پاكسازی مواد آلاینده از خاك،آب و هوا از طریق گیاهان،گیاه­پالایی گفته می­ شود.از این تكنولوژی و علم جدید امروزه جهت پاكسازی اكوسیستم­ها از موادآلاینده از جمله فلزات سنگین،شبه فلزات،مواد رادیواكتیو، علف­كش­ها و ئیدروكربن­های نفتی حلال­های كلره استفاده می شود.گیاهان مختلفی كه دارای توانایی جذب این آلاینده­ها هستند،اغلب از خانواده­هایAsteraceae ,Brassicaceae, Fabaceae Poaceaeو Amaranthaceae و گونه ­هایی از خانواده Solnaceae

آزمایش در قالب طرح کامل تصادفی با 6 سطح تیمار کادمیوم]صفر(شاهد)،1000،500،250،125،62.5 میلی مولار[ با چهار تکرار در گلخانه تحقیقاتی وآزمایشگاه­های ماهان کرمان انجام شد.مطالعه کروموزوم ­­های متافاز میتوزی از آنجا که بطور طبیعی اندازه کروموزوم­های این گونه کوچک است بررسی­ها نشان داد که کادمیوم اثری بر تعداد کروموزوم­ها نداشته و 2x=2n=24 می باشد واز طرفی مطالعه ژل پروتئین نیز مشخص کرد که کادمیوم نتوانسته برمیزان پروتئین­ها اثرمنفی بگذارد و مشخص شد که در غلظت­های 500و1000 میلی مولار نسبت به شاهد افزایش بیان پروتئین دیده شده است که این افزایش سطح پروتئین نقش حفاظتی برای سلول در حال تنش کادمیوم دارد.دراثبات توانایی جذب این گیاه بررسی جذب اتمی نیز مشخص کرد که میزان جذب کادمیوم در تاجریزی با افزایش غلظت تیمار­ها بصورت قابل توجهی افزایش داشته است.تنش کادمیوم به طور چشمگیری از میزان قندها گیاه کاسته است که این کاهش با توجه به بیش تجمع­دهنده بودن تاجریزی یک مکانیسم سازشی برای حفظ متابولیسم پایه سلول در برابر تنش کادمیوم بوده است.نتایج بررسی­های مورفولوژیکی نشان داد که کادمیوم بر طول ریشه و اندام هوایی این گیاه بی اثر بوده است(به دلیل عدم تاثیر بر کروموزوم های میتوزی در سلول هاس مریستمی انتها ی ریشه).اندازه ­گیری سطوح کلروفیل a,b، کلروفیل کل،کاروتنوئید نشان داد که تیمارها اثر معنی داری بر روی رنگریزه­ها نداشته اند،که این یافته­ ها همگی حاکی از این است که تاج­ریزی با دارا بودن توانایی جذب و تجمع فلز سنگین کادمیوم در خود می تواند گیاه مناسبی برای مطالعات گیاه­پالایی محسوب گردد.از جمله اهداف عملی و کاربردی این تحقیق می توان به بررسی میزان ظرفیت جذب کادمیوم توسط گیاه تاجریزی،تغییر احتمالی رفتار کروموزوم­ها در تقسیم میتوز تحت استرس،مطالعه و بررسی تغییرات احتمالی الگوی الکتروفورتیک پروتئین­های تحت تنش بیان شده درتاجریزی،بررسی توانایی رفع آلودگی­های عناصر سنگین از آب و خاک­های آلوده و احتمالا هوای آلوده_، به علت جذب و تجمع آسان کادمیوم و پتانسیل بالای کادمیوم در آلودگی محیط زیست اشاره کرد.

کلمات کلیدی:تاج­ریزی،گیاه­پالایی،کادمیوم،تقسیم میتوز،میزان­پروتئین

 1-1 تعریف فلزات سنگین

امروزه در اکثر کشور های صنعتی برای غلظت عناصر سنگین حد مجاز تعیین شده است. ولی به علت این که غلظت مجاز این عناصر در کشور های مختلف یکسان نبوده و دامنه تغییرات بین حداقل و حداکثر غلظت گاهی به 100 برابر هم می رسد، این مساله قابل تعمیم نیست. عناصر سنگین در رفتار بیوشیمیایی خود معمولاً از عناصر ضروری تقلید می کنند. مثلاً نیکل از کبالت، کادمیوم از روی، سرب از کلسیم و سلنیم از گوگرد تقلید می کنند.

