Phytoremediation Mechanisms PDF
Document Details
Uploaded by AdvantageousAshcanSchool
University of Basrah
نور عامر إسماعيل
Tags
Summary
This document provides detailed information about various mechanisms of phytoremediation. It discusses different processes for removing contaminant mass from soil, sediments, and water, including phytoextraction, phytoaccumulation, and phytostabilization. The document also looks at the potential role of plants in remediating contaminated sites. It could be used by undergraduate environmental science students or researchers.
Full Transcript
ماجستير علوم البيئة نور عامر إسماعيل ) دكتورة اسيا2( :المحاضرة تقانات بيئية:المادة.............................
ماجستير علوم البيئة نور عامر إسماعيل ) دكتورة اسيا2( :المحاضرة تقانات بيئية:المادة............................................................................................................................................. MECHANISMS OF PHYTOREMEDIATION آليات المعالجة الطبقية سبع.حدد الباحثون اآلليات التي يمكن للنباتات من خاللها التأثير على كتلة الملوثات في التربة والرواسب والمياه : تم شرح كل منها بالتفصيل أدناه، آليات للمعالجة النباتية Researchers have identified mechanisms by which plants can affect contaminant mass in soil, sediments, and water. Seven phytoremediation mechanisms, each explained in detail below: 1-Phytoextraction/ Phytoaccumulation تراكم النبات/ استخالص النبات-1 يشير استخراج النبات إلى قدرة النباتات على.تم تطبيق أول براءة اختراع للمعالجة النباتية تتعلق باستخراج النبات إزالة المعادن والمركبات األخرى من باطن األرض ونقلها إلى األوراق أو األنسجة النباتية األخرى باستخدام.المحاصيل غير الغذائية The first phytoremediation patent applied related to phytoextraction. Phytoextraction refers to the ability of plants to remove metals and other compounds from the subsurface and translocate them to the leaves or other plant tissues using nonfood crops. تمتص الجذور المعادن ثم تنتقل الحقًا داخل األجزاء، في هذه الحالة.ضا بتراكم النبات ً يسمى استخراج النبات أي.الموجودة فوق سطح األرض من النباتات Phytoextraction is also called phytoaccumulation. In this case, metals are absorbed by roots and subsequently translocate within the above-ground parts of the plants. وهو، تمتلك بعض النباتات القدرة الوراثية والفسيولوجية على التراكم واالنتقال وتتحمل تركيزات عالية من المعادن.ما يمثل مصدر قلق لتقنية استخراج النبات Some plants possess the genetic and physiological potential to accumulate, translocate, and tolerate high concentrations of metals, which is of concern to the phytoextraction technology. قدم اكتشاف بعض النباتات البرية ذات القدرة التراكمية لتركيزات عالية من المعادن فكرة استخدام مثل هذه النباتات. من التربةHMs إلزالة The discovery of some wild plants having an accumulating capacity for high concentrations of metals provided the idea of using such plants to remove HMs from soils. يُعرف استخدام النباتات إلزالة الملوثات من البيئة وتركيزها في األنسجة النباتية الموجودة فوق األرض باسم.االستخراج النباتي The use of plants to remove contaminants from the environment and concentrate them in aboveground plant tissue is known as phytoextraction. مرة من مستويات المعادن السامة500-10 "يمكن أن تتراكم النباتات الطبيعية التي تسمى "التراكم الفائق للمعادن. استخراج نباتي طبيعي أو مستمر: تتكون عملية استخراج النبات من نوعين.أعلى من المحاصيل المزروعة Naturally occurring plants called “metal hyperaccumulators” can accumulate 10–500 times higher levels of toxic metals than cultivated crops. The phytoextraction process is of two types: natural or continuous phytoextraction. أو تكسير النباتات، التمعدن الحيوي، التثبيت النباتي-2 2-Phytostabilization, Biomineralization, or Phytosequestration أو،التثبيت النباتي هو إزالة معادن التربة من خالل االمتصاص والتراكم بواسطة الجذور واالمتصاص على الجذور.