بررسی توانایی گیاه نیلوفر آبی سفید (Nymphaea Alba) در کاهش فلزات سنگین (سرب، کادمیوم و منگنز) از محلول های آبی

عنوان مقاله

بررسی توانایی گیاه نیلوفر آبی سفید (Nymphaea Alba) در کاهش فلزات سنگین

 (سرب، کادمیوم و منگنز) از محلول های آبی

نویسندگان

جناب آقای دکتر فرامرز معطر: دانشکده محیط زیست و انرژی دانشگاه آزاد اسلامی- واحد علوم و تحقیقات

الهه جوادی: دانشکده محیط زیست و انرژی دانشگاه آزاد اسلامی- واحد علوم و تحقیقات- کارشناسی ارشد رشته آلودگیهای محیط زیست

آدرس: خیابان شریعتی- بالاتر از پل سیدخندان- خیابان خواجه عبدالله انصاری- خیابان تیسفون- کوچه چهارم- پ21-ط3

تلفن: 22844781- 09121365026- 88114363

پست الکترونیک:  elahe.javadi@gmail.com

جناب آقای دکتر عبدالرضا کرباسی: دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران

 جناب آقای دکتر سید مسعود منوری: دانشکده محیط زیست و انرژی دانشگاه آزاد اسلامی- واحد علوم و تحقیقات  

چکیده

افزایش جمعیت، گسترش صنایع، ازدیاد مصرف آب و در نهایت آلودگی رو به رشد آبهای جاری به دلیل عدم کنترل مسیر پساب خروجی از کارخانجات، مناطق شهری و کشاورزی موجب پایین آمدن کیفیت آب ها گشته است. از این میان فلزات سنگین را می توان نام برد که در جریان خودپالایی رودخانه ها کاهش نیافته بلکه در رسوبات بستر رودخانه ها و گونه های مختلف آبزیان تجمع می یابند و بالاخره بزرگنمایی زیستی را موجب شده و در زنجیره غذایی وارد می‌گردد.در این تحقیق توانایی گیاه آبزی نیلوفر آبی سفید در جذب و تجمع ترکیبی از فلزات سنگین(جهت هرچه نزدیک تر شدن به محیط طبیعی) مانند کادمیوم، سرب و منگنز، تحت شرایط آزمایشگاهی در 4 غلظت 1، 5/2، 5 و 10 میلی گرم بر لیتر و محیط های pH 5/5، 5/6 و 5/7 مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج به دست آمده از روش آماری ضریب همبستگی و آنالیز خوشه ای میزان تجمع فلز منگنز و کادمیوم در بافت گیاه با افزایش غلظت کاهش می یابد و بیشترین تجمع منگنز در غلظت 1 میلی گرم بر لیتر و pH  5/6 به میزان 455/3 میلی گرم بر گرم بوده است و بیشترین میزان تجمع فلز کادمیوم در بافت گیاه از کم به زیاد در غلظت 5 میلی گرم بر لیتر و pH 5/6  به میزان 55/0 میلی گرم بر گرم بوده است. در خصوص فلز سرب نیز با افزایش غلظت میزان جذب کاهش یافته ولی در غلظت 10 میلی گرم بر لیتر بالاخص در pH 5/5 به شدت افزایش می یابد.مطالعات حاکی از آن است که میزان هر یک از عناصر باقیمانده در محلول های آزمایشگاهی با افزایش غلظت تا بیشینه 10 میلی گرم بر لیتر روند صعودی داشته و با افزایش میزان pH  در هریک از غلظت ها روند نزولی داشته است. در کل بیشترین میزان باقیمانده در محلول، مربوط به فلز کادمیوم به میزان 38/3 میلی گرم بر لیتر و کمترین میزان، مربوط به فلز منگنز به میزان 002/0 میلی گرم بر لیتر بوده است.

با توجه به نتایج به دست آمده از نیلوفر آبی به دلیل بالا بودن میزان مقاومت نسبت به شرایط محیطی تالاب ها و دریاچه ها و رشد بالا، قابلیت کشت آسان و سازگاری خوب آن با محیط می توان به عنوان فیلتر بیولو‍ژیکی و یک فناوری آلایش زدایی گیاهی جهت حذف فلزات سنگین در پساب صنایع به کار برد.

کلمات کلیدی: فلزات سنگین، تجمع فلز، آلایش زدایی گیاهی، نیلوفر آبی  سفید

مقدمه

با افزایش بیش از حد جمعیت و صنعتی شدن جوامع خصوصاً از نیمه دوم قرن گذشته استفاده از فلزات در صنایع مختلف و مصرف سوختهای فسیلی، باعث پیدایش برخی مسایل و مشکلات جدید آلودگی محیط زیست گردیده است. این عناصر در اکوسیستم ها نفوذ نموده، وارد زنجیره غذایی شده و اثرات بسیار جدی و خطرناک بر روی فعالیت متابولیکی و فیزیولوژیکی موجودات به جای می گذارد.

به طور کلی فلزات سنگین عناصری هستند که به طور طبیعی و به میزان بسیار کم در اکوسیستم زنده یافت می شود. این عناصر جزء آلاینده های بسیار پایدار می باشند و تجزیه نمی شوند و می توانند توسط مواد زاید و فاضلاب از طریق سواحل وارد محیط آبی شوند ( امینی رنجبر، غ، کنشلو، ط، 1377 ).

