از ديدگاه جهاني، پس از آب و هوا، پوسته خاك، سومين جزء عمده محيط زيست انسان تلقي مي‌شود. خاك علاوه بر اين‌كه پايگاه موجودات خشكي‌زي، بويژه جوامع انساني است، محيط منحصر به فردي براي زندگي انواع حيات بخصوص گياهان به شمار مي‌رود. بر خلاف آب و هوا، آلودگي خاك از نظر تركيب شيميايي به آساني قابل اندازه‌گيري نبوده و يك خاك پاك يا خالص تعريف‌پذير نيست؛ بنابراين ناگزيريم مسائل بالقوه آلودگي خاك را در چارچوب پيش بيني خطرات و صدمات احتمالي در كاركرد خاك مطالعه كنيم.

با توسعه طرح‌هاي‌ انسان ساخت و آلوده شدن خاك‌ها به وسيله فلزات سنگين، ساختار خاك براي رشد و توسعه گياهان مسموم و خطرناك مي‌شود و تنوع زيستي خاك را نيز بهم مي‌ريزد.

در روش گياه پالايي، گياهان بر اساس مكانيسم جذب طبقه‌بندي و آلودگي خاك به فلزات سنگين به كمك روش‌هاي شيميايي، فيزيكي و بيولوژيكي كاهش داده مي‌شود.

بر  اساس تحقيقات دفتر بررسي آلودگي آب و خاك سازمان حفاظت محيط زيست، رفع آلودگي خاك معمولا با 2 روش خارج از محل و در محل صورت مي‌گيرد. در روش خارج از محل، خاك آلوده به مكان ديگري انتفال يافته و پس از رفع آلودگي  به مكان اوليه برگردانده مي‌شود. در روش ديگر كه  نياز به جابه‌جايي و انتقال ندارد آلاينده‌ها با آلي شدن، از قابليت جذب زيستي آنها كاسته مي‌شود.

براي كاهش آلودگي آلاينده‌هاي معدني در خاك مي‌توان از روش‌هاي آلي كردن، كمپلكس كردن و افزايش خاك بوسيله آهك استفاده كرد اما بيشتر اين روش‌ها گران بوده و سبب تخريب محيط زيست مي‌شوند.

در فناوري استفاده از گياهان با عنوان گياه پالايي، از گياهان سبز و ارتباط آنها با ميكروارگانيسم‌هاي خاك براي كاهش آلودگي خاك و آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شود. اين فناوري مي‌تواند براي رفع هر دو نوع آلاينده خاك يعني معدني و آلي به كار رود.

بررسي‌ها نشان مي‌دهد كاربرد تكنيك‌هاي فيزيكوشيميايي، سبب از ميان رفتن ميكروارگانيسم‌هاي مفيد خاك مانند تثبيت كننده‌هاي نيتروژن ميكروريزا مي‌شود كه در نتيجه فعاليت‌هاي بيولوژيكي خاك را ضعيف مي‌كند و در  مقايسه با تكنيك گياه پالايي، بسيار هزينه‌بر است.

در روش ريزوفيلتراسيون،  از گياهان خاكي و آبي استفاده مي‌شود كه آلاينده‌هاي منابع آبي‌ آلوده با غلظت كمتر در ريشه‌هايشان تغليظ يا رسوب مي‌كنند كه  اين روش بخصوص براي فاضلاب‌هاي صنعتي، رواناب كشاورزي و يا فاضلاب معادن اسيدي كاربرد دارد و  براي فلزاتي مانند سرب، كادميم، مس، نيكل، روي و كرم مناسب است.

گياهاني مانند خردل هندي، آفتابگردان، تنباكو، چاودار و ذرت داراي اين توانايي هستند. آنها داراي قدرت جذب سرب از فاضلاب هستند كه در اين ميان، آفتابگردان بيشترين قدرت و توانايي را دارد.

در روش ديگري  با استفاده از قدرت ريشه،  محدود‌كردن تحرك و قابليت دسترسي آلاينده‌ها در خاك صورت مي‌گيرد.
‌اين روش  معمولا براي كاهش آلودگي در خاك، رسوب و لجن استفاده  مي‌شود  و از  طريق جذب، رسوب، كمپلكس و يا كاهش ظرفيت انجام مي‌پذيرد.

در روش تبخير گياهي، گياهان، آلاينده‌ها را از خاك جذب  و سپس به بخار تبديل كرده و با عمل تعرق به اتمسفر انتقال مي‌دهند. اين روش در درختان در حال رشد براي جذب آلاينده‌هاي آلي و معدني كاربرد دارد.

