إصلاح التربة ب-النباتات

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

إصلاح التربة ب-النباتات

اصلاح تربه بنباتات

Phytoremediation technology of contaminated soil - Technologie de phytoremédiation des sols contaminés

إصلاح التربة بالنباتات

نجم الدين شرابي

النباتات

آليات الإصلاح بالنباتات

لقد أدى التطور الصناعي المركَّز والإدخال الحديث للسموم الكيميائية في النظام الزراعي إلى تلوث البيئة بالمعادن الثقيلة والمبيدات والنوكليدات المشعة، وأصبح واحداَ من أخطر المشاكل التي تواجه صحة الإنسان وإنتاجه الزراعي. وقد تراكمت في التربة وفي مواقع عديدة من العالم ملوثات خطرة تمثلها عناصر ثقيلة (مثل الكادميوم Cd والزنك Zn والرصاص Pb والنحاس Cu والكروم Cr والزئبق Hg والنيكل Ni)، وذلك نتيجة للنشاطات البشرية؛ ولاسيما التعدين والنقل والصناعة. كما ارتفع استعمال المبيدات والمخصبات الصناعية في النُّظم الزراعية لمواجهة الطلب المتزايد على الغذاء. ونجم عن ذلك نقص كبير في قدرة التنظيف الذاتي للنظم البيئية، وقد اعتمدت التقانات الهندسية أسلوب إزاحة الترب السطحية الملوثة ميكانيكياً وتجميعها في أكوام تمهيداً لردمها أو معالجتها، وهذه عمليات مرتفعة التكاليف، إضافةً إلى تخريبها للتربة المتبقية.

يُعدّ الإصلاح البيولوجي bioremedation خياراً مهماً في هذا المجال، وأحد الأوجه المهمة له هو المعالجة أو الإصلاح الحيوي للتربة باستعمال النباتات phytoremediation. والأساس في هذه الحالة هو استعمال النباتات في تنظيف الترب الملوثة، وهذا يرتبط إلى مدى بعيد بقدرة بعض أنواع النباتات على امتصاص بعض المواد ومن ثم تجميعها في أنسجتها. وعلى الرغم من النجاح الكبير الذي حققه تطبيق التقانات المكروبية في معالجة التلوث العضوي بمكونات النفط خاصة؛ فإن المجال يبقى واسعاً لمعالجات مُكمّلة، والتخلص من ملوثات عضوية أخرى، إضافةً إلى التلوث بالمعادن الثقيلة الواسع الانتشار.

أظهرت المعالجة المعتمدة على زراعة النباتات قدرة مفيدة في تجميع الملوثات منخفضة السوية - وكذلك المُعنّدة - في النظام الحيوي الطبيعي وتسكينها وتحويلها. وهي تقنية حديثة نسبياً إذ بدأ استعمالها في الأبحاث عام 1991، وتشير هذه التقنية إلى أسلوب قليل التكلفة لإصلاح الترب الملوثة بالمعادن الثقيلة على وجه الخصوص من دون إزاحتها أو نقلها؛ أي إصلاح في الموقع insitu، أضف إلى ذلك إمكانية التخلص من ملوثات مختلفة أخرى. ومن ثم فإنها تقنية حديثة واعدة للتخلص كلياً أو جزئياً من سميّة المعادن الثقيلة والفحوم الهدروجينية ومبيدات الآفات والمذيبات المكلورة وغيرها بأساليب تشمل احتواء هذه السموم ونقلها وتدريكها أو تحطيمها؛ مع حفظ التربة، وذلك من خلال عمليات تشمل:

1 - تعديل الصفات الفيزيائية والكيميائية للترب الملوثة.

2 - إطلاق مفرزات من جذور النبات تزيد من الكربون العضوي.

3 - تحسين تهوية التربة بإطلاق الأكسجين مباشرةً في منطقة الجذور.

4 - إيقاف حركة بعض المواد الكيميائية أو إعاقتها.

5 - التأثير في التحولات الإنزيمية للمركّبات المُعنّدة.

