تأثیر گیاه پالایی بر کاهش آلودگی خاک، آب‌وهوا

مقدمه

با تغییر روند زندگی بشر، افزایش جمعیت و فعالیت‌های صنعتی به مرور سطح آلاینده ها در محیط زیست افزایش یافته است و امروزه این آلاینده ها به میزان بسیار زیاد و خطرناکی در محیط زندگی ما وجود دارند.

آلاینده های حاصل از فعالیت‌های انسانی علاوه بر اینکه بر سلامت انسان تأثیر می‌گذارند می‌توانند بر زندگی گیاهان، حیوانات وحشی و اهلی نیز تأثیر منفی داشته باشند.

شاید بسیاری از آلودگی ها در یک بررسی سطحی بسیار ناچیز به نظر برسند اما باید بدانید که حتی سطوح پایین آلاینده ها در محیط زیست به دلیل تجمع احتمالی در سطوح بالاتر تروفیک (سطوح تروفیک یا سطوح تغذیه ای به مراحل پی‌درپی در زنجیره غذایی اشاره دارد) می‌توانند اثرات مضری بر گیاهان، حیوانات و انسان (مثل آسیب به سیستم غدد درون ریز، تأثیر بر سیستم ایمنی بدن، ایجاد اختلالات عصبی و سرطان) داشته باشند و از این رو لازم است توجه ویژه ای به آلاینده های هرچند اندک در محیط زیست خود داشته باشیم.

امروزه برای پاک‌سازی محیط زیست از آلودگی ها و کاهش صدمات ناشی از این مواد راهکارهای متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرد که اغلب بسیار پرهزینه هستند، در این مقاله ما تلاش می‌کنیم تا به طور خلاصه مطالبی را در مورد گیاه پالایی که یکی از بهترین و کم هزینه ترین روش‌های پاک‌سازی محیط زیست است در اختیار شما قرار دهیم، امیدواریم این مطالب مورد توجه شما قرار بگیرد.

نقش فلزات در آلودگی‌های زیست محیطی

برای سال های طولانی، انسان ها مقادیر زیادی از آلاینده های خاک، آب و هوا را در نتیجه استفاده از فعالیت های صنعتی همچون استخراج سنگ از معادن، انتشار گازهای سمی، استفاده از سموم دفع آفات و تولید زباله های شهری، به محیط زندگی خود اضافه کرده اند.

این آلاینده ها به آسانی می توانند در زنجیره های غذایی بر روی هم انباشته شده و باعث ایجاد صدمات شدیدی بر گیاهان، حیوانات و انسان شوند.

فلزات بخش مهمی از آلاینده های محیط زیست را تشکیل می‌دهند و معمولاً با غلظت‌های پایین در خاک دیده می‌شوند. همه فلزات مضر نیستند برخی از این فلزات مثل آهن (Fe)، منگنز (Mn)، کبالت (Co)، مس (Cu)، مولیبدن (Mo) و روی (Zn) برای رشد گیاه بسیار ضروری هستند و به عنوان عناصر ریزمغذی مورد استفاده گیاهان قرار می‌گیرند و حتی به صورت کود توسط کشاورزان به خاک و آب اضافه می‌شوند اما برخی از فلزات که مورد استفاده گیاهان قرار نمی‌گیرند مثل آرسنیک (As)، کادمیوم (Cd)، کروم (Cr)، جیوه (Hg)، نیکل (Ni)، سرب (Pb)، سلنیوم (Se)، اورانیوم (U)، وانادیوم (V) و ولفرام (W) به عنوان آلاینده شناخته می‌شوند و حتی در غلظت‌های بسیار اندک هم می‌توانند باعث مسمومیت گیاهان شده و اثرات مخربی بر روی محیط زیست داشته باشند.

