植物吸收重金屬之機制

植物可經由吸收累積之過程來移除土壤中之重金屬，利用植物處理 受金屬污染土壤之復育工作稱為植生復育，phytoremediation。植生復育 法之主要機制包括有：（一）植物萃取法(phytoextraction)；(二)植物穩定 法(phytostabilization)；(三)根部濾除法(rizofiltration)。植物萃取法係由植 物根部吸收土壤中污染物(重金屬及有機物)，將及傳輸至植體各部位累 積，經過一段時間吸收後，將植體移除處理，一般以焚化或掩埋為主要 之處理措施，期間需評估植物生長速率及收割時間，避免植體死亡，造 成重金屬再釋出於環境之。植物安定化係透過植物根部組織作用，將有 機物及重金屬濃縮、重金屬吸附於根部等。以減少污染物之生物有效性 (bioavailability)及傳輸性，讓污染物可進一步在環境中分解或於空中揮 發。根部濾除法係使用植體根部吸收、濃縮廢水中之重金屬。根部過濾 效果最為明顯係禾本科植物，其根部具有快速生長及擁有較大之表面 積。一般而言，為提昇植生復育之效率應選擇具高重金屬吸收率、高累 積於易收割部位，且能生長迅速並具有高生物量之植體種類（賴, 2004；

Garbisu and Alkorta, 2001）。植生復育對於污染物降解需花較長時間改 善，及對植栽定期收割暨後續處理處置需求等，不及一般工程整治技術 快速有效率，然而植生復育法較傳統物化處理整治技術經濟且屬於生態 工法可達到資源永續利用。

圖2.1、植物吸收重金屬之示意圖

2.3.2 植生復育之優缺點

植生復育主要優點為：（一）只需處理收成後之植體而非土壤本身，

而且無需將土壤整個挖除。（二）可以就地處理污染物質，在人口稠密之 地區也不會有因搬運造成暴露之危險。（三）在處理過後比較不會破壞土 壤原有性質與生態。（四）它除了可以去除重金屬之外，也可以用來清除 有機物像是農藥、原油、多環芳香烴碳氫化合物及掩埋之滲出物質等。

（五）植生復育法使用費用較便宜，亦可在污染場址上造景，這都是大 部分民眾可以接受。（六）植生復育法可同時適用於受有機及無機污染之 土壤，且較不易破壞土壤結構與質地。

表2.2、植生復育技術之優缺點

優點 缺點

花費低廉 整治時間長

土壤穩定化 深層土壤無法處理

可在原地實施 只能處理中低濃度

生態棲地的提供 水質淨化的功能

氣候影響植物生長及整治成效

2.3.3 植生復育之植種選擇

目前國內研究之去污植物，最常見為蘆葦、香蒲、布袋蓮、水芙蓉 等。其中蘆葦及香蒲為人工濕地常用除污植種，其植物具有增生迅速且 對重金屬吸收良好及具有耐污性，故以蘆葦及香蒲種植於受重金屬污染 之土壤中，應具有不錯之效益。

而台灣缺乏自主能源，高達九成以上仰賴國外進口，當油源日漸枯 竭，國際上爭搶能源的情況將更為激烈，迫使油價高漲，台灣有必要自 行研發新技術，生產生質能源，不僅有助於提高自產能源的比例，亦能 活化大面積休耕之農地，為台灣農村創造就業機會，開創台灣新能源產 業經濟。故若能由可提煉生質能源之植種向日葵、油菜、大豆及甘藷等 中，找尋具有高累積重金屬之植種，對於受重金屬污染之場址及生質能 源之提供具有雙重效益。故挑選油菜及向日葵作為吸收重金屬之植種。

故植體選擇以常見去污植物蘆葦、香蒲為主及具有提煉生質能源之植種 向日葵及油菜，進行植生復育之實驗。

2.3.3.1 向日葵

向日葵為菊科一年生草本植物，俗稱葵花、太陽花，其學名為 Helianthus annuus，俗名為 sunflower，向日葵植株高度約為 0.5~5.0 公尺，

