AĞIR METAL KİRLİLİĞİ ve FİTOREMEDİASYON - Tarım | Apelasyon
Son yüzyılın başından itibaren artan sanayileşme ve dünya nüfusu, beslenme kaygısını da beraberinde getirmiştir. Modern tarımın da kısmi etkisiyle doğal kaynaklar ciddi oranda zarar görmüş ve görmektedir. Toprak en önemli doğal kaynaklarımızdan birisidir. Ancak toprağın tarım dışı amaçlarla kullanımı, ağır metal ve organik kirletici gibi etmenlerle kirlenmesi ve erozyon ile kayıplara uğraması sonucunda verimliliği de kaybolmaktadır. Bu bağlamda kirlilik, yaşayan tüm canlı organizmaları etkilemekte ve besin zincirinin son halkası olan insanoğlunu da ciddi anlamda tehdit etmektedir.
Çevresel Kirliliğin En Büyük Nedeni İnsanoğlunun Hatalı Kaynak Kullanımıdır
Çevre sorunlarının büyük bir kısmı doğal kaynakların yanlış kullanılmasından meydana gelmektedir. Çevre kirliliğinin diğer boyutları olan atmosfer, su ve hava kirliliklerinin de sonuçta toprak kirliliğine yol açtığı unutulmamalı ve bu doğal varlıkların korunmasının da önemli bir diğer konu olduğu dikkate alınmalıdır. Atmosferde bulunan kirleticiler, çeşitli hava hareketleri ve diğer atmosferik olaylarla çok uzak mesafelere taşınabilmekte ve zamanla yeryüzüne çökerek çok geniş kara ve su alanlarının ve dolayısıyla bitkisel ve hayvansal kökenli besinlerin ve su ürünlerinin de kirlenmesine neden olmaktadır. Sulara karışan atık ve artıkların içerdiği sanayi kaynaklı siyanür, bakır, cıva, kurşun, kadmiyum, arsenik vb. inorganik bileşikler, tarımsal uygulamalardan kaynaklanan kimyasal gübre artıkları, pestisit atıkları ve deterjanlar doğal parçalanmaya dayanıklı maddelerdir. Ayrıca, toprakların ağır metallerle kirlenmesi, ağır metalleri içeren kayaçların çeşitli nedenlerle çözünerek su ve toprak ortamına taşınmasıyla da oluşabilmektedir.
Sanayi, madencilik ve tarımsal alanlardaki insan aktivitelerine bağlı olarak ortaya çıkan çevre kirliliği günümüzde küresel bir problem halini almaya başlamıştır. Kirleticiler arasında ağır metaller, pestisitler, organik ve radyoaktif atıklar önemli bir yer tutmaktadır. Kirletici unsurların yapısal farklılıkları ve parametreler arasındaki ilişkilerin karmaşıklığı nedeni ile bu alanların fiziksel ve kimyasal yöntemler kullanılarak temizlenmesi zorlaşmaktadır.
Toprakta biriken ağır metaller bitkiye geçerse…
Toprakta biriken ağır metallerin bitkiler tarafından alınarak doku ve organlarında aşırı birikimi, bitkilerin vejetatif ve generatif organlarının gelişimini olumsuz etkilemektedir. Ayrıca bitkilerde transpirasyon, stoma hareketleri, su alımı, fotosentez, enzim aktivitesi, çimlenme, protein sentezi, membran stabilitesi, hormonal denge gibi pek çok fizyolojik olayın da olumsuz olarak etkilenmesine sebep olmaktadır.
Ağır metal kirliliği ile mücadelede…
Kirlilik ile mücadelede topraktaki kirlenme oranının, neden olan kirleticilerin, oluşturduğu risklerin ve toprağın en uygun şekilde temizlenmesi için gerekli olan şartların bilinmesi çok önemlidir. Kirlenmiş bir toprağın kirlilik düzeyinin tesbiti ve ıslahı için büyük bir zamana ve büyük maliyetlere ihtiyaç duyulmaktadır.
Fiziksel ve kimyasal arıtmanın bir arada kullanıldığı bir arıtma sistemi olan konvansiyonel arıtma sistemleri ile katı ve sıvı atıkların arıtılması tam olarak sağlanamamaktadır. Etkili bir arıtım sistemi ise endüstri kuruluşlarına pahalıya mal olmaktadır. Bu nedenle, günümüzde birçok endüstri kuruluşunun önemli sorunu olan bu tür atıkların arıtımında ekonomik yönden ucuz, pratik uygulamalarda kolaylık sağlayacak arıtım süreçlerine yönelik geniş bilimsel araştırmalar yapılmaktadır. Bu araştırmaların sonucunda mikroorganizmaların, alglerin, mantarların ve bazı bitkilerin metal biyosorbsiyonunda kullanılabileceği görülmüş ve bu konuda daha detaylı araştırmaların yapılması yönünde gereksinim duyulmaya başlanmıştır.
