Uptake, translocation, accumulation, and phytotoxicity of platinum group elements (PGE) on potato, lettuce, and barley
Creators: name: Aboughalma, Hassan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2004

description: 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.