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Titel	Uptake, translocation, accumulation, and phytotoxicity of platinum group elements (PGE) on potato, lettuce, and barley.
Autor	Aboughalma, Hassan
Institution	Institut für Mineralogie und Geochemie (IMG)
Dokumenttyp	Buch
Verlag	Karlsruhe
Jahr	2004
Hochschulschrift	Dissertation Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften (Fak. f. Bauing.) Institut für Mineralogie und Geochemie (IMG) Prüfungsdaten: 15.09.2004 Referent/Betreuer: Prof. D. Stüben
URL für Zitat	http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/1000001261
URN für Zitat	urn:nbn:de:swb:90-12617
Abstract	The transition elements platinum, palladium, and rhodium are widely used in the automobile industry. Production of catalytic converters is the principal application field of the so called Platinum Group Elements (PGE). Since the introduction of autocatalysts to reduce the emission of the greenhouse gases; CO, NOX, and HC, the concentration of PGE in environmental samples such as road dusts, soils, and plants is steadily increasing. The uptake pathways, accumulation, and transport of PGE emitted from autocatalysts in crop plants are poorly understood. However, the present study deals with these subjects in addition to the phytotoxicity of these metals on crop plants. Field experiments with lettuce (Lactuca sativa L.) were conducted at two sites. The first site lies close to the German Highway A5 and the second site is within the botanical garden of the University of Karlsruhe/Germany. The expected emissions of PGE at the highway site were higher than those at the botanical garden site. In addition to an expected atmospheric uptake by aerial organs, PGE uptake via plant roots was enabled by separate addition of two catalyst’s powders containing the three noble metals, platinum, palladium and rhodium. Furthermore, greenhouse experiments using PGE soluble chloride salts; that were added to the hydroponic medium, were conducted with potato (Solanum tuberosum L.), barley (Hordeum Vulgare L.), and lettuce (Lactuca sativa L.) under controlled conditions, whereby the uptake was exclusively made via the plant roots. The crop plants were divided into their organs and the PGE concentrations were determined using HRICP-MS. The phytotoxicity of PGE on the crop plants was visibly manifested and some physiological parameters were determined. Lettuce (Lactuca sativa L.) plants that were treated with the catalyst’s powders showed higher PGE concentrations than the control ones, implying the uptake of the precious metals via the plant roots. PGE concentrations determined in the field grown lettuce (Lactuca sativa L.) demonstrate, not only the solubility of platinum, palladium, and rhodium in the soil, but also the higher bioavailability of palladium, rather than platinum and rhodium. Platinum and palladium are mainly retained in the roots of the crop plants grown in the growth chamber. The noble metals are translocated from roots to shoots showing high mobility within the plants and phototoxic symptoms were more severe in potatoes (Solanum tuberosum L.) than in lettuce (Lactuca sativa L.) and barley (Hordeum Vulgare L.). Palladium, to a higher extent than platinum, is mainly retained in plant roots, whilst platinum; to a higher extent, is taken up into aerial organs. The Monocotyledonous (barley) plant showed an overall higher total concentration, but lower shoot platinum and palladium concentrations than the dicotyledonous one (potato). Potato (Solanum tuberosum L.) accumulated more platinum and palladium than lettuce (Lactuca sativa L.). Palladium is not only more mobile within the potato and lettuce than platinum, but was also severely toxic on the potato (Solanum tuberosum L.) when compared to platinum. There were no severe phytotoxic effects from the PGE on barley (Hordeum Vulgare L.) and lettuce (Lactuca sativa L.). Visible phytotoxic symptoms observed in the crop plants are stunted growth, chlorosis, blackening of the root system, small leaves, and brown patches on leaves. It has clearly been established that the differences in platinum and palladium concentrations in potato (Solanum tuberosum L.) organs were due to the differences in phytotoxic effects of both elements on plants rather differences in amount of platinum or palladium applied for the uptake. The principal difference between platinum and palladium was seen in the portion taken up