بخشی از مقاله
مقدمه
حفاظت از منابع آب امری است که باید مورد توجه قرار گیرد زیرا حیات و تداوم تمامی فعالیتهای انسانی در گرو این منابع می باشد. اما امروزه بسیاری از منابع آبی در اثر بیتوجهی و بی مبالاتی بشر و همچنین با پیشرفت تمدن و توسعه فناوری و ازدیاد جمعیت، در معرض آلودگی قرار گرفته اند. با اینکه منابع
آب زیرزمینی کمتر از آبهای سطحی دچار آلودگی میشوند اما با این حال این منابع نیز از گزند آلودگی از جمله فلزات سنگین مصون نمانده و در بسیاری از نقاط جهان، با این پدیده مواجه شدهاند. آبهای زیرزمینی نقش مهمی را در زندگی انسان از جمله تامین مصارف خانگی، صنعتی، کشاورزی و غیره ایفا مینمایند و آلودگی این منابع قطعا صدمات جبران ناپذیری را به چرخه مواد در طبیعت و البته به محیط زیست وارد میآورد. اهمیت آلودگی این منابع زمانی
83
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×بهار 91، شماره 3، جلد 1
کاملا احساس می شود که ما از این واقعیت که آبهای زیرمینی تنها 0/635 درصد یعنی کمتر از 1 درصد از تمامی ذخایر آبی را به خود اختصاص داده اند، اطلاع داشته باشیم(اختری، .(1385از آن جا که همواره مسئله پیشگیری از ورود آلودگی به درون منابع آبی، بهترین گزینه برای کمک به تامین آب با کیفیت مناسب برای یک منطقه است، محققان همواره در تلاش برای بهبود این راهکار میباشند. اما به علت حرکت کند آب های زیرزمینی سالها طول میکشد تا آبهای آلوده در محل خروج منابع آب زیرزمینی، ظاهر گردند و روی همین اصل، پس از حذف منبع آلودگی نیز سالهای زیادی لازم است تا آبخوان آلوده شده به حالت نخستین برگردد. این موضوع در نقاطی از دنیا مانند ایران که در اقلیم خشک و نیمه خشک قرار دارد و تنها 0/002 درصد از منابع آب جهان را دارا می باشد، با هزینههای گزافی همراه است و از نظر اقتصادی، صدمات زیادی را به کشور وارد میآورد. در نتیجه، بحران آب در چند دهه اخیر، انسانها را به تلاش در جستجوی راهی برای استفاده همه جانبه از منابع آبی وادار میسازد. یکی از راهکارها، انتخاب روشهای مناسب و کم هزینه در حذف و یا تبدیل آلودگی از منابع آبی است تا بتوان ازآنها که در حال حاضر آلوده هستند، استفاده نموده و منابع آبی قابل استفاده را افزایش داد. بسیاری از منابع آبی در کشور ایران نیز، همپای بسیاری از کشورهای جهان با پدیده آلودگی روبهرو بوده و سلامت و بهداشت محیط زیست و انسانها را در معرض خطر قرار داده است و علاوه بر آن محققان را واداشته تا در جستجوی راهی برای حذف آلودگی از این منابع باشند. از منابع آبی که دارای چنین وضعیتی میباشند میتوان به چشمههای گرو، در استان خوزستان اشاره کرد که آب آنها در نهایت وارد کارون، پر آبترین رود ایران میگردد.
معرفی منطقه موردمطالعه
چشمههای گرو در تاقدیس آسماری واقع شده اند که این تاقدیس، با رخنمون آهک آسماری به صورت رشته کوه مرتفعی در شمال شرق خوزستان، در جنوب شرقی مسجدسلیمان در49 درجه و 30 دقیقه تا 49 درجه و 45 دقیقه عرض جغرافیایی و 31 درجه و 33 دقیقه تا 31 درجه و 48 دقیقه طول جغرافیایی قرار دارند(شکل .(1 سازند پابده ( ائوسن- الیگوسن) قدیمیترین سازندی است که در منطقه مورد مطالعه رخنمون دارد و بر روی آن به ترتیب سازند آهکی آسماری، سازند گچی و مارنی گچساران، سازند آهکی -مارنی میشان، سازند ماسه سنگی - مارنی آغاجاری به همراه بخش لهبری، سازند کنگلومرای بختیاری و نهشتههای آبرفتی کواترنر قرار میگیرند(درویشزاده، .(1370از ساختارهای زمین شناسی موجود در منطقه نیز میتوان به گسل آسماری و تاقدیس آسماری اشاره کرد که نقش مهمی را در وضعیت کمی و کیفی منابع آبی منطقه بر عهده دارند.چشمههای کارستی گرو در یال شمال غربی تاقدیس آسماری واقع هستندو از آبخوان آهکی آسماری منشا میگیرند. بر اساس تحقیقات زراسوندی ومیرزایی (زراسوندی و میرزایی، (1387تکامل تاقدیس در یال شمال غربی در مرحله میانی توسعه مجاری کارستی قرار دارد.