در روش ديگري كه به نام كاهش گياهي معروف است، گياه با متابوليسم خود از طريق انتقال، تجزيه، تثبيت  و تصعيد تركيبات آلاينده به برطرف كردن آلودگي از خاك و آب‌هاي زيرزميني كمك مي‌كند. در اين روش، تركيبات آلي به مولكول‌هاي ساده‌تر شكسته شده كه مي‌تواند به درون بافت گياه وارد شوند. بررسي‌ها نشان داده است گياهان داراي آنزيم‌هايي هستند كه مي‌توانند پسماند حاصل از حلال‌هاي كلرينات مانند تري‌كلرو اتيلن و حشره‌كش‌هاي ديگر را تجزيه كند.

فلزات سنگين و  دسترسي آنها در خاك‌

فلزات سنگين، عناصري با وزن اتمي 54/63 تا 59/200 و وزن مخصوص بيشتر از 4 هستند. برخي از فلزات سنگين به مقدار كم مورد نياز ارگانيسم‌هاي زنده  هستند؛ هر چند افزايش بيش از حد همين فلزات سنگين ضروري مي‌تواند براي ارگانيسم‌ها مضر باشد. فلزات سنگين غير ضروري شامل آرسنيك، آنتيموني، كادميم، كرم جيوه، و سرب است كه اين فلزات در رابطه با آلودگي خاك و آب‌هاي سطحي بسيار مهم هستند و مورد توجه علم گياه پالايي قرار مي‌گيرند.

واكنش گياهان به فلزات سنگين‌

 گياهان3 راهبرد پايه براي رشد در خاك‌هاي آلوده به فلزات سنگين دارند. گونه‌هايي كه از ورود فلزات به بخش‌هاي هوايي خود جلوگيري كرده يا غلظت فلزات را در خاك پايين نگه مي‌دارند، گونه‌هايي  كه فلزات را در اندام‌هاي هوايي خود تجمع داده و دوباره به خاك بر مي‌گرداند و گياهاني كه مي‌توانند فلزات را  در اندام‌هاي هوايي خود تغليظ كرده به طوري كه چندين برابر غلظت فلز در خاك شود و گياهاني كه غلظت بالايي از آلاينده‌ها را جذب كرده و در ريشه، ساقه  يا برگ‌هايشان تغليظ مي‌كنند.

كاربرد مهندسي ژنتيك براي بهبود گياه پالايي‌

در اين تكنيك با استفاده از تنوع ژنتيكي موجود در داخل هر گونه و تحريك خصوصيات ژنتيكي گونه‌ها مي‌توان تحمل گونه را نسبت به فلزات آلاينده محيط افزايش داد. بررسي‌ها نشان داده است توليد گياهان با پتانسيل بالاي گياه پالايي و توليد بيومس در بهبود روش گياه پالايي موثر است   و تلقيح ژن‌هاي موثر در تجمع فلزات به گياهاني كه بلندتر از  گياهان طبيعي هستند سبب افزايش توليد بيومس نهايي مي‌ شود.

برخي روش‌هاي گياه پالايي محدوديت‌هايي دارد؛ به عنوان مثال در نوعي از اين روش، گياه پالايي در محدوده 3 فوت از سطح خاك و حداكثر 60 فوت از آب‌هاي زيرزميني موثر است. اين روش براي مكان‌هايي كه غلظت آلودگي در آنها پايين تا متوسط است در سطح وسيع به كار برده مي‌شود و شديدا وابسته به اسيديته خاك است.

نتايج به دست آمده از تحقيقات دانشمندان حاكي از آن است كه اسيدي كردن خاك، قابليت دسترسي فلزات را به مقدار زيادي افزايش مي‌دهد. البته ممكن است اسيدي كردن خاك، تاثيرات منفي دربرداشته باشد. براي مثال افزايش حلاليت برخي فلزات سمي و شستشوي آنها به آب‌هاي زيرزميني سبب بروز خطرات زيست محيطي مي‌شود كه بايد تحت كنترل و شرايط ويژه صورت گيرد.

