برخی از روش‌های افزایش کارآیی گیاه‌پالایی فلزات سنگین

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری اکولوژی گیاهان زراعی، گروه زراعت، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد *(مسئول مکاتبات)

2 استادیار گروه زراعت، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد.

3 دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و تکنولوژی بذر، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند.

چکیده

شکی نیست که در نتیجه‌ی افزایش روزافزون جمعیت کره‌ی زمین بایستی در آینده شاهد بغرنج‌تر شدن معضل آلودگی خاک، آب و هوا توسط انواع مختلف آلاینده‌های محیط زیستی باشیم. از این رو، توجه به فناوری‌های نوینِ مورد استفاده جهت پالایش مکان‌های آلوده، ضروری به نظر می‌رسد. گیاه‌پالایی یکی از این فناوری‌ها است که دارای سرعت تأثیر نسبتاً پایین و کارآیی اندک می‌باشد. در مقاله‌ی حاضر به بررسی برخی از روش‌های زیستی، شیمیایی، فیزیکی، فیزیکوشیمیایی و ژنتیکی مورد استفاده جهت افزایش کارآیی فرآیند گیاه‌پالایی خاک‌های آلوده به فلزات سنگین خواهیم پرداخت. این روش‌ها شامل کاهش pH، افزایش پتانسیل اکسایش-کاهش (Eh)، استفاده از عوامل کلات‌کننده و ریزجاندارانی نظیر قارچ‌های آربسکولار مایکوریزا (AMF) و ریزوباکتری‌های محرک رشد گیاه (PGPR) می‌باشند. شناسایی این روش‌های نوین سبب اجرای تکنیک‌های چندرهیافتی به منظور سرعت بخشیدن به فرآیند زدایش آلاینده‌های فلزی و در نتیجه، افزایش کارآیی گیاه‌پالایی خاک‌های آلوده به فلزات سنگین شده است. در این میان، کاربرد ریزوباکتری‌های محرک رشد گیاه یکی از سودمندترین و در عین حال، کم‌خطرترین تکنیک‌ها برای محیط زیست می‌باشد، که به تازگی جهت بهبود کارآیی فرآیند پالایش فلزات سنگین توسط گیاهان مد نظر قرار گرفته است.  

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 22، پاییز 91

 

برخی از روش‌های افزایش کارآیی گیاه‌پالایی فلزات سنگین

 

 

محمدرضا نادری*[1]

munajafabad@yahoo.com

عبدالرزاق دانش‌شهرکی[2]

رضوان نادری[3]

 

چکیده

شکی نیست که در نتیجه‌ی افزایش روزافزون جمعیت کره‌ی زمین بایستی در آینده شاهد بغرنج‌تر شدن معضل آلودگی خاک، آب و هوا توسط انواع مختلف آلاینده‌های محیط زیستی باشیم. از این رو، توجه به فناوری‌های نوینِ مورد استفاده جهت پالایش مکان‌های آلوده، ضروری به نظر می‌رسد. گیاه‌پالایی یکی از این فناوری‌ها است که دارای سرعت تأثیر نسبتاً پایین و کارآیی اندک می‌باشد. در مقاله‌ی حاضر به بررسی برخی از روش‌های زیستی، شیمیایی، فیزیکی، فیزیکوشیمیایی و ژنتیکی مورد استفاده جهت افزایش کارآیی فرآیند گیاه‌پالایی خاک‌های آلوده به فلزات سنگین خواهیم پرداخت. این روش‌ها شامل کاهش pH، افزایش پتانسیل اکسایش-کاهش (Eh)، استفاده از عوامل کلات‌کننده و ریزجاندارانی نظیر قارچ‌های آربسکولار مایکوریزا (AMF) و ریزوباکتری‌های محرک رشد گیاه (PGPR) می‌باشند. شناسایی این روش‌های نوین سبب اجرای تکنیک‌های چندرهیافتی به منظور سرعت بخشیدن به فرآیند زدایش آلاینده‌های فلزی و در نتیجه، افزایش کارآیی گیاه‌پالایی خاک‌های آلوده به فلزات سنگین شده است. در این میان، کاربرد ریزوباکتری‌های محرک رشد گیاه یکی از سودمندترین و در عین حال، کم‌خطرترین تکنیک‌ها برای محیط زیست می‌باشد، که به تازگی جهت بهبود کارآیی فرآیند پالایش فلزات سنگین توسط گیاهان مد نظر قرار گرفته است.  

