گروه زیست شناسی

سازمان آموزش و پرورش استان آذربایجان غربی

گیاه‌پالایی

گیاه‌پالایی بمعنی حل مشکلات محیطی از طریق استفاده از گیاهان است که باعث می‌شود مشکلات محیطی بدون نیاز به غوررسی در مورد مواد آلاینده و رسوب آنها در جاهای مختلف کاهش یابد. گیاه‌پالایی بمعنی کاهش غلظت آلاینده‌ها در خاک، ‌آب و هوای آلوده با استفاده از گیاهانی است که فلزات، حشره‌کش‌ها، حلال‌ها، مواد انفجاری، ‌نفت خام و مشتقات آنها و نیز آلاینده‌های دیگر را در خود نگه می‌دارند یا آنها را تجزیه می‌کنند.

phytoremediation کاربرد

گیاه‌پالایی (Phytoremediation) در تمام مواردی بکار میرود که خاک یا آب‌ راکد در معرض آلودگی قرار گرفته و یا از آلودگی‌ مزمنی رنج می‌برد. نمونه‌های استفاده موفقیت‌آمیز از تکنیک گیاه‌پالایی در معادن رها شده و نیز مکان‌هایی بکار رفته که «پلی‌کلرینیتد بای‌فنیل» در طول یک دوره در آن جمع شده است. آلاینده‌هایی از قبیل فلزات، حشره‌کش‌ها، حلال‌ها، ‌مواد انفجاری و نفت خام و مشتقات آنها در سراسر دنیا از طریق بکارگیری پروژه‌های گیاه‌پالایی مشمول کاهش قرار گرفته‌اند. گیاهان مختلف مثل خردل،‌ شاهدانه و خرفه برای مقابله با آ‌لودگی‌های سطح بالای فاضلاب‌های سمی مفید هستند.

در ۲۰ سال گذشته این تکنولوژی بسرعت جای خود را باز کرده و در خاک‌های آلوده به قلع، اورانیوم و آرسنیک مورد استفاده قرار گرفته است. با اینکه این روش امتیاز‌های محیطی در محل اجرا دارد ولی یکی از معایب مهم آنها این است که بکارگیری آنها مستلزم زمان طولانی است و فرایند گیاه‌پالایی تابع توانایی گیاه برای رشد و زنده ماندن در محیطی است که برای رشد طبیعی آنها چندان مناسب نمی‌باشد. گیاه‌پالایی به توانایی طبیعی برخی گیاهان اشاره دارد که آنها را «انباشتگر برتر» (Hyperaccumulator) می‌نامند و قادر به جمع کردن، تجزیه و حذف آلودگی‌های موجود در خاک و آب و هوا می‌باشند.

امتیازات

• هزینه گیاه‌پالایی کمتر از فرایندهای سنتی است.

• گیاهان را براحتی می‌توان پایش کرد.

• احتمال بازیابی و استفاده مجدد از فلزات باارزش بویژه از طریق شرکت‌هایی که در استحصال مواد معدنی از مواد گیاهی تخصص دارند.

• گیاه‌پالایی بطور بالقوه کم‌ضررترین روش است زیرا از موجود زنده طبیعی استفاده کرده و از محیط به شیوه طبیعی‌تری محافظت می‌کند.

محدودیت‌ها

• گیاه‌پالایی محدود به سطح تماس و عمق تماس ریشه ‌این گیاهان است و آلودگی عمق‌های دیگر را خنثی نمی‌کند.

• رشد آهسته و بیومس اندک گیاهان مبین آن است که گیاه‌پالایی یک عمل طولانی مدت است.

• در سیستم‌های پالایش مبتنی بر گیاهان، نمی‌توان بصورت کامل از نشت آلاینده‌ها به آبهای زیرزمینی جلوگیری کرد. بدون حذف کامل زمین‌های آلوده مشکل آلودگی حل نمی‌شود.

• بقای گیاهان نیز تحت تأثیر سمیت زمین آلوده و وضعیت عمومی خاک قرار می‌گیرد.

• تجمع زیستی آلاینده‌ها بخصوص فلزات در گیاهان خطر آن را دارد که بعدها راه خود را به چرخه یا زنجیره غذایی باز کنند و از مصرف‌کنندگان اولیه به سمت بالا این آلودگی توسعه یابد و چه بسا مستلزم انهدام مواد گیاهی آلوده باشد.

