گیاه‌پالایی: فناوری پالایش خاک‌های آلوده به فلزات سنگین

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 49، تابستان 98

گیاه­پالایی: فناوری پالایش خاک­های آلوده به فلزات سنگین

آزاده صالحی^{[1] *}

az.salehi@rifr-ac.ir

چکیده

فناوری گیاه­پالایی یک فرآیند پایدار، ارزان­قیمت و دوست­دار محیط­زیست است که استفاده توام از گیاهان و میکروارگانیزم­ها را برای پالایش بسترهای آلوده فراهم می­سازد. از میان روش­های مختلف گیاه­پالایی، سه روش تثبیت، استخراج و تصعید گیاهی برای پالایش خاک­های آلوده به فلزات سنگین بکار می­روند. تولید زی­توده بالا، سیستم ریشه­ای خوب توسعه­یافته و یک سیستم دفاعی قوی، مهم­ترین معیارهای کلی گیاهان برای موفقیت در فرآیند گیاه­پالایی خاک­های آلوده به فلزات سنگین می­باشد. نتایج پژوهش­های متعدد نشان داده است که در بین گیاهان مختلف، گونه­های درختی به ویژه گونه­های تندرشد متعلق به خانواده Salicaceae (صنوبرها و بیدها) گزینه­های مناسبی برای استفاده در فرآیند گیاه­پالایی می­باشند. به­طوری­که این گونه­های درختی زی­توده زیادی تولید می­کنند، نسبت به گونه­های زراعی و مرتعی منابع غذایی برای چهارپایان نیستند، سیستم ریشه­ای توسعه یافته­ای برای جذب فلزات سنگین از خاک دارند و میزان تبخیر و تعرق زیاد در آن­ها موجب افزایش جریان آب در درخت و انتقال فلزات به اندام­های هوایی می­گردد. برای افزایش کارایی فرآیند گیاه­پالایی خاک­های آلوده به فلزات سنگین، تکنیک­های متعددی چون استفاده از گیاهان تراریخته، افزایش زیست­فراهمی فلزات سنگین، افزایش رشد و تولید زی­توده گیاه و استفاده از میکروارگانیزم­ها پیشنهاد شده است. در نهایت از آنجایی­که طی فرآیند گیاه­پالایی زی­توده گیاهی آلوده تولید می­شود، مدیریت و دفع مناسب آن ضرورت دارد. در این مطالعه فرآیند گیاه­پالایی به عنوان یک فناوری پایدار برای پالایش خاک­های آلوده به فلزات سنگین از جنبه­های مختلف مورد بحث و بررسی قرار می­گیرد.

کلمات کلیدی: پالایش سبز، فلزات سنگین، خاک آلوده، تثبیت گیاهی، استخراج گیاهی.

Phytoremediation: A Remediation Technology of Heavy Metal Contaminated Soils

Azadeh Salehi ^[2]*(Corresponding Author)

az.salehi@rifr-ac.ir

Abstract

Phytoremediation is a sustainable cost effective and ecofriendly technique that employs plants and microorganisms for the cleanup of contaminated environments. Among different techniques of phytoremediation, three methods include phytostabilization, phytovolatilization and phytoextraction are used for the removal heavy metals from contaminated soils. Capability of accumulating high levels of heavy metals, large biomass production, the extensive root system, strong defense system and no entrance of produced biomass to food chain are the most important properties of suitable plants for phytoremediation of heavy metal contaminated soils. The results of several studies have shown that among different plants, the family Salicaceae is attended as suitable candidates for phytoremediation of heavy metal contaminated soils due to fast growth, wide-spreading root system, metal tolerance and ability to accumulate heavy metals. Various techniques to enhance of phytoremediation efficiency of heavy metal contaminated soils have been subjected such as the use of transgenic plants, increase of bioavailability of heavy metals in soil, increase of plant growth and biomass production and the use of microorganisms. Finally, since lot of biomass is produced during this process, it needs proper disposal and management. In this study, the phytoremediation is discussed as a sustainable technology for remediation of heavy-metal contaminated soils from different aspects.