روش‌های متعددی برای برطرف کردن آلودگی حاصل از فلزات سمی و ضدعفونی نمودن خاک وجود دارد که معمولاً بسیار پرهزینه بوده و در زمین‌های کشاورزی قابل استفاده نیستند با این وجود، امروزه از استراتژی‌های متعددی برای بازیابی محیط‌های آلوده استفاده می‌شود. از میان این روش‌ها، گیاه پالایی یک روش امیدوار کننده است که مبتنی بر استفاده از گونه های مقاوم است، این گونه ها می‌توانند مقادیر بالای مواد سمی موجود در محیط خاک را تحمل کنند. در چنین استراتژی‌هایی از گیاهان سبز برای حذف، تخریب و یا سم زدایی فلزات سمی استفاده می‌شود.

شکل زیر به خوبی آثار مسمومیت بوته های برنجی که با فلز مس مسموم شده اند را در مقایسه با گیاهان شاهد نشان می‌دهد.

تمام این گیاهان در یک شرایط کنترل شده و درون یک محفظه بسته رشد کرده اند و برای تغذیه آن‌ها از روش هیدروپونیک استفاده شده است، به محلول غذایی گیاهان سمت راست ۰.۵ میلی‌گرم در لیتر مس اضافه شده است، اما گیاهان سمت چپ به عنوان شاهد و بدون اضافه کردن مس تغذیه شده اند. همان‌طور که در تصویر مشخص است مسمومیت مس با کاهش رشد و زرد شدن رنگ شاخ و برگ در گیاهان سمت راست همراه بوده است.

نقش و تأثیر گیاه پالایی در کاهش آلودگی‌های محیط و تکنولوژی های زیرمجموعه آن

در شرایط ایده آل گیاه پالایی در مناطق آلوده باید در کمتر از یک دهه میزان آلودگی را به سطح قابل قبول برساند، با این وجود محدودیت‌هایی هم وجود دارد، به عنوان مثال گیاه پالایی فقط در محدوده ریشه گیاهان کارایی دارد و از طرفی، اگر غلظت آلاینده ها برای گیاهان سمی باشد، این روش کاربرد چندانی نخواهد داشت. این فن آوری برای بسیاری از محیط‌ها و انواع آلاینده ها می‌تواند به کار گرفته شود و شامل فرآیندهای مختلفی مثل تثبیت یا تخریب در همان نقطه و یا حذف (به عنوان مثال، تخلیه در جو یا استخراج مواد سمی از خاک) آلاینده ها است.

در جدول زیر می‌توانید مقایسه بین فن آوری های مختلف گیاه پالایی را مشاهده کنید

۱-روش تثبیت گیاهی (Phytostabilization)

این فن آوری با هدف حفظ و تثبیت آلودگی ها درهمان محیط قبلی و جلوگیری از پراکندگی بیشتر این آلودگی ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، در این روش آلودگی ها را می‌توان در ریشه ها یا منطقه میکرو اکولوژیکی اطراف ریشه ها تثبیت نمود.

به عنوان مثال این روش برای بسیاری از معادن پس از استخراج مواد معدنی، با هدف احیای زمین‌ها و جلوگیری از گسترش آلودگی به مناطق دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل زیر احیای معدنی در انتاریو (واقع در کانادا) را نشان می‌دهد که در آن به صورت مکانیکی بذر و کود به خاک آلوده اضافه می‌شود.

در این مناطق معمولاً از انواع تجاری چمن‌های مقاوم به فلزات مثل Agrostis tenuis cv برای احیای زمین‌ها استفاده می‌شود و آلاینده ها توسط آن‌ها تثبیت می‌شوند.

شکل بالا (الف: تصویر سمت چپ) مدل شماتیک فن آوری های مختلف گیاه پالایی شامل حذف و مهار آلودگی ها و (ب: تصویر سمت راست) فرآیندهای فیزیولوژیکی که در گیاهان در طی گیاه پالایی انجام می‌شود را نشان می‌دهد.