فرایندهای گیاه‌پالایی

طیف وسیعی از فرایندهای پالایشی با استفاده از گیاهان و جلبک‌ها برای کاهش مشکلات محیطی بکار میروند:

• ترسیب گیاهی (Phytosequestration). ایجاد کمپلکس مواد شیمیایی گیاهی در منطقه ریشه موجب کاهش سهم و نسبت آلاینده‌های موجود می‌شود. مهار پروتئین‌هالی انتقالی روی غشاء ریشه باعث می‌شود که از ورود آلاینده به درون گیاه ممانعت شود. ذخیره واکوئولی در سلول‌های ریشه و ترسیب آلاینده‌ها در واکوئول‌های سلول‌های ریشه گیاه.

• استخراج گیاهی (Phytoextraction). جذب و غلظت مواد از محیط به بیومس گیاهی

• پایدارسازی گیاهی (Phytostabilization). کاهش تحرک مواد در محیط مثلاً از طریق محدودسازی نشت آنها در خاک

• تبدیل گیاهی (Phytotransformation). تغییر شیمیایی مواد موجود در محیط در نتیجه مستقیم متابولیسم گیاهی اغلب منجر به غیر فعال‌سازی، ‌تخریب و یا غیرمتحرک‌سازی آنها می‌شود.

• تحریک گیاهی (Phytostimulation). پیشرفت فعالیت میکروبی خام برای تجزیه آلاینده‌ها از طریق ارگانیسم‌هایی که با ریشه همکاری می‌کنند. این فرایند را اصطلاحاً «تجزیه ریزوسفوری» می‌نامند. تحریک گیاهی شامل گیاهان آبزی نیز هست که در آن جمعیت‌های فعال تجزیه‌کننده‌های میکروبی مورد حمایت قرار میدهد. مثلاً گیاه «هورن ورت» تجزیه «آترازین» را تحریک می‌کند.

• فرارسازی گیاهی (Phytovolatilization). جدا کردن مواد از خاک و آب از طریق رهاسازی آن به هوا که اغلب در نتیجه تبدیل آنها به مواد فرار یا کمتر آلاینده توسط گیاهی می‌شود.

• فیلترسازی گیاهی (Rhizofiltration). عبور دادن و فیلتر کردن آب از انبوه ریشه‌ها برای حذف مواد سمی یا مواد مغذی اضافی. آلاینده‌ها به سمت ریشه جذب می‌شوند.

استخراج گیاهی

روش استخراج گیاهی یا تجمع گیاهی از گیاهان یا جلبک‌ها برای از بین بردن آلودگی خاک، رسوبات یا آب استفاده کرده و آن را تبدیل به بیومس گیاهی قابل برداشت می‌کند. ارگانیسم‌هایی که مقادیر بیش از مقدار طبیعی مواد آلاینده را جذب می‌کنند اصطلاحاً «انباشتگر برتر» نامیده می‌شوند. استخراج گیاهی در دو دهه اخیر در سطح جهان مورد استقبال قرار گرفته است. بطور کلی این فرایند بیشتر برای استخراج فلزات سنگین (و نه مواد آلی) بوده است. در زمان حذف آلودگی، آلاینده‌ها نوعاً در حجم کوچکتری از مواد گیاهی تجمع می‌یابند که در مقایسه با خاک یا رسوبات آلوده اولیه بمراتب بیشتر است. کاوش عناصر توسط گیاهان یا «عنصرکاوی گیاهی» به شیوه‌های زیر بررسی شده است.

گیاه از طریق سیستم ریشه آلاینده‌ها را جذب می‌کند و آنها را در بیومس ریشه ذخیره می‌سازد و یا به سمت ساقه و برگ‌ها ارسال می‌دارد. یک گیاه زنده تا زمان برداشت به جذب آلاینده‌ها ادامه می‌دهد. بعد از برداشت، ‌سطح کمتری از آلاینده‌ها در خاک باقی می‌ماند بنابرین چرخه کاشت و برداشت گیاهان مختلف باید تکرار شود تا پاکسازی معنی‌داری رخ دهد. بعد از این فرایند، خاک تمیزشده را می‌توان برای کشت گیاهان دیگر بکار برد.

