۲-۱-۲- فلزات سنگین
بر روی زمین بیش از ۱۰۶ عنصر شناسایی شده است که حدود ۸۰ عدد آن فلز محسوب میشوند (Ghinwa and volokey, 2009). فلزات به صورت طبیعی در محیطی وجود دارند و اغلب در سنگها، خاک، آب، گیاهان و حیوانات بهشکلهای مختلف مانند یونهای محلول در آب، بخار، نمک یا مواد معدنی یافت میشوند. آنها همچنین میتوانند در مولکولهای آلی و غیر آلی حضور یابند و یا به ذرات موجود در هوا متصل شوند (Ismail, 2002 ). فلزات سنگین به فلزاتی گفته میشود که دارای چگالی نسبتا بالا بوده و در غلظتهای کم سمی باشند (عرفانمنش و افیونی، ۱۳۷۹). هرچند این عناصر به طور طبیعی دارای غلظت کمی در خاک موجود هستند اما پراکنش جغرافیایی آنها چه بهصورت طبیعی و چه از طریق فعالیتهای انسانی مشکلات و مسائلی را در بر خواهد داشت.
در جدول تناوبی به آن تعداد ازعناصر که وزن اتمی بالائی داشته و در درجه حرارت اتاق خاصیت فلزی دارند فلز سنگین اطلاق می شود. از آنجائی که تعاریف مختلفی برای این عناصر شده و در این طبقه عناصر مختلفی قرار داده شدهاند باید تنها از اصطلاح فلزات و یا شبهه فلزات استفاده نمود، لیکن از نظر بیولوژی واژه فلز سنگین به عناصری که دارای خاصیت سمی هستند اطلاق میگردد. بر این اساس فلزاتی که در فهرست مواد سمی قرار میگیرند عبارتند از: آلومینیوم، آرسنیک، برلیوم، بیسموت، کادمیوم، کرم، کبالت، مس، آهن، سرب، منگنز، جیوه، نیکل، سلنیوم، تالیوم، قلع، تیتانیوم و روی، برخی از این فلزات نظیر کرم و آهن جزو عناصر ضروری در جیره غذایی روزانه انسان هستند اما دزهای بالای این عناصر بسیار سمی است.

از منظر سلامت انسان فلزات را می توان به دو گروه تقسیم کرد. آنهایی که برای ادامه ی حیات ضروری هستند، مثل آهن و کلسیم و آنهایی که برای انسان ضروری نیست، مثل: کادمیوم و سرب که سمی هستند. این فلزات سمی بر خلاف برخی مواد آلی، قابلیت تجزیه زیستی را نداشته و تجمعشان در بافتهای زنده میتواند منجر به مرگ یا تهدیدات جدی برای سلامتی شود (Ghinwa and volokey, 2009 ). فلزاتی با الکترونگاتیوی بالا و چگالی بیش از cm³/gr 5 (Agarwal, 2009) و وزن اتمی ۵۴۶/۶۳ تا ۵۹۰/۲۰۰ mol/gr (Kennish, 1992) فلز سنگین نامیده میشوند. این فلزات شامل آنتیموان (۵۱sb, )، آرنیک (۳۳ Ar,)، باریوم (۵۶ Ba,)، بیسموت (۸۳ Bi,)، کادمیوم (۴۸Cd, )، سدیم (۵۸ CC,)، کروم (۲۴ Cr,)، کبالت (۲۷ Co,)، مس (۲۹ Cu,)، گالیوم (۳۱ Ga,)، ژرمانیوم (۳۳ Ge,)، طلا (۷۹ Au,)، آهن (۲۶ Fe,)، سرب (۸۲ Pb,)، منگنز (۲۵Mn, )، جیوه (۸۰ Hg,)، نیکل (۲۸Ni, )، پلاتین (۷۸Pt, )، روبیدیوم (۳۷ Rb,)، نقره (۷۴ Ag,)، استرونتیوم (۲۸ Sr,)، تلوریوم (۵۲ Te,)، تالبوم (۸۱ Th,)، قلع (۵۰ Sn,)، تیتانیوم (۲۲ Ti,)، اورانیوم (۹۲ U,)، واناریوم (۲۲V, )، روی (۳۰ Zn,)، زیرکونیوم (۴۰ Zr,) است (Kabata- Pendias, 2011). از ویژگیهای عمومی فلزات سنگین میتوان به تجمع پذیری در بافتها، تجزیه ناپذیری و مقاومت به تغییرات بیولوژیکی در محیط زیست اشاره کرد که عوامل نامبرده سبب ورود آنها به چرخه حیات و زنجیره غذایی، تجمع در بافتهای چرب و تغییر و تبدیل در بافتهای مصرف کننده میگردد.