1-2 منابع فلزات سنگین

این عناصر از دو راه کلی زیر به خاک وارد می شوند:

الف)هوادیدگی سنگ های معدنی

ب)فعالیت های انسانی

منایع آلاینده ناشی از فعالیت های انسان شامل موارد زیر است:

الف) ذوب و استخراج فلزات

ب) فعالیت های صنعتی

ج) رسوبات اتمسفری

د) فاضلاب ها

ه) فعالیت های کشاورزی مثل استفاده از آفت کش های حاوی فلزات سنگین، کود و مواد بهساز خاک و حشره کش ها

1-3 فلزات سنگین در خاك

فلزات سنگین در خاك تركیباتی طبیعی یا نتیجه‌ای از فعالیت انسان می‌باشند. مناطق معدنی غنی از فلزات، گداختن فلزات، آب فلز دادن، گاز حاصل از اگزوز، استفاده از سوخت‌های فسیلی، به كار بردن كودها و حشره‌كش ها و تولید فاضلاب شهری از مهم‌ترین فعالیت‌های انسان است كه خاك را با مقادیر زیادی از فلزات سمی آلوده می‌كند (براد [2]و همکاران، 1978 ؛ریچاردسون²، 1990).

1-3-1 فرم های فلزات در خاک (تسیر⁴ وهمکاران ، 1979)

پاكسازی مواد آلاینده از خاك،آب و هوا از طریق گیاهان،گیاه­پالایی گفته می­ شود.از این تكنولوژی و علم جدید امروزه جهت پاكسازی اكوسیستم­ها از موادآلاینده از جمله فلزات سنگین،شبه فلزات،مواد رادیواكتیو، علف­كش­ها و ئیدروكربن­های نفتی حلال­های كلره استفاده می شود.گیاهان مختلفی كه دارای توانایی جذب این آلاینده­ها هستند،اغلب از خانواده­هایAsteraceae ,Brassicaceae, Fabaceae Poaceaeو Amaranthaceae و گونه ­هایی از خانواده Solnaceae

آزمایش در قالب طرح کامل تصادفی با 6 سطح تیمار کادمیوم]صفر(شاهد)،1000،500،250،125،62.5 میلی مولار[ با چهار تکرار در گلخانه تحقیقاتی وآزمایشگاه­های ماهان کرمان انجام شد.مطالعه کروموزوم ­­های متافاز میتوزی از آنجا که بطور طبیعی اندازه کروموزوم­های این گونه کوچک است بررسی­ها نشان داد که کادمیوم اثری بر تعداد کروموزوم­ها نداشته و 2x=2n=24 می باشد واز طرفی مطالعه ژل پروتئین نیز مشخص کرد که کادمیوم نتوانسته برمیزان پروتئین­ها اثرمنفی بگذارد و مشخص شد که در غلظت­های 500و1000 میلی مولار نسبت به شاهد افزایش بیان پروتئین دیده شده است که این افزایش سطح پروتئین نقش حفاظتی برای سلول در حال تنش کادمیوم دارد.دراثبات توانایی جذب این گیاه بررسی جذب اتمی نیز مشخص کرد که میزان جذب کادمیوم در تاجریزی با افزایش غلظت تیمار­ها بصورت قابل توجهی افزایش داشته است.تنش کادمیوم به طور چشمگیری از میزان قندها گیاه کاسته است که این کاهش با توجه به بیش تجمع­دهنده بودن تاجریزی یک مکانیسم سازشی برای حفظ متابولیسم پایه سلول در برابر تنش کادمیوم بوده است.نتایج بررسی­های مورفولوژیکی نشان داد که کادمیوم بر طول ریشه و اندام هوایی این گیاه بی اثر بوده است(به دلیل عدم تاثیر بر کروموزوم های میتوزی در سلول هاس مریستمی انتها ی ریشه).اندازه ­گیری سطوح کلروفیل a,b، کلروفیل کل،کاروتنوئید نشان داد که تیمارها اثر معنی داری بر روی رنگریزه­ها نداشته اند،که این یافته­ ها همگی حاکی از این است که تاج­ریزی با دارا بودن توانایی جذب و تجمع فلز سنگین کادمیوم در خود می تواند گیاه مناسبی برای مطالعات گیاه­پالایی محسوب گردد.از جمله اهداف عملی و کاربردی این تحقیق می توان به بررسی میزان ظرفیت جذب کادمیوم توسط گیاه تاجریزی،تغییر احتمالی رفتار کروموزوم­ها در تقسیم میتوز تحت استرس،مطالعه و بررسی تغییرات احتمالی الگوی الکتروفورتیک پروتئین­های تحت تنش بیان شده درتاجریزی،بررسی توانایی رفع آلودگی­های عناصر سنگین از آب و خاک­های آلوده و احتمالا هوای آلوده_، به علت جذب و تجمع آسان کادمیوم و پتانسیل بالای کادمیوم در آلودگی محیط زیست اشاره کرد.