少數甚可高達12 公尺以上，於 2000 年世界栽培面積已超越 2200 百萬公 頃，並與大豆、落花生及油菜同列為世界四大食用油料作物。而向日葵 具有生長快速特性及吸收重金屬之能力，對受污染之土壤可由大量種植 向日葵吸收重金屬進行復育 (謝, 2002)。國外學者 Meers et al. (2005) 經 實 驗 結 果 發 現 ， 添 加 易 生 物 分 解 之 螯 合 劑 EDDS ([S,S]-ethylene diaminedisuccinic acid)對於向日葵莖葉之重金屬鋅、銅及鎳累積具提升之 效果，且對於重金屬銅鎳更有大幅提升之趨勢；添加不易生物分解之螯 合劑EDTA 對於重金屬鋅鎳之吸收有增加之效果，而添加 NTA 對於鎳則 有不錯之提升。

2.3.3.2 油菜

油菜為十字花科之草本植物，學名為 Brassica campestris，俗名為 Chinese cabbage，一般可分為大油菜與小油菜兩種。其中以大油菜之種子 含油量高，為主要推廣品種。由行政院科學國家委員會，發現其他具有 重金屬高累積植物，在熱帶地區之重金屬高累積植物以大戟科為主，而 溫帶地區則係以十字花科為高累積重金屬植物，許多十字花科的植物可 聚積超過1%的鎳，有些則可累積超過 1%的重金屬鉛及 3%的重金屬鋅。

經國內林等(2005) 由盆栽實驗結果發現若依據生質量及重金屬之吸收量 選擇重金屬累積植物，以油菜、紅莧、野莧、白莧之效益最高。油菜種 植於土壤重金屬銅鋅濃度為 314 及 271 mg/kg，油菜銅鋅累積量分別為 30.1 及 79.2 mg/kg。

2.3.3.3 香蒲

香蒲為香蒲科多年生草本、挺水性水生植物，學名為 Typha latifolia，

俗名為cattail，又可稱為水蠟燭，其名稱由來則係因為會有圓柱形穗狀花 序。地下莖匍匐泥中；地上莖圓柱直立；葉身細長深綠，自葉基部成鞘 狀。香蒲為溼地常見之植種且國內學者常探討之。賴等(2005) 研究香蒲 對於重金屬鉛、鎘及砷之吸收及吸附能力，結果顯示香蒲對於此三種重 金屬均具有一定之吸收效果，總攝取量以鎘最高，鉛次之而砷最少，重 金屬累積量分別為120、110 及 50 mg/kg，且重金屬亦主要係累積於根部。

以電子顯微鏡觀察其構造，結果顯示香蒲之輸導組織均具有大表面積，

可能係香蒲對於重金屬具良好吸收效果之原因。而葉等(2006) 探討香蒲 種植於重金屬銅鋅含量為16.57±1.43 mg/kg 及 96.04±9.97 mg/kg 土壤中，

其植體重金屬累積量為33.19±25.06 mg/kg 及 92.22±58.33 mg/kg。影響植 物吸收重金屬之效益，應與土壤之重金屬銅鋅鍵結有關，若土壤弱鍵解 比例較高則有利於植物之吸收。

2.3.3.4 蘆葦

蘆葦為禾本科多年生草木，高約 1~3 公尺，生長於灌溉溝渠旁、河 堤沼澤等地，學名為 Phragmites communis，俗名為 reed。蘆葦之植株高 大，地下根莖發達，葉片 2 公分寬，葉舌 1 公厘長，蘆葦花朵為圓錐花 序，雌雄同株，花序長約15~25 公分，小穗長 1.4 公分，為白綠色或褐色，

每一小穗由3 朵小花組成，花序最下方之小穗為雄，其餘均雌雄同花。

蘆葦對於都市廢水之重金屬具去除之功效，Vymazal et al. (2007) 於 溼地系統利用蘆葦作為植栽去除水體重金屬。植體重金屬累積量各部位 濃度趨勢依序為根>地下莖>葉>莖。人工濕地蘆葦根、根莖、莖及葉重金 屬鋅累積量依序為76、21、38 及 22.1 mg/kg，這與自然溼地淨化系統之 蘆葦累積趨勢相似，重金屬鋅累積量分別為 61.3、22.7、11.6 及 20.3 mg/kg。但在重金屬銅累積方面就有明顯之提升，在人工濕地中蘆葦，根、

根莖、莖及葉重金屬累積量依序為30.8、33、4.9 及 19.1 mg/kg，而自然 溼地蘆葦銅累積量則為 28、4.6、10.1 及 7.3 mg/kg，相比之下人工濕地 蘆葦對生活污水重金屬銅吸收量是有明顯增加。Southichak et al. (2006) 植體中之木質素及纖維素具有高吸收水體金屬離子之能力，而蘆葦是由 高木質素及纖維素組成，故蘆葦對於水體重金屬具有良好之吸附能力。

