Biyoremediasyon, mikroorganizmaların büyümesini teşvik etmek ve hedef kirleticiyi düşürmek ve ortamın kalitesini arttırmak için çevresel koşulları değiştirerek,su, hava ve toprak gibi kirli ortamları rehabilite etmek için kullanılabilir. Hızlı sanayileşme ve doğal kaynakları tüketmenin çok yoğun yaşandığı günümüzde, çok etkili bir sürdürülebilir bir modele ihtiyaç var, bu model toprağımıza, suya ve havamıza yoğun bir şekilde kontamine olan kirleticileri yok eden “BİYOREMEDİASYON”.
Biyoremediasyon, kimyasal ve radyasyon içeren kirleticilerin teknolojik ve çevre dostu olan uygulama ile bertaraf edilmesidir.
Endüstriyel aktiviteler sonucunda her yıl büyük miktarda organik ve inorganik bileşik çevreye nüfuz etmektedir. Toprak kirliliği endüstriyel aktivitenin tipik bir yan etkisidir. Organik antropojenik bileşikler arasında yer alan polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH), klorlu uçucu organik bileşikler (VOC) ve alkil benzen (benzen, toluen, etil benzen ve ksilenler, BTEX) hidrokarbonlar, poliklorlu bifeniller(PCB) ve trikloroetilen (TCE) toprakta sıkça karşılaşılan kirleticiler arasındadır. Bunun yanı sıra, petrol endüstrisinin ve pazarının genişlemesiyle; tanklardan veya dolum boşaltım esnasında tankerlerden sızma, patlama sonucu petrol saçılması ve atık petrol ürünlerinin oluşması çevre kirliliğine sebep olmaktadır.
Son yıllarda, tehlikeli atık yönetiminde biyoremediasyon metodu oldukça önem kazanmıştır. Trikloroeten ve bazı poliklorlu bifeniller (PCBs) gibi klorlu türleri içeren, parçalanmaya dirençli olacağı düşünülen bazı kimyasalların laboratuvar koşullarında biyolojik olarak parçalanabildiği görülmüştür.
Tehlikeli maddeleri, zararsız veya daha az zararlı maddelere parçalamak için mikroorganizmaların kullanıldığı uzun süreçli arıtım prosesleri biyoremediasyon olarak bilinmektedir. Biyoremediasyon doğal olarak meydana gelen bir prosestir; mikroorganizmaların çevresel kirlilikleri sabitleyerek ya da dönüşüme uğratarak nihai/son ürün haline getirmeleri sürecidir.
Biyoremediasyonun etkili olabilmesi için, mikroorganizmaların kirliliklere enzimatik atakta bulunarak onları zararsız ürünlere dönüştürmeleri gerekir. Bu yöntem sadece çevresel şartların mikrobiyal büyüme ve aktiviteye izin verdiği durumlarda etkili olabilir. Kirleticiyi parçalayan mikroorganizmalar, kirleticiler ile yakın ilişkide ve doğru yerde olmalıdırlar. Eğer mikroorganizma popülasyonu mevcut değilse, mikroorganizmaları kirleticilerle temas ettirmek için bazı mühendislik mekanizmaları geliştirilmelidir. Çevresel koşullar kontrol edilmelidir veya mikroorganizmaların metabolik aktivitelerini ve büyümelerini optimize etmek için şartlar değiştirilmelidir. Biyoremediasyon için çevrenin optimizasyonunda; sıcaklık, nutrientler (başta azot ve fosfor), elektron alıcılar (oksijen, nitrat, sülfat) ve pH gibi çevresel faktörler düzenlenmelidir.
Sağlık ve ekolojik yönden geniş alana yayılmış olan petrol ve petrol türevleri, gazolin, PAH, klorlu alifatikler (PCE), tetrakloretilen (TCE) ve klorlu aromatik hidrokarbonlar mikroorganizmalar tarafından kolayca detoksifikasyona uğratılırlar. Metaller bile biyolojik olarak parçalanamasalar da mikroorganizmalar tarafından daha az zararlı hale dönüştürebildikleri için biyoremediasyon dahilinde değerlendirilirler.
Biyoremediasyon teknikleri tipik olarak yakma gibi diğer geleneksel metotlardan daha ekonomiktir. ABD Çevre Koruma Kurumunun (EPA) programına göre, zararlı maddelerle kirlenmiş bölgelerde, geleneksel yöntemlere göre 10 kat daha ucuza mal olduğundan biyoremediasyon kullanımı uygun görülmüştür. Doğal azaltma proseslerine dayalı bir yöntem olduğu için toplum tarafından diğer teknolojilere göre daha kabul edilebilir olarak göz önünde tutulmaktadır. Arıtım için atıkların taşınması veya ortadan kaldırılması esasına dayanan temel iki biyoremediasyon metodu vardır.
Bunlar, yerinde (in-situ) biyoremediasyon ve alan dışında (ex-situ) biyoremediasyonu. Bununla birlikte ıslahın tamamlanması için gerekli olan zaman, kazılarak çıkarılan toprak materyalinin özel vasıtalarla taşınmasına yada yerinde gerçekleştirilip gerçekleştirilmediğine bağlı olacaktır. Doğal toprak ortamında yapılmayan ıslah (Ex-situ) teknolojileri, yerinde yapılan uygulamaya göre normalde daha hızlı ve etkilidirler.