کلمات کلیدی:تاج­ریزی،گیاه­پالایی،کادمیوم،تقسیم میتوز،میزان­پروتئین

 1-1 تعریف فلزات سنگین

امروزه در اکثر کشور های صنعتی برای غلظت عناصر سنگین حد مجاز تعیین شده است. ولی به علت این که غلظت مجاز این عناصر در کشور های مختلف یکسان نبوده و دامنه تغییرات بین حداقل و حداکثر غلظت گاهی به 100 برابر هم می رسد، این مساله قابل تعمیم نیست. عناصر سنگین در رفتار بیوشیمیایی خود معمولاً از عناصر ضروری تقلید می کنند. مثلاً نیکل از کبالت، کادمیوم از روی، سرب از کلسیم و سلنیم از گوگرد تقلید می کنند.

1-2 منابع فلزات سنگین

این عناصر از دو راه کلی زیر به خاک وارد می شوند:

الف)هوادیدگی سنگ های معدنی

ب)فعالیت های انسانی

منایع آلاینده ناشی از فعالیت های انسان شامل موارد زیر است:

الف) ذوب و استخراج فلزات

ب) فعالیت های صنعتی

ج) رسوبات اتمسفری

د) فاضلاب ها

ه) فعالیت های کشاورزی مثل استفاده از آفت کش های حاوی فلزات سنگین، کود و مواد بهساز خاک و حشره کش ها

1-3 فلزات سنگین در خاك

فلزات سنگین در خاك تركیباتی طبیعی یا نتیجه‌ای از فعالیت انسان می‌باشند. مناطق معدنی غنی از فلزات، گداختن فلزات، آب فلز دادن، گاز حاصل از اگزوز، استفاده از سوخت‌های فسیلی، به كار بردن كودها و حشره‌كش ها و تولید فاضلاب شهری از مهم‌ترین فعالیت‌های انسان است كه خاك را با مقادیر زیادی از فلزات سمی آلوده می‌كند (براد [2]و همکاران، 1978 ؛ریچاردسون²، 1990).

1-3-1 فرم های فلزات در خاک (تسیر⁴ وهمکاران ، 1979)

الف) یون‌های فلزی آزاد و کمپلکس‌های فلزی محلول در محلول خاک.

ب) پیوند شده با بارهای منفی ترکیبات غیرآلی خاک در محل‌های تبادل یونی.

پ) باند شده به موادآلی خاک.

ت) رسوب با اکسیدها، هیدروکسیدها و کربنات‌ها.

ث) حضور در ساختمان کانی‌های سیلیکاتی.

فلزات فقط در حالت‌های الف و ب سریعاً توسط ریشه گیاهان جذب می‌شوند(لاسات⁵ 2000).