کلمات کلیدی: گیاه‌پالایی، فلز سنگین، ریزوباکتری‌های محرک رشد گیاه.

 

 

 

 

 

 

مقدمه


صنعتی شدن کشورها و افزایش جمعیت جهان طی قرن بیستم منجر به آلودگی خاک، آب و هوا توسط آلاینده‌های خطرناکی نظیر فلزات سنگین و متعاقباً بروز آثار مخرب زیانبار برای سلامتی انسان‌ها و ثبات اکوسیستم‌های طبیعی و زراعی گردیده است. این فلزات بر خلاف آلاینده‌های آلی، توسط عوامل زیستی قابل تجزیه نمی‌باشند و به همین علت، برای مدت‌ طولانی در محیط باقی می‌مانند. تعاریف متعددی برای واژه‌ی "فلز سنگین" ارایه گردیده است، اما این واژه عمدتاً در زمینه‌ی آلودگی محیط زیست مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این راستا، شاو و همکاران (2004) چهار معیار را برای تمایز فلزات سنگین بر شمردند: 1- نسبتاً در پوسته‌ی زمین فراوان هستند؛ 2- استخراج و کاربرد آن‌ها صرفه‌ی اقتصــادی دارد؛ 3- دارای تماس مستقیم با افراد جامعه می‌باشند و 4- برای انسان‌ها سمی هستند. در تعریفی دیگر، واژه‌ی فلزات سنگین اشاره به فلزها و شبه فلزهایی دارد که وزن مخصوص (چگالی) آن‌ها بیش از 4 یا 5 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد (2).  اغلب فلزات سنگین در زمره‌ی عناصر سمی و سهل‌ الوصول قرار دارند و غلظت آن‌ها در خاک از 1 تا 100000 میلی‌گرم بر کیلوگرم متغیر است (2).

به طورکلی 4 روش اصلی برای اصلاح و پالایش خاک‌های آلوده وجود دارد (3)، که این روش‌ها عبارتند از:

1-      اصلاح فیزیکی: شامل واجذبی حرارتی[4]، کوره‌ی سیمانی[5]، مکش هوایی و سوزاندن[6]

2-      اصلاح شیمیایی: شامل کپسوله کردن[7]، عصاره‌گیری با حلال[8]، خنثی‌سازی[9]، اکسایش-کاهش[10] و رسوب‌گذاری[11]

3-      زیست‌پالایی: شامل کشت و زرع[12]، تقلیل طبیعی[13]، تخلیه‌ی زیستی[14]، تقویت زیست‌توده[15] و راکتور زیستی[16]

4-      گیاه‌پالایی: که به صورت استفاده از گیاهان (شامل درختان و علف‌ها) به منظور زدودن، بی اثر کردن و یا ترسیب آلاینده‌های خطرناکِ تجمع یافته در خاک، آب و هوا تعریف می‌شود (4).

واژه‌ی phytoremediation (گیاه‌پالایی)، مرکب از کلمه‌ی یونانی “phyto” به معنای گیاه و پسوند لاتین “remedium” به معنای اصلاح یا ترمیم می‌باشد. جمع‌آوری آلاینده‌ها از محیط و تبدیل آن‌ها به فرم‌هایی که به آسانی قابل عصاره‌گیری هستند (بافت‌های گیاهی)، دلیل اصلی استفاده از این فناوری است. اساساً فرآیند گیاه‌ پالایی آلاینــده‌هــای محیط زیستی، در چهار گروه اصلی طبقه‌بندی می‌شود (5)، که عبارتند از: الف- استخراج‌گیاهی[17]: شامل استفاده از گیاهان به منظور برداشت آلاینده‌ها از خاک و سپس انتقال آن‌ها به بافت‌های هوایی گیاه می‌باشد. در میان تکنیک‌های مختلف گیاه‌پالایی، این تکنیک مناسب ترین روش جهت پالایش خاک‌هــای آلوده محســوب می‌شــود. ب- تثبیت‌گیـاهی[18]: در برگیرنده‌ی غیرمتحرک کردن یا کاهش قابلیت جذب آلاینده‌های خاک به وسیله‌ی ریشه‌ی گیاهان یا باکتری‌ها و قارچ‌های همزیست با آن‌ها می‌باشد. پ- تبخیرگیاهی[19]: مستلزم استفاده از گیاهان به منظور تبخیر نمودن آلاینده‌های خاک به درون اتمسفر است. ت- تصفیه‌ی‌گیاهی[20]: شامل جذب آلاینده‌های موجود در فاضلاب‌ها و پساب‌ها توسط ریشه‌ی گیاهان می‌باشد (2).