Key Words: Phytoremediation, Heavy Metals, Contaminated Soil, Phytostabilization, Phytoextraction

مقدمه

فلزات سنگین جزء آلاینده­های غیرآلی بوده و می­توانند در           هر کجای طبیعت، در اکوسیستم­های آبی و خاکی و حتی در اتمسفر موجود باشند. آلودگی خاک با فلزات سنگین از طریق فرسایش طبیعی سنگ­ها و فعالیت­های بشر از قبیل احتراق سوخت­های فسیلی، استخراج معادن، تصفیه سنگ­های حاوی فلز، دفع کنترل‌شده و نشده پساب­ها، استفاده از                 کودهای شیمیایی، آفت­کش­ها، حشره­کش­ها و مواد رنگی اتفاق می­افتد (1). در چند دهه اخیر، آلودگی خاک با فلزات سنگین به دلیل پایداری طولانی­مدت فلزات سنگین در خاک و تاثیرات زیان­بار بوم­شناختی تبدیل به یک بحران زیست­محیطی شده است (2). روش­های فیزیکی و شیمیایی متعددی برای پالایش خاک­های آلوده به فلزات سنگین وجود دارد که اغلب آن­ها علاوه بر هزینه زیاد منجر به تخریب ساختار فیزیکی و شیمیایی و فعالیت­های حیاتی خاک می­شوند (3)، بنابراین بهتر است تا حد ممکن از روش­های زیستی مناسب، طبیعی، مقرون‌به‌صرفه و در محل استفاده شود.

فناوری گیاه­پالایی[3] در دهه­های اخیر توجه ویژه­ای را به­عنوان روشی مؤثر، ارزان‌قیمت و دوست­دار محیط­زیست برای حذف، جابجایی و یا غیرفعال کردن آلاینده­ها از خاک­های آلوده                   به خود جلب کرده است. هدف اصلی این فرآیند استفاده از پتانسیل طبیعی پوشش گیاهی در جهت رفع آلودگی آب، خاک و هوا از فلزات سنگین و مواد آلی سمی می­باشد. گیاهان همیشه اهمیت تعیین­کننده­ای در زندگی بشر داشته­اند. گیاهان از طریق فراهم کردن منابع تجدیدشدنی غذا، سوخت و فیبر         در طول هزاران سال، از موجودیت زندگی انسان حمایت             کرده­اند (4). گیاه­پالایی که فرآیند حاصل از عمل مشترک گیاه و میکروارگانیزم­ها می­باشد، از نظر اقتصادی قابل رقابت با انواع روش­های پالایش متداول موجود می­باشد. گیاه­پالایی یک فرآیند طبیعی بوده و با انرژی خورشیدی انجام می­شود و به صورت در محل قابل انجام است، در نتیجه نیازی به حفاری یا جابجایی خاک ندارد. همچنین تجهیزات مورد نیاز این روش در مقایسه با روش­های پالایش دیگر بسیار اندک است (5).  

روش­های مختلف گیاه­پالایی خاک­های آلوده شامل تبدیل گیاهی[4]، ترغیب گیاهی[5]، تصعید گیاهی[6]، تثبیت گیاهی[7] و استخراج گیاهی[8] است که سه روش تثبیت (تثبیت و کاهش تحرک آلاینده در خاک توسط گیاهان از طریق فرآیندهای جذب، رسوب و ایجاد کمپلکس)، استخراج (جذب آلاینده از خاک توسط ریشه گیاهان و انتقال و تجمع آن­ها در اندام هوایی گیاه) و تصعید گیاهی (جذب آلاینده­ از خاک و انتقال آن­ها            به صورت بخار به جو) برای پالایش خاک­های آلوده به                فلزات سنگین بکار می­رود (4).

ایده استفاده از گیاهان برای جذب آلاینده­ها برای اولین بار             در سال 1983 توسط Cheney معرفی شد، اما سابقه استفاده از این روش به حدود 300 سال قبل باز می­گردد (6). این روش در سال­های اخیر به دلیل حداقل عوارض زیست­محیطی،            عدم نیاز به پرسنل تخصصی و تجهیزات گران قیمت، هزینه­های پایین، تولیدات گیاهی قابل بازیافت، استفاده از آن به­صورت در محل و در مقیاس وسیع، توجه زیادی را به خود جلب کرده است (7). پژوهش­های متعدد انجام شده بیان­گر آن است که گیاهان مختلف نظیر گونه­های زراعی، مرتعی و درختی قادر به جذب فلزات سنگین از محیط کشت خود می­­باشند. لیکن، اغلب گیاهان بیش­انباشته­گر فلزات سنگین متعلق به گونه­های زراعی و مرتعی هستند. گیاهان بیش­انباشته­گر قادر به تجمع مقادیر بالای فلزات سنگین در برگ­های خود می­باشند (8). برای مثال گیاهانی چون Thlaspi caerulescens، Holumaniastrum robertii، Astragalus racemosus، Berkheya coddii وSebertia acuminateبه عنوان گیاهان بیش­انباشته­گر فلزات سنگین معرفی شده­اند (9، 10). اما با توجه به رشد کم این گیاهان، زی­توده کل تولید شده محدود بوده و در نتیجه جرم کلی فلزات تجمع­یافته پایین خواهد بود (4).