مصرف توليدات گياه پالايي‌

يكي از موانع اجراي تجاري گياه پالايي، چگونگي مصرف گياهان آلوده است. پس از برداشت، آلودگي خاك توسط گياه كاهش يافته، اما مقدار زيادي بيومس خطرناك توليد شده است. بررسي‌ها نشان مي‌دهد توليد كمپوست و متراكم كردن، 2 روشي است كه براي مديريت بيومس گياهان آلوده توسط بسياري از محققان پيشنهاد شد، اما بهترين روش براي مصرف بيومس‌هاي توليد شده توسط گياه پالايي، تغيير و تبديلات ترموشيميايي است كه در اين روش بيومس به عنوان يك منبع انرژي مصرف تجاري دارد.

اين بيومس شامل كربن، هيدروژن و اكسيژن است كه با عنوان هيدروكربن‌هاي اكسيژنه شناخته مي‌شود.

جزء اصلي هربيومس ليگنين، همي سلولز، سلولز، مواد معدني و خاكستر است كه داراي مقادير بالايي رطوبت، مواد آلي فرار و  جرم مخصوص ظاهري هستند، اما ارزش گرمايي پاييني دارند. درصد اين اجزا از گونه‌اي به گونه ديگر متفاوت است كه مديريت اين حجم از مواد زائد بسيار مشكل بوده و نياز به كاهش حجم دارد.

توليد انرژي‌

سوزاندن و توليد گاز از روش‌هاي مهم براي توليد انرژي گرمايي و الكتريكي است كه مي‌توان از گياهان آلوده استخراج شوند. بازيافت اين انرژي از بيومس به وسيله سوزاندن يا توليد گاز مي‌تواند ارزش اقتصادي داشته باشد؛ زيرا آن را نمي‌توان به عنوان علوفه يا كود مصرف كرد. سوزاندن روش ساده‌اي است اما بايد تحت موقعيت‌هاي كنترل شده باشد. در اين روش حجم بيومس 2 تا 5 درصد  كاهش يافته و خاكستر را مي‌توان به طور مناسبي مصرف كرد.
تحقيقات نشان داده است سوزاندن پسماندهاي خطرناك حامل فلزات در فضاي باز صحيح نيست، زيرا گازهاي آزاد شده به محيط ممكن است مضر باشد، چرا كه به اين ترتيب تنها حجم كاهش مي‌يابد وگرماي توليد شده نيز به هدر مي‌رود.

تحقيقات دفتر بررسي آلودگي آّب و خاك سازمان حفاظت محيط زيست نشان مي‌دهد، توليد گاز يكي از موارد كنترل بيومس است كه از طريق مجموعه‌اي از تغييرات شيميايي گازهاي احتراقي پاك با بازده گرمايي بالا توليد مي‌شود. به اين تركيب گازي، گاز پيرو گفته مي‌شود كه مي‌توان براي توليد انرژي گرمايي و الكتريكي آن را سوزاند.
توليد گاز در يك مبدل گازي، طي مراحل پيچيده خشك كردن، حرارت دادن، تجزيه  گرمايي و واكنش‌هاي شيميايي احتراق انجام مي‌شود كه به طور همزمان اتفاق مي‌افتد.

محققان گزارش كرده‌اند پيروليز يك روش نو براي مديريت مواد زائد شهري است كه امكان دارد بتوان از آن براي مديريت بيومس گياهان آلوده استفاده كرد. پيروليز مواد را تحت موقعيت‌هاي غيرهوازي  تجزيه مي‌كند و هيچ انتشاري به هوا ندارد.

به اين ترتيب، فلزات سنگين در  كك باقي مي‌مانند كه مي‌تواند در كوره ذوب استفاده شود.  اگرچه هزينه بالاي تاسيس و مراحل عمليات فاكتور محدود كننده است، اما اگر فقط براي گياه استفاده شود مي‌تواند براي گياهان آلاينده و مواد زائد شهري مناسب باشد.

محققان بر گونه‌هاي گياهي با بيومس بالا تحقيق كرده  و نشان دادند اين روش نتايج مثبتي مي‌تواند به همراه داشته باشد و فوايد زيست محيطي موثري نيز خواهد داشت.

رفع آلودگي‌هاي نفتي‌

آلودگي‌هاي نفتي يك پيامد اجتناب‌ناپذير از افزايش سريع جمعيت و فرايند صنعتي شدن است كه به دنبال آن  آلودگي خاك توسط مواد هيدروكربنه نفتي به شكل وسيع در اطراف تاسيسات اكتشاف و پالايش و به شكل موضعي در مسيرهاي انتقال اين مواد در سطح استان‌هاي نفت‌خيز جنوبي كشور  قابل مشاهده است.

