مقدمه

امروزه یکی از چالش‌های مهم در زمینه محیط زیست، افزایش تدریجی و تجمع فلزات سنگین در محیط زیست است که باعث ایجاد نگرانی‌های جدی شده است. فلزات سنگین موجود در اجزای محیط زیست نظیر خاک، آب و هوا، ممکن است منبع طبیعی داشته و یا ناشی از فعالیت‌های انسانی باشند. برخی فعالیت‌های انسان از قبیل رهاسازی ضایعات، زباله‌های شهری و بیمارستانی در محیط، تخلیه پسماند کارخانجات و صنایع مختلف، ریخته‌گری و پساب تعمیرگاه‌ها در محیط‌های آبی و خاکی و ایجاد شیرابه‌های سمی ناشی ازآن، و همچنین استفاده از کود‌های شیمیایی و آفت‌کش‌ها و نیز استفاده از لجن فاضلاب و غیره در زمین‌های کشاورزی باعث افزایش غلظت فلزات سنگین در محیط زیست می‌شود (Kabata-Pendias, 2001; USEPA, 2021). در محیط زیست، آلودگی خاک با فلزات سنگین، با آلودگی آب یا هوا متفاوت است، زیرا فلزات سنگین در داخل خاک به‌مدت طولانی‌تری نسبت به سایر بخش‌های بیوسفر باقی می‌مانند (Lasat, 2002). مشکل اصلی مربوط‌‌به فلزات سنگین، تجزیه پذیر نبودن آن‌ها، بر خلاف آلاینده‌های آلی است و این واقعیت، فلزات سنگین را به یکی از خطرناک‌ترین گروه آلاینده‌های زیست محیطی تبدیل کرده است (Kabata-Pendias, 2001). واژه فلزات سنگین به فلزات و شبه فلزاتی که دارای عدد اتمی بالای 20 و یا چگالی آنها بیش از 5 گرم بر سانتی‌متر مکعب است، گفته می‌شود. سرب (Pb)، کادمیم (Cd)، نیکل (Ni)، روی (Zn)، آهن (Fe)، آرسنیک (As)، مولیبدن (Mo)، منگنز (Mn)، منیزیم (Mg)، کبالت (Co)، کروم (Cr)، مس (Cu)، جیوه (Hg)، نقره (Ag)، سلنیم (Se) ازجمله این فلزات هستند (Adriano, 2001). سمیت فلزات سنگین در گیاهان زمانی اتفاق می‌افتد که فلز مربوطه بتواند از خاک، هوا یا آب وارد گیاه شود. البته گیاهان به برخی از فلزات سنگین در غلظت‌های بسیار پایین (فلزات ضروری) مثل روی، مس، آهن، منگنز نیاز دارند، اما زمانی‌که غلظت این فلزات یا فلزات غیر ضروری مانند سرب، کروم وغیره از حد معینی بالاتر رود، به بروز اختلالات متابولیکی و رشد و نموی در اغلب گونه‌های گیاهی منجر می‌شوند(Kabata-Pendias, 2001).‌

تنش فلزات سنگین بر جذب عناصر ضروری و تغذیه معدنی گیاه، رشد و نمو، فرآیند‌های فیزیولوژیک مختلف از قبیل سنتز پروتئین‌ها، فعالیت‌های آنزیمی و غیرآنزیمی، تنفس و متابولیسم سلولی تأثیر دارند. قرار گرفتن در معرض تنش، ممکن است سبب افزایش تولید گونه‌های اکسیژن فعال و تنش اکسیداتیو شود و در نهایت به آسیب به غشاها و DNA، تغییر در رشد و ساختار فیزیولوژیک سلول و تخریب آنزیم‌ها منجر شود  (Sytar et al., 2013). با ورود فلزات سنگین به زنجیره غذایی از طریق گیاهان یا حیوانات و به واسطه مصرف طولانی مدت مقادیر عناصر سنگین، به تدریج غلظت آن در بافت‌های بدن افزایش می‌یابد و پیامد‌هایی از قبیل مشکلات قلبی‌عروقی، بیماری‌های پوستی، گوارشی، عصبی، کاهش ضریب هوشی، از دست دادن حافظه کوتاه مدت و اختلالات هماهنگی اعضا، مشکلات کبدی، استخوانی، تولید مثلی و سرطانی برای سلامت انسان خواهد داشت (European Commission, 2013; Ling et al., 2008) ازاین‌رو، به‌منظور احیای دوباره اراضی و به حداقل رساندن ورود عناصر سمی به زنجیره غذایی، پاک‌سازی مکان‌های آلوده به فلزات سنگین امری ضروری است.

اگرچه امکان اصلاح خاک‌های آلوده به فلزات سنگین با استفاده از تکنیک‌های مهندسی، شیمیایی، فیزیکی و یا زیست میکروبی وجود دارد، اما این روش‌ها هزینه‌بر، وقت‌گیر و غالبا مخرب محیط زیست است. ازاین‌رو،طی سال‌های اخیر، محققین درصدد یافتن روش‌های زیستی بر‌آمدند که بتوانند مکان‌های آلوده به فلزات سنگین را بدون آن‌که بر حاصل‌خیزی و تنوع زیستی خاک تأثیر مخرب داشته باشند، پاک‌سازی و تعدیل نمایند  (Torresday et al., 2005). استفاده از گیاهان برای ذخیره‌سازی، انتقال و حذف آلاینده‌های محیط زیست ازجمله فلزات سنگین، آلودگی‌های آلی و ترکیبات شیمیایی سمی، فرایندی است که گیاه پالایی نامیده می‌شود.

