گیاه پالایی

گیاه پالایی یک تکنیک باصرفه اقتصادی، زیست محیطی و علمی است که برای کشورهای در حال توسعه مناسب است و تجارت با ارزشی به حساب می‌آید. متاسفانه علی رغم این پتانسیل، هنوز در برخی از کشور‌ها مانند کشور ما به عنوان یک فناوری استفاده تجاری ندارد.
پاکسازی مواد آلاینده از خاک، آب و هوا به وسیلۀ گیاهان، انباشت گیاهی گفته می شود. از این تکنولوژی و علم جدید امروزه جهت پاکسازی اکوسیستم¬ها از مواد آلاینده از جمله فلزات سنگین، شبه فلزات، مواد رادیواکتیو، علف¬کش¬ها و ئیدروکربن های نفتی حلال های کلره استفاده می شود. گیاهان مختلفی که دارای توانایی جذب به این آلاینده ها هستند، اغلب از خانواده های Amaranthace .Asteraceae،Brassicaceae ،Fabaceae ،Poaceae هستند. انباشت گیاهی بهره گیری از فرایندهای طبیعی موجود در گیاهان می باشد. این فرایندها شامل جذب آب و مواد شیمیایی و متابولیسم مواد در داخل گیاه می باشد.
گرچه لغت گیاه پالایی یک تکنیک نسبتا جدید است اما کاربرد آن قدمت طولانی دارد. در سال 1962 تحقیقاتی با استفاده از گیاهان آبی برای پالایش آبهای آلوده به مواد رادیواکتیو در مناطق هسته ای روسیه شروع گردید. آنها دریافتند برخی گیاهان رشد یافته در خاکهای آلوده بدون نشان دادن علایم سمیت قادر به تجمع مقادیر بالای فلزات در بافتهایشان هستند. چنی در سال 1983 اولین کسی بود که hyperaccumulators را برای پالایش فلزات مناطق آلوده معرفی کرد.
گیاه پالایی با استفاده از مهندسی گیاهان سبز شامل گونه‌های علفی و چوبی برای برداشت مواد آلاینده از آب و خاک یا کاهش خطرات آلاینده‌های محیط زیست نظیر فلزات سنگین،عناصر کمیاب، ترکیبات آلی و مواد رادیواکتیو به کار برده می‌شود. مهم‌ترین ترکیبات معدنی آلاینده، فلزات سنگین بوده و میکروارگانیسم‌های خاک قادر به تجزیه آلاینده‌های آلی هستند، اما برای تجزیه میکروبی فلزات نیاز به آلی شدن یا تغییرات فلزی آنها وجود دارد که امروزه از گیاهان برای این بخش استفاده می‌شود.
اگرچه دغدغه دیگر برای کارشناسان، نحوه استفاده از گیاهانی است که به این شکل آلوده می‌شوند، اما راهکار تولید انرژی به عنوان یکی از ضروری‌ترین بخش‌های زندگی امروز، دریچه دیگری را برای دانشمندان باز کرد. از دیدگاه جهانی، پس از آب و هوا، پوسته خاک، سومین جزء عمده محیط زیست انسان تلقی می‌شود.
خاک علاوه بر این‌که پایگاه موجودات خشکی‌زی، بویژه جوامع انسانی است، محیط منحصر به فردی برای زندگی انواع حیات بخصوص گیاهان به شمار می‌رود. بر خلاف آب و هوا، آلودگی خاک از نظر ترکیب شیمیایی به آسانی قابل اندازه‌گیری نبوده و یک خاک پاک یا خالص تعریف‌پذیر نیست بنابراین ناگزیریم مسائل بالقوه آلودگی خاک را در چارچوب پیش بینی خطرات و صدمات احتمالی در کارکرد خاک مطالعه کنیم.
با توسعه طرح‌های‌ انسان ساخت و آلوده شدن خاک‌ها به وسیله فلزات سنگین، ساختار خاک برای رشد و توسعه گیاهان مسموم و خطرناک می‌شود و تنوع زیستی خاک را نیز بهم می‌ریزد.