روش های متعددی برای پاکسازی مواد سمی و کاهش میزان عناصر سنگین ورودی به محیط در تصفیه آب ها و فاضلاب های آلوده به فلزات سنگین از جمله ته نشینی یا لخته سازی پس از عمل رسوبگیری و دفع لجن حاصله، تبادل یونی، اسمز معکوس و میکروفیلتراسیون به کار گرفته می شود. روش جدید، آلایش زدایی گیاهی است که در آن از گیاهان برای حذف و جذب فلزات سمی از محیط استفاده می شود (Schor-Fumbarov, Tomar, et al., 2003). آلایش زدایی گیاهی مجموعه ای از فناوریهاست که در آن از گیاهان برای کاهش، حذف، تجزیه یا ساکن ساختن سموم محیطی بالاخص نوع انسان ساخت آن از آب و خاک با هدف احیاء زمینها برای کاربری خصوصی و دولتی در مدت زمانی چند ساله استفاده می‌شود                  (Wendy, Ann Peer, et al., 2006).

فواید استفاده از گیاهان برای تجمع فلزات سنگین شامل هزینه پایین، تولید مواد زاید گیاهی قابل بازیافت و حداقل عوارض زیست محیطی است و هدف یافتن گونه های گیاهی با سرعت بالاتر رشد و توانایی موثر در جذب فلزات سنگین است            ( قانعیان، محمد تقی، 1383).

 با علم بر اینکه برخی گیاهان به عنوان بیش تجمعگر های فلزات هستند که از پتانسیل آنها برای تصفیه پساب ها و ضایعات حاوی فلزات استفاده می شود، گزارشات نشانگر اثبات قدرت ماکروفیت های آبی بالاخص گیاهان تالابی در کاهش میزان فلزات سنگین در آب های آلوده و تصفیه پساب است (Choo, T.P, et al, 2005) .

علاوه بر اینکه از طریق رشد و نمو گیاه، می توان فلزات را حذف کرد اجزاء گیاهان مانند تفاله نیشکر، پوست برنج، چوب ذرت، خزه و باقی مانده گیاهان و میوه ها نیز به عنوان جاذب های بیولوژیکی مطرح هستند (قانعیان، محمد تقی، 1383).

گیاهان غوطه ور و شناور در آب دارای مزیتی هستند که از آن جمله تماس تمامی بخشهای گیاه با آب است. تحت شرایط طبیعی، ریزوم و ریشه های نیلوفر آبی در رسوبات و گل کاشته می شوند و گیاه بر روی آب شناور می گردد.                        (Schor-Fumbarov, Tomar, et al., 2003) این گیاه به طور گسترده در رودخانه ها و تالابها موجود است. علاوه بر این که این نوع گیاه آبزی نقش مهمی در رژیم غذایی انسان ها دارد و از خواص دارویی گیاه نیز سود می جویند، بر اساس آنالیزهای انجام شده بر روی گیاه در راستای سنجش توانایی آن در تجمع فلزات سنگین، شاخصی برای تعیین میزان آلودگی آب نیز به شمار می رود. (Usman, Shuaibu.O.A & Yongabi, Kenneth.A, 2002) .

روش بررسی

گیاه نیلوفر آبی به صورت رویشی تکثیر می یابد و قادر به زندگی برای چندین هفته با استفاده از مواد ذخیره شده در ریزوم می باشد. در این آزمایشات از گیاه نیلوفر آبی با نام گونه (Neamphaea Alba: نیلوفر آبی سفید) به دلیل پراکنش بیشتر در ایران استفاده شده است. نمونه های تکثیر یافته از ریزوم نیلوفر آبی که دارای جوانه های تازه بودند در گلدانهای پلاستیکی سیاهرنگ در اندازه کوچک در خاک نرم مخلوط با ماسه قرار داده شدند و روی خاک گلدان با سنگریزه های کوچک برای جلوگیری از فرار خاک به هنگام قرار گرفتن در آب پوشیده شد.

از آنجا که این امور در اواخر فصل پاییز انجام پذیرفت و هوا برای رشد گیاهان جدید تکثیر یافته در محیط برکه و در فضای آزاد بدلیل سرمای هوا مقدور نبود، لذا این گیاهان در محیط گلخانه در وان آب نگهداری شدند که برای تامین دمای مورد نیاز آنها که باید بین 25 الی 30 درجه سانتی گراد باشد از بخاری آبی مخصوص آکواریوم استفاده گردید (T.P. Choo et al. 2006). در این راستا از گیاه نیلوفر آبی بالغ 9هفته ای برای تعیین میزان جذب فلزات سنگین استفاده شد                                (T.P. Choo et al. 2006).

• نحوه آماده سازی محیط برای نگهداری نمونه های گیاهی

13 نمونه گیاه نیلوفر آبی پس از گذشت 9 هفته و شستشوی کامل بطور جداگانه به 13 گلدان سفید پلاستیکی به قطر 24 سانتی متر و ارتفاع 30 سانتی متر انتقال داده شدند. هر یک از گلدانها با 4 لیتر محلول استاندارد از قبل آماده شده، پر شده بودند.

محلولهای موجود در گلدانها با غلظتهای 1، 5/2، 5 و 10 میلی گرم در لیتر (ppm) با نسبتهای مساوی از فلزات کادمیوم  (Cd)، سرب  (Pb)و منگنز(Mn) تهیه شده بودند و برای بررسی تاثیر اسیدیته (pH) 3 نوع اسیدیته مختلف به میزان 5/5، 5/6 و 5/7 که بر اساس تحقیقات بعمل آمده برای گیاه مناسب می باشد با اضافه نمودن هیدروکسید سدیم  (NaOH) و اسید سولفوریک (H₂SO₄) در نظر گرفته شد  (T.P. Choo et al., 2006).

نمونه های گیاهی به مدت یک هفته در محیطهای آماده شده و در شرایط طبیعی از نظر نور (13 ساعت روشنایی روز) قرار گرفتند (N.Lavid et al., 2001).