۲-۱-۳- دسته‌بندی عناصر

• • از نقطه نظر رشد گیاه عناصر به چند دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از: عناصر ضروری، عناصر مفید، عناصر غیر ضروری و غیر مفید، عناصر سمی.

• • عناصر ضروری: برای مشخص کردن عناصر ضروری، نظریات مختلفی تاکنون مطرح شده است که در بین آن‌ها سه نظریه آرنون، نیکولاس و اپشتاین از همه مهمتر است (Barak, 1999; Arnon, 1943; Epstein, 1972).

بر اساس مقدار نیاز گیاه، عناصر به دو گروه پر مصرف و کم مصرف یا به عبارت دیگر به عناصر ماکرو و میکرو تقسیم‌بندی می‌شوند، منظور از عناصر پر مصرف، عناصری هستند که به مقدار زیاد مورد نیاز گیاه می‌باشند و شامل ۶ عنصر ازت (N)، فسفر (P)، پتاسیم (K)، کلسیم (Ca)، منیزیم (Mg) و گوگرد (S) می‌شوند و مجموعاً ۱۰۰ تا ۴۰۰ کیلوگرم در هکتار توسط گیاه در یک فصل رویشی برداشت می‌شوند.
اما عناصر کم مصرف به مقدار کم مورد نیاز گیاه بوده و شامل ۷ عنصر می‌باشد: آهن (Fe)، روی (Zn)، منگنز (Mn)، مس(Cu)، کلر (Cl)، مولیبدون (Mo) و بر (B) می‌باشند (Epstein, 1972).

• • عناصر مفید: عناصر مفید، عناصری هستند که برای گیاه ضروری نیستند ولی نقش محرک برای رشد و نمو گیاه دارند. شامل عنصر سدیم(Na)، آلومینیوم (Al)، سلیسیم (Si)، کبالت (Co)، نیکل(Ni) و وانادیم (V) می‌باشند. مثلاً سدیم برای تیره اسفناج و کبالت برای تیره حبوبات مفید هستند. البته ممکن است عناصر دیگری هم بعداً به‌این لیست اضافه شوند.

• • عناصر غیر ضروری و غیر مفید: دسته بعدی عناصر اتفاقی هستند و بدلیل وجود در محیط رشد توسط گیاه جذب می‌شوند و تاکنون نقش ضروری و نقش مفیدی برایشان شناخته نشده است ( Epstein, 1972).

• • عناصر سمی: دسته چهارم عناصر سمی‌هستند، که اگر در محیط رشد وجود داشته باشند و توسط گیاه جذب و غلظتشان از یک حد معینی افزایش پیدا کند گیاه دچار مسمومیت می‌شود. عناصری مثل سرب (Pb)، کادمیوم (Cd)، نیکل(Ni)، آرسنیک (As)، سلنیوم (Se) و جیوه (Hg) بهعنوان عناصر سمی‌معرفی شده‌اند. البته ‌ایجاد مسمومیت این دسته از عناصر برای گونه‌های گیاهی مختلف، متفاوت است و بین خود آن‌ها نیز سمیت‌ها فرق می‌کند. برخی از آن‌ها مثل سرب (Pb)، جیوه (Hg) و کادمیوم (Cd) مسمومیت زیاد و بعضی دیگر مسمومیت کمتری ایجاد می‌کنند. عناصر سمی ‌از جنبه مسائل زیستمحیطی مورد توجه هستند. در شهرهای بزرگ و حوالی مناطق صنعتی مشکلاتی در این خصوص وجود دارد (Prasad, 2004).