گیاه پالایی (Phytoremediation) به‌عنوان یک فن‌آوری اصلاح شده مبتنی بر جذب و تصفیه پساب‌ها و فلزات سنگین، ازجمله فن‌آوری های سبز و دوست‌دار محیط زیست است که از لحاظ اقتصادی مقرون به‌صرفه و از لحاظ انرژی کم‌هزینه هست و همچنین کم‌خطر بوده و امکان بهره‌برداری در سطح وسیع را داراست و برای مناطق دارای میزان آلودگی کم تا متوسط بسیار مناسب است. علاوه‌بر‌این، به دلیل بهره‌گیری از گیاهان، این فن‌آوری از لحاظ زیبایی نیز بسیار جاذب است. ولی متاسفانه علی‌رغم این پتانسیل ارزشمند، هنوز گیاه پالایی در برخی از کشور‌ها به عنوان یک فن‌آوری، استفاده تجاری ندارد(Pilon Smits, 2005; Gajic and Pavlovic, 2018). روش‌های مختلف فن‌آوری گیاه پالایی شامل: تجزیه ریشه‌ایی، تجزیه گیاهی، استخراج گیاهی، تصفیه ریشه ای، تبخیر گیاهی، کنترل هیدرولیکی و تثبیت گیاهی هستند (Rashkin et al., 1997).

گیاهانی که جهت گیاه پالایی در انواع خاک‌های آلوده به‌کار می‌روند، باید دارای خصوصیاتی نظیر سازگاری اکولوژیک با محیط خاک و اقلیم مورد نظر، رشد سریع، مورفولوژی مناسب ریشه، توانایی تحمل فلزات سنگین باشند و بسیاری از گیاهان احتمالاً دارای چنین توانایی‌هایی هستند، ولی تاکنون تعداد معدودی از آن‌ها استفاده شدند. بنابر‌این، مطالعات بیشتر جهت شناسایی و انتخاب گیاهان مناسب برای گیاه پالایی در هر منطقه جغرافیایی دارای اهمیت قابل توجهی است.(Sharma and Dubey, 2005)

در مورد اثر انواع پساب‌ها روی گیاهان و موضوع گیاه پالایی تحقیقات زیادی تاکنون انجام شده است (Gajic et al., 2018; Jalali and Hemati Matin, 2019; Kouhi and Moudi 2020; Petoussi and Kalogerakis, 2022; Placido and Lee, 2022). ولی نکته پراهمیت آن است که اطلاعات این تحقیقات برای همه کشورها کاملاً مشابه و قابل استفاده نیست و محققان گیاه‌پالایی در اروپا و آمریکا نیز اعلام نموده‌اند که در مورد پساب و گیاهان در هر منطقه بخصوص، باید مطالعات دقیق محلی انجام گیرد. استان گیلان در شمال ایران دارای آب و هوای نیمه گرمسیری مرطوب و از نظر کشاورزی، استانی حاصلخیز است. جمعیت شهری و کارخانجات صنعتی در این استان روزبه‌روز در حال افزایش است و پسماند‌های شهری و صنعتی کارخانه‌ها جای مناسبی برای تخلیه ندارند. به‌طوری‌که در برخی مناطق، پساب_‌ها مستقیماً به رودخانه‌ها و مزارع سرازیر می‌شوند. لازم به‌ذکر است که علاوه‌بر فلزات سنگین، مقادیر اضافی برخی عناصر غذایی در پساب‌ها نیز می‌تواند مانع رشد و موجب کاهش تولید زیست توده گیاهان شود (Taiz and Zeiger, 2014; Mohsenzadeh, et al., 2016) .

آلوئه‌ورا یا صبر‌زرد گیاهی گوشتی و چندساله از خانواده لیلیاسه (Liliacea) و از راسته مارچوبه‌ای‌ها (Asparagales) است. دارای الگوی رشد روزت و همیشه سبز است که به ارتفاع تقریبی 60 سانتی‌متر می‌رسد. ساقه چوبی و کوتاه به ضخامت 5 تا 10 سانتیمتر و بـرگ‌هـا به شکل نیزه‌ای هستند که به‌طور مستقیم به محور سـاقه متصـل می‌شوند. به‌راحتی در مناطق مختلف از جمله آب و هوای گیلان، بدون خطر ایجاد مسمومیت و یا تهاجم به مناطق دیگر یافت می‌شوند و رشد می‌کنند(Sabitha and Mohamed, 2021). در بررسی توانایی گیاه‌پالایی گیاه آلوئه‌ورا، از فاضلاب آزمایشگاه شیمی دانشکده‌ خود گزارش کردند که استفاده از گیاه آلوئه‌ورا، در تصفیه فاضلاب آزمایشگاهی مقرون به صرفه و کارآمد بوده است.

باتوجه‌به اینکه کاشت گیاهان با قابلیت گیاه پالایی خوب، در نزدیکی محل خروجی پساب، به‌عنوان کمربند سبز، عملی‌ترین و کم هزینه‌ترین روش به‌سازی است و این روش می‌تواند علاوه بر تثبیت اراضی در برابر فرسایش‌های حاصل از باد و آب، منطقه آلوده را نیز بی‌خطر کند (Weinberg et al., 2004). بنابراین، در این مطالعه به بررسی پتانسیل جذب و توانایی زیستی گیاه آلوئه‌ورا به‌عنوان یک گیاه پالاینده برای حذف فلزات سنگین از خاک تحت تأثیر آلودگی_‌های پساب شهری و صنعتی در استان گیلان پرداخته شد و شاخص انباشت (همزمان) کل فلزات شامل: روی، کروم، سرب، مس، منگنز، نیکل، منیزیم، کادمیم، جیوه و برخی ویژگی‌های رشد و نموی گیاه آلوئه‌ورا تحت دو تیمار پساب شهری و صنعتی ارزیابی شد.

