Rare earth elements in agriculture with emphasis on animal husbandry [Elektronische Ressource] / von Kerstin Redling

Kerstin Redling

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• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Aus dem
Institut für Physiologie, Physiologische Chemie und Tierernährung
der Ludwig-Maximilians-Universität München
Geschäftsführender Vorstand: Prof. Dr. H.-J. Gabius
Angefertigt unter der Leitung von
Prof. Dr. W. A. Rambeck
RARE EARTH ELEMENTS IN AGRICULTURE
WITH EMPHASIS ON ANIMAL HUSBANDRY
Inaugural-Dissertation
zur Erlangung der tiermedizinischen Doktorwürde
der Tierärztlichen Fakultät
der Ludwig-Maximilians-Universität München
von
Kerstin Redling
aus Reutlingen
München 2006Gedruckt mit Genehmigung der
Tierärztlichen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München
Dekan: Prof. Dr. E. P. Märtlbauer
Referent: Prof. Dr. W. A. Rambeck
Korreferent: Prof. Dr. B. Kaspers
Tag der Promotion: 28. Juli 2006For my ParentsCONTENTS
List of Figures v
List of Tables vii
Nomenclature xi
Abstract xxi
Kurzfassung xxv
1 Introduction and Aim of the Thesis 1
2 Research Sources and their Methodology 5
3 Discovery, Occurrence and Separation Techniques 9
3.1 Discovery of Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Occurrence and Distribution of Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Mineral Sources and Separation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4 Chemical and Physical Properties 17
4.1 Chemistry of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1.1 General Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1.2 Bonding and Chemical Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.3 Rare Earth Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Physics of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5 Biochemical and Pharmacological Properties 27
5.1 The Biochemistry of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.2 The Pharmacology of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6 Toxicology and Metabolism 35
6.1 Metabolism of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2 Toxicity of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
iCONTENTS
6.2.1 Effects on Lung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2.2 Effects on Liver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2.3 Effects on Spleen, Kidney and Gastrointestinal Tract . . . . . . . . . . . 43
6.2.4 Effects on Bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2.5 Effects on Skin and Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2.6 Effects on Brain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7 Ecotoxicology – Impact on the Environment 45
7.1 Concentrations of Rare Earths in Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.2 The Accumulation of Rare Earths in Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.3 Effects of Rare Earths on Soil Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.4 Effects of Rare Earths on Soil Micro-flora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.5 Bioavailability of Rare Earths in Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.6 Rare Earth Transfer from Soil to Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.7 Accumulation in Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.8 Effects of Rare Earths on the Aquatic Environment . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.9 Transfer into Human Beings through Foodstuffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.10 Conclusions and Research Needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8 Methods of Analysis 63
8.1 Neutron Activating Analysis (NAA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.2 Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (ICP - MS) . . . . . . . . . . 66
8.3 Comparison of NAA and ICP - MS Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9 Technical Applications of Rare Earth Elements 69
10 The Application of Rare Earth Elements to Medicine 75
10.1 Former Use of Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
10.1.1 Antiemetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
10.1.2 Antimicrobial Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
10.1.3 Anticoagulation Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
10.2 Present Use of Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
10.2.1 Lanthanum Carbonate Used as Phosphate Binder . . . . . . . . . . . . . 77
10.2.2 Treatment of Burns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
10.2.3 Diagnosis and Treatment of Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
10.2.4 Contrast Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3 Potential Future Uses of Rare Earth Elements in Human Medicine . . . . . . . . 82
10.3.1 The Treatment of Joint Diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.3.2 Prevention of Caries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.3.3 Prevention of Atherosclerosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.3.4 Treatment of Osteoporosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
10.3.5 Miscellaneous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
11 Applications of Rare Earth Elements to Agricultural Plants 87
11.1 China . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
11.1.1 Effects of Rare Earths on Plant Growth, Yield and Quality . . . . . . . . 88
11.1.2 Rare Earth Elements Used as Fertilizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
11.1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
iiCONTENTS
11.2 Western Countries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
11.2.1 Studies on the Effects of Rare Earths on Plants under Western Conditions 97
11.2.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
11.3 Rare Earths Uptake by Plants and Bioavailability to Plants . . . . . . . . . . . . 108
11.3.1 Concentration of Rare Earths in Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
11.3.2 Deposition and Accumulation of Rare Earths in Plants . . . . . . . . . . 118
11.3.3 Distribution of Rare Earths in Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
11.4 Effects of Rare Earth Elements on Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
11.4.1 Effects on the Physiological Function of Calcium in Plants . . . . . . . . 120
11.4.2 Essential Elements for Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
11.4.3 Effects on the Mineral Nutrient Uptake and Metabolism . . . . . . . . . 122
11.4.4 Effects on Plant Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
11.4.5 Effects on Cytoplasmic Membranes and the Cytosceleton . . . . . . . . . 125
11.4.6 Effects on Resisting Environmental Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
11.4.7 Effects on Phyto-Pathogenic Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
11.4.8 Effects on Plant Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
11.4.9 Effects on Hormonal Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
11.5 Conclusions, Perspectives and Research Needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
12 The Application of Rare Earth Elements to Animal Husbandry 135
12.1 China . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
12.1.1 Rare Earth Elements Used as Feed Additives . . . . . . . . . . . . . . . 136
12.1.1.1 Pigs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
12.1.1.2 Poultry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
12.1.1.3 Ruminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
12.1.1.4 Fish and Shrimps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
12.1.2 Safety of Animal Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
12.1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
12.2 Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
12.2.1 Feeding Trials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
12.2.1.1 Pigs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
12.2.1.2 Poultry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
12.2.1.3 Ruminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
12.2.1.4 Fish . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
12.2.1.5 Rats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
12.2.2 Safety to Animals and of Animal Products . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
12.2.2.1 Oral Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
12.2.2.2 Absorption of Rare Earth Elements by the Gastrointestinal Tract 187
12.2.2.3 Bioavailability of Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . 188
12.2.2.4 Concentrations of Rare Earth Elements in Animal Tissues . . . 190
12.2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
12.3 Possible Mode of Action of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
12.3.1 Local Effect on the Gastrointestinal Tract . .