۲- تجزیه گیاهی (Phytodegradation)

تجزیه گیاهی (Phytodegradation)، تخریب آلاینده های آلی است که به طور مستقیم، به‌وسیله آزاد نمودن برخی آنزیم‌ها از ریشه و یا در حین فرایندهای متابولیکی در بافت‌های گیاهی انجام می‌شود. (شکل زیر بخش بالا و سمت راست).

میکروارگانیسم‌های موجود در خاک می‌توانند باعث کاهش اثرات سمی آلاینده ها در خاک شوند، به عنوان مثال، ترشحات حاصل از باکتری Pseudomonas putida می‌توانند سمیت کادمیم (Cd) را در گیاهان کاهش دهند. همچنین برخی گیاهان می‌توانند میزان سمیت آلاینده ها را کاهش دهند و آن‌ها را به اشکال کمتر سمی تبدیل کنند و یا فراهمی زیستی آن‌ها را کاهش دهند.

به عنوان مثال فلز کروم (Vl) که سمی و کشنده بوده و در مقادیر کم سرطان‌زا است را می‌توان توسط آنزیم‌های موجود در ریشه گیاهان تالاب به فرم کروم (lll) که معمولاً برای سلامتی خطرناک نیست تبدیل نمود.

در تجزیه گیاهی، آلاینده های آلی به وسیله ریشه گیاهان جذب می‌شوند و با متابولیزه شدن در بافت‌های گیاهی میزان سمیت آن‌ها کاهش می‌یابد.

روش تجزیه گیاهی به ویژه در مورد آلاینده های آلی آب‌گریز موفقیت آمیز بوده است. استفاده از درختان صنوبر برای تجزیه ترکیبات آلی سمی و غیرقابل استفاده موفقیت آمیز بوده است.

Rhizodegradation فرآیندی است که در آن آلاینده های آلی در محیط ریزوسفر (منطقه میکرو اکولوژیکی در محیط اطراف ریشه گیاهان) به موادی با سمیت کمتر تبدیل می‌شوند در این فرآیند میکروب‌های خاکزی اقدام به تجزیه بیولوژیکی مواد سمی می‌نمایند، ترشحات ریشه گیاهان در حفظ جمعیت این میکروب‌های مفید خاکزی مؤثر است اما برای تقویت بیشتر این فرآیند می‌توان باکتری‌های مؤثر در آن را تلقیح و به خاک‌های آلوده اضافه نمود، همچنین می‌توان با روش‌هایی مثل تغییر مواد غذایی موجود در خاک و یا تغییر سطح pH خاک جمعیت این باکتری‌های مفید را افزایش داد.

۳-Phytovolatilization

Phytovolatilization روشی است که در آن آلاینده ها توسط ریشه گیاه جذب شده و به گاز تبدیل می‌شوند و سپس طی فرایند تبخیر و تعرق گیاه، در جو آزاد شده و در نتیجه از محیط آلوده خارج می‌شوند. در این روش گیاهانی که سرعت تبخیر و تعرق بیشتری دارند در اولویت قرار دارند (شکل زیر بخش بالا و سمت راست).

به عنوان مثال، از درختان صنوبر برای تبدیل تری کلرواتیلن (TCE) به استات کلر و CO_۲ استفاده شده است، همچنین فلزاتی مثل سلنیوم را می‌توان با تبدیل به دی متیل سلنید[Se (CH_۳) _۲]  به کمک گیاهان به شکل گاز از محیط خارج نمود.

در سال‌های اخیر برای حذف آلاینده های خاص از مهندسی ژنتیک نیز استفاده شده است. به عنوان مثال، با استفاده از ژن‌های اصلاح شده که آنزیم یون ردوکتاز جیوه را کد می‌کنند، توانایی گل لاله (Liriodendron tulipifera) برای خارج کردن متیل جیوه از خاک و تخلیه آن در جو افزایش یافته است.