Toprak çeşitliliği; toprak materyallerine, alanın topografik özelliklerine, iklimsel etkenlere, bitki örtüsüne ve topraktaki organizma durumuna bağlıdır. Başarılı bir biyoremediasyon stratejisi, toprak özelliklerindeki değişken etmenleri de kapsayacak özellikte olmalıdır. Toprak özellikleri, toprak kirleticilerinin davranışlarını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle kullanıma uygun bir remediasyon metodu, spesifik toprak özelliklerini ve arıtımı yapılacak alanın şartlarını göz önünde bulundurmalıdır. Biyoremediasyon sistemi her koşulda aynı verimlilikte çalışmamaktadır.
Toprağın fiziksel özellikleri ve yapısı, meydana gelen kimyasal ve biyolojik aktivitelere göre değişebilir.
Başarılı bir biyoremediasyon, kontamine olmuş alanın birçok faktörüne bağlıdır fakat kritik faktör toprak suyudur.
Toprak suyu içeriği; toprak yapısı ve porozitesiyle kontrol edilir. Doygun topraklar genellikle oksijen bakımından yetersizdir, bu nedenle aerobik biyoremediasyon sınırlıdır. Topraktaki aerobik biyoremediasyon için yeterli miktarda oksijen ve su gereklidir.
Topraktaki en önemli değişim, derinlikle beraber organik madde içeriğinin azalmasıdır. Organik madde toprakta yararlı fonksiyonlara sahiptir. Mikroorganizmalar için önemli bir nutrient kaynağıdır ve derinlikle organik madde içeriğinin azalması, mikrobiyal popülasyon yoğunluğunun azalmasına ve dolayısıyla toksik kimyasalların parçalanabilirliğinin de azalmasına yol açmaktadır. Bu nedenle toprak altı tabaka yüzeysel topraktan daha düşük mikrobiyal popülasyon yoğunluğuna ve daha az mikrobiyal aktiviteye sahiptir. Toprak hidrolik iletkenliği ve permeabilitesi de biyoremediasyonun uygulanabilirliğine etki etmektedir. Mikrobiyal aktivitenin canlanması için nutrient ve oksijen kaynağına ihtiyaç vardır. Eğer toprak ve aküfer sızdırmaz ise mikroorganizmalar büyüme ve solunum için yeterli miktarda oksijen ve nutrient temin etmekte zorlanırlar. Hidrolik iletkenlik 10-4cm/s’den büyük ise genellikle nutrient ve oksijenin yeterli taşınımı sağlanır. Yüksek permeabiliteye sahip topraklar ise düşük mikrobiyal populasyondan dolayı biyoremediasyon için uygun değildirler. İnce yapılı toprak ve sedimentlerin düşük permeabiliteye sahip olması da, mikroorganizmalara güçlükle nutrient ve oksijen sağlanmasına sebep olmaktadır.
Toprağın fiziksel özelliklerini etkileyen diğer önemli unsurlar toprak sıcaklığı ve toprak nem dereceleridir. Bu parametreler toprak reaksiyonlarının kinetiklerini etkiler. Çünkü mikrobiyal aktivite, sıcaklığa duyarlı enzimatik ve biyokimyasal prosesleri içermektedir. Biyolojik parçalanma sıcaklığı optimum 20°C ile 30°C arasındadır. Sıcaklıklar; mevsimsel iklimsel şartlar, toprak yüzeyinin şartları, toprak nem içeriği ve derinliği tarafından kontrol edilmektedir. Yıllık hava sıcaklığı, 1-5 m derinlikteki yıllık toprak sıcaklığının göstergesidir. Nemli topraklar yüksek ısı kapasitesine sahiptir ve sıcaklıkları kuru topraklara göre daha yavaş değişmektedir. Toprak sıcaklığı, sulama ve drenaj ile yüzeydeki bitki kalıntılarıyla, yapay örtülerle veya bitki örtüsüyle kaplı olmasıyla kontrol edilebilir.
Toprağın doğal özellikleri, kirleticinin konsantrasyonu ve kontaminasyonunun ölçüsü, başarılı biyoremediasyon olasılığının belirlenmesinde önemlidir. Biyolojik dönüşüme dayanıklı, yüksek konsantrasyonlarla kontamine olmuş alanlar, biyoremediasyon ile arıtıma uygun değildir. Kirleticinin durumu, diğer maddelere absorpsiyonu, taşınımı ve biyolojik parçalanması, topraktaki biyolojik aktiviteyi etkiler. Bu etkiler; toprak pH’ını, iyon değiştirme kapasitesini, nutrient, tuz, ağır metal, mineral ve organik madde içeriğini değiştirebilmektedir.
Toprağın kimyasal özelliklerini etkileyen faktörlerden biri de kil mineralleridir. Kil partikülleri etkileşim için geniş yüzeysel alana sahiptir. Kil mineralleri, kristal taneciklerden, amorf materyallerden, tuz ve metal oksitlerden oluşmaktadır. Buna ek olarak geniş reaktif yüzey alanı sağlayarak apolar kimyasalların absorpsiyonuna etki ederler. Yüzey alanlarının elektriksel yükle yüklü olması sebebiyle de polar kimyasalların absorpsiyonunda önemli etkilere sahip olan iyon değişim kapasitesini etkilemektedirler. Kil mineralleri kimyasal kirliliği tutarak mikrobiyal parçalanma için kullanılamaz hale getirebilirler. Kil minerallerinin yanı sıra, toprak organik maddesi de yüksek katyon değiştirme kapasitesine sahiptir ve ağır metaller ile organik kimyasalların absorpsiyonunda önemli etkiler meydana getirmektedir.
