زیست پالایی: هدف، اصول، دسته‌ها، انواع، روش‌ها و کاربردها

فهرست مطالب نمایش

زیست پالایی به استفاده از میکروارگانیسم‌هایی که به صورت طبیعی یا عمدی در یک محیط اتفاق می‌افتند، جهت مصرف و تجزیه آلاینده‌های محیطی و به منظور پاک‌سازی یک مکان آلوده، اشاره دارد.
زیست پالایی فرآیندی است که عمدتاً از میکروارگانیسم‌ها، و همچنین از گیاهان یا آنزیم‌های میکروبی یا گیاهی برای سم‌زدایی از آلاینده‌ها در خاک و سایر محیط‌ها استفاده می‌کند.
این مفهوم شامل تجزیه زیستی (Biodegradation) است که به تغییر جزئی و گاهی کلی، یا سم زدایی آلاینده‌ها توسط میکروارگانیسم‌ها و گیاهان اشاره دارد.
فرآیند زیست پالایی، سرعت تخریب میکروبی طبیعی آلاینده‌ها را با تقویت میکروارگانیسم‌های بومی (باکتری‌ها یا قارچ‌ها) با مواد مغذی، منابع کربن یا اهداکنندگان الکترون (تحریک زیستی (Biostimulation)، بازیابی زیستی (Biorestoration)) یا با افزودن یک کشت غنی‌شده از میکروارگانیسم‌هایی که ویژگی‌های خاصی دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا آلاینده مورد نظر را با سرعت بیشتری تجزیه کنند (تقویت زیستی (Bioaugmentation))، افزایش می‌دهد.

هدف از زیست پالایی

هدف از زیست پالایی این است که سطوح آلاینده را حداقل به سطوح غیرقابل تشخیص، غیر سمی یا قابل قبول یعنی در محدوده تعیین شده توسط سازمان‌های نظارتی کاهش دهد یا در حالت ایده‌آل آلاینده‌های آلی را به دی‌اکسید کربن کانی‌سازی کند.

اصول زیست پالایی

زیست پالایی متکی بر تحریک رشد میکروب‌های خاصی است که از آلاینده‌هایی مانند روغن، حلال‌ها و آفت‌کش‌ها به عنوان منبع غذا و انرژی استفاده می‌کنند.
این میکروب‌ها آلاینده‌ها را مصرف کرده و آن‌ها را به مقدار کمی آب و گازهای بی ضرری مانند دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کنند.
زیست پالایی موثر به ترکیبی از دمای مناسب، مواد مغذی و غذا نیاز دارد. در غیر این صورت، ممکن است پاک‌سازی آلاینده‌ها بسیار بیشتر طول بکشد.
اگر شرایط برای زیست پالایی مساعد نباشد، می‌توان با افزودن «مواد پاک‌سازی کننده» به محیط، مانند ملاس (Molasses)، روغن نباتی یا صرفاً هوا، آن‌ها را بهبود بخشید.
این مواد پاک‌سازی کننده شرایط بهینه‌ای را برای رشد میکروب‌ها و تکمیل فرآیند زیست پالایی ایجاد می‌کند.
فرآیند زیست پالایی می‌تواند در هر مکانی اتفاق بیفتد و از چند ماه تا چند سال طول بکشد.
مقدار زمان مورد نیاز به متغیرهایی مانند اندازه ناحیه آلوده، غلظت آلاینده‌ها، شرایطی مانند دما و چگالی خاک و این‌که آیا زیست پالایی در محل یا خارج از محل اصلی انجام خواهد شد، بستگی دارد.

دسته‌های زیست پالایی

پاک‌سازی بیولوژیکی را می‌توان به دو نوع پاک‌سازی میکروبی و گیاه‌پالایی (Phytoremediation) تقسیم کرد.

