المعادن الثقيلة في التربة الملوثة.. المصدر والتراكم والمخاطر الصحية وعملية المعالجة

إعداد: أ.د.عطية الجيار

أستاذ بمعهد بحوث الأراضي والمياه والبيئة بمركز البحوث الزراعية

يُعد تلوث التربة بالمعادن الثقيلة قضية تثير قلقا عالميا وتؤدي في النهاية إلى السمية والأمراض لدى البشر والحيوانات من خلال استهلاك المحاصيل الغذائية من التربة الملوثة. إن التأثيرات السامة لهذه المعادن، رغم أنه ليس لها أي دور بيولوجي، تظل موجودة بشكل أو بآخر ضارة بجسم الإنسان وعمله السليم.

تابعونا على قناة الفلاح اليوم

تابعونا على صفحة الفلاح اليوم على فيس بوك

تشير المعادن الثقيلة الموجودة في التربة إلى بعض المعادن الثقيلة ذات السمية البيولوجية، بما في ذلك الكوبالت (Co)، والكادميوم (Cd)، والرصاص (Pb)، والكروم (Cr)، والزرنيخ (As) وما إلى ذلك. ومع تطور الاقتصاد العالمي إن نوع ومحتوى المعادن الثقيلة في التربة الناتجة عن الاستخدام العشوائي للأغراض البشرية قد أدى إلى تغيير دوراتها الجيوكيميائية وتوازنها الكيميائي الحيوي.

هناك العديد من المصادر المعروفة للمعادن الضارة، بما في ذلك الأرض، التي تطلقها في الغذاء والهواء والماء، والأنشطة البشرية، مثل استخدام الأسمدة في الزراعة، واستخدام المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب، والري. المصادر الأخرى هي انبعاثات السيارات، والدهانات، وتدخين السجائر، والصناعات، والصرف الصحي والتخلص من النفايات.

نستعرض في سطور هذا التقرير تفاصيل حول بعض المعادن الثقيلة وسميتها وتراكمها الحيوي وتحللها البيولوجي وحركتها وقابليتها للذوبان في التربة الملوثة بالإضافة إلى آثارها الصحية. تعد معالجة المعادن الثقيلة في التربة الملوثة ضرورية للحد من المخاطر المرتبطة بها، وجعل التربة المتاحة آمنة للإنتاج الزراعي، وتعزيز الأمن الغذائي وتقليل مشاكل حيازة الأراضي الناشئة عن التغيرات في نمط استخدام الأراضي، ويوصي الاستعراض برصد منتظم للمعادن الثقيلة في التربة. التربة والخضروات والمواد الغذائية لمنع التراكم المفرط في السلسلة الغذائية.

مقدمة: العناصر المعدنية هي مكونات جوهرية للبيئة. ويعتبر وجودها فريدا من نوعه، حيث أنه من الصعب إزالتها تماما من البيئة بمجرد دخولها فيها. يشكل المعدن فئة مهمة من المواد السامة التي يتم مواجهتها في العديد من الظروف المهنية والبيئية.

يعد تأثير هذه العوامل السامة على صحة الإنسان حاليا مجالا شديد الاهتمام نظرا لتواجد التعرض لها في كل مكان. مع تزايد استخدام مجموعة واسعة من المعادن في الصناعة وفي حياتنا اليومية، اتخذت المشاكل الناجمة عن تلوث البيئة بالمعادن السامة أبعادًا خطيرة. المعادن هي مواد ذات موصلية كهربائية عالية، وقابلية للطرق، واللمعان، والتي تفقد إلكتروناتها طوعًا لتكوين الكاتيونات.

مع الانتشار السريع والواسع النطاق للملوثات مثل المعادن الثقيلة في الأراضي الزراعية، زاد الضغط على النظم البيئية والمجتمعات الأرضية بشكل كبير. يمكن أن يؤدي التلوث بالمعادن الثقيلة في الأراضي الزراعية إلى زيادة التعرض الغذائي من خلال عمليات نقل السلسلة الغذائية من التربة إلى النبات. إن منع وجود المعادن الثقيلة في التربة الملوثة ليس ضروريا فقط للتحكم في المصادر ولكن أيضًا لتعزيز كفاءة معالجة التربة الملوثة.

مفهوم التربة

تعتبر التربة موردا قيما للأمة التي تحدد جودتها قدرتها على العمل بشكل جيد في العديد من الاستخدامات المتنازع عليها. التربة هي أحد مكونات الأرض التي تحافظ على الحياة، وهي العامل الأكثر أهمية في الإنتاج الزراعي كونها الوسيلة الرئيسية لنمو النباتات. إن التلاعب بقاعدة الموارد هذه أو إدارتها له تأثير كبير على البيئة أو النظم البيئية بسبب آثارها على الموارد المائية والمستوطنات البشرية ونوعية الغلاف الجوي وتلوث المياه والأراضي ونوع الغطاء النباتي وتوزيعه ومصايد الأسماك والحياة البرية.

إن وضع خطة للحصول على تربة صحية ومنتجة أمر ضروري لبقاء الإنسان، فدخول المواد البيولوجية أو الطاقة إلى التربة سيؤدي إلى تغيرات في الجودة. تؤدي هذه المشكلة إلى إزالة التربة عن حالتها الطبيعية.

تعريف ومفهوم جودة التربة

التربة هي وسط بيئي معقد ذو درجة عالية من عدم التجانس حيث تتفاعل المكونات الصلبة والسائلة والغازية ضمن العديد من العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية المترابطة. توفر التربة خدمات النظام البيئي (الفوائد التي يحصل عليها الناس من التربة) مثل الغذاء والماء والأخشاب والألياف؛ وتنظيم الخدمات التي تؤثر على المناخ والفيضانات والأمراض والنفايات ونوعية المياه؛ الخدمات الثقافية التي توفر فوائد ترفيهية وجمالية وروحية؛ والخدمات الداعمة مثل تدوير المغذيات.

التربة هي واحدة من الموارد الهامة والقيمة للطبيعة. الحياة والعيش على الأرض سيكون مستحيلا بدون تربة صحية. 95% من غذاء الإنسان يأتي من الأرض. تتكون التربة من جزأين، جزء حى من التربة وجزء ميت من التربة. الجزء الميت من التربة يشمل الصخور والمعادن التي يتم الحصول عليها من تحلل النباتات والحيوانات، والتي تسمى المواد العضوية أو الدبال، ويصنف في هذا الجزء الماء والهواء.