• نحوه آماده سازی نمونه های گیاهی برای تزریق به دستگاه جذب اتمی

پس از گذشت یک هفته از قرارگیری گیاهان در محلولهای  1، 5/2، 5 و 10 میلی گرم در لیتر از فلزات کادمیوم، سرب و منگنز با اسیدیته 5/5، 5/6 و 5/7 گیاهان از گلدانهای سفید خارج شدند و گیاه با خاک از گلدان پلاستیکی سیاه درآورده، شسته و داخل کیسه های پلاستیکی به آزمایشگاه انتقال داده شدند.

هر یک از گیاهان پس از شستشوی مجدد با آب مقطر به قطعات کوچکتر تبدیل و در داخل ظروف پتری قرار گرفتند                  (T.P. Choo et al., 2006). ظروف پتری مورد نظر به مدت 48 ساعت در داخل اتوکلاو در دمای 60 درجه سانتی گراد قرار گرفته تا پس از خشک شدن نمونه ها با هاون چینی یا عقیقی پودر شوند بطوریکه قادر به گذشتن از الک شماره 230 باشند.

حداقل 5/0 گرم از هر نمونه را با ترازوی دیجیتالی وزن کرده و به آن 6 سی سی اسید نیتریک بهمراه 2 سی سی اسید کلریدریک غلیظ 37 درصد اضافه شد و روی حمام شن در دمای 125 درجه سانتی گراد قرارداده تا در حدود 5/7 سی سی از ان تبخیر شود تا بدینوسیله نیتراتها و کربناتها تجزیه شوند. سپس 3 سی سی اسید پرکلریک به آن اضافه کرده و حرارت دادن تا رسیدن محلول به میزان 5/0 سی سی ادامه می یابد تا مواد آلی موجود در نمونه تجزیه گردند. در این حالت محلول شفافی حاصل می گردد. در صورتیکه محلول کمی غیر شفاف باشد از صافی واتمن 45 باید گذرانده و سپس با اسید کلریدریک 1/0 نرمال به حجم 25 سی سی  می رسانیم )(Lance, G.N. & Williams, W.T., 1966; Karbassi, A.R., 1989) .

بدین ترتیب نمونه های هضم شده برای تزریق به دستگاه جذب اتمی شعله (با دستگاه Termoelemental مدل M5 با استفاده از لامپ دوتریوم و شعله هوا/استیلن) درون ظرفهای پلی اتیلنی در بسته ریخته و برای آنالیز آماده شدند        (Greenberg, A.E., Lenore S. Clescerl, A.D. Eaten, 1992). لازم به ذکر است که طول موج مورد استفاده برای اندازه گیری فلز سرب 217 نانومتر، فلز کادمیوم 8/228 نانومتر و فلز منگنز 5/279 نانومتر بوده است.

• نحوه آماده سازی محلول محیط نگهداری گیاه نیلوفر آبی در یک هفته آزمایش

جهت تعیین میزان کاهش عناصر سنگین موجود در محلول محیط های نگهداری که از ابتدا غلظت آنها مشخص شده بود (محلولهای  1، 5/2، 5 و 10 میلی گرم در لیتر از فلزات کادمیوم، سرب و منگنز با اسیدیته 5/5، 5/6 و 5/7) پس از گذشت 7 روز از محلول موجود در هر یک از 13 محیط نمونه برداری شد و درون ظرفهای پلی اتیلنی استریل و اسیدشویی شده به آزمایشگاه برده شد.

پس از گذراندن محلول هر محیط از صافی واتمن 45 که از قبل با اسید کلریدریک ضعیف شستشو داده شده بودند به آنها 5/0 سی سی اسید کلریدریک غلیظ اضافه کرده تا بهنگام جذب اتمی رقم دقیقتری حاصل گردد. در این میان نمونه شاهد حتماً حضور دارد.

 بدین ترتیب نمونه محلولهای آماده شده برای تزریق به دستگاه جذب اتمی شعله با مشخصات فوق الذکر درون ظرفهای پلی اتیلنی در بسته، ریخته و برای آنالیز آماده می گردند (Greenberg, A.E., Lenore S. Clescerl, A.D. Eaten, 1992).

 روش های آماری

جهت تفسیر آماری رابطه بین عناصر سنگین اندازه گیری شده در کل بافت گیاه، اجزاء مختلف گیاه نیلوفر آبی و عناصر سنگین باقیمانده در محیط نگهداری گیاهان پس از یک هفته، ابتدا با استفاده از نرم افزار Explore، ضرایب همبستگی محاسبه شدند. سپس برای درک روابط بین عناصر، غلظت و pH محیط از نرم افزار Cluster برای تبدیل آمار موجود در جدول ضرایب همبستگی به دندوگرام یا آنالیز خوشه ای استفاده گردید ( Davis, J.C, 1973 ).

نتایج

( جدول 1): میزان فلزات موجود در گیاه نیلوفر آبی و محلول نمونه در روز هفتم در شرایط مختلف مورد آزمایش

نمودار (1): میزان فلزات منگنز (Mn)، کادمیوم (Cd) و سرب (Pb)  در بافت گیاه بر حسب میلی گرم بر گرم در محیط های نمونه با غلظت های 1، 5/2، 5 و 10 میلی گرم در لیتر و 5/5 pH=، 5/6  pH=و 5/7  pH=

 نمودار (2): میزان فلزات منگنز (Mn)، کادمیوم (Cd) و سرب (Pb)  باقیمانده در محیط نمونه بر حسب میلی گرم بر لیتر در محیط های نمونه با غلظت های 1، 5/2، 5 و 10 میلی گرم در لیتر و 5/5 pH=، 5/6  pH=و 5/7  pH=

v نتایج به دست آمده از میزان جذب فلزات سنگین مورد آزمایش در کل بافت گیاه نیلوفر آبی

در یک بررسی کلی به این نتیجه می رسیم که فلز منگنز در pH 5/6 بیشترین میزان جذب به میزان 455/3 میلی گرم بر گرم را به خود اختصاص داده است که این میزان از غلظت 1 تا 5 میلی گرم بر لیتر به تدریج کاهش یافته است. میزان جذب فلز منگنز پس از pH 5/6 به تدریج از pH 5/5 تا 5/7 روند نزولی را می پیماید. یعنی میزان فلز منگنز در غلظت 10 میلی گرم بر لیتر در pH 5/7 بیشترین و در pH 5/6 کمترین است (جدول 1 و نمودار 1).

