Toprakta Ağır Metal Kirliliği: Kaynaklar, Analiz ve Riskler

Toprakta ağır metal nereden gelir?

Ağır metal kirliliği tarlada çoğu zaman görünmez. Kadmiyum (Cd), kurşun (Pb), nikel (Ni), krom (Cr), arsenik (As), bakır (Cu) ve çinko (Zn) toprağa farklı yollardan girer ve yıllar içinde birikir [8]. Kaynağı bilmek, hangi metalin ölçülmesi gerektiğini de belirler.

• Fosfatlı gübre (kadmiyum): Kadmiyum, sedimanter fosfat kayasında safsızlık olarak bulunur ve gübreyle tarlaya taşınır. Derlemelere göre volkanik kökenli fosfat kayaları genellikle çok daha az kadmiyum içerir [10]. Avrupa Birliği bu nedenle fosfatlı gübrede kadmiyum sınırını 60 mg Cd/kg P₂O₅ olarak belirlemiştir [43].
• Arıtma çamuru ve kaynağı belirsiz organik atıklar: Çamur ve bazı atıklar metal taşıyabilir. Bu yüzden Türkiye'de arıtma çamuru uygulanacak topraklar için metal sınırları vardır [40] [42].
• Hayvan gübresi ve bakırlı ilaçlar: Yem katkısından gelen bakır ve çinko gübreyle toprağa geçer. Onlarca yıl bakırlı fungisit kullanılan bağ ve bahçelerde bakır birikebilir [8] [13].
• Sulama suyu: Atık su ya da kirli dere suyuyla sulanan tarlalar metal yükü alabilir [13].
• Sanayi, maden ve trafik: Havadan çökelen kurşun, maden ve döküm sahalarının çevresi tipik kaynaklardır [8].
• Ana kaya (doğal kaynak): Serpantin ve ofiyolit kökenli bölgelerde nikel ve krom doğal olarak yüksektir [8]. Sinop'ta 88 noktadan alınan tarım topraklarında krom ortalaması 194,7, nikel ortalaması 85,0 mg/kg bulunmuştur [34]. Karadeniz kıyısındaki bu tür yükseklikler çoğu zaman ana kayadan kaynaklanır.

Küresel ölçekte, 796.084 örnekleme noktasını birleştiren bir çalışma, dünya tarım alanlarının %14–17'sinde en az bir toksik metalin tarımsal eşiği aştığını hesaplamıştır [9]. Bu bir model çıktısıdır ve tek tek ülkelere aynen uygulanamaz. Türkiye geneline ait ulusal bir tarım toprağı ağır metal envanteri ise bulunmamaktadır. Konunun ana sayfadaki özeti için ağır metal bölümüne bakabilirsiniz.

Toplam metal ile yarayışlı metal arasındaki fark nedir?

Laboratuvarın verdiği toplam metal değeri, topraktaki metalin tamamını gösterir. Bitki ise bunun yalnızca bir kısmını alabilir. Bu kısma yarayışlı ya da biyoyararlı metal denir [8] [13].

Aynı toplam kadmiyuma sahip iki tarladan birinde ürün sorunsuz çıkabilir, diğerinde ise ürüne geçiş yüksek olabilir. Bu yüzden toplam değer tek başına riski göstermez. Yasal sınırlar toplam metal üzerinden konur, risk yorumu ise yarayışlı payı ve toprak koşullarını da hesaba katar.

pH ve organik madde metali nasıl etkiler?

Toprak pH'ı düştükçe, organik madde ve kil azaldıkça kadmiyum ve çinko daha hareketli hâle gelir [8] [13]. Asidik ve kumlu bir toprakta metal bitkiye daha kolay geçer. Kireçli, killi ve organik maddece zengin topraklar ise metali daha sıkı tutar. Yönetmeliğin asidik topraklar için daha sıkı sınır koymasının nedeni de budur [40].

Bir başka bağlantı çinkoyla ilgilidir. Kadmiyum, bitkide çinko, demir ve kalsiyumla aynı taşıyıcıları kullanır. Çinkosu eksik toprakta bitkinin kadmiyum alımı artabilir [14]. Bu yüzden ağır metal sonuçları, toprak pH değeri ve organik madde sonuçlarıyla birlikte okunmalıdır.

Ağır metal verimi ve toprak canlılığını nasıl etkiler?

Kadmiyum örneğinde etkiler iyi tanımlanmıştır ve kurşun, nikel ve krom için de benzer mekanizmalar görülür. Kök uzaması ve yan kök gelişimi yavaşlar, su ve besin alımı bozulur. Hücrede reaktif oksijen türleri artar ve oksidatif stres oluşur. Klorofil ve fotosentez azalır [15].

Toprak canlılığı üzerindeki etki sayısal olarak da ölçülmüştür. 671 gözlemi birleştiren bir meta-analizde kurşun, çinko, kadmiyum, bakır ve arsenik kirliliği incelenen yedi enzimin tamamını düşürmüştür meta-analiz. Arilsülfataz %72, canlı mikrobiyal aktivitenin göstergesi olan dehidrogenaz %64 azalmıştır [16]. Yani ağır metalle kirlenmiş toprakta mikrop aktivitesinin göstergesi olan enzim üçte iki oranında düşebilmektedir.