در روش گیاه پالایی، گیاهان بر اساس مکانیسم جذب طبقه‌بندی و آلودگی خاک به فلزات سنگین به کمک روش‌های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی کاهش داده می‌شود. بر اساس تحقیقات دفتر بررسی آلودگی آب و خاک سازمان حفاظت محیط زیست، رفع آلودگی خاک معمولا با 2 روش خارج از محل و در محل صورت می‌گیرد. در روش خارج از محل، خاک آلوده به مکان دیگری انتفال یافته و پس از رفع آلودگی به مکان اولیه برگردانده می‌شود. در روش دیگر که نیاز به جابه‌جایی و انتقال ندارد آلاینده‌ها با آلی شدن، از قابلیت جذب زیستی آنها کاسته می‌شود.
برای کاهش آلودگی آلاینده‌های معدنی در خاک می‌توان از روش‌های آلی کردن، کمپلکس کردن و افزایش خاک بوسیله آهک استفاده کرد اما بیشتر این روش‌ها گران بوده و سبب تخریب محیط زیست می‌شوند.
در فناوری استفاده از گیاهان با عنوان گیاه پالایی، از گیاهان سبز و ارتباط آنها با میکروارگانیسم‌های خاک برای کاهش آلودگی خاک و آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شود. این فناوری می‌تواند برای رفع هر دو نوع آلاینده خاک یعنی معدنی و آلی به کار رود.
بررسی‌ها نشان می‌دهد کاربرد تکنیک‌های فیزیکوشیمیایی، سبب از میان رفتن میکروارگانیسم‌های مفید خاک مانند تثبیت کننده‌های نیتروژن میکروریزا می‌شود که در نتیجه فعالیت‌های بیولوژیکی خاک را ضعیف می‌کند و در مقایسه با تکنیک گیاه پالایی، بسیار هزینه‌بر است.در روش ریزوفیلتراسیون، از گیاهان خاکی و آبی استفاده می‌شود که آلاینده‌های منابع آبی‌ آلوده با غلظت کمتر در ریشه‌هایشان تغلیظ یا رسوب می‌کنند که این روش بخصوص برای فاضلاب‌های صنعتی، رواناب کشاورزی و یا فاضلاب معادن اسیدی کاربرد دارد و برای فلزاتی مانند سرب، کادمیم، مس، نیکل، روی و کرم مناسب است.
گیاهانی مانند خردل هندی، آفتابگردان، تنباکو، چاودار و ذرت دارای این توانایی هستند. آنها دارای قدرت جذب سرب از فاضلاب هستند که در این میان، آفتابگردان بیشترین قدرت و توانایی را دارد.
در روش دیگری با استفاده از قدرت ریشه، محدود‌کردن تحرک و قابلیت دسترسی آلاینده‌ها در خاک صورت می‌گیرد.
‌این روش معمولا برای کاهش آلودگی در خاک، رسوب و لجن استفاده می‌شود و از طریق جذب، رسوب، کمپلکس و یا کاهش ظرفیت انجام می‌پذیرد. در روش تبخیر گیاهی، گیاهان، آلاینده‌ها را از خاک جذب و سپس به بخار تبدیل کرده و با عمل تعرق به اتمسفر انتقال می‌دهند. این روش در درختان در حال رشد برای جذب آلاینده‌های آلی و معدنی کاربرد دارد.

در روش دیگری که به نام کاهش گیاهی معروف است، گیاه با متابولیسم خود از طریق انتقال، تجزیه، تثبیت و تصعید ترکیبات آلاینده به برطرف کردن آلودگی از خاک و آب‌های زیرزمینی کمک می‌کند. در این روش، ترکیبات آلی به مولکول‌های ساده‌تر شکسته شده که می‌تواند به درون بافت گیاه وارد شوند. بررسی‌ها نشان داده است گیاهان دارای آنزیم‌هایی هستند که می‌توانند پسماند حاصل از حلال‌های کلرینات مانند تری‌کلرو اتیلن و حشره‌کش‌های دیگر را تجزیه کند.