میزان جذب فلز کادمیوم در غلظت های پایین (1 و 5/2 میلی گرم بر لیتر) با افزایش pH کاهش می یابد و در غلظت 5 میلی گرم بر لیتر در pH 5/6 بیشترین جذب و در pH  5/7 کمترین جذب را دارا می باشد. این فلز در بالاترین غلظت بیشترین جذب را در بالاترین pH دارد و در pH 5/6 کمترین جذب را دارد (جدول 1 و نمودار 1).

میزان جذب سرب در گیاه در pH 5/5 و 5/7 با افزایش غلظت تا 5 میلی گرم بر لیتر کاهش می یابد و در 10 میلی گرم بر لیتر افزایش می یابد. ولی در pH 5/6 وضعیت کاملا برعکس است به طوریکه تا غلظت 5 میلی گرم بر لیتر میزان جذب افزایش یافته و از آن پس به کمترین میزان خود می رسد (جدول 1 و نمودار 1).

• اثر غلظت بر تجمع فلزات سنگین در گیاه

-  در شرایط با غلظت 1 میلی گرم بر لیتر بیشترین میزان جذب برای عنصر منگنز به میزان 45/3 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/6= pH است و کمترین میزان جذب به فلز کادمیوم به میزان 079/0 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/6 = pH اختصاص دارد  (جدول 1 و نمودار 1) .

-   در شرایط با غلظت 5/2 میلی گرم بر لیتر بیشترین میزان جذب برای عنصر منگنز به میزان 027/2 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/6= pH است و کمترین میزان جذب به فلز کادمیوم به میزان 079/0 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/7 = pH اختصاص دارد (جدول 1 و نمودار 1) .

-  در شرایط با غلظت 5 میلی گرم بر لیتر بیشترین میزان جذب برای عنصر منگنز به میزان 37/1 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/6= pH است و کمترین میزان جذب به فلز کادمیوم به میزان 07/0 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/7 = pH اختصاص دارد (جدول 1 و نمودار 1) .

-  در شرایط با غلظت 10 میلی گرم بر لیتر بیشترین میزان جذب برای عنصر سرب به میزان 733/0 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/5= pH است و کمترین میزان جذب به فلز سرب به میزان 072/0 میلی گرم بر گرم در محیط با 5/6 = pH اختصاص دارد (جدول 1 و نمودار 1) .

• اثر PH بر تجمع فلزات سنگین در گیاه:

-  در شرایط با 5/5 =pH  بیشترین میزان جذب برای عنصر سرب به میزان 08/1 میلی گرم بر گرم در محیط با غلظت 1 میلی گرم بر لیتر است و کمترین میزان جذب به فلز کادمیوم به میزان 161/0 میلی گرم بر گرم در محیط با غلظت 10 میلی گرم بر لیتراختصاص دارد (جدول 1 و نمودار 1) .

-  در شرایط با 5/6 =pH  بیشترین میزان جذب برای عنصر منگنز به میزان 455/3 میلی گرم بر گرم در محیط با غلظت 1 میلی گرم بر لیتر است و کمترین میزان جذب به فلز سرب به میزان 072/0 میلی گرم بر گرم در محیط با غلظت 10 میلی گرم بر لیتراختصاص دارد (جدول 1 و نمودار 1) .

-  در شرایط با 5/7 =pH  بیشترین میزان جذب برای عنصر منگنز به میزان 504/0 میلی گرم بر گرم در محیط با غلظت 1 میلی گرم بر لیتر است و کمترین میزان جذب به فلز کادمیوم به میزان 07/0 میلی گرم بر گرم در محیط با غلظت 5 میلی گرم بر لیتراختصاص دارد (جدول 1 و نمودار 1) .

-  در کل بیشترین میزان جذب مربوط به فلز منگنز در شرایط محیطی با غلظت 1 میلی گرم بر لیتر و        5/6 =pH  و کمترین میزان جذب مربوط به فلز کادمیوم در شرایط محیطی با غلظت 5 میلی گرم بر لیتر و 5/7 =pH می باشد (جدول 1 و نمودار 1) .

v نتایج به دست آمده از میزان فلزات سنگین باقیمانده در محیط های مختلف مورد آزمایش پس از 7 روز

• اثر غلظت بر باقیمانده فلزات سنگین در محلول

-  در محیط با غلظت 1 میلی گرم بر لیتر بیشترین میزان از فلز باقیمانده در محلول مربوط به فلز منگنز در 5/5 =pH است و کادمیوم و سرب به ترتیب در رتبه دوم و سوم قرار دارند و کمترین میزان فلز باقیمانده مربوط به عنصر منگنز در 5/7 =pH است (جدول 1 و نمودار 2) .

-   در محیط با غلظت 5/2 و 5 میلی گرم بر لیتر بیشترین میزان از فلز باقیمانده در محلول مربوط به فلز کادمیوم در 5/5 =pH است و منگنز در 5/5 =pH و سرب در 5/7 =pH به ترتیب در رتبه دوم و سوم قرار دارند و کمترین میزان فلز باقیمانده مربوط به عنصر کادمیوم در 5/7 =pH است (جدول 1 و نمودار 2) .