Toprak, bitki ve mikroorganizmalar için bir nutrient kaynağıdır. C, N, P gibi makronutrientleri ve bütün mikronutrientleri içerir. Mikrobiyal parçalanma için makronutrient ihtiyacı, kontamine toprak örneğinden (elektrolitik respirometre yardımıyla) tahmin edilir ve biyolojik oksijen ihtiyacı (BOİ) ölçülür. Toplam BOİ mikrobiyal nutrient yükselmesi için gerekli N ve P miktarları ile artar. Genellikle BOİ, NH3-N ve ortofosfat arasındaki oran 100:10:1 olarak alınmaktadır.
Mikroorganizmalar beslenme için iz miktarda birkaç mikronutriente de ihtiyaç duyarlar. Birçok remediasyonalanında yeterli mikrobiyal beslenmeyi sağlamak için bu mikronutrientler belirli miktarda dışarıdan verilmektedir. Mikrobiyal beslenme üzerinde iz elementlerin etkisi biyoremediasyonda önemli olmaktadır.
Toprakların, diğer jeolojik materyallerden farklı olması önemli biyolojik aktivitelere sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Topraktaki yoğun biyolojik aktivite genellikle yüzey horizonunda yer alır. Bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalar topraktaki biyolojik aktiviteye katkıda bulunur. Toprağın fiziksel ve kimyasal özellikleri biyolojik aktiviteye etki eder. Aerobik mikroorganizmaların aktivitelerine olanak sağlayan toprak koşulları, iyi bir havalandırma, bol nutrient ve enerji kaynağı, yeterli nem kaynağı ve uygun sıcaklık rejimini kapsamaktadır. Toprak su ile doygun hale geldiğinde, toprak matriksine oksijen difüzyonu sınırlanır, toprak çevresi anaerobik olur. Bu koşullar altında aerobik mikroorganizmaların aktiviteleri sınırlanır, bununla birlikte anaerobik mikroorganizmalar büyür ve enerji için organik maddeyi kullanmaya başlarlar. Bu nedenle toprağın fiziksel yapısı, gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar, iklimsel şartlar ve organik maddenin enerji ve nutrient kaynağı olarak kullanılması biyolojik toprak koşullarını etkilemektedir.
Biyoremediasyon; mikroorganizmaların kirleticileri bünyelerine alma kapasitesine sahip olmaları ve bunları büyüme ve metabolik faaliyetleri için kullanmaları esasına dayanmaktadır. Biyoremediasyon tasarımının asıl amacı, mikrobiyal büyüme ve aktivite için en uygun şartların sağlanmasıdır. Alanın havalanma ve doygunluk derecesine bağlı olarak farklı teknolojiler kullanılabilir. Biyoremediasyon iki biçimde uygulanır.
- Atıkların döküldüğü bölgeye besin (nutrient) aktarımı yapılarak, toprağın bakteri kompozisyonuna göre, hali hazırda toprakta bulunan bakteriler etkin duruma geçirilir (Yerinde (in-situ) bertaraf teknolojileri). Bu yöntem kirletici konsantrasyonlarının düşük olması durumunda kullanılır.
- Toprak kazılarak yerinden alınır ve kirletici parçalama yeteneğine sahip yeni bakteriler ilave edilir. Çevresel koşullar kontrol edilir veya mikroorganizmaların metabolik aktivitelerini ve büyümelerini optimize etmek için koşullar değiştirilir. Biyoremediasyon için çevresel şartların optimizasyonunda; sıcaklık, inorganik nutrientler (öncelikle azot ve fosfor), elektron alıcılar (oksijen, nitrat ve sülfat) ve pH gibi faktörler uygun hale getirilir (Yerinde yapılmayan (ex-situ) bertaraf teknolojileri).
Yerinde (in-situ) Biyoremediasyon Teknikleri
Kirlenmiş sahaların az maliyetle temizlenmesinde, kimyasal maddeleri parçalamak için doğal mikroorganizmaların kullanıldığı üstün nitelikli bir metottur. Bu teknoloji, maliyetinin düşük olması, kirli toprağın kazılmasını ve taşınmasını gerektirmeden yerinde arıtım sağlaması açısından daha caziptir. Buna karşın yerinde (in-situ) biyoremediasyon bazı dezavantajlara sahiptir. Diğer ıslah metotlarıyla karşılaştırıldığında bu metot daha fazla zaman alabilir.
Kontrol edilemeyen çevresel şartlardaki değişikliklere direkt maruz kalmaları nedeniyle mikrobiyal aktivitede mevsimsel azalmalar olabilir. Mikroorganizmalar hücre gelişimleri için daha fazla enerji ve besinlere ihtiyaç duyabilirler. Bu nedenle mevcut atık maddeye ilave besin eklenebilir. Bu koşullar uygun olmadığı zaman parçalama kapasiteleri azalır. Böyle durumlarda doğal olarak oluşan mikroorganizmalar tercih edilmesine rağmen genetik yollarla elde edilen mikroorganizmalar kullanılmak zorunda kalınabilir. Ayrıca, yerinde (in-situ)arıtım, toprak derinliğinin arıtımı etkilemesinden dolayı derinlikle de sınırlıdır.
