بخشی از مقاله
حذف عنصر مس از آب و خاک آلوده توسط گياهان
چکيده
يکي از مهمترين توجهات در قرن اخير حفاظت از کيفيت محيط زيست است . آلودگي محيط زيست از چنـدين دهه قبل به عنوان يک مشکل جدي در سر تا سر جهان شناخته شده است . آلاينده هايي نظير فلـزات سـنگين به راحتي در محيط انتقال و تجمع مي يابند. عنصر مس علاوه بر اينکه يک عنصر ضـروري جهـت تغذيـه گيـاه بوده و نقش مهمي در فرايند هاي متابوليکي ايفا مي کند، در غلظت هاي بالا مي توانـد اثـر منفـي بـر محـيط زيست ، گياهان و حيوانات داشته باشد. معادن ، فعاليت هـاي صـنعتي، کشـاورزي و پسـماندهاي حاصـل از آن ، فاضلاب ها و ديگر فعاليت هاي بشري از مهمترين عوامل گسترش آلودگي مس در آب و خاک مي باشد.
فناوري پالايش آلودگي ها از آب و خاک بويژه در مورد فلزات سنگين حاصل از فعاليت هاي مختلف بشـري بـا محوريت گياه ، گياه پالايي يا پالايش سبز نام دارد. اين روش به نسبت ارزان و دوست دار محيط زيست به ديگر روشهاي پاکسازي آب و خاک ارجحيت دارد. در ميان جمعي از گياهان پالاينده عنصر مس مي تـوان بـه گيـ ه خردل هندي Brassica juncea با توانايي تجمع ١.٦١ درصد مس از ١٥٠ ميلي گرم مس در هر کيلو گـرم خاک در ريشه خود و همچنين عدسک آبي Lemna minor با قابليت تجمع ١١٠٠ ميکرو گـرم بـر ليتـر د اندام هوايي خود اشاره نمود.
کلمات کليدي :
عنصر مس ، آلودگي آب و خاک، گياه پالايي
مقدمه :
آلودگي محيط زيست از مشکلات اساسي اثر حاضر به شمار مي رود. آلاينده ها از عوامل ايجاد اختلال در محيط زيست به شمار مي روند. آب ، خاک و هوا به عنوان اجزاء مهم محيط زيست در معرض مستقيم آلودگي ناشي از فعاليت هاي بشري و فرسايش طبيعي سنگها قرار دارند. اخيرًا فلزات سنگين به عنوان يک آلوده کننده جديد و خطر ناک تر از ساير آلوده کننده هاي محيطي شناخته شده اند(٢،١).
فلز سنگين مس يکي از قديمي ترين يافته هاي بشر و همچنين يکي از محصولاتي است که وضعيت آن مستقيماً بازتابي از وضعيت اقتصادي جهان است . مس پس از آهن و آلومينيوم سومين فلزي است که استفاده وسيعي را در جهان به خود اختصاص داده و توليد مس در جهان کماکان در حال گسترش است و اين مسئله اساساً بدين معني است که ميزان مس موجود در محيط زيست هر روز بيشتر مي شود. معادن ، فعاليت هاي صنعتي، کشاورزي و پسماندهاي حاصل از آن ، فاضلاب ها و فعاليت هاي بشري از ديگر عوامل گسترش آلودگي مس در آب و خاک مي باشند. زماني که مس با خاک ترکيب مي شود ارتباط تنگاتنگي با مواد آلي و معدني آن برقرار مي کند و قادر به ايجاد اختلال در يکسري از فعاليت هاي بيولوژيکي خاک مي شود. مس در آبهاي سطحي نيز به صورت ذرات رسوبي و يا يونهاي آزاد غير قابل تجزيه در مي آيد(١،٧).
آلودگي آب و خاک به فلز سنگين مس يک مشکل عمده زيست محيطي حاصل از بکارگيري تکنولوژي هاي مدرن محسوب شده که بر سلامت موجودات زنده و زيست بوم اثر منفي دارد. اين آلودگي را مي توان به روشهاي مختلف فيزيکي، شيميايي و زيستي پالايش کرد. کاهش و حذف اثرات آلودگي ناشي از مس به کمک گياهان از جمله روشهاي پاکسازي است که در اين روش از گياهان مقاوم جهت پالايش خاک و آب آلوده به ترکيبات آلي و معدني استفاده مي گردد. مزيت هايي که اين روش نسبت به ساير روش ها دارد، سادگي، ارزان بودن و امکان بهره گيري در سطح وسيع مي باشد. در اين روش انتخاب نوع گياه از اهميت ويژه اي برخوردار است (٢،٤).
