بخشی از مقاله
راهکارهای تصفیه بیولوژیکی (Bioremediation)خاکهای آلوده به مشتقات نفتی
چکیده
خاک پالاینده طبیعت محسوب می شود که علاوه بر تامین موادغذایی، ویژگی تصفیهکنندگی نیز دارد، اما مدتهاسـت کـه مواد نفتی و مشتقات آن در اثر حمل و نقل یا ذخیرهسازی موجب آلودگی خاک می شوند؛ فرآیندهای فیزیکـی، شـیمیایی و حرارتی جزء روشهای عمومی برای پاکسازی مکانهای آلوده به ترکیبات نفتی می باشند. این فنون به هر حال برخـی اثـرات معکوسی روی محیط زیست داشته و همچنین پرهزینه محسوب میشوند اما در پـالایش زیسـتی میکروارگانیسـمها آلاینـده های محیط زیستی را به محصولات بی ضرر تبدیل میکنند این فناوری روش مؤثر و ارزان برای کاهش آلودگی هیدروکربن های نفتی می باشد. در این پژوهش به منظور گردآوری اطلاعـات، معرفـی نحـوه پـالایش بیولوژیـک خـاک هـای آلـوده و همچنین به منظور آگاهی از مطالعات و تحقیقات انجام گرفته در این رابطه، از منابع کتابخانـهای و مقـالات معتبـر داخلـی و خارجی استفاده شد. برخی گونه های گیاهی وجود دارند که قادر به رشد در خاکهای آلوده بـا هیـدروکربنها بـوده و از طریـق ریشه سپهرها، بخشهایی از ریشه که مناسب برای رشد برخی میکروارگانیسم می باشند، افزایش زیتـوده و فعالیـت میکروبـی منجر به تشدید فرآیندهای کاهش هیدروکربنها میگردند. توانایی جذب بالای گیاهان، سازگاری زیـاد و راحتـی تکثیـر آنهـا منجر به استفاده از آنها به عنوان ابزاری برای پالایش خاکهای آلوده به نفت خام شده است.
کلمات کلیدی: آلودگی نفتی، تجزیه زیستی، خاک آلوده،ترکیبات نفتی، گیاه پالایی
.1مقدمه و هدف
کیفیت زندگی بر روی زمین به طور جدایی ناپذیری به کیفیت سراسر محیط زیست مربوط است. رها شدن مواد شیمیایی سمی و موادی با قابلیت تجمع زیستی و پایداری زیاد در محیط زیست منجر به اثرات مخربی بر روی سلامت انسانها و محیط زیست شده است. این مواد آلاینده از طریق عناصر خطرناک در محیط زیست به بافتهای گیاهان، حیوانات و انسانها منتقل می گردند .-5- خاک اساس هستی، تولید و انبار مواد خام است و نقش بسیار مهمی در زندگی انسان ایفا می کند
.نقش عمومی خاک نسبت به هوا و آب از اهمیت بیشتری برخوردار است. حفاظت خاک به عنوان یک وظیفه سیاست محیطی مانند آب و هوا واجب و ضروری می باشد. خاک یکی از منابع مهم و ارزشمند طبیعت است و هم اکنون 95 درصد غذای انسان ها از زمین به دست می آید، با این وجود یکی از انواع مهم آلودگی های محیط زیست، آلودگی خاک است
.هرگونه تغییر در ویژگیهای اجزای تشکیل دهنده خاک به طوری که استفاده از آن ناممکن گردد، آلودگی خاک نامیده میشود. خاک، پالاینده طبیعت محسوب می شود که علاوه بر تامین موادغذایی، ویژگی تصفیهکنندگی نیز دارد، اما مدت-هاست که مواد نفتی و مشتقات آن در اثر حمل و نقل یا ذخیرهسازی موجب آلودگی خاک می شوند، این درحالی است که هرچقدر مواد نفتی به عمق بیشتری از خاک نفوذ کنند، رفع آلودگی آنها مشکلتر و هزینه آن چندین برابر خواهد شد 13-و.-17 فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و حرارتی جزء روشهای عمومی برای پاکسازی مکانهای آلوده به ترکیبات نفتی می باشند .-7- این فنون به هر حال برخی اثرات معکوسی روی محیط زیست داشته و همچنین پرهزینه محسوب میشوند 7-و.-9 پالایش زیستی فرآیندی است که به طور طبیعی توسط میکروارگانیسمهایی که آلاینده های محیط زیستی را به محصولات بی ضرر تبدیل میکنند، اطلاق می گردد. پالایش زیستی روشی جدید و از نظر اقتصادی مؤثر بوده که می توان از آن برای پاکسازی ضایعات خطرناک استفاده کرد .-5- بنابراین، در این مطالعه سعی شده ضمن معرفی روشهای تجزیه خاکهای آلوده به ترکیبات نفتی، روش تجزیه زیستی به عنوان یک روش ساده، کم هزینه و با مشکلات محیط زیستی ناچیز مورد مطالعه قرار گیرد.
