استفاده از باکتریهای محرک رشد به منظور کاهش تجمع فلزات سنگین در ذرت علوفه ای آبیاری شده با پساب
- منتشر شده در چهارشنبه, 24 ارديبهشت 1399 09:43
با توجه به کمبود منابع آب در بسیاری از مناطق کشور و افزایش حجم فاضلابهای شهری، استفاده مجدد از آنها امری اجتناب ناپذیر است. وجود فلزات سنگین و خطرات ناشی از مصرف فاضلاب در حوزه کشاورزی، حذف و یا کاهش این مواد را به امری ضروری تبدیل کرده است. از این رو مصاحبه ای با جناب آقای دکتر حسن اعتصامی ترتیب داده ایم تا علاوه بر آشنایی با پتانسیل بیوتکنولوژی در کشاورزی، با روشهای گیاهپالایی توسط باکتریهای اندوفیتی و ریزوسفری نیز آشنا شویم.
1- باعرض سلام و خسته نباشید خدمت شما استاد گرامی، لطفاً خودتان را معرفی کنید و شرح مختصری از زمینه کاری، مرتبه علمی و سایر مسئولیتهای خود بفرمایید.
اینجانب حسن اعتصامی، دارای مدرک دکترای علوم و مهندسی خاک با گرایش بیولوژی و بیوتکنولوژی خاک از دانشگاه تهران هستم و در حال حاضر بهعنوان استادیار دانشگاه تهران مشغول فعالیت میباشم. در کنار فعالیت آموزشی، عمده فعالیتهای پژوهشی بنده در زمینه بهبود رشد گیاه تحت تنشهای غیر زیستی با استفاده از میکروارگانیسمهای مفید خاکزی است.
2- اخیراً مقاله علمی در خصوص بررسی مشخصات باکتریهای اندوفیتی و ریزوسفر در ذرت آبیاریشده با پساب و پتانسیل بیوتکنولوژی در کشاورزی، توسط شما منتشر گردیده است. ضمن معرفی سایر همکاران تان، لطفاً توضیحاتی در خصوص ضرورت و هدف انجام این کار بیان کنید.
یکی از دغدغههای بنده، انتخاب موضوعهایی است که بخشی از چالشهای بخش کشاورزی کشور باشند. متأسفانه در دانشگاهها، کمتر به تولید دانش توجه میشود. هر وقت در یک زمینه علمی کاری کردیم که آن علم به صورت کاربردی در خدمت جامعه قرار گرفت و گره ای باز کرد، آن وقت میتوانیم بگوییم که دانش تولید کرده ایم. همانطور که میدانیم یکی از بحرانهای مهمی که بشر را تهدید میکند، مسئله کمبود آب است. کمبود آب در ایران یکی از عوامل اصلی توسعه فعالیتهای اقتصادی در دهههای آینده به شمار میرود.
ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی خاص، دارای اقلیم خشک و نیمهخشک است. بخش کشاورزی با 92 درصد، بزرگ ترین و مهم ترین مصرفکننده آب در کشور به شمار میرود. بیش از 80 درصد اتلاف منابع آب به دلیل عدم استفاده از تکنولوژیهای پیشرفته آبیاری است. در حال حاضر بیش از 75 درصد از ظرفیت منابع آب کشور برای مصارف مختلف برداشت میشود. این میزان طبق شاخصهای جهانی در محدوده بالای برداشت مجاز قرار دارد. تعدادی از کارشناسان معتقدند که مدیریت منابع آب کشور در شرایط فعلی مدیریت مناسبی نیست و همین امر موجب شده تا طی سالهای اخیر شاهد کاهش منابع آبهای زیرزمینی و نیز کاهش سطح زیرکشت کشاورزی در برخی مناطق باشیم. لذا دستیابی به بهبود بهرهوری آب بهعنوان شاخص مصرف آب در انواع تولیدات کشاورزی پایدار، امری ضروری است.
