Toprak ve Sulardaki Ağır Metal Kirliliğinin Fitoremediasyon Yöntemiyle Giderilmesi

Yazar: Hülya Karabaş
 
Çevre kirliliği hava, toprak ve su kirliliği olarak doğada oluşmakta ve insanın da dahil olduğu tüm ekosistemi etkilemektedir. Su, canlıların temel yaşam kaynağıdır. Su, biyolojik aktivitelerin en önemli bileşeni olması yanında endüstriyel ve tarımsal üretimin de vazgeçilmezidir. Bu yüzden büyük miktarlarda tatlı suya ihtiyaç vardır. Genel olarak dünyada erişilebilir su kaynaklarının yaklaşık %70’i tarımsal amaçlı kullanılırken bunu %19 ile sanayi ve %11 ile evsel kullanım izlemektedir. Türkiye'de ise toplam su tüketiminin %11’i sanayide, %15’i evsel kullanımda ve %74’ü tarım sektöründe kullanılmaktadır. Birleşmiş Milletler'e göre 2050 yılı itibari ile dünya genelinde temiz suya talep %40 oranında artacak ve bu durum dünya nüfusunun en az dörtte birlik kısmını "kronik" boyutta ve tekrar eden temiz su sıkıntısıyla karşı karşıya bırakacaktır [1]. Gelecekte su kaynaklarının giderek azalması ve su kirliliğinin artması beraberinde enerji tüketimini de artıracaktır.

Toprak kirliliği ise doğada giderilemeyen ve dönüşümü olmayan bir kirliliktir. Kirlenmiş toprakta tarım yapılamamakta, bu tür topraklar üretim dışı kalmaktadır. Ağır metaller, enerji ve yakıt üretimi, madencilik çalışmaları, gübre ve pestisitlerin kontrolsüz kullanımı, sanayi atıkları ve yanma olayı sonucu oluşan eksik yanma ürünleri ile toprağa ulaşabilmektedir. Sonuçta ağır metallerle kontamine olmus tarım topraklarında ve meralarda yapılan bitkisel üretimler ile gıda zincirine dahil olan ağır metaller insan sağlığı başta olmak üzere tüm canlıları olumsuz olarak etkilemektedir [2]. Toprak kirliliğine sebep olan başlıca ağır metaller arasında kurşun (Pb), arsenik (As), civa (Hg), krom (Cr) çinko (Zn), kadmiyum (Cd) ve bakır (Cu) sayılabilir.

Ağır metallerle kirlenmiş alanların iyileştirilmesinde (remediasyon) geleneksel mühendislik yöntemleri pahalı olduğu için düşük maliyetli ve çevre dostu olan fitoremediasyon tekniği üzerinde durulmaktadır [3, 4]. Toprak üstü organlarında topraktaki metal konsantrasyonundan 50 ila 500 kat daha fazla metal biriktirebilen bitkiler hiperakümülatör olarak adlandırılmaktadır. Yani hiperakümülatör bitkiler ağır metalleri herhangi bir toksisite belirtisi göstermeden toprak üstü organlarında diğer bitki türlerine göre 100 ila 1000 kat daha fazla biriktirebilmektedirler. Bu grupta yaklaşık olarak 450 adet bitki yer almaktadır [5]. Bitkiler kullanılarak topraktan metal alma işleminde amaç, toprak tarafından tutulmuş halde bulunan metallerin daha kontrol edilebilir ve taşınabilir bir forma dönüştürülmesidir. Bu nedenle fitoremediasyon yöntemi, kalıcı bir uzaklaştırma veya giderme yöntemi olarak düşünülmemektedir. Kalıcı uzaklaştırma veya giderim, fitoremediasyon işlemi sonrasındaki bitkilerin yakılarak veya uygun bir depolama alanında depolanarak biriktirilmesi ile gerçekleştirilebilmektedir [6].
 
Kirleticilerin bitki tarafından topraktan alınabilmesi için en önemli şart pH derecesinin uygunluğudur. Ortamın pH düzeylerinin genel olarak 5,8-6,5 arasında olması gereklidir. Bitki besin maddeleri asidik ortamda kolayca çözünürken pH’ın nötre doğru gitmesiyle alım kapasitesi düşer. Alkali topraklarda da bitkilerin besin elementleri alımı zorlaşmaktadır. Alkali topraklardaki bu sorun toprağa ilave edilen şelat adı verilen organik moleküllerin bitkinin alamadığı elementleri kolayca alınabilir forma dönüştürmesi sayesinde aşılabilir.

Fitoremediasyon, bitkilerin toprak ve/veya su ortamından organik ve/veya inorganic  kirleticileri;
  • Kök bölgesinde hareketsizleştirmek,
  • Kökte ve bitkinin üst organlarında bünyelerine alarak depolamak,
  • Kökleri aracılığıyla bitkinin üst organlarına taşınarak gövde ve yapraklarında metabolize etme veya buharlaştırma yoluyla, toprakların temizlenmesini sağlayan doğal bir teknolojidir [7].