این فناوری طبیعی و دوستدار محیط زیست، از لحاظ اقتصادی مقرون ‌به ‌صرفه، از لحاظ زیبایی خوشایند، مطلوب برای موجودات زنده‌ی خاک، افزایش‌دهنده‌ی تنوع زیستی و منشأ یافته از انرژی نور خورشیـد است و از همــه مهم تر آنکه فناوری گیاه‌پالایی قادر به حفظ حاصلخیزی خاک حتی پس از زدودن فلزات سنگین می‌باشد (6). به هر حال، این فناوریِ نسبتاً جدید دارای یکسری کاستی‌ها نیز هست که کاربرد آن را با محدودیت مواجه می‌سازد. از جمله‌ی این کاستی‌ها می‌توان به نیاز بدیهی گیاهان به عناصر غذایی و شرایط اقلیمی خاص و همچنین، خصوصیات خاکی مناسب جهت حفظ رشد گیاه در سطح طبیعی اشاره نمود. به عنوان مثال، Thlaspi praecoxکه بیش‌اندوز کادمیم، روی و سرب است، یک گیاه چندساله‌ی بومی اسلوونی می‌باشد و ریشه‌های آن قادر به حفظ بقای خود در طی سرمای زمستان هستند، اما نسبت به درجه حرارت‌های بالا، بسیار حساس می‌باشند. علاوه بر این، یکی از مهم ترین معایب تکنیک استخراج‌گیاهی، مدت زمان طولانی مورد نیاز آن است که استفاده از این روش جهت پالایش خاک‌های آلوده را با چالش جدی مواجه می‌سازد. به عنوان مثال، مشخص شده است که برای مقرون‌به‌صرفه بودن فرآیند استخراج‌گیاهی آلاینده‌های فلزی، گیاهان مورد استفاده بایستی بتوانند حداقل 1% از کل فلز موجود در خاک را در زیست‌توده‌ی اندام‌ هوایی خود انباشت نمایند (2).

نئوگشوآندتنر و همکاران (2008) برآورد کردند که چنانچه فرآیند استخراج‌گیاهی کادمیم و سرب از خاک‌های آلوده با حداکثر ظرفیت خود صورت پذیرد، آنگاه به منظور کاهش غلظت این آلاینده‌ها به مقادیر آستانه‌ای تعیین شده در استاندارد کشور جمهوری چک (1 میلی‌گرم بر کیلوگرم خاک برای کادمیم و 220 میلی‌گرم بر کیلوگرم خاک برای سرب)، به ترتیب 260 و 300 فصل زراعی مورد نیاز می‌باشد. مسلماً نیاز داشتن به تعداد فصول زراعی زیاد، استخراج‌گیاهی فلزات سنگین را به فرآیندی وقت‌گیر و پرهزینه‌ مُبدل می‌سازد. سایر معایب تکنیک استخراج‌گیاهی شامل تحمل محدود گیاه (خصوصاً در مواجهه با غلظت‌های بالای آلاینده‌ها)، کارآیی کمتر آن در مقایسه با تکنیک‌های پالایش غیرزیستی و محدودیت‌های ناشی از گسترش آلودگی به لایه‌های عمیق‌تر خاک می‌باشند (8). مدیریت و دفع بقایای گیاهی غنی از عناصر آلاینده‌ نیز یکی دیگر از معضلات اصلی تکنیک استخراج‌گیاهی محسوب می‌شود. در این راستا از روش‌هایی نظیر دفن کردن، کمپوست کردن و یا سوزاندن به منظور از بین بردن بقایای گیاهی آلوده استفاده می‌شود، اما این روش‌ها می‌توانند سبب انتقال آلاینده‌ها به سایر اجزای اکوسیستم گردند (به عنوان مثال دفن کردن بقایای گیاهی آلوده، خطر آلودگی آب‌های زیرزمینی را افزایش می‌دهد) (2).