۴- استخراج گیاهی (Phytoextraction)

Phytoextraction یا استخراج گیاهی یکی از تکنیک های گیاه پالایی است که از توانایی گیاهان برای جمع آوری آلاینده ها در زیست‌توده گیاهی استفاده می‌کند.

جذب فلزات توسط گیاهان معمولاً توسط ناقلین خاص (پروتئین‌های کانال) یا پروتئین‌های حامل ⁺H همراه واقع در غشای سلولی ریشه ها صورت می‌گیرد. به عنوان مثال، ناقل (IRT1) جذب آهن (Fe) را امکان‌پذیر می‌کند، به خصوص اگر غلظت بسیار کمی آهن در خاک وجود داشته باشد، همچنین جذب فلزات دیگر نیز از طریق ناقل‌های IRT1 امکان‌پذیر است. در بسیاری از موارد فلزات غیرضروری به طور سهوی از طریق دیگر حامل‌های غشای سلولی جذب می‌شوند، به عنوان مثال، جذب آرسنیک (به صورت AsO_۳) ناخواسته و از طریق ناقلین فسفر اتفاق می افتد، مولکول‌های آلی از طریق انتشار به سادگی وارد ریشه های گیاه می‌شوند.

در روش Phytoextraction، استخراج فلزات یک فرآیند دائمی است که با استفاده از گیاهان سریع الرشد یا گیاهانی که قادر به تحمل مقدار زیاد فلزات در بافت خود هستند صورت می‌گیرد و ممکن است با کمک مواد شیمیایی خاصی فراهمی فلزات سمی در خاک برای این گیاهان افزایش یابد تا آلاینده ها با سرعت بیشتری وارد بافت گیاهان شوند. در این فرایند زیست‌توده گیاهی به طور پی‌درپی برداشت می‌شود و از این طریق غلظت آلاینده ها در خاک کاهش می‌یابد.

این روش به توانایی برخی گیاهان در تجمع تدریجی آلاینده ها (خصوصاً فلزات) در بافت‌های گیاهی وابسته است، برخی از گیاهان (Hyperaccumulating) قادرند بدون هیچ‌گونه مسمومیت، فلزات را به میزان زیادی در زیست‌توده خود ذخیره کنند این گیاهان به طور طبیعی با زندگی در خاک‌های با مقادیر بالای فلز سازگار شده اند. بیشتر از ۴۰۰ گونه گیاهی شناسایی شده اند که می‌توانند تجمع بیش از حد فلزات در زیست‌توده گیاهی خود را تحمل کنند البته بیشتر آن‌ها فقط می‌توانند تجمع بیش از حد یک فلز خاص را تحمل کنند و از این رو برای محیط‌های با آلودگی‌های متفاوت نمی‌توان از یک نوع گیاه استفاده نمود.

میزان فلزات سمی در گیاهان Hyperaccumulating می‌تواند بیش از ۱ درصد از زیست‌توده خشک گیاه را تشکیل دهد. به عنوان مثال، مشخص شده است که گیاه Berkheya coddii، در صورت رشد در خاک آلوده می‌تواند، ۳.۸ درصد نیکل در زیست‌توده خشک خود داشته باشد.

تصویر بالا برداشت شیره غنی از نیکل از یک درخت را نشان می دهد که توانایی تحمل غلظت بالای نیکل در شیره خود را دارد.

در این روش فلزات در فرآیندی به نام فیتومینینگ از زیست‌توده گیاهی برداشت شده استخراج می‌شوند.

مکانیسم اصلی برای تجمع بیش از حد فلزات در اندام گیاهان را می‌توان بیان زیاد ژن‌هایی دانست که مسئول تنظیم ناقلین غشای سلولی هستند.

محدودیت‌های اصلی برای استفاده از گیاهانی که می‌توانند فلزات سمی را بیش از حد معمول در بافت‌های خود جمع آوری و تحمل کنند، رشد بسیار آرام و تولید اندک زیست‌توده گیاهی است.