التربة الحية هي التربة التي تحتوي على حيوانات صغيرة مثل الحشرات والديدان والنباتات والفطريات والبكتيريا والميكروبات الأخرى. يمثل طقس التربة في المناطق الحضرية أو الزراعية وسيطاً ومصرفاً لإطلاق المعادن إلى البيئة وأيضاً وسيطاً يتم فيه إنتاج المحاصيل الزراعية وتتضح إمكانية امتصاص المحاصيل لهذه المعادن .

عوامل وعملية تكوين التربة

تتشكل التربة من خلال العمليات التي تعمل على المواد الجيولوجية المتراكمة أو المترسبة (المتعلقة بالقشرة الطبيعية). يتم تحديد خصائص التربة حسب نوع المادة، والكائنات الحية (الحياة النباتية والحيوانية في التربة وفيها)، والمناخ الذي كانت عوامل تكوين التربة نشطة فيه (والتي تنشط حاليا)، والتضاريس، وطول الفترة الزمنية.

إن قوى تكوين التربة كانت نشطة. يعتمد المحتوى الإجمالي للمعادن الثقيلة في التربة بشكل أساسي على نوع الصخور المضيفة وعوامل تكوين التربة، وتتغير كمية هذه العناصر في التربة (على وجه الخصوص) بفعل العوامل البشرية والمناخية. تكوين التربة هو عملية بناءة ومدمرة.

تهيمن العملية التدميرية على التحلل الفيزيائي والكيميائي للمواد والنباتات والهياكل الحيوانية، مما يؤدي إلى فقدان جزئي لمنتجات أكثر قابلية للذوبان والتطاير. تقوم القوى البناءة بتطوير مركبات كيميائية جديدة، معدنية وعضوية على حد سواء، وتوفر خصائص توزيع أو ارتباط جديدة، وخصائص هيكلية بالإضافة إلى تركيبات كيميائية.

تعريفات المعادن الثقيلة

توجد تعريفات مختلفة للمعادن الثقيلة المقترحة بالفعل؛ تعتمد بعض التعاريف على الكثافة أو العدد الذري أو الوزن الذري والبعض الآخر على السمية أو الخواص الكيميائية. يشير مصطلح “المعادن الثقيلة” إلى مجموعة من المعادن السامة وأشباه الفلزات المرتبطة بالتلوث والسمية والتي تزيد كثافتها عن 6 ملجم/سم3 ووزنها الذري أكبر من وزن الحديد.

يتم التعرف على المعادن الثقيلة على نطاق واسع واستخدامها كعضو في مجموعة فرعية محددة بشكل فضفاض من العناصر التي تظهر طابعا / خصائص معدنية، وهي تشمل بشكل أساسي المعادن الانتقالية، وأشباه الفلزات، واللانثانيدات والأكتينيدات. يمكن أيضا الإشارة إلى المعادن الثقيلة على أنها أي عنصر كيميائي معدني ذو كثافة عالية نسبيا ويكون ساما أو ساما بتركيز منخفض. هذه المعادن الثقيلة هي مسار التلوث البيئي (التلوث بالمعادن الثقيلة) من عدد من المصادر.

مصادر المعادن الثقيلة في التربة

المعادن الثقيلة هي مكونات طبيعية لقشرة الأرض وهي ملوثات بيئية ثابتة؛ فهي غير قابلة للتحلل وتدخل في التربة بطرق مختلفة وتتراكم أحيائيًا على مدى فترة من الزمن، والمعادن الثقيلة الأكثر شيوعًا الموجودة في التربة الملوثة هي بالترتيب Pb، Cr، As، Zn، Cd، Cu، Hg ،. تشمل مصادر التلوث بالمعادن الثقيلة في التربة العمليات الطبيعية والأنشطة البشرية.

ـ المصادر الطبيعية: تتواجد المعادن الثقيلة بشكل طبيعي في العديد من أنواع التربة وبتراكيز مختلفة. تنشأ المعادن الموجودة في التربة الطبيعية غير الملوثة بشكل حصري من الغلاف الصخري، وبالتالي من الجزء المعدني من التربة الذي يشكل الصخور والمعادن التي تشكل القشرة الأرضية.

تصل العناصر الموجودة طبيعيا إلى التربة من الركيزة الأم بسبب العمليات التربوية المتمثلة في تجوية المواد الأم بمستويات تعتبر ضئيلة ونادرا ما تكون سامة، كما أن الانفجارات البركانية، ورذاذ ملح البحر، وحرائق الغابات، والمصادر الحيوية، وجزيئات التربة التي تحملها الرياح كما تم الإبلاغ عن أنها تساهم بشكل كبير في التلوث بالمعادن الثقيلة.

ـ المصادر البشرية: بسبب الأنشطة البشرية المختلفة، يمكن تجاوز المستويات الطبيعية للمعادن الثقيلة في التربة. قد تصبح التربة ملوثة بسبب تراكم المعادن الثقيلة وأشباه الفلزات من خلال الانبعاثات من المناطق الصناعية سريعة التوسع، ومخلفات المناجم، وإلقاء النفايات، والتخلص من النفايات عالية المعادن، من البنزين والدهانات المحتوية على الرصاص، والأنشطة الزراعية، واستخدام الأسمدة والسماد الحيواني، ومياه الصرف الصحي الحمأة، والمبيدات الحشرية، والري بمياه الصرف الصحي، وبقايا احتراق الفحم، وجريان المياه في الأنظمة الأرضية، والنفايات السائلة الصناعية والمنزلية، وانسكاب البتروكيماويات، والتسربات العرضية، والترسب الجوي.

يتم إطلاق المعادن الثقيلة في أشكال مركبة (غير عضوية وعضوية) وعناصر. وفي بعض الحالات، تستمر المعادن المنبعثة من هذه العمليات في التراكم في التربة والأجزاء البيئية الأخرى حتى بعد فترة طويلة من انتهاء هذه الأنشطة. تعد المعادن الثقيلة المنبعثة من مصادر بشرية أكثر خطورة بسبب عدم استقرارها وقابليتها للذوبان، مما يؤدي إلى توافر حيوي مرتفع.