۲-۱-۳-۱- مس (Cu)
یون مس (II) تمایل به اتصال به سلول‌های پوست و جلوگیری از فرایند انتقال از طریق دیوارهای سلول دارد. مقدار بیش از اندازه مس می‌تواند سبب سوخت و ساز غیر عادی شود. بنابراین یک نیاز بحرانی برای سنجش به موقع سطح موجود مس در محیط‌های آبی وجود دارد (Sonmez & divrikli, 2010).
۲-۱-۳-۱-۱- مس در خاک
مقادیر عمومی برای متوسط کل مس در خاکهای سراسر دنیا در دامنهای از۱۴ تا ۱۰۹ mg/kg قرار دارد. قواعد مربوط به وقوع بزرگ مقیاس مس در خاکها نشان دهنده این است که دو عامل اصلی سنگ بستر و فرایندهای تشکیل خاک وضعیت اولیه مس را در خاکها کنترل میکنند. همچنین، بخش رسی خاک بهطور قابل توجهی در مقدار مس خاک سهیم است (Kabata- Pendias, 2011).
مس معمولا در چند سانتیمتری فوقانی خاکها تجمع یافته است. بههرحال، بهعلت تمایل آن برای جذب توسط مواد آلی خاک، کربناتها، کانیهای رسی و اکسیهیدروکسیدهای منگنز و آهن ممکن است در لایه های عمیقتر خاک نیز انباشته شود.اسید هومیک بهطور ویژه دارای یک ظرفیت اتصالی بزرگ برای این فلز گزارش شده است (Logan et al., ۱۹۹۷). مس یک عنصر نسبتا غیرمتحرک در خاکها است و بهطور نسبی تغییرات اندکی را در مقادیر کلی نیمرخهای خاک نشان میدهد. مشخصه عمومی توزیع مس در نیمرخهای خاک تجمع آن در افقهای بالایی است. این پدیده تحت تاثیر عوامل مختلفی است، اما فراتر از همه آنها، غلظت مس در خاکهای سطحی منعکس کننده تجمع زیستی آن و همچنین منابع انسانی (آنتروپوژنیک) آن است (Kabata- Pendias, 2011).
۲-۱-۳-۱-۲- آلودگی خاک
اگرچه مس در اغلب شرایط خاک فقط بهصورت کمتحرک وجود دارد، اما ممکن است مقادیر بالای آن برای دوره های زمانی طولانی در خاک باقی بماند (Hutchinson, 1979). منابع عمده آلودگی (معمولا کارخانه های ذوب فلزات غیرآهنی) هالههایی را ایجاد میکنند که در آن غلظت مس در خاکهای سطحی با افزایش فاصله از منبع آلاینده کاهش مییابد که بهطور ویژه در جهت باد دیده میشود. آلودگی خاک توسط ترکیبات مس همچنین در اثر استفاده از ترکیبات حاوی مس از جمله کودهای شیمیایی، افشانهها و پسماندهای کشاورزی و شهری ایجاد میشود (Kabata- Pendias, 2011).
۲-۱-۳-۱-۳- فراهمی زیستی مس
فراهمی زیستی شکلهای محلول مس به احتمال زیاد به وزن مولکولی ترکیبات مس و به مقادیر موجود آن وابسته است. ترکیبات دارای وزن مولکولی پایین آزاد شده در طی پوسیدگی بقایای گیاهی و جانوران، همچنین ترکیبات بهکار رفته با لجن فعال ممکن است به میزان زیادی فراهمی مس را برای گیاهان افزایش دهند. باید تاکید کرد که غلظتهای مس در محلولهای خاک اساسا توسط واکنشهای مس با گروه های فعال واقع در سطح فاز جامد و توسط واکنشهای مس با مواد خاص کنترل میشود. شی^[۷] و همکاران (۲۰۰۵) نرخ واکنشهای شیمیایی مربوط به آزاد شدن مس از خاکها را مطالعه کردند و به این نتیجه رسیدند که تخریب فرایند اصلی سهیم در آزاد شدن فلز مس به فاز محلول است (Kabata- Pendias, 2011).