در مقابل، گونه­های درختی دارای صفات ویژه­ای می­باشند که آن­ها را برای جذب آلاینده­ها از محیط رشد مناسب می­سازد. برای مثال گونه­های درختی زی­توده زیادی تولید می­کنند، نسبت به گونه­های زراعی و مرتعی منابع غذایی برای چهارپایان نیستند، سیستم ریشه­ای توسعه یافته­ای برای جذب                فلزات سنگین از خاک دارند و میزان تبخیر و تعرق زیاد در  آن­ها موجب افزایش جریان آب در درخت و انتقال فلزات به اندام­های هوایی می­گردد (5). در بین گونه­های درختی،            گونه­های متعلق به خانواده Salicaceae از قبیل صنوبرها و بیدها نه تنها به دلیل رشد سریع و تولید زی­توده بالا، سیستم ریشه­ای عمیق و گسترده و جذب بالای آب (11)، بلکه به دلیل مقاومت و ظرفیت انباشت بالای فلزی و ایجاد کلن­های اصلاح شده متعدد از این خانواده، گزینه­های ایده­آلی برای گیاه­پالایی خاک­های آلوده به فلزات سنگین معرفی شده­اند (4، 12، 13). به­طوری­که Fischerova´و همکاران (14) در بررسی خود نشان دادند که توانایی پالایش خاک آلوده به فلزات سنگین کادمیم، سرب، آرسنیک و روی در Salix dasyclados به مانند گیاهان بیش­انباشته­گر Arabidopsis halleri و Thlaspi caerulescens بود. تحقیقات انجام شده در داخل کشور توسط محققین مختلف نیز حاکی از توانایی استقرار و پتانسیل گیاه­پالایی خاک­های آلوده به فلزات سنگین گونه­های درختی متعدد نظیر زیتون (Olea europea L.) (15)، کاج تهران (Pinus eldarica) (16)، اقاقیا (Robinia pseudoacacia) (17)، بلوط ایرانی (Quercus brantii) و پسته وحشی (Pistacia atlantica) (18)، اکالیپتوس (Eucalyptus occidentalis) (19)، توت سفید (Morus alba) و سپیدار (P. alba) (20) ، زبان گنجشک (Fraxinus rotundifolia) ، نارون چتری (Ulmus densa) و بید سفید (S. alba) (21) و تبریزی (P. nigra) و سپیدار (P. alba) (5) می­باشد. پژوهش­های خارجی متعدد نیز موید توانایی گونه­های درختی متعدد در پالایش بسترهای آلوده به فلزات سنگین می­باشد، که در این زمینه می­توان               به یافته­های محققینی چون Lingua و همکاران (22)، Borghi و همکاران (23)،  Pietriniو همکاران (24) و Ma و همکاران (25) (بر روی کلن­های مختلف صنوبر و بید)، Arriagada و همکاران (26) (Eucalyptus globulus)، Bojarczuk و Kieliszewska-Rokicka (2) (Betula pendula) وFerna´ndez و همکاران (27) (Betula celtiberica) اشاره کرد.

در حقیقت ایجاد یک شالوده صحیح برای تحقق راهکار اکولوژیکی "گیاهان برای سیاره سالم" در مقیاس جهانی ضروری به نظرمی­رسد، که تحقق این راهکار نیاز به آشنایی با مباحث مرتبط با اهمیت گیاهان برای زیست­کره دارد.                      از آنجایی­که گیاه­پالایی به­عنوان یک فناوری پایدار، ارزان­قیمت و دوست­دار محیط­زیست که براساس استفاده مستقیم از گیاهان زنده برای پالایش بسترهای آلوده بنا نهاده شده، امروزه موضوع تحقیقاتی مهمی را در پژوهش­های گیاهی به خود اختصاص داده است، از این­رو در مطالعه حاضر گیاه­پالایی به عنوان فناوری پالایش خاک­های آلوده به فلزات سنگین از جنبه­های مختلف مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت.