مس و آلودگي محيط زيست
مس از جمله عناصر فلزي است که در واکنش هاي اکسيداتيو بعنوان کاتاليزور عمل مي کند. هنگامي که مس با يک پروتئين تشکيل کمپلکس مي دهد، فعاليت آن بيش از ١٠٠٠ برابر افزايش مي يابد. مس در سيستم انتقال الکترون در فتوسنتز از طريق پلاستوسيانين و اکسيداسيون نهايي از طريق سيتوکروم اکسيدار نيز موثر است و به عنوان بخشي از آنزيم هاي پلي فنل اکسيداز و آسکوربيک اسيد اکسيداز معرفي شده که بيانگر اهميت وجود اين عنصر در گياه است (١٧،١).
کمبود مس جريان انرژي را در فتوسنتز و تنفس تحت تاثير قرار داده و مقدار محصول ، کيفيت ميوه و دانه را کاهش مي دهد. همچنين در صورت کمبود شديد رشد رويشي گياه نيز کاهش و در اين شرايط به علت اختلال شرايط چوبي شدن ، از حفاظت ديواره سلولي، عناصر آوندي، فيبر و سلولهاي اپيدرمي کاسته مي شود.
هر چند مس از عناصر ضروري براي رشد و نمو گياه محسوب مي شود، اما در غلظت هاي بيش از حد باعث ايجاد تنش اکسيداتيو مي شود و فرايند فيزيولوژيکي متعددي مانند فتوسنتز و رشد را به طور مستقيم يا غير مستقيم تحت تاثير قرار مي دهد. اين عنصر سنگين با ممانعت از جذب ساير عناصر بويژه آهن ، پتاسيم و کلسيم که جزء عناصر غذايي ضروري محسوب شده ، از رشد گياه مي کاهد. حد مجاز مس در بافت گياهي بين ١ تا ٥ ميکروگرم بر گرم وزن خشک گياهي است و اين در حاليست که توليد مس در جهان کماکان در حال گسترش و از دو طريقه ، طبيعي و فعاليت هاي انسان زاد در محيط زيست آزاد مي شود. مصداق هاي ورود مس به محيط شامل استخراج معادن ، توليد فلزات ، چوب و کودهاي فسفاته ،گرد و غبار ناشي از وزش باد، پوسيدگي و متلاشي شدن گياهان و آتش سوزي جنگل ها مي باشد(٣،١٢).
خاک لايه بسيار نازکي از کره زمين را تشکيل که وجود و تغذيه موجودات زنده به آن وابسته است . خاک از مواد متنوعي نظير مواد معدني، موادآلي، آب ، هوا و ميکرو ارگانيسم ها تشکيل شده و هر گونه تغيير در ويژگي هاي اجزاء متشکله خاک به طوري که استفاده از آن نا ممکن گردد، آلودگي خاک ناميده مي شود. مس در محيط تجزيه نمي شود به همين دليل وقتي در خاک يافت مي شود، مي تواند در گياهان و حيوانات تجمع يابد. بيش بود اين عنصر به دليل اثر مخربش بر روي گياهان تهديد جدي براي توليد مزارع است . وقتي مس با خاک ترکيب مي شود ارتباط تنگاتنگي با مواد آلي و مواد معدني برقرار مي کند. و با تاثير منفي بر روي ميکرو ارگانيسم ها و کرم هاي خاکي قادر به اختلال در فعاليت هاي خاک مي باشد. به همين علت تجزيه موادآلي ممکن است به نحو بارزي کاهش يابد. وقتي خاک مزارع به اين عنصر آلوده شود حيوانات غلظت هايي از آن را جذب بدن خود خواهد کرد که بر سلامتش اثر سوء دارد(١،٩).