۲-۱-۳-۱-۴- مس در گیاهان
به نظر میرسد غلظت مس در بافتهای گیاهی تابعی از سطح آن در محلول مغذی یا خاک باشد. اگر چه، الگوهای این رابطه در میان گونه های گیاهی و بخشهای گیاهی متفاوت است. جابجایی مس در میان بخشهای مختلف گیاهان نقش برجستهای را در استفاده گیاه از مس ایفا میکند. قابلیت زیاد بافتهای ریشه برای نگه داشتن مس در مقابل انتقال به برگها هم تحت شرایط کمبود مس و هم تحت شرایط فزونی مس مشاهده شده است. مس نسبت به سایر عناصر موجود در گیاه دارای تحرک پایین بوده و بخش بیشتر آن در ریشه و بافتهای پیر برگ باقی میماند و تنها ممکن است مقادیر اندکی ار آن به بخشهای جوان گیاه انتقال یابد. با وجود بردباری عمومی گونه ها و ژنوتیپهای گیاهی در برابر فلز مس، این فلز بهعنوان یک فلز بسیار سمی مطرح شده است (Kabata- Pendias, 2011).
۲-۱-۳-۱-۵- اثرات مس بر گیاهان
در میان علائم عمومی سمیت مس، کلروز (زردی) و ناهنجاری شکلی ریشه متداولترین علائم میباشند. در غلظت ۱۵ تا ۲۰ mg/kg کاهش رشد بافتها در گیاهان حساس مشاهده شده است. فرایندهای مربوط به افزایش کاتیونهای مس در گیاه عبارتند از (Kabata- Pendias, 2011)
- آسیب بافتی و کشیدگی سلولهای ریشه.
- تغییر نفوذپذبری غشای سلولی که منجر به نشت یونها (مانند پتاسیم و فسفات) و مواد محلول میشود.
- حل شدن چربیهای غشای کلروپلاست و ممانعت از انتقال الکترونیکی فتوسنتز.
- عدم تحرک مس در دیواره های سلولی، واکوئلهای سلولی و ترکیبات مس- پروتئین.
- آسیب به DNA و در ادامه جلوگیری از فرایندهای فتوسنتز.
۲-۱-۳-۱-۶- واکنش با عناصر دیگر
برهمکنش مس- روی بهطور معمول مشاهده شده است. این فلزات با یک سازوکار یکسان جذب میشوند و بنابراین ممکن است که هر یک از آنها به صورت رقابتی مانع از جذب ریشهای دیگری شود.
برهمکنش منفی^[۸] مس- آهن به صورت کلروز ناشی از مس نمایان شده است. در واقع سطوح بالای مس در گیاه مقدار آهن را در کلروپلاست کاهش میدهد. از سوی دیگر، آهن جذب مس را از محلولهای خاک کاهش میدهد. نسبت بهینه مس- آهن برای گونه های گیاهی مختلف متفاوت است. اگر چه برهمکنش مثبت^[۹] مس بر جذب آهن توسط نهالهای برنج نیز گزارش شده است.
برهمکنش مس- منگنز به به هر دو صورت مثبت و برهمکنش منفی در فرایندهای جذب تحت شرایط مشخص و در غلظتهای بالا از هر دو فلز گزارش شده است.
برهمکنش مثبت مس- نیکل در شرایط مشابه مانند روابط مس- منگنز مشاهده شده است.
برهمکنش منفی مس- آلومینیوم منجر به کاهش جذب مس توسط ریشه ها تحت سطوح سمی آلومینیوم به ویژه در خاکهای اسیدی میشود (Kabata- Pendias, 2011).
۲-۱-۳-۱-۷- اثرات مس بر سلامتی انسان
خوردن ۷۵- ۱۵ میلیگرم مس منجر به اختلالات گوارشی و بروز یک بیماری به اسم ویلسون^[۱۰] میشود. جذب بیش از حد مس ممکن است منجر به همولیز (تحلیل گلبولهای قرمز) و سمی شدن کبد و کلیه شود. سمیت مس منجر به تحریک مخاطی شدید، آسیب مویرگی گسترده، آسیب کبدی و کلیوی و تحریک سیستم عصبی مرکزی و بهدنبال آن افسردگی میشود (Shrivastava, 2009).
