Biyoremediasyon, kirletici maddeler (kontaminantlar) tarafından kullanılamaz hale getirilen su ve toprağın; bakteriler, mantarlar ve yeşil bitkiler tarafından arındırılma süreçlerine verilen genel isimdir.
Tuna Karataş
Örneğin bakteriler, klorlu hidrokarbonlar gibi kontaminantların topraktan ayrıştırılması ve petrol sızıntılarının temizlenmesi için kullanılan organizmalar arasındadır. Ayrıştırma ve temizleme işlemlerinin yanı sıra, bakteri gibi biyoremediasyon sürecinde kullanılan canlılar, yağ, mineral ve metallerin kontamine bölgelerden geri kazanılması sürecinde de kullanılır. Genetik mühendisliği, biyoremediasyon için özel olarak tasarlanmış organizmaların oluşturulmasını kolaylaştırır. Bu nedenle biyoremediasyon, kirlenme ve geri dönüşüm süreci sorunlarını çözmenin umut verici bir yoludur.
Bitkisel ıslah (ing. Phytoremediation) kelimesi, yunancada “bitki” anlamına gelen “phyto-” ön ekini içerir. Çeşitli kaynaklarda “yeşil remediasyon” ya da “botanik biyoremediasyon” olarak da adlandırılan bitkisel ıslah, toprak veya suda bulunan zararlı kimyasalların bitkiler ve bitki teknolojileri sayesinde biyolojik olarak arıtılması olarak tanımlanır. Bitkisel ıslahın temel amacı, tehlikeli kimyasallar ve ağır metalleri toprak ya da su sistemlerinden tamamen arıtmak ya da en azından zararsız hale getirmektir. Bu yazıda, toksik maddelerin ve ağır metallerin bataklık ve toprak alanlardan temizlenmesinde bitki ıslahı yönteminin başarı seviyesi iki araştırmanın karşılaştırılması üzerinden incelenmiştir.
Günümüzde gübreleme çalışmaları, pestisit ve fosil yakıt kullanımı, cevher madenciliği, maden izabesi gibi beşeri faaliyetler sebebiyle kurşun, civa, kadmiyum, çinko, gümüş, bakır, demir ve nikel başta olmak üzere ağır metaller su kaynaklarına ve toprağa karışmaktadır. Bitkisel ıslah sayesinde, çevre kirletici maddeler ile kontamine edilmiş toprak ve su kaynaklarında uygun bitki florası oluşturulur, böylece bu bitkiler, bölgeyi zararlı maddelerden arındırır. Bu sayede ağır metaller ve zehirli kimyasalların besin zincirine dahil olması engellenir ve tarım faaliyetleri insan tüketimine uygun kalmaya devam eder.
Bitkisel ıslah işlemi sırasında kullanılabilecek pek çok bitki ve yöntem alternatifi bulunmaktadır. Genel özellikleri sıralandığında, bitki ıslahı için tercih edilecek bitkilerin yüksek metal derişimlerine dayanıklı olmaları gerekmektedir. Ayrıca, bu bitkilerin toprak ve su kaynaklarından arındırdıkları metalleri ve başka maddeleri, hasat edilebilir kısımlarında biriktirmeleri gerekmektedir. Bitki ıslahı için kullanılacak bitkilerde olması gereken bir diğer önemli özellik ise derin ve sık bir kök sistemidir. Birçok ağır metal, bitkilerin kökleri tarafından sabitlenir ve bu sayede besin zincirine katılmaları önlenmiş olur. Aynı zamanda bitkilerin, organik çevre kirletici maddeleri ayrıştıran oxido-redüktif enzimler salgılaması, derin ve sık bir kök sistemine sahip olması, biyoremediasyon sürecinin verimliliğini arttırır. Bunun yanı sıra, bitki ıslahı sürecinde kullanılan bitkilerin hızlı büyüyen ve kontamine arazilerde çok bakım gerektirmeyen bitkiler olması gerekir.