پاک‌سازی میکروبی

میکروارگانیسم‌ها به دلیل توانایی خود در تجزیه طیف وسیعی از ترکیبات آلی و جذب مواد غیر‌آلی به خوبی شناخته شده‌اند. در حال حاضر میکروب‌ها برای پاک‌سازی و تصفیه آلودگی در فرآیندهایی به نام زیست پالایی استفاده می‌شوند.
سیستم‌های میکروبی مختلف مانند باکتری‌ها، قارچ‌ها، مخمرها و اکتینومیست‌ها (Actinomycetes) را می‌توان برای حذف آلودگی‌های سمی و سایر آلاینده‌ها از محیط استفاده کرد.
میکروارگانیسم‌ها به آسانی در دسترس هستند، به سرعت خصوصیت یابی می‌شوند، بسیار متنوع هستند، همه جا حاضر هستند و می‌توانند از بسیاری از عناصر مضر به عنوان منبع غذایی خود استفاده کنند.
آن‌ها را می‌توان در هر دو شرایط در محل و خارج از محل اصلی استفاده کرد. علاوه بر این، بسیاری از شرایط سخت محیطی را می‌توان توسط چنین موجوداتی تمیز کرد.
اگرچه بسیاری از میکروارگانیسم‌ها قادر به تجزیه نفت خام موجود در خاک هستند، استفاده از روش کشت مخلوط نسبت به کشت‌های خالص در زیست پالایی مفید است زیرا برهم‌کنش‌های هم‌افزایی را از خود نشان می‌دهد.
از باکتری‌های مختلف می‌توان برای حذف آلاینده‌های هیدروکربنی نفتی از خاک استفاده کرد.
باکتری‌هایی که می‌توانند آلاینده‌های بزرگ را تجزیه کنند عبارتند از سودوموناس (Pseudomonas)، آئروموناس (Aeromonas)، موراکسلا (Moraxella)، بیجرینکیا (Beijerinckia)، فلاووباکتریا (Flavobacteria)، کروباکتریا (Chrobacteria)، نوکاردیا (Nocardia)، کورینه‌باکتریا (Corynebacteria)، اسینتوباکتر (Acinetobacter)، مایکوباکتنا (Mycobactena)، مودوکوک (Modococci)، استرپتومایسس (Streptomyces)، باسیل (Bacili)، آرتروباکتر (Arthrobacter)، آئروموناس (Aeromonas) و سیانوباکتریا (Cyanobacteria).

گیاه پالایی (Phytoremediation)

گیاه پالایی یک فرآیند زیست پالایی است که از انواع مختلف گیاهان برای حذف، انتقال، تثبیت و/یا از بین بردن آلاینده‌ها در خاک و آب‌های زیرزمینی استفاده می‌کند.
انواع مختلفی از مکانیسم‌های گیاه پالایی وجود دارد.

