بررسی قابلیت دو گونه گیاهی در جذب فلزات سنگین خاک

فلزات سنگین از آلاینده­های خطرناک محیط زیست هستند که از طریق ورود به زنجیره غذایی موجب بروز خطرات برای انسان، گیاهان و سایر موجودات زنده می­شوند. در خاک­های آلوده به فلزات سنگین، استفاده از گیاهانی که توانایی رشد، سازگاری و جذب فلزات را دارند به­عنوان یکی از روش­های پاکسازی این خاک­ها مطرح است. گیاه­پالایی یكی از روش­های زیست­پالایی است كه در دهه­های اخیر برای اصلاح و پالایش خاك­های آلوده به تركیبات آلی و معدنی ارائه شده است. مطالعات گذشته عمدتا متمرکز بر روی جذب یک عنصر بوده­اند درحالی­که در این مطالعه علاوه بر افزودن چند عنصر اقدام به بررسی دقیق برهم­کنش عناصر بر روی جذب هر یک از عناصر صورت گرفته است. هدف این تحقیق بررسی تاثیر غلظت­های مختلف مس، روی، سرب، کادمیوم و ترکیب این عناصر موجود در خاک بر میزان تجمع در اندام­های گیاهی دو گونه اکالیپتوس Eucalyptus microtheca و Eucalyptus camaldulensis می­باشد. برای انجام این مطالعه سه تیمار مس (غلظت­های 5، 10، 20ppm )، سه تیمار روی (غلظت­های 1، 3، 10ppm )، سه تیمار سرب (غلظت­های 50، 100، 200ppm )، سه تیمار کادمیوم (غلظت­های 5، 10، 15ppm ) و سه تیمار مخلوط از این عناصر در سه سطح با 3 تکرار و در قالب طرح کاملا تصادفی برای دو گونه اکالیپتوس در نظر گرفته شد. پس از 13 هفته از اعمال تیمارها، تمامی درختان اکالیپتوس قطع و به برگ، ساقه و ریشه تقسیم شدند و پس از آماده­سازی اولیه، غلظت فلزات سنگین موجود در نمونه­ها توسط دستگاه ICP اندازه­گیری شد و آنالیزهای آماری داده­ها با استفاده از نرم­افزار SPSS نسخه 19 انجام شد. این تحقیق در آزمایشگاه و گلخانه بخش تحقیقات منابع طبیعی اداره کل مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع­طبیعی واقع در شهر گرگان اجرا شد. نتایج این مطالعه نشان داد که دو گونه اکالیپتوس توانایی جذب عناصر سنگین در سطح مجاز و بحرانی که طبق استانداردهای جهانی تعریف شده است را دارند که با توجه به آلودگی بسیار بالای شهرهای بزرگ می­توان از گیاه همیشه سبز اکالیپتوس که توانایی بالایی در جذب عناصر سنگین دارد بهره برد. طبق نتایج به دست آمده از تحقیق می­توان گفت دو گونه اکالیپتوس E. microtheca و E. camaldulensis در سطوح کم تیمار شاهد، از نظر جذب عناصر سنگین خاک اختلاف چندانی باهم ندارند اما با افزایش میزان غلظت­های مس، روی، سرب و کادمیوم این گونه E. camaldulensis است که توانسته در جذب برخی از عناصر سنگین موفق­تر عمل کند. تاثیر مهم نوع و غلظت عناصر سنگین موجود در خاک بر میزان جذب و ذخیره­سازی و همچنین اثر برهم­کنش عناصر سنگین ذکر شده بر تجمع آن­ها در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis از دیگر نتایج این تحقیق بشمار می­آید.

واژه‌های كلیدی: فلزات سنگین، گیاه­پالایی، اثرمتقابل عناصر (برهم­کنش)، اکالیپتوس

فهرست مطالب

فصل اول............................................................................................................................ 1

1-1- مقدمه....................................................................................................................................... 2

1-2- بیان مسئله تحقیق............................................................................................................. 3

1-3- اهمیت و ضرورت انجام تحقیق................................................................................................. 5

1-4- نوآوری تحقیق........................................................................................................................ 6

1-5- اهداف تحقیق.............................................................................................................................. 6

1-6- فرضیه ­های تحقیق.................................................................................................................................. 8

2-1-  تعاریف، اصول و مبانی نظری.......................................................................................... 9

2-1-1-  مناطق خشک.................................................................................................................................................... 9

2-1-2-  فلزات سنگین.................................................................................................................................................... 10

2-1-3-  دسته بندی عناصر........................................................................................................................................... 11

2-1-3-1- مس(Cu) ....................................................................................................................................................... 12

2-1-3-1-1- مس در خاک .......................................................................................................................................... 12

2-1-3-1-2- آلودگی خاک ........................................................................................................................................... 13