.2مواد و روش ها
در این پژوهش به منظور گردآوری اطالاعات، معرفی نحوه پالایش بیولوژیک خاکهای آلوده و همچنین به منظور آگاهی از مطالعات و تحقیقات انجام گرفته در این رابطه، از منابع کتابخانهای و مقالات معتبر داخلی و خارجی استفاده شده و سپس مزایای کاربرد تصفیه بیولوژیکی در مقایسه با روشهای تصفیه فیزیکی- شیمیایی مورد بحث و ارزیابی قرار گرفته است.
.3نتایج و بحث .1-3آلودگی نفتی
نفت خام، ترکیب ناخالصی از همه ی محصولات نفت شمرده می شود که از انواع مختلفی از عناصر که در حالت های گوناگونی ترکیب شده اند، تشکیل شده است. ترکیبات اصلی نفت خام کربن و هیدروژن است که در حالت ترکیب شده تحت عنوان هیدروکربن ها شمرده می شوند. در یک حالت گستردهتر آنها به دو خانواده آلیفاتیکها و آروماتیکها تقسیم میشوند. آلیفاتیکها اصولا به سه گروه اصلی تقسیم شده اند که شامل: آلکانها، آلکنها و سیکلوآلکانها میباشند. آلکینها نوع دیگری از ساختار آلیفاتیکها هستند که عموماً در هیدروکربنهای نفت یافت نمیشوند. در هنگام فرایند پالایش، محصولات نفتی شدیداً با هیدروکربنها غنی میشوند و مواد معدنی و انواع دیگری از ترکیبات آلی که از سولفور، نیتروژن و اکسیژن برخوردارند در
پسماندهای نفت باقی می مانند
یکی از آلایندههای خاک، ترکیبات نفتی می باشند، که متداولترین آنها شامل نفت، گازوئیل، حلالهای کلردار، BTEX (بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و زایلن) ، PHA (پلی هیدروآروماتیک حلقوی) و ... میباشند. از جمله علل آلودگی نفتی، تصادف تانکرهای نفت، بمباران، پخش مواد نفتی و مشتقات آن، بی پروایی انسان و ... می باشند. در واقع فرآوردههای نفتی در خاک، تهدیدی جدی و گسترده برای هوا، آبهای زیرزمینی، کیفیت خاک و میکروارگانیسمهای گیاهی و جانوری است، بنابراین، پالایش خاکها، رسوبات و آبهای آلوده به نفت، یک چالش جدی و اساسی برای محققان محیط زیست است .-1
.2-3اثرات محیط زیستی آلاینده های نفتی
نشت نفت از خطوط لوله های انتقال، پالایشگاهها و تانکرهای ذخیره نفت به داخل خاک میتواند از طریق تأثیر بر روی گیاهان و میکروارگانیسم های داخل خاک، بسته به غلظت و نوع آلودگی نفتی صدمات مخرب و جبران ناپذیری بر بوم سازگان ها و محیط زیست به جای میگذارد. نفت خام سنگین نسبت به نفت خام سبک میزان رزین و قیر بیشتری دارد که این ترکیبات به خوبی توسط گیاهان و میکروارگانیسم ها تجزیه نمیشوند و می توانند برای سالها در خاک باقی بمانند. از سوی دیگر، برخی از هیدروکربنهای فرار در نفت خام سبک نسبت به نفت خام سنگین بیشتر هستند که این ترکیبات برای سیستمهای زیستی خاک بسیار سمی می باشند. هرچند بعضی از گیاهان توانایی تجزیه آلودگیهای نفتی در خاک را دارا هستند .-3-
حضور نفت در خاک بر روی تنوع، تاج پوشش و تولیدات گیاهی تاثیر میگذارد. مطالعات اندکی در رابطه با اثرات مزمن آلودگی نفتی صورت گرفته است. اثرات مسمومیت حاد آنها بر روی گیاهان مربوط به مولکولهایی با جرم مولی پایین می باشد. اما اثرات مسمومیت مزمن ناشی از مولکولهایی با جرم مولی بالا میباشد که معمولاً ترکیباتی آروماتیک بوده، مسمومیت کمی ایجاد میکنند، برای مدت زمان طولانی در محیط باقی مانده و اثراتی را در درازمدت ایجاد می کنند. بنابراین، جلوگیری از جوانه زنی، کاهش رشد گیاهان و مرگ آنها نشان دهنده مسمومیت به هیدروکربنها می باشد.