Yerinde (in-situ) arıtım teknikleri ile kirleticilerin parçalanması, onları enerji kaynağı olarak kullanarak o bölgede yaşayan ve büyüyen doğal mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir. Örnek olarak, bazı Rhodococcus bakterileri (Rhodococcus, Mycobacterium ve Corynebacterium ile yakından ilişkili aerobik,yayılmayan, hareket etmeyen Gram-pozitif bir bakteri cinsidir) yağ damlacıkları ile beslenir ve petrol sızıntılarını temizlemek için ideal bakterilerdir. İn-situ biyolojik parçalanma; organik kirleticilerin parçalanmasında o ortamda yaşayan bakterilerin uyarılması için dolaşım halinde olan sulu çözeltilerle toprağa oksijen ve nutrient kazandırma işlemidir. Yerinde (in-situ) biyoremediasyon teknikleri genel olarak, dizel yakıt ve yoğun yağlar gibi halojen olmayan yarı uçucu organiklerin giderilmesinde kullanılır.
İn-situ biyoremediasyonu kontrol altında tutmak ex-situdan daha zordur. Çünkü, deneysel kontroller yapmak genellikle kontamine olmuş toprakta mümkün değildir. Aerobik mikroorganizmalar benzen, toluen, etil benzen, ksilen gibi petrol ürünlerini parçalama yeteneğine sahiptir.
İzole edilmiş komunitelerin aktivitesi tarla şartlarında test edilmiştir. İzole edilmiş 4 mikroorganizma komunitesi kirlenmiş alana uygulanmıştır. İn-situ yapılan biyoremediasyon çalışması sonucunda 7 aylık sürecin sonunda benzen ve toluen için %95, etil benzen için %81 ve ksilen için %80 giderim verimi elde edilmiştir.
Diğer önemli kirleticilerden olan ve fosil yakıtların yakılması gibi antropojenik aktiviteler sonucu doğada biriken poliaromatik hidrokarbonlarla (PAH) kirlenmiş toprakların, fungi ve bakteriler tarafından aerobik ve anaerobik şartlar altında in situ tekniklerle ıslahının gerçekleştirilebildiği yapılan çalışmalarla ortaya konmuştur.
PAH Bileşikleri Araştırmasında 4 ildeki 1440 farklı yerleşim noktasından alınan kaynak ve depo suları da analiz edildi. Bu sularda kansere neden olan PAH bileşikleri ile bazı pestisitlerin kalıntıları araştırıldı. Polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH) iki ya da daha fazla benzen halkasına sahip kansere yol açan kimyasal maddelerdir. Petrol kirliliği, yağ, kömür, katran atıklarında bulunur ve fosil yakıtları başta olmak üzere çeşitli maddelerin yanması sonucu açığa çıkarlar. Doğada 100’ün üzerinde PAH bileşiği bulunsa da gıdalar ve sularda nadiren tespit ediliyorlar. Araştırmada kanserojen etkisi daha fazla olan 16 PAH bileşiği araştırıldı. Analiz edilen su örneklerinin 19 tanesinde (% 1.3) PAH kalıntıları tespit edildi.
Ayrıca, yapılan diğer bir çalışmada patlayıcılarla kontamine olmuş toprakların in-situ teknik ile 12 ayda ıslahının gerçekleştiği belirtilmiştir. Bu metodun uzun süre almasına rağmen düşük maliyetli olmasının avantajlı olduğunu vurgulamıştır.
Mikroorganizmalar için uygun yaşam koşullarını oluşturmak için in-situ arıtımda iki teknik kullanılır.
- Bioventing (Hava enjeksiyonuyla doymamış toprakta kirletici arıtımı)
Bu metotta atmosferik hava, mikroorganizmalara gerekli oksijeni sağlamak için doymamış tabakadaki su tablası üzerindeki toprağa özel borular içinde verilir. Bu yöntemde biyolojik parçalanma toprakta bulunan mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilmektedir. Zemine enjeksiyonla verilen hava veya O2’nin biyolojik parçalanmaya yardımcı olmasının yanı sıra, burada bulunan uçucu organik maddeleri ve CO2’yi hava akımıyla birlikte yüzeye taşıması gibi bir işlevi de mevcuttur. Bu sistemin özellikle petrol hidrokarbonları, klorlanmış çözücüler, bazı pestisitler, bitki koruyucuları ve diğer organik kimyasallarla kirlenmiş zeminlerin arıtımında başarıyla uygulanabildiği bilinmektedir.
- Peroksit enjeksiyonu
Bu yöntemde oksijen toprağa hidrojen peroksit enjeksiyonu yoluyla sıvı bir formda verilir. Kimyasal oksidasyona dayanan bu metotta, hidrojen peroksit oksidant olarak kullanılarak hidrokarbonların karbondioksit ve suya dönüştürülmesi sağlanır. Çözünmüş oksijen, organik kirleticilerin biyolojik dönüşümünde genellikle sınırlıdır. Aerobik metabolizma sırasında önemli derecede biyolojik oksijen ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Hidrojen peroksit eklenmesi kirlenmiş bölgede oksitleyici madde kapasitesini arttırmaktadır. Gerekli hidrojen peroksit dozunun belirlenmesinde oksitleyici madde kaybolma oranı mutlaka göz önüne alınmalıdır. Toprak organik maddesi ve organik kirletici hidrojen peroksit için rekabete girmektedir. Bu nedenle toprak organik maddesi oksitleyici dozunun belirlenmesinde önemli bir etkendir. Yapılan bir çalışmada, nötral pH’da, 20°C’de hidrojen peroksit-toprak arasındaki ilişki araştırılmış, yüksek organik maddeye sahip topraklarda hidrojen peroksitin bozunma oranının arttığı tespit etmişlerdir. Bu metot, genellikle önceden kirlenmiş yer altı suyunun ve sınırlı kirliliğin olduğu alanlar için uygulanmaktadır.