1-4 فلزات سنگین وگیاهان

به طور كلی در بین عناصر تشكیل دهنده یک گیاه فقط1% یا كمتر از آن را فلزات سنگین تشكیل می‌دهند. برخی از این فلزات از قبیل آهن، روی، مس، منگنز و نیكل برای رشد و متابولیسم گیاهان مورد نیاز هستند، در حالی كه تاكنون برای برخی دیگر از فلزات نظیر كادمیوم، سرب، آرسنیک و جیوه نقش زیستی شناسائی نشده است (ممون وهمکاران [3]،2001). بر اساس نقش فلزات در گیاهان می‌توان آن‌ ها را در یک یا تعدادی از گروه‌های زیر قرار‌داد (الووی[4]،1995):

1- فلزاتی كه در تركیب و ساختار گیاه وارد می‌شوند مانند كلسیم در پكتات كلسیم تیغه میانی.

2- فلزاتی كه برای فعالیت آنزیم‌ها مورد نیاز هستند مانند روی در فعالیت آنزیم آلدولاز.

3- فلزاتی كه جزء تركیب اساسی آنزیم‌ها و پروتئین‌های خاص هستند مانند مس در سیتوكروم اكسیداز و روی در الكل دهیدر‍وژناز.

1-5 سمیت فلزات سنگین در گیاهان

در حالی كه برخی از فلزات سنگین برای حیات ضروری هستند، معمولاً تجمع زیاد آن‌ ها در ارگانیسم‌‌های زنده سمی می‌باشد. غلظت‌های افزایش‌ یافته از فلزات سنگین ضروری و غیر ضروری در خاك معمولاً منجر به ایجاد علائم مسمومیت و ممانعت از رشد بیشتر گیاهان می‌گردد. به نظر می‌رسد كه علائم سمیت بواسطه گستره‌ای از روابط متقابل در سطح سلولی/ملكولی باشد (اسچه وهمکاران[5]، 1990). به طور كلی اثرات سمی فلزات سنگین بر گیاهان می‌تواند ناشی از دلایل زیر باشد (الووی، 1995):

الف- فلزات سنگینی از قبیل كادمیوم، سرب، مس، نقره و طلا باعث تغییر در نفوذ‌پذیری غشاء سلولی می‌شوند كه در نتیجه جذب و هموستازی یونی را برهم می‌زنند.

ب- برخی از كاتیون‌های فلزات سنگین مانند سرب، نقره و روی با گروه‌های سولفیدریل پروتئین‌ها (و از جمله آنزیم‌ها) پیوند ایجاد می‌كنند كه در نتیجه ساختار و عمل آن‌ ها را تخریب می‌نمایند.

ج- بعضی از فلزات سنگین به دلیل شباهت با یون‌های ضروری و به ویژه كاتیون‌ها برای اشغال محل‌های جذب با آن‌ ها به رقابت می‌پردازند بنابر‌این باعث كاهش جذب كاتیون‌های ضروری می‌شوند.

د- برخی از فلزات سنگینی مانند مولیبدن، سلنیم، آرسنیک و بور كه به صورت آنیون در خاك یافت می‌شوند جایگاه‌های گروه‌های ضروری نظیر گروه‌های فسفات و نیترات را اشغال نموده و بدین ترتیب به گیاه آسیب می‌رسانند.

ه- واكنش با فلزاتی از قبیل روی و بریلیم از طریق پیوند با گروه‌های فسفات و گروه‌های فعال ادنوزین تری فسفات(ATP) و ادنوزین دی فسفات(ADP) باعث ایجاد اختلال در گیاه می‌شوند.

اساس سمیت این فلزات اصولاً به علت توانائی یون‌های فلزی برای اتصال محكم به اتم‌های اكسیژن، ازت و سولفور است. این اتم‌ها به ویژه در ساختار پروتئین‌ها به فراوانی وجود داشته و عموماً تاثیر این فلزات بر روی ساختارهای پروتئینی به ویژه آنزیم‌ها است (شاو، 1989 ). به علاوه غلظت زیاد فلزات سنگین باعث تحریک تشكیل رادیكال‌های آزاد و گونه‌های اكسیژن فعال[6] می‌شود(دایتز و همکاران[7]،1999).