بشكل عام، يمكن أن تكون مصادر تلوث التربة البشرية من المنشأ:

الانتشار (التشتت): وهو أمر أكثر صعوبة في السيطرة عليه (مثل الزراعة، وحركة المرور، والجريان السطحي من المناطق الحضرية أو من الأراضي الزراعية، والتلوث الجوي، ومدافن النفايات البرية).

النقاط (المركزة): وهي محددة محلياً بالكامل والتي يمكن التحكم فيها بسهولة أكبر (مثل التعدين والمسابك والمصاهر والعمليات الصناعية الأخرى القائمة على المعادن، ومياه الصرف الصحي، والنفايات السائلة الصناعية).

تراكم المعادن الثقيلة في التربة

تشكل المعادن الثقيلة مصدر قلق كبير بسبب سميتها ومصدرها الواسع وخصائصها غير القابلة للتحلل الحيوي وسلوكياتها التراكمية. يمثل تراكم المعادن الثقيلة في العينات البيئية خطرا محتملا على صحة الإنسان نتيجة لانتقال هذه العناصر إلى الوسط المائي، وامتصاصها من قبل النباتات وإدخالها لاحقا في السلسلة الغذائية، وترتبط سمية المعادن وتوافرها البيولوجي وحركتها بـ أنواعها. المعادن الثقيلة خطيرة لأنها تتراكم بيولوجيا.

هذا يعني أن تركيز المادة الكيميائية في الكائن البيولوجي يصبح أعلى مقارنة بالتركيز البيئي. يؤدي تلوث التربة بالمعادن الثقيلة إلى تعزيز امتصاص النبات مما يؤدي إلى تراكم الأنسجة النباتية والتسمم النباتي في نهاية المطاف وتغيير مجتمع النبات. يمكن أن يسبب تراكم المعادن الثقيلة أيضا تأثيرا ضارا كبيرا على النظم البيئية للتربة والبيئة وصحة الإنسان بسبب قابليتها للتنقل وذوبانها التي تحدد مواصفاتها.

التنقل وذوبان المعادن الثقيلة في التربة

تعتمد كمية المعادن الثقيلة المتجمعة في بيئة التربة على الرقم الهيدروجيني، وخصائص المعادن الثقيلة، وظروف الأكسدة والاختزال، وكيمياء التربة، ومحتويات المواد العضوية، ومحتويات الطين، وقدرة التبادل الكاتيوني وخصائص التربة الأخرى. تعد قابلية ذوبان المعادن الثقيلة وحركتها في التربة ذات أهمية بيئية بسبب سميتها المحتملة لكل من البشر والحيوانات.

يتم التحكم في النقل والاستقرار الكيميائي للملوثات المعدنية في التربة والرواسب من خلال سلسلة معقدة من العمليات البيوجيوكيميائية اعتمادا على متغيرات مثل الرقم الهيدروجيني ومحتوى الطين وإمكانية الأكسدة والاختزال. ترتبط حركة المعادن النزرة ارتباطا وثيقا بقابلية ذوبان المعادن، والتي يتم تنظيمها بشكل أكبر عن طريق تفاعلات الامتزاز والترسيب والتبادل الأيوني في التربة.

يعتمد انتقال المعادن الثقيلة من التربة إلى النباتات على ثلاثة عوامل: الكمية الإجمالية للعناصر المحتملة المتوفرة (عامل الكمية)، والنشاط وكذلك النسب الأيونية للعناصر في محلول التربة (عامل الشدة)، ومعدل نقل العناصر من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة وإلى جذور النباتات (حركية التفاعل).

قد يؤدي انخفاض احتمالية الأكسدة والاختزال إلى حدوث تغييرات في حالة أكسدة المعادن، وتكوين معادن جديدة منخفضة الذوبان، وتقليل الحديد، مما يؤدي إلى إطلاق المعادن المرتبطة. تزداد قابلية ذوبان المعادن عادة مع انخفاض الرقم الهيدروجيني، مع استثناء ملحوظ للمعادن الموجودة في شكل أيونات أوكسيانية أو أنواع مذبذبة. وبما أن خصائص محلول التربة قد تعتمد أيضا على الوقت.

القدرة الحيوية للمعادن الثقيلة في التربة

يشير التوافر الحيوي إلى قدرة العنصر على الانتقال من التربة إلى كائن حي. يعتمد التوافر الحيوي على العوامل البيولوجية وعلى الخواص الفيزيائية والكيميائية للمعادن وأيوناتها ومركباتها. وتعتمد هذه المعلمات بدورها على التركيب الذري للمعادن، والذي تم وصفه بشكل متماثل في الجدول الدوري.

يتم التحكم في التوافر الحيوي وتنقل المعادن في المراحل المائية للتربة من خلال خصائص مثل مساحة السطح، وشحنة الأسطح (الناجمة عن تكوين الطلاء العضوي على السطح)، ودرجة الحموضة، والقوة الأيونية، وتركيز الروابط المعقدة. تؤثر إمكانات الرقم الهيدروجيني والأكسدة على التوافر الحيوي للمعادن في المحلول: عند درجة الحموضة العالية، توجد عناصر كأنيونات، بينما عند درجة الحموضة المنخفضة يتم تعزيز التوافر الحيوي لأيونات المعادن.

سمية المعادن الثقيلة

تصبح المعادن الثقيلة سامة عندما لا يتم استقلابها في الجسم وتتراكم في الأنسجة الرخوة, تشير سمية المعادن الثقيلة إلى الآثار الضارة الناتجة عن التعرض أو استهلاك كميات زائدة أو أكثر من الموصى بها يوميا. على الرغم من أن المعادن الفردية تظهر علامات سمية محددة، إلا أن العلامات العامة المرتبطة بالتسمم بالكادميوم والرصاص والزرنيخ والكوبالت والنيكل والزنك والنحاس والألومنيوم تشمل اضطرابات الجهاز الهضمي والإسهال والتهاب الفم والرعشة وبيلة الهيموجلوبين وترنح والشلل والقيء. والتشنج والاكتئاب والالتهاب الرئوي عند استنشاق الأبخرة والأبخرة.

