پوریا خطیبشهیدی- شادی ولوی ،دانشجویان دکتری دانشگاه آزاد علوموتحقیقات: در شماره پایانی هفته گذشته و در مطلبی با عنوان «گیاهپالایی؛ فصلی جدید در محافظت از محیطزیست» به معرفی روش جدیدی در تصفیه محیطزیست و جلوگیری از افزایش آلودگی آن پرداختیم و اشاره کردیم که گیاهپالایی تکنیکی پالایشی شامل جذب، تغییر شکل، تجمع یا تصعید آلایندهها با کمک گیاهان برای زدودن آلودگیهای آب، خاک و هواست. در این شماره اطلاعات کاملتری از نحوه اجرا و کاربردهای این تکنیک میخوانید.
6 فرآیند اصلی گیاه در تصفیه محیطزیست
بسته به نوع آلودگی و نوع گیاه پالاینده میتوان از فناوریهای مختلف گیاهپالایی برای کاهش فلزات سنگین و یا برای خروج فلزات سنگین از منطقه استفاده کرد. هر کدام از این روشها دارای مکانیسم خاص خود میباشند. بهطور کلی گیاه در تصفیه محیطزیست شش فرآیند اصلی را به کار میبرد که عبارتند از:
استخراج گیاهی یا جمعآوری گیاهی۱
در استخراج گیاهی از گیاهان یا جلبکها برای انتقال آلایندهها از خاک، رسوبات، یا آب به بیومس گیاهان قابل برداشت (ارگانیسمهایی که مقادیر بیش از حد معمول آلاینده را از خاک میگیرند که Hyperaccumulators نامیده میشوند) استفاده میشود. استفاده از استخراج گیاهی بهعنوان یک تکنولوژی پرطرفدار در طی 20 سال گذشته یا بیشتر در حال افزایش بوده است. در کل این فرآیند بیشتر برای حذف فلزات سنگین استفاده شده است و کمتر برای مواد آلی کارایی داشته است. در زمان دفع معمولا آلایندهها تا حجم کوچکی در گیاهان نسبت به غلظت اولیه آنها درخاک یا رسوبات تغلیظ شدهاند. گیاهان آلایندهها را در سیستم ریشه جذب و آنها را در بیومس ریشه ذخیره میکنند یا به طرف بالا در ساقهها یا برگها انتقال میدهند. یک گیاه زنده ممکن است به جذب آلایندهها تا زمانی که آن گیاه برداشت شود ادامه دهد. پس از برداشت مقدار کمی آلاینده در خاک باقی خواهد ماند، بنابراین معمولا سیکل رشد و برداشت باید از طریق چندین محصول برای دستیابی به پاکسازی مورد توجه تکرار شود. پس از اتمام فرآیند، خاک پاکسازیشده میتواند بهعنوان بستری برای گیاهان دیگر استفاده شود. مزیت اصلی استخراج گیاهی این است که این روش دوستدار محیطزیست است. روشهای سنتی که برای پاکسازی خاکآلوده به فلزات سنگین استفاده میشود ساختار خاک را تخریب میکنند و حاصلخیزی خاک را کاهش میدهند. درحالیکه استخراج گیاهی میتواند پاکسازی خاک را بدون اینکه هیچ آسیبی به کیفیت خاک برساند انجام دهد. سودمندی دیگر روش استخراج گیاهی این است که این روش ارزانتر از هر روش دیگر پاکسازی است.
ریزوفیلتراسیون ۲
ریزوفیلتراسیون مشابه استخراج گیاهی است، اما گیاهانی که برای پاکسازی استفاده میشوند در گلخانهها در حالی که ریشه آنها در آب است رشد میکنند. این سیستم میتواند برای تصفیه آب زیر زمینی در خارج از محل استفاده شود. آب زیرزمینی به سطح پمپ میشود تا این گیاهان را آبیاری کند. عموما سیستمهای هیدروپونیک از یک محیط مصنوعی خاک، مثل خاک مخلوط شده با سنگ مروارید استفاده میکنند. وقتی ریشهها از آلاینده اشباع میشوند، گیاهان درو و دفع میشوند.