Aynı çalışmada kil oranı arttıkça olumsuz etkinin zayıfladığı görülmüştür. Karbon ve kükürt döngüsüne ait enzimler, azot ve fosfor döngüsü enzimlerinden daha çok etkilenmiştir [16].

Ağır metal topraktan sofraya nasıl geçer?

Bitkisel gıdalar, insanın arsenik ve kadmiyuma maruz kalmasında en büyük paya sahiptir. Kurşun ve cıva ise daha çok kökte tutulur ve yenen kısma daha az taşınır [14]. Bu yüzden gıda güvenliği açısından en çok izlenen metaller kadmiyum ve arseniktir.

Geçişi anlatan iki ölçüt vardır. Transfer faktörü, bitkideki derişimin topraktakine oranıdır. Translokasyon faktörü ise sürgündeki derişimin kökteki derişime oranıdır. Çeltikte kadmiyum ve arseniğin hangi taşıyıcılarla alındığı büyük ölçüde aydınlatılmıştır [14].

Gıdadaki sınırlar ürün bazında konur. Aşağıdaki tablo Codex limitlerini göstermektedir [44]. Türkiye'de geçerli metin Türk Gıda Kodeksi Bulaşanlar Yönetmeliği'dir [45].

Kaynak: Codex limitleri [44]. Toprak sınırları ile gıda sınırları farklı şeylerdir; toprakta sınırın altında kalan bir değer, üründe sınırın altında kalınacağını garanti etmez.

Türkiye'de topraktaki ağır metal sınır değerleri kaç?

Türkiye'de tarım toprakları için en sık başvurulan tablo, 2005 tarihli Toprak Kirliliğinin Kontrolü Yönetmeliği'nin Ek I-A tablosudur [40]. Bu yönetmelik 2010'da yürürlükten kalktı. Aynı tablo, arıtma çamuru uygulanacak topraklar için 2010 tarihli yönetmelikte sürdürülmektedir [42]. Noktasal kirlenmiş sahalar ise ayrı bir yönetmelikle, risk temelli değerlerle yönetilir [41].

Kaynak: RG 31.05.2005/25831, Ek I-A [40]. pH 7'nin üstünde ve çevreye zarar yoksa Bakanlık bu sınırları %50'ye kadar artırabilir.

Türkiye'de yapılan ölçümler ne gösteriyor?

Sinop: 88 noktada krom ortalaması 194,7 ve nikel ortalaması 85,0 mg/kg bulunmuş, kurşun ise 17,0 mg/kg'da kalmıştır. Çocuklarda kanserojen olmayan risk eşiğin üstünde, yetişkinlerde düşük hesaplanmış; toplam kanser riski kabul edilebilir aralıkta kalmıştır [34]. Krom ve nikel ortalamaları tablodaki pH > 6 sınırlarını aşmaktadır, ancak bu bölgede iki metalin önemli bir kısmı doğal kökenli olabilir.

Bafra Ovası: 108 örnekte kadmiyumun zenginleşme faktörü 12,8 bulunmuş ve incelenen metaller içinde en yüksek değer olmuştur. Yazarlar bunu kısmen fosforlu gübre ve yoğun tarımla ilişkilendirmiştir. Nikel kritik değeri aşmış, büyük olasılıkla ana kayadan gelmiştir. Yazarlara göre hiçbir toprak "kirli" kategorisine girmemiştir [35].

Bu çalışmalar yereldir ve Türkiye geneline genellenemez. Ortak mesajları şudur: bazı bölgelerde ana kayadan gelen doğal yükseklik, bazı bölgelerde gübre ve ilaç kaynaklı birikim görülmektedir.

Ağır metal analizi nasıl istenir?

Rutin verimlilik analizinde ağır metal yoktur. Laboratuvara ayrıca belirtmek gerekir. Şu durumlarda istenmesi önerilir: arıtma çamuru, kompost ya da kaynağı belirsiz atık uygulanacaksa; tarla sanayi bölgesi, maden, yoğun trafikli yol veya eski çöp alanı yakınındaysa; atık su veya kirli dere suyuyla sulama yapılıyorsa; bağ ve bahçede uzun yıllar bakırlı ilaç kullanılmışsa; ürün alıcısı ihracat veya sertifika için analiz istiyorsa.

