بخشی از مقاله
چکیده
فعالیتهای انسانی و توسعه صنایع ضایعات سمی را وارد آب، خاک و هوا کرده که این آلودگیها برای محیط زیست و ارگانیسمهای زنده درون آب - گیاهان و جانوران و میکروارگانیسمها - مضر میباشند. امروزه آلودگی محیط زیست توسط فلزات سنگین مشکلات جدی برای سلامت انسان و جانداران ایجاد کرده است و در بسیاری از موارد باعث بروز سرطان در انسان میشوند. عناصری مثل جیوه - Hg - ، سرب - Pb - ، کادمیوم - Cd - ، مس - Cu - ، کرومیوم - - Cr، منگنز - Mn - ، روی - Zn - و آلومینیوم - Al - ، البته برخی فلزات نظیر آرسنیک و آنتیموان از عناصر سمی محسوب میشوند.
با توجه به اهمیت حفظ سلامت محیط زیست و به تبع آن سلامت انسان، لازم هست تدابیری جدی در این زمینه اندیشیده شود. روشهای مختلفی برای زدایش این فلزات از محیط وجود دارد. زیستپالایی یکی از بهترین و سالمترین روشهایی که امروزه مورد توجه محققین قرار گرفته است که تعامل و مشارکت موجوداتی مثل باکتریها، قارچها و البته گیاهان در این زمینه دیده میشود. میکروارگانیسمها به خصوص باکتریها راهکارهای مختلفی جهت مقاومت در برابر فلزات سنگین دارا هستند باکتریهای PGP به همراه گیاهان زیستپالا یک تکنولوژی ضروری برای حذف آلودگیهای فلزی در مقایسه با صدها روش دیگر فراهم ساختهاند.
میکروارگانیسمهای ریزوسفر قادرند آلودگیهای آلی و غیرآلی ریزوسفر را تجزیه، شستشو و از دسترس گیاه خارج کنند و اثرات سمی فلزات را خنثی کنند. پیشرفتهایی که در زمینه بیوانفورماتیک و زیست شناسی سلولی و مولکولی صورت پذیرفته نوید بخش آیندهای روشن در رابطه با شناسایی ژنهای دخیل در زیستپالایی میکروارگانیسمها و انتقال این ژنها به گیاهان زیستپالا جهت افزایش بهره وری گیاهپالایی میباشد.
مقدمه
موجودات زنده از مواد و عناصر برای رشد و نمو خود استفاده میکنند. در این میان بیشبود و کمبود مواد میتواند موجب ایجاد عارضههایی برای موجود زنده شود. اما موادی هستند که حتی در مقادیر نه چندان زیاد نیز سمی و خطرناک میباشند. از این مواد میتوان به سرب، جیوه، کادمیم، روی، آلومینیوم، آرسنیک، آنتیموان ، حتی آهن و مس اشاره کرد.[1-3]این مواد در اثر استخراج بیرویه معادن، ذغال سنگ، استفادهی بی رویه از سموم و کودها، باطریها، ضایعات پزشکی، بنزینهای سربدار به محیط زیست و جو وارد میگردند.[4-9] در این مقاله مروری تلاش میشود تا در مورد زیستپالایی یعنی روشهای زدودن آلودگیهای فلزات سنگین و همچنین تاثیرآنها بر روی گیاهان و میکروارگانیسم ها بحث شود.
عناصر سنگین و تاثیر آنها بر ارگانیسمها
فعالیتهای انسانی و توسعه صنایع ضایعات سمی را وارد آب، خاک و هوا کرده که این آلودگیها برای محیط زیست و ارگانیسمهای زنده درون آب - گیاهان و جانوران و میکروارگانیسمها - مضر میباشند آلودگیها شامل فلزاتی هستند که چگالی آنها سنگین و به عبارتی چگالی آنها بیشتر از 5گرم بر سانتی متر مکعب میباشد. البته این مقدار در استانداردهای مختلف عدد متفاوتی میباشد
بالغ بر 20 نوع عنصر سمی توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا - USEPA1 - و همچنین آژانس مواد سمی و بیماریهای مرتبط با این مواد سمی - ATSDR2 - گزارش شده که شامل فلزات و برخی شبه فلزات میباشند. .[7,10,11] عناصر ذکر شده جدیترین و مخربترین تاثیر را روی اکوسیستمهای خشکی و آبی بر جای گذاشته که در حالت کلی باعث اختلال در سلامت فیزیولوژیکی ارگانیسمها میشوند. این عناصر سمی از طریق غذا، آب و هوا و تماس با پوست وارد بدن میشوند
بیماریهای ناشی از عناصر سنگین فلزی و شبه فلزیعمدتاً عبارتاند از بیماریهای قلبی و عروقی، کم خونی مزمن، سرطان، آسیب کلیوی و در نهایت میتوان به بیماری های پوست و استخوان و دندانها و... اشاره کرد.[13] بنابراین کاهش ورود و کاهش مقدار عناصر سمی در طبیعت برای جلوگیری از گسترش بیماریها ضروری میباشد. در این جا سالمترین و بهترین روش زیستپالایی عناصر سمی مورد بحث و بررسی قرار میگیرد که عبارتند از: گیاه پالایی
و تاثیر باکتریهای افزایش دهندهی رشد گیاهی . - PGP3 - برای پاکسازی عناصر سمی روشهای مختلف بیولوژیکی و فیزیکوشیمیایی مورد ارزیابی و استفاده قرار گرفته است. ولی چالش بزرگ در نظر گرفتن هزینه، نوع و پیچیدگی روش و تکنیک موردنظر است
عملیات فیزیکوشیمیایی شامل روشهایی مثل شستشوی فلزات به وسیله احیا آنها در خاک، دفن این عناصر به روشهای خاص، عملیات حرارتی و ... میباشد که این تکنیکها سریع، ولی ناکافی بوده و هزینهبر میباشند. علاوه بر آن این عملیات بر ساختمان، خواص بیولوژیکی و بیوشیمیایی خاک تاثیر گذاشته و احتمالا باعث آلودگی ثانوی خاک و محیط گردند. روشهای فیزیکوشیمیایی تک بعدی به مسئله نگاه میکنند و مسئله را از یک بعد حل میکنند ولی آلودگی را به صورت کامل پاک نمیکنند.
