در منابع مختلف، فلزات سنگین به طروق مختلفی تعریف شده اند. در برخی از آن ها، عناصری با جرم اتمی بیش از سدیم به عنوان فلز سنگین شناخته شده و در برخی دیگر هر فلز یا شبه فلزی با وزن مخصوص فراتر از 5 g/cm3 (بیش از عنصر کلسیم) به عنوان یک فلز سنگین در نظر گرفته می شود. از معمول ترین این فلزات می توان به Zn، Cu، Cd، Pb، Cr، As، Hg و Ni اشاره کرد.
برخی از این فلزات در مقادیر کم به عنوان عناصری ضروری در ژریم غذایی انسان به حساب می آیند (مانند روی و نیکل). عناصری مانند کرومیوم و آرسنیک با آنکه عمدتا به عنوان عناصری سمی با قابلیت القا Carcinogenesis در انسان یاد می شوند، در مقادیر کم می توانند ضروری قلمداد شوند. در واقع سمیت چنین عناصری به دو عامل الف) شکل و فرم شیمیایی و ب) غلظت آن ها وابسته است. تنها برخی از اشکال کرومیوم سمی بوده و بعضی از فرم های آن در مکمل های غذایی معدنی قابل استفاده هستند. از طرفی نتایج تحقیقات نشان داده است که استفاده از آرسنیک در مقادیر کم اثرات مفیدی را به ویژه در رژیم غذایی حیوانات به همراه خواهد داشت.
افزایش غلظت فلزات سنگین بیش از حد طبیعی یا Background Concentration، عمدتا به فعالیت های انسان در محیط ربط داده شده است. فعالیت هایی مانند ذوب آهن، استفاده از افزودنی های شیمیایی در کشاورزی، پساب کارخانه ها، فاضلاب های شهری، احتراق سوخت های فسیلی و غیره باعث بروز آلودگی در محیط زیست می شود. چنین آلاینده هایی در صورت ورود به سیستم های زنده اثر سمی خود را غالبا از طریق ایجاد پیوند و متصل شدن به مولکول های زیستی اعمال خواهند کرد. ترکیب تغییر پیدا کرده قادر به انجام عملکرد طبیعی خود نخواهد بود و در نهایت باعث ایجاد نقص عملکرد در سلول و یا مرگ آن خواهد شد.
اصلی ترین فرایند های ژئوشیمیایی کنترل کننده پراکنش و توزیع فلزات سنگین در خاک جذب سطحی شدن آن ها توسط فاز جامد، رسوب پیدا کردن آن ها و Complexation می باشد. در شرایط اکسیدی، واکنش خاک (pH) کلیدی ترین عامل تاثیر گذار بر تحرک فلزات سنگین است. با کاهش pH و افزایش غلظت یون هیدروژن در محیط معمولا از مقدار جذب سطحی شدن فلزات، که عمدتا به صورت کاتیون موجود هستند، کاسته می شود. در واکنش های اسیدی Complexation سرب با ترکیبات آلی که بعضی از آن ها نیز متحرک هستند افزایش می یابد. در pH های قلیایی نیز ایجاد کربنات ها و هیدروکسید ها از تحرک فلزات می کاهد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که عموما با افزایش pH تحرک فلزات سنگین در خاک کاهش می یابد. در شرایط احیایی نیز به علت تشکیل سولفید های کم محلول، تحرک فلزات سنگین با محدودیت روبرو است.
در بین تمامی سیستم های آلوده به فلزات سنگین، خاک های حاوی این آلاینده ها اصلی ترین چالش را برای پالایش ایجاد می کنند. در منابع، دشوار بودن پالایش خاک های آلوده به فلزات سنگین به غیر همگن و پیچیده بودن محیط خاک ربط داده شده است. از آنجا که تجمع زیاد عناصر سمی در خاک باعث راه پیدا کردن آن ها به هوا، آب های سطحی و زیر زمینی می شود، زیست پالایی چنین منابعی از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به آنکه فلزات بر خلاف سایر آلاینده ها (به طور مثال آلاینده های آلی) قابل تجزیه نمی باشند، در پالایش عمدتا برای کاهش سمیت و یا استخراج آن ها تلاش می شود.
محیط خاک و فلزات مجتمع در آن دارای برهمکنشی پویا بوده و خصوصیات ذاتی خاک در فعالیت عناصر سمی تاثیر بسزایی دارد. در بررسی اثر سمی فلزات سنگین می بایست به تاثیر آن ها بر فرایند های سلولی، اثر آن ها بر روی جانداران پر سلولی و اثرگذاری بر فرایند های زیست بوم توجه شود.
مطالعه تغییرات فلزات سنگین (Metal Speciation) در خاک از دو دیدگاه قابل اجرا است. در چنین مطالعاتی می توان کل مقدار فلزات را بررسی نمود و یا بخشی از آن ها که به صورت زیستی قابل دسترسی (Biologically Available) است را تحت مطالعه قرار داد. دسترسی زیستی (Bioavailability) به قابلیت یا ظرفیت مواد مختلف برای واجذب (Desorption)، حل شدن یا جدا شدن از محیطی که در آن حضور داشتند، به منظور افزایش امکان جذب آن ها توسط سیستم های زنده گفته می شود. عوامل متعددی همچون ظزفیت تبادل کاتیونی، واکنش خاک و پتاسیل اکسید و احیای آن در دسترسی زیستی فلزات سنگین موثر است.
