การบำบัดดินและน้ำที่ปนเปื้อนด้วยสารตะกั่วโดยใช้พืช

ปัญหามลภาวะในสิ่งแวดล้อม กำลังเป็นปัญหาที่สำคัญของประเทศไทยและของโลก โลหะหนักเป็นสารก่อมลภาวะที่สำคัญ เพราะไม่ถูกทำลาย หรือสลายตัวช้ามากและมีพิษต่อสิ่งมีชีวิตโดยมีการสะสมเป็นปริมาณมากขึ้นเรื่อยๆ ในห่วงโซ่อาหาร โลหะหนักสำคัญที่เป็นปัญหามลภาวะของประเทศไทย คือ ตะกั่วและแคดเมียม ตะกั่วมีการสลายตัวช้ามาก (150 – 500 ปี) แหล่งที่มีการใช้ตะกั่ว คือ เหมืองตะกั่ว โรงงานอุตสาหกรรมสี น้ำมันเบนซิน โรงงานแบตเตอรี่ เป็นต้น ตะกั่วมีผลต่อสุขภาพ โดยมีผลต่อระบบประสาท ไต และ ระบบภูมิคุ้มกันของร่างกาย

การกำจัดตะกั่วในดิน อาจทำได้โดยการขุดดินที่ปนเปื้อน เคลื่อนย้ายออกมาเพื่อการฝังกลบ (landfill) และดินใหม่จะถูกนำมาแทนที่ ส่วนการกำจัดตะกั่วในระบบบำบัดน้ำเสีย อาศัยวิธีการทำให้ตะกั่วตกตะกอนด้วยสารเคมี ซึ่งต้องนำตะกอนเหล่านี้ไปฝังกลบอีกทีหนึ่ง กระบวนการเหล่านี้ มิได้แก้ปัญหาการปนเปื้อนเพียงแต่ย้ายดินหรือตะกอนที่มีโลหะหนักจากบริเวณหนึ่งไปสู่อีกบริเวณหนึ่งเท่านั้น และมีค่าใช้จ่ายสูงมาก นอกจากนี้ วิธีการดังกล่าวยังไม่สามารถกำจัดตะกั่วที่ปนเปื้อนในปริมาณต่ำๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงได้มีการศึกษาหาวิธีการกำจัดตะกั่วที่มีค่าใช้จ่ายต่ำ มีขั้นตอนไม่ซับซ้อนและไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เป็นเทคโนโลยีที่สะอาด (clean technology)

เทคโนโลยีการบำบัดดินหรือน้ำที่ปนเปื้อนด้วยโลหะหนักโดยใช้พืช (phytoremediation) เป็นทางเลือกอีกอันหนึ่งโดยอาศัยความสามารถของพืชที่ทนต่อโลหะหนัก และสะสมโลหะหนักได้เป็นปริมาณมากด้วย (Salt et al. 1995) ข้อดีของเทคโนโลยีนี้คือ มีประสิทธิภาพสูงในการลดปริมาณอิออนของโลหะหนัก มีค่าใช้จ่ายต่ำ ทั้งยังเหมาะกับการบำบัดดินหรือน้ำที่มีการปนเปื้อนในปริมาณต่ำ ไม่มีการทำลายบริเวณที่มีการปนเปื้อน มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยมาก นอกจากนี้ยังเป็น green technology อีกด้วย (Flathman and Lanza 1998)

การศึกษาสำรวจพืชได้ค้นพบว่า มีประมาณ 400 สปีชีส์ ที่มีประสิทธิภาพสูงในการสะสมโลหะหนัก หรือเรียกพืชเหล่านี้ว่าไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ (hyperaccumulator) พืชสามารถดูดโลหะหนักขึ้นไปสะสมไว้ในใบ ลำต้น หรือราก มวลชีวภาพ (biomass) ของพืชที่ได้สะสมโลหะหนักนี้สามารถนำมาเผาหรือนำมาย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ได้ ส่วนมวลชีวภาพของพืชที่สะสมโลหะหนักที่มีราคา เช่น นิกเกิล สังกะสี ทองแดง อาจส่งเข้าโรงงานถลุงแร่เพื่อนำแร่เหล่านี้กลับมาใช้ได้อีก