المخاطر الصحية المحتملة لبعض المعادن الثقيلة المختارة

ـ الزرنيخ (As): الزرنيخ هو شبه فلز في المجموعة VA والفترة 4 من الجدول الدوري ويتواجد في مجموعة واسعة من المعادن، بشكل رئيسي مثل As2O3، ويمكن استخلاصه من معالجة الخامات التي تحتوي في الغالب على النحاس والرصاص والزنك وAg. وهو موجود أيضا في الرماد الناتج عن احتراق الفحم.

يعد الزرنيخ أحد أهم المعادن الثقيلة التي تسبب القلق من الناحية البيئية والصحية الفردية. وله خاصية شبه معدنية، وهو سام بشكل بارز ومسبب للسرطان، ومتوفر على نطاق واسع في شكل أكاسيد أو كبريتيدات أو كملح الحديد والصوديوم والكالسيوم والنحاس. الزرنيخ هو العنصر العشرين الأكثر وفرة على وجه الأرض وأشكاله غير العضوية مثل الزرنيخ ومركبات الزرنيخات قاتلة للبيئة والكائنات الحية. الزرنيخ هو سم بروتوبلاستي لأنه يؤثر في المقام الأول على مجموعة خلايا السلفهيدريل مما يسبب خللاً في التنفس الخلوي وأنزيمات الخلية والانقسام الفتيلي.

ـ الكادميوم (Cd): يعد الكادميوم من الملوثات البيئية المهمة الموجودة في التربة والماء والهواء والغذاء. تضيف المصادر البشرية المنشأ كمية من الكادميوم إلى الغلاف الجوي تزيد بمقدار 3 إلى 10 أضعاف عن المصادر الطبيعية. ويحدث التعرض المهني الرئيسي من المصاهر غير الحديدية أثناء إنتاج ومعالجة الكادميوم وسبائكه ومركباته، ويتزايد التعرض بشكل شائع أثناء إعادة تدوير النفايات الإلكترونية  وكذلك التصريفات المباشرة من الأسمدة الفوسفاتية وحمأة الصرف الصحي.

يمكن أن يؤدي التعرض المزمن للمعادن إلى اضطرابات الكلى وفقر الدم وانتفاخ الرئة وفقدان حاسة الشم (فقدان الحاسة والشم) وأمراض القلب والأوعية الدموية ومشاكل الكلى وارتفاع ضغط الدم. يبدو أن مرض إيتايتاي هو مرض مرتبط بالأقراص المضغوطة، وهو مؤلم للغاية ويسبب هدر العظام وتقصفها. يعتبر الكادميوم مادة مسرطنة بالنسبة لعدد الأنسجة  ويصنف على أنه مادة مسرطنة للإنسان. يمكن أن يدخل الكادميوم إلى حمة الدماغ والنيوترونات مسبباً تغيرات عصبية لدى البشر والنماذج الحيوانية مما يؤدي إلى انخفاض الانتباه وخلل في حاسة الشم وعجز في الذاكرة.

ـ النيكل (Ni): النيكل هو معدن أبيض فضي ذو درجة تلميع عالية؛ وهو معدن انتقالي، صلب ومرن. ويحدث عادةً مع الكبريت والحديد في البنتالانديت، ومع الكبريت في الميلريت، ومع الزرنيخ في معدن النيكلين. يوجد النيكل مع عناصر أخرى في جميع أنواع التربة؛ وتعتمد سمية النيكل على طريق التعرض (الاستنشاق أو الفم أو الجلد) وقابلية ذوبان مركبات النيكل. وتشمل بعض مخاطرها الصحية التليف والتهاب الشعب الهوائية المزمن وضعف وظائف الرئة وانتفاخ الرئة. التهاب الجلد التماسي التحسسي هو التأثير الأكثر انتشارًا لسمية النيكل في عموم السكان. تم تصنيف جميع مركبات النيكل، باستثناء النيكل المعدني، على أنها مواد مسرطنة للإنسان من قبل الوكالة الدولية لأبحاث السرطان  ووزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية.

ـ الرصاص (Pb): الرصاص معدن ينتمي إلى المجموعة الرابعة والدورة 6 من الجدول الدوري، رقمه الذري 82، كتلته الذرية 207.2، كثافته 11.4 جم سم−3، درجة انصهاره 327.4◦م، ودرجة غليانه 1725◦م. وهو معدن رمادي مزرق موجود بشكل طبيعي كمعدن متحد مع عناصر أخرى، مثل الكبريت (أي PbS، PbSO4) أو الأكسجين (PbCO3)، ويتراوح من 10 إلى 30 ملجم كجم−1 في القشرة الأرضية. تشمل المصادر الرئيسية للرصاص في البيئة الغبار الناتج عن الدهانات المحتوية على الرصاص من المنازل القديمة، ومياه الرصاص ومياه الصنبور من الأنابيب الملحومة.

كما تعد المواد الكيميائية الداخلية والتدخين الداخلي مصدرا أيضا. من المحتمل أن يكون الرصاص هو المعدن الثقيل الأقل قدرة على الحركة وله توافر حيوي منخفض، ولكن نظرا لوقت بقائه الطويل في التربة، يمكن أن يكون مصدر قلق بيئي إذا كانت مستوياته مرتفعة. للرصاص تأثير سلبي على كل من الأطفال والبالغين. بالنسبة للأطفال فإن الرصاص يقلل من النمو الجسدي والنمو العقلي. يقل معدل الذكاء لدى الأطفال ويمكن ملاحظة أعراض التهيج والتعب. يمكن أن تؤثر المرأة الحامل المعرضة للرصاص على النمو البدني ويمكن أن تسبب فقر الدم أو تلف الكلى أو الصداع أو مشاكل السمع أو مشاكل التحدث أو التعب أو المزاج العصبي.

ـ الكروم (Cr): الكروم هو معدن انتقالي من الصف الأول d من المجموعة VIB في الجدول الدوري برقم ذري 24 وكتلة ذرية 52 وأحد العناصر الأقل شيوعا ولا يتواجد بشكل طبيعي في شكل عنصري، ولكن فقط في المركبات. يوجد الكروم في الصخور والتربة والحيوانات والنباتات. يوجد الكروم في عدة حالات أكسدة في البيئة تتراوح من Cr+2 إلى Cr+6. الأشكال الأكثر شيوعًا من الكروم هي ثلاثي التكافؤ Cr+3 وسداسي التكافؤ Cr+6، حيث تكون كلتا الحالتين سامتين للحيوانات والبشر والنباتات. ويحدث بشكل طبيعي عن طريق حرق النفط والفحم، والبترول من المواد المقاومة للحرارة من الكرومات الحديدية، وأكسدة الأصباغ، والمحفزات، والفولاذ الكرومي، والأسمدة، وحفر آبار النفط، ودباغة طلاء المعادن.