مواد و روش‌ها

تهیه خاک و پساب: به‌منظور بررسی اثر پساب شهری و صنعتی بر برخی ویژگی‌های فیزیولوژیک و مورفولوژیک گیاه آلوئه‌ورا، آزمایش گلدانی به صورت فاکتوریل بر پایه طرح کاملاً تصادفی در3 تکرار، در محوطه دانشکده علوم دانشگاه گیلان در فضای مسقف شیشه‌ای در شرایط دمای محیط اجرا شد. خاک مورد استفاده از نقاط مختلف جنگل شفارود واقع در استان گیلان از عمق صفر تا 30 سانتی‌متر به‌طور تصادفی برداشت و الک شد. سپس خصوصیات فیزیکوشیمیایی (Walkley and Black, 1934; Richards, 1954; Uba et al., 2009) و مقدار فلزات سنگین با دستگاه Inductively Coupled Plasma Optical Emission (ICP-OES) Spectrometer مدل (ARCOS, Spectro, Germany) در نمونه خاک اولیه و قبل از شروع آزمایش سنجش شد (Salt et al., 1998) . که نتایج در جدول 1 ارائه شده است. در بین عناصر مورد نظر برای ارزیابی، مقدار عناصر کادمیم و جیوه بسیار کم و زیر 1 میلی‌گرم بر کیلو‌گرم بود و بنابراین، در حد تشخیص دستگاه ICP -OES  جهت تعیین میزان دقیق این عناصر نبود. تیمار‌های آزمایشی شامل سه گروه بودند: آب شهری به‌عنوان تیمار اول (شاهد)، تیمار دوم پساب زباله‌های شهری که از محل دفن زباله سراوان برداشت شد و تیمار سوم پساب صنعتی که از محل خروجی پساب کارخانه چوب و کاغذ برداشت شد. پساب‌ها به‌صورت ماهانه جمع‌آوری و در دبه‌های مخصوص نگهداری شدند.

جدول 1- ویژگی‌های فیزیکو شیمیایی و فلزات سنگین خاک اولیه (شاهد)

Table 1- Physicochemical properties and heavy metals of primary soil (control)

آماده‌سازی گلدان‌ها: گلدان‌های پلاستیکی به عرض 40 سانتی‌متر و ارتفاع 35 سانتی‌متر با 11 کیلوگرم خاک الک زده پر شدند. گیاهان سالم و جوان آلوئه‌ورا از محل‌های رشد و نمو آن‌ها در حوالی شهر رشت جمع‌آوری و سپس بوته‌ها (تقریبا هم وزن و هم ارتفاع) در گلدان‌ها کاشته شدند. برای جلوگیری از تأثیر تنش بر گیاهان و سازگاری با شرایط جدید، تمامی گیاهان آزمایشی به مدت 4 هفته با آب شهری (هفته‌ای دو بار و هر بار 200 میلی‌لیتر) آبیاری شدند. پس از یک ماه از شروع کشت، گلدان‌های شاهد با 300 میلی‌لیتر آب شهری و گلدان‌های تیمار با 300 میلی‌لیتر پساب شهری و یا 300 میلی‌لیتر پساب صنعتی 2 بار در هفته به مدت 14 ماه به‌طور جداگانه آبیاری شدند. همچنین برای تعیین میزان کل عناصر اضافه شده از پساب به خاک، گلدان‌هایی با 11 کیلوگرم خاک پر شده بدون گیاه در نظر گرفته و مانند گلدان‌های حاوی گیاهان آبیاری شدند.

سنجش محتوی آب نسبی برگ RWC :(RWC) 14 ماه پس از تیمار دهی به روش(Barrs and Weatherley, 1962) اندازه‌گیری و با استفاده از رابطه 1 بر حسب درصد محاسبه شد که در آن FW وزن تر برگ، SW وزن اشباع برگ پس از قرار گرفتن در آب مقطر و DW وزن خشک برگ است.

رابطه 1:  RWC = ((Fw-Dw)/(Sw-Dw))×100

برداشت خاک و گیاه: پس از گذشت 14 ماه از شروع کشت، هر گلدان به آرامی بر‌گردانده و خالی شد. مقداری از خاک هر گلدان نیز (پس از مخلوط و همگن کردن کل خاک) برداشت و در دمای 30 درجه سانتیگراد آون به‌مدت 24 ساعت خشک شد. کل گیاه نیز برداشت و پس از شستشو با آب، از نظر برخی صفات مورفولوژیک (وزن تر برگ، طول برگ، وزن تر ریشه، وزن تر بوته، طول ریشه، ارتفاع بوته، تعداد پاجوش، ارتفاع پاجوش، وزن پاجوش، وزن ژل برگ، نسبت ژل به برگ) بررسی شد. برای تعیین وزن ژل، پس از جداسازی پوست رویـی برگ، ژل داخـل برگ‌ها به کمک یـک کاردک کاملاً جـدا و وزن شدند (Salighedar et al., 2016). برای ارزیابی وزن خشک، اندام‌های مختلف گیاهان شاهد و تیمار در آون تحت دمای 50 درجه سانتیگراد به‌مدت 72 ساعت خشک شدند.

ارزیابی اسیدیته و شوری: اسیدیته و شوری در خاک نهایی (خاک گلدان‌های بدون‌گیاه) که تحت آبیاری آب شهری، پساب شهری و پساب صنعتی قرار داشتند اندازه گیری شد (Richards, 1954; Uba et al., 2009) و نتایج آن قبلاً منتشر شده است (Ebrahimi nokande et al., 2022). برای اسیدیته مقادیر 57/6، 43/5، 3/6 و برای شوری مقادیر 79/0، 12/8، 35/2 به‌ترتیب در تیمار‌های آب شهری، پساب شهری و پساب صنعتی است.

بررسی غلظت فلزات سنگین نهایی: نمونه‌های خاک در آون با دمای 30 درجه سانتیگراد به‌مدت 24 ساعت خشک و سپس الک شدند. 1 گرم از نمونه با HCl غلیظ (37 درصد) و HNO₃ غلیظ (65 درصد) به نسبت 1:3 مخلوط شد و به‌مدت 15 دقیقه تا دمای150 درجه سانتیگراد در حمام آب گرم حرارت داده شد تا هضم رخ دهد. سپس محلول در دمای اتاق به‌مدت دو ساعت قرار داده شد تا خنک شود. مخلوط حاصل از طریق کاغذ صافی واتمن No.54  فیلتر شد و با آب دیونیزه شده در یک بالن حجمی به حجم (100 میلی‌لیتر) رسید(Salt et al., 1998; AL-Oud Saud, 2003). سپس محلول شفاف توسط دستگاه طیف‌سنج انتشار نوری پلاسمای جفت شده القایی ICP-OES مدل (ARCOS, Specto, Germany) برای بررسی فلزات سنگین روی، سرب، مس، کروم، منگنز، نیکل، منیزیم، جیوه و کادمیم، آنالیز شد.