Çeşitli bitki ıslahı yöntemleri için farklı bitki türleri tercih edilmektedir. Örneğin, bitkisel özütleme (ing. phytoextraction) tekniğinde topraktaki toksik kimyasallar, bitkilerin kökleriyle seçimli bir şekilde emilir. Emilen toksinler bitkilerin kök ve sürgünlerinde biriktikten sonra hasat edilir ve tehlikeli atık alanlarında toplanır. Bitkisel özütleme için kullanılan bitkiler arasında ayçiçeği, mısır, beyaz lüpen otu, eğreltiotu ve kavak ağacı bulunmaktadır. Bitkisel ayrıştırma (ing. phytodegradation) yönteminde toprak ve su kaynaklarından emilen toksinler, bitki dokularında metabolize edilir ve daha zararsız maddelere dönüştürülür. Özellikle petrol ve pestisitler gibi aromatik bileşikler ve organik bileşiklerin ayrıştırılması için, telli sumercimeği, yaban turpu, söğüt ağacı gibi bitkilerin ürettiği enzimler kullanılır.
Başka bir bitkisel ıslah yöntemi olan fitostabilizasyon yönteminde, toprakta bulunan zararlı maddeler, bitki köklerinde sabitlenerek su kaynaklarına geçişi ya da atmosfere salınımı engellenir. Fitostabilizasyon tekniğinde mikoriza ve bakteri gibi mikroorganizmalar yardımıyla kök yüzeyi arttırılır ve ağır metal iyonları filtrelenir. Fitostabilizasyon için kullanılabilen, ağır metallere karşı dayanıklılığı bulunan bitkiler arasında filotu, hardal otu, erguvani söğüt ve küçük hasır otu bulunmaktadır.
Bu makalede tanıtılacak son bitkisel ıslah türü olan fitovolatilizasyon sayesinde, toprakta bulunan uçucu çevresel kirleticiler bitki tarafından emilir. Bu uçucu maddeler daha sonra terleme yoluyla bitkinin yaprakları ve yeşil kısımları tarafından buharlaştırılır. Fitovolatilizasyon, özellikle topraktan atmosfere geçtiğinde daha az toksik etkiye sahip çevresel kirleticilerin ayrıştırılması için tercih edilmektedir. Fitovolatilizasyon yönteminde kullanılan başlıca bitkiler arasında hıtır, has kofa sazı, hardal otu, lahana ve söğüt bulunmaktadır. Fitovolatilizasyon sırasında kullanılan bitkilerin hasat edilmesi ve atılması gerekmemesi, bu tekniğin avantajları arasındadır. Bunun yanı sıra, fitovolatilizasyon nihai bir bitkisel ıslah yöntemi değildir çünkü buharlaştırılan maddelerin, yağışlar sırasında tekrar toprağa ve su kaynaklarına karışma ihtimali vardır.
Bitkisel ıslah yönteminin biyoremediasyon sürecinde kullanılmasının pek çok avantajı vardır. Berg vd. tarafından yapılan araştırmalara göre bitkisel ıslah, diğer arındırma yöntemlerine kıyasla düşük maliyetle toprak ve su kaynağı arıtması sağlar. Bu avantajların yanı sıra, bitkisel ıslahın getirdiği bazı kısıtlamalar da mevcuttur. Eğer arındırılmak istenen ortamdaki zararlı maddeler bitkinin kök sisteminden daha derindeyse, toprak temizliği gerçekleşemez. Başka bir örnek olarak, bitkisel ıslah sürecinde kullanılmış bir bitki, böcekler gibi otçul canlılar tarafından tüketilirse, bitkide toplanmış ağır metaller ve zararlı kimyasallar besin zincirine eklenmiş olur. Besin zincirine gelen bu eklenme insan ve çevre sağlığı için büyük bir tehdit oluşturur.
Hijri vd. (2018)’nin çalışmasıyla, ayçiçekleri ile birlikte ekilen karayoncaların civa, kobalt, bakır, çinko ve manganez metallerinin fitoekstraksiyonunda en etkili olduğu bulunmuştur. Civa, kobalt, bakır, çinko ve manganez için, ayçiçeği ve karayonca ekilmiş yığınlarda en düşük toksik metal derişimi gözlemlenmiştir. Bunun nedeni, ayçiçeklerinin sürgün metali ayrıştırma oranının karayoncaya kıyasla daha yüksek olmasıdır. Kurşun metalinin, sadece karayonca ve sadece ayçiçeği ekilen yığınlarındaki derişiminin, bitki ekilmemiş ve iki bitki türünün de ekilmiş yığınlara kıyasla daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Deney süresi olan 5 ayın sonunda, tüm yığınların ekotoksik kalmasına rağmen, fitoremediasyona tabi tutulan toprak yığınları, bitki ekilmemiş toprak örneklerinden önemli ölçüde daha az toksik olduğu ölçülmüştür.