-  در محیط با غلظت 10 میلی گرم بر لیتر بیشترین میزان از فلز باقیمانده در محلول مربوط به فلز کادمیوم در 5/5 =pH است و منگنز در 5/5 =pH و سرب در 5/6 =pH به ترتیب در رتبه دوم و سوم قرار دارند و کمترین میزان فلز باقیمانده مربوط به عنصر کادمیوم در 5/7 =pH است (جدول 1 و نمودار 2) .

-  بیشترین میزان باقیمانده عناصر در محلول پس از گذشت 7 روز مربوط به غلظت محیطی 10 میلی گرم بر لیتر بالاخص فلز کادمیوم در 5/5 =pH است. یعنی با افزایش غلظت عناصر در محیط عنصر باقیمانده نیز افزایش می یابد (جدول 1 و نمودار 2) .

• اثر pH بر باقی مانده فلزات سنگین در محلول

-  در محیط با 5/5 =pH میزان عناصر سنگین باقیمانده در محلول به ترتیب از غلظت 1 تا 10 میلی گرم بر لیتر افزایش می یابد که این افزایش سیر یکنواخت و صعودی خود را طی می کند. در این بخش بیشترین فلز باقیمانده کادمیوم است و منگنز و سرب به ترتیب در رتبه های دوم و سوم قرار می گیرند (جدول 1 و نمودار 2) .

-  در محیط با 5/6 =pH میزان عناصر سنگین باقیمانده در محلول به ترتیب از غلظت 1 تا 5 میلی گرم بر لیتر افزایش می یابد که این افزایش سیر یکنواخت و صعودی خود را طی می کند ولی تا غلظت 10 میلی گرم بر لیتر به یکباره افزایش شدید پیدا می کند.  در این بخش بیشترین فلز باقیمانده منگنز است و سرب و کادمیوم به ترتیب در رتبه های دوم و سوم قرار می گیرند (جدول 1 و نمودار 2) .

-  در محیط با 5/7 =pH میزان عناصر سنگین باقیمانده در محلول به ترتیب از غلظت 1 تا 5 میلی گرم بر لیتر افزایش می یابد که این افزایش سیر یکنواخت و صعودی خود را طی می کند ولی میزان عناصر سرب و منگنز در غلظت 10 میلی گرم بر لیتر کمی کاسته می شود اما میزان کادمیوم به سیر صعودی و یکنواخت خود ادامه می دهد.  در این بخش بیشترین فلز باقیمانده سرب است و منگنز و کادمیوم به ترتیب در رتبه های دوم و سوم قرار می گیرند (جدول 1 و نمودار 2) .

تفسیر نتایج

با توجه به تحقیق انجام گرفته بر روی گونه نیلوفر آبی سفید در زمینه بررسی توانایی این گیاه در ایران بر جذب فلزات سنگینی چون کادمیوم، سرب و منگنز در غلظتهای 1، 5/2، 5 و 10 میلی گرم بر لیتر و محیط هایی با pH 5/5، 5/6 و 5/7، اقدام به اندازه گیری میزان فلزات سنگین مذکور جذب شده در بافت کلی گیاه و میزان عناصر باقیمانده در محلول مورد آزمایش پس از 7 روز در محیط طبیعی با 13 ساعت روشنایی روز شد. لذا تجزیه و تحلیلی بر روی اثرات غلظت وpH  بر میزان جذب فلزات سنگین مورد آزمایش و همچنین رابطه خود فلزات با یکدیگر در محیط های آزمایش به شرح ذیل ارائه می گردد:

• جذب فلزات سنگین مورد آزمایش در بافت کلی گیاه نیلوفر آبی

با توجه به نتایج به دست آمده از تفسیر آنالیزهای خوشه ای رابطه بین میزان جذب عناصر در گیاه به شرح ذیل برقرار می باشد:

در غلظت 1 میلی گرم بر لیتر با افزایش pH میزان جذب منگنز کاهش می یابد.

در غلظت 5/2 میلی گرم بر لیتر با افزایش pH میزان جذب هر سه فلز کاهش می یابد.

در غلظت 5 میلی گرم بر لیتر میزان جذب منگنز و سرب و کادمیوم با ضریب تشابه بالایی به یکدیگر متصلند یعنی رابطه مستقیمی در جذب سرب و منگنز با فلز کادمیوم وجود دارد و با افزایش pH میزان جذب هر سه فلز کاهش می یابد.

در غلظت 10 میلی گرم بر لیتر میان میزان منگنز و pH ضریب تشابه بسیار بالا وجود دارد که در این شرایط میزان منگنز با افزایش pH روند صعودی می یابد، در حالیکه میزان جذب سرب و کادمیوم با افزایش pH روند نزولی را طی می کند.

در غلظت 1 و 10 میلی گرم بر لیتر میزان جذب کادمیوم و سرب با ضریب تشابه بالایی به یکدیگر متصلند یعنی رابطه مستقیمی در جذب این دو فلز وجود دارد و افزایش و کاهش جذب در هر یک موجب افزایش و کاهش میزان جذب دیگری می گردد.

در غلظت 5/2 و 5 میلی گرم بر لیتر میزان جذب منگنز و سرب با ضریب تشابه بالایی به یکدیگر متصلند یعنی رابطه مستقیمی در جذب این دو فلز وجود دارد.

در کل در غلظت کم تا متوسط ارتباط تجمع عناصر با میزان غلظت و pH به این صورت است که به ویژه در غلظت های متوسط با افزایش pH از میزان تجمع عناصر کاسته می شود و با افزایش غلظت میزان جذب کاهش می یابد. در مطالعه ای در خصوص رفتارشناسی جذب فلز کادمیوم توسط گیاه نیلوفر آبی به وسیله اسکورفوم بارو و همکارانش در سال 2003 انجام شد، میزان کادمیوم جذب شده زیاد بوده و میزان pH محلول، غلظت فلز را تحت تاثیر قرار می دهد. در این تحقیق میزان جذب کادمیوم در گیاه نیلوفر آبی در 5/5 =pH حداکثر (140 میلی گرم در هر گرم وزن خشک گیاه) بوده است که تاییدی بر تجمع بیشتر عناصر در گیاه تحت تاثیر pH پایین تر است   (Schor-Fumbarov, Tomar, et al., 2003).