هطول األمطار داخل منطقة الجذر Phytostabilization is the removal of soil metals through absorption and accumulation by roots, adsorption onto roots, or precipitation within the root zone. يعتمد ذلك على قدرة الجذور. أو ثابتة/ تصبح المعادن الملوثة حول الجذور غير قابلة للذوبان و، في هذه الحالة.على تقييد حركة المعادن والتوافر البيولوجي في التربة In this case, contaminated metals around the roots become insoluble and/or immobilized. It depends on the roots’ ability to limit metal’s mobility and bioavailability in the soil. إنه فعال للغاية. أو تخفيض التكافؤ المعدني، معقدات، الترسيب، يمكن أن تحدث هذه العملية من خالل االمتصاص. والتخلص من الكتلة الحيوية غير مطلوب،عند الحاجة إلى تجميد سريع للحفاظ على المياه الجوفية والمياه السطحية This process can occur through sorption, precipitation, complexation, or metal valence reduction. It is very effective when rapid immobilization is needed to preserve groundwater and surface water, and disposal of biomass is not required. ولكن بدالً من ذلك لتثبيتها ومنع انتقال الملوثات، الغرض من التثبيت النباتي ليس إزالة الملوثات المعدنية من الموقع.المعدنية إلى المياه الجوفية أو الهواء The purpose of phytostabilization is not to remove metal contaminants from a site, but rather to stabilize them and prevent migration of metal contaminants into the groundwater or air. ، مثل الحشائش، النباتات المستخدمة في التثبيت النباتي هي عبارة عن نقل ضعيف للمعادن من الجذور إلى البراعم.وبالتالي تقليل التعرض للعناصر السامة Plants used for phytostabilization are poor translocators of metal from root to shoots, such as grasses, thus minimizing exposure to toxic elements. يعتبر التثبيت النباتي عملية فعالة للغاية عندما يكون التثبيت السريع مطلوبًا للحفاظ على المياه الجوفية والمياه يشير التثبيت النباتي إلى تثبيت التربة الملوثة في مكانها عن طريق الغطاء النباتي وبالتالي تجميد الملوثات.السطحية.السامة في التربة Phytostabilization is considered a very effective process whenever rapid immobilization is required to conserve groundwater and surface water. Phytostabilization refers to the holding of contaminated soils in place by vegetation and thereby immobilizing toxic contaminants in soils. - ) تعزيز العمليات البيوجيوكيميائية الطبيعية لتكوين الرواسب المعدنية (خاصة معادن الكبريتيد- التمعدن األحيائي.هو المفتاح لتثبيت المعادن Biomineralization—enhancement of the natural biogeochemical processes of forming mineral deposits (especially sulfide minerals)—is the key to stabilization of metals. التثبيت النباتي قابل للتطبيق بشكل خاص على الملوثات األولية في التربة في مواقع النفايات التي يكون أفضل بديل :لها هو االحتفاظ بهذه الملوثات في مكانها من أجل Phytostabilization is particularly applicable for elemental contaminants in soils at waste sites for which the best alternative is often to hold these pollutants in place to: (1) Prevent greater bioavailability during removal..) منع التوافر البيولوجي األكبر أثناء اإلزالة1( (2) Avoid more worker exposure..) تجنب المزيد من تعرض العمال2(.) التقليل من اضطراب األراضي الرطبة والنظم البيئية الهامة األخرى3( (3) Minimize disruption of wetlands and other critical ecosystems. قد تؤدي هذه. يستفيد التثبيت النباتي من التغييرات التي يسببها وجود النبات في كيمياء التربة والبيئة.على العموم التغييرات في كيمياء التربة إلى امتصاص الملوثات على جذور النبات أو التربة أو تسبب ترسيب المعادن على جذر.