เทคโนโลยีการบำบัดโลหะหนักโดยใช้พืช

ในระหว่างปี ค.ศ. 1980 – 1990 ได้มีการศึกษาบำบัดดินและน้ำที่ปนเปื้อนด้วยโลหะหนักโดยใช้พืชหรือ phytoremediationกันมากในแถบทวีปยุโรปหรืออเมริกา เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่า พืชบางชนิดมีความสามารถสะสมโลหะหนักได้ในปริมาณมาก โดยเฉพาะในส่วนลำต้นและใบ เช่น สังกะสี นิกเกิล เซเลเนียม เป็นต้น การค้นพบพืชที่ทนต่อโลหะหนักดังกล่าวได้นำไปสู่การศึกษากลไกที่เกี่ยวข้องกับความทนทานของพืช และข้อสรุปที่ว่าพืชสามารถกำจัดโลหะหนักออกจากดินและน้ำได้

phytoremediation มีด้วยกันหลายวิธีการแต่วิธีการที่นำมาใช้กันแพร่หลายมีอยู่ 3 วิธี คือ (1) phytoextraction (2) rhizofiltration และ (3) phytostabilization

phytoextraction คือการใช้พืชไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ที่สามารถสะสมโลหะหนักได้ใน ส่วนต้น (ใบและลำต้น) นั่นคือ ดูดโลหะหนักจากดินโดยรากและลำเลียงโลหะหนักขึ้นไปสะสมในลำต้นและใบ (Schnoor 1997)

บริษัท Phytotech ในทวีปยุโรปได้นำเทคโนโลยี phytoextraction มาใช้ในการบำบัดดินที่ปนเปื้อนด้วยตะกั่วและแคดเมียมในปริมาณต่ำและให้ผลเป็นที่พอใจ เทคโนโลยีนี้จะให้ผลดีที่สุดเมื่อพืชที่ใช้ในการบำบัดมีมวลชีวภาพมาก เป็นพืชที่โตเร็วและสามารถสะสมโลหะหนักได้ในส่วนลำต้นและใบในปริมาณที่สูงกว่าในดิน ส่วนลำต้นและใบนี้สามารถตัดออกและนำไปเผาหรือฝังกลบได้โดยง่าย

Rhizofiltration คือการใช้รากของพืชดูดซับโลหะหนักที่ปนเปื้อนในดิน น้ำ น้ำผิวดิน หรือแหล่งน้ำใต้ดินโดยพืชสะสมโลหะหนักไว้ในรากเป็นส่วนใหญ่ บริษัท Phytotech ได้ใช้เทคโนโลยีนี้ในการบำบัดดินที่ปนเปื้อนด้วยยูเรเนียมที่มลรัฐโอไฮโอ ประเทศสหรัฐอเมริกา และในแหล่งน้ำที่ปนเปื้อนใกล้กับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Chernobyl ประเทศยูเครน โดยใช้ต้นทานตะวัน Dushenkov et al. (1995) ได้รายงานว่ารากของต้นทานตะวันสามารถดูดธาตุโคบอล์ท สตรอนเทียมและยูเรเนียมที่เป็นสารกัมมันต์ได้เป็นปริมาณมาก

Phytostabilization คือ การใช้พืชช่วยตรึงโลหะหนักในดิน โดยขั้นแรกจะต้องใส่สารบางอย่างในดินก่อนเพื่อจับหรือตรึงกับโลหะหนัก เช่น ด่าง ฟอสเฟตออกไซด์ ซึ่งทำให้โลหะหนักไม่ละลายในน้ำ และไม่ถูกชะออกจากดิน จากนั้นก็ปลูกพืชที่มีระบบรากที่สามารถดูดโลหะหนักเก็บไว้ในรากได้ พืชเหล่านี้จะเก็บสะสมโลหะหนักไว้ในรากเท่านั้น ไม่ลำเลียงขึ้นไปสู่ลำต้นและใบ