از آنجا که در این آزمایش از ترکیبی از عناصر سنگین استفاده شده است و بر طبق تحقیق به عمل آمده توسط چو و همکارانش در مالزی در سال 2005در خصوص تجمع کروم (VI) از محلول های آبی با استفاده از گیاه نیلوفر آبی با نام علمی Nymphaea Spontanea قابلیت جذب کروم به تنهایی بیش از ترکیب آن با فلز مس بوده لذا در صورت کاربرد فلزات به تنهایی توانایی این گیاه در جذب بسیار بالاتر می باشد (T.P. Choo et al., 2006).

در کل بیشترین میزان فلز جذب شده در گیاه در غلظت های مختلف مربوط به فلز منگنز و کمترین میزان جذب مربوط به فلز کادمیوم است. همانگونه که سالت و همکارانش[1] در سال 1995 توضیح داده اند که کاهش منگنز به عنوان نتیجه جذب کادمیوم در گیاه خردل هندی صورت گرفته است. رسوب عناصر با یکدیگر برخی اوقات موجب کاهش در دیگر عناصر می گردند که در خصوص فلزات آهن، سرب و جیوه تجمع یافته در بخش های سبز گیاه دیده شده است                                       (Lavid, Noa, et al., 2001).

شایان ذکر است، در مطالعه ای که در خصوص تجمع برخی از فلزات سنگین در نیلوفر آبی از جریان های آلوده دریاچه بوچی توسط شعیب عثمان و کنت یونقابی در سال 2005 انجام شده است نشان دهنده آن است که از آنالیز نمونه ها در 10 ایستگاه مختلف از این منطقه نتایجی برای فلزات روی (130-79 میلی گرم در هر 100 گرم)، سرب (69-50 میلی گرم در هر 100 گرم)، آهن (58-53 میلی گرم در هر 100 گرم )، کادمیوم  (8-7 میلی گرم در هر 100 گرم) به همراه داشته است که در مقایسه با نتایج به دست آمده از میزان جذب سرب و کادمیوم در نیلوفر آبی سفید ایران حتی در کمترین غلظت (1 میلی گرم بر لیتر) پایین تر بوده است (Usman, Shuaibu.O.A & Yongabi, Kenneth.A, 2002).

• فلزات سنگین باقیمانده در محیط آزمایش پس از گذشت 7 روز

بر اساس نتایج به دست آمده از تفسیر آنالیزهای خوشه ای رابطه بین میزان عناصر سنگین باقی مانده در محیط به شرح ذیل ارائه می گردد:

در غلظت 1 میلی گرم بر لیتر میزان باقی مانده فلزاتمنگنز و کادمیوم با ضرایب تشابه بسیار و معنی دار به هم پیوسته اند که کاهش و افزایش هر یک در دیگری اثر مستقیمی دارد و با میزان باقیمانده سرب نیز رابطه مستقیمی دارند ولی رابطه کاهش بسیار زیاد میزان تمامی فلزات باقیمانده در نتیجه افزایش pH برقرار است.

در غلظت 5/2 و 5 میلی گرم بر لیتر میزان باقی مانده فلزاتمنگنز و کادمیوم با ضرایب تشابه بسیار بالا و معنی دار به هم پیوسته اند که نمایانگر رابطه مستقیم باقی مانده این دو فلز است.

در حالیکه آنالیز خوشه ای نشان دهنده رابطه معکوس میزان کادمیوم و منگنز باقی مانده در محلول نسبت به میزان سرب باقی مانده و pH می باشد.

در غلظت 10 میلی گرم بر لیتر منگنز و کادمیوم با ضرایب تشابه بالا و معنی دار به هم پیوسته اند که می توان نتیجه گرفت میزان باقیمانده منگنز و کادمیوم تا حد زیادی با یکدیگر وابسته اند کاهش و افزایش نسبتا یکسانی در آنها دیده می شود. در حالیکه میزان کادمیوم و منگنز باقیمانده در محلول با افزایش میزان سرب و pH کاهش می یابد.

به طور کل بیشترین میزان باقیمانده عناصر در تمامی محیط ها مربوط به pH 5/5 (کمترین pH ) بوده است و کمترین آن در pH 5/7 (بیشترین pH )  رخ داده است. حلالیت بسیاری از فلزات با کاهش pH افزایش می یابد. در pH کمتر از 5/6 حلالیت فلز در خاک افزایش می یابد. در 5/5= pH میزان جذب فلز بیش از pH 7/6 و 4 بوده است. زیرا تمرکز پروتون در 5/5 =pH بیست برابر بیشتر از 7/6 =pH است و در 5/5= pH رسوبات کربنات کادمیوم حل می شود و فلز به سرعت جذب می گردد  (Schor-Fumbarov, Tomar, et al., 2003).

از طرفی با افزایش میزان غلظت محلولها بر میزان فلزات باقیمانده نیز افزوده شده است.که این به دلیل توانایی بالای گیاهان در جذب عناصر در غلظتهای پایین تر و یا نشان دهنده حالت اشباع و تاثیر بر فعالیتهای متابولیکی گیاه در غلظتهای بیشتر می باشد.