6 - الحد من الهجرة الأفقية والرأسية للملوثات إلى الماء الأرضي.

النباتات:

تنمو بعض أنواع النباتات قرب المناجم وحولها، في ترب يرتفع فيها تركيز المعادن الثقيلة. وقد عُرفت قدرة بعض النباتات على تجميع عناصر ثقيلة منذ أكثر من مئة عام وتراكمها وبتراكيز مرتفعة جداً. وتتميز هذه النباتات ليس بآلية احتجاز sequestring العنصر السام فحسب؛ وإنما تتمتع أحياناً بطلب داخلي على معدن معيّن. ويمكن أيضاً لبعض الأنواع النباتية إذابة معادن من أجزاء أقل ذوباناً من التربة، مقارنةً بأنواع أخرى غير قادرة على ذلك. وغالباً ما يكون تراكم المعادن أعلى في أجزاء النباتات الخضرية مقارنةً بجذورها، وهذه صفة قد تؤدي دوراً في إكساب النبات حماية خاصة من الحشرات والطفيليات، وكثيراً ما تستوطن هذه النباتات مناطق التعدين الطبيعية أو تلك المعرضة لنواتج المناجم.

يُعْرَف حالياً نحو 400 نوع من النباتات ضمن نحو 45 فصيلة تمتاز بهذه الصفة؛ مما يؤكد انتشارها وبالتالي إمكانية الاستفادة منها. بعض النباتات تراكم عناصر السيلينيوم Se والزنك Zn والكادميوم Cd والنيكل Ni؛ ونباتات أخرى تراكم الكوبالت Co والنحاس Cu وربما الرصاص Pb، ومثال النباتات عالية القدرة على تراكم المعادن ولاسيما الزنك والكادميوم هو Thlaspi caerulescens (من الفصيلة الصليبية). وقد تبين أن بعض أنماطه البيئية تتحمل وتراكم تراكيز تصل إلى 40 مغ زنكاً لكل غرام من الوزن الجاف لأجزائه الخضرية.

وقد حظيت الدراسات التي استعمل فيها هذا النبات في استصلاح ترب ملوثة بالزنك والكادميوم بنجاح متوسط، ويعتقد أن السبب وراء ذلك هو بطء نمو هذا النبات وضعف إنتاجه الخضري؛ إذ يتطلب النجاح أن يعطي النبات المختار كتلة حيوية خضرية كبيرة إضافةً إلى قدرته على مراكمة المعادن إلى تراكيز مرتفعة في هذه الكتلة، وعلى الرغم من ذلك فإن إمكانية هذا النوع الفزيولوجية تجعله نباتاً تجريبياً نموذجياً لأبحاث إصلاح التلوث بالمعادن الثقيلة؛ ولأبحاث الهندسة الوراثية التي تهدف إلى نقل هذه الصفة إلى أنواع نباتية أخرى ذات كتلة خضرية كبيرة ونمو جيد.

يشير غياب أعراض السمية في الأشجار النامية في الترب الملوثة إلى آلية تتحمل معها الأشجار تراكيز أعلى من العناصر الثقيلة مقارنةً بالمحاصيل الزراعية. وحتى أنواع الأشجار التي لم تنتخب لتحمل المعادن تستطيع العيش في ترب ملوثة بها، بيد أن الدراسات حول زراعة الأشجار في الأراضي الملوثة اعتمدت على تفضيل زراعة بعض النباتات مثل الصفصاف Salix والبتولا Betula والحور Poplar وجار الماء Alnus والقيقب Acer. وعلى الرغم من أن معظم هذه الدراسات ركزت على امتصاص المعادن وتوزعها في النبات وآلية عملها؛ فإن النقطة الأكثر أهمية - وهي سرعة النمو- ميزت الصفصاف من النباتات الأخرى. وتبين أن سرعة امتصاصه للكادميوم من تربة معتدلة التلوث كانت كافية لتنظيفها منه خلال عدة سنوات فقط. ولهذا السبب تتجه برامج تربية الصفصاف في السويد والمملكة المتحدة إلى البحث عن إنتاج الكتلة الحيوية الكبيرة إضافةً إلى سرعة النمو وارتفاع القدرة على امتصاص المعادن وتحملها.