Tarımsal alanlardaki sürdürülebilirliğin sağlanması ve kirliliğin engellenmesinde yeni yaklaşımlardan biri:
Fitoremediasyon teknolojisi uygulanabilirlik ve süreç bazında değerlendirildiğinde farklı gruplar şeklinde incelenmektedir (Çizelge 1).
Çizelge 1. Kirleticiler ve Bulundukları Ortama Göre Yapılan Uygulamalar (EPA, 1995)
Uygulama Kirletici Ortam Bitki(ler)
Fitoremediasyon, bitki yetiştirilerek kirlenmiş alanların kirleticilerden temizlenmesi işlemi olarak tanımlanmaktadır. Bitkiler organik ve inorganik kirleticileri bünyelerine alarak, biriktirerek, depolayarak veya parçalayarak kirli alanların temizlenmesini sağlarlar. Bu sayede kirlenmiş arazilerin düzenlenmesi veya stabilize edilmesi amaçlanmaktadır. Fitoremediasyon, diğer ıslah yöntemlerine göre sürdürülebilir, uygun maliyetli ve çevre dostu bir teknik olması nedeniyle önem taşımaktadır. Ancak fitoremediasyonda başarılı olabilmek için toprağın kolloidal yapısının cins ve miktarı çok önemlidir. İnorganik toprak kolloidleri içerisinde kil mineralleri önemli bir role sahiptir. Kil minerallerinin miktarı diğer elementlerin tutulmasının yanı sıra, ağır metallerin topraktaki tutulumunda da önemli bir yere sahiptir. Fitoremediasyonda başarılı olabilmenin diğer bir şartı ise uygun bitkilerin geliştirilmesi ve bitkilerin ağır metale olan tolerans mekanizmalarının belirlenmesidir.
Fitoremediasyon sürecinin işleyiş mekanizmasını gösteren Şekil 1’de, fitoekstraksiyon, fitostabilizasyon ve rizofiltrasyon olmak üzere üç sınıf halinde fitoremediasyon teknolojilerinin incelendiği görülmektedir.
Şekil 1. Fitoremediasyon ile metal gideriminde ana mekanizmalar (Kocaer ve Başkaya, 2003)
Fitoekstraksiyon teknolojilerinde, topraktaki metalleri köklerine ve hasat edilebilen kısımlarına ileten hiperakümülatör bitkiler kullanılırken, Fitostabilizasyonda topraktaki metallerin mobilitelerini ve yarayışlılıklarını sınırlayan bitkiler öncelikli olmaktadır. Fitostabilizasyon bitkileri, ortamdaki yüksek metal düzeylerini tolere ederek, metalleri sorpsiyon, çöktürme, kompleksleşme veya metallerin indirgenmesiyle toprakta immobilize edebilmekte, aynı zamanda gövdelerinde düşük seviyede birikim olması nedeni ile hasattan sonra kalıntıların tehlikeli atık haline gelmesi de engellenmiş olmaktadır. Toprakta bulunan metalleri stabilize etmelerinin yanında, toprak erozyonunu ve sedimentlerin göçünü de durdurabilmektedirler. Fitoremediasyonun diğer bir çeşidi olan rizofiltrasyonda ise metalleri sorpsiyon yoluyla uzaklaştıran bitkiler kullanılmaktadır. Genellikle atık sulardaki metallerin bitki kökleriyle absorblanmasını, konsantre edilmesini ve çökeltilmesini içeren bir yöntemdir.
Fitoremediasyon teknolojisi, biyolojik alt yapılı ve düşük maliyetli olması nedeni ile kirlenmiş toprakların temizlenmesinde kullanılan alternatif bir yöntemdir. Toprak kirliliğinin arıtımında kullanılan bazı fizikokimyasal teknolojiler, topraktaki biyolojik aktiviteyi yok edebilmekte ve toprağı bitki büyümesi için uygun olmayan bir ortam haline dönüştürebilmektedir. Fitoremediasyon ise toprağın biyolojik özellikleri ve fiziksel yapısını koruyan bir yöntemdir.