إن وجود نسبة زائدة من الكروم عن الحد المسموح به يعتبر مدمرا للنباتات لأنه يؤثر بشدة على العوامل البيولوجية للنبات ويدخل في السلسلة الغذائية عند استهلاك هذه المواد النباتية. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها من تجارب مختلفة في المختبر وفي الجسم الحي أن مركبات الكرومات يمكن أن تحفز تلف الحمض النووي بعدة طرق مختلفة ويمكن أن تؤدي إلى تكوين مقاربات الحمض النووي، وانحرافات الكروموسومات، والتبادلات الكروماتيدية الشقيقة، والتغييرات في تكرار ونسخ الحمض النووي. بشكل عام، يرتبط الكروم بالتهاب الجلد التحسسي لدى البشر.

معالجة المعادن الثقيلة في التربة الملوثة

تتراكم المعادن الثقيلة الموجودة في التربة بسهولة في النباتات ثم يتم نقلها عبر السلسلة الغذائية، وبالتالي تصبح تهديدا كبيرا لصحة الإنسان. الهدف العام لأي نهج لمعالجة التربة هو إيجاد حل نهائي يحمي صحة الإنسان والبيئة. يخضع العلاج عمومًا لمجموعة من المتطلبات التنظيمية ويمكن أيضا أن يستند إلى تقييمات المخاطر على صحة الإنسان والبيئة حيث لا توجد معايير تشريعية أو عندما تكون المعايير استشارية.

بالنسبة للتربة الملوثة بالمعادن الثقيلة، يؤثر الشكل الفيزيائي والكيميائي للملوث بالمعادن الثقيلة في التربة بقوة على اختيار نهج المعالجة العلاجية المناسب. يجب الحصول على معلومات حول الخصائص الفيزيائية للموقع ونوع ومستوى التلوث في الموقع لتمكين التقييم الدقيق لتلوث الموقع والبدائل العلاجية. يجب وصف التلوث في التربة لتحديد نوع وكمية وتوزيع المعادن الثقيلة في التربة. بمجرد تحديد الموقع، يجب تحديد المستوى المطلوب لكل معدن في التربة. غالبا ما تُستخدم هذه التقنيات مع بعضها البعض من أجل معالجة أكثر اقتصادية وكفاءة للموقع الملوث.

اولا: المعالجة الفيزيائية: تتضمن المعالجة الفيزيائية بشكل أساسي طريقة استبدال التربة والامتزاز الحراري. يعتمد الأول على استخدام التربة النظيفة لاستبدال التربة الملوثة كليا أو جزئيا بهدف تخفيف تركيز الملوثات وزيادة القدرة البيئية للتربة على المعالجة.

ـ حفر التربة: تتضمن العملية استبدال التربة الملوثة بتربة جديدة. هذه الطريقة مناسبة لمعالجة التلوث على نطاق صغير. ربما يكون التنقيب والإزالة المادية للتربة هو أقدم طريقة لعلاج التربة الملوثة. ولا يزال يُستخدم في العديد من المواقع، بما في ذلك المناطق السكنية الملوثة بالمعادن الثقيلة. تشمل مزايا الحفر الإزالة الكاملة للملوثات والتنظيف السريع نسبيا للموقع الملوث. وتشمل العيوب حقيقة أن الملوثات يتم نقلها ببساطة إلى مكان مختلف، حيث يجب مراقبتها؛ خطر انتشار التربة الملوثة وجزيئات الغبار أثناء إزالة التربة الملوثة ونقلها؛ والتكلفة العالية نسبيا.

ـ تجريف التربة: تتضمن العملية حفر التربة الملوثة بعمق، مما يؤدي إلى انتشار الملوثات في المواقع العميقة لتحقيق التخفيف والتدهور الطبيعي.

ـ استيراد التربة الجديدة: يتضمن إضافة كمية كبيرة من التربة النظيفة إلى التربة الملوثة، مما يغطي السطح (أو الخلط) لتقليل مستويات الملوثات. يمكن أن يؤدي استبدال التربة إلى عزل التربة والنظام البيئي بشكل فعال، وبالتالي تقليل تأثير الملوثات على البيئة. هذه التكنولوجيا مكلفة ومناسبة فقط للتربة في منطقة صغيرة.

ـ عزل التربة: عزل التربة يعني فصل التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة عن التربة غير الملوثة، ولكن من أجل المعالجة الكاملة لا يزال الأمر بحاجة إلى إجراءات هندسية مساعدة أخرى. تم تصميم تقنيات العزل عموما لمنع حركة المعادن الثقيلة والملوثات الأخرى خارج الموقع عن طريق تقييدها داخل منطقة محددة. تُستخدم تكنولوجيا عزل التربة لتجنب المزيد من تلوث المياه الجوفية بالمعادن الثقيلة عندما لا تكون طرق المعالجة الأخرى مجدية اقتصاديًا أو ماديًا. في بعض الحالات، يتم عزل المواقع الملوثة مؤقتًا لتجنب النقل أثناء تقييم الموقع ومعالجته.

ثانيا: الامتزاز الحراري: تتضمن العملية تسخين التربة الملوثة باستخدام البخار وأجهزة الميكروويف والأشعة تحت الحمراء لتطاير الملوثات مثل الزئبق (Hg) والزرنيخ As)).

ـ معالجة التزجيج: يمكن تقليل حركة المعادن الثقيلة داخل التربة عن طريق تطبيق معالجة بدرجة حرارة عالية في الموقع الملوث مما يؤدي إلى تكوين مادة زجاجية. أثناء عملية التزجيج، قد تتطاير بعض أنواع المعادن (الزئبق) تحت درجة حرارة عالية ويجب جمعها لمزيد من التخلص منها أو معالجتها. لا يعتبر التزجيج تقنية معالجة معدنية كلاسيكية ولكن العملية سهلة التطبيق نسبيا مقارنة بطرق المعالجة الفيزيائية الأخرى.