İlgili Ürünler
Yerinde Yapılmayan (ex-situ) Biyoremediasyon Teknikleri
Bu yöntemde toprağın doğal ortamından kazılarak alınmasını gerektirir. Bunun amacı mikrobiyal parçalamayı kolaylaştırmaktır. Kirlenmiş sahadan uzakta gerçekleştirilen ex-situ biyoremediasyon metotları, yerinde yapılan (in-situ) metotlara göre daha hızlıdır. Geniş alana yayılmış kirleticiler için uygulanabilir fakat daha pahalı bir yöntemdir.
Yapılan bir çalışmada laboratuvar şartlarında aerobik kültürler tarafından petrol türevleri olan benzen için %84, toluen için %86, etil benzen için %80 ve ksilen için %82 oranında azalma olmuştur. Başka bir çalışmada topraktaki klorobenzenlerin biyoremediasyonunda ex-situ yöntemlerle 2-3 haftalık periyotta %90 oranında giderim sağlanmıştır. Bunun yanı sıra, hidrokarbonların topraktan uzaklaştırılmasında ex-situ teknikler başarılı olarak kullanılmaktadır.
Islahın özel tanklarda ya da hazır zeminlerde gerçekleştirilip gerçekleştirilmediğine göre exsitu biyoremediasyon iki teknolojiyi kapsar:
- Sulu Faz İşlemi (Biyoreaktörler)
Biyoreaktörler ex-situ tekniğinin en önemli çeşididir. Dayanıklı ve toksik kirleticilerle kirlenmiş toprakların biyoremediasyon ile ıslahında en iyi seçenek çevre şartlarının kontrol altında alınabildiği biyoreaktör tekniğidir. Kirleticilerin giderim oranı sistemdeki aktif mikroorganizmaların parçalama kabiliyetlerine bağlıdır. Bu reaktörler kesikli, yarı-sürekli ve sürekli olmak üzere sınıflandırılırlar. Genel olarak kesikli reaktörler tercih edilmektedir.
Bunun yanı sıra elektron alıcısına bağlı olarak da aerobik (moleküler oksijen), anoksik ( nitrat ve bazı metal katyonlar), anaerobik (sülfat, metanojenik, fermantasyon) ve karışık elektron alıcıların kullanıldığı sistemler bulunmaktadır. Sulu fazlı biyoremediasyon arıtım uygulaması diğer arıtım yöntemleriyle karşılaştırıldığında çok daha hızlı bir yöntemdir. Topraktaki kirleticiler ile temas halinde olan ve toprakta zaten doğal olarak bulunan mikroorganizmaları tutmak için bu teknolojide kirlenmiş toprak yerinden kazılarak özel vasıtalarla alınır ve özel tanklarda su ile karıştırılır. Oksijen ve besinler daha sonra eklenir. Kirleticilerin parçalanmasında organizmaların biyoaktivitelerini devam ettirmek ve en iyi koşulları sağlamak için ısı, besin ve oksijen konsantrasyonları kontrol edilir. Bu yöntemin kütle transfer oranının ve mikroorganizma/kirletici/nutrient oranlarının arttırılabilmesi, farklı elektron alıcıların kullanılabilmesi, surfaktan ve solvent kullanımı ile kirleticinin parçalanmasının artırılması, çevresel şartların optimizasyon ve kontrolünün sağlanması gibi avantajları bulunmaktadır. Yapılan bir araştırmada biyoreaktörlerin hidrokarbonlar ve bazı organoklorlu maddeler gibi toksik ve parçalanmaya dirençli maddelerle kirlenmiş toprakların ıslahında etkili bir ex-situ yöntem olarak değerlendirilebileceği belirtilmiştir. Petrol türevi ile kirlenmiş toprakların anoksik-aerobik şartlarda kesikli biyoreaktörlerde ıslahının mümkün olduğu belirtilmiştir.
Diğer önemli bir kirletici olan PAH’ların(poliaromatik hidrokarbon) aerobik ve anaerobik işletilen biyoreaktörlerde giderilebildiği yapılan çalışmalarla ortaya konmuştur. Metabolik fonksiyonlar (aerobik, anaerobik, anoksik), tek veya karışık mikro çevre şartları, doğal karışık mikroflora ve aşılama şartlarının biyoreaktörlerde sağlanması ve kontrolü ile PAH’ların parçalanması sağlanabilmektedir. PAH’ların toksik ve hidrofobik kirleticiler olması, toprak kompozisyonu, heterojen mikrobiyal çevre şartları biyoremediasyonu kompleks hale getirebilmektedir. Yapılan çalışma ile arıtma çamurundaki PAH’ların giderilmesinde ex-situ biyoremediasyon tekniği olan biyoreaktörlerin kullanılabileceğini görülmüştür. Biyolojik parçalanmanın hızlanması için Proteiniphilum acetatigenes kullanılarak biotik ve abiotik şartlarda %80’e varan parçalanma meydana geldiğini bulmuşlardır.
- Katı Faz İşlemi
Burada kirlenmiş toprak hazır zeminler üzerinde işleme tabi tutulur. Sulu zemin uygulamasına göre daha az masraflı olmasına rağmen fazla etkili değildir ve daha çok alıkonma süresine ihtiyaç vardır. Biyo-yığın oluşturma olarak da adlandırılabilen bu yöntemin kullanımıyla kazılarak yerinden alınmış topraklardaki petrol türevlerinin, PAH’ların, patlayıcıların, pestisitler gibi klorlu organik kirleticilerin konsantrasyonlarını azaltmak için kullanılabildiği bilinmektedir. Bu teknoloji kirlenmiş toprakların yığınlar haline getirilerek havalandırma ve/veya mineraller, besinler ve nem eklenerek toprak içerisindeki mikrobiyal aktiviteyi harekete geçirmeyi amaçlar.