امروز زمان آن فرارسیده تا این واقعیت را بپذیریم که دوران دستیابی به منابع آبی جدید و یا رسیدن به دوران پرآبی تمام شده و باید تصمیمات جدیتری در راستای تحقق هدف بهرهوری آب در پیش گرفت و تمامی اقدامات و فعالیتها را در این راستا قرار داد. با افزایش بهرهوری از منابع آب، خاک، عوامل تولید، انرژی و نهادهها در جهت افزایش تولید محصولات کشاورزی، گامهای مؤثری در جهت تحققبخشی سیاستهای اقتصاد مقاومتی در راستای تأمین امنیت غذایی کشور برداشته میشود. یکی از اصلی ترین منابع آب جایگزین برای آبهای تجدیدپذیر، منابع آب غیرمتعارف شامل پسابهای شهری، صنعتی و کشاورزی، آبهای فسیلی، دریا و آبهای شور و سخت است که در کشور ما ظرفیت بسیار بالایی دارد. شاید یکی از مهمترین رسالتهای کشور، سیاستگذاری در راستای استفاده از همین آبها در کشور است.
با توجه به اینکه دهه آینده دهه جنگ آب است و دسترسی هر جامعه ای به آب سالم تر و بیش تر موجب بقا و توسعه پایدار خواهد شد، لذا استفاده مناسب تر از آب موجود و استفاده مجدد از پساب و سالمسازی آب از ضروریات برنامهریزی راهبردی کشورها محسوب میشود. استفاده از فاضلابها در کشاورزی با هدف آبیاری محصولات و حاصلخیزکردن خاکها از قدیم در کشورهای آسیایی رواج داشته است. استفاده مجدد از فاضلاب تصفیهشده در کشاورزی هر روز اهمیت بیشتری مییابد، زیرا در اغلب این کشورها، بخش کشاورزی مهم ترین مصرفکننده آب است.
با توجه به کمبود منابع آب در بسیاری از مناطق کشور و افزایش حجم فاضلابهای شهری، استفاده مجدد از آنها، امری اجتنابناپذیر میباشد. یکی از مهمترین موارد استفاده آنها، آبیاری محصولات کشاورزی است. تاکنون تحقیقات زیادی در زمینه استفاده از آبهای نامتعارف از جمله فاضلاب، در امر آبیاری و آثار آنها بر خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک، در مناطق مختلف جهان و ایران صورت گرفته است. نتایج اکثر این مطالعات نشان میدهد که آبیاری گیاهان با فاضلابها منجر به تجمع فلزات سنگین در گیاهان و آبهای زیرزمینی و همچنین آلودگی محیط زیست گردیده است. فلزات سنگین از جمله آلایندههای زیست محیطی هستند که در تمام نقاط جوامع صنعتی یافت میشوند. سمیت فلزات سنگین و تجمع آنها در زنجیرههای غذایی یکی از اصلی ترین معضلات زیست محیطی و بهداشتی جوامع مدرن است. معضل اصلی مربوط به فلزات سنگین آن است، زیرا آلایندههای غیرآلی بر خلاف آلایندههای آلی تجزیه پذیر نیستند. این واقعیت، فلزات سنگین را به یکی از خطرناک ترین آلایندههای زیست محیطی مبدل ساخته است.
اگرچه امکان اصلاح خاکهای آلوده به فلزات سنگین با استفاده از تکنیکهای شیمیایی و فیزیکی وجود دارد، اما روشهای فیزیکی و شیمیایی اصلاح مناطق آلوده به فلزات سنگین هزینهبر، وقتگیر و تخریبکننده محیط زیست است. از اینرو، طی سالهای اخیر دانشمندان و مهندسین درصدد طراحی و توسعه تکنیکهای زیستی برآمدند تا بتوانند مکانهای آلوده به فلزات سنگین را بدون اثرات سوء بر حاصلخیزی و تنوع بیولوژیکی خاک، پاکسازی و تعدیل نمایند. گیاهپالایی از جمله فناوریهای سبز و دوستدار محیط زیست است، که از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه و از لحاظ انرژی کمهزینه است. این فناوری دربرگیرنده استفاده از گیاهان و میکروارگانیسمهای وابسته به آنها جهت پاکسازی و یا تثبیت آلایندههای سمی نظیر فلزات سنگین است. قابل ذکر است که گیاهپالایی در مواردی میتواند مفید باشد که گیاه مورد نظر گیاه زراعی (غلات) یا علوفه ای یا سبزیجات خوراکی نباشد. زیر اگر قسمتهایی از گیاه استفاده شده در گیاهپالایی مورد استفاده حیوانات یا انسان (سبزیجات و میوه) قرار گیرد، متعاقباً معضلات بسیار جدی را برای سلامت و بهداشت انسانها و حیوانات ایجاد میکند.