Bazı Bitkiler Fitoremediasyon Amaçlı Kullanılabilirler
Bazı bitkiler, toprak üstü organlarında, topraktaki metal konsantrasyonundan 50-500 kat daha fazla metal biriktirebilme özelliğine sahiptir. Bu bitkilere hiperakümülatör bitki denir. Ağır metalleri herhangi bir toksisite semptomu olmaksızın toprak üstü organlarında biriktirebilirler. Yaklaşık 450 bitki türü hiperakümülatör olarak tanımlanmaktadır. Asteraceae, Brassicaceae, Fabaceae, Lamiaceae, Scrophulariaceae, Euphorbiaceae familyaları bu özelliğe sahip bazı örneklerdir. Hiperakümülatör bitkiler, Thlaspi L. genusuna ait bitki türlerinde olduğu gibi birden fazla ağır metali aşırı miktarda bünyesinde biriktirebilen fakat az miktarda biyokütle oluşturan hiperakümülatör bitkiler ile Helianthus annuus L., Nicotiana tabacum L. Brassica juncea L. ve Zea mays L. gibi orta seviyede ağır metal biriktirebilen fakat yüksek miktarda biyokütle oluşturan bitki türleri olmak üzere iki ana grupta toplanmaktadır.
Thlaspi caerulescens, Fotoğraf Kaynağı; www.uniprot.org; Helianthus annuus L., Fotoğraf Kaynağı; www.plantinfo.co.za
Hiperakümülatör bitkiler, ağır metalleri hücre zarlarındaki taşıyıcı proteinler aracılığıyla alırlar. Taşıyıcı proteinler ağır metallerin taşınımını gerçekleştirecek şekilde, hiperakümülatör olmayan bitkilere göre daha farklı yapıdadır. Örneğin Thlaspi caerulescens bitkisi, kuru ağırlığının %3’ü oranında çinkoyu, hiçbir toksisite belirtisi göstermeksizin depolayabilir yada bir eğrelti türü olan Pteris vittata, toprakta bulunanın 100 katı kadar arseniği, kendi dokuları içinde biriktirme özelliğine sahiptir.
Sonuç olarak diyebiliriz ki…
Fitoremediasyon yöntemi yeni bir teknolojidir ve gelişim safhasında olması nedeni ile performansı ve maliyetiyle ilgili veriler oldukça sınırlıdır. Bu yöntemde iklim şartları ve metallerin yarayışlılık durumları göz önüne alınmalıdır. Fitoremediasyonda kullanılan yüksek metal içerikli bitkilerin kurutma, yakma, gazifikasyon, piroliz, asit ekstraksiyonları, anaerobik çürütme gibi yöntemlerle uzaklaştırılma işlemleri de ayrıca önemli ve dikkat edilmesi gereken bir konudur. Bu yöntemin en büyük dezavantajı, diğer metodlara göre işleyiş sürecinin çok daha uzun sürede tamamlanmasıdır. Ayrıca bitki tarafından ekstrakte edilebilen metal miktarlarının arttırılması amacıyla daha fazla genetik çalışmaların yapılması gerekmektedir. Fitoremediasyon teknolojisinin kullanılabilirliği, ağır metallerin bitki bünyesinde birikimini karakterize eden moleküler, biyokimyasal ve fizyolojik süreçlerin tam olarak açıklığa kavuşması ile artacak veya azalacaktır.
Heavy metal pollution is a significant environmental problem with a negative potential impact on agriculture and human health. Accumulation of pollutants in the soil has important effects not only on soil productivity and ecosystem functions but also on human and animal health via food chain. Physical remediation technologies are in use to remove and destroy toxic elements. However, phytoremediation is widely viewed as an alternative to the environmentally destructive physical remediation methods. Phytoremediation, the use of plants to remove heavy metals, is an effective, environmentally friendly and cheap method. Further studies on molecular, biochemical and physiological aspects of phytoremediation should be done in order to highlight this technique for the removal of heavy metals.
1. Claire, L.C., Adriano D.C., Sajwan K.S., Abel S.L., Thoma, D.P. and Driver J.T., 1991. Effects of selected trace metals on germinating seeds of six plant species. Water,Air,and Soil Pollution, 59,.231-240 pp.
2. EPA (Environmental Protection Agency), 1995. Contaminants and Remedial Options at Select Metals – Contaminated Sites, EPA/540/R-95/512.
3. Kabata Pendias, A., Pendias, H., 1992. Trace Elements in Soils and Plants, 2 nd. Edition CRC Press, Boca Raton, Ann Arnbor London.
4. Kocaer, F. O., Başkaya, H.S., 2003. Metallerle Kirlenmiş Toprakların Temizlenmesinde Uygulanan Teknolojiler. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 8, Sayı 1.
5. Özay, C., Mammadov, R., 2013. Ağır Metaller ve Süs Bitkilerinin Fitoremediasyonda Kullanılabilirliği, BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi Cilt 15(1) 67-76 .
6. (Thlaspi caerulescens, Fotoğraf Kaynağı; www.uniprot.org)
7. (Helianthus annuus L., Fotoğraf Kaynağı; www.plantinfo.co.za)