مقاله پالایش خاک های آلوده به هیدروکربن های نفتی به روش تحریک گیاهی

بخشی از مقاله

پالایش خاك هاي آلوده به هیدروکربن هاي نفتی به روش تحریک گیاهی
چکیده
آلودگی خاك ها به هیدروکربن هاي نفتی، یکی از مهم ترین مشکلات زیست محیطی در برخی از نقاط کشور به ویژه اطراف پالایشگاه هاي نفت نظیر پالایشگاه نفت تهران می باشد. از آنجا که حضور این آلاینده ها در خاك خطر انتقال به منابع آب و ایجاد سمیت و بیماري براي انسان و سایر موجودات زنده را به دنبال دارد، لذا باید به نحوي از محیط زیست حذف گردند. در این راستا فرآیند تحریک گیاهی به عنوان یک روش مؤثر و مقرون به صرفه از لحاظ اقتصادي در پالایش این دسته از آلایندههاي خاك مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش قابلیت گیاه پالایی یک خاك آلوده به هیدروکربن هاي نفتی که با نسبت هاي وزنی 1:1 و1:3 با خاك غیر آلوده اختلاط شده بود (به ترتیب تیمارهاي C1 و (C2 توسط چهار گیاه اگروپایرون، تال فسکیو، آفتابگردان و گلرنگ، که از بین 7 گیاه مختلف در مطالعات اولیه جوانه زنی و رشد انتخاب گردیده بودند، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که وجود هیدروکربنهاي نفتی (TPHs) متناسب با غلظت آنها در خاك، موجب کاهش رشد و عملکرد ماده خشک اندام هوایی و ریشه همه گیاهان مورد مطالعه در مقایسه با تیمار شاهد (بدون آلودگی) شد. به شکلی که کاهشی حدود 43، 69 و63 درصدي در عملکرد ماده خشک ریشه و کاهش حدود 82، 80 و 60 درصدي در عملکرد ماده خشک اندام هوایی به ترتیب براي گیاهان آفتابگردان، تال فسکیو و اگروپایرون در تیمار C2، نسبت به تیمار Co دیده شد. گیاه گلرنگ نیز قادر به مقاومت در برابر حضور این آلاینده ها در خاك تا انتهاي دوره آزمایش نبود و خشک گردید. در رایزوسفر گیاهان اگروپایرون و تال فسکیو در تیمار C2 تنفس میکروبی در خاك به طور معنی داري بیشتر از تیمار شاهد (بدون گیاه) بود ولی آفتابگردان و گلرنگ تأثیر معنی داري بر میزان تولید CO2 ناشی از فعالیت ریزجانداران در خاك نداشتند.
همچنین میزان کاهش در غلظت TPHs در خاك در حضور گیاهان مختلف متفاوت بود. به شکلی که بیشترین میزان کاهش در غلظت TPHs در حضور اگروپایرون و تال فسکیو به ویژه در سطح پایین تر آلودگی (تیمار (C1 بود به طوري که غلظت این آلایندهها به ترتیب حدود 71 و 69 درصد نسبت به غلظت اولیه کاهش یافت. همچنین حضور تال فسکیو و اگروپایرون، موجب کاهش 42 تا 45 درصدي در غلظت TPHs در تیمارC2 شد، اما حضور آفتابگردانتاٌثیر معنی داري بر غلظت این آلاینده هاي نفتی در هیچ یک از تیمارها نداشت. با توجه به نتایج این پژوهش، گیاه اگروپایرون جهت گیاه پالایی خاك هاي آلوده منطقه توصیه می شود اگرچه انجام مطالعات تکمیلی جهت یافتن راهکارهاي استقرار بهتر گیاه و افزایش کارایی گیاه پالایی لازم است.
واژه هاي کلیدي
گیاه پالایی، تحریک گیاهی، اگروپایرون، تنفس میکروبی و کل هیدروکربن هاي نفتی (TPHs)

