The objective of this Thesis was to progress the understanding of the mechanisms of cuticular uptake into living plant foliage, thereby enabling uptake of important compounds such as pesticides and pollutants to be modelled. The uptake of three model compounds, applied in the presence and absence of surfactants, into the leaves of three plant species (Chenopodium album L., Hedera helix L. and Stephanotis floribunda Brongn) was determined. The results with 2-deoxy-D-glucose (DOG), 2,4-dichlorophenoxy-acetic acid (2,4-D) and epoxiconazole in the presence of surfactants (the polyethylene glycol monododecyl ethers C12EO3, C12EO6, C12EO10, and a trisiloxane ethoxylate with mean ethylene oxide (EO) content of 7.5, all used at one equimolar concentration) illustrated that the initial dose (nmol mm-2) of xenobiotic applied to plant foliage was a strong positive determinant of uptake. Using this new approach for whole plant uptake, uptake on a per unit area basis was found to be related to initial dose of xenobiotic applied, by an equation of the form: Uptake(nmol mm-2) = a [ID]b at time t = 24 hours, where ID is the initial dose or the mass of xenobiotic applied per unit area (M(nmol xenobiotic applied)/A(droplet spread area)). Total mass uptake can then be calculated from an equation of the form: Total Uptake(nmol) = a [ID]b.A. In order to verify this relationship, further studies determined the uptake of three pesticides, applied as commercial and model formulations in the presence of a wide range of surfactants, into the leaves of three plant species (bentazone into Chenopodium album L. and Sinapis alba L., epoxiconazole and pyraclostrobin into Triticum aestivum L.). The results confirmed that the initial dose (nmol mm-2) of xenobiotic applied to plant foliage is a strong, positive determinant of uptake. In a novel approach, further studies used this relationship (nmol mm-2 uptake versus ID; termed the uptake ratio) to establish the relative importance of species, active ingredient (AI), AI concentration (g L-1) and surfactant to uptake. Species, AI, its concentration, and surfactant all significantly affected the uptake ratio. Overall, 88% of the deviance could be explained. More useful was the analysis of the individual xenobiotics, where the models explained 83%, 85%, and 94% of the variance in uptake ratio for DOG, 2,4-D, and epoxiconazole, respectively. In all cases, species, surfactant, and AI concentration significantly affected the uptake ratio. However, there were differences in the relative importance of these factors among the xenobiotics studied. Concentration of AI increased in importance with increasing lipophilicity of AI, while species was much less important for the most lipophilic compound. Surfactant became less important with increasing AI lipophilicity, although it was always important. The preceding studies considered uptake at only one time interval (24 hours). Total uptake after 24 hours can be the same for a compound formulated with different surfactants, but rates of uptake (and therefore rain-fastness and subsequent translocation to target sites) can be quite different. Therefore, there was a requirement to be able to model uptake over time into whole plants. Hence, the objective of further studies was to determine whether a logistic-kinetic penetration model, developed using isolated plant cuticles, could be applied to whole plant uptake. Uptake over 24 hours was determined for three model compounds, applied in the presence and absence of surfactants, into the leaves of two plant species. Overall, the model fitted the whole plant uptake data well. Using the equations developed, based on initial dose, to calculate uptake at 24 hours, in conjunction with the logistic-kinetic model, has significantly progressed our understanding and ability to model uptake. The advantages of the models and equations described are that few variables are required, and they are simple to measure. / Das Ziel dieser Dissertation war es, das Verständnis der Mechanismen der Aufnahme von Wirkstoffen über die Kutikula in die Blätter einer lebenden Pflanze zu verbessern und es dadurch möglich zu machen, die Aufnahme von wichtigen Verbindungen wie z.B. von Pestiziden und Schadstoffen zu modellieren. Es wurde die Aufnahme von drei Modellverbindungen ermittelt, die in Anwesenheit und Abwesenheit von oberflächenaktiven