พืชที่สะสมโลหะหนักในปริมาณสูง (hyperaccumulator)

พืชทุกชนิดมีการดูดแร่ธาตุหรือโลหะหนักในอัตราและปริมาณที่แตกต่างกัน ปริมาณการสะสมขึ้นอยู่กับปัจจัยภายในคือพันธุกรรม และปัจจัยภายนอกคือสภาวะแวดล้อม นอกจากนั้นยังมีความแตกต่างกันในแต่ละสปีชีส์และชนิดของโลหะด้วย Baker (1981) ได้ให้คำนิยามพืชสะสม (accumulator) ว่าจะต้องมีสัดส่วนโลหะหนักในใบและรากมากกว่า 1 นั่นคือมีการลำเลียงโลหะหนักจากรากสู่ใบได้ และจะต้องทนทานต่อโลหะหนักด้วย ส่วนพืชที่เป็นตัวบ่งชี้ (indicator) นั้น จะไม่ทนต่อโลหะหนักและปริมาณที่ตรวจพบในลำต้นและใบนั้นจะสะท้อนปริมาณของโลหะหนักในดินหรือน้ำ พืชที่สามารถขึ้นอยู่ในดินที่มีแร่ธาตุสูง (metalliferous soil) หรือที่มีโลหะหนักมีการตอบสนองที่ไม่เหมือนกัน เช่น ความทนทานการแสดงอาการของโรค เป็นต้น ในระยะ 20 ปีที่ผ่านมา ได้มีการค้นพบพืชหลายชนิดที่สามารถขึ้นอยู่ได้ในดินที่มีโลหะมากและสามารถสะสมโลหะได้ในปริมาณมาก เช่น นิกเกิล สังกะสี ทองแดง โคบอล์ท และตะกั่ว (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1. แสดงการสะสมโลหะหนัก ในพืชที่เป็นไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ (Baker et al. 2000)

พืชที่เป็นไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์สามารถสะสมโลหะได้ในปริมาณมากแม้ว่าในดินจะมีปริมาณโลหะนั้นต่ำ ปริมาณโลหะในส่วนต้น (ลำต้นและใบ) ของพืชเหล่านี้จะมากกว่าในรากและอวัยวะอื่น ๆ หลายเท่าตัว ดังนั้น รากซึ่งเป็นอวัยวะที่มีอายุได้นานหลายปี ก็จะได้รับการปกป้องจากพิษของโลหะหนักเหล่านี้ พืชอาจมีวิธีกำจัดโลหะหนักออกไป เช่น การร่วงของใบ พืชไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์หลายชนิดเป็นพวกวัชพืชที่มีอายุ 1 – 2 ปี หรือหลายปี หรืออาจเป็นไม้พุ่มหรือไม้ยืนต้นขนาดใหญ่ สำหรับกลไกการลำเลียงโลหะในพืชจากรากไปสะสมในส่วนใบและลำต้นนั้นยังไม่ทราบแน่นอนและยังมีการศึกษาน้อยมาก