1991 yılında kullanılmaya başlanan bu yöntemin ilk uygulama alanları, yapay sulak alanlar ile petrol döküntü alanları olmuştur [8]. Fitoremediasyon yöntemi ile giderimi yapılan elementlerin başında Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Ag, Cd, Pb, Zn gelmektedir. Bunların yanısıra pestisitler gibi organik bileşiklerde de giderim sağlanmaktadır.

Fitoremediasyon için kullanılacak hiperakümülatör bitkilerin hızlı gelişen, derin köklü bitkiler olması gerekir. Bu amaçla kullanılan başlıca kültür ve yabani bitki türleri arasında Brassicaceae, Lamiaceae, Scrophulariaceae, Asteraceae ve Euphorbiaceae bitki familyaları bulunmaktadır. Bu familyalara ait örnekler arasında kanola, Hindistan hardalı, ayçiçeği ve tütün yer almaktadır. Bir elementin topraktaki hareketliliği, topraktan alınması ve kökte birikimi ksilem taşınımının etkinliği ve topraküstü kısımlardaki elementin dağılımı, bitkilerde element birikimini etkileyen ana faktörlerdir. Metallerin kök hücrelerinde birikmesinden sonra uzun mesafe taşınması ksilem özsuyuna geçişleri ile olur. Buradan da terleme ile bitkinin üst kısımlarına taşınırlar.
 
Fitoremediasyon Yöntemleri
 
Fitoremediasyonun farklı yöntemleri vardır. Kirletici ortamının fiziksel ve kimyasal özellikleri, uygulanacak yöntemin kirleticiye uygunluğu, kirlilik konsantrasyonu, kirleticinin topraktaki bulunma derinliği ve iklim şartları gibi faktörlere göre yöntem belirlenir [9]. Kirleticiler ağır metal içerikli ise fitoekstraksiyon, fitostabilizasyon ve rizofiltrasyon yöntemleri kullanılırken, organik kirleticilerin giderimi için fitodegradasyon, rizodegredasyon ve fitovolatilizasyon yöntemlerinin kullanımı tercih edilir (Görsel 1) [10].
 
Görsel 1. Fitoremediasyon yöntemlerinin şematik gösterimi [10]

Fitoekstraksiyon, özellikle inorganik kirleticilerin bitkinin kökleri tarafından alınması ve bir kısmının sap ve yaprak gibi toprak üstü aksamına taşınarak biriktirilmesidir (Görsel 2). Genellikle ağır metallerle kirlenmiş olan topraklarda kullanılan bu yöntem sayesinde bitkiler diğer bitkilerden yaklaşık olarak 100 kat daha fazla kirleticiyi bünyelerinde tutabilmektedirler.
Görsel 2. Fitoekstraksiyon yöntemi [7]
 
Bu yöntem sonunda hasat edilen bitkilere ait kalıntılar yakılarak, kurutularak veya biyolojik metal madeni (bio-metal ore) halinde yeniden dönüşüme sokularak izole edilebilirler [8].

Fitostabilizasyon yönteminde kirleticilerin hareketsizleştirilmesi, köklerde biriktirilmesi, köklerin yüzeyine yapışması veya bitkinin kök bölgesinde çökelmesi şeklinde gerçekleşmektedir (Görsel 3). Toprak taşınmasını gerektirmeyen bu yöntem, toprak, sediment ve çamurların arıtılmasında kullanmaktadır.
Görsel 3. Fitostabilizasyon yöntemi [7]
 
Rizofiltrasyon yönteminde amaç kirleticilerin bitki içinde veya üzerinde hareketsizliğini sağlamaktır. Biyotik ve abiyotik işlemlerle köklere alınan kirleticiler kök bölgesinde adsorpsiyon sayesinde yapışıp kalır (Görsel 4). Yeraltı, yüzey suyu ve atık sular bu yöntemle arıtılabilmektedir. Bu yöntem genellikle kirletici konsantrasyonu düşük fakat su miktarı fazla olan şartlar için uygundur.
 
Görsel 4. Rizofiltrasyon yöntemi [7]
 
Sistem hem karasal hem de sucul bitkilerin kullanımına olanak vermesinin yanısıra doğal ortamların dışında tank, gölet ve havuz gibi yapay alanların kirletici giderimleri içinde kullanılmaktadır.