1. Numuneyi doğru alın. Tarla bitkilerinde 0–20 cm'den, zikzak dolaşarak 8–10 noktadan alınan topraklar karıştırılır ve yaklaşık 1 kg numune hazırlanır. Bir numune homojen olsa bile 40 dekardan büyük alanı temsil etmez [104]. Ayrıntılar için toprak numunesi nasıl alınır rehberine bakın.
2. Metal bulaşmasını önleyin. Numune paslanmaz çelik, plastik ya da tahta aletle alınmalı; galvanizli kova ve paslı kürek kullanılmamalıdır [104]. Islak numune gölgede kurutulur.
3. Doğru analizi isteyin. Yasal sınırla karşılaştırma için toplam metal (kral suyu ile çözündürme) istenir. Bitkinin alabileceği payı görmek için ayrıca DTPA ile ekstrakte edilebilir metal istenebilir. DTPA testi aslında nötr ve kireçli topraklarda mikro element eksikliğini belirlemek için geliştirilmiştir [92]; bu değer yasal sınırla karşılaştırılmaz.
4. Akredite laboratuvar seçin. Laboratuvarın ilgili parametre için TS EN ISO/IEC 17025 kapsamında akredite olup olmadığına, akreditasyon kapsam listesine bakarak emin olun [113].
5. Sonucu yorumlatın. Sınırı aşan tek bir değer için önce tekrar numune alınmalı, sonra kaynağın doğal mı insan kaynaklı mı olduğu araştırılmalıdır.

Analiz raporunun diğer satırlarını nasıl okuyacağınızı toprak analizi rehberinde bulabilirsiniz.

Biyolojik yöntemler ağır metale karşı ne yapabilir?

Önce temel bir düzeltme: metaller element olduğu için hiçbir canlı onları yok edemez. Literatürde bakterilerin yapabildiği üç şey tanımlanmıştır: metali bağlamak, çöktürüp hareketsizleştirmek ve kimyasal formunu daha az toksik bir forma çevirmek [47] [51]. Toplam metal toprakta kalır; değişen, bitkiye geçen paydır.

Biyosorpsiyon

Bacillus cinsinin kalın hücre duvarındaki karboksil ve fosfat grupları pozitif yüklü metal iyonlarını tutar [49]. Çözelti ortamında bir B. thuringiensis suşu, 25 mg/L başlangıç derişiminde nikelin %94'ünü, bakırın %91,8'ini ve kadmiyumun %87'sini bağlamıştır laboratuvar [50]. Bu oranlar sıvı ortamda ve tek metalle ölçülmüştür; toprakta aynı yüzdeler beklenmemelidir.

MICP: karbonatla çöktürme

Üreaz enzimi üreyi parçalayınca ortamda karbonat oluşur ve kadmiyum, kurşun, çinko gibi metaller karbonat olarak çöker [51]. Çözeltide bazı Bacillus suşları 72 saatte çinko, nikel ve kadmiyumun %93'ten fazlasını çöktürmüştür laboratuvar [52]. Karbonata bağlı metal toprak asitleşirse yeniden çözünebilir ve yöntem üre ile kalsiyum kaynağı gerektirir. Tarlada bu yönteme ait hakemli bir saha verisi bulunmamaktadır.

Fitostabilizasyon

Tarım için uygun strateji, metalin kökte ya da toprakta tutulup yenen kısma geçişinin azaltılmasıdır. Buna fitostabilizasyon denir. Karşıt strateji olan fitoekstraksiyonda ise metal bitkiye çekilip hasatla tarladan çıkarılır; bu, gıda bitkisi için uygun değildir [67]. Bitki ile birlikte yaşayan bakterileri inceleyen bir meta-analizde metal stresi altında bitki biyokütlesine etki büyük ve olumlu bulunmuş, ancak deneylerin tamamı kontrollü koşullarda yapılmıştır meta-analiz [70].

Tablonun son satırı önemlidir: aynı cins içindeki bir suş metal alımını azaltırken bir başkası artırabilmektedir. Etki suşa, bitkiye ve amaca bağlıdır. Konunun genel çerçevesi için biyoremediasyon rehberine bakabilirsiniz.

Biyolojik yaklaşımların sınırları nelerdir?

• Suşa özgülük: Bir tür adı yeterli değildir. Metal alımını azaltan ve artıran suşlar aynı tür içinde bulunabilir [47] [75].
• Laboratuvar ile tarla farkı: Rakamların çoğu çözelti ve saksı deneylerinden gelir. Literatürde aşılamanın etkisi tutarsız olarak tanımlanmaktadır [68]. Aşılanan bakterinin yerli mikroplarla rekabeti ve köke yerleşmesi sonucu belirler [78].
• Kalıcılık: Bağlanan metal pH düşerse ya da organik madde ayrışırsa yeniden serbest kalabilir. Etki kalıcı bir temizlik değil, bitkiye geçişin azaltılmasıdır [8] [15].
• Zaman: Toprak kadmiyum stokunun doğal değişimi çok yavaştır. Avrupa için yapılan bir hesapta ortalama senaryoda tarım topraklarındaki kadmiyumun 100 yılda yaklaşık %15 azalacağı öngörülmüştür [11].
• Ağır kirli sahalar: Maden, sanayi ve döküm sahaları mühendislik gerektiren işlerdir ve yetkili kurumların denetimindedir [41]. Bu sahalarda biyolojik yöntem tek başına bir çözüm değildir.

Pratikte izlenecek yol sadedir: kaynağı belirsiz atık uygulamamak, pH'ın düşmesini önlemek, organik maddeyi korumak ve şüphe varsa ölçmek. Asıl adım analizdir.

Ağır metal analizini rutin verimlilik analiziyle birlikte planlamak için toprak analizi rehberindeki parametre listesine bakabilirsiniz.