النبات In general. Phytostabilization takes advantage of the changes that the presence of the plant induces in soil chemistry and environment. These changes in soil chemistry may induce adsorption of contaminants onto the plant roots or soil or cause metals precipitation onto the plant root..ضا إلى تقليل تنقل الملوثات عن طريق تقليل احتمالية التعرية المائية والرياح ً قد يؤدي الوجود المادي للنباتات أي على الرغم من أنه يكون أكثر فاعلية في المواقع التي تحتوي على تربة ذات نسيج ناعم ومحتوى، التثبيت النباتي.عال من المواد العضوية The physical presence of the plants may also reduce contaminant mobility by reducing the potential for water and wind erosion. Phytostabilization, though most effective at sites having fine-textured soils with high organic matter content. ، والتخلص من النباتات، والتحول النباتي، التحلل النباتي-3 3- Phytodegradation, Phytotransformation, Phytoreduction, يتم تقسيم الملوثات التي تلتقطها النباتات إلى، في هذه العملية.غالبًا ما يُطلق على التحلل النباتي اسم التحول النباتي أو استقالبها/ جزيئات أبسط أو أقل سمية بمساعدة المركبات (مثل اإلنزيمات) التي تصنعها النباتات ثم يتم دمجها و.في أنظمتها الوعائية Phytodegradation is often called phytotransformation. In this process, the contaminants taken up by the plants are broken down into simpler or less-toxic molecules with the help of compounds (such as enzymes) synthesized by plants and then incorporated and/or metabolized into their vascular systems. كبيرا من اإلنزيمات نتيجة لعملية التمثيل الغذائي األولية والثانوية ويمكنها امتصاص الملوثات ً تصنع النباتات عددًا.العضوية واستقالبها بسرعة إلى مركبات أقل سمية Plants synthesize a large number of enzymes as a result of primary and secondary metabolism and can quickly uptake and metabolize organic contaminants to less toxic compounds..تحتوي النباتات التي لديها قدرة على التحلل النباتي على إنزيمات يمكن أن تحفز تحلل الملوثات Plants having a phytodegradation capacity contain enzymes that can catalyze the degradation of contaminants. ، عندما تعمل آلية التحلل النباتي.reductases و، واألكسجين،dehalogenases هذه اإلنزيمات بشكل عام هي.يتم تكسير الملوثات بعد أن تمتصها النبتة These enzymes are generally dehalogenases, oxygenases, and reductases. When the phytodegradation mechanism is at work, contaminants are broken down after they have been taken up by the plant. يحدث امتصاص النبات عمو ًما فقط عندما تقع قابلية الملوثات، كما هو الحال مع االستخراج النباتي والتطهير النباتي.للذوبان والكارهة للماء ضمن نطاق مقبول معين As with phytoextraction and phytovolatilization, plant uptake generally occurs only when the contaminants' solubility and hydrophobicity fall into a certain acceptable range. ويمكن أن يعالج، مثل المذيبات المكلورة ومبيدات األعشاب،لوحظ أن التحلل النباتي يعالج بعض الملوثات العضوية.الملوثات في التربة أو الرواسب أو المياه الجوفية Phytodegradation has been observed to remediate some organic contaminants, such as chlorinated solvents and herbicides, and it can address contaminants in soil, sediments, or groundwater. عادة ً ما تقوم النباتات بتحويل المركبات العضوية ثم تقرن أو تربط المنتجات بجدار الخلية أو تخزن االتحادات في.فجوات Typically, plants transform organic compounds and then conjugate or bind the products to the cell wall or store the conjugates in vacuoles. مما يؤدي عادة ً إلى تمعدن، تقوم الكائنات الدقيقة التقويضية بتحويل المركبات العضوية أثناء عملية التمثيل الغذائي.إلى ثاني أكسيد الكربون والماء Catabolic microorganisms transform organic compounds during metabolism, usually resulting in mineralization to carbon dioxide and water. نظرا ألن مسارات التحول هذه يمكن أن تكون ً.