آلودگی خاک با فلزات سنگین

فلزات سنگین به عناصری با خصوصیات فلزی گفته می­شود که عدد اتمی آن­ها بیش­تر از 20 و وزن مخصوص آن­ها بیش­تر از 5 گرم بر سانتی­مترمکعب باشد. تا کنون 60 فلز سنگین شناسایی شده است و در این میان فلزات گران قیمتی مانند پلاتین، نقره و طلا نیز یافت می­شود (28). برخی از فلزات سنگین نظیر روی (Zn)، مس (Cu)، آهن (Fe)، منگنز (Mn) و نیکل (Ni) جزء عناصر ضروری و مفید در فیزیولوژی گیاهان و جانوران هستند. این عناصر در کاتالیز آنزیمی، انتقال الکترون، متابولیسم اسیدهای نوکلئیک و ... نقش دارند (29).                  با این وجود مقدار بیش از حد نیاز یک عنصر ضروری نیز              می­تواند اثر مخربی بر رشد و نمو موجود زنده داشته باشد. از سوی دیگر فلزات سنگینی چون کادمیم (Cd)، جیوه (Hg)، سرب (Pb) و آرسنیک (As) هیچ نقش مفیدی زیستی ندارند (30). از دلایل سمیت فلزات سنگین برای موجودات زنده            می­توان به ایجاد تنش اکسیداتیو در نتیجه تحریک رادیکال­های آزاد، اتصال به مولکول­های آلی و تخریب آن­ها، جایگزینی دیگر فلزات ضروری در رنگدانه­ها یا آنزیم­ها و تخریب کارکرد آن­ها، اتصال به گروه­های سولفیدریل در پروتئین­ها و در نتیجه            برهم­زدن ساختار و کارکرد پروتئین­ها و ... اشاره کرد (31). فلزات سنگین جزء آلاینده­های غیرآلی هستند و می­توانند در هر کجای طبیعت، در اکوسیستم­های آبی و خاکی و حتی در اتمسفر موجود باشند. در واقع فلزات سنگین برخلاف              آلاینده­های آلی از نظر شیمیایی قابل تجزیه نیستند.

یکی از مهم­ترین منابع طبیعی فلزات سنگین خاک، سنگ بستر است. به­طوری­که ترکیب و غلظت طبیعی فلزات سنگین موجود در خاک به نوع مواد مادری و شرایط آب و هوایی طی فرآیند هوازدگی، بستگی دارد (32). از سوی دیگر فعالیت­های کشاورزی، صنعتی و شهری بشر نیز منجر به افزایش سطح فلزات سنگین در زیست­بوم می­شود (1). منابع آلودگی             فلزات سنگین در کشاورزی شامل مصرف کودهای آلی و معدنی، کاربرد آهک برای افزایش pH خاک، لجن فاضلاب، آب آبیاری، آفت­کش­ها و ... می­باشد. کودهای معدنی به­خصوص کودهای فسفاته دارای مقادیر متفاوتی از فلزات سنگین روی، سرب، نیکل، کروم و کادمیم هستند. همچنین کود دامی از کبالت، مس، روی و منگنز و لجن فاضلاب از مس، کادمیم، نیکل، سرب، کروم و روی غنی می­باشد (28). هر چند مقدار فلزاتی که به خاک­ها اضافه می­شوند به­طور معمول در مقادیر کم است، اما باید به این واقعیت توجه کرد که کاربرد مکرر کودها در مزارع و ماندگاری طولانی­مدت فلزات سنگین در خاک، در درازمدت منجر به آلودگی خاک می­شود.

منابع صنعتی آلودگی فلزات سنگین شامل استخراج معادن و بازیافت فلزات، صنایع پلاستیک­سازی، نساجی و فولادسازی، کارخانه­های ذوب و استخراج فلزات، فرآوری کاغذ، پالایشگاه­ها و ... می­باشد. در واقع صنایع مختلف بسته به فعالیت خود منجر به ورود فلزات سنگین به محیط­زیست می­شوند، به­طوری­که طی 100 سال اخیر صنایع سهم عمده­ای در افزایش سطح فلزات سنگین زیست­بوم داشته­اند. در واقع تمام فلزاتی که از معادن استخراج می­شوند، در نهایت در زیست­بوم پراکنده شده و عموما" به آب و خاک راه می­یابند (33). منابع شهری فلزات سنگین شامل خاکستر حاصل از سوزاندن و دفن زباله­ها در خاک، تولید انرژی از سوخت­های فسیلی (ذغال سنگ و نفت)، منابع حاصل از اشکال مختلف حمل و نقل و ... می­باشد (28). از سوی دیگر با توجه به کمبود منابع آبی در مناطق خشک و نیمه خشک و افزایش نیاز به آب آبیاری، لجن فاضلاب­ها و پساب­های صنعتی و شهری به عنوان منابعی عمده برای آب اهمیت یافته­اند (17). یکی از محدودیت­های عمده در استفاده از این پساب­ها و لجن­ها در کشاورزی، افزایش غلظت فلزات سنگین در خاک است (16).