2.4 提升植生復育之螯合劑介紹及運用實例

以植生復育整治受重金屬污染之土壤，植物應挑選具備超量吸收重 金屬能力、快速之生長率及生物質量大。而土壤底泥之性質與重金屬之 鍵結型態，即重金屬之生物有效性，亦影響植生復育之效益。故可添加 螯合劑以改變土壤之鍵結型態，增其植物對重金屬累積量。

而常用之土壤萃取劑為 EDTA (ethylenediamineteteraacetic acid)、

DTPA (diethylene triamine pentaaceticacid)、NTA (nitrilotriacetic acid)、

EDDS、檸檬酸、葡萄酸、草酸、醋酸及磷酸等。其中以 EDTA、DTPA 及檸檬酸較為常用，而NTA 乃因研究指出為一種致癌物質而不被推薦使 用 (Peter, 1999)。

2.4.1 乙二胺四乙酸(EDTA)

EDTA 分 子 量 為 292.24 ， 化 學 式 為 (HO₂CCH₂)₂NCH₂CH₂N(CH₂CO₂H)₂，結構式則如下圖 2.2 所示，價錢大 約在每公斤為2100 元。

圖2.2、EDTA 結構式

EDTA 為一種有機螯合劑，無色晶體，比重 1.665，在 240℃下分解，

稍溶於水與鹼金屬氫氧化物中和形成水溶性鹽類，毒性低 (張, 2005)。國 外學者Pastor and Aparicio (2007) 之實驗結果發現，利用 EDTA 及 DTPA 兩 種 螯 合 劑 對 於 廢 銅 礦 場 植 物 Agrostis castellana 及 Corrigiola telephiifolia 吸收重金屬具提升之效益，於植體 A. castellana 分別添加水、

EDTA 及 DTPA 進行植體吸收重金屬比較，植體銅累積量為 27、1494 及 622 ppm，鋅則為 68、94、75 ppm，對於植體 C. telephiifolia 則重金屬銅 累積量分別為41、3420 及 493 ppm，鋅為 61、71、60 ppm，使用 EDTA 對於植體重金屬吸收效率較添加DTPA 之植體佳。而 Komarek et al. (2007) 利用螯合劑 EDTA 提升種植玉蜀黍及白楊樹吸收重金屬吸收之效益，高 濃度組土壤重金屬鉛濃度為1360 ppm，低濃度組濃度則為 200 ppm，由 螯合劑萃取土壤重金屬以EDTA 比 EDDS 萃取率佳，EDTA 對重金屬鉛 萃取率有 60%。於高濃度組玉蜀黍對重金屬鉛吸收有好之效益，添加 EDTA 濃度分別為 0、3、6 及 9 mmol，玉蜀黍鉛累積量分別為 86.1、202、

259 及 365 mg/kg。而白楊樹較適合種植於低濃度重金屬土壤中，添加 EDTA 濃度為 0、3、6 及 9 mmol，鉛之吸收量則為 5.84、5.34、7.14 及 10.2 mg/kg。添加 EDTA 有助於白楊樹生長，其原因為 EDTA 之添加可 助於白楊樹所缺乏重金屬鐵之吸收。而Luo et al. (2006) 因實驗結果發現 土壤中鈣與鉛互為競爭吸附，土壤中鈣離子濃度會影響 EDTA 對於重金 屬鉛之萃取。

2.4.2 三乙四胺五乙酸(DTPA)

DTPA 分 子 量 為 393.35 ， 化 學 式 為 [(HOOCCH₂)₂NCH₂CH₂]₂NCH₂COOH，結構式則如圖 2.3 所示，價錢大約 每公斤為4700 元。

圖2.3、DTPA結構式

學者Conesa and Faz (2007) 於西班牙廢棄礦區以添加螯合劑DTPA提 升植體紅鞘草Hyparrhenia hirta及Zygophyllum fabago重金屬累積量；先比 較以DTPA萃取土壤重金屬之效果，結果以鉛萃取效率最高，其次為鋅，

銅則最差，萃取率依序為7%、5%及 1%，而以添加水對於土壤重金屬鉛

銅則最差，萃取率依序為7%、5%及 1%，而以添加水對於土壤重金屬鉛