يمكن تطبيق التزجيج على غالبية أنواع التربة الملوثة بالملوثات غير العضوية (المعادن الثقيلة) والملوثات العضوية. أثناء التزجيج الموضعي، يتم تمرير التيار الكهربائي عبر التربة عن طريق إدخال مجموعة من الأقطاب الكهربائية عموديا في المنطقة الملوثة.

– المعالجة الحركية الكهربائية: المعالجة الحركية الكهربائية للتربة هي طريقة فيزيائية جديدة وفعالة من حيث التكلفة لمعالجة المعادن الثقيلة. تعمل المعالجة الكهروحركية للتربة على مبدأ إنشاء تدرج المجال الكهربائي ذي الكثافة المناسبة على جانبي الخزان الكهربائي الذي يحتوي على تربة ملوثة مشبعة. يتم فصل المعادن الثقيلة الموجودة في التربة عن طريق الكهربائي أو التسرب الكهربائي أو الهجرة الكهربائية، وبالتالي تقليل التلوث. تعمل هذه الطريقة بشكل جيد في التربة ذات النفاذية المنخفضة ، في حين أنها مفيدة لسهولة التركيب والتشغيل وعدم تدمير البيئة الطبيعية الأصلية بتكلفة منخفضة.

ثالثا: المعالجة الكيميائية: تتضمن المعالجة الكيميائية استخدام المواد الكيميائية لاستخراج أو تثبيت الملوثات في الوسائط الملوثة. هناك العديد من طرق المعالجة الكيميائية بما في ذلك الترشيح الكيميائي (غسل التربة)، وتقنيات التثبيت وطريقة التثبيت. تعمل هذه التقنيات إما على إزالة المخاطر عن طريق تحلل المواد الخطرة كيميائيًا أو تحقيق استقرار الملوثات داخل المصفوفة السائبة عن طريق كسر روابط الملوثات.

ـ غسل التربة: مبدأ ترشيح التربة هو غسل التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة بكواشف محددة وبالتالي إزالة مجمع المعادن الثقيلة والحديد القابل للذوبان الممتز على جزيئات الطور الصلب. باستخدام هذه الطريقة، يتم فصل المعادن الثقيلة من التربة ثم يتم إعادة تدوير المعادن الثقيلة من محلول الاستخلاص. يتكون الترشيح الكيميائي من غسل التربة الملوثة بالمياه العذبة والكواشف والسوائل الأخرى (أو الغاز) لترشيح الملوثات من التربة. تعتبر هذه العملية فعالة من حيث التكلفة لأنها يمكن أن تقلل من كمية المواد التي تتطلب المزيد من المعالجة.

ـ تقنيات التثبيت: التثبيت الكيميائي هو إضافة الكواشف أو المواد إلى التربة الملوثة لتكوين مواد غير قابلة للذوبان أو صعبة الحركة ومنخفضة السمية. وبالتالي يمكن أن يقلل من هجرة المعادن الثقيلة إلى الماء والنبات والوسائط البيئية الأخرى. إذا تم استخدام تقنية تثبيت التربة، سيتم تحقيق البساطة والسرعة (إلى جانب القبول العام العالي). هذه الطريقة غير مكلفة نسبيًا، بينما تغطي نطاقًا واسعًا من الملوثات غير العضوية.

مع ذلك، فإن التثبيت ليس سوى حل مؤقت (الملوثات لا تزال في البيئة)، وقد يحدث تنشيط الملوثات عندما تتغير الخواص الفيزيائية والكيميائية للتربة. ومن ثم فإن عملية الاستصلاح يجب أن تطبق فقط على الطبقة السطحية من التربة (30-50 سم)، كما أن المراقبة الدائمة ضرورية. يتم تثبيت المعادن الثقيلة في التربة عمومًا باستخدام التعديلات العضوية وغير العضوية للتربة.

ـ التصلب/التثبيت: يمكن ترك المعادن الثقيلة في الموقع ومعالجتها بطريقة تقلل أو تقضي على قدرتها على التأثير سلبًا على صحة الإنسان والبيئة. تسمى هذه العملية أحيانًا بالاستقرار. إن التخلص من التوافر الحيوي للمعادن الثقيلة في الموقع له العديد من المزايا مقارنة بالحفر. تتمثل إحدى طرق تثبيت المعادن الثقيلة في إضافة مواد كيميائية إلى التربة تسبب تكوين معادن تحتوي على المعادن الثقيلة في شكل لا يمتصه النبات أو الحيوان أو الإنسان بسهولة. ولا تؤدي هذه العملية إلى تعطيل البيئة أو توليد نفايات خطرة. وبدلا من ذلك، يتحد المعدن الثقيل مع المادة الكيميائية المضافة لتكوين مركب أقل سمية. ويظل المعدن الثقيل في التربة، ولكن في شكل أقل ضررًا بكثير.

رابعا: المعالجة البيولوجية: المعالجة البيولوجية هي تقنية تستخدم الكائنات الحية الدقيقة لمعالجة الملوثات من خلال آليات التحلل البيولوجي الطبيعية (المعالجة الحيوية الجوهرية) أو من خلال تعزيز هذه القدرة بإضافة الميكروبات والمواد المغذية والجهات المانحة للإلكترون و/أو متقبلات الإلكترون (المعالجة الحيوية المحسنة).

لا تستطيع الكائنات الحية الدقيقة تحلل أو تدمير المعادن الثقيلة ولكنها يمكن أن تؤثر على الهجرة والتحول عن طريق تغيير خصائصها الفيزيائية والكيميائية. وهذه العملية آمنة وطبيعية من الناحية البيئية، وهي عموما أقل تكلفة بنسبة 60-70% من التقنيات الأخرى. المعالجة الحيوية عرضة للمتغيرات مثل درجات الحرارة والأكسجين والرطوبة وقيمة الرقم الهيدروجيني. يمكن أيضا أن تقتصر تطبيقاته على بعض الكائنات الحية الدقيقة التي يمكنها فقط تحليل الملوثات الخاصة.

