Tarımda yeni teknolojiler konusundaki CD' lerimizi görmek isterseniz burayı tıklayınız

AĞIR METALLERLE KİRLENMİŞ TOPRAKLARIN TEMİZLENMESİNDE FİTOREMEDİASYON TEKNİĞİ


Ömer VANLI* Mustafa YAZGAN**

* İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Maslak, vanli@itu.edu.tr
** İTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak, yazgan@itu.edu.tr

 

ÖZET

Kirlenmiş toprakların fiziksel ve kimyasal metotlarla temizlenmesi ekonomik ve teknolojik olarak yüksek yatırımlar gerektirmesi nedeniyle bunların yerine uygulanabilecek olan agronomik teknikler, hem ekolojik hem de ucuz bir alternatif olarak görülmektedir. Bu çalışmada fitoremediasyon amacıyla kullanılan teknikler karşılaştırılarak, bunların giderim mekanizmaları, avantaj ve dezavantajları, uygulanabilecek toprakların metal kirlilik durumları ve hangi bitki çeşitlerinde uygulanabileceği ile ilgili özellikleri, iklim durumları ve sistemin maliyeti hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca fitoremediasyon sonucunda hasat edilen bitkilerin değerlendirilme şekilleri irdelenmiştir.

Anahtar Kelimeler; Ağır metal, Fitoremediasyon, Toprak kirliliği


ABSTRACT

Phytoremediation techniques are accepted as more economic and ecologic solution in the control of soil pollution than physical and chemical technologies which needs higher cost of investment and application. In this study, efficiency and the application of Phytoremediation processes are investigated. Advantages and disadvantages, remediation mechanisms and application spectrum of the process and the ultimate removal options of the pollutants are also evaluated.

Keywords: Heavy Metal, Phytoremediation, Soil Pollution



1.GİRİŞ

Çevre ve doğal kaynakların kirlenmeye karşı korunması, çevre kirliliğinin önlenmesi açısından son derece önemli olmakla birlikte kirlenmiş alanların temizlenmesi de mevcut çevre kirliliklerinin çözümünde büyük önem arzetmektedir. Toprak kirliliği açısından bakıldığında, ağır metallerin en önemli kirletici kaynaklar arasında olduğu görülmektedir. Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı (EPA)’nın hazırladığı 129 tane öncelikli çevre kirleticiler arasında yer alan ağır metaller, en önemli çevre kirletici gruplardan birini oluşturmaktadır.

Topraklara karışan ve buralarda birikme yapan ağır metaller, mikrobiyal aktiviteye, toprak verimliliğine, biyolojik çeşitlilik ve ürünlerdeki verim kayıplarına, hatta besin zinciri yoluyla sıcakkanlılarda zehirlenmelere kadar birçok çevre ve insan sağlığı problemlerin ortaya çıkmasına neden olabilmektedir. Ağır metaller, biotaya yüksek düzeyde dayanıklılık ve zehirlilik etkisi göstermesi nedeniyle çevredeki en tehlikeli maddelerden biri olarak kabul edilmektedir.

Ağır metaller, atmosferik taşınım, biyolojik arıtım çamurlarının boşaltımı, hayvan dışkıları ile evsel atıklarının uzaklaştırılması gibi prosesler sonucunda toprağa karışmaktadır. Toprakların ağır metallerle kirlenmesi, endüstriyel ve tarımsal faaliyetler sonucu olabildiği gibi, ağır metal içeren kayaçların çeşitli nedenlerle çözünerek su ve toprak ortamına taşınması ile de ortaya çıkabilmektedir. Atom ağırlıkları 63 ile 200 arasında olan kurşun, kadmiyum, cıva, arsenik, krom gibi ağır metallerin çevreye yayılmaları başlıca aşağıdaki şekillerde olmaktadır:

