Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Cadmium (Cd) is a nonessential heavy metal that can be toxic to living organisms
even in small amounts. Cd occurs naturally in all type of soils but have also been
added trough soil amendments and atmospheric fallout.

Cd can cause osteoporosis, endometrial cancer, and can accumulate in liver and kidneys
where it causes damage if the intake is too large. Non-smokers are exposed to
Cd mostly by eating vegetable-based food. To be able to plan the reduction of Cd in
food, soil with high respectively low levels of Cd must be identified. Therefore, it´s
of great value to develop simple and cost-effective methods of measurement.

The purpose of this degree project was to evaluate the possibility of using a portable
x-ray fluorescence instrument (PXRF) to be able to estimate the content of Cd in
the topsoil in a fast and cheap manner. The method was tested in different scales, on
national and local levels, in winter wheat and soil samples to evaluate what it takes
for the instrument to provide the correct data. PXRF measuring as a method to map
Cd at a regional level was tested on soil samples from a national material with existing
soil and grain analysis collected from several different geographic areas. This
was supplemented with sampling and analysis of soil and grain from two conventional
agricultural fields in Skåne, one with expected high content of Cd and one
with expected low content. It is not possible to measure Cd directly with PXRF,
since the Cd levels in arable land normally are so low that the instrument cannot
detect them. Therefore, a couple of other elements were measured both on a national
and local level. The difference between measurements on dry and moist soil was
also studied. PXRF-data were used to estimate the Cd content of the soil samples
with regression analysis and the estimated value was validated by comparing it to
laboratory data. The elements that were used in the regression analysis (Zr, Sr, Rb,
Zn, Fe, Mn, Cr, V, Ti, Ca, K och Ba) were those who were measurable with PXRF
on all samples.

The results show a clear pattern on how the Cd level in soil correlates with elements
that are analyzed with PXRF, for example zinc and vanadium, which makes it possible
to develop a general model to predict Cd content in soil. This means that it is
possible to estimate the content of Cd in soil by measuring other elements, in a fast
and rather cheap way. There is also a correlation, albeit weaker, between elements
measured by PXRF on soil samples and the content of Cd in the grain. No obvious
differences were found when comparing measurements on moist and dry soil.
This could lead to the development of better factual basis to be used when developing
action packages that in the extension can result in methods to decrease the content
of Cd in products that are used in food.

Kadmium (Cd) är en icke essentiell tungmetall som kan vara toxisk för levande organismer redan i låga halter. Cd finns naturligt, i olika mängder, i alla jordar men har också tillförts historiskt genom gödsling och atmosfäriskt nedfall. Cd kan orsaka benskörhet, cancer i livmoderslemhinnan och lagras i lever och njurar där ämnet kan orsaka skada om intaget är för stort. Icke rökare får i första hand i sig Cd genom kosten, främst genom vegetabiliska livsmedel, som tagit upp Cd från marken. För att kunna planera åtgärder för att minska innehållet av Cd i livsmedel måste jordar med hög respektive låg kadmiumhalt identifieras. För detta ändamål är det av stor vikt att utveckla enkla och kostnadseffektiva mätmetoder. Syftet med detta examensarbete var att utvärdera möjligheten att använda ett handburet röntgenfluorescensinstrument (PXRF) för att kunna skatta Cd-halten i åkermarkens matjord på ett snabbt och billigt sätt. Metoden testades i olika skalor på jord- och höstveteprover insamlade i olika geografiska områden på lokal och regional nivå. Metoden testades på jord- och grödprov, dels från den rikstäckande miljöövervakningen, dels från två utvalda konventionellt brukade fält i Skåne, ett med förväntat höga Cd-halter och ett med förväntat låga halter.

Det går inte att mäta Cd direkt med PXRF, då Cd-halterna i åkermark normalt är så låga att de ligger under detektionsgränsen. Därför mättes ett antal andra grundämnen på både nationellt och lokalt material. Det undersöktes även om det var någon skillnad om mätning utfördes på torr eller fuktig jord. PXRF-data användes för att skatta provens Cd-halt med hjälp av regressionsanalys och det skattade värdet validerades genom att jämförelse med labanalysdata. De ämnen som användes i regressionsanalysen (Zr, Sr, Rb, Zn, Fe, Mn, Cr, V, Ti, Ca, K och Ba) var de som gick att mäta (dvs. få ut värden som låg klart över detektionsgränsen) med PXRF på samtliga prov.

Resultaten visade att det finns ett tydligt mönster för hur Cd i marken korrelerar med de ämnen som kan mätas med PXRF, som exempelvis zink och vanadin. Det innebär att det går att skatta Cd-halten i jord med mätning av andra grundämnen med PXRF med stor precision på ett snabbt och ganska billigt sätt. Det finns också samband, om än svagare, mellan Cd-halt i kärnan och ämnen som uppmätts med PXRF på jordprov. Inga tydliga skillnader i resultat fanns vid jämförelse av mätningar på torr och fuktig jord.

Detta kan leda till att bättre faktaunderlag kan tas fram och som kan användas när åtgärdspaket utformas för att minska halten Cd i livsmedel.