امتیازات. امتیاز اصلی استخراج گیاهی، دوستانه بودن آن ‌با محیط است. روش‌های سنتی که برای تمیزکاری خاک آلوده به فلزات سنگین بکار می‌روند معمولاً موجب از تخریب ساختار خاک و کاهش قابلیت تولید آن می‌شوند در حالی که استخراج گیاهی قادر به تمیزکاری خاک است بدون اینکه هیچ گونه اثر تخریبی در مورد کیفیت خاک داشته باشد. منفعت دیگر استفاده از روش استخراج گیاهی ارزان بدن آن است.

معایب. از آنجا که این فرایند توسط گیاهان کنترل می‌شود، در مقایسه با روش‌های دیگر تمیزکاری ابداع شده توسط بشر زمان بیشتری می‌گیرد.

دو نسخه متفاوت استخراج گیاهی. «انباشت برتر طبیعی» که در آن گیاه بطور طبیعی آلاینده‌های خاک را جذب می‌کند و «انباشت برتر القائی» که مایع حاوی یک کیلات‌کننده یا عامل دیگر به خاک افزوده می‌شود تا قابلیت حل یا متحرک‌سازی فلزات افزایش یابد بطوری که گیاهان بتوانند مقدار بیشتری از آنها را جذب کنند. در موارد بسیار انباشتگرهای برتر، گیاهان متالوفیت هستند که قادر به تحمل و بکارگیری سطح بالاتری از فلزات سنگین می‌باشند.

نمونه‌های استخراج گیاهی:

آرسنیک. با استفاده از آفتابگردان (Helianthus annuus) یا نوعی سرخس چینی (Pteris vittata). سرخس چینی آرسنیک را در برگ‌ها ذخیره می‌کند.

کادمیم. با استفاده از بید (Salix viminalis). در سال ۱۹۹۹ آزمایش نشان داد که بید اثر بالقوه بالایی بعنوان استخراج‌کننده کادمیم، روی و مس دارد زیرا این گیاه توانایی بالایی از نظر ظرفیت حمل فلزات سنگین از ریشه به جوانه‌ها و نیز توانایی تولید بیومس بالا دارد و همچنین می‌توان از آن برای تولید انرژی در مؤسسات تولید انرژی زیستی استفاده کرد.

کادمیم و روی. «پنیکرس آلپی» (Thlaspi caerulescens) یک انباشتگر برتر برای این عناصر فلزی در سطحی است که برای دیگر گیاهان سمی تلقی می‌شود. از طرفی بنظر می‌رسد وجود مس موجب به هم خوردن رشد این گیاه می‌شود. سرب. با استفاده از خردل هندی (Brassica juncea)، راگ‌وید (Ambrosia artemisiifolia)،‌ شاهدانه (Apocynum cannabinum) و درخت سپیدار. سپیدار سرب را در اندام‌ها و بیومس خود انبار می‌کند.

کلرید سدیم. جو مقاوم به نمک و چغندر قند معمولاً برای استخراج کلرید سدیم مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای تصفیه اراضی است که زمانی در معرض سیلاب‌های دریایی قرار داشته‌اند.

مواد هسته‌ای. بعد از حادثه چرنوبیل با استفاده از گیاه آفتابگردان، سزیم-۱۳۷ و استرونسیم-۹۰ موجود در آب استخرهای تبرید صنایع اتمی گرفته شد.

جیوه، ‌سلنیم و آلاینده‌های آلی مثل «پلی‌کرینیتد بای‌فنیل» (PCB) از طریق گیاهان ترانسژنیک حاوی ژن‌های تولیدکننده آنزیم‌های باکتریایی تصفیه شدند.

پایدارسازی گیاهی

پایدارسازی گیاهی بر پایدارسازی درازمدت و مقدار آلاینده تکیه دارد. مثلاً حضور گیاه ممکن است باعث کاهش فرسایش بادی شود و یا ریشه گیاه از تخریب آبی جلوگیری کند و از طریق جذب و تراکم آلاینده‌ها آنها را از حرکت باز دارد و منطقه‌ای را در اطراف ریشه ایجاد می‌کند که آلاینده‌ها رسوب کنند و پایدار شوند. در روش پایدارسازی گیاهی بر خلاف روش استخراج گیاهی عمدتاً بر ترسیب آلاینده‌ها در خاک و در نزدیکی ریشه (نه بافت گیاه) تمرکز می‌شود. در این حالت آلاینده‌ها فعالیت کمتری دارند و حیوانات و حیات وحش و انسان کمتر در معرض آنها قرار می‌گیرند.