خاک جهت پرورش گياهان احتياج به آب دارد. هر ماده يا جسمي که مانع استفاده طبيعي از آب شود، به عنوان آلوده کننده آب تلقي مي شود. مس در آبهاي سطحي مي تواند به صورت ذرات رسوبي يا يونهاي آزاد در مي آيد. تمرکز مس در کانسارهاي سولفيدي سبب مي شود تا محصول اين واکنش پديده اي به نام نشت اسيدي معادن باشد. اين پديده به عنوان مهمترين و شايع ترين مسئله آلودگي محيط زيست معدن کاري سولفيدي در جهان است .. محصول نهايي حاصل از اکسايش کاني سولفيدي در حضور هوا، آب و باکتري ها، اسيد سولفوريک و هيدروکسيد آهن است . محصولات حاصل از نشت اسيدي معادن به ميزان زيادي خطر آلودگي اسيدي منابع آبي را تهديد و سبب ايجاد پوشش هيدرواکسيد آهن در کف رودخانه ها مي شود و با اثر بر روي کاني هاممکن است عناصر سمي مانند کادميم ، آرسنيک و جيوه را وارد محيط زيست مي کند. مس از طريق آزاد شدن آن به دليل احتراق سوخت هاي فسيلي وارد هوا شده و تا قبل از نزول باران به مدت زمان طولاني در هوا باقي مي ماند. گونه هاي گياهي از نظر توانايي برخورد با آلودگي ناشي از فلزات سنگين بسيارمتفاوت هستند(٢٦، ٢١).
گياه پالايي
با افزايش روز افزون جمعيت در قرن اخير، گسترش صنعت ، دخالت ها و برنامه ريزي هاي نادرست انسان ، روز به روز به آلودگي محيط زيست افزوده مي شود. يکي از کارامدترين روش ها جهت کاهش و حذف اين آلودگي ها از آب و خاک پديده Bioremediation مي باشد، که بر مبناي استفاده از موجودات طبيعي در مقابله با اين مشکل است . فناوري پالايش آلودگي با محوريت گياه ، گياه پالايي يا پالايش سبز (Phytoremediation ) ناميده مي شود، که يکي از روشهاي اين پديده مي باشد. گياهاني که به منظور انجام اين عمل مورد استفاده قرار مي گيرند، بايستي علاوه بر اينکه داراي توانايي جذب و در نتيجه حذف عناصر فلزي سنگين مثل روي، کادميم ، نيکل از آب وخاک باشند، بتوانند در برابر غلظتهاي زياد اين عناصر مقاومت نموده و زنده باقي بمانند. استفاده از گياهان جهت پاکسازي محيط يک مفهوم جديدي نيست . حدود٣٠٠ سال پيش گياهان جهت استفاده در تصفيه فاضلاب ها پيشنهاد شده اند. اولين بار واژه گياهان سوپرجاذب توسط بروکس در سال ١٩٧٧بکار برده شد. و به گياهاني اطلاق مي شد که داراي توانايي تجمع بيش از٠.١ درصد نيکل در بافت خشک خودد بوده اند. Hartman در اواخر قرن ١٩ قدومه و بفشه که اولين گونه هاي گياهي جهت تجمع سطح بالايي از فلزات در برگ ها بوده اند، را کشف نمود.
در سال ١٩٣٥ Byers گزارش کرد که گياهان جنس گون Astragalus مستعد تجمع بالاي٠.٦ درصد سلنيوم در توده شاخساره خشک هستند. يک دهه بعد ١٩٤٨ .Minguzzi&Vergna گياهاني که توانايي تجمع ١ درصد نيکل در شاخساره خود هستند را شناسايي کرده اند. در سال ١٩٧٧ .Raseio تجمع و مقاومت بالا در شاخساره قدومه را گزارش کرد. ايده استفاده از گياهان جهت استخراج فلزات از خاکهاي آلوده بوسيله Utsunamyia در سال ١٩٨٠ و Chaney سال ١٩٨٣ مطرح شد(٣،٢٤،٢٥).
گياه پالايي شامل ٤ روش مجزا مي باشد، که هر کدام آنها داراي عمل متفاوت جهت پاکسازي آب و خاک آلوده به فلزات سنگين هستند.
استفاده از سيستم ريشه گياهان جهت جذب مواد آلوده کننده از آب و جريان هاي آلوده ، در اين روش گياهان در محيط هيدروپونيک يا آب آلوده به فلزات سنگين قادر به رشد مي باشند. ريشه از خود موادي مانند مالات هاو سيترات ها ترشح مي کند،که قادر به تغيير PH محيط اطراف ريشه مي باشند و در نتيجه فلزات به سرعت وارد ريشه مي شوند.
Phytovolatilization- 2
استفاده از گياهان جهت استخراج فلزات از خاک و محيط آلوده و آزاد کردن اين عناصر به اتمسفر بوسيله عمل تبخير و براي فلزاتي نظير As,Se,Hg کاربرد دارد.
Phytostabilization -3
در اين روش فلزات به حالت آزاد در خاک وجود دارند گياه مي تواند توسط چندين مکانيسم فلزات را تثبيت کند.