با توجه به اینکه نیلوفر آبی پتانسیل بالایی در حذف فلزات سنگین از محیط را دارد، در محیط های طبیعی نیز می توان بیشترین حذف فلزات را از این گیاه به دست آورد. اگر عناصر به صورت جداگانه در محیط و نه به صورت ترکیبی حضور یابند راندمان جذب گیاه در این فلزات بیشتر خواهد بود (T.P. Choo et al., 2006). بنابراین از آنجا که در ایران بر طبق بررسی های انجام شده تاکنون درخصوص توانایی گیاه آبزی نیلوفر آبی سفید با نام علمی Nymphaea alba در جذب فلزات سنگین مطالعه ای صورت نپذیرفته است لذا این گیاه به عنوان جاذب بیولوژیکی می تواند نقش به سزایی را در حذف فلزاتی مانند سرب، کادمیوم و منگنز از آبهای آلوده و پساب ناشی از کارخانجات ایفا نماید. البته استفاده از این گیاه یا گیاهان آبزی نظیر آن در سیستم های فاضلاب در مقیاس عملی به تحقیقات بیشتری در زمینه ایجاد شرایط مناسب رشد گیاه، نوع فاضلاب و زمان به کارگیری آنها نیاز است و از این گیاه می توان در تصفیه فاضلاب های شهری و کشاورزی که علاوه بر دارا بودن مواد مغذی دارای مقادیر نسبتاً کمی از فلزات هستند بهره جست.

از آنجایی که سیستم های تصفیه طبیعی نیاز به انرژی و هزینه کمتری دارند، تحقیقات بسیاری در دنیا در راستای توسعه این سیستم ها در حال انجام است. با توجه به روند رو به کاهش منابع، استفاده طبیعی و منطقی و به کارگیری سیستم های طبیعی در جهت مبارزه با مشکلات آلودگی حائز اهمیت بیشتری می گردد. مهمتر اینکه قابلیت بازیافت و کاربری بسیاری از منابع در سیستم های تصفیه طبیعی همچون تولید مواد غذایی غنی در جهت استفاده دام و طیور (در صورت جزیی بودن میزان فلزات سنگین) و به کارگیری آنها به عنوان کود و بازیافت بسیاری از فلزات باارزش همچون طلا و نقره امکان پذیر خواهد بود. در به کارگیری از سیستم های تصفیه طبیعی باید از عوامل زنده واجد شرایط ذیل استفاده نمود:

-       ظرفیت بالا در جذب مواد معدنی

-       دارای زیتوده بالا، قابلیت رشد سریع با دوره زمانی حرس مکرر

-       دارای آفتهای طبیعی کم

-       قابلیت حرس سهل

-       دارای ترکیبات آبی کم

-       دارای ترکیبات بالای پروتئین برای تغذیه حیوانات

-       ترکیبات پایین فیبر و لیگنین

از آنجا که گیاه نیلوفر آبی اکثر مشخصات فوق را دارا می باشد، لذا بکارگیری این نوع تصفیه طبیعی همراه با دیگر سیستم های تصفیه به عنوان یکی از مناسب ترین شیوه های کاهش آلودگی آب محسوب می شود. همچنین به کارگیری این روش به علت مواد مغذی موجود، دما و نور مناسب محیط که از عوامل اصلی رشد و تولید نیلوفر آبی هستند توصیه می گردد  (www.des.ucadvis.edu) .

این روش پایدار و ارزان به عنوان یک جایگزین مناسب برای روشهای متداول اصلاح، در کشورهای در حال توسعه به سرعت در حال ایجاد است. تهیه کود آلی و فشرده نمودن گیاهان آلوده به عنوان مدلهای پیش تصفیه برای کاهش حجم، قادر به انجام است. اما مراقبت باید کرد تا شیرابه ناشی از فشرده سازی جمع‌آوری شود. بین دو روش کاهش دهنده زیتوده گیاه آلوده، سوزانیدن در کوره با اتلاف وقت کمتر، زیست محیطی تر از روش سوزانیدن مستقیم یا خاکستر کردن به نظر می‌رسد    (Ghosh, M. & Singh, S.P., 2005). از طرفی این روش به دلیل هزینه کم مراقبت و نگهداری گیاه و ایجاد محیط مناسبی برای زیستگاه حیات وحش بسیار حائز اهمیت است ( www.des.ucadvis.edu ) .

پیشنهادات

نیلوفر آبی از طرفی به دلیل دارا بودن ارزش غذایی دانه ها که غنی از نشاسته، روغن و پروتئین هستند و خاصیت دارویی گیاه مورد توجه جوامع بشری است (Conard, Henry, 2007)  و از طرفی دیگر ریشه، برگ و دانه گیاه مورد استفاده حیوانات قرار می گیرد و گیاه زیستگاه مناسبی را برای حیات وحش فراهم می نماید                                                                (Alaska Natural Heritage Program, 2006)  علاوه بر موارد مذکور این گیاه از نظر زینتی بسیار مورد توجه است و محیط مفرح و زیبایی را به وجود می آورد.

شایان ذکر است که این گیاه به علت داشتن غدد روپوستی بسیار بالاخص در نواحی برگ و ساقه و دیگر مواد مانند تانن، فنل، پراکسید و اسیدگالیک می تواند به عنوان فیلتری برای پاکسازی محیط آب های آلوده کاربری داشته باشد. چرا که در مقایسه با روشهای دیگر بیولوژیکی روشی مقرون به صرفه بوده و سلامت و بهداشت محیط را حفظ خواهد کرد                         (Lavid, Noa, et al., 2001).