تثبیت گیاهی ۳
استفاده از گیاهان برای جذب یا غیر متحرکسازی آلاینده در خاک میباشد. فرآیندهایی که در تثبیت گیاهی دخیل هستند شامل جذب و انباشت توسط ریشه، جذب سطحی روی سطوح ریشه یا ترسیب در ناحیه ریشه میباشد. گیاهان موجب نگه داشته شدن آلاینده در ناحیه ریشه و عدم حرکت آن میگردند. این فرآیند حرکت آلاینده را کاهش میدهد و از مهاجرت آن به آبهای زیرزمینی یا هوا جلوگیری میکند و همچنین فراهمی زیستی آن را برای ورود به چرخه غذایی کاهش میدهد. این تکنیک میتواند برای ایجاد مجدد یک پوشش گیاهی در محلهایی که پوشش گیاهی طبیعی به دلیل غلظت بالای فلز در خاکهای سطحی یا اختلالات فیزیکی مواد سطحی از بین میرود مورد استفاده قرار گیرد. گونههای مقاوم به فلز میتوانند برای ذخیره پوشش گیاهی مورد استفاده قرار بگیرند، بنابراین پتانسیل مهاجرت آلاینده را از طریق فرسایش بادی و انتقال خاکهای سطحی در معرض و نشت آلودگی خاک به آب زیرزمینی کاهش میدهد.
تجزیه یا تبدیل گیاهی ۴
در مورد آلایندههای آلی مثل حشرهکشها، مواد منفجره، حلالها، مواد شیمیایی صنعتی، و مواد زنوبیوتیک دیگر گیاهانی مثل Cannas، این مواد را بهوسیله متابولیسم خود به صورت غیرسمی در میآورند. در موارد دیگر میکروارگانیسمهای موجود در ریشه گیاه ممکن است این مواد را درآب یا خاک متابولیزه کنند. این ترکیبات پیچیده و سرسخت نمیتوانند بهوسیله مولکولهای گیاهی به مولکولهای پایه (آب، دی اکسید کربن و... ) تجزیه شوند و بنابراین واژه تجزیه گیاهی تغییری را در ساختار شیمیایی بدون تجزیه کامل این ترکیبات ارائه میکند. از عبارت «Green Liver Model» برای توصیف تبدیل گیاهی استفاده میشود، زیرا گیاهان وقتی با ترکیبات زنوبیوتیک روبهرو میشوند شبیه کبد انسان رفتار میکنند. پس از جذب این زنوبیوتیکها آنزیمهای گیاهان قطبیت این زنوبیوتیکها را بهوسیله اضافه کردن گروههایی مثل گروههای هیدروکسیل (-OH) افزایش میدهند. این مرحله بهعنوان فاز یک متابولیسم شناخته شده است. مشابه روشی که کبد انسان قطبیت داروها و ترکیبات خارجی (Drug Metabolism) را افزایش میدهد. در حالی که در کبد انسان آنزیمهایی از قبیل Cytochrome P450s مسئول واکنشهای اولیه هستند در گیاهان آنزیمهایی مثل Nitroreductases همان وظیفه را انجام میدهند. در مرحله دوم تجزیه گیاهی، فاز 2 متابولیسم، بیومولکولهای گیاهی مثل گلوکز و آمینواسیدها به زنوبیوتیک قطبیشده اضافه میشوند تا قطبیت را بیشتر افزایش دهند. مجددا این فرآیند مشابه فرآیندهایی است که در کبد انسان اتفاق میافتد. واکنشهای فاز 1 و2 برای افزایش قطبیت و کاهش سمیت ترکیب به کار گرفته میشوند، اگرچه استثناهای زیادی برخلاف قانون طبیعی نیز مشاهده شده است. همچنین قطبیت افزایشیافته سبب انتقال آسان زنوبیوتیکها در کانالهای آبی میشود. در مرحله پایانی تبدیل گیاهی (فاز 3 متابولیسم)، تجزیه زنوبیوتیکها در گیاه اتفاق میافتد. زنوبیوتیکها در روشی مشابه لیگنین قطبی میشوند و یک ساختار پیچیده که در گیاه تجزیه شده است را گسترش میدهند. این امر ما را مطمئن میسازد که زنوبیوتیکها بهطور ایمنی ذخیره شدهاند و عملکرد گیاهان را تحت تاثیر قرار نمیدهند، با این وجود مطالعات اولیه نشان داده است که این گیاهان ممکن است برای حیوانات کوچک (مثل حلزونها) سمی باشند و بنابراین ممکن است این نیاز وجود داشته باشد که گیاهان استفادهشده در تبدیل گیاهی در یک محفظه بسته نگهداری شوند. بنابراین گیاهان سمیت را کاهش میدهند و زنوبیوتیکها را در تبدیل گیاهی تجزیه میکنند.