به طورکلی، از دو روش به منظور خارج نمودن فلزات از خاک‌های آلوده توسط گیاهان استفاده می‌شود. روش اول شامل استفاده از گیاهان بیش‌اندوز[21]، که دارای قابلیت جذب و تجمع مقادیر بسیار زیاد آلاینده‌های فلزی هستند، می‌باشد. تعداد گونه‌های گیاهی که از توانایی تجمع غلظت‌های بالای فلزات و تولید زیست‌توده‌ی زیاد برخوردار هستند نسبتاً اندک است، چراکه اغلب گونه‌های بیش‌اندوز دارای زیست‌توده‌ی هوایی ناچیز، رشد کند و دوره‌ی بلوغ طولانی می‌باشند. از این رو، طی سال‌های اخیر عمدتاً از گیاهان متحملِ به فلز نظیر ذرت، برنج، آفتابگردان و خردل (9)، که از توانایی جذب و تجمع مقادیر نسبتاً بیشتری از آلاینده‌های فلزی در مقایسه با سایر گیاهان (به استثنای گیاهان بیش‌اندوز) و همچنین زیست توده‌ی بالا برخوردار هستند، استفاده می‌شود (روش دوم). این گیاهان عمدتاً به همراه روش‌های ارتقادهنده‌ای نظیر عوامل کلات‌کننده، که سبب افزایش غلظت آلاینده‌های فلزی در بافت‌های گیاهی می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرند (10).

بر اساس میزان جذب فلزات سنگین توسط گیاهان می‌توان این فلزات را در سه گروه، به صورت بخش قابل‌جذب، شامل کاتیون‌های آزاد و یون‌های کلات شده، بخش قابل‌تبادل، شامل فلزات چسبیده به ماده‌ی آلی، کربنات‌ها و اکسیدهای آهن-منگنز و در نهایت بخش غیرقابل ‌جذب، طبقه‌بندی نمود (8). بخش اعظم فلزات موجود در خاک به وسیله‌ی کربنات‌ها، مواد آلی، اکسیدهای آهن-منگنز و کانی‌های معدنی اولیه یا ثانویه جذب و غیرمتحرک می‌گردند (11). قابلیت جذب اندک آلاینده‌های فلزی توسط ریشه‌ی گیاه، عامل محدودکننده‌ی استفاده از گیاهان بیش‌اندوز و گیاهان غیربیش‌اندوز متحملِ به فلز در فرآیند استخراج‌گیاهی است (9). به علاوه، بسیاری از گونه‌های بیش‌اندوز دارای رشد آهسته‌ای هستند، زیست‌توده‌ی اندکی تولید می‌کنند و قادر به رشد کردن در تمام انواع خاک‌ها و اقلیم‌ها نیز نمی‌باشند. علاوه بر سمیت ناشی از فلزات سنگین، عوامل دیگری از جمله شرایط خشکی، ساختمان نامناسب خاک، آبیاری اندک و کمبود عناصر غذایی نیز موجب محدودیت رشد گیاهان در خاک‌های آلوده می‌گردند (12). در مجموع، این عوامل موجب کاهش جذب فلزات توسط گیاه، کاهش رشد و زیست‌توده تولیدی آن و در نهایت افزایش زمان مورد نیاز برای پاکسازی منطقه‌ی آلوده خواهند شد. از این رو، در ادامه به برخی از روش‌های افزایش کارآیی گیاه‌پالایی مناطق آلوده به فلزات سنگین اشاره خواهیم نمود.

 

1-      کاربرد عوامل کلات‌ساز[22] و اسیدی‌کننده

یکی از استراتژی‌های مفروض جهت دستیابی به کارآیی بالاتر در زدودن آلاینده‌های فلزی از خاک، شامل افزایش غلظت فلزات سنگین محلول از طریق کاربرد عوامل کلات‌ساز مصنوعی نظیر EDTA است. موثر بودن فرآیند جذب فلزات سنگین از خاک توسط گیاهان، وابسته به میزان دسترسی گیاه به فلز مورد نظر می‌باشد (13). اگر دسترسی به فلز برای جذب کافی توسط گیاه، در حد قابل‌قبولی نباشد، ممکن است که عوامل کلات‌‌ساز جهت آزاد و متحرک کردن فلزات به خاک اضافه شوند (14). مشخص شده است که چندین عامل کلات‌ساز نظیر EDTA، EGTA، EDDHA، EDDS و NTA استخراج‌گیاهی فلزات موجود در خاک آلوده را از طریق متحرک‌ کردن فلزات و متعاقباً افزایش تجمع آن‌ها در بافت‌های گیاهی بهبود می‌بخشند (15). این عوامل کلات‌ساز میل‌ ترکیبی زیادی با کاتیون‌های فلزی مختلف داشته و به آسانی به صورت یک کمپلکس کلات-فلز از ریشه‌های گیاه به سمت اندام‌ هوایی آن جابه‌جا می‌گردند. لذا عوامل کلات‌ساز به طور همزمان جذب و جابه‌جایی فلزات سنگین را افزایش می‌دهند و از طرف دیگر، به واسطه‌ی تشکیل کمپلکس با یون‌های فلزی قادر به کاهش سمیت کاتیون‌های فلزی آزاد در اندام‌های فتوسنتزی گیاه نیز می‌باشند (16). کاربرد این عوامل کلات‌ساز موجب افزایش جذب فلزات توسط گیاهان غیر بیش‌اندوز با زیست‌توده‌ی بالا نظیر خردل، آفتابگردان، ذرت و تنباکو می‌شود (17). با این وجود، بسیاری از عوامل کلات‌ساز مصنوعی دارای قیمت بالایی هستند و تهدیدی برای کیفیت خاک محسوب می‌شوند و می‌توانند منابع آب زیرزمینی را آلوده نمایند (18).