Bu ıslah metodunu gerçekleştirmek için iki ana teknik yaygın olarak kullanılır. Bunlar;
- Arazi İyileştirme (Land Farming)
Arazi iyileştirilmesi ya da arazi uygulaması olarak bilinen ve biyolojik parçalanma yoluyla kirletici konsantrasyonlarını azaltan toprak teknolojisidir. Bu teknoloji genellikle yerinden kazılarak alınmış kirli toprakların başka bir alana yayılarak ince bir tabaka halinde serilmesini kapsar ve havalandırmayla ve/veya mineraller, besinler ve nem eklenmesiyle toprak içindeki aerobik mikrobiyal aktiviteyi teşvik etmeyi amaçlar. Mikrobiyal aktivitenin artması, mikrobiyal solunumun etkisiyle adsorbe olmuş kirleticilerin parçalanmasına neden olur. Toprak doğal ortamından alınarak özel olarak hazırlanmış zemine yayılır. Burada biyolojik aktiviteyi hızlandırmak ve havalanmayı kolaylaştırmak için düzenli olarak karıştırılır ve çevrilir. Mikroorganizmalar biyo parçalanma süreçlerini devam ettirmek ve hücre gelişimlerini ilerletmek için azot ve fosfor gibi inorganik besinlere gereksinim duyarlar. Bu nedenle gerekli durumlarda besin ilavesi yapılabilir.
Besin ve oksijen eksikliği biyolojik parçalanmayı yavaşlatır. Eğer topraktaki kirlilik toprağın fazla derininde değilse (yer yüzeyi altında yaklaşık 90 cm ‘den daha az ise) toprağı kazarak çıkarmaksızın mikrobiyal aktiviteyi etkili şekilde teşvik etmek mümkün olabilir. Mikroorganizma faaliyeti, toprakların karakteristikleri, kirleticilerin uçuculuğu ve iklim şartları bu teknolojinin uygulanmasında belirleyici faktörler arasındadır. Bu şartlar arazi uygulama dizaynında dikkate alınmalı ve düzenli olarak kontrol edilmelidir. Bunun içinde mutlaka bir kontrol planı oluşturulmalıdır. Bu teknik yüzeyin 0,3-1 m derinliğine yayılmış hidrokarbon kirliliği için genelde tercih edilmektedir. Proses süresince, hidrokarbonlar buharlaşma veya biyolojik parçalanma proseslerinin kombinasyonu ile ortamdan uzaklaşmaktadır.
Arazi iyileştirme tekniğinin sıcak güney iklimlerde başarıyla uygulandığı bilinmektedir. Örneğin, Avustralya’da 12 aylık operasyonel bir çalışmada toplam petrollü hidrokarbon (TPH) seviyesi 4644 ppm’den 100 ppm’e kadar azaltılmıştır.
Soğuk Antartika ve Artik iklimlerde yapılan arazi düzenleme tekniklerinde ise farklı sonuçlar bulunmuştur. Yapılan çalışmalar soğuk iklimlerde hidrokarbonla kirlenmiş alanlarda bulunan mikroorganizmaların soğuk şartlara adapte olduğunu göstermiş ve başarılı sonuçlar elde edilememiştir. Yapılan diğer bir çalışmada, eski bir askeri üs’den akaryakıt ile kirlenmiş toprak örnekleri alınarak +3°C ortalama yaz sıcaklığında arazi denemesi kurulmuş, çalışma kapsamında dört pilot arazi dizayn edilmiş;
- Günlük havalandırılan,
- 4 günde bir havalandırılan,
- Bitki besin maddesi ilavesiyle 4 günde bir havalandırılan ve
- Kontrol alanı
Elde edilen sonuçlara göre, bitki besin maddesi ilavesi yapılan alanda TPH seviyesinde %90’nın üzerinde bir düşüş tespit edilmiştir. Günlük olarak havalandırılan ve 4 günde bir havalandırılan alanlarda ise giderim %80 olarak belirlenmiştir.
Yapılan başka bir çalışmada 1100 ton hexaklorosiklohekzan (HCH) ile kirlenmiş alanın yarısı (A) anoksik/oksik, diğer yarısı da (B) oksik şartlarda arıtıma tabi tutulmuştur. A alanına 7 kez anoksik/oksik çevrim uygulanırken, B alanı düzenli olarak sürülmüştür. Arıtım 371 gün boyunca devam etmiştir. Her bir alandan 154 ve 371 gün sonra toprak örnekleri alınmıştır. 371 gün sonra, toplam HCH konsantrasyonu A alanında % 60, B alanında %75 azalma göstermiştir. Bu uygulama katı faz arazi düzenleme tekniğinin yüksek HCH konsantrasyonu içeren topraklarda uygun bir alternatif olduğunu göstermektedir.
Bu ıslah tekniği, kirliliğin taşınma riski ve zamanın kritik bir faktör olmadığı durumlarda başarıyla uygulanabilmektedir.
- Toprak Biyoyığınları (Soil Biopiles)
Bu sistemde kazılarak alınan toprak birkaç metre yüksekliğinde yığınlar halinde bırakılır. Mikroorganizmalar ile parçalanma aktivitesini arttırmak için yığın içine hava üflenir ve gerekirse besinler eklenir. Yığınlardan yayılan gazlardan dolayı, bazı uçucu kirleticiler de kontrol edilmelidir.