بعض النباتات تستخدم التحويل االختزالي وبعض التحول التأكسدي يتم استخدام التخثر النباتي واألكسدة النباتية للتمييز بين العوامل المسببة في األنظمة، هي نفسها بالنسبة للبكتيريا.الحيوية المختلطة Some plants employ reductive transformation and some oxidative transformation. Because these transformation pathways can be the very same for bacteria, phytoreduction and phytooxidation are used to distinguish causative agents in mixed biotic systems. 4- Phytovolatilization or Biovolatilization: :فيتوفوالتيزيشن أو بيوفوالتيزيشن-4 إن عملية المعالجة بالنبات هي عملية خاصة للمعالجة النباتية باستخدام النباتات لتراكم المركبات السامة من التربة.يليها التحول إلى شكل متطاير وإطالقها في الغالف الجوي من خالل النتح Phytovolatilization is a special process of phytoremediation using plants to accumulate toxic compounds from soil followed by transformation into volatile form and release into the atmosphere through transpiration. يمكن أن يحدث التصلب النباتي مع الملوثات الموجودة في التربة أو الرواسب أو الماء وقد وجد أنه يحدث مع وكذلك المواد الكيميائية غير العضوية التي لها أشكال، بما في ذلك ثالثي كلورو إيثين، المركبات العضوية المتطايرة. مثل السيلينيوم والزئبق والزرنيخ، متطايرة Phytovolatilization can occur with contaminants present in soil, sediments, or water and has been found to occur with volatile organic compounds, including trichloroethene, as well as inorganic chemicals that have volatile forms, such as selenium, mercury, and arsenic. يحدث التصلب النباتي عندما تمتص األشجار والشجيرات واألعشاب األخرى الماء والملوثات العضوية وغير.العضوية Phytovolatilization occurs as growing trees and other shrubs and herbs take up water and organic and inorganic contaminants. تعتمد هذه العملية على حقيقة أن بعض الملوثات السامة يمكن أن تمر عبر النباتات إلى األوراق وتتطاير في الغالف.الجوي بتركيزات منخفضة نسبيًا This process is based on the fact that some toxic contaminants can pass through the plants to the leaves and volatilize into the atmosphere at comparatively low concentrations. ضا انتشار الملوثات من السيقان أو أجزاء النبات األخرى التي ينتقل الملوث من خاللها ً قد يستلزم التطهير النباتي أي.قبل الوصول إلى األوراق Phytovolatilization may also entail the diffusion of contaminants from the stems or other plant parts that the contaminant travels through before reaching the leaves. يتم استخدام.ال تقضي هذه التقنية على الملوثات المتطايرة من البيئة ولكنها تزيلها من التربة والمياه الجوفية. والسيلينيوم، والزئبق، بنجاح في معالجة التربة الملوثة باألسنانPhytovolatilization This technology does not eliminate volatile contaminants from the environment but removes them from the soil and groundwater. Phytovolatilization is successfully used for the remediation of As-, Hg-, and Se-contaminated soils. مثل الحد األدنى من اضطراب الموقع وتقليل التعرية وعدم الحاجة إلى التخلص من، تتمتع هذه التقنية ببعض الفوائد ال توجد سيطرة على انتقال الملوثات المعدنية التي تمت إزالتها عن طريق، ومع ذلك.النباتات الملوثة بالمعادن.كبيرا على هذه التقنية ً وهو ما يمثل قيدًا، التطاير إلى مناطق أخرى This technology has some benefits, such as minimal site disturbance, less erosion, and no need to dispose of metal-contaminated plants. However, there is no control over the migration of metal contaminants that have been removed via volatilization to other areas, which is a major limitation of this technology. 5- Rhizofiltration الترشيح الجذري-5 وترسب المعادن، وتركيز، أو مائية المتصاص/ الترشيح الجذري هو عملية معالجة نباتية باستخدام نباتات أرضية و.