تبدیل گیاهی

در مورد آلاینده‌های آلی مثل حشره‌کش‌ها، ‌مواد انفجاری، ‌حلال‌ها، ‌مواد شیمیایی صنعتی و دیگر مواد «گزنوبیوتیک» (مواد شیمیایی اضافی که بطور معمول در بدن ارگانیسم وجود ندارد)، گیاهان خاصی مثل اختر از طریق متابولیسم خاص خود این مواد را می‌گیرند. در مورد دیگر میکروارگانیسم‌هایی که بطور طبیعی با ریشه گیاهان همزیستی دارند قادر به متابولیسم این مواد در خاک یا آب می‌باشند. این ترکیبات پیچیده و سرکش را نمی‌توان توسط مولکول‌های گیاهی به اجزا متشکله (آب، دی‌اکسید کربن و…) تجزیه کرد. بهمین دلیل عبارت تبدیل گیاهی نشان‌دهنده نوعی تغییر در ساختار شیمیایی آن بدون تجزیه کامل آن می‌باشد. عبارت «کبد سبز» برای تبدیل گیاهی بکار می‌رود زیرا در آن مواد گیاهی همچون کبد انسان در برابر مواد گزنوبیوتیک یا مواد و آلاینده‌های خارجی عمل می‌کند. بعد از جذب گزنوبیوتیک‌ها، آنزیم‌های گیاهی از طریق افزدن گروه‌های هیدروکسی موجب افزایش قطبیت گزنوبیوتیک‌ها می‌شوند.

تبدیل گیاهی در واقع متابولیسم فاز اول نامیده می‌شود و شبیه کبد انسان است که موجب افزایش قطبیت داروها و ترکیبات خارجی می‌شود و آن را متابولیسم دارو‌ها می‌نامیم. در حالی که در کبد انسان آنزیم «سایتوکروم پ-۴۵۰» مسئول واکنش‌های اولیه هستند، ‌در گیاهان آنزیم‌های «پراکسیدازها»، «فنل‌اکسیدازها»، «استرازها» و «نیترورداکتازها» نقش مشابهی بازی می‌کنند.

در مرحله دوم تبدیلی گیاهی که آن را متابولیسم فاز دوم مینامند، بیومولکول‌های گیاهی مثل گلوکز و اسیدهای آمینه به گزنوبیوتیک قطبی شده افزوده می‌شود و باز هم قطبیت آن افزایش می‌یابد و بعبارت بهتر کانژوگه می‌شوند. این نیز شبیه فرایند «گلوکورونیداسیون» کبد (افزودن موکلول گلوکز توسط آنزیم‌های دسته UGT) یا واکنش افزودن گلوتاتیون می‌شود که روی مراکز فعال گزنوبیوتیک‌ها رخ می‌دهد.

واکنش‌های فاز اول و دوم موجب افزایش قطبیت و کاهش سمیت ترکیبات شیمیایی می‌شوند گرچه استثنائات زیادی بر این قائده وجود داردد. افزایش قطبیت برای حمل راحت‌تر مواد گزنوبیوتیک در کانال‌های آبی بکار میرود. در مرحله آخر تبدیل گیاهی یا متابولیسم فاز سوم، گزنوبیوتیک‌ها در درون گیاه ترسیب می‌شوند. گزنوبیوتیک‌ها به شیوه شبیه لیگنین پلی‌مریزه می‌شوند و ساختارهای پیچیده‌ای می‌یابند و در گیاه رسوب می‌کنند. به این ترتیب گزنوبیوتیک‌ها بصورت مناسبی در درون گیاه رسوب می‌یابند بدون اینکه بر کارکرد طبیعی گیاه اثری داشته باشند. مطالعات اولیه نشانت میدهد که این گیاهان برای حیوانات کوچکی چون حلزون‌ها سمی هستند و در نتیجه گیاهان شرکت‌کننده در فرایند تبدیل گیاهیی لازم است در وضعیت محصور نگهداری شوند.

بنابرین این گیاهان سمیت را کاهش داده و گزنوبیوتیک‌ها را در فرایند تبدیل گیاهی رسوب می‌دهند. در منابع تحقیقاتی موارد زیادی از تبدیل گیاهی «تری‌نیتروتولوئن» (TNT) گزارش و مسیر تبدیل آن از نظر بیوشیمیایی ترسیم گردیده است.