ـ المعالجة النباتية: تشير المعالجة النباتية بشكل أساسي إلى استخدام النباتات والكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بها لمعالجة الملوثات المختارة جزئيا أو كليا من التربة والحمأة والرواسب ومياه الصرف الصحي والمياه الجوفية. ويمكن استخدامه لإزالة النويدات المشعة والملوثات العضوية وكذلك المعادن الثقيلة. تستخدم المعالجة النباتية مجموعة متنوعة من العمليات النباتية والخصائص الفيزيائية للنباتات للمساعدة في معالجة المواقع الملوثة. على مدى السنوات الأخيرة، تم التركيز بشكل خاص على المعالجة النباتية نظرا لأن هذه الخاصية يمكن أن تكون كذلك يتم استغلالها لمعالجة التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة.

ـ الاستخلاص النباتي: الخطوة الأولى للمعالجة النباتية هي الاستخلاص النباتي، أي امتصاص الملوثات من التربة أو الماء عن طريق جذور النباتات وانتقالها إلى الكتلة الحيوية وتراكمها، أي البراعم يعد نقل المعادن إلى البراعم أمرا مهما. عملية كيميائية حيوية وهو أمر مرغوب فيه في عملية استخلاص نباتي فعالة. يمكن لبعض الأنواع النباتية أن تمتص المعادن الثقيلة وتركزها في أنسجتها.

يمكن حصاد النباتات والتخلص من المواد النباتية الملوثة بأمان. في بعض الأحيان تضاف تعديلات التربة إلى التربة لزيادة قدرة النباتات على امتصاص المعادن الثقيلة. يتم إجراء الاستخلاص النباتي باستخدام نباتات تسمى مفرطة التراكم، والتي تمتص كميات كبيرة بشكل غير عادي من المعادن مقارنة بالنباتات الأخرى. مما لا شك فيه أن الاستخلاص النباتي هو تقنية خضراء جذابة للجمهور.

ـ الاستقرار النباتي: تتضمن العملية تقليل حركة المعادن وتوافرها الحيوي في البيئة وبالتالي منع هجرتها إلى المياه الجوفية أو السلسلة الغذائية. وتستخدم النباتات للحد من التعرية بفعل الرياح والمياه التي تنشر المواد التي تحتوي على معادن ثقيلة. إذا أمكن إعادة زراعة كل الأرض، فيمكن تقليل فقدان الرواسب بنسبة 70٪ تقريبا. ومع ذلك، سيكون من الضروري العثور على نباتات يمكنها تحمل مستويات عالية من المعادن الثقيلة.

ـ الترشيح النباتي: العملية المهمة التالية للمعالجة النباتية هي الترشيح النباتي، والذي يتضمن ترشيح الجذور (استخدام جذور النباتات)، أو الترشيح الانفجاري (استخدام الشتلات) أو الترشيح الكاوي (استخدام براعم النباتات المستأصلة). وفي هذه العملية، يتم امتصاص المعادن أو امتزازها وبالتالي يتم تقليل حركتها في المياه الجوفية. تتم إزالة المعادن الثقيلة مباشرة من الماء عن طريق جذور النباتات. وتزرع النباتات مباشرة في الماء أو في مواد غنية بالمياه مثل الرمل، وذلك باستخدام الأنواع المائية أو طرق الزراعة المائية.

حدود تقنيات العلاج

تمثل إدارة تلوث التربة تحديا اقتصاديا كبيرا في جميع أنحاء العالم. بالإضافة إلى جوانب القبول المجتمعي والبيئي، فإن التكلفة المتضمنة هي العامل الرئيسي الذي يحدد النجاح والتطبيق العملي لتكنولوجيا المعالجة في الظروف الميدانية. وهناك العديد من العوامل والقيود المهمة التي يمكن أن تؤثر على اختيار وتطبيق تقنيات تنظيف التربة المتاحة. تشمل هذه العوامل/القيود ما يلي:

1ـ العلاج الجسدي:

ـ حجم العمل الكبير وإنتاج النفايات الخطرة والتأثير السلبي على التربة.

ـ تنظيف التربة لا يزال يحتاج إلى مزيد من التدابير الهندسية؛ تختلف الفعالية باختلاف نوع الحاجز تحت السطح.

ـ التكلفة العالية بسبب متطلبات الطاقة.

ـ يتطلب تربة ذات نفاذية منخفضة ويجب التحكم في درجة الحموضة.

2ـ العلاج الكيميائي:

ـ الحل المؤقت والمراقبة الدائمة ضرورية.

ـ قد يسبب غسل المستخلصات مشكلة بيئية، وتختلف فعاليتها باختلاف التربة والمعادن ونوع المستخلص.

3ـ العلاج البيولوجي:

ـ يقتصر على المعادن المتطايرة.

ـ قد يسبب مشاكل بيئية أخرى، لا يوجد تحكم بعد إطلاق المعادن في الغلاف الجوي.

ـ حلول مؤقت، تختلف فعاليته باختلاف نوع التربة والنبات والمعادن.

ـ تعتمد الفعالية على ظروف النمو وتحمل النبات.

ـ عدد مصانع تجميع المعادن أقل بشكل عام.

ـ مكلفة، ويمكن أن تكون مدمرة، وفعالة للتربة ذات التلوث المنخفض إلى حد ما، ومخاطر تلوث المياه الجوفية، وتعتمد على الكائنات الحية الدقيقة والتربة والنبات والمعادن.

الاستنتاجات والتوصيات

ـ تعتبر التربة جزءا فريدا جدا من الجوانب الطبيعية والزراعية للنظام البيئي الأرضي، نظرا لدورها في نمو النباتات وتدهور وإعادة تدوير الكتلة الحيوية الميتة. قد تتلوث التربة بسبب تراكم المعادن الثقيلة وأشباه الفلزات من خلال الانبعاثات من الموارد المختلفة. لقد ثبت أن المعادن الثقيلة سامة لكل من صحة الإنسان والبيئة.

نظرا لسميتها وتراكمها الحيوي المحتمل، يجب أن تخضع هذه المركبات للمراقبة الإلزامية، كما أن المعرفة الأساسية بالمصادر والكيمياء والمخاطر المحتملة للمعادن الثقيلة السامة في التربة الملوثة أمر ضروري لاختيار الخيارات العلاجية المناسبة. ومن الضروري معالجة التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة من أجل الحد من المخاطر المرتبطة بها، وجعل موارد الأراضي متاحة للإنتاج الزراعي، وتعزيز الأمن الغذائي، والحد من مشاكل حيازة الأراضي.