2-1-3-1-3- فراهمی زیستی مس ............................................................................................................................. 13

2-1-3-1-4- مس در گیاهان ....................................................................................................................................... 13

2-1-3-1-5- اثرات مس بر گیاهان ............................................................................................................................ 14

2-1-3-1-6- واکنش با عناصر دیگر ........................................................................................................................... 14

2-1-3-1-7- اثرات مس بر سلامتی انسان .............................................................................................................. 14

2-1-3-2- سرب(Pb) ..................................................................................................................................................... 15

2-1-3-2-1- سرب در خاک ........................................................................................................................................ 15

2-1-3-2-2- آلودگی خاک ........................................................................................................................................... 15

2-1-3-2-3- سرب در گیاهان ..................................................................................................................................... 16

2-1-3-2-4- جذب و انتقال در گیاهان .................................................................................................................... 16

2-1-3-2-5- اثرات سرب بر گیاهان .......................................................................................................................... 17

2-1-3-2-6- اثرات سرب بر سلامتی انسان.............................................................................................................. 17

2-1-3-3- کادمیوم(Cd) ............................................................................................................................................... 17

2-1-3-4- روی(Zn) ....................................................................................................................................................... 18

2-1-3-4-1- روی در خاک .......................................................................................................................................... 18

2-1-3-4-2- آلودگی خاک ........................................................................................................................................... 18

2-1-3-4-3- روی در گیاهان ....................................................................................................................................... 19

2-1-3-4-4- اثرات روی بر گیاهان ............................................................................................................................ 19

2-1-3-4-5- واکنش با عناصر دیگر............................................................................................................................ 19

2-1-4- منشا آلاینده­ها.................................................................................................................................................... 20

2-1-5- گیاه­پالایی............................................................................................................................................................. 20

2-1-5-1- تاریخچه گیاه­پالایی....................................................................................................................................... 21

2-1-5-2- تکنولوژی­های گیاه­پالایی............................................................................................................................. 21

2-1-5-2-1- گیاه استخراجی........................................................................................................................................ 23

2-1-5-2-2- گیاه تبخیری............................................................................................................................................. 24

2-1-5-2-3- تصفیه ریشه­ای......................................................................................................................................... 25

2-1-5-2-4- گیاه تثبیتی............................................................................................................................................... 25

2-1-5-2-5- تجزیه ریشه­ای.......................................................................................................................................... 26

2-1-5-2-6- تجزیه گیاهی............................................................................................................................................. 26

2-1-5-3- واکنش گیاهان به فلزات سنگین............................................................................................................. 27

2-1-5-4- شرایط و محیط­های قابل استفاده برای گیاه­پالایی.............................................................................. 28

2-1-6- گونه مورد مطالعه................................................................................................................................................ 28

2-1-6-1- اکالیپتوس....................................................................................................................................................... 28

2-1-6-1- مشخصات گیاهشناسی................................................................................................................................ 28

2-1-6-3- موطن اصلی اکالیپتوس............................................................................................................................... 29

2-1-6-4- اکولوژی اکالیپتوس....................................................................................................................................... 29

2-1-6-5- کشت و پرورش اکالیپتوس........................................................................................................................ 30

2-1-6-6- برداشت اکالیپتوس....................................................................................................................................... 30

2-1-6-7- موارد مصرف چوب اکالیپتوس.................................................................................................................. 30

2-2- مروری بر ادبیات موضوع....................................................................................................................................... 31

2-2-1- مطالعات صورت گرفته در خارج از کشور................................................................................................... 31

2-2-2- مطالعات صورت گرفته در داخل کشور........................................................................................................ 36

فصل سوم: روش تحقیق.................................................................................................................................................... 41

3-1- آزمون گلخانه­ای....................................................................................................................................................... 42

3-1-1- موقعیت جغرافیایی گلخانه و منطقه مورد مطالعه.................................................................................... 42

3-1-2- عملیات کاشت.................................................................................................................................................... 43

3-1-2-1- انتخاب و نمونه برداری خاک..................................................................................................................... 43

3-1-2-2- انتخاب و تهیه نهال­ها.................................................................................................................................. 43

3-1-2-3- کشت گیاه....................................................................................................................................................... 44

3-1-3- عملیات داشت..................................................................................................................................................... 44

3-1-3-1- اعمال تیمارهای فلزات سنگین................................................................................................................ 45

3-1-4- عملیات برداشت................................................................................................................................................. 45

3-2- اندازه گیری پارامترهای فیزیک و شیمیایی خاک......................................................................................... 45

3-2-1- اندازه گیری واکنش خاک pH..................................................................................................................... 46

3-2-2- اندازه قابلیت هدایت الکتریکی عصاره اشباع خاک(EC)....................................................................... 46