Toprak biyo-yığınları (soil biopiles), arazi düzenlemesi gibi yeraltı depolama tank alanlarında bulunan tipik petrol ürünlerinin yaklaşık tüm türevlerinin konsantrasyonlarını azaltmada etkili bir rol oynamaktadırlar. Gazolin gibi daha hafif (uçucu) petrol ürünleri, havalandırma yöntemleri esnasında (hava enjeksiyonu, hava ekstraksiyonu ya da yığın devirme ve harmanlama) buharlaşma yoluyla giderilmeye ve mikrobiyal solunum vasıtasıyla parçalanmaya uygun hale gelirler. Dizel yakıt, karosen gibi orta dereceli hidrokarbon ürünlerinin biyolojik parçalanması, buharlaşmaya göre daha fazla etkindir. Bununla birlikte daha yüksek moleküler ağırlıklı ürünler daha hafif ağırlıklı ürünlere göre daha uzun bir parçalanma süresine ihtiyaç duyarlar.
Sistemin etkinliği, toprak karakteristiğine, mevcut çevre yapısına ve iklim şartlarına bağlıdır. Toprak tekstürü, toprağın geçirgenliğini ve nem içeriğini etkiler. İnce tanecikli topraklar kaba tanecikli topraklara göre daha az geçirgendir. Daha düşük geçirgenliğe sahip toprakların havalanması zordur fakat daha yüksek geçirgenliğe sahip toprağa nazaran daha iyi nem tutma kapasitesine sahiptirler. Toprak biyo-yığınlarında aerobik bakteri faaliyetlerinin devam ettirilebilmesi ve biyolojik parçalanmanın teşvik edilmesi için belirli zamanlarda devrilmeye ya da sürülmeye ihtiyaçları vardır. Topraklar, normal şartlarda farklı mikroorganizmaları ve türleri (bakteri, alg, mantar, protozoa ve aktinomisetler gibi) bünyesinde bulundurur. Biyo-yığınlar için en uygun drenaj koşullarının oluşturulduğu topraklarda bu organizmalar genellikle aerobiktirler. Bu organizmalar içinde özellikle düşük oksijen seviyelerinde biyokimyasal olarak aktif olan en kalabalık grup bakterilerdir.
Biyo-yığınlarda biyolojik parçalanmanın gerçekleşmesini etkileyen bir diğer etmen de sıcaklıktır. Mikrobiyal aktivitenin 10°C’nin altındaki sıcaklıklarda önemli derecede azaldığı bilinmektedir. Petrollü hidrokarbonların biyolojik parçalanmasında etkin olan bakterilerin mikrobiyal aktivitesi 45°C’den daha yüksek sıcaklıklarda da azalmaktadır.
Yöntemin dizaynı ve gerçekleşmesi basit olup optimal koşullar altında arıtımın tamamlanma süresi 6 ay ila 2 yıl arasındadır. Ancak, yüksek kirletici derişimlerinde sistem verimli çalışmamaktadır (>50.000 ppm, total petrollü hidrokarbonlar için). Bunun yanı sıra 2500 ppm den yüksek ağır metal konsantrasyonları mikrobiyal aktiviteyi engellemektedir.
Fitoremediasyon (Bitkiler Yardımıyla Yapılan Biyoremediasyon)
Son on yılda popülaritesi giderek artmakta olan fito-ıslah, toprak ıslahına ait pasif bir teknolojidir. Fitoremediasyon çevredeki kirleticilerin alınmasında yada onların zararsız hale getirilmesinde yeşil bitkilerin kullanımı olarak tanımlanır. Bitkiler organik kirleticileri bozabilir, parçalayabilir yada metallerde olduğu gibi bünyesine alarak stabilize edebilir. Diğer ıslah teknolojileri ile karşılaştırıldığında oldukça düşük masraflı, estetik bir metottur. Bundan başka fitoremediasyon çevresel açıdan önemli bir sıkıntı yaratmaması sebebiyle avantajlıdır çünkü uygulanan yöntem toprak matriksini değiştirmez. Böylece başarılı bir fitoremediasyondan sonra toprak direkt olarak tarımsal amaçlar için kullanılabilir.
Toksik ağır metaller ve organik kirleticilerin her ikisi de fitoremediasyonda hedef alınan kirleticilerdir.
Fitoremediasyon aşağıda belirtilen alt gruplara ayrılmıştır;
- fitoekstraksiyon,
- fitodegradasyon,
- rizofiltrasyon,
- fitostabilizasyon,
- fitovolatilizasyon
- rizodegradasyon
Özellikle seçilmiş, genetik olarak ayarlanmış bitkiler bu yöntemde kullanılmaktadır. Islah yöntemini tamamlama adımı olarak diğer farklı geleneksel ıslah metotlarıyla (izolasyon ve immobilizasyon teknolojileri, elektrokinetik teknolojiler, vb.) beraber kullanılabilir.
Fitoremediasyon teknolojisi, kirlenmiş toprakların temizlenmesinde biyolojik bazlı ve düşük maliyetli bir alternatif olarak kabul edilmektedir. Özellikle toprağın kazılarak yerinden alınmaması önemli bir maliyet azaltıcı avantaj olarak göze çarpmaktadır. Toprak arıtımı için kullanılan fizikokimyasal teknolojilerin çoğu topraktaki biyolojik aktiviteyi tamamen yok etmekte ve toprağı bitki büyümesi için uygun olmayan bir ortam şekline dönüştürmekteyken, fitoremediasyon toprağın biyolojik özelliklerini ve fiziksel yapısını korumaktadır.