استفاده از عوامل کلات‌ساز غیرقابل‌تجزیه نظیر EDTA موجب آبشویی فلزات به درون آب‌های زیرزمینی شده و در نتیجه بقایای آن‌ها منبع آلودگی جدیدی را ایجاد خواهند نمود (8). به علاوه، برخی از کلات‌های مصنوعی برای گیاهان سمی هستند و از طرف دیگر، افزایش انحلال‌پذیری فلزات توسط این کلات‌ها امکان بروز مسمومیت در گیاهان غیربیش‌اندوز را نیز فراهم می‌آورد (19). ممکن است که کاربرد هدفمند (مانند تزریق در ناحیه‌ی ریشه) مقادیر اندک عوامل کلات‌ساز تجزیه‌پذیر نظیر NTA یا EDDS موجب کاهش خطر ورود فلزات به آب‌های زیرزمینی تا سطوح قابل‌قبول شود (83). EDDS، فرم قابل تجزیه‌ی EDTA است که ظرف مدت 20 روز 90% آن در خاک تجزیه شده و بنابراین جایگزین مناسبی برای EDTA می‌باشد (16). با این وجود، کایسر و همکاران (2000) با کاربرد همزمان عامل کلات‌ساز NTA و گوگرد عنصری برای مدت یکسال در یک مزرعه‌ کشاورزی آلوده به فلزات سنگین، دریافتند که حتی با وجود افزایش مصنوعی حلالیت آلاینده‌های فلزی همچنان سرعت استخراج‌گیاهی این فلزات از خاک بسیار کمتر از حد قابل‌قبول جهت استفاده‌ی عملی از آن می‌باشد، مگر آنکه منطقه‌ی آلوده به زراعت محصولی درآمدزا با قدرت استخراج فلزات سنگین از خاک اختصاص یابد، که در این‌ صورت فرآیند زدودن آلاینده‌ها توسط گیاهان به عملیاتی کاملاً سودمند تبدیل خواهد شد. تلفیق گیاه‌پالایی و زراعت تحت عنوان مدیریت‌گیاهی[23] نامیده می‌شود. گیاهان زراعی بالقوه‌ای که امکان استفاده‌ی تلفیقی آن‌ها در فن‌آوری گیاه‌پالایی وجود دارد، شامل محصولات غیرخوراکی نظیر گیاهان زیست سوخت[24] (مانند آفتابگردان)، گیاهان فیبری، چوبی و یا بسته به میزان آلودگی، گیاهان علوفه‌ای می‌باشند (21).

از طریق کاهش pH خاک به واسطه‌ افزودن سولفوریک اسید یا کودهای آلی نیز می‌توان قابلیت جذب فلزات توسط گیاهان را افزایش داد. کاهش pH خاک موجب افزایش انحلال‌پذیری کاتیون‌های فلزی و متعاقباً افزایش جذب آن‌ها توسط گیاهان خواهد شد (22).

 

2-     اعمال جریان الکتریکی در خاک

استراتژی مفروض دیگر جهت بهبود کارآیی گیاه‌پالایی فلزات سنگین شامل اعمال درجای یک میدان الکتریکی در خاک به منظور افزایش قابلیت جذب عناصر غذایی و آلاینده‌های فلزی توسط گیاهان می‌باشد (23). به واسطه‌ کاربرد یک جریان الکتریکی مستقیم (DC)، مولکول آب در آند (قطب منفی) اکسید شده و با تولید یون‌های هیدروژن موجب کاهش pH خاک و در نتیجه افزایش انحلال‌پذیری آلاینده‌های فلزی می‌شود. در کاتد (قطب مثبت)، مولکول آب احیا شده و با تولید یون‌های هیدروکسیل موجب افزایش pH خاک می‌گردد (24). از طرف دیگر، جریان الکتریکی مستقیم اعمال شده در خاک موجب حرکت آب روزنه‌ای[25] از یک الکترود به الکترود دیگر طی فرآیندی تحت عنوان الکترواسمز[26] می‌شود. جهت الکترواسمز وابسته به بار الکتریکی سطح ذرات خاک و pH خاک است. معمولاً تحت شرایط کاربرد جریان الکتریکی مستقیم در خاک، جهت حرکت آب از آند به سمت کاتد می‌باشد (24).