۲-۱-۳-۲- سرب (Pb)
یکی از مهم‌ترین فلزات عنصر سرب است. که مسمومیت آن برای حیوان، انسان و گیاه شناخته شده است. این مسمومیت در اثر احتراق بنزین خودروها بوجود می‌آید. بدین صورت که تترا اتیل سرب و تترا متیل سرب موجود در بنزین پس از احتراق بصورت سرب معدنی خارج شده و آلودگی ایجاد می‌کند. سرب از طریق آلودگی هوا در سطح خاک تجمع پیدا می‌کند . میزان آلودگی خاک به سرب بستگی به فاصله تا بزرگراه‌ها و جاده، میزان ترافیک جاده و جهت باد دارد. عامل دوم آلودگی‌های زیستمحیطی میزان ترافیک جاده‌هاست (Lopez et al., 1985).
مقدار متوسط سرب در پوسته زمین ۱۵ میلیگرم بر کیلوگرم برآورد شده است. فراوانی آن در خشکی نشان دهنده گرایش غلظتی آن برای سریهای اسیدی سنگهای آذرین و رسوبات رسی است، که غلظتهای متداول سرب در آنها بهترتیب در دامنهای از ۲۵- ۱۰ میلیگرم بر کیلوگرم و ۴۰- ۱۴ میلیگرم بر کیلوگرم قرار دارد. در سنگهای اولترامافیک و رسوبات دارای کلسیم (آهکی) بهترتیب در دامنهای از ۸- ۱/۰ میلیگرم بر کیلوگرم و ۱۰- ۳ میلیگرم بر کیلوگرم وجود دارد. سرب عمدتا در محیطزیست به صورت Pb²⁺ وحود دارد. شکل اولیه سرب در حالت طبیعی گالنا^[۱۱] (PbS) میباشد. (Kabata- Pendias, 2011).
۲-۱-۳-۲-۱- سرب در خاک
مقدار متوسط کل سرب برای خاکهای مختلف ۲۷ میلیگرم بر کیلوگرم برآورد شده است. توزیع سرب در نیمرخهای خاک یکنواخت نیست و بیانگر یک پیوستگی قوی با هیدروکسیدها، به ویژه آهن و منگنز است. بهطور کلی سرب عمدتاً به علت جذب توسط مواد آلی در سطح خاک تجمع مییابد (Kabata- Pendias, 2011). سرب بهعنوان کمتحرکترین فلز سنگین به ویژه در شرایط تحت کاهش یا غیراسیدی در نظر گرفته شده است. تشکیل کمپلکس با مواد آلی، جذب شیمیایی روی اکسیدها و سیلیکاتهای رس و تهنشست بهصورت کربنات، هیدروکسید یا فسفات سازوکارهای مسئول برای عدم تحرک سرب میباشند، که همه آنها در pH بالاتر مورد توجه هستند. با این وجود، ممکن است حلالیت آن در خاکهای قلیایی با تشکیل کمپلکسهای محلول سرب- ماده آلی و سرب- هیدروکسی افزایش یابد (Alvarez- Ayuso and Garcia- Sanchez, 2003).
۲-۱-۳-۲-۲- آلودگی خاک
آلودگی خاک در اثر سرب ناشی از فعالیتهای معدنکاوی و صنعتی یک مسئله جدید نیست. سرنوشت سرب ناشی از فعالیتهای انسانی (آنتروپوژنیک) در خاکها در سالهای اخیر توجه زیادی را بهخود جلب کرده است. زیرا این فلز از دو طریق برای انسان و حیوانات خطرناک است. زنجیره غذایی و استنشاق گرد و خاک یا خوردن خاک (Kabata- Pendias, 2011). در نواحی معدنی سرب ممکن است در اثر فرسایش و هوازدگی شیمیایی باطلهها پراکنده شود. شدت این فرایند به ویژگیهای شیمیایی و مواد معدنی موجود در باطلهها بستگی دارد (da Silva et al., ۲۰۰۴). آلودگی سرب خاکهای حاشیه جاده نیز برای یک دوره کامل یکی از نگرانیهای محیطزیستی جدی بود. تجمع سرب در خاکهای سطحی یکی از مهمترین مسائل بومشناختی است، زیرا این فلز به میزان زیادی فعالیت زیستی خاک را تحت تآتیر قرار میدهد(Kabata- Pendias, 2011).
۲-۱-۳-۲-۳- سرب در گیاهان