برای پاکسازی عناصر سمی به روش بیولوژیکی از محیط زیست، از گیاهان و میکروارگانیسمها بهرهگیری میکنند. میتوان گفت برای پاکسازی عناصر سمی روشهای زیستی و بیولوژیکی به دلیل طبیعی بودن، دوستدار محیط زیست، هزینه کمتر و پذیرش عمومی بالا موثرترین روشها هستند. روشهای زیستپالایی بیولوژیکی مخصوصاً گیاهپالایی بر روشهای فیزیکوشیمیایی مزیت دارند زیرا خواص طبیعی خاک حفظ شده، هزینه کمتری دارند و انرژی خود را از نور خورشید تامین میکنند. گیاهپالایی از روشهای زیستپالایی بوده که میتواند به کمک برخی میکروارگانیسمهای همراه نتایج بهتری در پاکسازی خاک ارائه دهد
برای مثال دیده مشخص شده که Psendomonas aeruginosa, Bacillus spp.، مس - Cu - و روی - Zn - را سمیتزدایی میکنند. همچنین روشن شده که در صورت تجمع زیستی میکروارگانیسم-های مفید در اطراف این گیاهان، رشد و توسعه ریشه گیاهان و در نهایت خود گیاهان در زمینهای آلوده بهتر و سطح جذب و قدرت تحمل گیاهان نسبت به این فلزات افزایش مییابشد
در همکاری بین گیاه و میکروارگانیسمها عناصر سمی به مقدار زیادی توسط هر گیاه جذب و ذخیره شده و سپس دفع میگردند. و شادابی و طراوات و تحمل گیاهان هم بیشتر خواهد بود. این بیوماس تولید شده از فلز+گیاه+میکروارگانیسمهای همراه میتواند به عنوان انرژی زیستی و بیودیزل، مخصوصا در گیاهان Brassica spp. مورد استفاده واقع گردد . [22] بسیاری از گیاهان توانایی تجمیع عناصر سنگین در بافت خود را دارا هستند. برای مثال گیاه Eleocharis acicularis می تواند مس، آرسنینک، روی و سرب را در خود تجمیع کند
گیاهان جذب کننده فلزات سنگین
تعداد قابل توجهی از گونههای گیاهی تجمیع کننده فلزات برای استفاده در گیاهپالایی مورد توجه هستند. طبق مطالعات صورت گرفته گیاهانی که به عنوان جذب کننده نامیده میشوند که در بافتهای خود، حدود 100mg/kg از وزن خشک خودشان کادمیوم و یا حدود 1000mg/kg از وزن خشک آنها Pb-Ni-Cu باشد و یا بیشتر از 1000 mg/kg، عنصرمنگنز یا روی در شاخسار خود جمع کنند. طبق گزارشات صورت پذیرفته حدود 40 خانواده گیاهی از توانایی جذب و تجمیع عناصر سنگین برخوردارند.
از مهمترین این خانوادهها میتوان به Asteraceae - خانواده گل مینا - ، Cruciferaceae - خانواده خاجیان - ، Enphorbiaceae - خانواده فرفیون - Lamiaceae - خانواده نعناع - ، Fabaceae - خانواده حبوبات - و Scrophulariaceae - خانواده گل میمونی - را نام برد. حدوداً 500 گونه گیاهی متعلق به این 40 خانواده گیاهی شناسایی شدهاند که توانایی جذب عناصر سنگین را در حد بالایی دارند. این گیاهان می توانند 500 mg/kg؛52000 از Zn و 3 mg/kg؛1020 از Cd را جذب و نگهداری کنند.
گیاهپالایی توسط درختان محدود بوده و مدت زمان طولانیتری برای رسیدن به نتیجه مطوب نیازمند است ولی در مورد سپیدار نتایج خوب و امیدوار کنندهای حاصل گشته است.[14,20] توانایی گیاهپالایی فقط به جذب بیش از حد عناصر سنگین توسط یک گیاه بستگی ندارد. بسیاری از گیاهان آنزیمهایی تولید میکنند که مواد آلی را تجزیه میکنند ولی بایستی توجه داشت که عناصر معدنی به راحتی حل و احیا نمیشوند و این عناصر بایستی تغییر شکل و وضعیت دهند همچنین این گیاهان در محیطهای آلوده، بایستی به یک یا دو یا بیشتر از فلزات سمی و سنگین تحمل داشته باشند تا رشد نسبی بیشتری داشته و بیوماس بالایی تولید کنند.
برهمکنش گیاه و میکروبها و نقش PGPها در گیاهپالایی
میکروارگانیسمها در جای جای محیطهای زیستی مثل آب، هوا، شرایط کویری و دماهایی بالاتر مثل چشمه های آب های خیلی داغ یافت میشوند. خاک نزدیک به ریشه یا به عبارتی ریزوسفر یک محیط مناسب برای تجمع میکروارگانیسمهاست. در این محیط میکروارگانیسمهایی مثل قارچها، باکتریها، جلبکها و پروتوزوئرها به روشهای مختلف با گیاهان در ارتباطاند.