84
اهمیت بررسی این چشمهها از این نظر است که آب آن پس از ورود به رودخانه شور تمبی و همراه با آن وارد کارون شده و کیفیت آن را تحت تاثیر قرار میدهند. بنابراین حذف آلودگی از این منابع کمک مهمی به کیفیت کارون و به تبع آن انسانهای درگیر با این منابع میباشد.
مواد و روشها نمونهبرداری وآنالیز دستگاهی
با توجه به بازدید از چشمهها و مشاهده آثار نفتی در منطقه(شکل (2، به منظور بررسی وضعیت این چشمهها از نظر عناصر اصلی و فرعی، ابتدا از چشمههای گرونمونهبرداری صورت گرفت. چشمههای گرو نزدیک به هم و در فاصله حدود 10 الی 20 متری هم قرار دارند و در جهت جریان و از بالادست رودخانه تمبی به سمت پایین دست g6، g5، g4، g3، g2 و g1 نامگذاری گردیدند. برای تعیین غلظت آنیونها و کاتیونها از دستگاه کروماتوگرافی یونی مدل Compact IC 761 دارای دو ستون آنیونی و کاتیونی استفاده شد. حجم تزریق نمونه آب برای سنجش آنیونها 100 l و برای کاتیونها 10 l بوده و قبل از هر بار تزریق، نمونه مورد نظر با استفاده از کاغذ صافی، صاف گردید تا از ورود مواد زاید به دستگاه و هر گونه خطای دستگاهی جلوگیری شود. به عنوان کنترل آب دوبار تقطیر (آب دیونیزه شده) نیز با کاغذ صافی صاف و مورد آنالیز قرار گرفت. برای تزریق نمونه به دستگاه از سرنگ همیلتون و فیلترهای 0/45 میکرومتر استفاده شد. فاکتور های pH، EC، Eh و دما در محل نمونه برداری با دستگاههای پرتابل و در آزمایشگاه به صورت آزمایشگاهی بررسی شدند.به منظور سنجش فلزات سنگین در نمونههای آب نیز از روش اندازه گیری ICP )OESدستگاه طیف سنجی تابشی با منبع پلاسمای جفت شده القایی)استفاده شد که این سنجش توسط سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی در تهران انجام گرفت. خلاصه نتایج حاصل از سنجش پارامترها به وسیله دستگاه کروماتوگرافی یونی و دستگاه سنجش Eh و pH در جدول (1) نشان داده شده است. همانطور که در این جدول مشاهده میشود، مقدار pH چشمه های گرو، بالاتر از 7 و قلیایی و Eh آنها منفی یعنی احیایی میباشد. همچنین این آبها از نظر درجه سختی در رده آبهای بسیار سخت قرار میگیرند. مقدار متوسط هدایت هیدرولیکی این چشمه ها، 5167 ʽs/cm است که جزو آبهای با شوری بالا محسوب میشوند.همچنین نتایج حاصل از آنالیز ICP نشان داد که در چشمه های گرو غلظت فلزات نیکل و وانادیم بیش از استاندارد آب زیرمینی است(.(WHO, 2003 از دیگر عناصری که همراه با نیکل و وانادیم دارای غلظت بالایی در آب چشمههای گرو می باشند، آرسنیک و آهن است.