تجزیه ریزوسفری۵
تجزیه ریزوسفری که تحریک گیاهی یا زیستپالایی گیاهی نیز نامیده میشود، تجزیه آلایندهها در ریزوسفر(خاک اطراف ریشه گیاهان) از طریق فعالیت میکروبی است که با حضور ریشه گیاهان افزایش مییابد و فرآیند بسیار آرامتری از تجزیه گیاهی است. میکروارگانیسمها (مخمر، قارچ، باکتری) سوبستراهای آلی را برای تغذیه و انرژی مصرف و هضم میکنند. میکروارگانیسمهای ویژه میتوانند سوبستراهای آلی از قبیل سوختها یا حلالهایی را که برای انسان خطرناک هستند هضم کنند و آنها را به محصولات بیضرر در فرآیندی که تجزیه بیولوژیکی نامیده میشود تجزیه کنند. مواد طبیعی بهوسیله ریشه گیاهان، قندها، الکلها و اسیدهای شامل کربن آلی انتشار مییابند که غذا را برای میکروارگانیسمهای خاک فراهم میکنند و مواد مغذی اضافه فعالیت آنها را افزایش میدهد.
تبخیر گیاهی۶
توانایی طبیعی یک گیاه در تبخیر کردن یک آلاینده که از طریق ریشه گیاه جذب شده است را تبخیر گیاهی میگویند. در این مکانیسم گیاه به مانند یک سیستم پمپاژ طبیعی عمل کرده و آلاینده یا یک متابولیت آن را (در صورت انجام تجزیه گیاهی) به اتمسفر منتقل میکند. بسیاری از ترکیبات آلی فرار میتوانند توسط گیاه تبخیر گردند. فراریت آلاینده براساس ضریب قانون هنری بیان میگردد که عبارت است از تمایل یک ترکیب به پیوستن به فاز گازی نسبت به فاز مایع. تبخیر در این مکانیسم غالبا برای آلایندههای با ضریب هنری بزرگتر از 10 نظیر BTEX، TCE، کلرید وینیل و تترا کلرید کربن کاربرد دارد. ترکیبات با ضریب هنری کوچکتر از 10 مستعد این روش نمیباشد. زیرا ضریب هنری آنها کمتر از 10 است. آلایندههای فرار از طریق اندامهای فوقانی گیاه نظیر برگها وارد اتمسفر میشود. انتشار شعاعی از طریق ساقه نیز در برخی مطالعات گزارش شده است. بهطور کلی این مکانیسم عمدتا مربوط به ترکیبات فرار بوده و بلافاصله پس از ورود به اتمسفر توسط جریان هوا رقیق میگردند. همچنین نرخ رهاسازی ترکیبات آلی فرار ( VOCs ) از اندام گیاه عموما پایین میباشد و لذا ریسک این انتشارات برای سلامت انسان و محیطزیست تقریبا ناچیز است.