فلزات سنگین و دسترسی آنها در خاک‌
فلزات سنگین، عناصری با وزن اتمی 54/63 تا 59/200 و وزن مخصوص بیشتر از 4 هستند. برخی از فلزات سنگین به مقدار کم مورد نیاز ارگانیسم‌های زنده هستند؛ هر چند افزایش بیش از حد همین فلزات سنگین ضروری می‌تواند برای ارگانیسم‌ها مضر باشد.
فلزات سنگین غیر ضروری شامل آرسنیک، آنتیمونی، کادمیم، کرم جیوه، و سرب است که این فلزات در رابطه با آلودگی خاک و آب‌های سطحی بسیار مهم هستند و مورد توجه علم گیاه پالایی قرار می‌گیرند.
واکنش گیاهان به فلزات سنگین‌
گیاهان3 راهبرد پایه برای رشد در خاک‌های آلوده به فلزات سنگین دارند. گونه‌هایی که از ورود فلزات به بخش‌های هوایی خود جلوگیری کرده یا غلظت فلزات را در خاک پایین نگه می‌دارند، گونه‌هایی که فلزات را در اندام‌های هوایی خود تجمع داده و دوباره به خاک بر می‌گرداند و گیاهانی که می‌توانند فلزات را در اندام‌های هوایی خود تغلیظ کرده به طوری که چندین برابر غلظت فلز در خاک شود و گیاهانی که غلظت بالایی از آلاینده‌ها را جذب کرده و در ریشه، ساقه یا برگ‌هایشان تغلیظ می‌کنند.
کاربرد مهندسی ژنتیک برای بهبود گیاه پالایی‌
در این تکنیک با استفاده از تنوع ژنتیکی موجود در داخل هر گونه و تحریک خصوصیات ژنتیکی گونه‌ها می‌توان تحمل گونه را نسبت به فلزات آلاینده محیط افزایش داد. بررسی‌ها نشان داده است تولید گیاهان با پتانسیل بالای گیاه پالایی و تولید بیومس در بهبود روش گیاه پالایی موثر است و تلقیح ژن‌های موثر در تجمع فلزات به گیاهانی که بلندتر از گیاهان طبیعی هستند سبب افزایش تولید بیومس نهایی می‌ شود.
برخی روش‌های گیاه پالایی محدودیت‌هایی دارد؛ به عنوان مثال در نوعی از این روش، گیاه پالایی در محدوده 3 فوت از سطح خاک و حداکثر 60 فوت از آب‌های زیرزمینی موثر است. این روش برای مکان‌هایی که غلظت آلودگی در آنها پایین تا متوسط است در سطح وسیع به کار برده می‌شود و شدیدا وابسته به اسیدیته خاک است.
نتایج به دست آمده از تحقیقات دانشمندان حاکی از آن است که اسیدی کردن خاک، قابلیت دسترسی فلزات را به مقدار زیادی افزایش می‌دهد. البته ممکن است اسیدی کردن خاک، تاثیرات منفی دربرداشته باشد. برای مثال افزایش حلالیت برخی فلزات سمی و شستشوی آنها به آب‌های زیرزمینی سبب بروز خطرات زیست محیطی می‌شود که باید تحت کنترل و شرایط ویژه صورت گیرد.
مصرف تولیدات گیاه پالایی‌
یکی از موانع اجرای تجاری گیاه پالایی، چگونگی مصرف گیاهان آلوده است. پس از برداشت، آلودگی خاک توسط گیاه کاهش یافته، اما مقدار زیادی بیومس خطرناک تولید شده است. بررسی‌ها نشان می‌دهد تولید کمپوست و متراکم کردن، 2 روشی است که برای مدیریت بیومس گیاهان آلوده توسط بسیاری از محققان پیشنهاد شد، اما بهترین روش برای مصرف بیومس‌های تولید شده توسط گیاه پالایی، تغییر و تبدیلات ترموشیمیایی است که در این روش بیومس به عنوان یک منبع انرژی مصرف تجاری دارد.
این بیومس شامل کربن، هیدروژن و اکسیژن است که با عنوان هیدروکربن‌های اکسیژنه شناخته می‌شود. جزء اصلی هربیومس لیگنین، همی سلولز، سلولز، مواد معدنی و خاکستر است که دارای مقادیر بالایی رطوبت، مواد آلی فرار و جرم مخصوص ظاهری هستند، اما ارزش گرمایی پایینی دارند. درصد این اجزا از گونه‌ای به گونه دیگر متفاوت است که مدیریت این حجم از مواد زائد بسیار مشکل بوده و نیاز به کاهش حجم دارد.