١-تشکيل کمپلکس با اسيد هاي آلي يا مواد مترشحه ريشه
٢-جذب سطحي و دروني و تجمع در ريشه بوسيله قرار گرفتن در واکوئل سلولهاي ريشه و ديواره سلولي
٣-رسوب يا ته نشيني در محيط ريشه توسط تشکيل کمپلکس در اين روش هدف حذف فلزات سنگين و آلوده کننده ها از مکان نيست . بلکه تثبيت آنها و کاهش خطرات ناشي از فلزات جهت سلامت انسان و محيط است .
Phytoextraction- 4
عموماً شناخته ترين تکنيک گياه پالايي بين ساير تکنيک ها است . در اين تکنيک مکانيسم حذف آلودگي به صورت زير است .
١-تحرک فلزات بوسيله کاهش کلاته شدن
٢-جذب و توقف در ريشه
٣-انتقال توسط آوند چوب
٤-انتشار به بافت هاي مختلف اندام هوايي توسط آوند چوب
٥-تردد يا توقف در شاخساره ها
زمان پاکسازي توسط اين تکنيک بستگي به طول دوره رشد گياه ، کارايي گياه در حذف آلودگي، نوع و توسعه آلودگي فلزي دارد(٤،٢٥،٢٦،٣١).
بررسي منابع
تا به امروز ٤٠٠ گونه گياهي از حداقل ٤٥ خانواده گياهي به عنوان سوپر جاذب فلزات سنگين شناسايي شده است .
مهمترين خانواده هاي گياهي شامل : Asteraceae, Brassicaceae, caryophyllaceae, fabaceae, poaceae, violaceae
که در اين بين خانواده Brassicaceae , داراي بيشترين تعداد گونه هاي سوپر جاذب فلزات سنگين است . طبق آخرين آمار
٢٤ گياه به عنوان گياهان پالاينده فلز سنگين مس شناسايي شده است (٤،٢٦).
گياه نيلوفر Ipomoea alpina قابليت تجمع ١٢٣٠٠٠ ميلي گرم مس بر کيلو گرم را در ريشه خود دارا مي باشد(٢٩).
گياه عدسک آبي Lemna minor که يک گياه آبزي است ، قابليت تجمع ١١٠٠ ميکرو گرم مس بر ليتر را در اندام هوايي خود دارد(٣٠، ١١).
گياه خردل هندي Brassica junceae قابليت تجمع ٣٧٧١ ميلي گرم مس بر کيلو گرم در ريشه خود را دارا مي باشد(٧،١٠).
بر طبق گزارش Malayeri و همکاران در سال ٢٠٠٥ ميلادي گياه کنگر وحشيCrisium congestum قابليت جذب ٥٧ ميلي گرم مس بر کيلو گرم وزن خشک را دارا مي باشد(١٧).
چمن آگروستيس Agrostis tenuis با اضافه کردن EDTA مي تواند ٣٠٠ ميکرو گرم مس را در اندام هوايي خود جاي دهد(٣٤).
يکي ديگر از گياهان سوپر جاذب مس داوودي خودروChrysanthemum coronarium مي باشد. که توانايي تجمع ٤٢٩ ميلي گرم مس بر کيلو گرم در ريشه و ٦٨ ميلي گرم مس بر کيلو گرم در اندام هوايي خود را دارد(٢٧،٣٧).
بر طبق گزارش Rossini و همکاران در سال ٢٠١٠ ميلادي گياه اريکا Erica andevalensis مي تواند ٧٠٠ ميکرو گرم مس بر کيلو گرم را در ريشه خود تجمع دهد(٢٩).
گياه ختمي Malva sylvestris با افزايش غلظت مس در محيط از طريق مکانيسم هاي مقاومت از ورود مس به اندام هوايي گياه جلوگيري کرده و از اين طريق بقاي خود را تضمين مي کند(٢٣).
چمن لوليوم Lolium perenue در محيط آلوده به فلز سنگين مس مي تواند ٨٠ ميلي گرم مس بر کيلو گرم را در ريشه خود جاي دهد(١٤).
کاهوي وحشي Scariola orientalis توانايي جذب ٨٧ ميلي گرم مس بر کيلو گرم وزن خشک را دارد(١٧).
بر طبق گزارش Tilstone و همکاران سال ١٩٩٧ميلادي گياه زينتي ميمولوس mimulus guttatusمي تواند از خاک آلوده به فلز سنگين مس ٨٠٠ ميکرو گرم مس بر گرم را در اندام هوايي خود تجمع دهد(٣٣).
