研究动机与研究问题Word格式.docx

1、 人類飼養蟋蟀已有數百年的歷史，蟋蟀不論是在歷史、醫藥、飲食或娛樂的文化上都佔有著一席之地。在過去蟋蟀是農田裡常見的生物之一，但隨著農地大規模的開發以及農藥、化學肥料的大量使用，導致現在的農田已很難見到蟋蟀的蹤跡。蟋蟀是一種對生活環境相當注重的昆蟲，食用新發的嫩芽（葉），喝乾淨的露水，生長的環境若受到破壞亦或是改變都會導致其大規模死亡。翻閱相關文獻，重金屬污染對土壤生態影響之研究多數都以蚯蚓為指標，在國內似乎仍找不到以蟋蟀為指標之相關文獻。研究者家住霧峰農村務農，小時候都是在蟋蟀的鳴叫聲中入眠，農村的生活環境與經驗讓我對蟋蟀有著特殊情感，也熟知蟋蟀之飼養方法，因此本研究想以蟋蟀為指標，探討鉛污

2、染對土壤生物-蟋蟀生態風險之影響。研究問題另外也透過統計分析了解各種鍵結型態的鉛與蟋蟀生長情形及生物吸收有效性間之相關性。3、 文獻回顧與探討3-1土壤重金屬鉛污染特性土壤鉛污染在美國超級基金污染場址中數量位居第二高，污染來源包括金屬冶煉及採礦過程，另外爐渣廢棄物、廢電池回收、肥料、農藥、汽機車排氣及生活污水污泥等也都是造成土壤鉛污染的主要來源（Israr and Sah, 2008）。台灣有多處受鉛污染場址，如台中市東門里進玉化工污染場址因爐渣的棄置造成土壤鉛污染；在台中縣烏日鄉同安厝段有多筆農田也都遭受鉛污染，其主要污染初步判斷為鉛冶煉製程藉由空氣及水等媒介造成。重金屬在土壤中的存在型態，

3、影響其移動性及毒性，因此Tessier（1979）認為以土壤中的重金屬總量訂定土壤污染管制標準或以重金屬總量評估其對環境或生物的危害是不恰當的。因此國內外近年的研究開始針對土壤中重金屬的型態依其移動性或生物有效性（bioavailability）進行分類。生物有效性萃取程序有以氯化鈣（CaCl2）、醋酸銨（NH4OAc）、硝酸銨（NH4NO3）、DTPA及EDTA等進行萃取（Kabala and Singh, 2001）。Davies et al. （2003）研究顯示土壤中鉛的生物有效性和DTPA 所萃取出之土壤鉛濃度無顯著相關，與土壤溶液中的鉛含量相關性較高。連續萃取法近年常被廣泛應用於測

4、定土壤中重金屬的鍵結型態，可用來評估土壤中重金屬的移動性及生物有效性。其中以Tessier et al. （1979）提出之序列式萃取法最廣泛被應用，Tessier et al. （1979）將存在土壤中的重金屬分成五種型態，分別為可交換態（Exchangeable）、碳酸鹽鍵結態（Bound to Carbonates）、鐵錳氧化物鍵結態（Bound to Iron and Manganese Oxides）、有機物鍵結態（Bound to Organic Matter）及殘留態（Residual）。土壤中之重金屬以可交換態被生物吸收的機制最為肯定，此外碳酸鹽鍵結態及有機物鍵結態也被認為是生

5、物較可能容易吸收的型態，而以鐵錳氧化物鍵結態及殘留態被生物吸收的能力最低。Pichtel et al. （2000）研究美國超級基金鉛污染場址，土壤中鉛的含量平均為55,480 mg/kg，以碳酸鹽鍵結態比例最多，占41.6%；硫化物/殘留態及有機物鍵結態分別占28.6 及 16.7%。含鉛酸性電池棄置場中鉛平均含量為29,400 mg/kg，以有機物鍵結態及碳酸鹽鍵結態分布比例最多，分別占48.5及42.5%。在國內，蘇（2003）針對五種受不同重金屬污染之土壤進行逐步萃取分析，結果顯示鉛以碳酸鹽鍵結態及鐵錳氧化物鍵結態居多。翁（2005）分析彰化縣大埔地區受鉛污染農地土壤，鉛以殘留態及鐵錳

6、氧化態存在為主；賴（2003）針對台灣兩個場址進行鉛型態分析，鉛全量濃度分別為721及 1413 mg/kg，鉛主要集中在鐵錳氧化物鍵結態。諸多的研究皆顯示鉛在土壤中大都以不可溶解的沉澱態存在，為生物較難吸收的型態（McBride, 1994; Adriano, 2001; Shen et al., 2002）。因此本研究探討土壤鉛污染對蟋蟀生態風險之影響，除分析土壤中鉛之全量，也要針對鉛在土壤中之存在型態進行分析，透過統計分析，了解各種型態的鉛含量對蟋蟀之影響。3-2 生態風險評估 目前在國內已將健康風險評估的概念逐步引入土壤及地下水污染整治的相關決策工作，但對於土壤生態風險上的考量仍未有具