مقدمه
هیدروکربن هاي نفتی 1(TPHs) از مهمترین آلایندههاي آلی محیط زیست میباشند که به دلیل خصوصیات سمیتی آنها، سرطان زایی و ایجاد تغییرات موتاژنتیکی، نگرانیهاي زیادي نسبت به وجود آنها در طبیعت وجود دارد .[8] همچنین این آلایندهها میتوانند در سطح ذرات خاك یا ذرات آلی موجود در خاك، جذب گردیده و به تدریج به غلظت آنها افزوده شده و همراه با جریانهاي سطحی به آب هاي سطحی وارد شوند. از سوي دیگر ممکن است این ترکیبات همراه با جریان هاي عمقی آب به آب هاي زیرزمینی وارد شوند نهایتاًو میتوانند به زنجیره غذایی گیاه، حیوان و انسان وارد گشته و سبب بروز سمیت براي موجودات زنده شوند .[18] از آنجا که این دسته از آلاینده هاي آلی، دوام بالایی در خاك دارند و وجود آنها در خاك خطر انتقال به منابع آب و ایجاد سمیت و بیماري براي انسان و سایر موجودات زنده را به دنبال دارد، باید به نحوي از محیط زیست حذف گردند. روش هاي فیزیکی و شیمیایی متعددي، براي مقابله با آلودگی هاي نفتی در خاك وجود دارد که بسیاري از آنها به سبب هزینه بالا و اثرات جانبی مضر، کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین در سال هاي اخیر به روش هاي زیستی نظیر گیاه پالایی2، توجه بیشتري شده است. گیاه پالایی یک تکنولوژي جدید و نوظهور است که در آن از گیاهان مقاوم، جهت حذف یا کاهش غلظت آلایندههاي آلی و معدنی و ترکیبات خطرناك از محیط زیست استفاده می گردد .[17] فرآیند گیاه پالایی، خود واژه اي وسیع است که شامل چندین روش مختلف می باشد. از جمله این روش ها، می توان به فرآیند تحریک گیاهی3 اشاره نمود.
فرآیند تحریک گیاهی به عنوان یک روش مؤثر در پالایش بسیاري از آلایندههاي آلی نظیر هیدروکربن هاي نفتی، هیدروکربن هاي چند حلقهاي آروماتیک، آفتکش ها، حلال هاي کلرینه PCP و بی فنیل پلی کلرونیناتها (PCB) معرفی شده است .[22] لی و همکاران (2002) بیان میکنند که محدود توسعه ریشه یعنی رایزوسفر، داراي جمعیت میکروبی بیشتر و فعال تري نسبت به خاك بدون ریشه است.
چراکه گیاهان قادرند از طریق رها سازي عناصر غذایی و ترشحات خود در خاك و نیز انتقال اکسیژن به ناحیه ریشه خود، موجب تحریک و افزایش فعالیت جمعیت میکروبی تخریب کننده آلاینده هاي نفتی شوند .[13] شواب و بانکس (1994) نیز به کاهش بیشتر در غلظت کل هیدروکربن هاي نفتی در حضور پوشش گیاهی در مقایسه با تیمار شاهد بدون پوشش گیاهی اشاره دارند.[19]

آپریل و سمیز (1990) در پژوهش خود، اثر حضور پوشش گیاهی علفی چندساله با ریشههاي فیبري را بر پالایش خاك هاي آلوده به هیدروکربنهاي نفتی آروماتیک چند حلقهاي 4(PAHs) بررسی کردند. ایشان مشاهده نمودند که ریشه گیاهان علفی چند ساله به سبب طبیعت فیبري خود موجب تحریک بیشتر فعالیت میکروبی و افزایش تجزیه و تخریب این دسته از آلایندهها در محیط رایزوسفر میشوند.
چراکه ریشههاي فیبري نسبت به سایر ریشهها، محیط مناسب تر و با سطح ویژه بالاتري را براي فعالیت و توسعه جمعیت میکروبی را فراهم کرده و جمعیت میکروبی بزرگتري در محیط رایزوسفري آنها به وجود میآید. آنها در مطالعه خود مشاهد نمودند که تجزیه و تخریب و حذف ترکیبات PAHs پس از یک دوره 219 روزه در خاك رایزوسفري بیش از خاك غیر رایزوسفري است.[3] در مطالعهاي دیگر کارتیکیان و همکاران (1999) به کاهش بیش از 57 تا 90 درصدي در غلظت آلایندههاي نفتی در خاك هاي آلوده به نفت در حضور گیاه یونجه اشاره دارند.[10] ویلتس و همکاران (1998) نیز دریافتند که گونههاي مختلف یونجه اثري مثبت در کاهش غلظت آلایندههاي ناشی از نفت خام در خاك دارند. به شکلی که در حضور این گیاهان، کاهش حدود 33 تا 56 درصدي در غلظت آلاینده هاي نفتی در مقایسه با تیمار شاهد بدون گیاه مشاهده شد.[24] کامیسر و پارك (1997) نیز به کاهش 80 درصدي در غلظت هیدروکربنهاي سبک نفتی پس از 8 هفته مطالعات گیاه پالایی اشاره دارند.[11]