3-2-3- اندازه گیری بافت خاک به روش هیدرومتری............................................................................................ 46

3-3- تجزیه نمونه­های گیاهی......................................................................................................................... 46

3-3-1- اندازه­گیری عناصر سنگین نمونه­های گیاهی............................................................................................. 46

3-4-  تجزیه و تحلیل داده­ها................................................................................................................... 47

فصل چهارم: نتایج وتفسیر آن­ها.......................................................................................................... 48

4-1- نتایج.................................................................................................................................. 49

4-2- مقایسه قابلیت جذب عناصر سنگین خاک توسط دو گونه اکالیپتوس.................................................... 49

4-2-1- مس (Cu)...................................................................................................................................... 49

4-2-2- روی (Zn)..................................................................................................................................... 50

4-2-3- سرب (Pb)................................................................................................................................... 51

4-2-4- کادمیوم (Cd)................................................................................................................................. 53

4-3- اثر متقابل (برهم­کنش) غلظت­های مختلف عناصر مس، روی، سرب و کادمیوم بر یکدیگر و تاثیر آن در جذب دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis.............................................................................................. 54

4-3-1- تاثیر سطوح مختلف روی، سرب، کادمیوم و تیمار ترکیبی بر جذب مس........................................ 54

4-3-1-1- روی (Zn)................................................................................................................................ 54

4-3-1-2- سرب (Pb)............................................................................................................................. 56

4-3-1-3- کادمیوم (Cd)............................................................................................................................................... 58

4-3-1-4- تیمار ترکیبی (Cu, Zn, Pb, Cd)..................................................................................................... 60

4-3-2- تاثیر سطوح مختلف مس، روی، کادمیوم و تیمار ترکیبی بر جذب سرب........................................ 62

4-3-2-1- مس (Cu)...................................................................................................................................................... 62

4-3-2-2- روی (Zn)....................................................................................................................................................... 64

4-3-2-3- کادمیوم (Cd)............................................................................................................................................... 66

4-3-2-4- تیمار ترکیبی (Cu, Zn, Pb, Cd)..................................................................................................... 68

4-3-3- تاثیر سطوح مختلف مس، سرب، کادمیوم و تیمار ترکیبی بر جذب روی........................................ 70

4-3-3-1- مس (Cu)...................................................................................................................................................... 70

4-3-3-2- سرب (Pb)..................................................................................................................................................... 72

4-3-3-3- کادمیوم (Cd)............................................................................................................................................... 74

4-3-3-4- تیمار ترکیبی (Cu, Zn, Pb, Cd)..................................................................................................... 76

4-3-4- تاثیر سطوح مختلف مس، روی، سرب و تیمار ترکیبی بر جذب کادمیوم........................................ 77

4-3-4-1- مس (Cu)............................................................................................................................. 77

4-3-4-2- روی (Zn)........................................................................................................................... 79

4-3-4-3- سرب (Pb)........................................................................................................................... 80

4-3-4-4- تیمار ترکیبی (Cu, Zn, Pb, Cd)..................................................................................................... 81

4-4- مقایسه میانگین غلظت فلزات سنگین در گونه­های اکالیپتوس با مقادیر مجاز...................................... 82

فصل پنجم: جمع­بندی و پیشنهادات..................................................................................................... 85

5-1- محتوا.................................................................................................................................... 86

5-2-1- بحث.................................................................................................................. 86

5-2-1-1- مقایسه قابلیت دو گونه اکالیپتوس E. Microtheca و E. Camaldulensis در جذب برخی از عناصر سنگین خاک  86

5-2-1-2- اثر متقابل (برهم­کنش) غلظت­های مختلف عناصر مس، روی، سرب و کادمیوم بر یکدیگر و تاثیر آن در جذب دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis............................................................................................................................ 88

5-2-1-2-1- تاثیر سطوح مختلف روی، سرب، کادمیوم و تیمار ترکیبی بر جذب مس ............................ 88

5-2-1-2-2- تاثیر سطوح مختلف مس، سرب، کادمیوم و تیمار ترکیبی بر جذب روی.............................. 89

5-2-1-2-3- تاثیر سطوح مختلف مس، روی، کادمیوم و تیمار ترکیبی بر جذب سرب.............................. 90

5-2-1-2-4- تاثیر سطوح مختلف مس، روی، سرب و تیمار ترکیبی بر جذب کادمیوم.............................. 91

5-2-1-3- مقایسه میانگین غلظت فلزات سنگین در گونه­های گیاهی با مقادیر مجاز.................................. 93

5-2-2- نتیجه ­گیری................................................................................................. 95

5-2-3- پیشنهادات.......................................................................................... 96

مراجع................................................................................ 97