استفاده از مواد جاذب برای حذف و بازیافت فلزات سنگین از پسابهای صنعتی آلوده، بهعنوان یک راه جایگزین رو به افزایش است. در سالهای اخیر استفاده از مواد کمهزینه مانند بیوچارهای تولیدشده از پسماندهای آلی، لجن فاضلاب و کودهای حیوانی بهعنوان جاذب برای حذف فلزات سنگین از محلولهای آبی رو به گسترش میباشد. بیوچار محصول تجزیه گرمایی مواد آلی در فشار بسیار کم اکسیژن و یا عدم حضور اکسیژن (فرایند پیرولیز) میباشد و از زغال چوب به دلیل کاربرد آن به عنوان یک اصلاح کننده خاک متمایز میباشد. بیوچار به علت داشتن ساختار کربنی، تخلخل و سطح ویژه بالا میتواند بهعنوان یک جاذب، نقش مهمی در کنترل آلایندهها ایفا کند. از طرف دیگر، گیاهان به برخی از فلزات سنگین در غلظتهای بسیار پایین نیاز دارند، اما زمانی که غلظت این فلزات از حد نیاز گیاه بالاتر میرود منجر به بروز اختلالات متابولیکی و بازدارندگی رشد اغلب گونههای گیاهی میگردند. بنابراین غلظت زیاد این عناصر در خاک میتواند باعث ایجاد تنش در گیاهان شود و در نهایت منجر به کاهش رشد و عملکرد گیاه گردد. مشخص شده است که میکروارگانیسمهای ریزوسفری و اندوفیتی گیاه میتوانند از طریق مکانیسمهای مختلف، گیاهان را در برابر شرایط تنش ناشی از فلزات سنگین محافظت کنند و مقاومت گیاهان را در برابر این تنشها افزایش دهند.
گزارشهایی وجود دارد که نشان میدهد باکتریهای ریزوسفری و اندوفیتی گیاه میتوانند از طریق مکانیسمهای مختلف منجر به کاهش جذب و تجمع فلزات سنگین در گیاه (یا در اندامهای هوایی) نیز گردند. بنابراین، هدف از این مطالعه، امکانسنجی استفاده از بیوچار و باکتریهای محرک رشد گیاه به منظور کاهش تجمع فلزات سنگین در ذرت علوفه ای آبیاری شده با پساب فاضلاب شهری-صنعتی بود که بر اساس توضیحهای مذکور ضروری بهنظر میرسید. تعیین ویژگیهای باکتریهای ریزوسفری و اندوفیتی ریشه گیاه ذرت علوفه ای، قسمتی از این تحقیق بود که به منظور رسیدن به یک باکتری محرک رشد گیاه، مقاوم به فلزات سنگین و جاذب فلزات، صورت گرفت. همکاران من در این تحقیق سرکار خانم مطهره عابدین زاده دانشجوی کارشناسی ارشد بیولوژی و بیوتکنولوژی خاک دانشگاه تهران و دکتر حسینعلی علیخانی استاد بیولوژی و بیوتکنولوژی خاک دانشگاه تهران بودند.
3- لطفاً در خصوص پیشینه فعالیت صورت گرفته در داخل و خارج از کشور توضیحاتی بفرمایید.
