Biyoremediasyon Nedir? Kirli Topraklarda Biyolojik Yöntemler

Biyoremediasyon nedir?

Biyoremediasyon, kirlenmiş toprak, su ya da çamurdaki zararlı maddelerin canlılar yardımıyla parçalanması veya daha az zararlı ve daha az hareketli hâle getirilmesidir. İşi yapan canlılar çoğunlukla bakteri ve mantarlardır; bitkiler devreye girdiğinde yönteme fitoremediasyon denir. Uygulama kirliliğin olduğu yerde (yerinde) ya da toprak kazınıp başka bir alanda işlenerek yapılabilir.

En önemli ayrım kirleticinin türüdür. Pestisit ve petrol gibi organik kirleticiler mikroplar tarafından daha küçük ve çoğunlukla daha az toksik ara ürünlere, sonunda da karbondioksit ve suya dönüştürülebilir [55] [62]. Ağır metaller ise element olduğu için hiçbir canlı tarafından yok edilemez [8] [47].

Konu yalnızca sanayi sahalarını ilgilendirmez. Küresel bir modele göre dünya tarım alanlarının %14–17'sinde en az bir toksik metal tarımsal eşiği aşmaktadır [9]. Avrupa'da incelenen tarım topraklarının %83'ünde pestisit kalıntısı bulunmuş, örneklerin %58'inde birden fazla kalıntı birlikte görülmüştür [6]. Çukurova'da incelenen 29 tarım toprağının 27'sinde, yasaklanmasının üzerinden onlarca yıl geçen DDT'nin yıkım ürünü ölçülmüştür [36]. Bu çalışmalar yereldir ve Türkiye geneline genellenemez, ama analiz yapılmadan kirliliğin görülemeyeceğini gösterir.

Uygulamada iki temel yaklaşım vardır. Biyostimülasyon, toprakta zaten bulunan yerli mikropların çalışmasını hızlandırmak için ortama besin, oksijen veya nem sağlanmasıdır. Biyoaugmentasyon ise kirleticiyi parçalayabildiği bilinen suşların toprağa eklenmesidir. Petrol çamuruyla yapılan bir saksı denemesinde bakterinin yanında NPK da eklenmiştir [65]; yani iki yaklaşım çoğu zaman birlikte kullanılır.

Organik kirleticiler biyolojik olarak nasıl parçalanır?

Biyodegradasyonda mikroplar kirleticiyi enzimleriyle keser ve çoğu zaman karbon, fosfor ya da enerji kaynağı olarak kullanır. Her kirleticinin parçalanma yolu ve onu yapabilen suşlar farklıdır. Aşağıdaki örnekler bu farkı gösterir.

• Organofosfatlı insektisitler: İlk ve kilit adımı organofosfat hidrolaz enzimi atar ve toksisitenin büyük kısmını ortadan kaldırır. Bu enzim Bacillus dahil pek çok bakteri cinsinde bilinir [55]. Bir B. pumilus suşu, klorpirifosun kalıcı yıkım ürünü TCP'nin %90'ını 8 günde parçalamıştır laboratuvar [56].
• Glifosat: Mikroplar glifosatı iki ayrı yolla parçalayabilir [58]. Bir B. subtilis suşu steril olmayan toprakta glifosatın %71,6'sını 96 saatte parçalamıştır laboratuvar [57].
• Piretroitler: İlk adım esteraz enzimleriyle ester bağının kırılmasıdır. Ara ürün 3-fenoksibenzoik asit de kalıcı olabilir ve ayrı bir yıkım adımı gerektirir [59] [60].
• Petrol hidrokarbonları: Suda çok az çözündükleri için bakteriye ulaşmaları zordur. Biyosürfaktanlar yüzey gerilimini düşürerek hidrokarbonu emülsiyon hâline getirir ve yıkımı hızlandırır [63].

Petrol örneği, kanıtı dürüst okumanın önemini de gösterir. Bir B. pumilus suşuyla aşılanan, %5 petrol çamuru karıştırılmış toprakta 122 günde toplam petrol hidrokarbonunun %97'si giderilmiş, aşılanmayan toprakta bu oran %12'de kalmıştır saksı [65]. Başka bir çalışmada ise Pseudomonas aeruginosa suşları B. subtilis'ten daha etkili bulunmuştur [64]. Yöntemin genel olarak yavaş olduğu ve yıkımın çoğu zaman tamamlanmadığı da bilinmektedir [31].

Ağır metallerde biyolojik yöntemler ne yapar?