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×بهار 91، شماره 3، جلد 1
×شکل .1 نقشه زمینشناسی منطقه مورد مطالعه
شکل .2 خروج نفت از چشمههای مورد مطالعه در منطقه
85
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×بهار 91، شماره 3، جلد 1
جدول .1 خلاصه اطلاعات کیفی آب دهانههای چشمه گرو
پارامتر حداقل حداکثر میانگین انحراف معیار
pH 7/40 8/02 7/67 0/26
Eh -42/8 -9/6 -27/86 15/18
هدایت هیدرولیکی((ʽs/cm 4440 5390 5167 345/58
کل جامدات محلول((mg/l 2886 3503 3260 224/46
سختی کل((mg/l 648 846 762 77/39
درجه حرارت Cœ 23/8 28/20 26/78 1/58
غلظت فلزات سنگین در نمونه های آب
وجود نیکل و وانادیم که از عناصر موجود در شورابههای نفتی هستند، نشاندهنده این موضوع است که آب چشمههای گرو تحت تاثیر الودگی ناشی از شورابههای نفتی قرار گرفته اند. همچنین بر اساس شکل (3) ، غلظت آرسنیک
و آهن نیز در آب این چشمهها بالا میباشد. عنصر آرسنیک از شبه فلزات کمیاب در پوسته جامد زمین، چهاردهمین در آب دریا و دوازدهمین در بدن انسان است((Mandal and Suzuki, 2002 که در بیش از 245 ماده معدنی یافت میشود. این ماده معدنی بیشتر در مواد حاوی گوگرد، مس، سرب، نیکل، کبالت وجود دارد. طبق تحقیقات انجام شده، مصرف آب آلوده به آرسنیک در دراز مدت، سلامت انسانها را به خطر انداخته و موجب بروز انواع سرطانها(کلیه، کبد، پوست، طحال) و ضایعات پوستی (کراتوزیس و پیگمانتاسیون) میشود(.(National Research Counci, 2001 یکی از عواملی که سبب ورود آرسنیک به درون آبها میشود، هوازدگی سنگها است که سولفید آرسنیک را به تری اکسید آرسنیک تبدیل میکند و در برخی مکانها آلودگی آرسنیک در آبها، ناشی از سازندهای زمین شناسی و شرایط تکتونیکی منطقه است. اما به نظر میرسد مهمترین عاملی که سبب بالا رفتن غلظت آرسنیک در منابع آبی منطقه شده است، در ارتباط با فعالیت باکتریهاست. با توجه به شرایط احیایی محیط چشمه، باکتریها سبب احیا شدن آرسنات به آرسنیت و آزاد شدن آرسنیک به صورت آرسنیت در آب زیرزمینی میشوند. این باکتریها انرژی مورد نیاز خود را از اکسایش مواد آلی
به دست میآورند. نمونه ای از مواد آلی مذکور، مواد آلی مرتبط با هیدروکربنهای نفتی(PROMs)1 هستند(رضایی، (1384 که وجود آنها در اطراف مظهر چشمهها و در داخل خود چشمهها اثبات شد. اکسایش این مواد و احیای اکسی هیدروکسیدهای آهن سبب آزاد شدن آهن و آرسنیک از یک سو
و آزاد شدن عناصر تشکیل دهنده ماده آلی (مثلا در مورد مواد هیدروکربنی آزاد شدن نیکل و وانادیم) از سوی دیگر میشود(دورانی، .(1387 به این ترتیب بالاتر بودن غلظت فلزات نیکل و وانادیم در آب چشمه گرو از مقدار استاندارد
1- Petroleum Related Organic Matters
طبیعی وابسته به فعالیت باکتریها در این محیط و نشاندهنده آلودگی آنها به وسیله شورابههای نفتی میباشد که همین امر عامل ایجاد آلودگی خطرناک آب چشمهها به فلز آرسنیک شده است. خطرات ناشی از بالا بودن مقدار آهن بسیار کمتر از عنصر آرسنیک است. امروزه اثرات زیانبار ناشی از فلز آرسنیک سبب شده تا بشر در فکر توسعه روشهایی باشد که بتواند آن را از محیط منابع آبی حذف کند. در سالهای اخیر فرآیند جذب بیولوژیکی و استفاده از میکروارگانیسمهایی مانند جلبکها، قارچها، باکتریها و مخمرها به عنوان جاذب فلزات سنگین مورد تاکید قرار گرفته است که در این پژوهش اثر باکتری ها در حذف فلز آرسنیک مورد بررسی قرار می گیرد.