امکان استفاده از فن‌آوری گیاه‌پالایی به همراه میدان الکتریکی (25) وجود دارد و یا حتی می‌توان پس از اعمال تیمار الکتروکینتیک اقدام به کاربرد این فن‌آوری نمـود (26). بر اساس نتایج مطالعات پیشین، اگرچه تحت شرایط کاربرد گیاه‌پالایی در ترکیب با جریان الکتریکی مستقیم، تحرک آلاینده‌های فلزی و جابه‌جایی آن‌ها افزایش می‌یابد، با این وجود کاهش pH ناشی از اعمال جریان الکتریکی پارامتر نامطلوبی است که موجب محدودیت رشد گیاه می‌شود (27). به عنوان نمونه، تحت شرایط کاربرد جریان الکتریکی مستقیم در خاک، رشد بوته‌های سیب‌زمینی کاهش یافت (25). از این رو، همچنان نیاز به تنظیم و اصلاح جنبه‌های بیشماری از روش ترکیبی گیاه‌پالایی-جریان الکتریکی می‌باشد. با تغییر در قطبیت جریان مستقیم، از یک طرف می‌توان مانع از تغییر pH خاک از آند به سمت کاتد شد و از طرف دیگر می‌توان همگنی خاک را نیز بهبود بخشید (23). به‌واسطه‌ی کاربرد جریان الکتریکی متناوب (AC)، تولید بیوماس بوته‌های سیب‌زمینیِ در حال رشد بر سطح خاک آلوده به کادمیم، روی و سرب افزایش یافت و از طرف دیگر، تحت شرایط کاربرد جریان متناوب، هیچ گونه‌ خصوصیت خاکی نامطلوبی مشاهده نگردید (25). 

 

3-     استفاده از مواد تنظیم کننده‌ی رشد گیاه[27]

روش دیگر جهت افزایش کارآیی استخراج گیاهی فلزات، شامل استفاده از مواد تنظیم‌کننده‌ی رشد گیاه (PGRs) جهت خنثی نمودن اثرات منفی تنش فلزی در گیاهان و افزایش زیس‌توده‌ی اندام‌ هوایی آن‌ها می‌باشد (28). سیتوکنین‌ها (CKs) (نظیر کینتین، N6-بنزیل‌آدنین و زئاتین) گروهی از مواد تنظیم‌کننده‌‌ی رشد گیاه هستند که در فرآیندهای تقسیم سلولی و تمایز سلولی نقش عمده‌ای را بر عهده دارند. این مواد موجب تحریک ساقه‌دهی، تشکیل جوانه، رشد جوانه‌های جانبی و سنتز کلروفیل می‌شوند. از طرف دیگر، این ترکیبات قادر به تأخیر انداختن در پیری برگ‌ها، افزایش مقاومت گیاه نسبت به تنش‌های شوری، دماهای پایین و خشکی نیز می‌باشند و موجب القای باز شدن روزنه‌ها در بعضی گونه‌ها می‌شوند (29). نیروی محرکه‌ی فرآیند تعرق در گیاهان، ترکیبی از عوامل غیرزیستی (شامل اقلیم، آب قابل دسترس خاک، عمق آب زیرزمینی و غیره) و زیستی (شامل سطح برگ، کارکرد روزنه‌ها، اندازه و توزیع ریشه، سنتز هورمون و غیره) می‌باشد (30). از طرف دیگر سرعت تعرق نیز به طور مستقیم وابسته‌ به باز یا بسته بودن روزنه‌ها است و این فرآیند (تعرق) موجب حرکت آب از ریشه‌ها به اندام‌ هوایی گیاه به علت اتلاف آب به شکل بخار از طریق روزنه‌ها می‌شود. هنگامی که روزنه‌ها کاملاً باز هستند، سرعت تعرق به میزان 20 تا 40% افزایش می‌یابد (30). 