Biyosorpsiyon

Gram pozitif bakterilerin hücre duvarı negatif yüklü gruplar taşır ve pozitif yüklü metal iyonları bu gruplara tutunur. B. subtilis duvarında metal birikiminin ana yerinin karboksil grupları olduğu gösterilmiştir [49]. Bir B. thuringiensis suşu, 25 mg/L başlangıç derişiminde çözeltideki nikelin %94'ünü ve kadmiyumun %87'sini bağlamıştır laboratuvar [50].

Biyoçöktürme (MICP)

Üreaz enzimi taşıyan bakteriler üreyi parçalayarak ortamda karbonat oluşturur. Kadmiyum, kurşun ve çinko gibi metaller karbonat olarak çöker ya da kalsit kristaline girer ve hareketli fraksiyondan karbonata bağlı fraksiyona geçer [51]. Çözeltide yapılan bir deneyde 72 saatte çinko, nikel ve kadmiyumun %93'ten fazlası çöktürülmüştür laboratuvar [52].

Bu yöntemin sahada sınırları vardır. Süreç için ortamda üre ve kalsiyum kaynağı bulunmalıdır; üreden açığa çıkan amonyum ise azot kaybı ve asitleşme riski taşır [51]. Kanıtların büyük kısmı çözelti, kolon ve saksı deneylerinden gelir; tarla ölçeğinde Bacillus ile yapılmış hakemli uygulama verisi sınırlıdır.

İndirgeme ve sideroforlar

Kromat redüktaz enzimleri, çok hareketli ve toksik altı değerlikli kromu daha az toksik üç değerlikli forma çevirir [53]. Sideroforlar ise demire bağlanan küçük moleküllerdir; başka metallerle de kompleks yapabilir. Bu kompleksleşme metalin toksisitesini azaltabilir, ama bazen hareketliliğini artırabilir [54] [66]. Bu nedenle sideroforun etkisi tek yönlü değildir.

Bu mekanizmaların ortak noktası, metalin toprakta kalmasıdır. Toprak pH'ı düşerse ya da metali tutan organik madde ayrışırsa bağlanan metal yeniden serbest kalabilir. Bu nedenle etki kalıcı bir temizlik değil, biyoyararlılığın azaltılmasıdır ve düzenli izleme gerektirir [8] [15].

Fitoekstraksiyon ile fitostabilizasyon arasındaki fark nedir?

Fitoremediasyon, bitkilerin kirli toprağı iyileştirmek için kullanılmasıdır. Kök bakterileri bu süreçte bitkinin metal stresine dayanmasına yardım eder. Literatürde birbirine zıt iki strateji tanımlanır [67]:

• Fitoekstraksiyon: Bakteri metalin hareketliliğini artırır, metal biriktiren bitki metali alır ve hasatla tarladan çıkarılır. Metal gerçekten uzaklaşır, ama bu yöntem gıda bitkisi için uygun değildir.
• Fitostabilizasyon: Bakteri metali kökte ya da toprakta tutar, yenen kısma geçişi azalır. Tarım alanları için uygun olan strateji budur.

Yön suşa ve amaca bağlıdır. Kromla kirlenmiş toprakta bir B. cereus suşu bitkinin kuru biyokütlesini %62 artırırken sürgündeki kromu 4 katına çıkarmıştır saksı [75]. Bu, temizlik bitkisi için istenen, gıda bitkisi için istenmeyen bir sonuçtur. Buna karşılık bir B. vietnamensis suşu tarlada çeltik tanesindeki kadmiyumu çeşide göre %25 ve %49 azaltmıştır tarla [71].

Endofit bakteriler üzerine yapılan bir meta-analizde metal stresi altında bitki biyokütlesine etki büyük ve olumlu bulunmuştur; deneylerin tamamı kontrollü koşullarda yapılmıştır meta-analiz [70]. Aşılamanın fitoekstraksiyon verimine etkisi ise literatürde tutarsızdır [68].

Tarım açısından en anlamlı sonuçlar, gıda bitkisinde metal geçişinin azaldığı denemelerden gelir. Bir B. megaterium suşu metal kirli toprakta iki yaprak sebzenin yenen biyokütlesini %18–33 artırmış, topraktaki yarayışlı kadmiyumu %35–47 azaltmıştır saksı [72]. Tarla koşulunda turpta yapılan bir denemede ise metal tutan iki bakteri suşu biyokütleyi %25–99 artırmış, yenen kısımdaki kadmiyum ve kurşunu %37–81 azaltmıştır; burada daha başarılı olan suş Bacillus değil, Serratia olmuştur tarla [73].