ในการศึกษาที่ทำมา ได้พบพืชไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ของตะกั่วน้อยมาก ทั้งนี้เพราะตะกั่วมิใช่ปัญหาสำคัญในประเทศแถบซีกโลกตะวันตกซึ่งมักประสบปัญหากับดินธรรมชาติที่มีนิกเกิล ทองแดง และเซลีเนียมมากกว่า นอกจากนี้ตะกั่วยังมีการละลายต่ำ มักจะตกตะกอนกับกลุ่มฟอสเฟต และ ซัลเฟตในรากของพืช ได้มีการศึกษาพบว่า ต้น Thlaspi rotundifolium ซึ่งเป็นวัชพืชในทวีปยุโรปมีการสะสมตะกั่วมากถึง 8200 มก/กก ในบริเวณที่พบคือใกล้กับเหมืองตะกั่วในประเทศอิตาลี (Reeves and Brooks 1983) ในขณะที่ต้น Alyssum wulferianum จากบริเวณเดียวกันมีการสะสมตะกั่ว 860 มก/กก ในประเทศอังกฤษพบต้น Thlaspi caerulescens ที่ขึ้นอยู่ในบริเวณเหมืองตะกั่ว มีการสะสมตะกั่วถึง 2740 มก/กก Barry and Clark (1978) ได้ค้นพบพืช Festuca ovina สามารถสะสมตะกั่วในลำต้นและใบ 130 – 11,750 มก/กก Williams et al. (1977) พบว่าลำต้นและใบของหญ้าที่ขึ้นในบริเวณกากแร่ในประเทศอังกฤษมีการสะสมตะกั่วถึง 13,488 มก/กก Baker et al. (1994) ได้ทำการทดลองนำต้นอ่อนของ T. caerulescens มาแช่ในสารอาหารที่มีตะกั่ว 20 มก/ลิตร เป็นเวลา 21 วัน พบการสะสมตะกั่วในต้นอ่อน 4500 – 7000 มก/กก (ในส่วนราก 29,000 และในส่วนต้น 280 มก/กก) เมื่อทดลองแบบเดียวกันโดยใช้พืชที่ไม่ใช่ไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ในระยะเวลาสั้นก็ให้ผลใกล้เคียงกัน แต่พืชกลุ่มหลังนี้ไม่ทนทานและตายในเวลาอันสั้น

โดยปกติแล้ว ตะกั่วเป็นแร่ธาตุที่ไม่จำเป็นสำหรับพืชและไม่มีประโยชน์ต่อการเติบโตของพืชเลย ปริมาณตะกั่วที่มีในดินและหินในธรรมชาติมีปริมาณต่ำกว่า 50 มก/กก และในพืชพบประมาณ < 10 มก/กก ในลำต้นและใบอาจพบปริมาณตะกั่ว 1 – 10 มก/กก ดังได้กล่าวมาแล้วว่าตะกั่วมีการละลายต่ำที่ pH ที่เป็นกลาง และมักตกตะกอน ทำให้รากของพืชดูดตะกั่วได้ยากกว่าโลหะตัวอื่น ๆ พืชบางชนิดสามารถดูดตะกั่วได้แต่ก็มักสะสมอยู่ในราก โดยมีการลำเลียงขึ้นไปส่วนต้นน้อยมาก

การใช้พืชไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ในการกำจัดโลหะหนัก

ในระยะเวลา 15 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ว่าเราสามารถนำพืชไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์มาใช้ในการบำบัดดินและน้ำที่มีโลหะหนักได้ อย่างไรก็ตามการบำบัดโดยวิธีนี้ก็มีข้อจำกัดหลายประการ ได้แก่ (1) พืชไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์เป็นพืชที่หายาก และมักจะขึ้นอยู่ในบริเวณที่ห่างไกลที่ได้รับผลกระทบจากการทำเหมืองแร่ต่าง ๆ ดังนั้นจำนวนประชากรของพืชเหล่านี้จะน้อยมาก จึงมีความจำเป็นที่จะต้องเก็บรวบรวมพืชหายากเหล่านี้ และหาวิธีการที่จะขยายพันธุ์ให้ได้เป็นปริมาณมาก (2) พืชเหล่านี้มักมีมวลชีวภาพต่ำ เช่น Thlaspi เราสามารถทำให้พืชเหล่านี้เติบโตเร็วได้ โดยการให้สารอาหารและปรับปรุงคุณภาพของดิน ดังนั้น จึงต้องมีการวิจัยเกี่ยวกับการคัดเลือกพืชไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ที่เติบโตเร็ว มีระบบรากที่ลึก จำนวนรากมาก เพื่อที่จะได้พืชที่มีคุณสมบัติต่าง ๆ เหล่านี้ การปรับปรุงพันธุ์พืชโดยวิธีการทางพันธุวิศวกรรม จะมีบทบาทสำคัญมาก เช่น การถ่ายโอนยีนจากพืชที่เป็นไฮเปอร์แอกคิวมิวเลเตอร์ แต่โตช้า ไปยังพืชที่มีการเติบโตเร็ว โดยใช้เทคนิคการรวมโพรโทพลาสต์ (protoplast fusion)