جداسازی ایزولههای باکتری از آب آلوده در منطقه
برای جداسازی باکتریها، از منبع آب آلوده چشمه های گرو استفاده شد. ابتدا نمونههای باکتری از این منابع آلوده جداسازی گردیدند. اساس کار در جداسازی باکتری از منبع آلودگی، استفاده از روش رقیق سازی پیاپی( Serial (dilution بود. برای این منظور 1 ml از آب آلوده منطقه در لوله A که حاوی 9 ml آب مقطر استریل بوده، ریخته شد. سپس از 1 ml از لوله A به لوله B که حاوی 9 ml آب مقطر استریل بود، انتقال یافت(رقت (10 -2 و به این ترتیب رقتهای مختلف از آب تهیه گردید.
کشت میکروبی و شناسایی باکتریهای مقاوم نسبت به فلز آرسنیک
برای تکثیر و جداسازی باکتریهای مقاوم، مقدار 100 l از مایع حاوی باکتری(لولههای حاوی رقتهای مختلف تهیه شده از آب آلوده در مرحله قبل)برداشته شد و در سطح محیط کشتی با ترکیبات زیر پخش شد. یک لیتر از این محیط حاوی 3 گرم MgSO4، 3/5 گرم استات سدیم، 1 گرم عصاره مخمر، 1 گرم NH4Cl، 0/5 گرم K2HPO4 و آگار 1/5 درصد بود که به صورت یک محلول با 7 PH با آب دو بار تقطیر دیونیزه شده تهیه گردید. در ادامه برای غنیسازی محیط، NaHAs(O4) با غلظت 1 mMبه عنوان تنها منبع آرسنیک در فلاسکهای آزمون به کار رفت(.(Atlas, 2005 تعداد 10 پلیت حاوی محیط کشت بالا مورد استفاده قرار گرفت. در این تحقیق به منظور ایجاد تک کلنی و
86
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×بهار 91، شماره 3، جلد 1
تفکیک بهتر باکتریها، از روش کشت سر شعله استفاده شد. در نهایت پلیتها به انکوباتور با دمای 30 C انتقال یافته و به مدت 24 ساعت در آن جا نگهداری و کلنیها و میزان رشد آنها مورد بررسی قرار گرفت(شکیبایی و همکاران، .(1387
بررسی جذب فلز آرسنیک((As توسط باکتری مقاوم
به منظور مطالعه میزان جذب آرسنیک، باکتریهایی که بیشترین رشد را در پلیتهای حاوی فلز آرسنیک داشتند، به ظرف حاوی 50 ml محیط کشت مایع با غلظت 1 mM تلقیح و سپس به مدت 24 ساعت در انکوباتور با دمای 30 C قرار داده شدند. در محیط کشت مربوطه 2 gr/l کریستال ضعیف آهن(PCIO)3 نیز وجود دارد که منبع آهن است. به منظور تهیه PCIO، FeCl3.H2O در آب حل میشود تا غلظت نهایی 0/4 مولار تهیه گردد. همزمان با همزدن این محلول، به صورت قطرهای 10 NaOH مولار تیتر میشود تا pH به 7 برسد. اصولا حتی به صورت لحظهای هم نباید pH به بالای 7 برسد زیرا اکسید آهن تشکیل میشود که بسیار غیر قابل دسترس خواهد بود. همزدن محلول برای 30 دقیقه ادامه می یابد تا از تداوم ثبات pH مطمئن شویم. به منظور حذف کلر از محلول، به مدت 15 دقیقه، با دور 5000، سانتریفوژ را برای این محلول انجام دادیم و سپس محلول رویی را دور ریخته و به رسوب اکسید آهن((III آب اضافه و دوباره سانتریفوژ میکنیم. این عمل 6 بار تکرار می شود. در آخرین شستشوی آبی، اکسید آهن((III را به حجم نهایی 400 میلیلیتر میرسانیم. به این ترتیب کریستال ضعیف آهن تشکیل میشود. همزمان با این محیط، یک محیط بدون PCIO و یک محیط بدون آرسنیک نیز به عنوان شاهد تهیه شدند. پس از رشد مناسب باکتری در این محیط، چند لوپ از آن برای بار دوم به ظرف محیط کشت دیگری با همان غلظت، تلقیح شد. این عمل سه بار تکرار شد. سپس از ظرف مربوط به تکرار سوم، دو نمونه ساعت )192نمونه (1 و ساعت )216نمونه (2را جهت آنالیز آماده سازی نمودیم. به این ترتیب که مایع رویی از فاز زیست توده جداسازی گردید. به منظور جداسازی این دو فاز، از ظرف محیط کشت،10 ml برداشته و در لوله اپیندرف به مدت 8 دقیقه در دور 5000 rpm سانتریفوژشد. سپس مایع رویی توسط نمونه گیر از زیست توده محلول جدا و برای آنالیز فاز توسط روش طیف سنجی جذب اتمی(فاز محلول) و SEM-EDS (زیست توده)استفاده گردید.