گیاهپالایی در چه مدت پاسخ میدهد؟
گیاهپالایی ممکن است برای حذف آلودگیهای یک منطقه تا چندین سال به درازا انجامد. مدت زمان لازم برای پاکسازی بستگی به چندین عامل دارد. بهعلاوه تاثیر عوامل آلاینده محیطزیست از یک مکان به مکان دیگر متفاوت است. گیاهپالایی در حالات زیر به مدت بیشتری به درازا میکشد:
1) بالا بودن غلظت آلودگیها
2) وسعت یا عمق بیشتر مناطق آلوده
3) رشد آهسته و طولانی گیاهان
4) فصل رشد کوتاه منطقه
گیاهان پالایی کجا کاربردی است؟
از گیاه پالایی به دلایل و موارد مختلفی استفاده میشود، این گیاهان از فرآیندهایی نظیر گیاهان طبیعی بهره میبرند لذا علاوهبر مفید بودن برای محیطزیست به کمترین نیازهای ابزاری و کارگری وابستهاند. گیاهپالایی میتواند بدون اینکه خاکها را حفر یا جابهجا کند و نیازی به پمپاژ آبهای زیرزمینی آلوده داشته باشد به پاکسازی آلودگیها کمک کند بنابراین به این طریق به صرفهجویی مصرف انرژی در پالایندگی میانجامد. پرورش و درنهایت برداشت گیاهان کاشتهشده از مکانهای آلوده بهعنوان یک شیوه پالایش آلودگیها از جنبههای زیباییشناختی۷، جذب انرژی خورشیدی و تکنیکی کنشپذیر حائز اهمیت است لذا از این روش میتوان به موازات یا در بعضی موارد جایگزین شیوههای مکانیکی پالایش آلودگیهای زیستمحیطی بهره گرفت. گیاهپالایی میتواند برای پاکسازی فلزات، آفتکشها، حلالها، نفت خام، مواد منفجره، هیدروکربنهای آروماتیک چندحلقهای و ترشحات حاصل از انباشتن ضایعات به کار رود و بهترین شیوه پاکسازی آلودگیهای سطحی متاثر از مواد آلی، عناصر شیمیایی و فلزات سنگین است. گیاهپالایی برای مناطق وسیعی مناسبت دارد که سایر شیوههای پالایش آلودگیها از تاثیرات لازم برخوردار نیستند یا پرهزینهاند، نظیر مناطقی با غلظت کم آلایندگی که با تیمارهای ظاهری۸ بتوان طی یک دوره زمانی طولانیمدت در تلفیق با سایر تکنولوژیها و با کمک گیاهان مناسب به پاکسازی آلودگیها پرداخت.
مزایای گیاهپالایی را بشناسید
هزینه گیاهپالایی در هر دو شیوه، پاکسازی در محل اصلی۹ و پاکسازی خارج از محل اصلی ۱۰ از روشهای مرسوم و سنتی، کمتر است. گیاهان را میتوان بهآسانی کنترل کرد. امکان بازیافت ۱۱ و استفاده مجدد ۱۲ فلزات ارزشمند از طریق شرکتهای تخصصی معدنیابی گیاهی۱۳ فراهم میشود. دارای حداقل خسارتزایی به محیطزیست است زیرا از موجودات زنده و طبیعی بهره میگیرد و محیطزیست را در حالت طبیعی حفظ میکند. امکان بروز آلودگیهای ثانویه را کم و حداقل آشفتگی در محیطزیست را ایجاد میکند و امکان استفاده از محیطهای آلوده پس از تیمار را فراهم میسازد.
محدودیتهای گیاهپالایی چیست؟
گیاهپالایی محدود به سطح زمین و عمق نفوذ ریشهها میشود. اغلب این گیاهان بهواسطه رشد آهسته و بیوماس کم نیازمند فرصت زمان طولانی هستند که معمولا شامل چندین فصل رشد میشود. سیستمهای پالایش مبتنیبر گیاهان از توانایی ممانعت از فرونشست۱۴ آلودگیها به داخل آبهای زیرزمینی بدون حذف کامل آلودگیهای خاک بیبهره است. محدودیت گونههای گیاهی سازگار با شرایط محیطی و آلودگیهای مختلف وجود دارد و بقای گیاهان طرح متاثر از میزان سمیت مواد آلاینده و شرایط منطقه آلوده است. احتمال ورود آلایندهها به داخل زنجیره غذایی ۱۵ از طریق حیوانات مصرفکننده مواد گیاهی وجود دارد. تجمع زیستی ۱۶ و غلظت آلایندهها، بهویژه فلزات در گیاهان پس از استفاده در زنجیره غذایی انسان از اولین سطوح مصرفکنندگان به مرور افزایش یافته و از ایمنی غذاها میکاهد. البته گیاهان قادرند بهعنوان یک تله یا فیلتر عمل کرده و به کاهش یا حذف آلایندههای محیطی بپردازند. گیاهپالایی بیشتر در مقیاسهای کوچک بررسی شده اما کاربرد آن در سطح گسترده بسیار محدود بوده است. توسعه و پژوهشهای بیشتر در زمینههای مختلف زیستپالایی میتواند بر مقبولیت و کاربردهایش جهت حذف آلایندهها از آب، خاک و هوا کمک کند.