Laboratuvar, saksı ve tarla sonuçları neden farklıdır?

Biyoremediasyon üzerine okunan yüksek yüzdelerin çoğu çözeltiden, sıvı kültürden veya saksıdan gelir. Bu ortamlarda tek bir kirletici, sabit sıcaklık ve yoğun bakteri vardır. Tarlada ise bakteri kil, organik madde, diğer iyonlar ve toprağın yerli mikroplarıyla rekabet eder.

Tarla sonuçları genellikle laboratuvardan daha düşük ve daha değişkendir. Aşılanan bakterinin köke yerleşmesi ve yerli mikroplarla rekabeti belirleyicidir [78]. Bu yüzden "laboratuvarda %90" bilgisi, tarlada aynı sonucun alınacağı anlamına gelmez.

Başarıyı süre, sıcaklık, pH ve suş nasıl belirler?

Süre: Organik kirleticiler deneylerde günler ile aylar içinde parçalanabilir; petrol hidrokarbonlarında 4 ay civarında süreler bildirilmiştir [64] [65]. Metallerde amaç bir sezon boyunca bitkiye geçişi azaltmaktır [71]. Tarım topraklarındaki kadmiyum stokunun doğal yolla belirgin biçimde değişmesi ise yüzyıllar alabilir [11].

pH: Her süreç belirli bir pH aralığında en iyi çalışır. Biyosorpsiyonda optimum pH kadmiyum, bakır ve kurşun için 6, nikel ve krom için 7 bulunmuştur [50]. Karbonat olarak çöktürülen metal, toprak asitleşirse yeniden çözünebilir; bu yöntem nötr ve kireçli topraklarda daha kalıcıdır [51].

Toprağın kendi canlılığı: Kirlilik, işi yapacak toprak mikroplarını da etkiler. Ağır metalle kirlenmiş topraklarda dehidrogenaz enzimi ortalama %64, arilsülfataz %72 azalmıştır; kil oranı arttıkça bu olumsuz etki zayıflamıştır meta-analiz [16]. Yani biyolojik yöntemin başarısı, kirleticinin miktarı kadar toprağın yapısına da bağlıdır.

Sıcaklık ve nem: Mikrobiyal süreçler soğukta ve kuru toprakta yavaşlar. Bu nedenle aynı uygulama farklı mevsimlerde farklı hızda sonuç verir. Oksijen gerektiren yıkım yolları da su basmış toprakta durabilir.

Suş: Pestisit yıkan enzimler, kromat redüktaz ve ACC deaminaz her suşta bulunmaz [47] [69]. Bir türün adı, o işi yapabildiğini göstermeye yetmez. Bacillus türleri ve suş farkı için Bacillus bakterileri rehberine bakabilirsiniz.

Hangi durumda mühendislik müdahalesi gerekir?

Maden, sanayi, akaryakıt deposu ya da petrol sızıntısı gibi ağır kirlenmiş sahalar mühendislik gerektiren işlerdir. Bu sahalarda mikrobiyal bir uygulama tek başına çözüm değildir [8] [62]. Türkiye'de noktasal kirlenmiş sahalar ayrı bir yönetmelikle risk temelli olarak değerlendirilir [41].

Tarım arazisi için 2005 tarihli yönetmelikteki sınır değerler bir başvuru noktasıdır; örneğin pH 6'nın üzerindeki toprakta toplam kadmiyum sınırı 3 mg/kg'dır [109]. Bu değerler bir gıda güvenliği eşiği değil, arıtma çamuru uygulama ve temizleme ölçütüdür.

1. Numune alın: Şüpheli alandan ve temiz bir karşılaştırma alanından ayrı numune alın. Kurallar toprak numunesi rehberinde.
2. Doğru analizi isteyin: Metal için kral suyu ile toplam metal, ilaç için etken maddeye özgü kalıntı analizi. Ayrıntılar toprak analizi, ağır metal, pestisit kalıntısı ve petrol kirliliği rehberlerinde.
3. Tekrar ölçün ve kaynağı araştırın: Tek bir sınır aşımı kesin hüküm değildir; değerin doğal kökenli olup olmadığı da araştırılmalıdır.
4. Uzmana başvurun: Sınır aşımı doğrulanırsa il tarım ve orman ile çevre müdürlüklerine ve bir ziraat ya da çevre mühendisine danışın.

Düşük ve orta yüklü tarım topraklarında ise toprak yönetimi öne çıkar. Kireçleme, organik madde ve biyolojik uygulamalar metalin bitkiye geçişini azaltan destekleyici araçlar olarak birlikte düşünülmelidir [8] [15].