میزان کارایی این روش تابعی از میزان تولید زیست‌توده گیاهی و محتوای مواد آلاینده در زیست‌توده گیاهی برداشت شده است بنابراین، هرچه این گیاهان رشد سریع‌تری داشته باشند، پتانسیل بیشتری در استخراج آلاینده ها از خاک دارند، همچنین با دست‌کاری میکروارگانیسم‌های خاکزی می‌توان سرعت رشد گیاه و میزان جذب آلاینده ها را در این گیاهان افزایش داد.

از آنجا که استخراج مؤثر مواد آلاینده با کمک گیاهان علاوه بر رشد سریع محصولات به در دسترس بودن این مواد سمی نیز بستگی دارد، در خاک‌هایی که فراهمی زیستی فلزات پایین است استخراج مواد آلاینده با محدودیت مواجه خواهد بود، در این شرایط می‌توان فراهمی زیستی فلزات را با کمک کلات‌های مصنوعی همچون (EDTA) یا مواد شیمیایی اسیدی مثل NH_۴SO_۴ افزایش داد. البته زمان استفاده از این مواد بسیار مهم است و باید در زمان اوج تولید زیست‌توده گیاهی اتفاق بیفتد تا بیشترین اثر را در جذب فلزات داشته باشد.

قابل ذکر است که استفاده از کلات‌های مصنوعی نیز ممکن است مشکلاتی را ایجاد کند به عنوان مثال با کلاته کردن فلزات ممکن است آن‌ها را در معرض شستشو قرار دهیم که خود می‌تواند باعث آلودگی آب‌های زیرزمینی و گسترش آلودگی به محیط اطراف شود و لازم است پیش از اجرای طرح جوانب کار کاملاً سنجیده شود.

با توجه به مجموع مطالب بیان شده در این مقاله به نظر می‌رسد که فضای زیادی برای انجام تحقیقات تکمیلی در این زمینه وجود دارد. جای امیدواری است که با افزایش این تحقیقات بتوانیم در آینده محیط زیست سالم‌تری داشته باشیم.

خلاصه

آلاینده های موجود در محیط زیست یک مشکل جهانی برای حیات وحش و سلامت انسان محسوب می‌شوند. فناوری گیاه پالایی که به تازگی توسعه یافته است با استفاده از گیاهان و میکروارگانیسم‌های خاکزی می‌تواند به ما در مقابل این مشکل جهانی کمک نماید، این روش یک راه حل مقرون به صرفه برای کاهش مقدار آلاینده ها و یا اثرات سمی آلاینده ها در محیط ارائه می‌دهد. گیاه پالایی خود شامل فن آوری های متعددی است که عبارت‌اند از:

الف) phytostabilization یا تثبیت گیاهی که در آن آلاینده ها در محیط اولیه حفظ می‌شوند.

ب) phytodegradation یا تجزیه گیاهی که در آن مواد آلاینده پس از تجزیه به موادی با آلایندگی کمتر تبدیل می‌شوند.

ج) phytovolatilization که در آن آلاینده ها درون گیاهان به گاز تبدیل گردیده و طی فرآیند تبخیر و تعرق از گیاه خارج شده و وارد اتمسفر می‌شوند.

د) phytoextraction یا استخراج گیاهی که در آن، برخی گیاهان در محیط آلوده کشت شده و پس از تجمع مواد آلاینده در زیست‌توده این گیاهان آن‌ها را برداشت می‌کنند و از این طریق آلودگی از محیط خارج می‌شود.

مجموعه این روش‌ها در شرایط مختلف، در نهایت باعث کاهش خطرات آلاینده های زیست‌محیطی برای انسان و حیات وحش شده و با کمترین هزینه سلامت محیط ما را افزایش می‌دهند.

امیدواریم مطالب مقاله فوق مورد توجه و استفاده شما قرار بگیرد.

منابع:

https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/phytoremediation-17359669/

https://link.springer.com/article/10.1007/s42452-021-04301-4