تبين أيضاً أن أشجار الحور قادرة على تمثيل بعض المذيبات المكلورة وتدريكها، كما امتازت بعض النباتات الغذائية كالجزر والبندورة بهذه الصفة. يضاف إلى ذلك قدرة الحور على استقلاب بعض المبيدات المكلورة مثل الأترازين Atrazine وكذلك د.د.ت D.D.T (ثنائي كلور ثنائي فينيل ثلاثي كلور الإيتان dichlorodiphenyltrichloroethane). وتحويلها إلى مركّبات أقل سمية، ويجرى هذا التحول في جميع أجزاء النبات. كما وثّق كثير من الباحثين قدرة هذا النبات على امتصاص الترينيتروتولوين Trinitrotoluene (TNT) من التربة والمياه وتدريكه؛ بحيث يتراكم جزء ضئيل منه في المادة النباتية، وهذه صفة مهمة حيث إن إزالة السمية ترتبط بسرعة التحويل؛ وليس بالتراكم في النبات.

أوضحت دراسات حقلية لموقع ملوث بالنفط الخام أن التركيز الكلي للفحوم الهدروجينية ينخفض بعد 21 شهراً بمقدار 42 % عند زراعة عشبة الشيلم Rye grass و50 % عند زراعة عشبة أوغستين Augustine grass. وبينت تجارب استعمل فيها نبات الفول Vicia faba لمعالجة التلوث النفطي للأراضي الرملية الذي حدث بعد حرب الكويت أن هذا النبات يتحمل تراكيز تصل إلى 10 % من النفظ الخام في التربة وإن تراكيز بحدود 1% زادت طول النبات ووزنه وكثافة جذوره وتفرعها. كما رفع التلقيح ببكتريا العقد الجذرية وكذلك بكتريا تحريض نمو الجذور من فعالية الاستصلاح. ويُتوقع أن تؤدي الفطريات الجذرية mycorrhizae دوراً في حالات التلوث العضوي. كما يُمكن أن تنتقل بعض المركّبات العضوية عبر الأغشية النباتية - ولاسيما منخفضة الوزن الجزيئي منها- وأن تزاح تبعاً لذلك من التربة وتطلق من الأوراق خلال التبخر النتحي.

آليات الإصلاح بالنباتات

هناك عدة آليات للاستصلاح أو المعالجة النباتية، ويعتمد تقسيم هذه الآليات على مصير المادة الملوثة. ويجب أن يؤخذ احتمال تداخل هذه الآليات بالحسبان من جهة وكذلك احتمال مساهمة أكثر من آلية واحدة منها في معالجة معيّنة، وهذه الآليات هي:

1 - الاستخلاص Phytoextraction أو التراكم النباتي Phytoaccumulation:

تشمل هذه الآلية إزالة الملوث من التربة أو الماء الأرضي بوساطة النباتات بحيث لا تتحلل المادة الملوثة كلياً أو جزئياً، بل تتراكم في جذور النبات أو طروده وأوراقه. ويكون التراكم حين يتجاوز تركيز المعدن 0.1 % من الوزن الجاف للأجزاء النباتية، ويكون بالنسبة إلى بعض المعادن كالحديد والمنغنيز حين يزيد على 1 % أما بالنسبة إلى الكادميوم فحين يكون أكثر من 10.0%.

يمكن لبعض النباتات إصلاح التربة إلى مستوى مقبول؛ ولاسيما في حالة مستوى التلوث المنخفض وفي المناطق الواسعة مع توفير كبير في التكاليف المرتفعة للاستصلاح. وينجم عن هذه الآلية - على خلاف آلية التحليل أو التحطيم - كتلة من النبات والملوِّث المعدني يمكن نقلها بعيداً عن الموقع والتخلص منها أو تدويرها. ومن المرغوب فيه عند اختيار نبات الإصلاح في هذه الحالة أن يكون قادراً على نقل الملوِّث من الجذور إلى الأجزاء فوق الأرضية؛ لأن التخلص من الملوث يكون أصعب في حالة بقائه في جذور النبات.