اثرات سمیت فلزات سنگین به طور كلی شامل: ممانعت از جوانه‌زدن بذر، ممانعت از جوانه‌زدن دانه گرده و رشد لوله‌گرده، ممانعت از رشد و نمو گیاهان، ایجاد ناهنجاری‌های سیتوژنتیک در گیاهان، تخریب بسیاری از پروسه‌های بیوشیمیائی و فیزیولوژیكی شامل آسیب به غشاء‌های سلولی، كاهش تنفس، تجزیه پروتئین‌ها، آسیب به دستگاه فتوسنتزی و ممانعت از سرعت فتوسنتز، اثر بر فعالیت برخی از آنزیم‌ها و ایجاد پراُكسیداسیون لیپید می‌باشد (لونت وهمکاران، 2005 اردی وهمکاران 2002)[8].

1-6 عوامل موثر بر جذب فلزات سنگین

فلزات سنگین موجود در خاك عمدتاً از طریق جذب توسط ریشه به داخل گیاه وارد می‌شوند.گزارش شده است كه عوامل متعددی در جذب عناصر از طریق ریشه موثر می‌باشند كه عبارتند از (الووی، 1995).

الف- خصوصیات فیزیكی‌_‌شیمیائی خاك مانند pH، دما، رطوبت، پتانسیل اكسیداسیون و احیاء، ظرفیت تبادل كاتیونی، مقدار فسفات، میزان مواد آلی و مقدار رس موجود در خاك.

ب- نوع عنصر و مقدار آن در خاك و قابلیت دسترسی گیاه به آن.

ج- نوع گیاه، اندازه و وضعیت ریشه.

د- رقابت با سایر عناصر.

 

الف) یون‌های فلزی آزاد و کمپلکس‌های فلزی محلول در محلول خاک.

ب) پیوند شده با بارهای منفی ترکیبات غیرآلی خاک در محل‌های تبادل یونی.

پ) باند شده به موادآلی خاک.

ت) رسوب با اکسیدها، هیدروکسیدها و کربنات‌ها.

ث) حضور در ساختمان کانی‌های سیلیکاتی.

فلزات فقط در حالت‌های الف و ب سریعاً توسط ریشه گیاهان جذب می‌شوند(لاسات⁵ 2000).

1-4 فلزات سنگین وگیاهان

به طور كلی در بین عناصر تشكیل دهنده یک گیاه فقط1% یا كمتر از آن را فلزات سنگین تشكیل می‌دهند. برخی از این فلزات از قبیل آهن، روی، مس، منگنز و نیكل برای رشد و متابولیسم گیاهان مورد نیاز هستند، در حالی كه تاكنون برای برخی دیگر از فلزات نظیر كادمیوم، سرب، آرسنیک و جیوه نقش زیستی شناسائی نشده است (ممون وهمکاران [3]،2001). بر اساس نقش فلزات در گیاهان می‌توان آن‌ ها را در یک یا تعدادی از گروه‌های زیر قرار‌داد (الووی[4]،1995):

1- فلزاتی كه در تركیب و ساختار گیاه وارد می‌شوند مانند كلسیم در پكتات كلسیم تیغه میانی.

2- فلزاتی كه برای فعالیت آنزیم‌ها مورد نیاز هستند مانند روی در فعالیت آنزیم آلدولاز.

3- فلزاتی كه جزء تركیب اساسی آنزیم‌ها و پروتئین‌های خاص هستند مانند مس در سیتوكروم اكسیداز و روی در الكل دهیدر‍وژناز.

1-5 سمیت فلزات سنگین در گیاهان

در حالی كه برخی از فلزات سنگین برای حیات ضروری هستند، معمولاً تجمع زیاد آن‌ ها در ارگانیسم‌‌های زنده سمی می‌باشد. غلظت‌های افزایش‌ یافته از فلزات سنگین ضروری و غیر ضروری در خاك معمولاً منجر به ایجاد علائم مسمومیت و ممانعت از رشد بیشتر گیاهان می‌گردد. به نظر می‌رسد كه علائم سمیت بواسطه گستره‌ای از روابط متقابل در سطح سلولی/ملكولی باشد (اسچه وهمکاران[5]، 1990). به طور كلی اثرات سمی فلزات سنگین بر گیاهان می‌تواند ناشی از دلایل زیر باشد (الووی، 1995):

الف- فلزات سنگینی از قبیل كادمیوم، سرب، مس، نقره و طلا باعث تغییر در نفوذ‌پذیری غشاء سلولی می‌شوند كه در نتیجه جذب و هموستازی یونی را برهم می‌زنند.