این پژوهش نیز با هدف شناسایی گیاهان با قابلیت استقرار سریع و مناسب در خاك هاي آلوده به آلاینده هاي نفتی موجود در مناطق اطراف پالایشگاه تهران از بین چهار گیاه مختلف زراعی و علفی، تعیین مقاوم ترین گیاه به این الاینده ها جهت گیاه پالایی این خاك ها، بررسی امکان استقرار گیاهان زراعی با ارزش اقتصادي و نیز بررسی اثر حضور پوشش هاي گیاهی مذکور بر فعالیت و تنفس میکروارگانیسم ها در خاك هاي آلوده منطقه صورت گرفته است.
مواد و روش ها
.1 آماده سازي خاك ها
جهت انجام این پژوهش، خاك آلوده به هیدروکربن هاي نفتی از دریاچه اي که پسماندها و ضایعات پالایشگاه نفت تهران در آن رها می شود، واقع در روستاي عظیم آباد در یک کیلومتري پالایشگاه، با مختصات جغرافیایی'35° 30 شمالی و'51° 26 شرقی، برداشت شد
(خاكکاملاً آلوده). خاك بدون آلودگی (تیمار (Co نیز از مزارع اطراف همان منطقه نمونه برداري شد. نمونه خاك ها پس از هواخشک شدن، از الک 4 میلیمتري عبورداده شده و سپس جهت ایجاد سطوح مختلف آلودگی، خاكکاملاً آلوده و بدون آلودگی با نسبت هاي وزنی 1:1 (خاك آلوده : خاك بدون آلودگی، تیمار(C1 و 1:3 (خاك آلوده : خاك بدون آلودگی، تیمار(C2 که نماینده اي از غلظت این آلاینده ها در منطقه مطالعاتی می باشند،کاملاً با یکدیگر مخلوط شدند. آنگاه جهت ایجاد همگنی و یکنواختی در خاك ها، هر یک از سطوح خاك مذکور، به مدت 21 روز در گلخانه نگهداري شد و طی این مدت، خاك ها در حد ظرفیت زراعی آبیاري کاملاًو زیرورو و مخلوط شدند. بدین صورت پس از گذشت 21 روز، نمونه ها جهت انجام آزمایشها و کشت گیاهان آماده شدند.

.2 تعیین خصوصیات خاك ها
خاك هاي مورد مطالعه پس از عبور از الک 2 میلی متري، برخی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آنها نظیر، بافت خاك به روش هیدرومتري، هدایت الکتریکی در عصاره گل اشباع، واکنش خاك در گل اشباع، فسفر قابل جذب به روش اولسن، سدیم و پتاسیم قابل جذب به روش عصاره گیري با استات آمونیوم و قرائت با فلیم فتومتر، نیتروژن کل به روش کلدال و آهک به روش تیتراسیون با سود تعیین شد
(جدول.(1 غلظت برخی از عناصر سنگین نیز به روش عصاره گیري با DTPA تعیین شد (جدول.(2