این گیاه با استفاده از نور خورشید و انجام عمل فتوسنتز، اکسیژن در محیط ایجاد کرده و به عنوان منبع تولید انرژی و غذا نیازهای باکتری های فعال در فرایند تجزیه را مرتفع می سازد. با رشد و نمو گیاه و انجام اعمال متابولیکی قادر به جذب مقادیر بالایی از فلزات سنگین هستند که لجن حاصله از آنها پس از طی دوره جذب دارای درصد بالایی از عناصر می باشند               (Alaska Natural Heritage Program, 2006). در مقایسه با سایر روش ها علاوه بر مقرون به صرفه بودن فاقد هر گونه بوی و اثرات دیگر است و احتیاج به کنترل و مراقبت زیاد و به کارگیری متخصصین مجرب ندارد و از لحاظ مصرف انرژی مناسب بوده و به نظر می رسد که اجرای این طرح در مناطقی با مراکز صنعتی که میزان تولید زایدات فلزات سنگین در آنها زیاد و تجهیزات تصفیه فلزات سنگین بسیار گران قیمت است، به عنوان روش مکمل و اطمینان بخش از نظر سلامتی کامل پساب های خروجی متصل به آبهای سطحی می تواند نتایج مثمر ثمری را درپی داشته باشد.

فهرست منابع

1- امینی رنجبر، غ، کنشلو، ط، 1377، ارزیابی کمی آلاینده معدنی در چهار گونه از گیاهان آبزی در تالاب انزلی، مجله پژوهش و سازندگی، شماره 38.

2- قانعیان، محمد تقی، 1383، استفاده از گیاهان در حذف فلزات سنگین آب و فاضلاب، مجله آب و محیط زیست، شماره 59.

3- Alaska Natural Heritage Program, 2006, White water lily- Nymphaea odorata ssp. Odorata Ait., Environment and Natural Resources Institute, University of Alaska Anchorage.

4- Choo, T.P, et al, 2006, Accumulation of chromium (VI) from aqueous solutions using water lilies (Nymphaea spontanea), Elsevier, Chemosphere.

5- Conard, Henry, 2007, the water lilies- Culture and uses. Available at:

WWW.AUSTRALIANWATERGARDENER.com, 2007.

6- Davis, J.C, 1973, "Statistics and Data Analysis in Geology", Wiley International, New York.

7- Ghosh, M. & Singh, S.P., 2005, A review on Phytoremediation of heavy metals and utilization of its byproducts, Biomass and waste management laboratory, School of energy and environmental studies, India.

8- Greenberg, A.E., Lenore S. Clescerl, A.D. Eaten, 1992; Standard Methods for Examination of Water and Waste Water, American Public Health Association.

9- Lavid, Noa, et al., 2001, Accumulation of heavy metals in epidermal glands of the waterlily (Nymphaeaceae), journal of Planta, Springer-verlag.

10- Lavid, Noa, et al., 2001, the involvement of polyphenols and peroxidase activities in heavy-metal accumulation by epidermal glands of waterlily (Nymphaeaceae), journal of Planta, Springer-verlag.

11- Schor-Fumbarov, Tomar, et al., 2003, Characterization of cadmium uptake by the waterlily Nymphaea aurora, International journal of Phytoremediation, Vol. 5, No. 2.

12- Usman, Shuaibu.O.A & Yongabi, Kenneth.A., 2005, Phytoaccumulation of selected heavy metals in Nymphaea Lotus (waterlily) from polluted stream in Bauchi and a proposed integrated system use, Nigeria.

13- Wendy, Ann Peer, et al., 2006, Phytoremediation and hyperaccumulator plants, Phytoremediation Center, Purdue University, U.S.A.

14- Wetlands and Wastewater treatment, Handout No.14, 2004. Available at: WWW.des.ucadvis.edu

Surveying on decontamination Effect of Water Lily (Nymphaea Alba) for Heavy Metals (Pb, Cd and Mn) in Liquid Solution

Faramarz Moattar, Elahe Javadi, *Abdolreza Karbassi, Seiied Massoud Monavvari

Environment and Energy College, Department of Science & Researches

Islamic Azad University, Tehran, I.R.Iran

*Environment College of Tehran University, Tehran, I.R.Iran

Abstract

Population growth, industries development, water consumption increase of lotic water Pollution due to the lack of controlling output waste water of manufacturing plants, municipal and agricultural areas has decreased water quality. Among several pollutants, heavy metals in line of river self purification do not decrease and accumulate in river-bed sediments and aquatic animals' body as well as causing biomagnifications by entering to the food chain.

In this study, the capability of white water lily (Nymphaea Alba) has been surveyed in field of uptake and accumulation of heavy metals such as Pb, Cd and

Mn (in form of synthetic to simulate with natural environment) in four concentration level such as 1, 2.5, 5 and 10 mg/l and 3 pH medium such as 5.5, 6.5 and 7.5 under the laboratorial conditions.

The result of research according to the coefficient of correlation and cluster analysis statistical method shows that Cd and Mn accumulation level in water lily tissue decrease by increasing the metals' concentration. The maximum of Mn accumulation (3.455 mg/gr) has been in Con. =1 mg/l and pH=7.5 and the maximum of Cd accumulation (0.55 mg/gr) has been in Con. =5 mg/l and pH=6.5. About lead, by increasing of Pb concentration, Pb uptake has decreased as well, but in Con. =10 mg/l and pH=5.5 has increased dramatically.

The rest of mentioned heavy metals in laboratorial solutions have been had ascending trend by increasing the metal concentrations up to the end of 10 mg/l, but by increase of pH in each metal concentration has been had decreasing trend.

Totally, the maximum of the rest of metals is related to Cd (3.38 mg/l) and the minimum is due to Mn (0.002 mg/l).

By considering to the results, it could be understood that white water lily can be

used as biological filter and phytoremediation method in order to heavy metals’ elimination from industrial waste water because of resistance against wetlands and lakes environmental conditions, quick growth, simple cultivation and its good adaptation with environment.

Key Words: heavy metals, Accumulation, phytoremediation, White water lily.