من مصادر ملوثة من خالل نظمها الجذرية Rhizofiltration is a process of phytoremediation using terrestrial and/or aquatic plants to uptake, concentrate, and precipitate metals from contaminated sources through their root systems. ، مثل التربة الرطبة والمياه الجوفية، تسلط هذه اآللية الضوء على إزالة المعادن السامة المشتقة من البيئات المائية.عن طريق الجذور This mechanism highlights the removal of toxic metals derived from aquatic environments, such as damp soil and groundwater, by the rhizosphere. كالهما يعتمد على، امتصاص المعادن بواسطة نظام الجذر وإزالتها. بمعنى،تتوفر استراتيجيتان الستغالله الفعال.الفسيولوجية والكيمياء الحيوية خصائص النبات المعني Two strategies are available for its effective exploitation, viz. Sorption of metals by the root system and their removal, both of which depend on the physiological and biochemical characteristics of the involved plant. الماء،هذه التقنية فعالة بشكل خاص بسبب قدرة بعض النباتات على امتصاص كميات كبيرة من المعادن من التربة.المتراكم أو المار من خالل الجذر منطقة This technology is especially effective because of the ability of some plants to absorb large quantities of metals from soil, water, accumulated or passing through the root zone. والقدرة على تجميع، وكتلة حيوية للجذور،يجب أن تمتلك النباتات المثالية لترشيح الجذور أنظمة جذر واسعة النطاق.وتحمل كميات أكبر من المعادن السامة وتنطوي على سهولة المناولة وتكلفة صيانة منخفضة The ideal plants for rhizofiltration should possess extensive root systems, root biomass, and the ability to accumulate and tolerate higher amounts of toxic metals and involve easy handling and a low maintenance cost. ، ضا بواسطة النبات وإزالتها من الموقع عند حصاد النبات ؛ ومع ذلك ً تمتص الملوثات أي،في عملية ترشيح الجذور. تتم إزالة الملوثات من المرحلة المذابة وتتركز في نظام الجذر،في هذه الحالة In the rhizofiltration process, contaminants are also taken up by the plant and removed from the site when the plant is harvested; however, in this case, the contaminant is removed from the dissolved phase and concentrated in the root system. أو مياه، المياه السطحية،)عادة ما يتم استغالل الترشيح الجذري في المياه الجوفية (سواء في الموقع أو المستخرجة.الصرف إلزالة المعادن أو غيرها من المركبات غير العضوية Rhizofiltration is typically exploited in groundwater (either in situ or extracted), surface water, or wastewater for removal of metals or other inorganic compounds. والتي يتم تثبيتها بشكل أساسي، Cr وZn وNi وCu وCd وPb مثل، HMs يمكن استخدام هذه التقنية مع ضا النشاطً فإن المستقلبات الثانوية والمكونات األخرى إلفرازات الجذر تحفز أي، باإلضافة إلى ذلك.داخل الجذور. منتج ثانوي قد يكون تحلل الملوثات العضوية،الميكروبي This technology can be used for HMs, such as Pb, Cd, Cu, Ni, Zn, and Cr, which are primarily held within the roots. In addition, secondary metabolites and other components of root exudates also stimulate microbial activity, a by-product of which may be degradation of organic pollutants. 6-Rhizodegradation: : التحلل الجذور-6 ضا ً ويسمى أي.التحلل الجذري هو تكسير الملوثات في التربة من خالل النشاط الميكروبي لجذور الغالف الجوي أو، التحلل البيولوجي لجذور الغالف الجوي المعزز، التحلل البيولوجي لجذور الغالف الجوي، التحفيز النباتي. التدهور بمساعدة النبات/ المعالجة البيولوجية Rhizodegradation is the breakdown of contaminants in the soil through the microbial activity of the rhizosphere. It is also called phytostimulation, rhizosphere biodegradation, enhanced rhizosphere biodegradation, or plant-assisted bioremediation/degradation. يتم دعم هذه العملية بشكل كبير من خالل اإلفرازات التي تحتوي على مجموعة.هذه العملية أبطأ من التحلل النباتي.واسعة من المركبات العضوية This process is slower than phytodegradation. This process is greatly supported by exudates containing a wide range of organic compounds. الكائنات الحية.