میزان کل عناصر فلزی که از طریق پساب شهری و صنعتی به‌صورت تیمار به گلدان‌ها داده شده بود، در جدول 2 آمده است. البته میزان کادمیم و جیوه بسیار کم و در حد تشخیص دستگاه ICP-OES نبود. باتوجه‌به مطالعه قبلی (Ebrahimi nokande, et al., 2022) مقدار تمام فلزات اندازه‌گیری شده به‌غیراز عناصر کروم و نیکل، در گلدان‌های بدون‌گیاه (که جهت بر‌آورد نهایی کل عناصر فلزی اضافه شده از پساب به خاک تعبیه شده بودند)، از میزان استاندارد‌های جهانی بیشتر بود ((WHO, 2000; USEPA, 2005). همچنین غلظت همه عناصر فلزی (به غیر از مس) در خاک پساب شهری بیشتر از خاک پساب صنعتی بود. مقدار کادمیم و جیوه نیز زیر 1 میلی‌گرم بر کیلو‌گرم و در حد تشخیص دستگاه ICP-OES نبود.

جدول 2: مقادیر کل عناصر فلزی سنگین در خاک گلدان‌های شاهد (بدون گیاه) پس از پایان آزمایش و مقادیر استاندارد فلزات سنگین در خاک

Table 2- Total amount of heavy metals added to the soil, after 14 months, under different treatments (urban, urban and industrial wastewater) and the standard rate of heavy metals in the soil.

محاسبه شاخص ‌انباشت ‌فلزات (MAI): برای تعیین غلظت فلزات سنگین، گیاهان خشک شده با آسیاب برقی پودر و همگن شدند، سپس برای هر نمونه گیاهی روش استخراج فلزات سنگین همانند روش استخراج فلزات سنگین در خاک، که قبلا توضیح داده شد، انجام شد (Salt et al., 1998; (AL-Saud, 2003 و پس از آن غلظت فلزات سنگین به تفکیک با استفاده از دستگاهICP- OES ارزیابی شد. باتوجه‌به اینکه اندام‌های گیاهی قادرند همزمان چند نوع فلز را در ساختار خود جمع کنند، شاخص انباشت فلزات (MAI) برای بررسی مقدار تجمع همزمان فلزات گوناگون در گیاه آلوئه ورا از طریق رابطه 2 محاسبه شد.

رابطه 2:

در این رابطه N تعداد فلزات اندازه‌گیری شده که در این آزمایش برابر با 7 بود، Ij برای هر فلز از تقسیم میانگین غلظت فلز در اندام گیاه شامل ریشه و برگ (X) به مقدار انحراف معیار آن (δx) به دست آمد (Liu et al., 2007).

محاسبه شاخص تحمل (بردباری) ریشه IT)): شاخص بردباری برای ارزیابی توانایی گیاه در استرس‌های ناشی از آلاینده‌ها استفاده می‌شود. برای محاسبه این شاخص، نسبت طول ریشه در گیاه کشت شده در غلظت بالای فلز آلاینده، به طول ریشه در گیاه شاهد برآورد شد (Aravind and Prasad, 2005).

تجزیه و تحلیل آماری: تمامی داده‌های به دست آمده از انجام آزمایشات با برنامه آماری (24) SPSS، با آزمون دانکن و در سطح احتمال 05/0P≤ تحلیل و رسم نمودار‌ها با نرم‌افزار Microsoft Excel 2019 انجام شد.

نتایج و بحث

شاخص انباشت فلزات MAI: عملکرد کلی گیاهان برای تجمع عناصر فلزی باتوجه‌به انحراف معیارآن در جذب فلز توسط MAI نشان داده می‌شود (Liu et al., 2007). باتوجه‌به نتایج شاخص انباشت 7 فلز Zn،Cr ،Pb ،Cu ، Mn، Ni، Mg در گیاه آلوئه‌ورا در پژوهش حاضر، مشخص شد که MAI گیاه آلوئه‌ورا، تحت هر دو تیمارپساب شهری و صنعتی بالاتر از تیمار شاهد بود (شکل1). مقدار MAI گیاه آلوئه‌ورا در تیمار پساب شهری 72/36 و در تیمار پساب صنعتی 30/32 بود که نشان داد که گیاه آلوئه‌ورا در تیمار پساب شهری توانایی بیشتری در جذب همزمان فلزات مختلف داشت. البته این موضوع بی‌ارتباط به بیشتر بودن غلظت فلزات سنگین در تیمار پساب شهری نیست، زیرا گزارش شده است بین میزان جذب فلزات سنگین و غلظت آن‌ها در خاک، تقریباً رابطه خطی وجود دارد و این با نتایج Brunner et al. (2008) هم‌خوانی دارد. لازم به‌ذکر است که گیاهان در برابر تنش فلزات سنگین ناشی از پساب، دارای حساسیت و راهکار‌های متفاوتی هستند. میزان سمیت فلزات سنگین در گیاهان مختلف، متناسب با عواملی مانند نوع گیاه، مقدار فلز در پساب، نوع خاک و اقلیم، قابلیت دسترسی زیستی فلزات، میزان جذب فلز توسط گیاه و مقدار جابجایی آن در اندام‌های گیاهی، تغییر می‌کند (Wang et al., 2006; Usman et al., 2005) .  قابلیت دسترسی فلزات در خاک عمدتاً متأثر از ماهیت فلز و ویژگی‌های خاک است. برای مثال از ویژگی‌های مهم خاک جهت قابلیت دسترسی زیستی فلز، اسیدیته و شوری خاک هستند. همان‌طورکه ذکر شد پس از 14 ماه تیمار دهی با پساب شهری و صنعتی به خاک، کاهش اسیدیته و افزایش شوری در خاک نهایی نسبت به شاهد گزارش شد. محققان اعلام کردند که کاهش اسیدیته و افزایش شوری سبب افزایش و فراهمی جذب فلزات توسط گیاه می‌شوند. البته میزان فراهمی جذب، به نوع و مقـدار کـل فلـزات سنگین و نوع نمکی که باعث شوری می‌شود، بسـتگی دارد. بنـابر‌این، در مورد اثر شوری بر آزاد سازی فلزات سنگین، همه این فاکتور‌ها می‌توانند تاثیر‌گذار باشند (Weggler et al., 2000; Acosta, et al., 2011). علت کاهش اسیدیته در خـاک‌های تیمـار شـده بـا پساب را می‌توان به حضور اسید‌های آلی حاصل از تخمیر مـواد آلی ربط داد. همچنین علـت افـزایش شوری در خاک‌های تیمار شده با هر دو پساب احتمالاً به افزایش برخی عناصر مثل کلسیم، سدیم وغیره) مربوط است (Abbaspour et al., 2008).