นอกจากการบำบัดดินโดยใช้พืชบกแล้ว พืชน้ำหลายชนิดก็มีคุณสมบัติในการดูดซับโลหะหนักได้อย่างมีประสิทธิภาพ เทคโนโลยีการใช้พืชน้ำในการบำบัดน้ำเสียนั้นมีมานานแล้ว เนื่องจากมีค่าใช้จ่ายน้อยและมีการใช้พลังงานน้อย แต่ต้องใช้เนื้อที่มาก เราสามารถแบ่งพืชน้ำออกเป็น 3 ประเภท คือ(1) พืชที่มีรากอยู่ใต้น้ำ แต่มีลำต้นโผล่พ้นน้ำ (emergent) พบทั่วไปในบริเวณพื้นที่ชุ่มน้ำ หนอง บึง เช่น ธูปฤาษี (2) พืชลอยน้ำ (floating) มีรากอยู่ในดิน เช่น บัว แว่นแก้ว ผักตบชวา แหน (3) พืชใต้น้ำ (submerged) มีส่วนรากและส่วนลำต้นอยู่ใต้น้ำ แต่มีดอกที่โผล่เหนือน้ำ เช่น สาหร่ายพุงชะโด สาหร่ายหางกระรอก ระบบบำบัดน้ำเสียแบบ constructed wetland ที่ให้ผลดีมากคือ ระบบที่ใช้ผักตบชวา (Eichhornia crassipes) เพราะผักตบชวามีมวลชีวภาพมากและมีการเติบโตเร็ว พืชน้ำอื่น ๆ ที่สามารถดูดซับสารได้ดีพอสมควรได้แก่ จอก แหน แต่มีมวลชีวภาพน้อยกว่าผักตบชวา

เอกสารอ้างอิง :

• Baker, A.J.M. 1981. Accumulators and excluders strategies in the response of plants to heavy metals. J. Plant Nutri., 3; 643-654.
• Baker, A.J.M., Reeves, R.D., and Hajar, A.S.M. 1994. Heavy metal accumulation and tolerance in British populations of the metallophyte Thlaspi caerulescens J. & C. Presl (Brassicaceae). New Phytol. 127: 61-68.
• Barry, S.A.S., and Clark, S.C. 1978. Problems of interpreting the relationship between the amounts of lead and zinc in plants and soil on metalliferous wastes. New Phytol. 81: 773-738.
• Dushenkov, V., Kumar, P.B.A.N., Motto, H. and Raskin, I. 1995. Rhizofiltration: the use of plants to remove heavy metals from aqueous streams. Environ. Sci. Technol. 29: 1239-1245.
• Flathman, P.E. and Lanza, G.R. 1998. Phytoremediation : current reviews on an emerging green technology. J. Soil Contam. 7: 415-432.
• Reeves, R.D. and Brooks, R.R. 1983. Hyperaccumulation of lead and zinc by two metallophytes from mining areas of Central Europe. Environ. Pollut. Ser. A. 31: 277-285.
• Salt, D.E., Blaylock, M., Kumar, P.B.A., Dushenkov, V., Ensley, B.D., Chet, I. and Raskin, I. 1995.
• hytoremediation : A novel strategy for the removal of toxic metals from the environmental using plants. Biotechnol. 14: 468-474.
• Schoor, J.L. 1997. Phytoremediation. Technology Evaluation Report, Ground-Water Remediation Technologies Analysis Center, E-series : TE-98-01. 37 pages.
• Williams, S.T., McNeilly, A. and Wellington, E.M.H. 1977. The decomposition of vegetation growing on metal mine waste. Soil Biol. Biochem. 9: 271-275.