بحث و بررسی
برای نمایش وضعیت کیفی آب چشمه های گرو، به صورت نموداری ابتدا نتایج آنالیز وارد نرم افزار AqQa شد. پس از ورود داده ها به نرم افزار، نمودارهای پایپر (شکل (4 ترسیم گردید. نمودار پایپر برای تعیین تیپ آب و وضعیت شیمیایی آن در محدوده مورد مطالعه کاربرد دارند.بر اساس نمودار پایپر تیپ آب در چشمههای گرو از نوع سدیم-کلروره است که نشان دهنده
یک منشا عمقی برای آنها و بالا بودن غلظت سدیم و کلر در آب این چشمهها میباشد. با توجه به وجود گاز سولفید هیدروژن در آب چشمههای گرو که از روی بوی تخم مرغ گندیده و مزه آب قابل تشخیص است و تیپ آبی آن که از نوع کلروره سدیک میباشد، میتوان به شرایط خاص این چشمهها پی برد. بر طبق شکل (5) غلظت کلر در آب برخی از دهانههای چشمه بیشتر از غلظت سدیم می باشد که این پدیدهای عادی به نظر نمیرسد. از طرف دیگر شرایط چشمههای گرو از نظر پتانسیل اکسید و احیا و دمای آب نشان از حالتی غیر از چشمههای کارستی دارد. با توجه به نتایج بررسیها، پیچیدگی خاصی در ارتباط با وضعیت شیمیایی این چشمه ها وجود دارد که از آن جمله میتوان دخالت شورابههای نفتی را نام برد. زراسوندی و میرزایی (1387) یک فرض ساده را برای توجیه رفتار هیدروشیمیایی چشمههای گرو بیان کرده اند به این ترتیب که احتمالا آب بیکربنات کلسیک غالب در سیستم فراتیک بالایی آبخوان کارستی، در مجاورت دماغه شمال غربی تاقدیس با شورابه نفتی بالارونده از طریق گسلهای امتدادی موازی با گسل عمقی آسماری مخلوط شده و باعث رخداد رخساره هیدروشیمیایی کلروره سدیک ، تغییر پتانسیل اکسیداسیون-احیا و تغییر نسبت مولی سدیم به کلر در چشمههای گرو شده است. برای بررسی این موضوع از نسبت سدیم به کلر که توسط لئونارد و وارد((Leonard and Ward, 1962 برای تمایز شورابههای نفتی از شورابههای حاصل از انحلال هالیت پیشنهاد شد، استفاده گردید. محققانی همچون (Leonard, 1972)، (Geogel, 1981)، (Serigne et al., 2005) و ( Donald, (2007 جهت تمایز شورابههای نفتی و هالیتی از این نسبت استفاده کردهاند. بر طبق نظر این محققین اگر چنانچه این نسبت کمتر از 0/6 باشد شوری آب دارای منشا نفتی و در غیر این صورت دارای منشا هالیتی است(شکل .(6 نتایج آنالیزها نشان داد که چشمه های 3،1 و 4 گرو حاصل شورابههای نفتی بوده و سایر دهانههای آن حاصل انحلال هالیتی می باشند. این شورابهها احتمالا حاصل اثر گسل عمیق آسماری می باشند که تا مخزن نفتی بنگستان نفوذ نموده و آنها را تا دهانه چشمه گرو بالا آورده است. همچنین گاز H2S ناشی از ترکیبات سولفوری موجود در شورابهها میباشد که طی زمان زیاد اقامتش در اعماق، اکسیژن خود را از دست داده اند. این ترکیبات پس از احیا شدن توسط گسلهای عمقی به سطح زمین و به داخل چشمههای گرو وارد و شرایط احیایی آن ها را سبب شده است. یکی از تاثیرات مهم شورابههای نفتی بر روی کیفیت منابع آب، بالا رفتن غلظت برخی از فلزات سنگین در آنها میباشد. بنابراین به منظور ارزیابی نهایی از تاثیر شورابهها در منابع آب گرو و تمبی، غلظت فلزات سنگین در این منابع را مورد بررسی قرار گرفت.
