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受污染的綠葉蔬菜變成紫色
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

資料來源:

https://www.growingproduce.com/vegetables/leafy-vegetables/leafy-greens-that-turn-purple-they-might-be-contaminated/

有人可能會說你生病時臉孔看起來有點綠。綠葉蔬菜實際上會變成紫色。雖然對人眼來說並不明顯,但可以通過先進的高光譜成像技術看到。這是不同於某些蔬菜的紫色品種。普渡大學的研究人員發現了受鎘應力的羽衣甘藍和羅勒的顏色變化。鎘是一種對人類和動物健康有毒的重金屬。

新的檢測方法創造了一種土壤改良劑的工作,該改良劑與金屬結合併使其遠離植物,從而提高農產品、嬰兒食品和預製食品中的食品安全性。領導這項研究的普渡大學園藝與景觀建築學教授 Lori Hoagland 很難在植物中看到重金屬應力。我們需要新的工具來實現它。如果我們能夠在植物生長時快速看到並準確量測,我們將能夠更好地開發,能夠隔離有害金屬的土壤改良劑,並在污染到達我們的盤子之前識別它。我們的目標是讓無人機飛越田野,檢測鎘、鉛和砷對植物的應力。

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普渡大學園藝和景觀建築學教授 Lori Hoagland 在她的工作中使用先進的高光譜成像來檢測basil and kale中的有毒金屬應力,以改善食品安全。

更快的技術高光譜檢測比傳統的化學分析技術快得多。它也不需要破壞被分析的植物。從而可以在植物發育的不同階段研究植物和土壤改良劑。

Hoagland 植物的鎘污染被稱為無聲殺手,因為我們看不到它,通常也不會對其進行測試。植物在暴露於高濃度鎘時確實會受到影響,但它們不會枯萎、枯萎或死亡。除非鎘含量超過高標準,否則它們看起來很好。受污染的植物會一直到成熟和收穫。

鎘用於電池,通常與用於肥料的磷酸鹽結合。在世界各地,它和其他來自垃圾和污染的重金屬滲入土壤,並傳播到附近的農場,而農作物吸收它們。攝入高量的鎘會導致腎臟疾病、骨骼問題、癌症和其他健康問題。

它自然存在於許多蔬菜中,濃度很低,但濃度升高可能是有害的。我們特別需要將嬰兒食品中的這些水準保持在較低水準,但這是整個食物鏈中一個日益嚴重的問題。

化學分析

Hoagland Purdue Ag Alumni Seed Phenotyping Facility的一個團隊合作,對數千種不同的波長進行分類,以查看哪些組合顯示出表明金屬對植物的應力的變化。然後他們通過化學分析技術驗證了該方法。

該表型分析設施配備了一套基於成像的高通量植物表型分析系統,這些系統在許多大學中都沒有。表型是生物體的可觀察到的特徵,它源於其遺傳密碼及其與環境的相互作用。它的能力研究人員才剛剛開始利用。

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羅勒植物在普渡大學 Ag Alumni Seed Phenotyping Facility 使用高光譜成像工具。該技術對人眼無法察覺的植物內部變化很敏感。

Hoagland 我進入這項研究只是為了進行測試,不確定它是否適合我的研究。我對它的強大功能以及在短時間內生成的數據量感到驚訝。這些成像技術將幫助我們學習和回答許多科學問題。

在環控環境的表型分析設施中,植物以研究人員選擇的間隔通過輸送帶前往成像站。Hoagland 團隊的研究結果表明,在相同土壤條件下,羽衣甘藍的鎘含量高於羅勒,但羅勒的鎘應力症狀更強。他們還發現。這些植物僅在早期發育中表現出鎘應力。

敏感技術

普渡大學數字表型組學主任Yang Yang高光譜成像,包括了比我們可以看到的紅色、綠色、藍色或 RGB 色帶更多的波段。這項技術對我們肉眼無法察覺的植物內部變化非常敏感。該團隊實施了一種機器學習算法來對數據進行排序和分類。通過我們的雙高光譜相機,我們可以從植物的頂部和側面實現全光譜光學感測。普渡大學的高光譜系統可用於掃描植物,從幼苗到 15 英尺長的玉米稈。這是我們第一次用它來尋找重金屬的應力。這是一個令人興奮的應用,也是一個新的跨學科挑戰。

該團隊首先認為鎘毒性應力對葉綠素產生水準的影響可能是一個指標,他們檢查了綠色光譜。由此產生的顏色變化非常微妙。Hoagland說該團隊通過植物反射光譜中其他部分的其他應力相關變化取得了進展。他們發現由於應力反應導致的代謝物變化,提供了更清晰的應力高光譜信號。

監測應力

觀察這些次生代謝物會發出更強的信號。當使用相應的花青素波長觀察時,植物會出現明顯的'紫色'。所以如果綠色減少而紫色增加,我們就知道植物受到了應力。

Hoagland 和她的團隊評估了植被指數,這些指數是來自不同波長的反射率的組合,已被確定為最適合不同植物特性的高光譜分析。該團隊發現花青素反射指數(ARI)是檢測鎘應力的最佳方法,他們為此開發了一個特定的植被指數比率方程式。他們還開發了一種土壤改良劑,以降低植物吸收的鎘水準。這項工作在《環境污染》雜誌發表的一篇論文詳細介紹。

我一直在開發土壤改良劑以幫助修復環境污染。這些修正劑是生物炭的不同混合物。其中包括有機材料廢物和經過特殊處理的在高溫下燃燒的木屑。這些可以結合重金屬並減少與微生物過程相結合的吸收。秘訣是找到正確的原料和溫度配方。經過測試的配方略微降低了植物中的鎘含量。一種解決方案可能是讓農民簡單地使用更多的修正劑,但是繼續調整和改進配方。

高光譜成像量測鉛和砷

Hoagland還計劃使用高光譜成像方法來尋找鉛和砷的清晰信號。我是一名土壤微生物學家,所以我通常在泥土中。成像技術更多地用於評估植物的乾旱反應或養分,而我的工作則不同。這是工具的新應用,也是工程師和科學家之間的一次偉大合作。

For more information:
Purdue University 
610 Purdue Mall,
West Lafayette, Indiana, USA
www.purdue.edu