تولید انرژی‌
سوزاندن و تولید گاز از روش‌های مهم برای تولید انرژی گرمایی و الکتریکی است که می‌توان از گیاهان آلوده استخراج شوند. بازیافت این انرژی از بیومس به وسیله سوزاندن یا تولید گاز می‌تواند ارزش اقتصادی داشته باشد؛ زیرا آن را نمی‌توان به عنوان علوفه یا کود مصرف کرد.
سوزاندن روش ساده‌ای است اما باید تحت موقعیت‌های کنترل شده باشد. در این روش حجم بیومس 2 تا 5 درصد کاهش یافته و خاکستر را می‌توان به طور مناسبی مصرف کرد. تحقیقات نشان داده است سوزاندن پسماندهای خطرناک حامل فلزات در فضای باز صحیح نیست، زیرا گازهای آزاد شده به محیط ممکن است مضر باشد، چرا که به این ترتیب تنها حجم کاهش می‌یابد وگرمای تولید شده نیز به هدر می‌رود.
تحقیقات دفتر بررسی آلودگی آّب و خاک سازمان حفاظت محیط زیست نشان می‌دهد، تولید گاز یکی از موارد کنترل بیومس است که از طریق مجموعه‌ای از تغییرات شیمیایی گازهای احتراقی پاک با بازده گرمایی بالا تولید می‌شود. به این ترکیب گازی، گاز پیرو گفته می‌شود که می‌توان برای تولید انرژی گرمایی و الکتریکی آن را سوزاند.
تولید گاز در یک مبدل گازی، طی مراحل پیچیده خشک کردن، حرارت دادن، تجزیه گرمایی و واکنش‌های شیمیایی احتراق انجام می‌شود که به طور همزمان اتفاق می‌افتد.محققان گزارش کرده‌اند پیرولیز یک روش نو برای مدیریت مواد زائد شهری است که امکان دارد بتوان از آن برای مدیریت بیومس گیاهان آلوده استفاده کرد. پیرولیز مواد را تحت موقعیت‌های غیرهوازی تجزیه می‌کند و هیچ انتشاری به هوا ندارد.
به این ترتیب، فلزات سنگین در کک باقی می‌مانند که می‌تواند در کوره ذوب استفاده شود. اگرچه هزینه بالای تاسیس و مراحل عملیات فاکتور محدود کننده است، اما اگر فقط برای گیاه استفاده شود می‌تواند برای گیاهان آلاینده و مواد زائد شهری مناسب باشد.محققان بر گونه‌های گیاهی با بیومس بالا تحقیق کرده و نشان دادند این روش نتایج مثبتی می‌تواند به همراه داشته باشد و فواید زیست محیطی موثری نیز خواهد داشت.
رفع آلودگی‌های نفتی‌
آلودگی‌های نفتی یک پیامد اجتناب‌ناپذیر از افزایش سریع جمعیت و فرایند صنعتی شدن است که به دنبال آن آلودگی خاک توسط مواد هیدروکربنه نفتی به شکل وسیع در اطراف تاسیسات اکتشاف و پالایش و به شکل موضعی در مسیرهای انتقال این مواد در سطح استان‌های نفت‌خیز جنوبی کشور قابل مشاهده است.
علاوه بر انتشار مستقیم این آلاینده ها، غبارات حاصل از سوخت گازهای همراه نفت، طی سالیان متمادی توانسته مواد سمی و مضری به خاک‌های منطقه اضافه کند.وجود این آلاینده‌ها در محیط‌زیست علاوه بر تاثیر گسترده بر اکوسیستم منطقه، با گذشت زمان و ورود به چرخه غذایی، به جوامع انسانی نیز راه می‌یابند و به این ترتیب سلامت انسان‌ها را تهدید می‌کنند.