در داخل و خارج از ایران تاکنون مطالعاتی بر روی بیوچار به عنوان یک جاذب عناصر سنگین و باکتریهای محرک رشد گیاه (اندوفیتی یا ریزوسفری) بهطور همزمان بهعنوان کاهشدهندههای تجمع این عناصر در گیاهان آبیاریشده با پسابها انجام نشده است. اما در برخی مطالعات در ایران و خارج از ایران گزارشهایی درباره استفاده از بیوچار بهعنوان جادب فلزات سنگین گزارش شده است.
4- با توجه به اینکه در این پژوهش مشخصات باکتریهای اندوفیتی و ریزوسفری موجود در گیاه ذرت بررسی شده است، لطفاً به صورت مختصر در مورد این نوع باکتریها و نقش آنها در رشد گیاه توضیح دهید.
باکتریهای ریزوسفری محرک رشد، گروه ویژه ای از باکتریهای خاک هستند که با کلونیزاسیون در محیط ریشه باعث افزایش رشد و کارایی گیاه از طریق مکانیسمهای مستقیم و غیرمستقیم میشوند. به باکتریهایی که از بافتهای گیاهی پس از ضد عفونی سطحی آنها جداسازی یا از درون گیاه استخراج شوند و هیچ علائمی از بیماری را بر روی گیاه نشان ندهند و به گیاه صدمه نزنند، باکتریهای اندوفیت گفته میشود. این باکتریها ارتباط نزدیک تری با گیاه دارند. اندوفیتها میتوانند بهطور مستقیم و غیرمستقیم مشابه باکتریهای ریزوسفری باعث تحریک و افزایش رشد گیاه شوند. ظرفیت باکتریها برای کلونیزه کردن بافتهای داخلی گیاهان، یک امتیاز اکولوژیکی نسبت به باکتریهای فقط کلونیزه کننده سطح گیاه محسوب میشود. بافتهای داخلی گیاهان محیط یکنواخت و مطمئن تری برای باکتریها نسبت به سطحهای گیاهی میباشند، زیرا در داخل گیاه رقابت با میکروارگانیسمهای ریزوسفری دیگر وجود ندارد و منابع کربنی با نوسانات کمفشار اکسیژن خاک فراهم میشود. اما باکتریهای ریزوسفری در معرض شرایط محیطی مثل دما، پتانسیلهای اسمزی، تابشهای فرابنفش و… هستند. این شرایط از فاکتورهای اصلی محدود کننده بقا طولانی مدت باکتریها هستند. این باکتریها از طریق تولید هورمونهایی مثل ایندول استیک اسید (افزایشدهنده سیستم ریشه ای گیاه)، آنزیم ACC دآمیناز (کاهش دهنده اتیلن تنشی) و سیدروفور (افزایش فراهمی آهن برای گیاه ) و حلالیت فسفاتهای نامحلول (افزایش فراهمی فسفر برای گیاه) میتوانند باعث افزایش رشد و کارآیی گیاه تحت تنشهای محیطی مختلف شوند.
5- کاربرد این نوع باکتریها چیست؟ اهمیت و مزایای زیستمحیطی استفاده از آنها چیست؟
باکتریهای به دست آمده از این تحقیق به دلیل داشتن ویژگیهای محرک رشد، مقاوم بودن به فلزات سنگین و شوری و توانایی در جذب فلزات سنگین میتوانند در افزایش رشد گیاهان آبیاری شده با فاضلاب، کاهش تجمع فلزات سنگین در اندامهای هوایی گیاه آبیاریشده با فاضلاب و نیز در زیستپالایی خاکها و آبهای آلوده به فلزات سنگین استفاده شوند. در مطالعه ای دیگر، ما نشان دادیم که جدایههای برتر توانستند موجب رشد گیاه ذرت و همچنین کاهش تجمع فلزات سنگین در گیاه ذرت علوفه ای (در محدوده مجاز برای استفاده دام) گردند.