جدول:1 برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاك هاي مورد مطالعه

2: تعیین هیدروکربن هاي نفتی در خاك
به منظور تعیین غلظت کل هیدروکربن هاي نفتی (TPHs) و نیز برخی از هیدروکربن هاي چند حلقه اي (PAHs) در خاك، ابتدا عصاره گیري به روش سوکسله با نسبت مساوي ان- هگزان و دي کلرومتان انجام شد.[6] سپس با استفاده از دستگاه GC و به روش 831 سازمان حفاظت محیط زیست امریکا[22]، غلظت کل هیدروکربن هاي نفتی و برخی از هیدروکربن هاي چند حلقه اي موجود در خاك تعیین شد (جداول3و.(4

:4 مطالعات گیاه پالایی
جهت دستیابی به حداکثر کاهش در غلظت آلودگی هاي نفتی موجود در خاك باید گیاهان به گونه اي انتخاب شوند که قابلیت رشد و سازگار شدن با محیط آلوده را داشته باشند و نسبت به آلودگی موجود در منطقه مقاوم بوده و نیز حداکثر جوانه زنی، رشد و توسعه و سطح ویژه ریشه را داشته باشند.[1] این امر لزوم انجام مطالعات آزمایشگاهی و گلخانه اي بیشتر، نظیر آزمایشات جوانه زنی و رشد و میزان کاهش در غلظت آلاینده ها در حضور گیاهان مختلف و سپس انتخاب بهترین گیاه، جهت پالایش خاك هاي آلوده در سطح مزرعه اي را بیش از پیش نمایان می سازد. در مطالعات اولیه این پژوهش [4] نیز ابتدا قابلیت جوانه زنی و رشد هفت گیاه آفتابگردان (Helianthus annus)،
گلرنگ (Carthamus tinctorius)، کلزا (Brassica napus)، شبدر (Trifolium repens)، اگروپایرون (Agropyron smithii)، تال فسکیو ( Festuca (arundinacea و پوکسنلیا (Puccinellia distance) در تیمارهاي مختلف مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن انتخاب 4 گیاه آفتابگردان، گلرنگ، اگروپایرون و تال فسکیو براي مطالعات نهایی گیاه پالایی بود. در مطالعات گیاه پالایی، از هر یک از نمونه خاك هاي مورد مطالعه، حدود 3 کیلوگرم در گلدان هاي با قطر دهانه 150 و ارتفاع 250 میلی متري ریخته شد. سپس بذر گیاهان آفتابگردان، گلرنگ، اگروپایرون و تال فسکیو در عمق 1 تا 2 سانتی متري سطح گلدان ها کشت شد. از هر یک از سطوح خاك هاي مورد مطالعه، نمونه شاهد (بدون کشت گیاه) نیز جهت حذف اثرات محیطی بر حذف و کاهش غلظت آلاینده هاي نفتی موجود، در نظر گرفته شد. پرورش گیاهان براي این مرحله از پژوهش به مدت 18 هفته به طول انجامید. در طول دوره آزمایش رطوبت خاك ها در حد ظرفیت زراعی نگه داشته شد. پس پایان این دوره نمونه خاك جهت تعیین غلظت TPHs در تیمارهاي گیاهی از خاك اطراف ریشه و در تیمار شاهد از زیر سطح شنی قرار داده شده بر روي خاك برداشت شد. سپس ریشه و اندام هوایی گیاهان مورد مطالعه از یکدیگر جدا گشته و در دماي 60 درجه سانتی گراد در آون خشک گردید.