تجزیه زیستی ریزوسفر (Rhizosphere): در این فرآیند، گیاه مواد طبیعی را از طریق ریشه آزاد می‌کند و مواد مغذی را برای میکروارگانیسم‌های موجود در خاک تامین می‌کند. میکروارگانیسم‌ها نیز تجزیه‌پذیری بیولوژیکی را افزایش می‌دهند.
تثبیت گیاهی (Phyto-stabilization): در این فرآیند ترکیبات شیمیایی تولید شده توسط گیاه، به جای تجزیه آلاینده‌ها، آن‌ها را بی حرکت می‌کنند.
انباشتگی گیاهی (Phyto-accumulation) (که به آن گیاه استخراجی (Phytoextraction) نیز گفته می‌شود): در این فرآیند ریشه گیاه، آلاینده‌ها را همراه با سایر مواد مغذی و آب جذب می‌کند. توده آلاینده از بین نمی‌رود بلکه به شاخه و برگ گیاه می‌رسد. این روش عمدتاً در مورد زباله‌های حاوی فلزات استفاده می‌شود.
سیستم‌های هیدروپونیک (Hydroponic) برای تصفیه جریان‌های آب (ریزوفیلتراسیون (Rhizofiltration)): ریزوفیلتراسیون شبیه به انباشتگی گیاهی است، اما گیاهانی که برای پاک‌سازی استفاده می‌شوند در گلخانه‌ها با ریشه‌های در آب پرورش داده می‌شوند. از این روش رشد می‌توان برای تصفیه آب‌های زیرزمینی در خارج از محل اصلی استفاده کرد. یعنی آب‌های زیرزمینی برای آبیاری این گیاهان به سطح پمپ می‌شوند. به طور معمول سیستم‌های هیدروپونیک از یک محیط خاکی مصنوعی مانند ماسه مخلوط با پرلیت (Perlite) یا ورمیکولیت (Vermiculite) استفاده می‌کنند. با اشباع شدن ریشه‌ها از آلاینده‌ها، گیاهان برداشت و دفع می‌شوند.
گیاه تبخیری (Phyto-volatilization): در این فرآیند گیاهان آب حاوی آلاینده‌های آلی را جذب کرده و آلاینده‌ها را از طریق برگ‌های خود در هوا آزاد می‌کنند.
تخریب گیاهی (Phyto-degradation): در این فرآیند گیاهان در واقع آلاینده‌های درون بافت‌های گیاهی را متابولیزه کرده و از بین می‌برند.
کنترل هیدرولیک (Hydraulic Control): در این فرآیند درختان به طور غیرمستقیم با کنترل حرکت آب زیرزمینی، پاک‌سازی را انجام می‌دهند. درختان زمانی که ریشه‌هایشان به سطح سفره آب می‌رسد، به‌عنوان پمپ‌های طبیعی عمل و یک توده ریشه‌ای متراکم ایجاد می‌کنند که مقدار زیادی از آب را می‌گیرد. برای مثال یک درخت صنوبر روزانه 30 گالن آب از زمین بیرون می‌کشد و چوب پنبه نیز می‌تواند تا 350 گالن آب را در روز جذب کند.

انواع روش‌های زیست پالایی

فرسایش طبیعی یا زیست پالایی ذاتی: زیست پالایی به خودی خود بدون افزودن چیزی اتفاق می‌افتد.
تحریک زیستی: زیست پالایی از طریق افزودن کودها برای افزایش فراهمی زیستی (Bioavailability) در محیط تحریک می‌شود.

فناوری‌ها را می‌توان به طور کلی به صورت در محل یا خارج از محل اصلی طبقه‌بندی کرد.

زیست پالایی در محل: شامل تصفیه مواد آلوده در محل اصلی است.
زیست پالایی خارج از محل: شامل حذف مواد آلوده برای تصفیه در جای دیگر است.

روش‌های زیست پالایی

چند نمونه از فناوری‌های مرتبط با زیست پالایی عبارتند از:

گیاه پالایی
تهویه زیستی (Bioventing)
تصفیه زیستی (Bioleaching)
پالایش زمین (Land-farming)
بیوراکتور (Bioreactor)
کمپوست سازی (Composting)
تقویت زیستی
ریزوفیلتراسیون
تحریک زیستی

کاربردهای زیست پالایی

از زیست پالایی برای پالایش فلزات، رادیونوکلئیدها (Radionuclide)، آفت‌کش‌ها، مواد منفجره، سوخت‌ها، ترکیبات آلی فرار (volatile organic compounds (VOCs)) و ترکیبات آلی نیمه فرار (semi-volatile organic compounds (SVOCs)) استفاده می‌شود.
تحقیقاتی جهت درک نقش گیاه پالایی در پاک‌سازی پرکلرات (perchlorate)، (آلاینده‌ای که ثابت شده است در سیستم‌های آبهای سطحی و زیرزمینی پایدار است) در حال انجام است.
ممکن است برای پاکسازی آلاینده‌های موجود در خاک و آب‌های زیرزمینی استفاده شود.
به منظور پاک‌سازی مواد رادیواکتیو گاهی اوقات از عوامل شلاته‌کننده (Chelating agent) جهت آماده‌سازی این آلاینده‌ها برای جذب توسط گیاه استفاده می‌شود.