علاوه بر انتشار مستقيم اين آلاينده ها، غبارات حاصل از سوخت گازهاي همراه نفت، طي ساليان متمادي توانسته مواد سمي و مضري به خاك‌هاي منطقه اضافه كند. وجود اين آلاينده‌ها در محيط‌زيست علاوه بر تاثير گسترده بر اكوسيستم منطقه، با گذشت زمان و ورود به چرخه غذايي، به جوامع انساني نيز راه مي‌يابند و به اين ترتيب سلامت انسان‌ها را تهديد مي‌كنند.

در حال حاضر نياز به جلوگيري از گسترش اين آلودگي‌ها و همين‌طور پاكسازي مناطق آلوده شده بشدت احساس مي‌شود. براي اين منظور مي‌توان از روش‌هاي مختلفي بهره گرفت. يكي از اين روش‌ها گياه پالايي است  كه از گياهان و ميكروارگانيسم‌هاي همراه آنها جهت پاكسازي محيط‌هاي آلوده (خاك، آب) بهره مي‌گيرد. در حقيقت گياه پالايي با استفاده از دخالت‌هاي انساني از جمله فناوري كشاورزي (شخم زدن، كود دادن و ) باعث ايجاد شرايط مناسب براي رشد و استقرار گياه و افزايش فعاليت‌هاي طبيعي پاكسازي مي‌شود. بزرگ‌ترين مزيت اين روش نسبت به ساير روش‌ها، ارزان بودن و سادگي آن است. در اين روش، انتخاب گياه مناسب از اهميت ويژه‌اي برخوردار است كه به شرايط اقليمي منطقه، نوع و ميزان آلودگي خاك بستگي دارد.

آينده گياه پالايي‌

اگرچه اين علم هم اكنون با سرعت در حال توسعه است، اما بررسي‌ها نشان داده گياه پالايي تجاري از لحاظ زماني بايد با ديگر فناوري‌هاي ديگر قابل رقابت كردن باشد. بيشتر  آزمايش‌هاي گياه پالايي در مقياس آزمايشگاه در محيط هيدروپونيك انجام و فلزات سنگين به آنها داده شده است، در حالي كه محيط خاك كاملا متفاوت است. در خاك واقعي بسياري از فلزات در شكل‌هاي نامحلول وجود دارند و قابليت دسترسي آنها كم و اين بزرگ‌ترين مشكل است. بسياري از گياهان هنوز شناخته نشده اند كه بايد شناسايي شوند و درباره فيزيولوژي آنها بيشتر دانست.

بهينه سازي فرايند جذب فلزات سنگين توسط گياه و مصرف مناسب بيومس توليد شده هنوز بايد مورد بررسي و تحقيق قرار گيرد تا نتايج آزمايشگاهي با عمل و واقعيت همخواني داشته باشند.

اگرچه 10 سال از كاربرد اوليه فناوري گياه پالايي در دنيا مي‌گذرد، اما اين علم توسعه بسيار سريعي داشته است و امروزه  گياه پالايي در مورد مواد آلي، معدني و راديواكتيو كاربرد دارد. اين فرايند پايدار و ارزان است و براي كشورهاي در حال توسعه بسيار مناسب  بوده و صرفه اقتصادي دارد.

بررسي‌ها نشان مي‌دهد،  راندمان اين روش با كاربرد گياهان رشد سريع با بيومس بالا و قدرت جذب بالاي فلزات سنگين افزايش مي‌يابد. در بيشتر مكان‌هاي آلوده گونه‌هاي مناسب جهت رفع آلودگي قابل شناسايي است. 2 روش كمپوست و متراكم كردن مي‌تواند جزو مراحل مقدماتي براي كاهش حجم توليدات اين گياهان باشند، اما بايد دقت شود شيرابه حاصل از تراكم به طور كامل جمع‌آوري شود. محققان معتقدند بين روش‌هايي كه بيومس آلاينده‌ها را كاهش مي‌دهد، به نظر مي‌رسد خاكستر كردن كمترين زمان را مصرف مي‌كند و در مقايسه با سوزاندن مستقيم  از لحاظ زيست‌محيطي نيز مناسب‌تر باشد.

به اين ترتيب مشاهده مي‌شود دنياي امروز مي‌تواند با الهام از  طبيعت و سيستم نقص ناپذير بكر آن براي آنچه بشر با دست خود خراب كرده است اصلاحاتي صورت دهد كه بي‌شك سهل‌تر از جلوگيري از آلودگي منابع بويژه منابع خاك نيست.

حميده سادات هاشمي‌