Stoffen in die Blätter von drei Pflanzenarten (Chenopodium album L., Hedera helix L. und Stephanotis floribunda Brongn.) aufgetragen wurden. Das Ergebnis mit 2-Deoxy-D-Glucose (DOG), 2,4-Dichlorphenoxy-Essigsäure (2,4-D) und Epoxiconazol in Anwesenheit der oberflächenaktiven Stoffe (die Polyethylenglycolmonododecylether C12EO3, C12EO6, C12EO10, und ein Trisiloxanethoxylat mit einem EO-Mittelwert von 7,5; wobei alle in einer äquimolaren Konzentration und daher in verschiedenen prozentualen Konzentrationen verwendet wurden) zeigte, dass die auf die Pflanzenblätter aufgetragene anfängliche Dosis (nmol mm-2) an Xenobiotikum ein starker, positiv bestimmender Faktor für die Aufnahme war. Verwendet man diese neue Beschreibung der Aufnahme von Xenobiotica in ganze Pflanzen, so kann man feststellen, dass die Aufnahme pro Einheitsfläche von der anfänglichen Dosis von aufgetragenem Xenobiotikum abhängig ist, und zwar nach folgender Gleichung: Aufnahme(nmol mm-2) = a [ID]b bei einer Zeit t = 24 Stunden, wobei ID für die anfängliche Dosis oder die Masse an pro Einheitsfläche aufgetragenem Xenobiotikum steht (M(nmol aufgetragenes Xenobiotikum)/A(Tropfenausbreitungsbereich)). Die Gesamtaufnahme der Masse kann dann aus einer Gleichung der Formel: Gesamtaufnahme(nmol) = a [ID]b.A errechnet werden. Um diese Beziehung zu bestätigen, wurde in zusätzlichen Studien die Aufnahme von drei Pestiziden ermittelt, die als gewerbliche und Modellformulierungen in Anwesenheit einer großen Auswahl von oberflächenaktiven Stoffen in die Blätter von drei Pflanzenarten (Bentazon in Chenopodium album L. und Sinapis alba L., Epoxiconazol und Pyraclostrobin in Triticum aestivum L.) aufgetragen wurden. Die Ergebnisse bestätigten die Feststellung, dass die anfängliche, auf die Pflanzenblätter aufgetragene Dosis (nmol mm-2) an Xenobiotikum ein starker, positiv bestimmender Faktor der Aufnahme ist. Bei einem neuartigen Ansatz verwendeten zusätzliche Studien dieses Verhältnis (nmol mm-2 Aufnahme pro ID; genannt Aufnahmeverhältnis), um die relative Bedeutung der Arten, der Wirksubstanz (AI), der AI-Konzentrationen (g L-1) und der oberflächenaktiven Stoffe für die Aufnahme zu ermitteln. Die Art, AI, ihre Konzentration und die oberflächenaktiven Stoffe hatten alle einen erheblichen Einfluss auf das Aufnahmeverhältnis. Insgesamt konnte 88 % der Abweichung erklärt werden. Noch nützlicher war die Analyse der einzelnen Xenobiotika, bei denen die Modelle 83 %, 85 % und 94 % der Varianz im Aufnahmeverhältnis jeweils für DOG, 2,4-D und Epoxiconazol erklärten. In allen Fällen hatten die Arten, der oberflächenaktive Stoff und die AI-Konzentration einen erheblichen Einfluss auf das Aufnahmeverhältnis. Es gab jedoch Unterschiede bei der relativen Bedeutung dieser Faktoren unter den untersuchten Xenobiotika. Die Konzentration von AI gewann größere Bedeutung mit einer erhöhten Fettlöslichkeit von AI, während die Art eine weit geringere Rolle für die meisten lipophilen Verbindungen spielte. Oberflächenaktive Stoffe verloren an Bedeutung mit zunehmender AI-Fettlöslichkeit, obwohl diese stets von Bedeutung waren. Die bisher dargestellten Studien zogen die Aufnahme bei nur einem Uhrzeitintervall (24 Stunden) in Betracht. Die Gesamtaufnahme nach 24 Stunden kann zwar bei einer Verbindung, die mit verschiedenen oberflächenaktiven Stoffen formuliert ist, die gleiche sein, die Aufnahmeraten (und daher die Regenfestigkeit und anschließende Translokation an Zielstellen) können dabei jedoch völlig verschieden sein. Es bestand daher die Notwendigkeit, die Aufnahme in vollständigen Pflanzen im Zeitablauf modellieren zu können. Infolgedessen war es das Ziel zusätzlicher Studien festzustellen, ob ein logistisch-kinetisches Penetrationsmodell, das unter Anwendung isolierter pflanzlicher Kutikeln entwickelt wurde, bei der Gesamtpflanzenaufnahme zum Einsatz kommen könnte. Die Aufnahme über 24 Stunden wurde für drei Modellverbindungen ermittelt, die in Anwesenheit und Abwesenheit von oberflächenaktiven Stoffen in die Blätter von zwei Pflanzenarten aufgetragen wurden. Insgesamt gesehen entsprach das Modell den Pflanzenaufnahmedaten sehr gut.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1806 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Forster, Wilhelmina Alison |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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