6 نمونه کاربردی در پاکسازی مناطق آلوده به فلزات سنگین
1- استخراج گیاهی آرسنیک۱۷: برای کاهش غلظت این عنصر در خاک میتوان از گیاهانی نظیر:
الف) آفتابگردان (Sunflower) با نام علمی Helianthus annus
ب ) سرخس بیشه چینی (Chinese brake fern) با نام علمی Pteris vittata
استفاده کرد زیرا گیاه سرخس اقدام به انباشتن قابلتوجهی از آرسنیک در برگهایش میکند.
2- استخراج گیاهی کادمیوم ۱۸:
برای کاهش آلودگی به این عنصر میتوان از درخت بید (willow) با نام علمی Salix viminalis بهره گرفت. یک پژوهش در سال 1999 میلادی نشان داد که درخت بید بهنحو معنیداری پتانسیل استخراج گیاهی عناصری چون کادمیوم، روی و مس را دارد. درخت بید همچنین حائز ویژگی خاصی چون ظرفیت بالای انتقال فلزات سنگین از ریشهها به ساقهها و تولید مقادیر زیاد بیوماس است که میتواند برای تولید انرژی زیستی در نیروگاههای تولید برق از بیوماس به کار گرفته شوند.
3- استخراج گیاهی روی:
برای کاهش غلظت روی و کادمیوم میتوان از ترتیزک آلپی (Alpine pennycress) که یک جمع آوریکننده پرقدرت فلزات در سطوح سمیت برای اکثر گیاهان است بهره گرفت. از طرف دیگر به نظر میرسد که حضور مس میتواند بر رشد گیاهان مذکور آسیب برساند.
4- استخراج گیاهی سرب:
برای کاهش غلظت این عنصر میتوان از گیاهان زیر استفاده کرد زیرا آنان نسبت به کاهش عنصر سرب در بیوماس اقدام میکنند:
الف) خردل (Mustard) با نام علمی Brassica juncea
ب) اَرجی (Ragweed) با نام علمی Ambrosia artemisiifolia
پ) استبرق (Hemp dogbane) با نام علمی Apocynum
ت) درخت صنوبر.
5- استخراج گیاهی سزیم و استرانتیم:
این عناصر پس از حادثه چرنوبیل توسط آفتابگردان از مکانهای آلوده حذف شدند.
6- استخراج جیوه، سلنیوم و آلایندههای آلی:
جیوه، سلنیوم و آلایندههای آلی نظیر PCB (پلیکلرینات بیفنیل) از خاکهای آلوده توسط گیاهان تراریخته ۱۹ که حاوی ژنهایی جهت تولید آنزیمهای باکتریایی هستند، حذف میشوند.
