گیاه پالایی فلزات سنگین خاک: فناوری سبز برای پاک سازی پایدار

گیاه پالایی فلزات سنگین خاک: فناوری سبز برای پاک سازی پایدار

چکیده

آلودگی خاک به فلزات سنگین، مانند سرب، کادمیوم و آرسنیک، تهدیدی جدی برای سلامت انسان و اکوسیستم هاست. گیاه پالایی (Phytoremediation) یک فناوری سبز و پایدار برای پاک سازی خاک های آلوده به فلزات سنگین است که از گیاهان برای جذب، تثبیت یا حذف این آلاینده ها استفاده می کند. این روش شامل فرآیندهایی نظیر گیاه انباشتگری (جذب فلزات توسط ریشه و انتقال به اندام های هوایی) و گیاه تثبیتگری (کاهش تحرک فلزات در خاک) است. عواملی مانند نوع فلز، ویژگی های خاک، اقلیم و میکروارگانیسم ها بر کارایی گیاه پالایی اثر دارند. استفاده از گیاهان بومی، نانوذرات و اصلاح ژنتیکی می تواند بازده این فناوری را افزایش دهد. این روش مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست است، اما چالش هایی مانند زمان بر بودن و محدودیت در خاک های شدیدا آلوده دارد. گیاه پالایی می تواند در مقیاس های مختلف به مدیریت پایدار خاک کمک کند.

مقدمه

فلزات سنگین مانند سرب (Pb)، کادمیوم (Cd)، آرسنیک (As)، جیوه (Hg)، کروم (Cr) و نیکل (Ni) به دلیل سمیت، ماندگاری و قابلیت تجمع زیستی، از خطرناک ترین آلاینده های خاک هستند (Ali et al., 2013). این فلزات با کاهش عملکرد خاک، کیفیت محصولات کشاورزی را تحت تاثیر قرار داده و از طریق زنجیره غذایی سلامت انسان و حیوانات را تهدید می کنند (Liu et al., 2019). فعالیت های انسانی مانند صنایع، فاضلاب ها و استفاده از کودهای شیمیایی، به ویژه در مناطقی مانند استان زنجان، به آلودگی خاک با فلزات سنگین منجر شده است (Askari et al., 2020). روش های سنتی پاک سازی خاک، مانند خاک برداری، هزینه بر بوده و به ساختار خاک آسیب می رسانند. گیاه پالایی به عنوان روشی کم هزینه، کم تهاجمی و سازگار با محیط زیست، جایگزینی مناسب برای بازسازی خاک های آلوده به فلزات سنگین است.

مکانیسم های گیاه پالایی

گیاه پالایی فلزات سنگین از فرآیندهای زیستی زیر تشکیل شده است:

· گیاه انباشتگری (Phytoextraction): گیاه فلزات را از خاک جذب کرده و در اندام های هوایی خود ذخیره می کند. برداشت این گیاهان آلودگی را کاهش می دهد.

· گیاه تثبیتگری (Phytostabilization): فلزات در ناحیه ریشه تثبیت شده و از تحرک و نشت آن ها به منابع آبی یا گیاهان دیگر جلوگیری می شود.

· گیاه تبخیرگری (Phytovolatilization): فلزات فرار (مانند جیوه یا آرسنیک) به شکل گازی تبدیل شده و از طریق برگ ها دفع می شوند.

· فیلترسازی ریشه ای (Rhizofiltration): ریشه گیاهان آبزی فلزات را از آب های آلوده جذب می کند.

عمدتا گیاه انباشتگری و گیاه تثبیتگری برای فلزات سنگین استفاده می شوند. این فرآیندها با همکاری گیاهان، میکروارگانیسم های خاک و اصلاح کننده ها تقویت می شوند (Ghosh & Singh, 2005).

ویژگی های گیاهان مناسب برای گیاه پالایی

گیاهان مناسب باید رشد سریع، زیست توده بالا، ریشه های گسترده و توانایی تحمل فلزات سنگین داشته باشند. گونه هایی مانند خردل هندی (Brassica juncea)، آفتابگردان (Helianthus annuus) و سرخس ترمز (Pteris vittata) به دلیل جذب بالای فلزات مطالعه شده اند (Ghosh & Singh, 2005). این گیاهان با ترشح اسیدهای آلی و تغییر pH خاک، جذب فلزات را تسهیل می کنند. جدول زیر برخی گونه های کلیدی را نشان می دهد:

گونه

نوع فلز

Thlaspi caerulescens

Cd

Brassica juncea (خردل هندی)

Cr

Helianthus annuus (آفتابگردان)

Cd

Pteris vittata (سرخس ترمز)

As

Athyrium yokoscense (سرخس آسیایی)

Zn, Cd, Pb, Cu

Pycnandra acuminata

Ni

گیاهان آبزی (Lemna minor، Spirodela polyrhiza، Eichhornia crassipes) برای تصفیه آب:

Pb, As, Cd, Cr, Hg

عوامل موثر بر گیاه پالایی

کارایی گیاه پالایی به عواملی مانند نوع فلز، pH خاک، بافت خاک، اقلیم و میکروارگانیسم های ریزوسفری وابسته است. برای مثال، تغییر pH خاک می تواند تحرک فلزات را تنظیم کند و قارچ های همزیست (مایکوریزا) جذب فلزات را بهبود می بخشند.