فهرست جدول‌ها 

جدول(2- 1) طبقه­بندی شاخص خشکی.............................................................. 10

جدول (2-2) روش­ها و مكانیسم­های گیاه­پالایی دركاهش انواع آلاینده­ها ....................................................... 22

جدول (4-1) آزمون t مستقل برای غلظت­های مختلف مس بین دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis         49

جدول (4-2) غلظت­های مختلف مس بین دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis.......................... 50

جدول (4-3) آزمون t مستقل برای غلظت­های مختلف مس بین دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis         50

جدول (4-4) غلظت­های مختلف روی در بین دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis.................... 51

جدول (4-5) آزمون t مستقل برای غلظت­های مختلف سرب بین دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis        52

جدول (4-6) غلظت­های مختلف سرب دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis................................. 52

جدول (4-7) آزمون t مستقل برای غلظت­های مختلف کادمیوم در دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis      53

جدول (4-8) غلظت­های مختلف کادمیوم در بین دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis............. 53

جدول (4-9) اثر تیمارهای مختلف روی بر تجمع عنصر مس (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis..................................................................56

جدول (4-10) اثر تیمارهای مختلف سرب بر تجمع عنصر مس (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis............................................................................................................................... 58

جدول (4-11) اثر تیمارهای مختلف کادمیوم بر تجمع عنصر مس (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis............................................................................................................ 60

جدول (4-12) اثر تیمارهای مختلف Cu,Zn,Pb,Cd بر تجمع عنصر مس (ppm) در اندام­های مختلف اکالیپتوس       62

جدول (4-13) اثر تیمارهای مختلف مس بر تجمع عنصر سرب (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis..............................64

جدول (4-14) اثر تیمارهای مختلف روی بر تجمع عنصر سرب (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis.........................................66

جدول (4-15) اثر تیمارهای مختلف کادمیوم بر تجمع عنصر سرب (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis........................................................................ 68

جدول (4-16) اثر تیمارهای مختلف Cu,Zn,Pb,Cd بر تجمع عنصر سرب (ppm) در اندام­های مختلف اکالیپتوس      70

جدول (4-17) اثر تیمارهای مختلف مس بر تجمع عنصر روی (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis.......................................................................................... 72

جدول (4-18) اثر تیمارهای مختلف سرب بر تجمع عنصر روی (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis................................................................................................................ 74

جدول (4-19) اثر تیمارهای مختلف کادمیوم بر تجمع عنصر روی (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis............................................................................... 76

جدول (4-20) اثر تیمارهای مختلف Cu,Zn,Pb,Cd بر تجمع عنصر مس (ppm) در اندام­های مختلف اکالیپتوس       77

جدول (4-21) اثر تیمارهای مختلف مس بر تجمع عنصر کادمیوم (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis................................................................................. 79

جدول (4-22) اثر تیمارهای مختلف روی بر تجمع عنصر کادمیوم (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis..................................................................................... 80

جدول (4-23) اثر تیمارهای مختلف سرب بر تجمع عنصر کادمیوم (ppm) در اندام­های مختلف E. microtheca و E. camaldulensis......................................................................................... 81

جدول­ (4-24) اثر تیمارهای مختلف Cu,Zn,Pb,Cd بر تجمع عنصر مس (ppm) در اندام­های مختلف اکالیپتوس       82

جدول (4-25) دامنه عمومی عناصر سنگین در گیاهان (میلی­گرم بر کیلوگرم)  .......................... 83

جدول (4-26)مقایسه غلظت عناصر سنگین در برگ E.camaldulensis و E. microtheca با غلظت بحرانی    83

جدول (4-27)مقایسه غلظت عناصر سنگین در ساقه E.camaldulensis و E. microtheca با غلظت بحرانی    84

جدول (4-28)مقایسه غلظت عناصر سنگین در ریشه E.camaldulensis و E. microtheca با غلظت بحرانی   84

فهرست ‌شکل­ها

شکل(1-1) فرآیندهای مختلف پالایش گیاهی........................................................................................................... 24

شکل (3-1) موقعیت استان گلستان و شهرستان گرگان و موقعیت گلخانه....................................................... 43

شکل (3-2) گیاهان اکالیپتوس در طول دوره داشت در گلخانه............................................................................ 44

شکل(3-3) نمایی از دستگاه اندازه­گیری ICP........................................................................................................... 47

شکل (4-1) میزان جذب عنصر مس در برگ، ساقه و ریشه دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis    50

شکل (4-2) میزان جذب عنصر ری در برگ، ساقه و ریشه دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis      51

شکل (4-3) میزان جذب عنصر سرب در برگ، ساقه و ریشه دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis   52

شکل (4-4) میزان جذب عنصر کادمیوم در برگ، ساقه و ریشه دو گونه E. microtheca و E. camaldulensis          54