6- به صورت کلی آبیاری گیاهانی مانند ذرت، توسط پسابهای شهری و صنعتی در کدام مناطق کشور صورت میگیرد؟
در حال حاضر در بسیاری از شهرهای ایران، فاضلابهای خانگی و روانآبهای سطحی و بعضاً پسابهای صنعتی پس از خروج از شهر، در زمینهای کشاورزی پاییندست استفاده میشود. برای مثال نهر فیروزآباد تهران که بار زیادی از آلودگی روانآبهای سطحی شهر و پساب کارخانجات و فاضلابها به آن تخلیه میشود، سالهای متمادی است که بهعنوان نهر آبیاری محصولات کشاورزی زمینهای جنوب شهر به کار میرود .
7- در این پژوهش، چه نوع ویژگیها و خصوصیتهایی در خصوص باکتریهای ذکرشده ارزیابی شده است؟ لطفاً نتایج حاصل را شرح دهید.
در این مطالعه، توانایی باکتریهای جدا شده از گیاه ذرت از نظر تولید هورمون ایندول استیکاسید، سیدروفور و آنزیم ACC دآمیناز و حلالیت فسفاتهای نامحلول ارزیابی شد. علاوه بر این مقاومت، جدایههای باکتریایی به فلزات سنگین و شوری نیز مطالعه شد. توانایی حذف فلزات سنگین توسط جدایههای برتر از محیط آبی نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که جدایههای ریزوسفری و اندوفیتی دارای ویژگیهای مختلف محرک رشد گیاه بودند. تعداد قابل توجهی از جدایههای باکتریایی (جدایههای اندوفیتی و ریزوسفری) به فلزات سنگین مقاوم بودند. در مقایسه با جدایههای اندوفیتی، جدایههای ریزوسفری مقاومت بیشتری نسبت به فلزات سنگین داشتند. به صورت کلی، جدایههای اندوفیتی و ریزوسفری دارای مقاومت قابل توجهی در برابر شوری (7 درصد NaCl) بودند. جدایههای برتر توانستند از طریق جذب فلزات سنگین درصد قابل ملاحظهای از فلزات سنگین را از محیط آبی حذف کنند.
8- مزیت مقاومبودن این باکتریها به فلزات سنگین یا میزان شوری آب چیست؟ در این تحقیق چه نتایجی در خصوص ویژگی محرک رشد گیاهی (PGP) به دست آمده است؟
آبیاری گیاهان با فاضلابهای صنعتی و شهری در دراز مدت منجر به تجمع فلزات سنگین در خاک میگردد. همچنین فاضلابها حاوی املاح مختلف هستند که منجر به شوری خاک میشود. تجمع فلزات سنگین در خاک به نوبه خود روی رشد و فعالیت میکروارگانیسمها از جمله باکتریها اثر منفی دارد. بنابراین باکتریهایی میتوانند در چنین شرایطی زنده مانده و به فعالیت خود ادامه دهند که نسبت به فلزات سنگین و شوری مقاوم باشند. در این مطالعه درصد قابل ملاحظه ای از باکتریهای ریزوسفری و اندوفیتی از نظر تولید ویژگی محرک رشد گیاه مثبت بودند و میتوانند جهت بهبود رشد گیاهان ذرت که با فاضلابها آبیاری میشوند، مورد استفاده قرار گیرند. نتایج این مطالعه نشان دادند که ریزوسفر و اندوسفر گیاه ذرت آبیاری شده با فاضلاب صنعتی و شهری حاوی باکتریهای مقاوم به فلزات سنگین و شوری با پتانسیل تحریک رشد گیاه میباشد که میتوانند در جهت بهبود رشد گیاه ذرت ابیاری شده با فاضلابها و در کاهش تنش فلز سنگین در این گیاه استفاده شوند.
9- پتانسیل بیوتکنولوژی این باکتریها در حوزه کشاورزی را چگونه ارزیابی میکنید؟
همانگونه که ذکر شد، این باکتریها از طریق مکانیسمهای مختلف (تولید ویژگیهای محرک رشد گیاه) توانستند تنش ناشی از فلزات سنگین را کاهش دهند و منجر به رشد گیاه ذرت آبیاری شده با فاضلاب شوند. علاوه بر این، این باکتریها بهعلت مقاوم بودن به شوری و فلزات سنگین، میتوانند در خاکهای شور و آلوده به فلزات سنگین نیز استفاده شوند.