• Egzoz gazı kaynaklı yayılımlar (Kurşun),
• Madencilik kaynaklı yayılımlar (Krom, Bor),
• Endüstriyel kaynaklı yayılımlar;
   o Pil üretimi, Kullanımı (Cıva, Kadmiyum)
   o Demir Çelik sanayi ve atıkları (Krom)
   o Petrol rafinerisi (Kurşun)
   o Boyalar (Kurşun, Kadmiyum)
   o Elektronik sanayi ve ölçü aletleri (Cıva)
• Tıbbi kaynaklı yayılımlar (Cıva)
• Doğal kaynaklı yayılımlar (Kurşun, Cıva, Krom, Kadmiyum, Bor)
• Termik santrallerde kaynaklı yayılımlar (Kurşun, Civa, Krom, Kadmiyum)
• Tarımsal kaynaklı yayılımlar (Kadmiyum) (1)

Toprakların ağır metallerle kirlenmesinin önlenmesi amacıyla günümüzde birçok kontrol yaklaşımı kullanılmaktadır. Bu yaklaşımlardan en yaygın olarak kullanılanları;

1. Kirleticiye müdahalede bulunmayarak, kirlenmiş alanın kullanımını yasaklamak,
2. Kirleticiyi bölge içerisinde immobilize etmek ve bölgeyi kontrol altına almak,
3. Kirlenmiş toprağı nihai bertaraf sahasına taşıyarak depolamak,
4. Toprağı yerinde(in-situ) veya bölge dışında(ex-situ) arıtmak şeklindedir.
 

Kirlenmiş toprakların arıtımı amacıyla kullanılan ve fiziksel, kimyasal, termal ve biyolojik prosesleri içeren birçok metot bulunmaktadır. Bu metotlar;

• İzolasyon ve immobilizasyon teknolojileri,
• Mekanik ayırma teknolojileri,
• Pirometalurjik teknolojiler,
• Elektrokinetik teknolojiler,
• Biyokimyasal teknolojiler,
• Toprağı su / sıvı ile yerinde(in-situ) temizleme teknolojileri,
• Toprak yıkama (kimyasal sızma) teknolojileri ile,
• Fitoremediasyon teknolojileri olarak sıralanabilmektedir.
Bu çalışmada, bitkiler vasıtasıyla kirlenmiş toprakların arıtımı konusu (Fitoremediasyon) ele alınacaktır.

2. FİTOREMEDİASYON

Toprak kirliliğinin kontrolünde kullanılan fiziksel ve kimyasal arıtma yöntemleri, uygulama kolaylığı ve uygulama süresinin kısalığı gibi bazı avantajlara sahip olmasına rağmen, gerek arıtma masrafının yüksek olması, gerekse arıtma sonucunda ortaya çıkan diğer kirletici formlarının nihai gideriminin zorlukları nedeniyle çevresel açıdan fazla tercih edilmemektedir. Kimyasal arıtmaya alternatif olarak kullanılan ve kısaca bitkiler kullanılarak topraktan yerinde(in-situ) organik ve metal kirleticilerin giderimi olarak tarif edilen fitoremediasyon yöntemi, yeni ortaya konmuş, ekonomik ve ekolojik olması ile özel donanım gerektirmemesi ve uygulanan bölgenin yeniden kullanılabilmesine imkan vermesi gibi avantajlara sahip olması nedeniyle günümüzde tercih edilen bir yöntem haline gelmektedir.
 

a) Fitoremediasyonla ağır metal giderimi

Bitkiler tarafından topraklardan alınma potansiyeline sahip kirleticiler, 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 kapsamaktadır. Ancak bitkilerce bir kirleticinin topraktan alınabilmesi için, öncelikle toprak şartlarının bitkinin isteklerine uygun olması gerekmektedir. Toprak pH’sı bu konuda en önemli parametrelerden biri olarak öne çıkmaktadır. Diğer taraftan topraktan ağır metal alma performansı yüksek olan bitkilerin, genel olarak özel coğrafik alanlarda yetiştikleri ve buna bağlı olarak özel gelişme şartları gerektirdikleri belirlenmiştir. Ancak çok yaygın alanlarda gelişebilen ve fitoremediasyon amacıyla başarılı bir şekilde kullanılan bitkilere de rastlanılmaktadır (2).

