作物地下可食用根部对土壤中镉之累积吸收.docx

作物地下可食用根部对土壤中镉之累积吸收程淑芬1 黄金源2 萧力升3朝阳科技大学环境工程与管理系1, 3 联勤兵工整备发展中心2摘要： 植物的地下根部是土壤重金属进入植物体的主要门户,土壤中的重金属污染物质可以藉由植物对水分、养分的吸收及离子交换等作用而进入植物地下根部组织中。本研究针对甘藷、红萝卜及白萝卜三种具有地下可食用根部组织的作物,探讨其生长过程中各部位组织对重金属镉的累积吸收情形,藉此以了解重金属进入植物可食用根部组织之主要途径及累积浓度。研究结果显示,三种作物之可食用根部组织对重金属镉的累积吸收浓度皆远小于根部组织,重金属镉不容易由土壤直接经离子交换累积在可食用根部,主要经由根、茎及叶再输送到地下可食用根部。在本研究中三种作物之可食用根部组织的镉含量都远超过各国的食用作物容许量范围。 关键词:镉、根菜作物、植物累积。一 前言近年来台湾农地遭受重金属污染的事件时有所闻,工业废水及废弃物未经妥善规 划、处理及处置为土壤遭受重金属污染的主要原因。农田遭受重金属污染的问题需高度受到关注,因重金属污染物会随着植物的代谢机制而累积吸附在植物体内。重金属污染物在生物体内无法分解,透过食物链的浓缩放大效应,其对食用者的健康将可能产生相当严重的威胁。 镉是农地污染中常见的污染物,主要用于塑料安定剂、涂料及漆类之制造。镉在人体中不易代谢排出,它会累积在人体器官中,主要影响肾脏及骨骼系统。在近年的研究报告中指出,镉是一种具有高度干扰内分泌系统的物质,被列为是一种环境荷尔蒙。文献报告中指出,镉是八种重金属中最容易被植物吸收者,镉在作物中之移性相当大,当镉被作物根部吸收后,容易转移至茎、叶等其它部(Kabata-Pendias and Pendias, 2001;Lin and Chiou, 1990)。植物体内积存过量的镉会影响其生长及代谢(Barber and Brennan,1974)。镉在某些化学特性上与锌、锰相当接近,可以取代锌、锰离子的作用位置,抑制酵素的活性,导致植物体会有枯萎、发黄及矮小等现象(Taiz and Zeiger, 2002)。研究报告中指出,叶菜类作物对于镉的累积能力较高;榖类作物的榖粒对于镉之累积能力较低(Chen et al., 2004)。土壤重金属主要藉由植物对水分、养分的吸收、阳离子交换作用、形成螯合物或经由携带物质由根部吸收进入植物体内(Evanko and Dzombak,1997; Taiz and Zeiger, 2002)。植物根部组织会释放出一些低分子量有机酸,如acetic、oxalic、fumaric、citric 及tartaric acid 等,容易与土壤中的重金属形成溶解性的复合物或螯合物,能够改变重金属的移动性,使植物根部组织容易吸收重金属(Mench and Martin, 1991; Taiz and Zeiger, 2002; Chen et al., 2003)。研究报告指出,重金属在植物根部的累积浓度要较茎叶高出许多,Silene vulgaris 及Elsholtzia splendens 两种植物其root 对铜的累积浓度较shoot 分别高出11 倍及30 倍(Song et al., 2004);Phragmites australis 其根部对铜的累积浓度较shoot 可以高出5 至65 倍(Ye et al., 2003)。根菜类作物如sweet potato (Ipomoea batatas L.)、carrot (Daucas carota L.)及radish(Raphanus sativus L.)其主要食用部位生长于土壤之中,亦属于根部组织,与土壤中的重金属直接接触,重金属可能由食用根部表面直接进入食用根部中。除此之外,食用根部是营养储存器官,重金属可能随着叶部光合作用所合成的养分输送到食用根部储存。因此对于根菜类作物,重金属镉在植体各部位及食用根部的累积吸收情形是否有别于一般叶菜类植物,是本研究要探讨的主题。 二、材料与方法2.1 植物栽种方法 本研究选择甘藷、红萝卜及白萝卜三种经常食用之根菜类植物做为研究对象,探讨其各部位组织对重金属累积吸收能力之变化。三种作物分别栽种于受重金属污染土壤之中。试验用受污染的土壤取自台湾中部虎尾镇一处受镉污染的农田,其土壤中镉的浓度平均为247.4 mg kg-1。一面积约40 m2 的土地,挖去其上方30 cm 深的表面土壤,改填入试验用之镉污染土壤。所有土壤在种植作物前均先添加有机肥进行调理。甘藷的种植选在秋季,采用植苗法,选择先端苗进行栽种,种植时植株的间距约25 cm,栽种50 株。红萝卜及白萝卜采用播种的方式种植,每种作物种植面积各约3 m2,播种个数约600 粒种子,播种时间在秋季9 月,于植株食用根部发育时,株距平均维持在10 cm 以上。 2.2 采样及分析 甘藷于种植后第60 天进行第一次采样,之后每隔20 天采样一次。红萝卜及白萝卜于发芽后每隔20 天采样一次。每次采样均采取三个相同样品进行重复分析,采样方式以平均随机采样方式,使采样植株平均分布在栽种面积中。每个植物样品切分为根、茎、叶及地下可食用根部,分别量测其重量、水分含量及重金属镉含量。重金属镉之萃取采用王水消化法。取3 g 干燥后的样品,先经300,1 个小时的高温灰化后,以3:1 盐酸和硝酸的混合液于室温进行16 小时的消化,经过滤后,滤液再以火焰式原子吸收光谱仪(Variance, AA 220)进行镉浓度分析。 3 三、结果与讨论3.1 重金属镉在植物体各部位组织的累积变化 图1.