قوانین و استانداردهای متعددی برای تعیین غلظت مجاز فلزات سنگین در خاک تعیین شده است، که این قوانین و استانداردها به عنوان راهنمایی برای ارزیابی سطح آلودگی در خاک بکار می­روند. در جدول 1، متوسط غلظت جهانی فلزات سنگین در خاک و رنجی از حداکثر غلظت مجاز فلزات سنگین در خاک کشاورزی و همچنین رنج طبیعی فلزات سنگین در بافت­ گیاهی آمده است (8).

روش­های پالایش خاک آلوده به فلزات سنگین

با توجه به این­که خاک­های آلوده به فلزات سنگین برای کشاورزی و سایر کاربری­ها مناسب نمی­باشند، از این رو پالایش خاک­های آلوده از اهمیت زیادی برخوردار است. در واقع جابجایی، حذف و یا تخفیف اثر آلاینده­های زیست­محیطی بر پایه روش­های علمی و پژوهشی پیشرفته یک ضرورت محسوب می­شود. فلزات سنگین به­طور شیمیایی قابل تجزیه نمی­باشند و باید به طور فیزیکی جابجا شده و یا به صورت آلی درآیند (1). در کل، خاک آلوده به فلزات سنگین را می­توان به روش­های فیزیکی، شیمیایی و زیستی پالایش کرد که این روش­های پالایش به دو گروه عمده تقسیم­بندی می­شوند (7): 1) پالایش در محل[9] و 2) پالایش خارج از محل[10]. در پالایش در محل، پاک­سازی خاک آلوده بدون حفاری، جابجایی و انتقال خاک صورت می­گیرد، اما در پالایش خارج از محل لازم است             خاک آلوده به فلزات سنگین را حفاری و در جای دیگر دفن کرد که این امر خطر انتقال آلودگی به مناطق دیگر را بالا خواهد برد (34). در واقع، پالایش در محل مزایای مطلوبی نسبت به پالایش خارج از محل نظیر حفظ زیست­بوم، کاهش دست­خوردگی خاک و کاهش هزینه­های پالایش خاک دارد.

روش پالایش فیزیکی خاک مبتنی بر استفاده از عوامل فیزیکی و مکانیسم­هایی نظیر گرم کردن، سوزاندن، هوادهی و ...              می­باشد. در مقابل، در پالایش شیمیایی با استفاده از حلال­ها و ترکیبات شیمیایی، شستشوی خاک و نیز انجام فرآیندهای
اکسایش و کاهش، جداسازی، رسوب و یا تبدیل آلاینده­ها انجام می­شود (35). پالایش فیزیکی و شیمیایی خاک گرچه موثر می­باشد، ولی در اکثر موارد گران بوده و نیازمند نیروی کار زیاد و هزینه­های مهندسی قابل توجهی است. علاوه براین،            تکنیک­های به­کار رفته در این نوع پالایش­ها سبب تغییرات فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک شده و کاربری اراضی را برای رشد گیاه و تولید محصولات کاهش می­دهند. همچنین این روش­ها در سطوح به نسبت کوچک قابل استفاده بود و برای مناطقی با وسعت زیاد نامناسب می­باشند (3). بنابراین بهتر است تا حد ممکن از روش­های طبیعی و زیستی استفاده شود. پالایش زیستی[11]  فرآیندی است که از موجودات زنده             (باکتری­ها، قارچ­ها، جلبک­ها، پلانکتون­ها، پروتوزوآها و گیاهان) برای پالایش خاک­ها و آب­های آلوده استفاده می­شود (36).
 

جدول 1- متوسط غلظت فلزات سنگین در خاک و گیاه (8)