.3-3 روشهای پالایش خاکهای آلوده به آلاینده های نفتی
این فنون شامل پالایش حرارتی، روشهای دفن کردن، روشهای شیمیایی، فنون جداسازی، فناوری های پایدارسازی و جامدسازی و پالایش زیستی میباشند. به هر حال فناوری های فیزیکی- شیمیایی با محدودیتهایی مواجه هستند. از جمله این محدودیتها می توان به هزینه بر بودن کاربرد آنها در مقیاسهای بزرگ، عدم منطبق بودن آن ها با محیط زیست، استفاده از فناوری های پیچیده که خود منجر به تخریب بافت و خصوصیات خاک میگردند، اشاره نمود. به هر حال فناوری های فیزیکی- شیمیایی همواره منجر به برطرف شدن کامل آلاینده ها نمیگردند. به دلیل محدودیت فناوری های فیزیکی-شیمیایی بسیاری از مطالعات گزارش کرده اند که فناوری های پالایش زیستی به عنوان جایگزین یا مکمل هایی برای آنها شمرده می شوند. اهمیت این روشها به دلیل سودمندی، سازگاری با محیط زیست، استفاده از فناوری ساده و حفاظت از بافت خاک می باشد.
روشهای دفن کردن برای پالایش زمینهای آلوده روشی پر هزینه بوده که تنها منجر به انتقال آلاینده ها از مکانی به مکان دیگر میگردد. فنون دفن در کشورهای در حال توسعه که سیاستهای تنظیمی مؤثری در آنها برای محیط زیست وجود ندارد، بسیار رایج می باشد. بدون شک عمل دفن می تواند منجر به آلودگی هزاران مکان دیگر که دور از مکان اولیه هستند، شود
.-5-
.4-3روش پالایش زیستی
پالایش زیستی روشی قابل ترقی در استفاده از گیاهان و میکروارگانیسمهای همراه با آن برای حذف، جلوگیری یا بی ضرر کردن مواد مضر، کاهش غلظت یا سمیت مواد شیمیایی گوناگون مانند مشتقات نفتی، آلیفاتیکها، هیدروکربنهای آروماتیک، حلالهای صنعتی، فلزات و آفت کشها می باشد .-8-
پژوهشها بیانگر آن است که این روش برای انواع مختلفی از آلایندهها مانند فلزات سنگین، رادیونوکلیدها و محدوده وسیعی از آلاینده های آلی مؤثر می باشد. (2001) Pivetz ، عنوان نمود که برای انجام گیاه پالایی می بایست شرایط اقلیمی و خاک مکانهای آلوده برای گیاهان مناسب باشند. چنین گیاهانی بایستی توانایی تحمل شرایط تنش را داشته باشند. .همچنین Frick و همکاران (1999)، بیان کردند که گونه گیاهی Glycine max در فهرست گیاهانی قرار دارد که می تواند در مکانهای آلوده به هیدروکربنها رشد کرده و هیدروکربنهای نفتی را تقلیل دهد .-12-
برای اینکه عمل پالایش زیستی مؤثر باشد می بایست میکروارگانیسمها به صورت آنزیمی به آلایندهها حمله کرده و آنها را به محصولات بی ضرر همچون دی اکسیدکربن و آب تبدیل کنند. پالایش زیستی زمانی مؤثر خواهد بود که شرایط محیط زیستی اجازه رشد و فعالیت میکروبی را فراهم کند. برای این منظور می بایست پیراسنجه های محیط زیستی را برای رشد میکروبی و تجزیه این ترکیبات با نرخ بیشتری دستکاری کرد. وسعت پالایش زیستی به مقدار زیادی به سمیت و غلظت اولیهی آلایندهها، توانایی تجزیه زیستی، خصوصیات خاکهای آلوده شده و سیستم تصفیه به کار برده شده بستگی دارد. از جمله روش های رایج برای پالایش زیستی خاک میتوان به تحریک و رشد زیستی and Biostimulation) (Bioaugmentation اشاره نمود. تحریک زیستی شامل شناسایی و تنظیم عوامل فیزیکی و شیمیایی معین مانند تنظیم دمای خاک، pH، مقدار رطوبت، مواد غذایی و غیره می باشد که ممکن است سرعت تجزیه زیستی آلایندهها توسط میکروارگانیسمهای بومی در مکانهای آلوده