تأثیر پساب‌های شهری و صنعتی بر برخی خصوصیات مورفولوژیک (جدول 3) و فیزیولوژیک (جدول 4) گیاه آلوئه‌ورا بررسی شد و طبق نتایج آنالیز واریانس تأثیر تیمار پساب بر همه شاخص‌های مورد بررسی، در گیاه آلوئه‌ورا در سطح اطمینان  05/0 ≤ P معنی دار بود.

وزن‌تر برگ: وزن‌تر برگ در هر دو تیمار پساب شهری و صنعتی کاهش معنی‌داری در مقایسه با گیاه شاهد (آب شهری) نشان داد. کم‌ترین وزن‌تر برگ (یک برگ) مربوط به تیمار پساب شهری (6/46 گرم) و بالاترین وزن تر برگ مربوط به تیمار آب شهری (63/247 گرم) بود (شکل 2-A).

وزن خشک برگ: باتوجه‌به شکل 2-B  وزن خشک برگ آلوئه‌ورا پس از 14 ماه تیمار‌دهی به طور معنی‌داری (05/0P ≤) تحت تیمار پساب صنعتی 89/7 درصد و تحت تیمار پساب شهری 94/69 درصد کاهش نشان داد. به‌نظر می‌رسد تنش فلزات سنگین از طریق محدودیت در جذب برخی عناصر غذایی، یا سمیت برخی عناصر غذایی یا کمبود آب قابل استفاده گیاه، سبب کاهش رشد سلول، فتوسنتز و کربوهیدرات تولیدی می‌شوند که در نهایت کم شدن رشد اجزای مختلف گیاه و متعاقب آن کاهش وزن تر و خشک اندام‌های گیاه نتیجه آن است Ali et al., 2004)). لازم به ذکر است مقدار آب مورد نیاز گیاه آلوئه‌ورا در مقایسه با اکثر گیاهان، به دلیل داشتن برگ‌های گوشتی و روش فتوسنتزی کراسولاسه، کمتر است، به‌طوری‌که آبیاری در حد ظرفیت زراعی، برای حداکثر عملکرد گیاه توصیه نشده است (Cousins and Witkowski, 2012).

محتوی آب نسبی برگ (RWC): نتایج نـشان داد در خصوص میزان RWC بـرگ، اخـتلاف معنی‌‌داری در بین شاهد (96/83 درصد) و تیمار پساب (42/83 درصد) وجود نداشت.

شکل 1- شاخص انباشت فلزات )روی، کروم، سرب، مس، منگنز، نیکل، منیزیم( در گیاه آلوئه‌ورا تحت تیمار آب شهری، پساب شهری و پساب صنعتی

Figure 1 – Metal accumulation index (Zn, Cr, Pb, Cu, Mn, Ni, Mg (under different treatments (urban water, urban and industrial wastewater in Aloe vera

جدول 3. تجزیه واریانس تأثیر پساب‌های شهری و صنعتی بر برخی خصوصیات مورفولوژیک گیاه آلوئه‌ورا.

Table 3- The variance analysis of urban and industrial wastewater effects on morphological indices of Aloe vera.

*معنی دار در سطح احتمال 5 درصد                                                                                       *Significant at 0.05 probability level

جدول 4. تجزیه واریانس تأثیر پساب‌های شهری و صنعتی بر برخی خصوصیات فیزیولوژیک گیاه آلوئه‌ورا.

Table 4- The variance analysis of urban and industrial wastewater effects on physiological indices of Aloe vera.

*معنی دار در سطح احتمال 5 درصد                                                                                      *Significant at 0.05 probability level

ولی در تیمار پساب شهری(69/73 درصد) کاهش معنی‌داری دیده شد (شکل 2-C ). اندازه گیری RWC روشی برای تعیین وضعیت آب گیاه است که محتوای نسبی حجمی آب برگ را به محتوای آب برگ در حالت تورژسانس می‌سنجد (Blum, 2011). در شرایط تیمار پساب صنعتی که محتوی آب نسبی برگ تغییر معنی‌داری نسبت به شاهد نداشت، احتمالاً گیاه با تلاش جهت سازگاری با تنش، با بستن روزنه‌های خود مانع خروج آب و کاهش محتوی آب برگ می‌شود. گزارش شده است که بالا بودن RWC در شرایط تنش می‌تواند با رفتار روزنه‌ها و سیستم ریشه‌ای گیاه در ارتباط باشد (Gupta et al., 2001). اما در تیمار پساب شهری، احتمالاً با افزایش غلظت فلزات سنگین و شور شدن خاک (باتوجه‌به شوری 8/12) رطوبت در دسترس گیاه محدود شده و گیاه رطوبت نسبی آب آب برگ خود را از دست داده و میزان آن کاهش یافته است.