در حال حاضر نیاز به جلوگیری از گسترش این آلودگی‌ها و همین‌طور پاکسازی مناطق آلوده شده بشدت احساس می‌شود. برای این منظور می‌توان از روش‌های مختلفی بهره گرفت. یکی از این روش‌ها گیاه پالایی است که از گیاهان و میکروارگانیسم‌های همراه آنها جهت پاکسازی محیط‌های آلوده (خاک، آب) بهره می‌گیرد.
در حقیقت گیاه پالایی با استفاده از دخالت‌های انسانی از جمله فناوری کشاورزی (شخم زدن، کود دادن و ) باعث ایجاد شرایط مناسب برای رشد و استقرار گیاه و افزایش فعالیت‌های طبیعی پاکسازی می‌شود. بزرگ‌ترین مزیت این روش نسبت به سایر روش‌ها، ارزان بودن و سادگی آن است. در این روش، انتخاب گیاه مناسب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است که به شرایط اقلیمی منطقه، نوع و میزان آلودگی خاک بستگی دارد.
روش¬های مختلف گیاه پالایی
روشهای گیاه پالایی می توانند برای آلودگی زدایی خاک، آب و هوای آلوده به فلزات سنگین و مواد آلی به کار رود که شامل روشهای ذیل است:
Phytostabilisation (گیاه تثبیتی):
این روش معمولا جهت کاهش آلودگی در خاک، رسوب و لجن استفاده می شود. و بسته به قدرت ریشه در محدود نمودن تحرک و قابلیت دسترسی آلاینده ها در خاک می باشد و از طریق جذب،رسوب، کمپلکس و یا کاهش ظرفیت انجام می گردد.

Rhizofiltration (ریشه صافی):
در این روش از گیاهان برای پالایش آلودگی در محیط خشکی و آبی استفاده می شود و آلاینده ها ممکن است جذب وتغلیظ یا رسوب کنند . از این روش می توان برای پالایش فاضلاب های صنعتی، زهکش های کشاورزی یا زهکش های معادن اسیدی در مورد فلزات سرب، کادمیوم، مس، نیکل، روی وکروم استفاده کرد.
Phytoextraction (گیاه جذبی):
بهترین رهیافت گیاه پالایی، جذب وانتقال آلاینده ها از خاک به گیاه بدون تخریب ساختمان خاک و تغییر در باروری آن است با جذب گیاه فلزات در گیاه تغلیظ، تجمع و رسوب کرده و به زیست توده گیاه اضافه شده و سپس توده گیاه برداشت شده و به محل ایمنی انتقال داده می شود و چنانچه مقدار جذب بالا باشد اهداف اقتصادی نیز می تواند مدنظر قرار گیرد.

Phytovolatilization ( گیاه تبخیری) :
گیاهان ، آلاینده ها را از خاک جذب نموده و سپس به بخار تبدیل کرده و با عمل تعرق به اتمسفر انتقال می دهند. این روش در درختان و دیگر گیاهان در حال رشد در آب و برای جذب آلاینده های آلی و غیر آلی اتفاق می افتد.

گیاه تخریبی یا تجزیه گیاهی:
این روش تخریب کامل یا جزیی آلاینده های آلی به وسیله غیر فعال کردن آنها توسط بافتهای گیاهی است.
در این روش گیاه با متابولیسم خود از طریق انتقال، تجزیه، تثبیت یا تصعید ترکیبات آلاینده به برطرف نمودن آلودگی از خاک و آبهای زیرزمینی کمک می نماید.
تیره های گیاهان بیش اندوز فلزات
عنصر(فلز) تعداد گونه خانواده گیاهی(تیره)
کادمیوم 1 تیره شب بو
کبالت 26 تیره گل میمون، تیره برگ بو
مس 24 تیره گل میمون، تیره برگ بو، تیره غلات، تیره جگن
منگنز 11 تیره پروتئاسه،تیره کانیونیاسه، تیره خاسیان
نیکل 330 تیره بنفشه،تیره فلاکورتیاسه، تیره فرفیون، تیره کانیونیاسه
سلنیوم 19 تیره شب بو، تیره بنفشه ها
تالیوم 1 تیره شب بو
روی 16 تیره شب بو،تیره بنفشه
مزایا و معایب گیاه پالایی
مزیت ها و معایب گیاه پالایی ((Ghosh and Singh, 2005
مزیت ها محدودیتها
– قابلیت پالایش ترکیبات آلی و غیر آلی
– قابلیت کاربرد به صورت درجا و دگر جا
– در مقایسه با سایر روشها استفاده از این روش به صورت درجا مانع ار بهم خوردگی و تخریب خاک خواهد شد.