Sonuç olarak bitkisel ıslah, kobalt, bakır, çinko ve manganez gibi zararlı metallerin bitkisel özütlemesi için etkili bir yol olsa da; kurşun gibi başka zararlı maddelerin ayrıştırılmasında sınırlı başarı göstermektedir. Bitkisel ıslah, petrol hidrokarbonları ve alifatik hidrokarbon bileşiklerini topraktan ayırmak için önemli bir yöntemdir. Bunun yanı sıra bitkisel ıslah, polisiklik aromatik hidrokarbonların ve SMX gibi antibiyotiklerin parçalanması için de kullanılabilmektedir fakat etkili ayrıştırabildiği PAH türleri sınırlıdır. Bu nedenle bitkisel ıslah, toprak ve su arıtımı için kullanılan diğer tekniklere göre çevre dostu ve daha ucuz bir teknik olmasına rağmen, sınırlı bir ayrıştırma gerçekleştirmektedir. Fakat yeşilin ve sürdürülebilirliğin her geçen gün daha çok değer kazandığı, her geçen gün daha çok çöp ve atık üretilen günümüz dünyası için, biyoremediasyon ve bitkisel ıslahın fazlasıyla umut vadeden yöntemler olduğuna inanıyorum.
Kaynak
Agostini, E., Talano, M. A., González, P. S., Oller, A. L., & Medina, M. I. (2013). Application of hairy roots for phytoremediation: What makes them an interesting tool for this purpose? Applied Microbiology and Biotechnology, 97(3), 1017–1030. https://doi.org/10.1007/s00253-012-4658-z
Alkorta, I. & Garbisu, C. (2001). Phytoextraction: a cost-effective plant-based technology for the removal of metals from the environment, Bioresource Technology, 77 (3), 229-236. https://doi.org/10.1016/ S0960-8524(00)00108-5
Berg, R. L., Hassenzahl, D. M. & Raven, P. H. (2010). Environment 7th. Publisher: Wiley.
Chen, R., Dzakpasu, M., Hao, M., Liu, Y., Sun, Z., Ting, C., Wang, X. C., Zhan, H., Zheng, Y., (2022). Phytoremediation mechanisms and plant eco-physiological response to microorganic contaminants in integrated vertical-flow constructed wetlands, Journal of Hazardous Materials, 42, 1- 11. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127611
Demain, A.L. & Vaishnav, P. (2009). Encyclopedia of Microbiology (3rd ed.) (Schaechter, M., Ed.), Academic Press. p. 335-348, ISBN 9780123739445, https://doi.org/10.1016/B978-012373944-5.00150-4
Hijri, M., Hogland, W., Jani, Y., Kaczala, F., Marchand, C., Mench, M. & Notini, P. (2018). Pilot scale aided-phytoremediation of a co-contaminated soil, Science of The Total Environment, 618, 753-764. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.143
Kafle, A., Timilsina, A., Gautam, A., Adhikari, K., Bhattarai, A., & Aryal, N. (2022). Phytoremediation: Mechanisms, plant selection and enhancement by natural and synthetic agents. Environmental Advances, 8, 100203. https://doi.org/10.1016/j.envadv.2022.100203
Lan, M.-M., Liu, C., Liu, S.-J., Qiu, R.-L., & Tang, Y.-T. (2020). Phytostabilization of CD and PB in highly polluted farmland soils using ramie and amendments. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(5), 1661. https://doi.org/10.3390/ijerph17051661
Mahjoub, B. (2014). Plants for soil remediation. RSC Green Chemistry. 106-143.
Misra, S. & Misra, K. (2019). Phytoremediation: An Alternative Tool Towards Clean and Green Environment. 10.1007/978-981-13-2772-8_5.
Peco, J. D., Higueras, P., Campos, J. A., Esbrí, J. M., Moreno, M. M., Battaglia-Brunet, F., & Sandalio, L. M. (2021). Abandoned Mine Lands Reclamation by Plant Remediation Technologies. Sustainability, 13(12), 6555. https://doi.org/10.3390/su13126555
Yan, A., Wang, Y., Tan, S. N., Mohd Yusof, M. L., Ghosh, S., & Chen, Z. (2020). Phytoremediation: A promising approach for revegetation of heavy metal-polluted land. Frontiers in Plant Science, 11. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00359