2 - التحويل Phytotransformation أو التدرك (التحلل) النباتي Phytodegradation:

تشير هذه الآلية إلى إمكان تخليص التربة أو الرسوبيات أو المياه من الملوِّث بوساطة الإنزيمات النباتية وتحويلها إلى مواد أكثر ثباتاً أو أقل سمية أو حركة، ومثالها تحول مركّب Polychlorinated biphenyl بالفجل الأبيض وفجل الحصان والبطاطا. ومن الإنزيمات النباتية المهمة في هذا المجال إنزيمات نزع الهالوجين dehalogenases (تحويل المركّبات المكلورة) وإنزيمات الأكسدة peroxidases (تحويل المركّبات الفينولية) ومختزلات النترو nitroreductases ومختزلات النتردة nitrilases (تحويل السيانات العطرية) والفسفرة phosphatases (تحويل المبيدات الحشرية الفسفورية). كما تشمل تحويل المعادن إلى مواد أكثر ثباتاً أو أقل سمية أو ذوباناً، فيمكن مثلاً أن ينخفض الكروم من الحالة السداسية التكافؤ hexavalent إلى الثلاثية trivalent الأقل ذوباناً؛ إضافةً إلى كونها غير مسرطنة.

3 - التثبيت النباتي Phytostabilization:

يقوم النبات في هذه الحالة بخفض حركة المادة الملوثة وهجرتها. حيث تُمتص المكونات الملوِّثة القابلة للذوبان والرشح إلى البنية النباتية، وترتبط معها لتشكل كتلة ثابتة بحيث لا يستطيع الملوِّث إعادة الدخول إلى التربة أو الوسط المحيط بالجذور.

يرسب كثير من المفرزات الجذرية المعادن ويقلل إتاحتها البيولوجية، ويمكن عند اختيار النبات المناسب - وربما اختيار إضافات مناسبة - تثبيت ملوّثات معيّنة (معدنية خاصة)؛ وخفض تفاعلها مع النظام الحيوي المرافق.

4 - التصعيد النباتي Phytovolatilization:

هذه آلية يحول النبات بوساطتها المادة الملوثة إلى صيغة طيارة، ومن ثم يزيلها من التربة والماء. ومثال ذلك قدرة بعض النباتات (ربما بالاشتراك مع الأحياء الدقيقة) على تحويل السيلينيوم إلى السيلينيد ثنائي المتيل dimethyl selenide، وهو مركّب أقل سمية من السيلينيوم وقابل للتطاير في الوقت نفسه. كما يحول نبات Arabidopsis أملاح الزئبق العضوية وغير العضوية إلى صيغة عنصرية طيارة.

5 - التدرك بالمحيط الجذري Rhizodegradation:

يُحطَّم الملوِّث في هذه الحالة من خلال نشاط الجذور أو محيطها، حيث تتوفر الإنزيمات والمساعدات الإنزيمية التي تفرزها الجذور. كما قد تساهم مكروبات المحيط الجذري مثل البكتريا والخمائر والفطريات في هذا التحطيم. ويبدو أن العلاقة بين النبات والأحياء الدقيقة في المحيط الجذري علاقة تعاضدية يقدم من خلالها النبات المغذِّيات الضرورية للمكروبات في حين توفر الأحياء الدقيقة تربة أكثر سلامة.

6 - الترشيح الجذري Rhizofiltration:

هي تقنية معالجة مائية تشمل امتصاص المادة الملوثة إلى جذور النبات، وتصلح في خفض تلوث الترب الغدقة والسبخات. مثل نبات الطرفاء والساكسويل التي تتحمل تراكيز عالية من الملوحة؛ وفي الوقت ذاته تمتص تراكيز كبيرة منها.

