Biogeochemistry of Trace elements Chapter 植物對微量元素之忍受及超級累積吸收




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Biogeochemistry of Trace elements

Chapter 8. 植物對微量元素之忍受及超級累積吸收




Biogeochemistry of Trace elements

Chapter 8. 植物對微量元素之忍受及超級累積吸收


陳尊賢

台大農化系 soilchen@ccms.ntu.edu.tw, tel: 2369-8349



Printed on Dec. 5, 2004

  1. Response of plant to conc. of Trace metal

  • Significant relations (good indicator plant)

  • Accumulation (hyperaccumulator plant)

  • Exclusive plant

  1. Tolerant plant

  • 禾本科植物

  • 十字花科植物 (蕃茄、胡瓜、萵苣等)



  1. Hyperaccumulator plant

  • Definition (Brown et al., 1995): Cd>100 mg/kg, Se >1000 mg/kg, Ni, Cu, and Co >5000 mg/kg, Zn and Mg >10,000 mg/kg

  • The conc. of HM in plant is 20-200 times of that of non-hyperaccumulator plants

  • Bioconcentration factor (BCF) (conc. of plant harvested / conc. in soil solution) >1000.

  • 420 species were found (Reeves and baker, 2000)

4. Pb

    • 布袋蓮(Eichhornia crassipes)植物體中可累積25,800mg Pb kg-1 (Muramoto and Oki, 1983)

    • 浮萍(Lemna polyrhiza (L.) Schleid)可累積10,000mg Pb kg-1(Sharma et al., 1995),種植

    • 滿江紅(Azolla pinnata R. Br.)及duckweed (Lemna minor L.)可分別累積7,645及6,662 mg Pb kg-1 (Jain et al., 1990)

    • 向日葵(Helianthus annuus)可累積5,600mg Pb kg-1(Kumar et al., 1995b),

    • 榨菜(Brassica juncea cultivar 426308)則累積34,500mg Pb kg-1,若以生物量以每公頃18公噸計算,則每次收割地上部約可移除620 kg Pb ha-1 (Kumar et al., 1995a)。

      • 十字花科Thlaspi caerulescens是一種著名的植生復育植物,常用於受重金屬污染土壤之植生復育研究,地上部會累積8,500mg Pb kg-1(Brown et al., 1995),Thlaspi rotundifolium亦為一著名之重金屬累積植物,最多可累積8,200mg Pb kg-1(Reeves and Brooks, 1983)。

5. Cd

    • 生長於重金屬濃度為15mg Cd L-1溶液中滿江紅科之Azolla filiculoides可累積大於10,000mg Cd kg-1 (Sela et al., 1989),

    • 生長於10mg Cd L-1溶液中之duckweed (Lemna minor L.)可以吸收13,300mg Cd kg-1,BCF值為1,300 (Zayed et al., 1998),布袋蓮(Eichhornia crassipes)可以吸收6,300mg Cd kg-1,BCF值為2,150 (Zhu et al., 1999a),

    • Muramoto (1983 & 1989)曾測得布袋蓮植物體內鎘濃度分別為10,600及36,000mg kg-1

    • Thlaspi caerulescens在200mg Cd L-1之環境中,地上部可累積1,140mg Cd kg-1,但植物本身會出現生長之毒害,如在未出現生長毒害之情形下,則可累積超過1,000mg Cd kg-1 (Brown et al., 1995)

    • Lombi et al. (2000)發現生長於500μM含鎘溶液之T. caerulescens地上部可累積大於14,100mg Cd kg-1,根部可累積大於28,000mg Cd kg-1

    • Chicory (Cichorium intybus L.)生長在0.5~50μΜ的含鎘溶液中,地上部可以累積10~300mg Cd kg-1,根部可以累積10~890 mg Cd kg-1,而西洋蒲公英(Taraxacum officinale Web.)地上部可以累積20~410mg Cd kg-1,根部可以累積20~1,360 mg Cd kg-1(Simon et al., 1996)。

    • 西洋蒲公英(Taraxacum officinale Web.)葉部亦可以累積砷、銅、鉻、汞、硒及鋅等重金屬,其中以鋅及鎘的量為最多,依地區不同兩種重金屬於葉部之累積量分別為1,049±22mg Cd kg-1及15.2±3.5mg Cd kg-1 (Kuleff et al., 1984),