گیاه­پالایی

فناوری پالایش خاک با محوریت گیاه با نام گیاه­پالایی بخشی از پالایش زیستی است که در آن با استفاده از گیاهان و                برهم­کنش مثبت و همیاری با موجودات زنده خاک،                  آلاینده­های آلی (آفت­کش­ها، مواد منفجره، ترکیبات محافظ چوب، شوینده­های کلری و ...) و غیرآلی (فلزات سنگین، رادیونوکلیدها و ترکیبات دیگری نظیر NH₄، NO₃، PO₄، ClO₄ و ...) از بستر آلوده به صورت در محل و خارج از محل پالایش می­شوند (26). ایده استفاده از گیاه برای جذب و برداشت فلزات و سایر آلاینده­ها برای اولین بار در سال 1983 توسط Cheney معرفی شد، اما سابقه استفاده از این روش به حدود 300 سال قبل باز می­گردد (6). این روش در سال­های اخیر به دلیل حداقل عوارض زیست محیطی، عدم نیاز به پرسنل تخصصی، هزینه­های پایین، تولیدات گیاهی قابل بازیافت و استفاده از آن به­صورت در محل توجه زیادی را به خود جلب کرده است (37) و تحقیق بر روی گونه­های گیاهی مناسب جهت اصلاح بسترهای آلوده همچنان ادامه دارد. در واقع گیاهان با آب و خاک از طریق ریشه­ها و با هوا از طریق برگ­ها در تماس بوده و بنابراین هم­زمان با سه محیط­زیست مختلف در حال فعل و انفعال و تاثیر متقابل می­باشند. تاثیرات متقابل میکروبی- خاک- گیاه فرآیندهای منحصر به فردی را ایجاد می­کند که کل متابولیسم گیاهی و همچنین تغییر شکل آلاینده را تحت تاثیر قرار می­دهند. سیستم­ ریشه­ای توسعه­یافته نیز به گیاهان اجازه می­دهد که مناطق بزرگی از خاک را در عمق­های مختلف کنترل کنند. همچنین سطوح بزرگ برگ­های گیاهان، جذب آلاینده­ها از هوا را امکان­پذیر می­­سازد و در کل می­توان گفت گیاهان دستگاه­های مورد نیاز برای مجموعه کامل فرآیندهای بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی دفع مسمومیت را دارا می­باشند. در جدول 2 برتری­ها و کاستی­های این فناوری به اختصار آمده است. روش­های مختلف گیاه­پالایی خاک­های آلوده شامل تبدیل گیاهی، ترغیب گیاهی، تصعید گیاهی، تثبیت گیاهی و استخراج گیاهی است که در شکل 1 و جدول 3 خلاصه‌ای از آن­ها ذکر شده است (4).

جدول 2- برتری­ها و کاستی­های فناوری گیاه­پالایی (7)

جدول 3- خلاصه­ای از روش­های مختلف گیاه­پالایی خاک آلوده (4)

گیاه­پالایی خاک­های آلوده به فلزات سنگین

از میان روش­های مختلف گیاه­پالایی، سه روش تثبیت، استخراج و تصعید گیاهی برای پالایش خاک­های آلوده به  فلزات سنگین بکار  می­رود.

تثبیت گیاهی

تثبیت گیاهی براساس توانایی گیاهان در تثبیت و کاهش تحرک فلزات و ترکیبات شیمیایی آبگریز در خاک، رسوبات و لجن از طریق فرآیندهای جذب، رسوب و ایجاد کمپلکس، استوار می­باشد. با کاربرد این روش، از انتقال آلاینده­ها به              آب­های زیرزمینی جلوگیری می­­شود. افزون بر آن، استقرار پوشش گیاهی و ریشه­دوانی آن با جلوگیری از فرسایش بادی از پخش شدن آلاینده­ها می­کاهد. در واقع، این روش شبکه خاک را تثبیت کرده و فرسایش خاک و جابجایی آلاینده­­ها را کاهش می­دهد. حجم و تراکم ریشه­ها در خاک یک عامل اصلی در کارآیی این روش محسوب می­شود. در این روش در برخی موارد، گیاهان به دلیل تعرق مقادیر زیاد آب با کنترل هیدرولیکی از حرکت شیرابه­های آلوده به سوی                         آب­های زیرزمینی یا سایر منابع آبی نیز جلوگیری می­کنند. تثبیت گیاهی به ویژه در مواردی که سطح آلودگی پایین بوده و یا در آلودگی­های گسترده که سایر روش­های پالایش در محل کارآمد نیست، بهترین راهکاراست. در مناطقی که غلظت آلاینده­ها بالا باشد، اجرای تثبیت گیاهی به دلیل سمیت زیاد ممکن است با مشکل مواجه شود که در این صورت افزودن بهسازهای خاک از جمله عناصر غذایی، آهک، مواد آلی، کود حیوانی، کمپوست و ... توصیه می­شود (4).

شکل 1- روش­های مختلف گیاه­پالایی خاک­های آلوده (شکل فوق بیان­گر این مطلب است که روش­های مختلف گیاه­پالایی در کدام قسمت گیاه اتفاق می­افتد.)