در ایران مطالعاتی روی گیاهان مقاوم به فلزات سنگین موجود در خاکهای آلوده به فلز انجام شده است. از نخستین موارد این تحقیقات، میتوان به تحقیق و پژوهش قادریان و همکاران در سال 2007 اشاره کرد که با بررسی گیاهان موجود در معدن سرب و روی ایرانکوه، مقدار عناصر سرب و روی را در این گیاهان تعیین کردند. براساس این مطالعه، گیاه Matthiola chenopodiifolia از خانواده شب بوئیان میتواند بهخوبی در خاکهای آلوده به سرب و روی ایرانکوه رشد کند و دارای پتانسیل قابلملاحظهای برای انباشتگی سرب و روی در برگهای خود در شرایط طبیعی است. این روزها یکی از دغدغههای اساسی اغلب افراد و بهویژه شهرنشینان، بحث آلودگی هواست. آلودگی هوا، اثرات منفی و بعضا جبرانناپذیری را بر سلامتی انسانها دارد. اما پیامدهای آلودگی هوا فقط محدود به انسانها نیست بلکه زندگی دیگر موجودات زنده، شامل جانوران و گیاهان را نیز دستخوش تغییر میکند. دامنه این پیامدها چنان گسترده است که حتی شامل آسیب رساندن به بناهای تاریخی، ساختمانها و دیگر موارد نیز میشود. آلودگی هوا به معنای حضور مواد شیمیایی یا ترکیبایی در هواست که معمولا در هوا وجود ندارند و کیفیت هوا را کاهش میدهند یا منجر به تغییرات مضر در کیفیت حیات میشوند. ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻓﻨﺎوری زیستی و ﺗﻮاﻧﺎییﻫﺎی ﻣﻮﺟﻮد در ﻃﺒﯿﻌﺖ ﻣﯿﺰان ﺻﺪﻣﻪ ﺑﻪ ﻣﺤﯿﻂزﯾﺴﺖ را میﺗﻮان ﺑﻪ ﺣﺪاﻗﻞ رﺳﺎﻧﺪ. گیاهپالایی ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از مهندسی گیاهان ﺳﺒﺰ ﺷﺎﻣﻞ گونههای علفی و چوبی ﺑﺮای ﺑﺮداﺷﺖ ﻣﻮاد آﻻﯾﻨﺪه از آب، ﺧﺎک، هوا ﯾﺎ کاهش ﺧﻄﺮات آﻻﯾﻨﺪهﻫﺎی ﻣﺤﯿﻂ زﯾﺴﺖ ﻧﻈﯿﺮ ﻓﻠﺰات سنگین، ﻋﻨﺎﺻﺮ کمیاب، ترکیبات عالی و ﻣﻮاد رادﯾﻮاکتیو ﺑﻪ کار برده میشود. سرو نقرهای یا سرو سیمین با نام علمی Cupressusarizonica، ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﺗﺤﻤﻞ ﺷﺮاﯾﻂ ﺳﺨﺖ و ﻣﺘﻨﻮع رویشگاه ﺑﺮای کاشت در زﻣﯿﻦﻫﺎی ﺧشک و اﻗﻠﯿﻢﻫﺎی ﻧﯿﻤﻪﺧشک ﺑﺴﯿﺎر ﻣﻨﺎﺳﺐ اﺳﺖ. ﺑﻪﺧﺎﻃﺮ ﻣﻘﺎوم ﺑﻮدن ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﺑﺎدشکن، ﺑﻪ دﻟﯿﻞ ﺗﺤﻤﻞ ﻫﺮس ﺷﺪﯾﺪ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان پرچین و ﺑﻪ دﻟﯿﻞ ﺗﺎج ﺧﻮشﻓﺮم و زﯾﺒﺎی آبی- ﻧﻘﺮهای ﺑﻪ ﻋﻨﻮان گیاه ﻣﻨﺎﺳﺐ طراحی ﻓﻀﺎی ﺳﺒﺰ ﺑﻪ کار میرود. برنامهریزی در حوزه گیاهپالایی شامل تشخیص مناطق و کانونهای آلوده شهرها، معرفی گونههای مخصوص به هرنوع آلودگی و ارائه مستند راهکارهای رشد و توسعه گونههای گیاهی در فضای سبز و اجرای علمی گیاهپالایی میتواند در کاهش آلودگی هوا ثمربخش باشد.
- Phytoextraction or phytoaccumulation
- Rhizofiltration
- Phytostabilization
- Phytotransformation or Phytodegradation
- Rhizodegradation
- Phytovolatilisation
- Aesthetical
- Polishing treatment
- In-situ
- Ex-situ
- Recovery
- Re-use
- Phyto mining
- Leaching
- Food chain
- Bio-accumulation
- Arsenic
- Cadmium
- Transgenic