يحدث التحلل الجذري في منطقة الجذور عن طريق خلق ظروف مفيدة لنمو الميكروبات وتطورها.) استهالك واستيعاب المواد العضوية (الوقود والمذيبات،الدقيقة مثل الفطريات والبكتيريا والخميرة Rhizodegradation takes place in the rhizosphere by creating beneficial conditions for microbial growth and development. Microorganisms, such as fungi, bacteria, and yeast,consume and assimilate organic matter (fuels and solvents). قد تكون الكائنات الحية الدقيقة منتشرة جدًا في منطقة الجذور ألن النبات ينضح بالسكريات واألحماض األمينية. والمركبات األخرى التي يمكن أن تحفز نمو البكتيريا،واإلنزيمات Microorganisms may be so prevalent in the rhizosphere because the plant exudes sugars, amino acids, enzymes, and other compounds that can stimulate bacterial growth..ومسارا لنقل األكسجين من البيئة ً ضا مساحة سطحية إضافية للميكروبات لتنمو عليها ً توفر الجذور أي The roots also provide additional surface area for microbes to grow on and a pathway for oxygen transfer from the environment. وقد تم التحقيق فيه ووجد أنه حقق، تعني الطبيعة المحلية للتحلل الجذري أنه مفيد بشكل أساسي في التربة الملوثة بما في ذلك،بعض النجاح على األقل في معالجة مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية العضوية في الغالب مبيدات اآلفات، المذيبات المكلورة، )PAHs( الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، الهيدروكربونات البترولية.) التولوين واإليثيل بنزين والزيلين (بتكس،وثنائي الفينيل متعدد الكلور والبنزين The localized nature of rhizodegradation means that it is primarily useful in contaminated soil, and it has been investigated and found to have at least some success in treating a wide variety of mostly organic chemicals, including petroleum hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), chlorinated solvents, pesticides, polychlorinated biphenyls (PCBs), and benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX).. فإن التجمعات الميكروبية ونشاطها وعملية التحلل تعتمد على أنواع النباتات وحالة التربة، ومع ذلك However, the microbial population, their activity, and the degradation process depend on the types of plants and the soil condition. 7- Phytorestoration التشجير النباتي-7.التشجير النباتي هو العالج الكامل من التربة الملوثة بالمعادن لجعلها مناسبة للنشاط الطبيعي مثل التربة غير الملوثة Phytorestoration is the complete remediation of metal-contaminated soil to make it as suitable for normal activity as non-contaminated soil. إن فحص.تستخدم عملية المعالجة النباتية هذه نباتات أصلية في منطقة معينة بهدف إعادة األرض إلى حالتها الطبيعية :التشجير النباتي مقارنة باألشكال األخرى للمعالجة النباتية يسلط الضوء على قضية مهمة This process of phytoremediation uses plants that are native to the specific area with a view to restoring the land to its natural state. An examination of phytorestoration compared to the other forms of phytoremediation brings to light an important issue: ما هي درجة إزالة التلوث التي تهدف مشاريع المعالجة النباتية إلى تحقيقها؟ هناك فرق شاسع بين إزالة ما يكفي من معالجة التربة إلى مستوى يمكن استخدامه مرة،ملوثات التربة للوصول إلى مستويات محددة قانونًا من االمتثال. واستعادة األرض تما ًما من حالتها الملوثة إلى حالة غير ملوثة بيئيًا، أخرى What degree of decontamination do phytoremediation projects aim to achieve? There is a vast difference between removing just enough soil pollutants to reach legally defined levels of compliance, remediating soils to a level at which they can be used again, and completely restoring land from its contaminated state to an environmentally uncontaminated state.