7、體的重視。生態風險評估（Ecological risk assessment; ERA）概念的提出至今將近有30年（Hope, 2006），其目的主要用來評估污染物質對物種群落所產生的負面影響風險（Solomon and Sibley, 2002）。Lukkari et al. （2004）指出重金屬在土壤中之行為會隨時間及土壤的性質而改變，以化學分析方法來評估土壤重金屬污染對生物的風險，確實並不客觀。以化學和物理方法分析土壤中重金屬的含量及分布情形，無法提供重金屬的生物有效性及重金屬在食物鏈間轉移的訊息Morgan and Morgan （1988）。Lanno et al. （2004）指

8、出，唯有生物指標可以評估生物對重金屬曝露量及毒性效應。土壤生態風險評估的指標訂定近年來在文獻上有相當多的探討。良好的生物指標應需具備以下之特性：（1）在土壤生態系中具有重要的功能；（2）廣泛的分布於土壤生態系中； （3）敏感度適中，不能在污染物濃度極低的情況下就死亡；（4）受污染物影響下會產生毒性反應（response），且此反應易於評估；（5）在不同的環境條件下，對污染物的反應仍具有再現性 （Hopkin, 1993）。蚯蚓被認為是土壤生態風險評估相當具代表性的指標之一，在國外近年來有相當多的文獻（如Harmon and Wyatt, 2008；Bleeker and van Gestel,

9、 2007； Hankard et al., 2005；Lanno et al., 2004）都以蚯蚓做為土壤污染的指標生物，在國內也有黃（2000）、梁（2004）等人以蚯蚓做為指標生物進行探討。Dai et al.（2004）及Morgan and Morgan （1992）採集重金屬鉛及鋅污染土壤的蚯蚓（Aporretodea caliginosa 和Lumbricus rubellus），發現居住在表土的蚯蚓品系（A. caliginosa）體內所累積的重金屬比深居型蚯蚓（L. rubellus）多。蚯蚓累積土壤重金屬的能力會依蚯蚓品系不同而異。Morgan and Morgan（19

10、90）分析Lumbricus rubells 品種蚯蚓，發現鉛主要累積在身體後部之消化管中；Homa et al.（2005）指出鉛的毒害使蚯蚓的體腔細胞（coelmocytes）數目顯著減少；過量之重金屬會降低蚯蚓的再生能力以及精蟲數目（Neuhauser et al.,1984; Spurgeon et al.,1994; Cikutoric et al., 1993）。Davies et al. （2003）研究顯示，硝酸鉛（Pb（NO3）2）在濃度為3125 mg kg-1 時對蚯蚓（Eisenia fetida）生長會有影響，碳酸鉛（PbCO3）及硫化鉛（PbS）濃度在12500 m

11、g kg-1 下仍對蚯蚓無害。Malecki et al.（1982）以醋酸鉛及氯化鉛探討鉛對蚯蚓（Eisenia fetida）繁殖的影響，發現當鉛含量高於5000 mg kg-1 時便會產生抑制效應。3-3蟋蟀的特性 蟋蟀古名叫促織，台灣俗稱為肚猴或土伯仔。全世界已知的蟋蟀種類估計約有3,000種，臺灣地區約有80多種。蟋蟀在生物分類學上屬節肢動物門的昆蟲綱直翅目螽斯亞目蟋蟀總科，依其棲所分為地棲性、草棲性、樹棲性三大類。蟋蟀一生大致可分成卵期、幼生期、成蟲期三個階段。蟋蟀生命期的長短，需視溫度而定，溫度越高的環境下，生長情形越好，發育越快，生命期就越短；冬天溫度低，生長變慢，生命期就較長

12、。在台灣平均每隻蟋蟀約可活4至6個月不等。蟋蟀為雜食性動物，是直翅目中食性最廣的昆蟲。在野外，主要以植物的嫩芽、嫩葉及根為食，尤其喜歡吃各種蔬菜及果實。對農業而言，蟋蟀應該算是一種害種，但在中國的歷史、文化、娛樂、醫療甚至飲食而言，蟋蟀卻是有著重要角色。自古蟋蟀常常是人類的寵物，如唐朝開元天寶遺事記載：宮中秋興，妃妾輩皆以小金籠貯蟋蟀，置於枕畔，夜聽其聲，庶民之家亦效之；鬥蟋蟀在中國已經有很久的歷史，常常是人類茶餘飯後的餘興；蟋蟀也是中藥之一，可用來入藥，有利尿，破血，利咽等功效，可用來治療水腫，小便不通，尿路结石，肝硬化腹水，咽喉腫痛等症狀。而今蟋蟀已成為蟲食性爬蟲飼養上最主要的昆蟲食物，在