استخراج گیاهی

استخراج گیاهی مربوط به جذب آلاینده­ها (اغلب فلزات) از خاک، رسوبات و لجن­های آلوده بوسیله ریشه گیاهان و انتقال و تجمع آن­ها در اندام هوایی گیاه می­باشد. استخراج گیاهی کارآمدترین روش گیاه­پالایی در حذف فلزات از خاک­های آلوده است. در واقع در نتیجه فرآیند جذب، فلزات در گیاه انباشته و به زی­توده گیاه اضافه می­شوند. گیاهانی که برای استخراج گیاهی بکار می­روند باید پنج ویژگی اصلی داشته باشند:                 1) تحمل به سطوح بالای فلزات سنگین در محیط رشد،                  2) پتانسیل تجمع فلزات سنگین، 3) نرخ رشد سریع، 4) تولید زی­توده بالا، 5) سیستم ریشه­ای گسترده و عمیق (38). کارایی روش استخراج گیاهی متاثر از گونه گیاهی، زیست­فراهمی فلز برای ریشه گیاه پالاینده، جذب فلز بوسیله ریشه، انتقال فلز از ریشه به اندام هوایی و تحمل گیاه به تنش فلز سنگین می­­باشد (39). در واقع استفاده از گیاهان چند ساله سریع­الرشد با سیستم ریشه­ای توسعه­یافته و زی­توده هوایی انبوه بیش از  سایر گیاهان در روش استخراج گیاهی می­تواند باصرفه باشد. البته گیاهانی با تولید زی­توده پایین اما با پتانسیل تجمع بالای فلزی (گیاهان بیش­انباشته­گر) نیز می­توانند با موفقیت در این روش استفاده شوند. در واقع برخی از گیاهان عالی راهکارهایی برای مقاومت به تنش ناشی از فلزات سنگین دارند که آن­ها را قادر به رشد و نمو در خاک­های آلوده به فلزات سنگین               می­سازد. برای مثال، در گیاهان فلزدوست[12] تجمع غیرسمی فلز در برگ­ها، تثبیت فلز در ریشه و یا سمیت­زدایی فلز بوسیله خزان برگ­ها از جمله راهکارهای احتمالی مقاومت به فلز سنگین است. درحالی­که در گیاهان شبه­فلزدوست[13] تثبیت فلز بیش­تر در ریشه صورت می­گیرد (40).

تصعید گیاهی

تصعید گیاهی عبارت است از استفاده از گیاهان برای جذب آلاینده­های آلی و غیرآلی از آب و خاک و انتقال آن­ها به­صورت بخار به جو. ترکیبات آزاد شده پس از تصعید ممکن است توسط رادیکال­های آزاد موجود در جو تجزیه شده و یا به­صورت آلاینده در هوا باقی بمانند که در این­صورت به دلیل پخش آلاینده در حجم بزرگ ممکن است از خطر آن­ها کاسته شود. این روش آلاینده­ها را از زیست­بوم حذف نمی­کند بلکه می­تواند آن­ها را از آب و خاک به هوا منتقل کند. در واقع تصعید گیاهی برای جلوگیری از پخش آلاینده در درون خاک و آلودگی               آب­های زیرزمینی توصیه می­شود. تصعید گیاهی اولین بار برای برداشتن جیوه استفاده شد (7). همچنین گزارشاتی مبنی بر تصعید گیاهی تری­کلرواتیلن (TCE) به­وسیله صنوبر تبریزی (41)، متیل­تتری­آریبوتیل­اتر (MTBE) به­وسیله اکالیپتوس (42)، سلنیوم به­وسیله خردل هندی (43) و متیل جیوه بوسیله تنباکو (44) و صنوبر تبریزی (45) وجود دارد. 

برای افزایش کارایی فرآیند گیاه­پالایی در خاک­های آلوده به فلزات سنگین تکینک­هایی از قبیل 1) استفاده از گیاهان مهندسی ژنتیکی شده به کمک ژن­های بیش­انباشته­گر یا گیاهانی با خاصیت تحمل­پذیری بالا به فلزات سنگین و تولید زی­توده بالا که بتوانند در شرایط آب و هوایی مختلف رشد کنند و به طور غیرطبیعی قابلیت تجمع مقادیر بالای فلزات سنگین را داشته باشند، 2) افزایش زیست­فراهمی فلزات سنگین در خاک برای جذب توسط گیاه، 3) استفاده از             تنظیم­کننده­های رشد گیاهی به منظور افزایش رشد و تولید زی­توده گیاه، 4) استفاده از میکروارگانیسم­های خاک به عنوان یک منبع طبیعی، ارزان و سالم که می­تواند اثرات چند جانبه شامل ترشح عوامل کلات­کننده، فاکتورهای تنظیم­کننده رشد و افزایش زی­توده گیاه در فرآیند گیاه­پالایی را به همراه داشته باشد و ... پیشنهاد شده است (46).