Bununla birlikte, köklerin derinliğine ve bitkinin kirleticiye olan toleransına bağlı olan bir metot olması dezavantaj yaratmaktadır. Diğer bir dezavantajı da, diğer metotlarla karşılaştırıldığında prosesin çok daha uzun sürmesidir.
Thlapsi, Urtica, Chenopodium, Polygonumsachalase ve Allyssim gibi bazı bitkilerin kadmiyum, bakır, kuşun, nikel ve çinkoyu bünyelerinde biriktirme yetenekleri vardır ve bu nedenle, söz konusu bitkilerin yetiştirilmesi kirlenmiş toprakların arıtılmasında dolaylı bir metot olarak kabul edilmektedir. Örneğin, çoğu bitkiler yaklaşık 100 ppm’lik bir Zn birikiminde toksisite semptomları gösterirken, en yaygın metal hiperakümülatörü olarak bilinen Thlapsicaeruledcens’ın 26000 ppm’in üzerinde bir birikimi sağlayabildiği literatürden bilinmektedir.
Fitoremediasyon tekniğinde genellikle hiperakümülatör bitkiler kullanılmaktır. Bu bitkiler; yaprak dal ve gövdelerinde toprakta bulunan metal oranından 50 ila 500 kat daha fazla metal biriktiren bitkilerdir. Diğer bir deyişle, bu bitkiler toprağın üstünde bulunan organları ile hiperakümülator olamayan bitkilere nazaran 100 ila 1000 kat daha fazla organik madde bulundurabilirler.
Bitkiler için gerekli besin elementleri olsun yada olmasın ağır metallerin, doğada bulunma oranının belirlenen düzeyin üstüne çıkması durumunda önemli derecede sorunların oluştuğu bilinmektedir. Aynı zamanda ağır metallerin toprakta bulunma yüzdesinin üzerine çıkması durumda toprak kalitesinde bozulma ve ürünlerin verim ve kalitelerinde azalmalar meydana gelmekte bunun sonucunda da insan ve diğer canlılar için ciddi problemler oluşmaktadır.
Gelişmiş ülkeler bu olumsuz koşulları dikkate alarak son yıllarda diğerlerine nazaran daha çevre dostu bir arıtma sistemi olan fitoremediasyonu (bitkisel ıslah sistemleri) geliştirmişlerdir. Bitkisel ıslah olarak da bilinen fitoremediasyon ortamda bulunan kirleticilerin giderilmesinde veya etkisiz hale getirilmesinde çeşitli bitkilerin kullanılması şeklinde tanımlanmaktadır.
Çiçekli bitkilerin % 0.2’sini oluşturan hiperakümülatör bitkiler yaklaşık olarak 450 tanedir.
Fitoremediasyon tekniğinde çevresel kirleticiler kapsamında ağır metalleri absorbe eden, dokularında yüksek seviyelerde biriktirip çeşitli süreçlerden sonra etkisiz hale getirebilen hiperakümülatör bitkiler kullanılmaktadır. Son yıllarda birçok ülkede kullanımı yaygınlaşan fito-ıslah, ağır metallerle kirlenmiş toprakların temizlenmesinde pasif bir teknolojidir. Fitoremediasyon, çevredeki kirleticilerin alınmasında veya bu kirleticilerin etkisiz hale getirilmesinde hiperakümülatör bitkilerin kullanılması olarak tanımlanır.
Farklı ıslah yöntemleriyle kıyaslandığında oldukça düşük masraflı, estetik olarak memnun edici olmasıyla beraber uygulama kolaylığı ve uygulama süresinin kısalığı gibi birçok avantaja sahiptir. Yeşil ıslah, düşük ve orta risk grubundaki kirlenmiş yerlerin ıslah edilmesinde özellikle seçilmiş, genetik olarak ayarlanmış bitkiler kullanılarak etkili ve memnun edici bir ıslah yöntemi olarak kabul edilmektedir. Hardal (Brassica juncea), KırmızıYumak (Festuca rubra), Karahindiba (Taraxacum officinale) gibi hiperakümülatör bitkiler ağır metalleri bünyelerinde tutup gaz formuna dönüştürerek doğaya saldıkları bilinmektedir.
Ağır metallerle kirlenmiş alanlarda kullanılan fito-ıslah metotları ile organik kirleticiler ile kirlenmiş sahaların iyileştirilmesi için kullanılan metotlar arasında bazı farklar bulunmaktadır. Metallerle kirlenmiş sahalarda bitkiler tarafından absorbe edilen ağır metaller ya toprakta birikerek sabit hale geçerler ya da topraktan uzaklaştırılırlar.
Fitoremediasyon yöntemi ile hiperakümülatör bitkiler tarafından topraktan alınabilme potansiyeline sahip kirleticiler kendi aralarında; metaller (Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn), metalloidler (As, Se), radionükleidler (90Sr, 137Cs, 239Pu, 238U, 234U), ametaller (B) ve diğer organik bileşikler (TPH, PAHs, Pestisitler, PCBs) olmak üzere birçok maddeyi içermektedir. Ancak bitkiler tarafından organik kirleticiler veya ağır metallerin topraktan alınabilmesi için öncelikli olarak ekolojik şartların bitkiler için optimal düzeyde olması gerekmektedir. Bununla birlikte diğer edafik ve biyotik faktörlerin de uygun olması gerekir. Diğer taraftan topraktaki ağır metalleri alma gücü yüksek olan bitkilerin, genellikle lokal olarak yayılış gösterdikleri ve kendilerine has bir yaşam şartlarının olduğu belirlenmiştir.
Kaynaklar
Serkan SEZEN