10- نوآوری این تحقیق را به صورت مختصر بیان کنید. برنامه شما برای ادامه این پژوهش در آینده چیست؟
در این تحقیق ما به باکتریهایی با پتانسیل بالا در افزایش رشد گیاه و کاهش تجمع فلزات در گیاه ذرت رسیدیم. در مطالعه دیگر، ما برای اولین بار نشان دادیم که کاربرد توأم بیوچار با این باکتریها اثر قابل ملاحظه ای بر افزایش رشد گیاه و کاهش جذب فلزات سنگین توسط گیاه ذرت علوفه ای داشت. این باکتریها توانستند غلظت فلزات سنگین را در گیاه ذرت علوفه ای به زیر محدوده مجاز برای استفاده دام برساند. طبعاً نتایج حاصل از این پژوهش میتواند گامی مهم و مؤثر در رسیدن به روشی بهتر برای استفاده مجدد از پساب فاضلابها برای مصارف کشاورزی و صنعتی باشد. اثر بیوچار و باکتریها در کاهش جذب فلزات سنگین توسط گیاه ذرت علوفهای آبیاری شده با فاضلاب تحت شرایط گلخانه ای نیز انجام شد (نتایج چاپ نشده است). ما قصد داریم این ارزیابی را تحت شرایط مزرعه ای (شرایط طبیعی) نیز در آینده انجام دهیم.
11- نقش نهادهای دولتی و سیاستگذار در بهکارگیری و حمایت از این نوع تحقیقات چگونه است؟
برخی از حمایتهای مالی این طرح از طرف صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران کشور تأمین شد که کمک بزرگی در انجام این تحقیق بود و از آنها سپاسگزاری میکنم. در بیشتر زمینههای علمی، ما دارای دانش فنی لازم هستیم اما از نظر ابزارهای فیزیکی در اکثر حوزههای علمی با محدودیتهای عمده مواجه هستیم که نیاز به حمایت جدی است. اختصاص بودجه بیشتر به تحقیقات (سرمایهگذاری بیشتر بر روی کارهای علمی) و حمایت بیشتر از محقق نیز توصیه میشود. سیاستگذاری، تخصیص امکانات، جلوگیری از کارهای تکراری، سنجیدن نیازها و اطلاعرسانی به مراکز و یا پژوهشگرها باید به درستی انجام شود. فاصله میان مشکلات صنعت و دانشگاه بسیار زیاد است. تعامل دائمی با صنایع، باعث میشود دانشجویان مهارتهای لازم در صنعت و بازار کار را یاد بگیرند. آنها پس از فارغالتحصیلی بهدلیل همین دانش، مهارت و تجربه، میتوانند مستقیماً در یکی از صنایع مشغول به کار شوند. تجربه ثابت کرده است که استفاده از ظرفیت علمی دانشگاهها در حل مسائل روز جامعه، نتایج مثبتی داشته و باید این ظرفیت در ایران نیز تقویت شود.
12- موانع و مشکلاتی که در این پروژه با آن مواجه بودید را بیان کنید.
در مقایسه با سایر تحقیقات، تحقیقات زیستی بسیار پرهزینه هستند. بهطور کلی، نبود اعتبار کافی برای تکرار و انجام برخی آزمایشها و نبود دستگاهای دقیق و نو از موانع اصلی این پروژه بود. بیشتر دستگاهها و تجهیزات آزمایشگاهی در اکثر دانشگاهها فرسوده هستند که باید نوسازی شوند.
13- لطفاً نام سازمان و یا نهادهایی که پروژه شما را حمایت کردهاند بیان کنید.
این طرح تحقیقاتی بسیار پر هزینه بود که برخی از هزینههای آزمایشگاهی این پروژه از طرف دانشگاه تهران و صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران کشور تأمین شد که از حمایتهای آنها سپاسگزارم.
مصاحبهکننده: جواد طغیانی