مزایای زیست پالایی

زیست پالایی نسبت به سایر روش‌های پاک‌سازی مزایای زیادی دارد.

از آن‌جایی که فقط از فرآیندهای طبیعی استفاده می‌کند، روشی نسبتا سبز است که آسیب کمتری به اکوسیستم وارد می‌کند.
اغلب در زیر زمین اتفاق می‌افتد، زیرا مواد پاک‌کننده و میکروب‌ها را می‌توان به زیر زمین پمپ کرد تا آلاینده‌های موجود در آب‌های زیرزمینی و خاک را پاک کند. بنابراین اختلال زیادی در محیط‌های مجاور ایجاد نمی‌کند.
فرآیند زیست پالایی محصولات جانبی مضر کمی ایجاد می‌کند، زیرا آلاینده‌ها و آلودگی‌ها به آب و گازهای بی ضرر مانند دی‌اکسید کربن تبدیل می‌شوند.
زیست پالایی ارزان‌تر از بسیاری از روش‌های پاک‌سازی است، زیرا به تجهیزات یا نیروی کار زیادی نیاز ندارد.
زیست پالایی را می‌توان با نیازهای محل آلوده مورد نظر تنظیم کرد و میکروب‌های خاص مورد نیاز برای تجزیه آلاینده را با انتخاب عامل محدود کننده مورد نیاز برای ارتقاء رشد آن‌ها، تقویت کرد.

محدودیت‌ها و نگرانی‌های زیست پالایی

سمیت و فراهمی زیستی محصولات تجزیه زیستی همیشه مشخص نیست.
محصولات جانبی تجزیه ممکن است در آب‌های زیرزمینی جریان یابند یا در حیوانات انباشته شوند.
تحقیقات بیشتری برای تعیین سرنوشت ترکیبات مختلف در چرخه متابولیک گیاه مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که فضولات و محصولات گیاهی با تبدیل به مواد شیمیایی سمی یا مضر وارد زنجیره غذایی نمی‌شوند.
دانشمندان باید مشخص کنند که آیا آلاینده‌هایی که در برگ‌ها و چوب درختان جمع می‌شوند، هنگام ریزش برگ‌ها در پاییز یا زمانی که به عنوان هیزم یا کود گیاهی استفاده می‌شود، آزاد می‌شوند یا خیر.
اگر گیاهان برداشت شده حاوی سطوح بالایی از فلزات سنگین باشند، دفع آن‌ها می‌تواند مشکل‌ساز باشد.
عمق آلاینده‌ها، پاک‌سازی را محدود می‌کند. در بیشتر موارد به خاک‌های کم عمق، نهرها و آب‌های زیرزمینی محدود می‌شود.
به طور کلی استفاده از گیاه پالایی محدود به مکان‌هایی با غلظت آلاینده کمتر و آلودگی در خاک‌های کم عمق، نهرها و آب‌های زیرزمینی می‌باشد.
موفقیت گیاه پالایی بسته به مکان ممکن است فصلی باشد. سایر عوامل اقلیمی نیز بر اثربخشی آن تأثیر خواهند گذاشت.
موفقیت پاک‌سازی به سازمان‌دهی یک جامعه گیاهی منتخب بستگی دارد. معرفی گونه‌های گیاهی جدید می‌تواند پیامدهای اکولوژیکی گسترده‌ای داشته باشد. پس باید از قبل در مورد آن مطالعه و بررسی صورت پذیرد.
اگر غلظت آلاینده‌ها خیلی زیاد باشد، گیاهان ممکن است بمیرند.
برخی از گیاه پالایی‌ها، آلودگی را در میان محیط‌ها (به عنوان مثال از خاک به هوا) منتقل می‌کند.
گیاه پالایی برای آلاینده‌های به شدت جذب شده مانند بی‌فنیل‌های پلی‌کلره (Polychlorinated biphenyls (PCBs)) موثر نیست.
گیاه پالایی به سطح وسیعی از زمین برای پاک‌سازی نیاز دارد.