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Ecotoxicology of traffic related Platinum in the freshwater environment

Ruchter, Nadine

Since the introduction of Pt as a catalytic element in industrial processes and as an agent in automobile catalytic converters, the emission of the noble metal into the environment has been rising steadily. Consequently, it has been the objective of this thesis to conduct a thorough investigation of introduction of traffic related Pt into rivers and its subsequent distribution in the abiotic and biotic compartments of these systems. In addition the genotoxicological effects of Pt on aquatic organisms have been studied. Initially, the analytic procedures used in this study have been validated with regard to their suitability for analyzing Pt and other traffic related heavy metals in field samples. Furthermore, a passive monitoring study at a representative discharge location of road runoff was performed. It provided evidence about the spatial distribution of Pt in river sediments as well as the Pt accumulation in clams. Highest Pt loads were found in the sand fraction of sediment samples. Pt concentrations in sediments were strongly correlated to concentrations of other traffic related heavy metals. The results also confirm that Pt was accumulated by Corbicula sp. in the field. Due to the fact that no correlation between sediment and clam concentration could be observed, it is assumed that Pt was accumulated in soluble form or ingested with small particles from suspended particulate matter. In comparison to other traffic related heavy metals, Pt concentrations in sediment and clam samples were low. This thesis further aims on the analysis of the accumulation kinetics of Pt in the biota (e.g. bivalves, fish and fish parasites) under laboratory conditions. In exposure studies with Corbicula sp., it could be observed that the accumulation of Pt by the clams is dependent on the ambient Pt concentration. However, due to the accumulation kinetics found for Corbicula sp. it can be concluded that small differences in Pt concentrations of the ambient water (low ng/L range) can not be detected by analyzing clam tissue concentrations. In fish exposure studies, Pt accumulation kinetics for different organs was investigated, along with the influence of endoparasites such as acanthocephalans on the metal metabolism of the fish. In fish, highest Pt concentrations were found in the liver and intestinal tissue of the fish (Squalius cephalus), while concentrations in the muscle tissue were lower. Overall, the highest concentrations were found in the acanthocephalan Pomphorhynchus tereticollis. For chub infected with P. tereticollis, Pt concentrations in liver and intestine were found to be lower compared to Pt concentrations in the respective organs of uninfected fish. As this trend was not observed for fish infected with P. laevis, it can be stated that metal metabolism differs for different host-parasite systems. Pt induced DNA damage was also investigated for fish and clams. Pt as well as the parasites induced the formation of micronuclei in fish erythrocytes. The micronucleus test did not show any induction of micronuclei in the gill cells and hemocytes of the clams. This thesis demonstrates that, due to the relatively low exposure levels in the field, acute lethal or toxic effects of Pt can not be observed for bivalves and fish. Additionally, Pt concentrations are also too low for many of the sublethal effects, observed in laboratory studies. However, Pt can induce DNA damage, as was shown for chub. Therefore, it can be assumed that already low Pt concentrations in the field could possibly endanger individual organism. It can be assumed that Pt does not pose a major threat to freshwater systems, however, it needs to be taken into account as an additional stress factor putting pressure on aquatic organisms.

Seit der Einführung von Platin als katalytisches Element in industriellen Prozessen und insbesondere in Autoabgaskatalysatoren, hat die Emission von Pt in die Umwelt beständig zugenommen. Vor diesem Hintergrund bestand das Ziel dieser Arbeit in der detaillierten Untersuchung des verkehrsbedingten Eintrages von Pt in Fließgewässersysteme und möglicher ökotoxikologischer Effekte auf biotische und abiotische Teile dieser Systeme. Um diese Ziele zu erreichen, wurden vier Studien durchgeführt. Zunächst wurden die analytischen Methoden, mit denen Pt und andere verkehrsbürtige Schwermetalle in dieser Arbeit untersucht wurden, einer ausführlichen Validierung unterzogen. Anschließend wurde in einer Freilandmonitoringstudie, die Verteilung von Platin im Sediment und die Aufnahme von Pt durch die Körbchenmuschel (Corbicula sp.), ausgehend von drei Straßenabflusseinleitungen, in drei Transekten untersucht. Relativ hohe Pt-Konzentrationen konnten in den ersten 20 m nach der Einleitung im Sediment hauptsächlich in der Sandfraktion gefunden werden. Die Pt-Konzentrationen korrelierten stark mit denen anderer verkehrsbürtiger Metalle. Auch eine Aufnahme von Pt durch die Körbchenmuschel konnte festgestellt werden. Da die Konzentrationen im Muschelweichgewebe nicht mit denen des Sediments korrelierten, kann davon ausgegangen werden, dass die Muschel Pt in gelöster Form oder als kleine Partikel aufnimmt. Im Vergleich zu anderen verkehrsbürtigen Metallen waren die Pt-Konzentrationen im Sediment und in den Muscheln gering. In zwei Expositionsstudien wurde die Pt-Aufnahme von Muscheln, Fischen und Fischparasiten eingehender untersucht. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass die Pt Aufnahme der Körbchenmuschel abhängig von Pt-Konzentration des Wassers ist. Allerdings können geringe Konzentrationsunterschiede im Wasser (geringer ng/L Bereich) nicht durch die Muschel als Bioindikator angezeigt werden. Auch Fische (Squalius cephalus) nehmen Pt auf. Dabei finden sich höhere Pt-Konzentration in der Leber und dem Darm als im Muskelgewebe. Die höchsten Pt-Konzentrationen konnten jedoch in den Darmparasiten der Fische festgestellt werden. Waren die Fische mit dem Darmkratzer Pomphorhynchus tereticollis infiziert, wurden in den Leber- und Darmproben der infizierten Fische geringere Pt Werte gefunden als in nicht infizierten Individuen. Im Falle der Infektion mit P. laevis konnte dieser Trend allerdings nicht bestätigt werden. Dies deutet darauf hin, dass sich der Metallmetabolismus in verschiedenen Wirt-Parasit Systemen unterscheidet. Die durchgeführten gentoxikologischen Untersuchungen weisen darauf hin, dass Pt die Induktion von Mikrokernen in Fischerythrozyten erhöht. Bei den Muscheln wurde kein gentoxischer Effekt in Kiemen- und Hämolymphzellen festgestellt. Insgesamt hat die Arbeit gezeigt, dass akut lethale oder akut toxische Effekte durch Pt für Muscheln und Fische in Fließgewässern aufgrund der geringen Freilandkonzentrationen zurzeit nicht zu erwarten sind. Ebenfalls ist zu bemerken, dass die in anderen Laboruntersuchungen dokumentierten sublethalen Effekte im Freiland nur eine geringe Rolle spielen dürften. Allerdings wurde in dieser Studie auch gezeigt, dass Pt gentoxische Effekte bei Fischen hervorrufen kann. Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass Pt aufgrund seiner bisher niedrigen Konzentration sicherlich nicht zu den kritischen Schadstoffen in Fließgewässersystemen gehört. Nichtdestotrotz zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Pt ein zusätzlicher Stressfaktor für Organismen in Süßgewässern ist.

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Ruchter, Nadine: Ecotoxicology of traffic related Platinum in the freshwater environment. 2013.

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