شده را کاهش دهد. از این رو عوامل بایستی به طور مناسب تنظیم شوند. از طرف دیگر رشد زیستی شامل اضافه کردن جمعیتهای بسیاری از میکروبهای ویژه به مکانهای آلوده به منظور افزایش نرخ تجزیه زیستی آلایندهها در خاکها و آبهای تحت تاثیر میباشد، زیرا تراکم تجزیه کنندههای آلایندههای ویژه به طور مصنوعی افزایش خواهند یافت. (2011) Abdulsalam، به منظور مقایسه دو روش تحریک و رشد زیستی و کارایی روش پالایش زیستی، عنوان نمود که روش پالایش زیستی به طور کلی در حدود 50/66 درصد مؤثر میباشند. از طرف دیگر استفاده از این دو روش به منظور پالایش زیستی خاکهای آلوده به ترکیبات نفتی، طی 70 روز آزمایش درون یک سیستم بسته و در محدوده ای از شرایط آزمایش کارایی 75 درصد داشته است. بر این اساس نفت و گریس با کارایی بالایی حذف شده و تولید Co2 میکند. در نهایت روش تحریک زیستی به عنوان یک روش پالایش بهترین نتیجه را نشان داد، که می تواند به طور مناسب، ایمن و با کارایی اقتصادی بالا برای خاکهای آلوده شده با روغن موتور مورد استفاده قرار گیرد .-5-
تغییر در ترکیب جامعه میکروبی خاک، به عنوان شاخصی از وجود هیدروکربنهای نفتی در خاکهای آلوده به ترکیبات نفتی محسوب می گردد. Michel و همکاران (2005)، گزارش کردند که نفت باعث ورود آلاینده هایی به خاک می شود که می تواند برای مدت زمان طولانی در محیط زیست باقی مانده، تا اینکه توسط پوشش گیاهی به طور کامل بازیافت گردد. اگر چه هیدروکربنهای ناشی از آلودگی نفتی در محیط زیست معمولاً به غلظتهای کم پراکنده میشوند، ولی کاهش زیستی آنها موضوع بسیاری از مطالعات است، اما اطلاعات درباره سمیت آنها بر روی گیاهان هنوز ناشناخته باقی مانده است .-10-
در آزمایش انجام شده توسط (2009) Milic، در زمینه بررسی ترکیب میکروبی در جهت کاهش زیستی خاکهای شدیداً آلوده به نفت خام و محصولاتش نشان مشخص گردید که با گذشت 5/5 ماه از شروع آزمایش، توسط فرآیندهای تحریک و تهویه زیستی با مشارکت باکتری های گرم مثبت از گروه اکتینومیستهای Nocardia غلظت هیدروکربن های نفت (TPH) از 29/8 به 3/29 گرم بر کیلوگرم یعنی معادل 89 درصد کاهش یافتند. به گونه ای که میکروارگانیسم هایی که هیدروکربنها را تجزیه می کردند در این فرآیند سهم عمده ای در حدود 80 درصد ایفا نمودند. .-11-
برخی از میکروارگانیسم ها می توانند با تغذیه از هیدروکربنهای موجود در نفت خام، مواد شیمیایی موجود در نفت و مشتقات نفتی را تجزیه یا منتقل کنند. از اینرو زمانی که حادثه ای منجر به ورود ترکیبات نفتی به خاک شود باعث افزایش شمار میکروارگانیسم های تجزیه کننده هیدروکربنها در بوم سازگان می شود. باید توجه داشت که یک نوع میکروارگانیسم تنها قادر به تجزیه نوع معینی از ترکیبات نفتی می باشد، اما ترکیبی از جوامع میکروبی قادر است سطوح بیشتری از هیدروکربنها را تجزیه کند. در شرایط طبیعی حضور میکروارگانیسم هایی که از محصولات ناشی از تجزیه اولیه ترکیبات نفتی استفاده می کنند از اهمیت ویژه ای برخوردارند. سرعت، کارایی و نرخ تجزیه زیستی خاکهای آلوده با نفت و ترکیبات نفتی تحت تاثیر تعداد میکروارگانیسمهای تجزیه کننده ی هیدروکربنها در خاک و نوع خاک می باشد. مهمترین عوامل برای رشد جمعیت شامل دما، اکسیژن، pH، مقدار ازت و فسفر، گروه هیدروکربنها و غلظت مؤثرشان می باشد 15-