تنظیم شیمیایی وضعیت روزنه‌های گیاه، یکی از استراتژی‌های مفروض به منظور افزایش جذب آب و آلاینده‌ها است، چراکه آب جذب شده در ریشه‌ها به‌ واسطه‌ی خاصیت اسمزی، هر گونه عنصر غذایی حل شده و یا آلاینده‌های محلول را با خود از طریق آوند چوبی به سمت اندام‌ هوایی گیاه انتقال می‌دهد. بنابراین از تعرق به عنوان فرآیندی کلیدی جهت اجرای موفقیت‌آمیز گیاه‌پالایی فلزات آلوده‌کننده‌ی خاک و آب یاد شده است، چرا که به منظور کنترل یا جذب آلاینده‌ها می‌بایست پوشش گیاهی به اندازه‌ی کافی تعرق انجام دهد (31). اسپری کردن سیتوکنین‌ها بر سطح خارجی گیاه می‌تواند موجب افزایش سرعت تعرق پوشش گیاهی و متعاقباً افزایش جذب فلزات موجود در محلول خاک توسط گیاه شود (32).

فونتس و همکاران (2000) به واسطه‌ی تیمار بوته‌های ذرت از طریق پاشش ایندول‌بوتریتیک اسید (IBA) و یا نفتیل‌استیک اسید (NAA) متوجه‌ی افزایشی معادل 2/41% در جذب سرب با استفاده از IBA و 4/127 درصد با استفاده از NAA گردیدند. با این وجود، دستیابی به چنین نتیجه‌ای با مرگ و میر بالای بوته‌های ذرت (بیش از 45 درصد بوته‌های تیمار شده)، مصرف مقادیر بسیار زیاد مواد تنظیم‌کننده‌ی رشد گیاه (NAA با غلظت 1000 میلی‌گرم بر کیلوگرم اسپری شد) و کاهش در زیست‌توده‌ی کل گیاه، همراه بود. لیفادزی و همکاران (2006) از ایندول‌استیک اسید (IAA) به منظور افزایش رشد ریشه بوته‌های آفتابگردان استفاده نموده و مشاهده کردند که تجمع کادمیم و سرب در برگ‌ها افزایش یافت. از آنجایی که هورمون‌های گیاهی (خصوصاً سیتوکنین‌ها) قادرند نقش مهمی در فرآیندهای مرتبط با تنش فلزی ایفا نمایند، لذا امکان اینکه کاهش سمیت فلزات در گیاهان مورد استفاده برای گیاه‌پالایی، ناشی از تأثیر کاربرد پاششی آن‌ها بر مقدار بیوماس، سرعت تعرق و میزان جذب فلزات باشد، وجود دارد. از طرف دیگر، اثر قطعی سیتوکنین‌ها بر باز شدن روزنه‌ها می‌تواند موجب افزایش تعرق و متعاقباً افزایش جذب آلاینده‌های فلزی توسط گیاه شود (34).

4-     بهبود رشد گیاه

از آن جایی که زیست‌توده‌ گیاهی و به‌خصوص زیست‌توده‌ اندام‌ هوایی گیاه نقش بسیار مهمی را در مقدار کل فلز زدوده شده از خاک توسط گیاه بر عهده دارد، لذا هر گونه روش فیزیکی نظیر تنظیم درجه‌ی حرارت و نور، شیمیایی نظیر کاربرد کودهای شیمیایی و یا فیزیکوشیمیایی نظیر تنظیم pH خاک که موجب افزایش رشد و متعاقباً زیست‌توده‌ گیاه شود، خواهد توانست کارآیی گیاه‌پالایی را نیز بهبود بخشد. کاربرد مقادیر مناسب کودهای حاوی عناصر اصلی (نیتروژن، فسفر و پتاسیم) و انجام آبیاری با دور مناسب نیز می‌تواند اثرات سودمندی بر کارآیی گیاه‌پالایی داشته باشد (8). به عنوان مثال، باروتیا و همکاران (2009) مشاهده کردند که با کاربرد کودهای شیمیایی در یک خاک آلوده به سرب، کادمیم و روی، مقدار میانگین زیست‌توده‌ گیاه و تحمل آن‌ها نسبت به این فلزات، با افزایش مواجه گردید.