    • 小麥(Triticum aestivum)在150mg Cd L-1之溶液中,地上部可以累積479mg Cd kg-1 (Brown et al., 1983)。

    • Chen et al. (1997)利用22種花卉及20種苗木種植於桃園縣中福村及大潭村受鎘污染(土壤中濃度約 2-10mg Cd kg-1) 之土壤中試種兩年,結果發現,花卉對於重金屬鎘之移除效果較苗木為佳,種植四週後,繁星花(Pantas lanceolata)、五彩石竹(Diathus chinensis)、雞冠花(Celosia cristata)、非洲鳳仙(Impatiens wallerana)及裂葉美女櫻(Verbena bipinnatifida)葉部之鎘濃度最高可達40~120mg Cd kg-1,若以每公頃種植七萬株花卉,每年種植三次,估計花卉對於重金屬鎘之移除量依序為五彩石竹90g ha-1 yr-1、孔雀草70g ha-1 yr-1、雞冠花56g ha-1 yr-1,而非洲鳳仙及繁星花則分別約為50g ha-1 yr-1

6. Zn

    • Jain et al. (1990)種植滿江紅 (Azolla pinnata R. Br.)及duckweed (Lemna minor L.)於8mg Zn L-1之溶液中,結果發現,滿江紅及duckweed可分別累積4,427及3,698mg Zn kg-1,生長於含重金屬濃度為15mg Zn L-1溶液中之Azolla filiculoides可累積大於6,400mg Zn kg-1 (Sela et al., 1989)。

    • Thlaspi caerulescens為重金屬鋅之超級累積植物,當加入1,000mmol Zn m-3時,T. caerulescens地上部可累積27,000mg Zn kg-1(Zhao et al., 1998)。在水溶液中,T. caerulescens可累積25,000~30,000mg Zn kg-1,且並未出現任何之生長毒害(Brown et al., 1995; Shen et al, 1997),

    • 在含有650mg Zn L-1之環境中,T. caerulescens地上部最多可累積33,600mg Zn kg-1,但植物根部及地上部則出現生長之毒害,如在未出現毒害之情形下,則可累積超過25,000mg Zn kg-1 (Brown et al., 1995),因此可以發現,T. caerulescens在水溶液中可累積25,000~33,600mg Zn kg-1

    • 在存有1,000μM Zn之水溶液中生長,Arabidopsis halleri並未出現任何之生長毒害,且其地上部及根可分別累積32,000mg Zn kg-1及26,000mg Zn kg-1,顯示其具有累積(accumulation)及容忍(tolerance)之特性,最近研究更顯示此兩種特性彼此不相關(Macnair et al., 1999)。

7. Cu

    • Scirpus lacustrisBacopa monnierixu兩植物在5mg Cu L-1之溶液中,其地上部可分別累積1,369及721mg Cu kg-1,而根部可分別累積2,030及3,821mg Cu kg-1 (Gupta et al., 1994),

    • 生長於含重金屬濃度為15mg Cu L-1溶液中之Azolla filiculoides可累積大於9,200mg Cu kg-1 (Sela et al., 1989),duckweed (Lemna minor L.)植物體中可累積300~15,000mg Cu kg-1 (Jain et al., 1989; Sharma and Gaur, 1995; Zayed et al., 1998),

    • 生長於10mg L-1溶液中之布袋蓮(Eichhornia crassipes),植物體之銅濃度可高達6,000~7,200mg Cu kg-1 (Low et al., 1994; Zhu et al., 1999b),百克爬草(Bacopa monnieri L.)則可累積2,500~3,000mg Cu kg-1 (Gupta et al., 1994)。

8. Ni

    • Srivastav et al. (1994)種植Salvinia molestaSpirodela polyrhiza於8mg Ni L-1之溶液中,結果發現此兩種植物可分別累積6,295及4,496mg Ni kg-1生長於含重金屬濃度為15mg Ni L-1溶液中之Azolla filiculoides可累積大於8,800mg Ni kg-1之Ni (Sela et al., 1989)