Fitodegradasyon yönteminde bitkiler tarafından alınan kirleticiler bitkiler tarafından üretilen enzimler sayesinde bozundurularak bitki bünyesinde metabolize olurlar (Görsel 5). Bu yöntem sayesinde klorlu bileşikler, pestisitler ve fenoller giderilmektedir.
Görsel 5. Fitodegredasyon yöntemi [7]

Rizodegredasyon yöntemi bitkilerin toprak mikroorganizmaları ile birlikte çalışarak organik kirleticileri etkisiz hale getirmesidir. Organizmaların enerji gereksinimlerini karşılamak için ihtiyaç duyduğu besinleri üreten mikroorganizmalar, kök sistemi yardımı ile kirlilik materyallerinin kimyasal yapılarında değişim meydana getirirler (Görsel 6). Bu birliktelik yaşamsal faaliyetlerini sürdürebilmek için mikroorganizmaları optimal düzeyde tutar ve toksik kirleticilerin devamlı olarak parçalanmasını sağlar. Bu sayede toprakta bulunan mikroorganizmalar, yakıtlar ve solventler gibi organik kirleticileri parçalayıp kendi bünyelerinde biriktirirler [10].
Görsel 6. Rizodegradasyon yöntemi [7]
 
Fitovolatilizasyon yöntemi fitodegredasyon prosesini de içerebilmektedir. Yöntemin en önemli avantajı civa gibi çok zehirli bileşiklerin daha az zehirli formlara dönüşmesini sağlayabilmesidir (Görsel 7). Sistemde kök derinliği oldukça önemlidir. Yer altı suları sözkonusu ise, bitki köklerinin derin olması gerekir. Kirli yer altı suları pompalarla yüzeye çıkarılarak suyun daha sığ bitki köklerince alınması da sağlanabilir. Fitovolatilizasyon yöntemi yeraltı suları başta olmak üzere toprak, sediment ve çamur alanlarında da uygulanabilmektedir [8].
 
Görsel 7. Fitovolatilizasyon yöntemi [7]

Fitoremediasyon, diğer bir ifadeyle yeşil ıslah kapsamında uygulanan farklı yöntemler ve alternatifli hiperakümülatör bitki türlerinin kullanılması sayesinde ilk aşamada toprak veya sularda bulunan kirleticileri, bitkilerin bünyesinde tutma ve ikinci aşamada da ağır metal birikimi olmuş bitki kök, gövde veya yaprakların ıslah edilmesi kapsamında yakılarak veya uygun bir alanda depolanarak ağır metal gideriminde başarılı sonuçlar elde edilebilir.
 
Kaynaklar:
  1. Bütünoğlu, Ali, 2018. Su Kaynaklarinda Yüzer Sulak Alan Ve Sucul Bitkiler İle Nütrient Gideriminin Değerlendirilmesi. Uzmanlık Tezi. T.C Tarım ve Orman Bakanlığı Su Yönetimi Genel Müdürlüğü, Ankara.
  2. Terzi,H., Yıldız, M, 2011.  Ağır Metaller ve Fitoremediasyon: Fizyolojik ve Moleküler Mekanizmalar. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 11: 1-22.
  3. Glass, D.J., 2000. The 2000 Phytoremediation Industry. Glass Associates, Needham, MA.
  4. Salt, D.E., Blaylock, M., Kumar Nanda, P.B.A., Dushenkov, V., Ensley, B.D., Chet, I. ve Raskin, I., 1995. Phytoremediation: A Novel Strategy for the Removal of Toxic Metals From the Environment Using Plants. Bio/Technology, 13: 468-474.
  5. Clemens, S., 2006. Toxic Metal Accumulation, Responses to Exposure and Mechanisms of Tolerance in Plants. Biochimie, 88, 1707-1719.
  6. Hamutoğlu R, Dinçsoy A.B, Cansaran-Duman D, Aras S, 2012. Biyosorpsiyon, adsorpsiyon ve fitoremediasyon yöntemleri ve uygulamaları. Türk Hijyen ve Deneysel Biyoloji Dergisi, 69(4): 235-253.
  7. Vanlı, Ö, 2007. Pb, Cd, B Elementlerinin Topraklardan Şelat Destekli Fitoremediasyon Yöntemiyle Giderilmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
  8. EPA (Environmental Protection Agency), 2000. Introduction to Phytoremediation, EPA/600/R-99/107, National Risk Management U.S. Environmental Protection Agency Cincinnati, Ohio 45268,USA.
  9. Memon, A.R., Aktopraklıgil, D., Özdemir, A., Vertii, A. 2000. “Heavy Metal Accumulation and Detoxification Mechanisms in Plants” Tübitak MAM, Institute for genetic Engineering and Biotechnology, Kocaeli, Turkey.
  10. Aybar, M., Bilgin, A., Sağlam, B. 2015. Fitoremediasyon Yöntemi İle Topraktaki Ağır Metallerin Giderimi. Artvin Çoruh Üniversitesi Merkezi Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 1(1-2): 59-65.
Görseller:
Yazara aittir.

YORUMLAR

Bu sayfalarda yer alan okur yorumları kişilerin kendi görüşleridir. Yazılanlardan apelasyon.com sorumlu tutulamaz.