به طور کل با افزایش CEC، که خود به مقدار ماده آلی و ذرات رس موجود در خاک وابسته است، سطوح بیشتری برای جذب فلزات فراهم شده و از دسترسی زیستی آن ها کاسته می شود. افزایش ماده آلی در خاک با فراهم آوری گروه های آنیونی به مقدار این سطوح جذبی می افزاید. اجزاء ماده آلی مانند هیومیک اسید باعث تشکیل کمپلکس های نا محلول می شود. برخی از اسید های ساده آلیفاتیک نیز موجب تشکیل کمپلکس های محلول می شوند که با آنکه فلزات را به شکل متحرک در می آورند، موجب کاهش سمیت آن ها می شود. عوامل دیگری مانند تجزیه مواد آلی توسط ریزجانداران و مواد تولیدی آن ها و آبیاری یا بارندگی نیز با تاثیر بر روی pH خاک فعالیت فلزات سنگین را کنترل می کند.
در روش های فیزیکی و شیمیایی پالایش خاک های آلوده به فلزات سنگین عمدتا به استخراج و یا غیر متحرک سازی این عناصر توجه شده است. شست و شو خاک (Soil Flushing) با استفاده از موادی که موجب واجذب فلزات از فاز جامد می شوند (مانند EDTA و DTPA) از جمله این روش ها است. پوشش دادن خاک (Soil Capping)، جامد و پایدار سازی عناصر سمی در خاک (Solidification/Stabilization) و به شیشه تبدیل کردن (Vitrification) خاک های آلوده سایر روش های متداول در پالایش فیزیکی خاک ها را شامل می شود. در روش های شیمیایی نیز از عامل های اکساینده/کاهنده، آهک پاشی و افزایش CEC از طریق افزایش ماده آلی به منظور بهبود مشکلات فلزات سنگین استفاده می شود.
روش های زیستی در مقابل عمدتا بر تعاملات بین جوامع میکروبی و فلزات سنگین متکی است. تبدیل فلزات به اشکال مختلف بخشی از ساز و کار های مقاومت ریزجانداران به آلودگی های عناصر سمی است و فرایند هایی همچون انحلال، کمپلکس سازی و رسوب دهی را در بر می گیرید. به طور مثال تولید پلی مر های برون سلولی (EPS) و گروه های عاملی موجود بر روی دیواره سلولی ریزجاندارن باعث توقف و ترسیب (Sequestration) فلزات سنگین می شود. پلی ساکارید های برون سلولی تولید شده توسط Paenibacillus jamilae و Nostoc spongiaeforme در جذب مقادیر قابل توجهی از سرب و روی به خوبی عمل کرده است. تحقیق صورت گرفته توسط Mohamed (2001) نشان داد که می توان از جوامع زنده یا مرده Gloeothece magna به منظور ترسیب کادمیوم و منگنز بر روی دیواره سلولی استفاده کرد. باکتری های بی هوازی کاهنده فلزات نیز با تولید اشکال غیر متحرک در زیست پالایی قابل استفاده اند. ترکیبات Metallothionein نیز در کمپلکس سازی فلزات سنگین در داخل سلول و غیر متحرک ساختن آن ها نقش ایفا می کند.
در مقابل، متحرک سازی فلزات سنگین از طریق تولید اسید های آلی یا یون های پروتون موجب افزایش حلالیت عناصر سمی شده و در Bioleaching کاربرد دارد. استفاده از Siderophore ها و Biosurfactant های تولید شده توسط میکروبها نیز در استخراج فلزات سنگین مفید واقع شده. از طرفی با آنکه فرایند Methylation که توسط جوامع میکروبی کنترل می شود سمیت فلزات را افزایش می بخشد، تبدیل آن ها به اشکال فرار باعث کاهش سمیت در محیط اطراف ریزجاندار می شود. ساز و کار های استفاده توسط ریزجانداران برای خارج ساختن (Efflux) فلزات سنگین با آنکه موجب کاهش غلظت این عناصر در داخل می شود، معمولا به عنوان راهی برای زیست پالایی در نظر گرفته نمی شود.
به منظور استفاده از توانمندی های ریزجانداران در پالایش خاک های آلوده به فلزات سنگین می توان با بهبود بخشیدن به شرایط فیزیکی و شیمیایی خاک، شرایطی را برای آنان ایجاد کرد تا با رشد بهینه نسبت به کاهش سمیت یا غیر متحرک سازی فلزات سنگین عمل کنند. شیوه های به کار گرفته شده در اضافه کردن جوامع میکروبی با قابلیت های حذف فلزات سنگین به خاک (Bioaugmentation) واصلاح ژنتیکی جوامع بومی گیاهان و ریزجانداران خاکزی با مطالعه دقیق ساز و کار های مقاومت میکروب ها، زیست پالایی خاک و آب را به روشی مطمئن، کارا، اقتصادی و مناسب با کیفیت های زیست بوم تبدیل کرده است.
منابع
Park, M. V. (2014). Heavy Metals. Soil and Water Contamination (pp. 127-130). FL, USA: CRC Press
Hietala1, K.A., & Roane, T.M. (2009). Microbial Remediation of Metals in Soils. In A. Singh, R. C. Kuhad, O. P. Ward (Eds.), Advances in Applied Bioremediation (pp. 201-220). Heidelberg: Springer