ـ يتم في كثير من الأحيان إدراج تقنيات مختلفة ضمن أفضل التقنيات المتاحة التي تم إثباتها لمعالجة المواقع الملوثة بالمعادن الثقيلة. وكثيرا ما يتم إدراج عمليات التثبيت وغسل التربة والمعالجة النباتية ضمن أفضل التقنيات المتاحة لتنظيف التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة ولكن تم إثباتها في الغالب في البلدان المتقدمة.. يوصى باستخدام هذه التقنيات للتطبيق الميداني والتسويق في البلدان النامية أيضًا حيث تترك الزراعة والتحضر والتصنيع إرثا من التدهور البيئي.

ـ ينبغي للحكومات أن تشجع جمع البيانات المنسقة، والبحوث، والتشريعات واللوائح، والنظر في استخدام المؤشرات، وتوفير بيانات مفيدة تساعد على وضع المعايير والقيم التوجيهية المصممة لحماية صحة الإنسان والبيئة من الملوثات المعدنية الثقيلة. تعتبر قياسات التعرض ضرورية لحماية المجموعات السكانية والمجموعات الفرعية المعرضة للخطر.

علاوة على ذلك، ينبغي للحكومات، عند تحديد المستويات أو المعايير المقبولة المتعلقة بالمواد الكيميائية، أن تأخذ في الاعتبار احتمالات التعرض المتزايد و/أو نقاط الضعف لدى الأطفال.

المراجع

• Alloway, B.J. (2013). Heavy metals in soils: Trace metals and metalloids in soils and their bioavailability, Environmental pollution, Vol. 22, pp. 50–102. White knights, UK: Springer.
• Alshawabkeh, A.N. and Bricka, R.M. (2013). Basics and application of electrokinetics remediation, Remediation engineering of contaminated soils (pp. 95–111). New York, NY: Marcel Dekker.
• Armah, F.A., Quansah, R. and Luginaah, I.A. (2014). Systematic Review of Heavy Metals of Anthropogenic Origin in Environmental Media and Biota in the Context of Gold Mining in Ghana. International Scholarly Research Notices. 2014.
• Aruleba, J.O. and Ajayi, A.S. (2012). Heavy metal pollution status of soils in some locations in Ado Ekiti, Southern-western, Nigeri. International Journal Agro Sci. 2(3): 256-264.
• Ashraf, A., Bibi, I., Niazi, N.K., Ok,Y.S., Murtaza, G., Shahid, M. (2016). Chromium(VI) immobilization efficiency of acid-1 activated banana peel over organo montmorillonite in aquatic environments. Int. Journal Phytoremediation. 139(3): 118–124.
• Coskun, M., Stieness, E. and Franstasyeva, M.V. (2006). “Heavy Metal Pollution of Surface Soil in the Thrace Region, Turkey, Environmental Monitoring and assessment, 119 (1): 545-556.
• Hong, A.H., Law Puong ling, S. and Onni, S. (2014). Heavy metals concentration levels in soil at Lake Geriyo irrigation Site, Yola, Adamawa State North eastern Nigeria. International Journal of Environmental Monitoring and analysis, 2(2): 106-111.
• Hussein, K.O., Olalekan, S.F., Folahan, A.A., Bhekumasa, J.X. and Reinette, G.S. (2012). A Review of Sequential Extraction Procedures for Heavy Metals Specification in Soil Sediments. 1:181.
• Jadia, C.D. and Fulekar, M.H. (2008).“ Phytotoxicity and remediation of heavy metals by fibrous root grass (sorghum),” Journal of Applied Biosciences, 10(1):491–499.
• Jaishankar, M., Tseten, T., Anbalagan, N., Mathew B.B. and Beeregowda K.N. (2014). Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals. Interdisciplinary Toxicology. 7(2): 60–72.
• Khan, S., Cao, Q., Zheng, Y.M., Huang, Y.Z and Y. G. Zhu, Y.G. (2008).“Health risks of heavy metals in contaminated soils and food crops irrigated with wastewater in Beijing, China,” Environmental Pollution, 152(3):686–692.
• Mohamed, B. and Ahamadou, M. (2010).“Fractionation of copper and cadmium and their binding with soil organic matter in a contaminated soil amended with organic materials,” Journal of Soils and Sediments, 10(6):973–982.
• Mohanty M. and Kumar Patra, H. (2013). Effect of ionic and chelate assisted hexavalent chromium on mung bean seedlings (Vigna Radiata I. Wikzek. Var k-851) during seedling growth. JSPB 9(2): 232-241.
• Scragg, A. (2006). Environmental Biotechnology, Oxford University Press, Oxford, UK, 2nd edition, 2006.
• Sobha, K., Poornima, A., Harini, P. and Veeraiah, K. (2007). A study on biochemical changes in the fresh water fish, catla catla (hamilton) exposed to the heavy metal toxicant cadmium chloride. Kathmandu Univ. Journal of Science Eng. and Technology 1(4): 1–11.
• Vanbroekhoven, K., Van Roy, S., Gielen, C., Maesen, M., Diels, L. and Seuntjens, P. (2006). Varying redox conditions changes metal behavior due to microbial activities. Geoph. Res. Abs. 8(1):02292.
• Wang, F., Wang, Z., Kou, C., Ma, Z. and Zhao, D. (2016). Responses of wheat yield, macro- and micronutrients and heavy metals in soil and wheat following the application of manure compost on the North China plain.
• Zhao, H., Xia, B., Fan, C., Peng, Z. and Shen, S. (2012). Human health risk from soil heavy metal contamination under different land uses near Dabaoshan Mine, Southern China, Journal Science of the Total Environment, 417-418: 45 −54.
• Zhou, H., Zhou, X., Zeng, M., Liao, B. H., Liu, L., Yang, W. T. (2014). Effects of combined amendments on heavy metal accumulation in rice (Oryza sativa L.) planted on contaminated paddy soil. Ecotoxicology and Environmental Safety, 101, 226–232.

Zhu, L., Ding,W., Feng, L., Kong, J., Xu, Y., Xu, J., and Yang, X., (2012). Isolation of aerobic denitri- fiersand characterization for their potential application in the bioremediation of oli-gotrophic ecosystem. Bioresour.Technol.108,1–7.