.5 مطالعات تنفس میکروبی
جهت انجام مطالعات تنفس میکروبی از رایزوسفر گیاهان مورد بررسی (آفتابگردان، گلرنگ، تال فسکیو و اگروپایرون) در هریک از نمونه خاك ها در تیمارهاي مختلف C0)، C1 و (C2 و همچنین از زیر سطح لایه شنی موجود در سطح تیمار شاهد بدون کشت گیاه، نمونه خاك گرفته شد. سپس از هر یک از نمونه خاك ها، 50 گرم توزین و در ظروف مخصوص تنفس میکروبی ریخته شد. آنگاه به هر یک از خاك ها تا 0/7 ظرفیت زراعی، آب مقطر افزوده شد. به منظور جمع آوري CO2 تولید شده طی فرایند تنفس میکروبی میکروارگانیسم هاي خاك در هر یک از ظروف، یک لوله آزمایش حاوي 20 میلی لیتر سود یک نرمال قرار داده و درب ظروف محکم بسته شد. سپس ظروف در دستگاه انکوباسیون به مدت یک هفته و در دماي 26 درجه سانتی گراد قرار داده شدند. پس از دوره انکوباسیون، لوله هاي آزمایش از داخل ظروف تنفس میکروبی، خارج و محتویات آنها در داخل ارلن مایر ریخته شد. سپس به هر یک از نمونه ها 10 میلی کلرید باریوم 10 درصد و 5 تا 10 قطره معرف فنل فتالئین افزوده و محتویات ارلن مایرها با اسید سولفوریک 0/25 نرمال تیتر شد. در نهایت میزان میلی گرم کربن تولید شده به صورت CO2 طی فرآیند تنفس میکروبی بر حسب میزان اسید مصرفی محاسبه شد.[2] آنالیز آماري داده ها به وسیله نرم افزار آماري SAS و طرح بلوكکاملاً تصادفی در قالب آزمایش فاکتوریل و مقایسه میانگین ها به روش LSD انجام شد.

نتایج و بحث
.1 عملکرد ماده خشک گیاهی
نتایج حاصل از تجزیه واریانس عملکرد ماده خشک گیاهی براي اندام هوایی و ریشه گیاهان مختلف در تیمارهاي مختلف در انتهاي دوره آزمایشی، در جدول 5 آمده است. نتایج نمایان گر آن است که نوع گیاه و نوع تیمار آلودگی بر عملکرد ماده خشک گیاهان مختلف اثر گذار بوده است. بررسی نتایج حاصل از عملکرد ماده خشک گیاهی براي اندام هوایی و ریشه و مقایسه میانگین ها براي 3 سطح آلودگی Co، C1 و C2، گویاي آن است که وجود هیدروکربن هاي نفتی در خاك موجب کاهش رشد و عملکرد ماده خشک اندام هوایی و ریشه در همه تیمارهاي گیاهی در مقایسه با تیمار شاهد (بدون آلودگی) شده که این کاهش رشد و عملکرد در غلظت بالاتر هیدروکربن هاي نفتی (تیمار(C2
مشهودتر می باشد (شکل.(1 به شکلی که کاهشی حدود 43، 69 و63 درصدي در عملکرد ماده خشک ریشه به ترتیب براي گیاهان آفتابگردان، تال فسکیو و اگروپایرون در تیمار C2، نسبت به تیمار Co دیده می شود. همچنین گیاه گلرنگ قادر به مقاومت در برابر حضور این آلاینده ها در خاك در تیمارC2 نبوده و فاقد عملکرد ماده خشک گیاهی در انتهاي دوره آزمایشی بوده است (شکل.(1 کاهش حدود 20، 53، 58 و41 درصدي نیز به ترتیب براي گیاهان آفتابگردان، گلرنگ، تال فسکیو و اگروپایرون در عملکرد ماده خشک ریشه در تیمار C1، نسبت به تیمار Co
دیده می شود (شکل.(1 از سویی عملکرد ماده خشک اندام هوایی آفتابگردان، حدود 82 درصد، تال فسکیو حدود 80 درصد و اگروپایرون حدود 60 درصد در تیمار C2 نسبت به تیمار Co کاهش یافته است (شکل.(1 به نظر می رسد که سمیت ناشی از وجود ترکیبات نفتی در خاك به ویژه ترکیبات سبک تر از یک سو و اثر این آلاینده ها بر قابلیت جذب آب و عناصر غذایی از سوي دیگر، مانع از رشد مناسب و بنابراین تفاوت در عملکرد نهایی، براي رشد ریشه و اندام هوایی در گیاهان مورد مطالعه شده است.[9] پالمروس و همکاران (2002) نیز در مطالعات خود به کاهش 43 و 64 درصدي در عملکرد ماده خشک گیاهی به ترتیب براي گیاهان علفی و لگومینه اشاره دارند.[15] کالکوف و همکاران (2000) نیز در مطالعات خود دریافتند که شبدر قادر به مقاومت در برابر ترکیبات نفتی موجود در خاك نبوده و پس از 60 روز خشک شده و فاقد عملکرد ماده خشک در انتهاي دوره آزمایشی بوده است.[12] اسمیت و همکاران (2005) نیز به کاهش رشد و عملکرد ماده خشک گیاهی براي هفت گیاه مورد مطالعه خود شامل گراس ها و لگوم ها در خاك هاي آلوده به هیدروکربن هاي نفتی اشاره دارند.[20]