شکل2- تاثیر پساب شهری و صنعتی بر وزن تر برگ (A)، وزن خشک برگ (B)، محتوی آب نسبی برگ (C) و طول برگ (D) گیاه آلوئه‌ورا. در نمودارها مقادیر میانگین 3 تکرار ± SE است و حروف یکسان بیان‌گر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح (05/0P≤) است.

Figure 2 - The effects of urban and industrial wastewater on the fresh weight (A), dry weight (B), relative water content (C) and leaf length (D) of Aloe vera leaf. The values are the average of three replications ± SE. Mean values with the same letters are not significantly different at the level of p≤ 0.05.

طول برگ: باتوجه‌به شکل 2-D ، طول برگ در مقایسه با شاهد، کاهش معنی‌داری (05/0P ≤) در هر دو تیمار پساب شهری و صنعتی نشان داد. بیشترین مقدار طول برگ با مقدار میانگین 17/58 سانتی‌متر در گیاه شاهد و کم‌ترین طول برگ با میانگین 2/30 سانتی‌متر در گیاه تحت تیمار پساب شهری مشاهده شد. گزارش‌ها کاهش طول و سطح برگ را به کاهش تقسیم و گسترش سلولی در شرایط تنش فلز سنگین نسبت داده اند (Nik et al., 2011). بازدارندگی تقسیم سلولی منطقه مریستمی و رشد سلول‌های منطقه رشد و در نهایت کاهش طول برگ در گیاه آلوئه‌ورا تحت تنش فلزات سنگین گزارش شده است (Yadollahi et al., 2016).

نسبت ژل به برگ: نسبت ژل به برگ در تیمار شاهد بالا‌ترین مقدار و 61/0 بود. اما در هر دو تیمار پساب صنعتی و شهری، کاهش معنی‌داری نسبت به شاهد داشت (شکل 3-A ). کمترین نسبت ژل به برگ با عدد 41/0 در گیاه تحت تیمار پساب شهری مشاهده شد. محققان از کاهش وزن ژل آلوئه‌ورا در تنش فلزات سنگین گزارش کرده‌اند. احتمالاً این کاهش به‌علت کاهش بهره‌وری آب و مواد مغذی Yadollahi et al., 2016)) یا افزایش سمیت فلز و آلودگی در پساب شهری رخ داده است. در شرایط عادی و بدون تنش یا تنش کم، جذب بیشتر مواد غذایی و فعالیت مناسب تنظیم کننده‌های رشد، سبب افزایش میزان فتوسنتز و ماده خشک گیاهی می‌شود که این مسئله در نهایت به بهبود رشد و افزایش میزان ژل در گیاه منجر می‌شود (Arancon et al., 2004).  

وزن ژل برگ: از میزان ژل برگ آلوئه‌ورا باتوجه‌به شکل 3-B ، به طور معنی‌داری (05/0P ≤) تحت تنش فلزات سنگین کاسته شد، به‌طوری‌که وزن ژل به‌ترتیب در تیمار پساب صنعتی و شهری کاهش62/22 و 5/88 درصدی داشتند.

وزن تر ریشه: باتوجه‌به شکل 3-C ، تغییرات کاهشی معنی‌داری در وزن تر ریشه آلوئه‌ورا تحت تیمار هر دو پساب شهری و صنعتی مشاهده شد و بیشترین درصد کاهش وزن تر ریشه مربوط به گیاه تحت تیمار پساب شهری بود. ریشه‌ها به عنوان اندام جذب کننده آب و مواد غذایی، تأثیر زیادی در جذب آب و املاح دارند و عوامل مختلف محیطی از طریق تأثیر بر ریشه، می‌توانند بر رشد گیاه اثر بگذارند. تنش فلزات سنگین ازجمله عوامل محدود ‌کننده رشد ریشه است و کاهش رشد ریشه باعث تغییراتی در فعالیت‌های رشدی گیاه می‌شود. ممکن است آلودگی زیاد سبب عدم توسعه و گسترش مناسب سیستم ریشه‌ای و باعث کاهش سطوح جذب کننده مواد غذایی یا تغییر در ساختار غشا سلولی و کاهش جذب و محتوی آب شود که این امر بر فرآیند‌های فیزیولوژیک مانند فتوسنتز اثر گذاشته و در نهایت موجب کاهش رشد در سایر قسمت‌های گیاه و ازجمله وزن تر گیاه می‌شود (Sharma and Dubey, 2005).

وزن تر (کل) بوته آلوئه‌ورا: وزن تر کل گیاه شامل برگ‌ها، ریشه و ساقه باتوجه‌به شکل 3-D ، کاهش معنی‌داری نسبت به گیاه شاهد داشت. بیشترین وزن بوته متعلق به تیمار شاهد با وزن 37/4626 گرم و کمترین وزن بوته آلوئه‌ورا مربوط به تیمار پساب شهری با وزن 5/1254 گرم بود. کم شدن وزن گیاه نشان دهنده تنش ناشی از غلظت‌های بالای فلز سنگین در خاک است. قرار گرفتن گیاهان در معرض سطوح سمی فلزات سنگین، باعث ایجاد طیف وسیعی از تغییرات فیزیولوژیک و متابولیک می‌شود (Dubey et al., 2011). ازآنجایی‌که فلزات سنگین مختلف، مکان‌‌های عمل متفاوتی در داخل گیاه دارند، پاسخ قابل مشاهده در گیاه در برابر سمیت فلز نیز متفاوت است و بارز‌ترین پاسخ قابل مشاهده، کاهش رشد گیاه است. از شواهد سمیت فلزات سنگین می‌توان کاهش رشد گیاه، کلروز برگ، نکروز، از دست دادن تورگر، کاهش کارایی دستگاه فتوسنتزی و غیره که اغلب با فرآیند‌های پیری در حال پیشرفت یا با مرگ گیاه ارتباط دارد، نام برد(Sharma and Dubey, 2007). برای مثال، Malik و همکاران (2011) گزارش کردند که سطوح بالای روی در خاک، بسیاری از عملکرد‌های متابولیک گیاه را مهار می‌کند و در نتیجه باعث تأخیر در رشد و در نهایت باعث محدود شدن رشد ریشه و اندام‌های ‌هوایی می‌شود. سمیت روی همچنین باعث کلروز در برگ‌های جوان می‌شود که می‌تواند در طولانی مدت به برگ‌های مسن نیز گسترش یابد. غلظت بالای فلزات سنگین از طریق تأثیر بر محتوای کلروفیل و فتوسنتز نیز سبب کاهش تعداد برگ و وزن گیاه می‌شود. علاوه‌براین، کاهش پروتئین در نتیجه آسیب به مسیر بیوسنتزی پروتئین و آنزیم‌ها نیز می‌تواند باعث کاهش بیومس گیاه شود (Hou et al., 2007; Ayman et al., 2014; Yadollahi et al., 2016). در تحقیق حاضر، بالاتر بودن وزن تر کل بوته در گیاه آلوئه‌ورا تحت پساب صنعتی، احتمالاً به دلیل کمتر بودن غلظت فلزات سنگین در پساب صنعتی است. گزارش شده است که گیاه آلوئه‌ورا قادر است روزنه‌های خود را در شرایط تنش و کم آبی نیز باز نگه داشته و عمل فتوسنتز را به خوبی انجام ‌دهد و به خاطر این عامل از کاهش زیاد عملکرد جلوگیری می‌کندRodriguez- Garcia et al., 2007).

