孔雀草-具有植生復育潛能之鎘累積植物簡介

本文收錄於臺大農業推廣通訊雙月刊93期

文/國立臺灣大學農業化學系 洪傳揚副教授

鎘是一種重金屬,對於大部分的生物而言,鎘是非必需元素,且具有高度毒性。地表中鎘的含量原本相當少,但近年來由於採礦冶煉、工業廢水不當排放,及廢棄物的滲漏,導致鎘的汙染日益嚴重。鎘在水中的溶解度極佳,水若遭受汙染,水中的生物易經由汙染的水吸收而累積鎘,土壤若遭受鎘汙染,土中的鎘也容易為植物攝取,進入食物鏈中,對人類產生危害。受到重金屬汙染之土壤,一般會利用固化法、土壤酸洗法和翻土稀釋法等方法處理,將土壤重金屬之濃度降低至符合法規標準。這些傳統方法,除成本高之外,也破壞土壤之基本性質及土壤品質,而經整治後之土壤往往需加以適當之地力回復處理,方可使農地繼續耕作。

和傳統方法相比較,利用植生復育技術進行土壤重金屬的移除,是一個成本較低,且對環境較為友善的方法。植生復育需要擁有生質量高及重金屬累積能力強的植物,將重金屬由土壤吸收,運送至地上部,以達到移除的目的。不同的植物對重金屬耐受性皆不同,「超累積植物」具有累積高濃度金屬於地上部的能力,且不會出現明顯毒害症狀的植物,是用來進行植生復育的最佳植物。超累積植物需具有 4 種特性:(1) 高累積能力:超累積植物的地上部必須能累積超過正常植物 100 倍金屬濃度,對鎘而言,地上部鎘濃度至少要超過 100 mg/kg。(2) 高生物累積係數:超累積植物地上部與土壤中的金屬濃度比值需大於 1。(3) 高轉運係數:超累積植物地上部與根部的金屬濃度比值需大於 1。(4) 高耐受度:超累積植物在一定金屬濃度的環境下,沒有明顯的毒害症狀。目前已經發現許多種鎘超累積植物,包括遏藍菜 (Thlaspi caerulescens)、堇菜 (Viola baoshanensis)、鼠耳芥 (Arabidopsis halleri)、東南景天 (Sedum alfredii Hance) 和龍葵 (Solanum nigrum) 等。這些鎘超累積植物都能在地上部累積高濃度的鎘,但是大都具有生長緩慢及生質量小的缺點。因此,尋找擁有高生質量、生長快速、耐受性好與適應力強的鎘超累積植物,將對於受鎘汙染土壤的植生復育有很大的助益。

圖一、孔雀草對環境適應性強、生長快速、易栽培、花色鮮艷、常做為花壇植物,圖中深橙色花為孔雀草,黃色花為萬壽菊。(攝於臺大校園)

圖二、利用孔雀草進行田間重金屬吸收評估試驗。(陳尊賢教授提供)

為了找尋適合在臺灣生長並兼具觀賞價值的鎘累積植物,本系陳尊賢與李達源兩位教授於 1997 年在臺灣中部及北部鎘汙染區利用十數種國內觀賞用花卉,進行鎘吸收試驗(圖一及圖二),發現孔雀草的鎘累積量相當高,在外加鎘的土壤盆栽試驗中結果亦顯示,生長於添加 20 mg/kg 鎘的土壤中 35 天後,地上部鎘累積可高達 66.3 mg/kg。孔雀草 (Tagetes patula) 屬於菊科 (Compositae),萬壽菊屬 (Tagetes) 的一年生雙子葉植物,植株高度介於 30-50 公分間,生長溫度範圍為 15-30 ℃,種子經種植後約 45-70 天後開花,依品種及氣候而有所不同。孔雀草原生於墨西哥和尼加拉瓜,適合生長於有充足陽光及排水良好之土壤中,與萬壽菊 (Tagetes erecta) 是近親,親緣關係相近。孔雀草具有對環境適應性強,生質量大的特性,相較於一般鎘超累積植物,每株孔雀草地上部乾重比其他已知鎘超累積植物高了 2-5 倍之多,同時由於其根部會分泌毒殺線蟲的物質-三聯噻吩 (alpha -terthienyl),對根腐線蟲及根瘤線蟲的防治具有相當好的效果,可作為天然的殺蟲劑,因此,在歐美常做為作物栽培之間作或敷蓋作物。

為了瞭解孔雀草在鎘逆境下的生理反應,我們建立了孔雀草的水耕培養系統,並評估其吸收與耐受鎘之潛力,我們發現孔雀草可以生長在含有 10 μM 氯化鎘的水耕液中 3 週而不影響其生長(圖三),反之,50 μM 氯化鎘處理就會造成孔雀草生長遲緩、株高明顯降低、葉片下垂、葉片變黃,且根系發展受到抑制並有明顯褐化壞死的現象。在鎘累積量方面,10 μM 氯化鎘處理 14 天後,根部累積鎘濃度為 594 mg/kg,下位葉、上位葉及莖部的鎘累積濃度皆大約為 400 mg/kg;經 50 μM 氯化鎘處理後,地上部的鎘濃度為 632 mg/kg,根部鎘累積濃度則高達 5,363 mg/kg。

圖三、孔雀草具有耐鎘能力。孔雀草栽培於含有不同濃度氯化鎘水耕液培養 3 週後之生長狀況。

孔雀草不但具有高生質量、高環境適應性、易栽培、根系旺盛等的優點,又具有毒殺線蟲、美化景觀的優點,另外,選用孔雀草進行鎘汙染土壤之復育,除了不必考慮環境適應問題外,其為非食用作物,更不需擔心汙染進入食物鏈之問題,因此,極有潛力實際應用在鎘汙染土地之植生復育。

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