7 - الضخ النباتي Phytopumping والسيطرة على التوازن المائي:

يقوم النبات في هذه الحالة بدور مضخة عضوية تسحب حجماً أكبر من الماء الملوث من خلال عملية النتح؛ مما يسبب خفض هجرة المادة الملوثة إلى الماء الأرضي مع احتمال امتصاصه. وكلما زادت قدرة النبات على سحب كميات أكبر من الماء؛ كان أفضل لتحقيق هذا الغرض، ويعدّ نبات الصفصاف متميزاً في هذا المجال؛ إذ يمكن أن تضخ الشجرة الواحدة نحو 200 لترٍ من الماء في اليوم مما يجعله صالحاً لمعالجة تلوث الماء الأرضي غير العميق.

يشمل الإصلاح في كثير من الحالات أكثر من آلية واحدة من الآليات السابقة، ومثال ذلك الدور الذي تؤديه آليتا الاستخلاص والتصعيد في إزالة التلوث بالسيلينيوم من التربة. وعلى الرغم من تنوع اختبارات الإصلاح النباتي وتعددها؛ فإن معظم أبحاثها أجريت في المخابر وتحت ظروف محكمة ولزمن قصير نسبياً؛ مما يؤكد الحاجة إلى مزيد من الأبحاث تحت الظروف الحقلية ولزمن أطول. كما يجب التشديد على عدم إمكان الأخذ بوصفة معالجة معيّنة واحدة لجميع المواقع حتى لو كان الملوث واحداً، وأن يؤخذ تأثير نوع التربة والمناخ بالحسبان.

وإجمالاً تناسب المعالجات النباتية الاستعمال في الحقول الملوثة الواسعة، حيث تكون طرائق المعالجة الأخرى عالية التكلفة وغير مجدية اقتصادياً، أو صعبة التطبيق العملي. كما أنها تناسب حالات التلوث المعدني منخفض التركيز. يضاف إلى ذلك كونها طريقة إضافية مكملة لطرائق أخرى للاستصلاح؛ أي يمكن أن ينظر إلى المعالجة النباتية على أنها خطوة «تلميع» نهائية تتبع المعالجة الأساسية للتلوث المرتفع؛ وأنها الأكثر اقتصادية حين يكون مستوى التلوث منخفضاً، ولاسيما أن الطاقة الشمسية المجانية هي المستعملة (التمثل الضوئي)؛ يضاف إلى ذلك تأقلمها مع مدى واسع من التغيرات البيئية. بيد أنه من الواجب الأخذ بالحسبان بعض محددات هذه التقنية التي من أهمها طول مدة المعالجة (ربما لعدة مواسم زراعية)، واحتمال تلوث سلسلة الغذاء بالعناصر الثقيلة، وكذلك بعض الصعوبات التنفيذية التي ترتبط بتأسيس النباتات والحفاظ على استمرار نموها في المواقع أو الترب ذات السمية المرتفعة.

مراجع للاستزادة:

- W. Buchnan, B. Gruissem & R. Jones, Biochemistry and Molecular Biology of Plant, American Society of Plant Physiologists, 2000.

- K. E. Gerhardt, Xiao-Dong Huang, B. R. Click, B. M. Greenberg, Phytoremediation And Rhizoremediation of Organic Soil Contaminants: Potential and Challenges. Plant Science 176: 20-30, 2009.

- I. D. Pulford, C. Watson, Phytoremediation of Heavy Metal-Contaminated Land By Trees-A Review, Environment International 29: 529-540, 2003.

- S.s. Radwan Narjes Dashti, and I.m. El-Nemr, Enhancing The Growth of Vicia Faba Plants By Microbial Inoculation to Improve Their Phytoremediation Potential for Oily Desert Areas, International Journal of Phytoremediation. 7 (1) 19-32, 2005.

- G. J. Skladany, F.b. Metting, Jr, Bioremediation of Contaminated Soil.soil Microbial Ecolog, Marcel Dekker Inc, 1993.

- S. Sridhar, V. F. Medina, S. C. Mccutcheon, Phytoremediation: An Ecological Solution to Organic Chemical Contamination. Ecological Engineering 18: 647- 658, 2002.