نقش ژنتیک

برنامه‌های اصلاح نژادی و مهندسی ژنتیکی ابزارهای قدرتمندی برای بهبود ظرفیت گیاه‌پالایی یا ورود ظرفیت‌های جدید به درون گیاهان می‌باشند. منشأ ژن‌های گیاه‌پالایی چه بسا میکروارگانیسم‌ها باشند و یا بتوان آن را از گیاهی به گیاه دیگر منتقل کرد که در سایت مورد نظر انطباق بیشتری نشان می‌دهند. برای مثال ژن‌های کدکننده آنزیم «نیترورداکتاز» از یک باکتری در نوعی تنباکو درج شده و موجب حذف سریع‌تر تری‌نتیروتولوئن شده است و لذا گیاه در برابر اثرات سمی آن مقاوم‌تر است. محققین همچنین واکنشی را در گیاهان کشف کرده‌اند که به آنها اجازه میدهد حتی وقتی غلظت آلودگی در خاک برای گیاه تیمارنشده کشنده است به رشد خود ادامه دهد. برخی ترکیبات طبیعی و تجزیه‌پذیر مثل پلی‌آمین‌های با منشأ خارجی به گیاهان امکان آن را می‌دهد که با غلظت بالاتری در حد ۵۰۰ برابر گیاه تیمارنشده را تحمل کنند و آلاینده‌های بیشتری را جذب نمایند.

انباشتگرهای برتر و تعاملات زیستی

یک گیاه را در صورتی انباشتگر برتر می‌نامند که بتواند آلاینده‌ها را حداقل در حد یک درصد غلیظ و متراکم سازد. مقدار آن بسته به آلاینده مربوطه فرق می‌کند. برای مثال این مقدار برای عناصر نیکل، مس، کبالت، ‌کروم یا سرب برابر ۱۰۰۰ میلیگرم در کیلوگرم وزن خشک در در مورد روی یا منگنز بیش از ۱۰ هزار میلی‌گرم در کیلوگرم است. این ظرفیت برای تجمع را «تحمل برتر» یا «تحمل گیاهی» می‌نامند که در نتیجه تکامل سازگارانه گیاهان در برابر محیط‌های نامساعد در نسل‌های متوالی شکل گرفته است. برخی تعامل‌ها ممکن است تحت تأثیر تجمع برتر عناصر فلزی شامل محفاظت، تداخل با گیاهان همسایه از گونه‌ متفاوت، همزیستی متقابل (شامل میکوریزها، گرده و پخش بذر)، ‌همزیستی مسالمت‌آمیز و بیوفیلم می‌شود. بطور معمول انباشتگرها به ۳ دسته تقسیم شده و برای هر یک گیاهان مختلفی بعنوان پالایشگر معرفی می‌‌شود. در اینجا فقط به سه دسته اصلی انباشتگرها اشاره میشود. هر یک از این دسته‌ها گیاهانی را در بر دارد.

انباشتگرهای اول: آلومینیم،‌ نقره، آرسنیک،‌ کروم، مس، ‌منگنز، مولبیدن، نفتالن، سرب، پلاتینیم، سلنیم و روی

انباشتگرهای دوم: نیکل

انباشتگرهای سوم: رادیونوکلئوتید‌ها (کادمیم، سزیم، کبالت، پلوتونیم، رادیوم، استرونسیم، اورانیوم)، هیدروکربن‌ها، حلال‌های آلی.

بوجاری گیاهی از آنجا که گیاهان قادر به انتقال و تجمع آلاینده‌ها می‌باشند، می‌توان آنها را بعنوان گیرنده‌های زیستی آلاینده‌های سطحی بکار برد و به محقق امکان آن را داد تا بسرعت منابع آلاینده‌ها را شناسایی کند. مشاهده شده که حلال‌های کلردار از قبیل «تری‌کلرواتیلن» بدلیل وجود در آبهای زیرزمینی در تنه درختان انباشته می‌شوند. برای بکارگیری روش‌های بوجاری مناسب، ‌روش‌های استانداردی توسعه یافته تا بتوان بخشی از تنه درخت را استخراج کرد و آن را برای آنالیزهای بعدی بکار برد. بوجاری گیاهی برای تحقیقات محیطی بهینه و کاهش آلودگی‌ها و کاهش هزینه‌ پاکسازی آنها از اهمیت خاصی برخوردار است.

https://en.wikipedia.org/wiki/Phytoremediation

موضوعات: دهم فصل ششم

ديدگاه ها غير فعال شده اند