 

5-     کاهش زمان گیاه‌پالایی

روش پیشنهادی دیگر به منظور بهبود کارآیی گیاه‌پالایی شامل سرعت بخشیدن به رشد گیاه از طریق تأمین نیازهای آن به عواملی نظیر نور، درجه‌ حرارت و CO2 است، که این روش در نهایت موجب کاهش زمان گیاه‌پالایی خواهد شد (36). از طریق انتقال گیاهچه‌ها (نشاءکاری) به زمین اصلی نیز می‌توان زمان مورد نیاز برای گیاه‌پالایی خاک آلوده به فلزات را کاهش داد، چراکه در مرحله‌ی گل‌دهی، تجمع فلز در اندام‌ هوایی گیاه بالا است (8)، به هر حال، این روش نیز دارای یکسری محدودیت‌های اجرایی است، از جمله کاشت گیاهچه‌ها در یک منطقه‌ی آلوده‌ی وسیع، عملی بسیار مشکل و در بعضی موارد غیرممکن می‌باشد (36).

 

6-     افزایش پتانسیل رداکس خاک (Eh)

روش دیگر بهبود کارآیی استخراج‌گیاهی آلاینده‌های فلزی شامل افزایش پتانسیل اکسایش-کاهش (پتانسیل رداکس) خاک است که موجب افزایش قابلیت جذب فلزات موجود در محلول خاک می‌شود (37). تنظیم پتانسیل رداکس معمولاً با استفاده از تکنیک‌های زراعی نظیر خشک کردن با آفتاب، متعادل نمودن ماده‌ی آلی و یا ترتیب آبیاری صورت می‌پذیرد، با این وجود، به طور کلی تنظیم پتانسیل رداکس خاک عملی پیچیده‌ است (8). 

 

7-     کاربرد کودهای آلی

افزودن کودهای آلی به خاک موجب کاهش قابل توجه تحرک فلزات نادر شده اما به دلیل افزایش زیست‌توده‌ی گیاه، منجر به بیشتر شدن تجمع فلزات در اندام‌ هوایی گیاه می‌گردد (38). کاربرد کمپوست و ورمی‌کمپوست در خاک‌های آلوده، موجب بهبود حاصلخیزی و صفات فیزیکی خاک شده و فرآیند گیاه‌پالایی فلزات سنگین را تسهیل می‌کند (39). افزودن این مواد به خاک، کیفیت و تولید بیوماس گیاهان در حال رشد را افزایش می‌دهد و در نتیجه منجر به جذب مقادیر بیشتری از فلزات توسط گیاهان و افزایش تحمل آن‌ها نسبت به سمیت فلزی می‌شود (40).

 

8-    روش‌های زیستی

در این روش به منظور بهبود کارآیی گیاه‌پالایی از ریزجانداران ریزوسفری شامل ریزوباکتری‌های آزادزی و یا همزیست و قارچ‌های مایکوریزا استفاده می‌شود. علاوه بر این، یکی از روش‌های ممکن به ‌منظور کاهش اثرات زیانبار فلزات سنگین جذب شده از محیط بر گیاهان، استفاده از ریزوباکتری‌های ارتقادهنده‌ی رشد گیاه (PGPR)[28] یا قارچ‌های مایکوریزا است (41).

 

9-1- قارچ‌های مایکوریزا

از بین ریزجانداران خاک تنها قارچ‌های مایکوریزا منجر به ایجاد یک ارتباط مستقیم بین خاک و ریشه‌ گیاه می‌شوند و به دلیل افزایش قابلیت دسترسی و تحمل فلزات سنگین در گیاهان، از اهمیت فراوانی در گیاه‌پالایی برخوردار می‌باشند. این قارچ‌های همزیست، جذب آب و عناصر غذایی را افزایش می‌دهند، از اثرات سوء تنش‌های محیطی و زراعی بر گیاه می‌کاهند و باعث بهبود مقاومت گیاه نسبت به بیماری‌ها و سلامتی آن می‌شوند (42). این واقعیت که فلزات سنگین موجب کاهش قابلیت جذب عناصر غذایی مورد نیاز برای رشد و نمو طبیعی گیاهان می‌شوند، بیانگر اهمیت قارچ‌های مایکوریزا در برگرداندن شرایط خاک‌های آلوده، به حالت طبیعیِ قابل بهره‌برداری است (42). نقش اصلی قارچ‌های مایکوریزا بهبود جذب فسفر و عناصر معدنی توسط گیاهان و افزایش تعداد و طول انشعابات ریشه می‌باشد (43). سویا یکی از گیاهانی است که دارای رابطه‌ی همزیستی با قارچ‌های مایکوریزا می‌باشد و این همزیستی موجب افزایش رشد آن در خاک‌های آلوده به فلز می‌گردد (43). قارچ‌های مایکوریزا بر عناصر غذایی که از تحرک کمی در خاک برخوردار هستند و دارای غلظت‌های بسیار اندکی در محلول خاک می‌باشند، تأثیر