Conservatoire National des Arts et Métiers, 292 rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex,
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