13、一般爬蟲店或水族店均有出售。 蟋蟀大多在入秋之後開始交配，但只要在食物、水及高溫的環境下蟋蟀便會不停交配。牠們的天然居所就是濕潤的泥土。母蟋蟀尾部有一條長長的產卵管。在交配完後，牠會選擇較鬆軟、濕潤的土壤，或植物的莖中，將產卵管插入其中產卵。通常母蟋蟀一次產卵會有約125127個洞，而同一個洞中可排數個卵，共計約500顆。蟋蟀的飼養可以木箱或塑膠箱進行，可以提供新鮮的蘋果、番薯、蘿蔔、青瓜 或嬰兒吃的米糊做為飼料，最重要一點要保持土壤濕潤。四、研究方法與步驟不同鉛污染濃度土壤的製備第二種方式將以人工方式配製不同鉛污染濃度土壤，以確保土壤各項參數之致性。現地不同污染濃度鉛污染土壤之採集，本研究目

14、前已在台中市烏日區找到一處鉛污染農地，其整塊農地土壤都相當的均勻，經過XRF篩測後發現不同區塊的土壤其鉛濃度有當大的差異，濃度分布從10000 mg/kg到低於土壤污染管制標準以下都有。因此本研究將以本場址土壤做為現地污染土壤來源，預計採取五種不同濃度範圍同壤進行蟋蟀飼養，濃度分別為200 mg/kg、1000 mg/kg、3000 mg/kg、6000 mg/kg及10000 mg/kg。 土壤採回後將先進行土壤中鉛全量及可交換態、碳酸鹽鍵結態、鐵錳氧化物鍵結態、有機物鍵結態、殘留態五種型態鉛含量測定，並分析土壤特性，包括含水率、酸鹼值、陽離子交換容量、有機質含量及土壤質地等。若遇有土壤特性

15、明顯差異，且其特性屬可調理者則進一步調理使其土壤特性之差異減少。人造方式之不同鉛污染濃度土壤之製備將於上述之同一場址採取同一區塊未受鉛污染之土壤（鉛濃度小於200 mg/kg），於實驗室添加氯化鉛或醋酸鉛水溶液，配製成鉛含量為200 mg/kg、1000 mg/kg、3000 mg/kg、6000 mg/kg及10000 mg/kg五種濃度之土壤。土壤特性分析 土壤基本性質分析包括含水率、酸鹼值、陽離子交換容量、有機質含量及土壤質地等，主要依照環檢所公告之標準檢驗方法及中華民國土壤肥料學會之土壤分析手冊進行分析檢測。水分測定採重量法（NIEA S280.61）進行，取10 g風乾之樣品於烘箱內

16、，以105 5乾燥測定。酸鹼值測定方法（NIEA S410.61C）取20 g的樣品加入20 mL的去離子水，攪拌靜置後以玻璃電極量測上層澄清液pH值。陽離子交換容量測定採醋酸鈉法（NIEA S202.60A）進行，稱取4.0 g風乾樣品置於離心管中，先以醋酸鈉溶液進行離子交換再以醋酸銨溶液將鈉置換出，以原子吸收光譜儀測定溶液中鈉離子濃度測得CEC。土壤有機質含量測定採用重鉻酸鉀滴定方法（土壤分析手冊，中華民國土壤肥料學會，1993），取0.5 g經35 mesh（0.5 mm）篩過後的土壤，放入500 mL錐形瓶中，加入10 mL 1 N重鉻酸鉀搖晃均勻，再加入20 mL濃硫酸，待冷卻後加入

17、100 mL去離子水及5 mL磷酸（H3PO4）。加入二苯胺（Dipheny Larmine）指示劑2滴，以硫酸亞鐵（FeSO4）溶液滴定至顏色由灰藍色變成綠色，計算其有機質含量。土壤粒徑分析以濕式篩選先分離砂粒（20.053 mm）再以重力沉降法分離坋粒（0.0530.002 mm）及黏粒（0.002 mm）。重金屬存在型態分析主要依據Tessier（1979）所提出之序列式萃取方法，並參考土壤分析實驗手冊（李、陳，2007）方法修正，將存在土壤中的重金屬分成五種型態，分別為可交換態（Exchangeable）、碳酸鹽鍵結態（Bound to Carbonates）、鐵錳氧化物鍵結態（Bou