ب- برخی از كاتیون‌های فلزات سنگین مانند سرب، نقره و روی با گروه‌های سولفیدریل پروتئین‌ها (و از جمله آنزیم‌ها) پیوند ایجاد می‌كنند كه در نتیجه ساختار و عمل آن‌ ها را تخریب می‌نمایند.

ج- بعضی از فلزات سنگین به دلیل شباهت با یون‌های ضروری و به ویژه كاتیون‌ها برای اشغال محل‌های جذب با آن‌ ها به رقابت می‌پردازند بنابر‌این باعث كاهش جذب كاتیون‌های ضروری می‌شوند.

د- برخی از فلزات سنگینی مانند مولیبدن، سلنیم، آرسنیک و بور كه به صورت آنیون در خاك یافت می‌شوند جایگاه‌های گروه‌های ضروری نظیر گروه‌های فسفات و نیترات را اشغال نموده و بدین ترتیب به گیاه آسیب می‌رسانند.

ه- واكنش با فلزاتی از قبیل روی و بریلیم از طریق پیوند با گروه‌های فسفات و گروه‌های فعال ادنوزین تری فسفات(ATP) و ادنوزین دی فسفات(ADP) باعث ایجاد اختلال در گیاه می‌شوند.

اساس سمیت این فلزات اصولاً به علت توانائی یون‌های فلزی برای اتصال محكم به اتم‌های اكسیژن، ازت و سولفور است. این اتم‌ها به ویژه در ساختار پروتئین‌ها به فراوانی وجود داشته و عموماً تاثیر این فلزات بر روی ساختارهای پروتئینی به ویژه آنزیم‌ها است (شاو، 1989 ). به علاوه غلظت زیاد فلزات سنگین باعث تحریک تشكیل رادیكال‌های آزاد و گونه‌های اكسیژن فعال[6] می‌شود(دایتز و همکاران[7]،1999).

اثرات سمیت فلزات سنگین به طور كلی شامل: ممانعت از جوانه‌زدن بذر، ممانعت از جوانه‌زدن دانه گرده و رشد لوله‌گرده، ممانعت از رشد و نمو گیاهان، ایجاد ناهنجاری‌های سیتوژنتیک در گیاهان، تخریب بسیاری از پروسه‌های بیوشیمیائی و فیزیولوژیكی شامل آسیب به غشاء‌های سلولی، كاهش تنفس، تجزیه پروتئین‌ها، آسیب به دستگاه فتوسنتزی و ممانعت از سرعت فتوسنتز، اثر بر فعالیت برخی از آنزیم‌ها و ایجاد پراُكسیداسیون لیپید می‌باشد (لونت وهمکاران، 2005 اردی وهمکاران 2002)[8].

1-6 عوامل موثر بر جذب فلزات سنگین

فلزات سنگین موجود در خاك عمدتاً از طریق جذب توسط ریشه به داخل گیاه وارد می‌شوند.گزارش شده است كه عوامل متعددی در جذب عناصر از طریق ریشه موثر می‌باشند كه عبارتند از (الووی، 1995).

الف- خصوصیات فیزیكی‌_‌شیمیائی خاك مانند pH، دما، رطوبت، پتانسیل اكسیداسیون و احیاء، ظرفیت تبادل كاتیونی، مقدار فسفات، میزان مواد آلی و مقدار رس موجود در خاك.

ب- نوع عنصر و مقدار آن در خاك و قابلیت دسترسی گیاه به آن.

ج- نوع گیاه، اندازه و وضعیت ریشه.

د- رقابت با سایر عناصر.