 طول ریشه: طبق نتایج آمده در شکل 4-A  طول ریشه گیاه در تیمار پساب صنعتی علی‌رغم کاهش، اختلاف معنی‌داری با طول ریشه گیاه در تیمار شاهد نداشت، اما در تیمار پساب شهری، کاهش معنی‌دار 72/39 درصدی نشان داد. ریشه اولین اندام گیاه در برخورد مستقیم با محیط آلوده خاک است. یکی از پیامد‌های تنش شدید فلزات سنگین در خاک، می‌تواند آسیب دیدن وکوتاه شدن ریشه گیاه باشد. همچنین باتوجه‌به آلودگی بیشتر فلزات و شوری بالاتر در پساب شهری، ممکن است گیاه برای ساختن مواد آلی، بخشی از انرژی خود را جهت تنظیم اسمزی صرف کند که این صرف انرژی، باعث کاهش رشد و کارایی ریشه در تأمین عناصر غذایی و آب برای سایر اندام‌ها ‌شود که در نتیجه کاهش رشد اندام‌های هوایی را نیز در پی خواهد داشت. برای مثال گزارش شده است که کاهش طول ریشه یا سفت شدن ریشه در غلظت‌های سمی فلز سرب یا کروم در گیاهان رخ می‌دهد (Arias et al., 2010) کاهش رشد ریشه تحت تنش فلزات سنگین برای مثال فلز کروم را می‌توان به اثر مهـار کننـده کـروم بـر فاز‌های تقسـیم سلولی، طویـل شـدن سـلولی یـا هـر دو فرآینـد دانست.(Sundramoorthy et al., 2010)

بیومس کل: وزن خشک کل بوته آلوئه‌ورا نیز تحت تیمار هر دو نوع پساب کاهش معنی‌داری (05/0P≤) در مقایسه با شاهد داشت، به‌طوری‌که زیست_‌توده گیاهی با وزن 94/716، 8/553 و 24/249 گرم به‌ترتیب در تیمار آب شهری، پساب صنعتی، پساب شهری بود (شکل 4-B ). احتمالاً با افزایش سطوح تنش، میزان تولیدات گیاهی، حجم و اندازه سلول‌ها کاهش می‌یابد و در نتیجه از وزن خشک اندام_‌ها کاسته می‌شود (Ayman et al., 2014). این کاهش در بیومس کل گیاه آلوئه‌ورا تحت تیمار پساب شهری بیشتر مشهود است که نشان از تأثیرات سمی‌تر تیمار پساب شهری نسبت به تیمار پساب صنعتی در تحقیق حاضر است. 

ارتفاع بوته: ارتفاع بوته اصلی آلوئه‌ورا (شکل 4-C)، در تیمار پساب صنعتی اختلاف معنی‌داری نسبت به شاهد نداشت، ولی تحت تیمار پساب شهری کاهش 98/29 درصدی نشان داد. کاهش ارتفاع 7/22 درصدی گیاه آلوئه‌‌ورا تحت تنش فلز سنگین، در تحقیق Yadollahi et al. (2016) نیز گزارش شده است. فلزات سنگین از طریق تحریک تولید رادیکال‌های آزاد و القا تنش اکسیداتیو باعث بروز ناهنجاری‌های کروموزومی شده و در نتیجه باعث کاهش رشد گیاه می‌شوند (Shanker et al., 2005).

تعداد پاچوش: بعد از گذشت 14 ماه، میانگین تعداد پاجوش در تیمار شاهد 33/13 عدد بود. در تیمار پساب شهری این تعداد کاهش معنی‌داری با میانگین تعداد 33/6 پیدا کرد و در پساب صنعتی با میانگین تعداد 67/17 پاجوش، افزایش معنی‌داری (05/0P ≤) نسبت به شاهد داشت (شکل4-D ). گیاه آلوئه‌ورا به طور طبیعی تولید پاجوش می‌کند و روش اصلی افزایش غیر‌جنسی گیاه آلوئه‌ورا از طریق پاجوش است. باتوجه‌به نتایج، به‌نظر می‌رسد که پساب یا شیرابه با غلظت کمتر عناصر سنگین، مانند پساب صنعتی در این آزمایش، باعث تولید تعداد پاجوش بیشتر در آلوئه‌ورا خواهد شد، اما تیمار پساب شهری از تعداد پاجوش آلوئه‌ورا می‌کاهد.

افزایش تعداد پاجوش در تیمار پساب صنعتی را می‌توان به آلودگی کمتر پساب صنعتی و همچنین بالاتر بودن وزن تر ریشه در تیمار پساب صنعتی نسبت به تیمار پساب شهری، مرتبط دانست.