– کاهش میزان آلودگی تا 95 درصد که خود به عنوان منبعی برای استخراج فلزات سنگین محسوب می شود.
– کاهش انتشار آلودگی از طریق آب و هوا
– روشی کم هزینه بوده و نیازی به افراد با تخصص بالا نیست.
– استفاده از این روش در مقیاس وسیع منجر به ذخیره انرژی و تبدیل آن به انرژی گرمایی می شود. – محدود به ناحیه تحت پوشش ریشه
– برای پالایش نیاز به زمان طولانی دارد
– محدود به مناطق با آلودگی های سطحی
– زیست توده گیاهان برداشت شده خود به عنوان منبع آلودگی محسوب می شود.
– شرایط اقلیمی به عنوان فاکتور محدود کننده در این روش محسوب می شود.
– کاربرد گونه های غیر بومی بیش اندوز تنوع زیستی را موثر می سازد.
– مصرف گونه های آلوده یک نگرانی محسوب می شود.

آینده گیاه پالایی‌
اگرچه این علم هم اکنون با سرعت در حال توسعه است، اما بررسی‌ها نشان داده گیاه پالایی تجاری از لحاظ زمانی باید با دیگر فناوری‌های دیگر قابل رقابت کردن باشد. بیشتر آزمایش‌های گیاه پالایی در مقیاس آزمایشگاه در محیط هیدروپونیک انجام و فلزات سنگین به آنها داده شده است، در حالی که محیط خاک کاملا متفاوت است. در خاک واقعی بسیاری از فلزات در شکل‌های نامحلول وجود دارند و قابلیت دسترسی آنها کم و این بزرگ‌ترین مشکل است. بسیاری از گیاهان هنوز شناخته نشده اند که باید شناسایی شوند و درباره فیزیولوژی آنها بیشتر دانست.
بهینه سازی فرایند جذب فلزات سنگین توسط گیاه و مصرف مناسب بیومس تولید شده هنوز باید مورد بررسی و تحقیق قرار گیرد تا نتایج آزمایشگاهی با عمل و واقعیت همخوانی داشته باشند. اگرچه 10 سال از کاربرد اولیه فناوری گیاه پالایی در دنیا می‌گذرد، اما این علم توسعه بسیار سریعی داشته است و امروزه گیاه پالایی در مورد مواد آلی، معدنی و رادیواکتیو کاربرد دارد. این فرایند پایدار و ارزان است و برای کشورهای در حال توسعه بسیار مناسب بوده و صرفه اقتصادی دارد.
بررسی‌ها نشان می‌دهد، راندمان این روش با کاربرد گیاهان رشد سریع با بیومس بالا و قدرت جذب بالای فلزات سنگین افزایش می‌یابد. در بیشتر مکان‌های آلوده گونه‌های مناسب جهت رفع آلودگی قابل شناسایی است. 2 روش کمپوست و متراکم کردن می‌تواند جزو مراحل مقدماتی برای کاهش حجم تولیدات این گیاهان باشند، اما باید دقت شود شیرابه حاصل از تراکم به طور کامل جمع‌آوری شود. محققان معتقدند بین روش‌هایی که بیومس آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد، به نظر می‌رسد خاکستر کردن کمترین زمان را مصرف می‌کند و در مقایسه با سوزاندن مستقیم از لحاظ زیست‌محیطی نیز مناسب‌تر باشد.
به این ترتیب مشاهده می‌شود دنیای امروز می‌تواند با الهام از طبیعت و سیستم نقص ناپذیر بکر آن برای آنچه بشر با دست خود خراب کرده است اصلاحاتی صورت دهد که بی‌شک سهل‌تر از جلوگیری از آلودگی منابع بویژه منابع خاک نیست.