    • duckweed (Lemna minor L.)亦可累積2,000~5,500mg Ni kg-1 (Jain et al., 1990; Sharma and Gaur, 1995; Zayed et al., 1998)。

    • Alyssum tenium之生物生長量約為23ton ha-1,當Ni之濃度為35mg kg-1時,可移除1.34kg ha-1 (Baker et al., 1994b)。

    • Srivastav et al. (1994)種植Salvinia molestaSpirodela polyrhiza於8mg Ni L-1之溶液中,結果發現此兩種植物可分別累積6,295及4,496mg Ni kg-1生長於含重金屬濃度為15mg Ni L-1溶液中之Azolla filiculoides可累積大於8,800mg Ni kg-1之Ni (Sela et al., 1989)

9. Cr

      • Srivastav et al. (1994)種植Salvinia molestaSpirodela polyrhiza於8mg Cr L-1之溶液中,發現此兩植物可分別累積6,417及5,714mg Cr kg-1

      • Gupta et al. (1994)則發現Scirpus lacustrisBacopa monnieri在5 mg Cr L-1之溶液中,其地上部可分別累積163及93mg Cr kg-1,而根部可分別累積739及1,600mg Cr kg-1

      • Lytle (1996b)指出,生長於10mg Cr L-1溶液中之布袋蓮(Eichhornia crassipes),其BCF值為1,823,在Lytle (1998)之研究更顯示,生長於10mg Cr L-1溶液中之布袋蓮根部可累積4,890~5,970mg Cr kg-1

      • 布袋蓮、香蒲科之cattail (Typha latifolia)、莎草科之saltmarsh bulrush (Scirpus maritimus)及禾本科之長芒棒頭草(Polypogon monspeliensis)更可將Cr(Ⅵ)轉換成低毒性之Cr(Ⅲ),

      • Zayed (1998)及Zhu (1999a)則指出,布袋蓮及duckweed可分別累積3,951及2,870mg Cr kg-1

      • 布袋蓮之生物質量大(106~165 ton ha-1 yr-1),且對鉻之累積量高,因此適合用於受鉻污染水體之植物復育。

      • 生長於5mg Cr L-1溶液中之bacopa及bulrush兩種植物可累積3,200mg Cr kg-1 (Gupta et al., 1994),蓼科之smartweed (polygonum hydropiperoides Michx.)根部可累積2,980mg Cr kg-1 (Qian et al., 1999)。



10. 植物復育技術之改良

      • 這些植物常因植物體或生物質量過小,而使得所吸收之重金屬總量不高,因此植生復育常需花費長時間。針對植生復育之缺點可於土壤中適時加入螯合劑如EDTA等,以增加重金屬之生物有效性,進而增加植物吸收量,或經由基因工程改造,將微生物體內可忍受高濃度重金屬之基因如merA等移入植物體中,增加對於重金屬之忍受力(Rensing, 1992)。

      • 由於鉛在土壤中之移動性、可溶性及生物有效性皆低,植物體內由根部到地上部之傳輸小於30﹪,增加植物吸收鉛之最有效方法為加入土壤改良劑或螯合劑。

      • Brassica spp.為一重金屬之累積植物(Kumar et al., 1995a; Ebbs et al., 1997; Dushenkov et al., 1995; Guo et al., 1995),如B. juncea, B. nigra, B. napus, B. rapa, B. oleracea, B. carinata等可累積多種重金屬,在加入氮及磷等營養源之條件下,可移除1,200mg Cd kg-1,當加入土壤改良劑Gro-Power後,移除效率提升至0.22%。

      • Blaylock et al. (1997)以10 mmol kg-1之比例加入螯合劑EGTA到鎘污染土壤後,榨菜(Brassica juncea)地上部累積之鎘由220mg kg-1上升至2,800mg kg-1T. caerulescens在加入氮及磷之條件下,可移除0.10﹪之Cd,當加入土壤改良劑Gro-Power後,移除效率提升至0.15﹪。T. caerulescens可在受500mg Zn kg-1及20mg Cd kg-1污染之土壤中生長良好,當加入EDTA後,土壤溶液中之鋅濃度由2.0mg L-1上升至12.2mg L-1,而植物體中之鋅濃度由0.58%上升至1.07% (Luo et al., 2000)。