جدول:5 نتایج تجزیه واریانس عملکرد ماده خشک ریشه و اندام هوایی گیاهان مختلف (گرم) در تیمارهاي خاك آلوده

تنفس میکروبی
نتایج حاصل از مقایسه میانگین هاي میزان کربن تولیدي به صورت CO2 ناشی از تنفس میکروارگانیسم ها در خاك در تیمارهاي مختلف در حضور هر گیاه در مقایسه با تیمار شاهد (بدون کشت گیاه) در شکل 2 آمده است. با توجه به این شکل مشخص است که در تیمار Co تفاوت معنی داري بین اثر حضور گیاهان مختلف و تیمار شاهد در تولید CO2 دیده نمی شود و تنها در حضور گیاه تال فسکیو است که تنفس و فعالیت میکروبی نسبت به تیمار شاهد حدود 19 درصد بیشتر بوده است. اما در تیمار C1 بیشترین فعالیت و تنفس میکروبی در حضور گیاهان تال فسکیو و اگروپایرون بوده و اختلاف معنی داري بین اثر حضور این دو گیاه با سایر گیاهان و تیمار شاهد دیده می شود (شکل2 )

بین اثر حضور دو گیاه آفتابگردان و گلرنگ، تفاوت معنی داري مشاهده نمی شود اما حضور گیاه آفتابگردان سبب افزایش 12 درصدي در تنفس میکروبی نسبت به تیمار شاهد شده است (شکل.(2 به نظر می رسد که بایومس تولیدي ریشه، نوع سیستم ریشه اي، میزان و نوع ترشحات ریشه توسط گیاهان مختلف در میزان فعالیت میکروارگانیسم ها در محیط رایزوسفر آنها نقش مؤثري داشته به شکلی که در حضور گیاهان تال فسکیو و اگروپایرون که داراي سیستم ریشه فیبري با سطح ویژه بالا می باشند، بیشترین فعالیت میکروارگانیسم ها دیده می شود و افزایش حدود 77 و 58 درصدي به ترتیب در حضور گیاهان تال فسکیو و اگروپایرون، نسبت به تیمار شاهد در میزان تولید CO2 ناشی از فعالیت میکروارگانیسم ها دیده می شود (شکل.(2 در تیمار C2 نیز بین اثر حضور گیاهان آفتابگردان و گلرنگ با تیمار شاهد تفاوت معنی داري مشاهده نمی شود اما بین اثر حضور گیاهان اگروپایرون و تال فسکیو با تیمار شاهد اختلاف معنی داري وجود دارد (شکل. 2) بیشترین میزان CO2 تولیدي ناشی از فعالیت میکروارگانیسم ها در حضور گیاه اگروپایرون بوده است به شکلی که افزایش حدود 71 درصدي در تنفس میکروبی در حضور این گیاه، نسبت به تیمار شاهد دیده می شود (شکل2) به نظر می رسد که گیاه اگروپایرون به سبب استقرار مناسب تر و تولید بایومس ریشه و اندام هوایی بیشتر در این تیمار (شکل(1 اثر بیشتري بر فغالیت میکروبی در خاك داشته است. در همین راستا، لی و همکاران (2002) نیز گزارش نمودند که در منطقه رایزوسفر گیاهی، جمعیت میکروبی نسبت به خاك بدون کشت بسیار بیشتر میباشد..
مک گیل و راول (1977) نیز به افزایش در آزاد سازي CO2 ناشی از تنفس میکروارگانیسم ها در خاك هاي آلوده به نفت، نسبت به خاك هاي غیر آلوده اشاره دارند.[14

0 0 0