18、nd to Iron and Manganese Oxides）、有機物鍵結態（Bound to Organic Matter）及殘留態（Residual）。可交換態之重金屬以MgCl2萃取定量；碳酸鹽鍵結態之重金屬以NaOAc萃取定量；鐵錳氧化物鍵結態重金屬以NH2OHHCl萃取；有機物鍵結態重金屬以HNO3和H2O2混合液及NH4OAc萃取定量；殘留態重金屬則是以王水（HNO3、HCl 混合液）萃取。各型態重金屬萃取液以原子吸收光譜儀進行定量。土壤重金屬鉛全量分析根據環檢所之標準方法，土壤重金屬檢測方法王水消化法（NIEA S321.63B）進行萃取，配合火焰式原子吸收光譜儀進行定量，取3

19、 g乾燥後的樣品，先經300，1個小時的高溫灰化後，再以3：1鹽酸和硝酸的混合液於室溫進行16小時的消化，經過濾後再以火焰式原子吸收光譜儀進行重金屬濃度定量分析。蟋蟀的飼養針對不同濃度的現地及人工配置之鉛污染土壤，本研究將在相同飼養及管理條件下進行蟋蟀飼養試驗，分析不同鉛污染濃度土壤中蟋蟀之繁殖能力、生長狀況，以及蟋蟀質體內之鉛蓄積情形，藉以評估鉛污染對蟋蟀生態之影響。飼養方法如下：（1） 飼養箱將選用一般之置物箱，大小約為30 cm 20 cm 15 cm，分別於置物箱上、周圍鑽打細孔，以利通氣。將配製好的各種鉛濃度土壤均勻混合後，分別填入不同的飼養箱中。（2） 蟋蟀將從水族館購得，選擇品種

20、相同、體型大小及活力相當的蟋蟀做飼養，每個飼養箱平均飼養14隻蟋蟀，包括7隻公蟋蟀7隻母蟋蟀。（3） 每個飼養箱每日提供相同的食物包括水果及蔬菜等，另外保持每個飼養箱內之土壤有相同之濕潤度。（4） 每隔6個月，清點一次各飼養箱內之蟋蟀數目，量秤各飼養箱內蟋蟀之大小、質量，並分析蟋蟀體內重金屬鉛含量。（5） 飼養期間隨時觀察蟋蟀活動力及外觀差異，若遇有死亡情形，量測其屍體內重金屬鉛含量。蟋蟀質體含鉛量分析參考土壤重金屬全量分析方法。進行步驟（1） 進行現地污染及未污染土壤樣品採集。（2） 進行土壤特性分析，包括:重金屬鉛全量及可交換態、碳酸鹽鍵結態、鐵錳氧化物鍵結態、有機物鍵結態、殘留態五種型態

21、鉛含量，以及含水率、酸鹼值、陽離子交換容量、有機質含量及土壤質地等。（3） 進行現地鉛污染土壤調理，使土壤特性除鉛濃度外盡量趨近。（4） 進行人造鉛污染土壤配製。（5） 蟋蟀飼養箱配置包括鑽孔、土壤填充、水分調理等。（6） 選購蟋蟀，並進行放樣。（7） 蟋蟀飼養，觀察蟋蟀生長狀況、活動情形、食物消耗量，死亡率等。遇有死亡情形，採集屍體觀察其死亡原因及進行體內重金屬含量檢測。（8） 飼養6個月後，進行各飼養箱內蟋蟀數量分析，並採集樣品分析蟋蟀質體內之鉛含量。（9） 將各飼養箱復原，繼續蟋蟀之飼養及觀察。（10） 進行統計分析，分析土壤鉛全量及各種型態鉛含量與蟋蟀繁殖能力、生長情形及蟋蟀質體內鉛蓄

22、積濃度之相關性。五、預期結果（1） 可了解土壤中鉛含量對蟋蟀繁殖能力、生長情形及質體內鉛累積之影響及相關性。（2） 可分析影響蟋蟀繁殖能力、生長情形及質體內鉛累積濃度之鉛存在型態，此結果可做為土壤污染管制標準訂定方式檢討之參考。（3） 可比較現地污染土壤與人造污染土壤，鉛之存在型態及對蟋蟀生態風險之差異。六、參考文獻梁容鐘，以蚯蚓生長及生殖評估土壤重金屬污染之可行性研究，碩士論文，國立中興大學土壤環境科學系，2004。黃俊仁，土壤中鋅和鎘對蚯蚓毒性和生質量的影響，碩士論文，國立中興大學土壤環境科學系，2000。陳宜清，生態風險評估之內涵、方法及應用，碩士論文，大葉大學環境工程學系，2002。A

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