برداشت زی­توده گیاهی آلوده حاصل از فرآیند گیاه­پالایی (روش استخراج گیاهی) و دفع آن به­عنوان یک پسماند خطرناک اهمیت زیادی داشته و باید مطابق با مقرارت حفاظت و اصلاح منابع[14] صورت گیرد. زیرا احتمال ورود آلاینده­ها به زنجیره غذایی از طریق مصرف زی­توده گیاهی حامل آلاینده بوسیله دام و حیات وحش وجود دارد. در واقع پس از برداشت گیاهان سرشار از فلز 1) می­توان وزن و حجم مواد آلوده را با خاکستر کردن یا کمپوست کردن کاهش داد (38)؛ 2) گیاهان سرشار از فلز را می­توان به عنوان زباله­های خطرناک دفن کرد؛ 3) اگر توجیه اقتصادی داشته باشد می­توان فلز را از زی­توده گیاهی بازیافت کرد؛ 4) همچنین می­توان این گیاهان را برای مصارف غیرخوراکی مانند صنایع چوب بکار برد (47). شایان ذکر است که برای ارزیابی کارآیی و اثر بخشی فناوری گیاه­پالایی، باید کنترل مداومی روی زی­توده گیاهی تولید شده و همچنین منابع آب و خاک تحت فرآیند پالایش صورت گیرد و فقط زمانی که نتایج مطلوبی از تمام بررسی­ها بدست آید، می­توان نتیجه گرفت که اهداف پالایش حاصل شده است.

گیاهان پالاینده خاک­های آلوده به فلزات سنگین

میزان جذب آلاینده فلزی از خاک توسط گیاه پالاینده علاوه بر خصوصیات خاک، به نوع فلز سنگین، گونه گیاهی و سن گیاه نیز بستگی دارد. با توجه به این­که پتانسیل جذب و تجمع فلزات سنگین در بین گونه­های گیاهی متفاوت است، از این رو موفقیت فرآیند گیاه پالایی مرهون انتخاب صحیح گیاه پالاینده است (48). گیاهان رشد یافته در خاک­های آلوده به                 فلزات سنگین براساس غلظت آلاینده فلزی در اندام­های گیاه در برابر افزایش غلظت فلز سنگین در خاک به سه گروه تقسیم می­شوند (شکل 2): 1) دفع­کننده فلز[15]: این گیاهان از جذب فلزات سنگین تا آستانه خاصی، جلوگیری کرده ولی پس‌ از این آستانه، فلزات را جذب می­کنند؛ اما در برابر افزایش غلظت آلاینده فلزی در اندام­های هوایی خود در حد بحرانی مقاومت دارند، به­طوری­که در خاک­هایی با غلظت بالای فلزی، این گیاهان فقط فلزات را در ریشه­های خود نگه­ داشته و از انتقال آن­ها به بخش­های هوایی جلوگیری می­کنند؛ 2): معرف یا شاخص فلزی[16]: در این گیاهان جذب آلاینده فلزی به‌صورت خطی متناسب با افزایش غلظت فلز در خاک زیاد می­شود، بنابراین غلظت آلاینده فلزی در این گیاهان می­تواند منعکس­کننده غلظت فلزات در خاک باشد؛

  3) بیش­انباشته­گرها[17]: این گیاهان به­طور فعال غلظت­های بالایی از فلزات را در ریشه و اندام­های هوایی خود انباشته می­کنند. گیاهان بیش­­انباشته­گر به­طور معمول گیاهانی جان سخت ولی ریز اندام هستند و تولید زی­توده اندکی دارند. یک گیاه بیش­انباشته­گر باید توانایی جذب و تجمع بیش از 1000 میلی­گرم بر گرم فلزات مس، کادمیم، کروم، سرب، نیکل و کبالت و یا 10000 میلی­گرم بر گرم فلزات روی و منگنز را در ماده خشک گیاهی دارا باشد. تاکنون بالغ بر 400 گونه گیاهی از 22 خانواده به عنوان گیاهان بیش­انباشته­گر شناسایی شده­اند. بیش­تر گیاهان بیش­انباشته­گر متعلق به خانوادهBrassicaceae   می­باشد، به­طوری­که 87 گونه از 11 جنس این خانواده به عنوان گیاه  بیش­انباشته­گر معرفی شده­اند (7).

شکل 2- واکنش گیاهان نسبت به افزایش غلظت فلزات سنگین خاک (7)