      • 鈾污染土壤植物復育可利用加入有機酸促進其有效性,Huang et al. (1998)加入檸檬酸到受鈾污染之土壤中,由於檸檬酸可降低pH值,因此Brassica chinensisBrassica juncea地上部累積之鈾可由小於5mg kg-1上升至5,000mg kg-1以上,且檸檬酸價錢低廉且可迅速分解成為二氧化碳及水,避免造成二次污染問題。

      • 加入土壤改良劑Gro-Power可有效改良土壤之結構及降低pH值,因此可使T. caerulescensBrassica spp.所移除之鋅加倍,B. juncea, B. rapaB. napus地上部可移除大於6,600mg Zn kg-1

      • Huang et al. (1996)加入HEDTA至鉛污染土壤中,經過一週後,土壤溶液中鉛之濃度由16.7μM上升至19,000μM,玉米(Zea mays L. cv. Fiesta)地上部鉛含量由40mg kg-1增加至10,600mg kg-1,地上部與根部鉛之比例也由0.2上升至1.2。

      • Huang et al. (1997)添加EDTA, HEDTA, DTPA, EGTA及EDDHA等螯合劑到鉛污染土壤(總鉛含量2500mg kg-1),其中又以EDTA之效果最佳,種植於加入EDTA處理土壤之豌豆(Pisum sativum L. cv. Sparkle)地上部鉛含量由50mg kg-1增加至11,000mg kg-1,在加入EDTA後24小時,玉米(Zea mays L. cv. Fiesta)地上部鉛含量增加140倍,而鉛由根部至地上部之傳輸增加120倍。

      • Wu et al. (1999)添加EDTA、HEDTA、DTPA及HBED等螯合劑到重金屬污染土壤中,觀察螯合劑對於植物吸收重金屬之影響,結果發現,EDTA可增加玉米(Zea mays, Pioneer)地上部之鉛濃度由小於100mg kg-1至500mg kg-1,而HBED則可增加根部之鉛濃度由小於1,000mg kg-1至大於2,000mg kg-1

      • Blaylock et al. (1997)加入螯合劑EDTA到Pb污染土壤後(土壤總Pb含量600mg kg-1),榨菜(Brassica juncea)地上部累積之鉛可由10,000mg Pb kg-1上升至16,000mg Pb kg-1,而當加入EGTA時,地上部累積之鎘可由220mg Cd kg-1上升至2,800mg Cd kg-1,在加入螯合劑後短時間內,植物地上部中鉛濃度會迅速增加,因此在短時間內便可以加以收割,減少重金屬在植物體內長期之累積之風險。

      • Kayser (2000)以NTA (Nitrilotriacetate)及元素態硫 (S8)作為土壤改良劑,結果發現,加入NTA後土壤溶液中之鎘、鋅及銅可分別增加81、44及10倍,而S8則可分別增加土壤溶液中之鎘及鋅35及8倍,但對於植物體中累積之重金屬則僅增加2~3倍。部分植物可吸收大量土壤中之重金屬,並可以藉由植物對土壤之包覆減少風及表面逕流等之侵蝕,但其復育所需之時間較長。


11. 結論

      • 可以分解或是吸收大量之污染物之植生復育植物已有數百種,在水溶液中,此種移除之效果更為明顯,但對於土地利用而言,利用植生復育技術復育受污染之土壤所需時間仍過長,通常為數十年至數百年之時間

      • 經由添加螯合劑雖可以增加土壤溶液中污染物之濃度,進而促進植物之吸收及累積量,但多數之螯合劑與污染物之錯和物為水溶性且不易被微生物分解,因此若操作不良,容易隨降雨等因素進入地下水體中,進而使污染範圍擴大,

      • 利用基因工程技術轉殖可忍受污染物之基因至生物質量較高之植物中,雖然可使植物對於污染物之忍受能力增加,但對於污染物之吸收累積量則十分有限,甚至呈現下降之現象,因此未來須篩選更適宜之土壤改良劑或是生物分解較為迅速、水溶性較低之螯合劑,並對於超級累積植物吸收累積污染物之機制加以深入研究,使基因工程技術更能有效發揮,以提升植生復育技術之成效。




陳尊賢


台大農化系



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