وزن پاجوش: نتایج نشان داد که علی‌رغم کاهش وزن پاجوش آلوئه‌ورا در تیمار پساب صنعتی، اختلاف معنی‌داری نسبت به پاجوش گیاه شاهد نداشت، اما وزن پاجوش در تیمار پساب شهری نسبت به شاهد کاهش معنی‌داری (05/0P ≤) نشان داد (شکل 5- A) این کاهش وزن را می‌توان به کاهش رشد ریشه، ساقه و برگ پاجوش در نتیجه کاهش تأمین عناصر غذایی و آب برای اندام پاجوش نسبت داد. محققین گزارش کردند برگ های جوان گیاه آلوئه‌ورا به تنش کم آبی حساسیت بیشتری دارند. بنابراین، پتانسیل آب خاک پایین میزان رشد، عملکرد و توسعه برگ‌های جوان، مثل برگ‌های جوان پا جوش را در گیاه آلوئه‌ورا کاهش می‌دهد (Rodriguez-Garcia et al., 2007).

شکل3- تاثیر پساب شهری و صنعتی بر نسبت وزن ژل به برگ (A)، وزن ژل برگ (B)، وزن تر ریشه (C) و وزن تر کل گیاه (D) گیاه آلوئه‌ورا. در نمودارها مقادیر میانگین 3 تکرار ± SE است و حروف یکسان بیان‌گر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح (05/0P≤) است.

Figure 3 - The effects of urban and industrial wastewater on the ratio gel weight to leaf (A), gel weight leaf (B), root fresh weight (C) and plant fresh weight (D) of Aloe vera leaf. The values are the average of three replications ± SE. Mean values with the same letters are not significantly different at the level of p≤ 0.05.

شکل4- تاثیر پساب شهری و صنعتی بر طول ریشه (A)، بیومس کل (B)، ارتفاع بوته (C) و تعداد پاجوش (D) گیاه آلوئه‌ورا. در نمودارها مقادیر میانگین 3 تکرار ± SE است و حروف یکسان بیان‌گر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح (05/0P≤) است.

Figure 4 - The effects of urban and industrial wastewater on the root length (A), total biomass (B), height (C) and number of ramets (D) of Aloe vera leaf. The values are the average of three replications ± SE. Mean values with the same letters are not significantly different at the level of P≤ 0.05

ارتفاع پاجوش: طبق شکل 5-B ، بالا‌ترین میانگین ارتفاع پاجوش متعلق به گیاه شاهد بود (5/34 سانتی‌متر) و در تیمار‌های پساب شهری و صنعتی کاهش معنی‌داری داشت. کم‌ترین ارتفاع پا جوش در تیمار پساب شهری (98/19 سانتی‌متر) دیده شد.

شاخص تحمل ریشه (IT): این شاخص در گیاهان تحت تیمار پساب شهری در مقایسه با گیاه شاهد کاهش معنی‌داری داشت و عدد 6/0 را نشان داد در صورتی‌که گیاه تحت تیمار پساب صنعتی با عدد 89/0 علی‌رغم کاهش در مقابل شاهد، اختلاف معنی‌داری با گیاه شاهد نشان نداد (شکل 5-C ). کاهش شاخص تحمل ریشه با افزایش تیمار پساب شهری که دارای آلودگی بیشتری بود، می‌تواند بیانگر تأثیر سمی فلزات بر رشد ریشه ‌باشد. شاخص تحمل ریشه که نشان دهنده رشد ریشه در حضور آلاینده است، در حالت عادی دارای مقدار یک است، ولی وقتی گیاه در معرض تنش آلاینده_‌ها قرار گیرد، این نسبت به شدت کاهش پیدا می‌کند (Cao et al., 2008). باتوجه‌به نتایج، کاهش کمتر (11 درصدی) شاخص تحمل ریشه (IT) در تیمار پساب صنعتی می‌تواند بیانگر تحمل خوب گیاه آلوئه‌ورا تحت تیمار پساب صنعتی در این تحقیق باشد. در تحقیقات دیگر نیز از افزایش شاخص تحمل در تنش کم و کاهش شاخص تحمل در تنش شدید فلز کروم (Bonet et al., 1991; Azizi et al., 2016) و فلز روی (Zoufan et al., 2016) گزارش شده است.

شکل5- تاثیر پساب شهری و صنعتی بر وزن پاجوش (A)، ارتفاع پاجوش (B)، شاخص تحمل ریشه (C) گیاه آلوئه‌ورا. در نمودارها مقادیر میانگین 3 تکرار ± SE است و حروف یکسان بیان‌گر عدم اختلاف معنی‌دار در سطح (05/0P≤) است.

Figure 5 - The effects of urban and industrial wastewater on the ramets weight (A), ramets height (B) and root tolerance index (C) of Aloe vera leaf. The values are the average of three replications ± SE. Mean values with the same letters are not significantly different at the level of p≤ 0.05.

جمع بندی: باتوجه‌به شاخص انباشت کل فلزات و بررسی‌های فیزیولوژیک و مورفولوژیک انجام شده در این تحقیق، بالاترین شاخص انباشت فلزات، در تیمار پساب شهری مشاهده شد. البته تمامی شاخص‌های بررسی شده، تحت تیمار پساب شهری کاهش بیشتری به نسبت پساب صنعتی داشتند. در مجموع بر اساس نتایج به‌دست آمده در این پژوهش، گرچه گیاه آلوئه‌ورا در خاک حاوی پساب صنعتی نسبت به خاک حاوی پساب شهری عملکرد بهتری داشت، ولی باتوجه‌به پالایش قابل توجه فلزات موجود در هر دو پساب ذکر شده، پیشنهاد می‌شود گیاه آلوئه‌ورا در خاک مسیرهای خروجی پساب‌های صنعتی و شهری جهت پالایش نسبی آن‌ها و پیشگیری از انتشار گسترده‌تر عناصر آلاینده در این خاک‌ها کشت شود.