into either the aerial parts or retained in the roots of the three plant species. Kurzfassung: Die Übergangsmetalle, Platin, Palladium und Rhodium werden weltweit in der Automobilindustrie verwendet. Die Herstellung der Autoabgaskatalysatoren zählt zu den Hauptanwendungen der sogenannten Platingruppenelemente (PGE). Seit der Einführung der Autoabgaskatalysatoren, um die Emissionen der Treibhausgase CO, NOx und HC zu reduzieren, nimmt die Konzentration der PGE in den Umweltproben wie Strassensedimenten, Böden und Pflanzen ständig zu. Die Aufnahmepfade, Akkumulation und der Transport der aus den Abgaskataysatoren emittierten PGE in den Nutzpflanzen sind wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit befasst sich zusätzlich zu der Phytotoxizität dieser Metalle auf Nutzpflanzen mit diesen Themen. Es wurden an zwei Standorten Feldversuche mit Salat (Lactuca sativa L.) durchgeführt. Der erste Standort liegt direkt an der A5 und der zweite innerhalb des Botanischen Gartens der Universität Karlsruhe. Die erwarteten Emissionen der PGE an dem Autobahn-Standort waren höher als die am Standort Botanischen Garten. Zusätzlich zu einer atmosphärischen Aufnahme über die oberirdischen Pflanzenorganen wurde die Aufnahme über die Pflanzenwurzel ermöglicht. Dies geschah durch getrennten Zusatz von zwei Katalysatorenpulver, die die Edelmetalle Platin, Palladium und Rhodium in unterschiedlichen Konzentrationen enthielten. Überdies wurden Gewächshausversuche mit Kartoffeln (Solanum tuberosum L.), Gerste (Hordeum Vulgare L.) und Salat (Lactuca sativa L.) unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt, um die Aufnahme ausschließlich über die Wurzel zu ermöglichen. Als Kontaminationsquelle wurden lösliche PGE-Chloridsalze verwendet. Die Nutzpflanzen wurden in einzelne Pflanzenorgane unterteilt und deren Gehalte an PGE mittels HR-ICP-MS bestimmt. Die phytotoxischen Auswirkungen der PGE auf die Nutzpflanzen wurden visuell manifestiert und die pflanzenphysiologischen Parameter ermittelt. Die Salatpflanzen, die mit Katalysatorpulver behandelt waren, zeigten einen höheren PGE-Gehalt als die Kontrollpflanzen, was die Aufnahme der Edelmetalle über die Wurzeln impliziert. Die ermittelten PGE Konzentrationen im feldgewachsenen Salat (Lactuca sativa L.) sehen nicht nur die Löslichkeit von Platin, Palladium und Rhodium im Boden vorraus, sondern auch die höhere Bioverfügbarkeit von Palladium eher als die von Platin und Rhodium. Platin und Palladium wurden hauptsächlich in den Wurzeln der Nutzpflanzen, die im Gewächshaus angepflanzt waren, retentiert. Die Edelmetalle wurden von der Wurzel in den Spross transportiert, was die hohe Mobilität innerhalb der Pflanzen zeigt. Die phytotoxischen Symptome waren schwerwiegender bei den Kartoffeln (Solanum tuberosum L.) als bei der Geste (Hordeum Vulgare L.) und dem Salat (Lactuca sativa L.), die im Gewächshaus angezogen waren. Palladium wurde, in größerem Umfang als Platin, hauptsächlichen in den Wurzeln der Gewächshauspflanzen retentiert während Platium in größerem Umfang als Palladium in den Spross aufgenommen wurde. Die monocotyle Pflanze (Gerste) zeigte insgesamt höhere Konzentrationen, aber niedrigere Platin- und Palladiumkonzentrationen im Spross als die dicotyle Pflanze (Kartoffel). Die Kartoffel (Solanum tuberosum L.) akkumulierte mehr Platin und Palladium als Salat (Lactuca sativa L.). Das Palladium war innerhalb von Kartoffel und Salat nicht nur mobiler als Platin, sondern hatte im Vergleich zu Platin auch sehr toxische Auswirkungen auf die Kartoffelpflanzen, die im Gewächshaus angezogen waren. Hingegen waren keine schweren toxischen Auswirkungen der PGE auf Gerste (Hordeum Vulgare L.) und Salat (Lactuca sativa L.) zu beobachten. Die sichtbaren phytotoxischen Symptome, die bei den Gewächshauspflanzen beobachtet wurden, waren verkümmertes Wachstum, Chlorosis, Schwärzung des Wurzelwerkes, kleine Blätter sowie braune Flecken auf den Blättern. Es wurde deutlich gezeigt, dass die Unterschiede im Platin und Palladiumgehalt in den Kartoffelorganen auf die unterschiedlichen phytotoxischen Auswirkungen der beiden Metalle auf die Pflanzen zurückzuführen sind. Diese Unterschiede waren unabhängig von den Mengen an Platin und Palladium, die für die Aufnahme eingesetzt waren. Der Hauptunterschied zwischen Platin und Palladium waren die Mengen, die entweder in den oberirdischen Organen aufgenommen oder in den Wurzeln der drei Pflanzen retentiert wurde.