ارتقای گیاه پالایی با فناوری های نوین

برای بهبود کارایی، روش هایی مانند استفاده از نانوذرات، شلات کننده ها (مانند EDTA)، باکتری های محرک رشد گیاه (PGPB) و اصلاح ژنتیکی به کار می روند. این روش ها می توانند جذب فلزات را افزایش دهند، اما اثرات زیست محیطی آن ها (مانند نشت شلات کننده ها) باید بررسی شود (Tamma et al., 2025).

مطالعات موردی موفق

1. خردل هندی (Brassica juncea): در شرایط آزمایشگاهی، این گیاه تا ۴۰۰میکروگرم بر گرم کادمیوم را بدون کاهش رشد جذب کرده است (Aoun et al., 2008). در چین، گونه های بومی برای تثبیت کادمیوم در اراضی کشاورزی موثر بوده اند.

2. گیاهان آبزی: Lemna minor در شرایط آزمایشگاهی تا ۸۵–۹۰٪ سرب و ۷۰٪آرسنیک را از آب حذف می کند. Spirodela polyrhiza نیز برای جذب جیوه موثر است، اما این نتایج به شرایط طبیعی به سختی تعمیم می یابند.

3. گیاهان بومی معدنی: Athyrium yokoscense در خاک های معدنی آلوده در ژاپن و کره رشد کرده و فلزاتی مانند Zn و Pb را جذب می کند.

4. ابرانباشت نیکل: Pycnandra acuminata، بومی کالدونیای نو، تا ۲۵٪نیکل در شیره خود ذخیره می کند، اما کشت آن در شرایط غیربومی دشوار است.

مزایا، محدودیت ها و چشم انداز آینده

مزایا

· مقرون به صرفه و کم مصرف انرژی

· سازگار با محیط زیست و کم تهاجمی

· امکان احیای خاک در محل

محدودیت ها

· زمان بر بودن فرآیند

· ناکارآمدی در خاک های شدیدا آلوده

· خطر ورود فلزات به زنجیره غذایی در صورت مدیریت نادرست

· چالش های اقتصادی و مقیاس پذیری در پروژه های صنعتی

چشم انداز آینده

· توسعه گونه های بومی با ظرفیت جذب بالا

· استفاده از فناوری های ترکیبی (نانوتکنولوژی، میکروب ها)

· مدل سازی اقتصادی و ارزیابی ریسک های زیست محیطی

نتیجه گیری

گیاه پالایی یک روش پایدار و مقرون به صرفه برای کاهش آلودگی فلزات سنگین در خاک است. با انتخاب گونه های مناسب، استفاده از فناوری های نوین و توجه به محدودیت ها، این فناوری می تواند به مدیریت موثر منابع خاک کمک کند.

منابع

· Ali, H., Khan, E., & Sajad, M. A. (2013). Phytoremediation of heavy metals—Concepts and applications. Chemosphere, 91(7), 869–881. doi:10.1016/j.chemosphere.2013.01.075

· Aoun, M., Cabon, J.-Y., & Hourmant, A. (2008). Potential phytoextraction with in-vitro regenerated plantlets of Brassica juncea (L.) Czern. in presence of CdCl₂. arXiv. doi:10.48550/arXiv.0807.1039

· Askari, M. S., Alamdari, P., Chahardoli, S., & Afshari, A. (2020). Quantification of heavy metal pollution for environmental assessment of soil condition. Environmental Monitoring and Assessment, 192, 1–17. doi:10.1007/s10661-020-08186-0

· Badamasi, H., Aliyu Abdullahi, U., Praveen Kumar, A., Durumin Iya, N. I., Varra, V., Ademola Olaleye, A., & Falalu Hamza, M. (2025). Nanotechnology-assisted phytoremediation of heavy metal contaminated soils. Soil and Sediment Contamination: An International Journal, 1–44. doi:10.1080/15320383.2024.2406959

· DalCorso, G., Fasani, E., Manara, A., Visioli, G., & Furini, A. (2019). Heavy metal pollutions: State of the art and innovation in phytoremediation. International Journal of Molecular Sciences, 20(14), 3412. doi:10.3390/ijms20143412

· Ghosh, M., & Singh, S. P. (2005). A review on phytoremediation of heavy metals and utilization of its byproducts. Applied Ecology and Environmental Research, 3(1), 1–18. doi:10.15666/aeer/0301_001018

· Hasan, M. M., Uddin, M. N., Ara-Sharmeen, I., Alharby, H. F., Alzahrani, Y., Hakeem, K. R., & Zhang, L. (2019). Assisting phytoremediation of heavy metals using chemical amendments. Plants, 8(9), 295. doi:10.3390/plants8090295

· Khatoon, Z., Orozco-Mosqueda, M. d. C., & Santoyo, G. (2024). Microbial contributions to heavy metal phytoremediation in agricultural soils. Microorganisms, 12(10), 1945. doi:10.3390/microorganisms12101945

· Liu, Z., Lu, Y., Peng, Y., Zhao, L., Wang, G., & Hu, Y. (2019). Estimation of soil heavy metal content using hyperspectral data. Remote Sensing, 11(12), 1464. doi:10.3390/rs11121464

· Sharma, J. K., Kumar, N., Singh, N. P., & Santal, A. R. (2023). Phytoremediation technologies and their mechanism for removal of heavy metal. Frontiers in Plant Science, 14, 1076876. doi:10.3389/fpls.2023.1076876

· Tamma, A. A., Lejcuś, K., Fiałkiewicz, W., & Marczak, D. (2025). Advancing phytoremediation: A review of soil amendments for heavy metal contamination management. Sustainability, 17(13), 5688. doi:10.3390/su17135688