为甘藷、红萝卜及白萝卜三种根菜类作物在生长期间其各部位组织对重金属镉累积浓度的变化情形,本研究发现三种作物的结果有相当多的共同处,三种作物其各部位组织大都以根部所含的重金属浓度最高,三种作物其根、茎、叶各部位组织的镉含量会随着种植时间而逐渐累积升高,在其地下可食用根部组织开始增长前后,根部组织对镉的累积吸收浓度会达到最高,而茎、叶部的镉含量也随之增加,在三种作物的生长末期,其根、茎、叶各部位组织的质量会有减少的趋势,而其各部位的镉含量会明显的降低。三种作物之地下可食用根部虽直接与土壤接触,亦同属根部组织,但其对镉的累积吸收情形与根部组织不同,虽然其对镉的累积浓度随时间同样有增加现象,但其增长速率较慢,累积浓度与根部组织仍有相当大的差距,其对镉的累积与根、茎、叶各部位镉浓度的消长变化相关,似乎显示大部份的镉是经由根、茎、叶再传输到地下可食用根部,并非直接自土壤中吸收进入。 3.2 镉在食用根部中的累积情形 甘藷、红萝卜及白萝卜三种根菜类植物,其主要可食用根部在污染土壤中对重金属镉的累积吸收情形如图1.所见。镉在三种根菜类植物的食用根部含量随生长时间逐渐的累积增加;白萝卜在80 天左右即可采收食用,其在第80 天时,食用根部组织的镉含量平均为57.5mg kg-1,至第120 天时,其累积浓度平均达89.5 mg kg-1。在三种作物中,红萝卜食用根部对镉的累积浓度最低,在第120 天时,其平均累积浓度为60.1 mg kg-1。甘藷的食用根部在三种作物中对镉之累积吸收能力最强,在栽种第120 天,第一次所采得的样品中,其镉含量平均即高达53.7 mg kg-1,此后随生长时间快速的累积,在第160天时,累积浓度达到最高,平均为137.6 mg kg-1;在第180 天时,平均累积浓度略下降至118.3 mg kg-1,其主要原因据文献中指出(Taiz and Zeiger, 2002),植物在生长末期不会再由根部大量吸收土壤中的水分、养分包括重金属镉,因此会开始出枯黄凋萎的现象。本研究之甘藷在第180 天时,其植株的根、茎、叶各部份已开始枯黄凋萎,根、茎、叶平均质量下降,但食用根部质量仍持续在增长。此时可能因根部对镉的吸收速率已逐渐降低,因此使得第180 天时食用根部的平均镉浓度下降。3.3 食用之安全性 参考世界各国对作物中重金属镉的容许限量,大都在0.05 至1.0 mg kg-1 之间,如德国对蔬菜的容许限值为0.05 mg kg-1,谷物为0.1 mg kg-1 (Chen et al., 2004);日本对稻米的最大容许限值为1.0 mg kg-1 (Asami, 1981),瑞士对蔬菜及水果的容许限值为0.1 mgkg-1(Avigdor, 1987)。本研究所栽种的三种根菜类植物,其食用根部所累积的镉浓度都远超过世界各国对作物之容许限值。依据世界粮食组织(FAO)及世界卫生组织(WHO)所推荐之每日容许之镉摄取量为1 gkg-1(Chen et al., 2004),对一个平均体重60 kg 的人,其每日所能容许摄取之镉量为60 g,以本研究污染土壤所栽种的甘藷、carrot 及radish估算,每人每日所容许之食用量不到1 g,显示其非常不适合食用。四、结论与建议甘薯、红萝卜及白萝卜三种根叶类作物,其食用部位虽与土壤直接接触且同属根部组织, 但其对重金属的累积吸收浓度都低于根部组织。虽然三种作物其地下可食用根部直接自土壤中吸收重金属的能力不高,但经由根、茎、叶的输送累积,其浓度逐渐升高,甘藷在最后采收时,其累积浓度已高达118.3 mg.kg-1;红萝卜为60.1 mg.kg-1;白萝卜为89.5 mg.kg-1,均已远远超过世界各国对作物中镉的容许范围,对食用者的健康将有很大威胁。 五、参考文献Asami, T., Maximum allowable limits of heavy metals in rice and soils. In: Kitagishi, K.,Yamane, I. (Eds.). Heavy Metal Pollution in Soils of Japan. Japan Scientific Society Press,Tokyo, Japan, 1981, pp. 257-274.Avigdor, L.T., Food contaminants: safety and regulatory aspects. Swiss Food 9, 1987, 13-35.Barber, A., Brennan, E., Phytotoxic effects of cadmium. Phytopathology 64, 1974, pp.578-586.Chen, Y.X., Lin, Q., Luo, Y.M., He, Y.F., Zhen, S.J., Yu, Y.L., Tian, G.M. and Wong, M.H.,The role of citric acid on the phytoremediation of heavy metal contaminated soil.Chemosphere 50, 2003, pp. 807-811.Chen, Z.S., Lai, H.Y., Tsai, C.C. and Lee, C.H., Heavy metal concentrations affect cropquality and phytoremediation of heavy metal-contaminated rural soils. In: Ho, C.C., Tzeng,C.C., Yang, J.T. and Wang, S.C. (Eds.). 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