Bitkiler tarafından alınan bir kısım metaller, bitki bünyesindeki enzimler aracılığıyla bozunmakta ve kimyasal formlarını değişikliğe uğramaktadır (Şekil 1). Çoğu metaller ise herhangi bir bozunmaya uğramadan bitkinin yaprak ve saplarında birikerek, bitkinin hasadıyla ortamdan uzaklaşmaktadırlar (Şekil 2). (1,3)

Şekil 1: Kirletici maddenin fitodegradasyonu
 

Şekil 2: Kurşun metalinin ekstraksiyonu ve metallerin hücrelerdeki hareketi

Bazı bitkilerin topraktan ağır metal alımına karşı yüksek oranda etkili olduğu ve bu tür bitkilerin ağır metal zehirliliğine karşı toleranslı olduğu belirlenmiştir (4). Hipertoplayıcı olarak da isimlendirilen bu bitkilerin arasında Brassicaceae, Euphorbiaceae, Asteraceae, Lamiaceae ve Scrophulariaceae bitki familyaları sayılabilir (5).
Topraktaki ağır metallerin bitki kökleri tarafından alınabilecek forma gelmesi, fitoremediasyon verimini etkileyen faktörlerin başında gelmektedir. Bu amaçla kullanılan kompleks yapıcı şelatların bitkilerde metallerin alınabilirliğini arttırdığı (6) tespit edilmiştir.

Fitoremediasyonun önemli avantajlarından birisi proses maliyetinin son derece ekonomik olmasıdır. Bu konuda yapılan bir çalışmada, 0,4 da genişliğinde, kurşunla kirlenmiş bir alanının temizlenmesi için 30 yıllık tahmini masraflar aşağıdaki gibi hesaplanmıştır.

• Alanı kazıyarak uzaklaştırma için 12,000,000 dolar,
• Toprak yıkama yöntemi için 6,300,000 dolar,
• Toprak üstünün kapatılması için 600,000 dolar,
• Fitoextraksiyon için ise 200,000 dolar (7).
 

Fitoremediasyonla bitkilerin alabildiği maksimum ağır metal konsantrasyonları, aşağıda mg metal / kg bitki kuru ağırlığı cinsinden aşağıda verilmektedir.
• 1,250 mg/kg As (8).
• 9.4 mg/kg Cd (8).
• 110 mg/kg Pb (9).
• 1,165 mg/kg Zn (9).
Yapılan araştırmalarda Thlaspi c. bitkisinin topraktaki farklı pH ortamında ve farklı konsantrasyonlardaki Cd metaline karşı (Şekil 3) en olumlu tepkiyi yüksek pH’larda verildiği görülmektedir.

Şekil 3 : Thlaspi c. bitkisinde toprağa eklenen kadmiyum metali ile toprağın pH değeri arasındaki ilişki.

b) Fitoremediasyon teknolojilerinin karşılaştırılması (2)

Fitoremediasyon kirleticilerin bitkiler kullanılarak giderilmesi teknolojisine genel olarak verilen bir isimdir. Bu isim altında birçok farklı teknoloji yer almaktadır. Bu teknolojileri fitoekstraksiyon, fitostabilizasyon, fitodegradasyon, fitovolatilizasyon, rizodegredasyon, rizofiltrasyon, hidrolik kontrol, vejetatif örtü sistemleri ve riparian buffer strips olarak sınıflandırmak mümkündür. Bu teknolojilerin her biri farklı ortamlarda farklı amaçlar için kullanılabilmektedir. Tablo 1’de, çeşitli ortamlar için kullanılan fitoremediasyon teknolojileri ve bu amaçla kullanılabilen uygun bitki türleri yer almaktadır.

Tablo1: Farklı ortamlar ve kirleticiler için kullanılan fitoremediasyon tekniklerini

c) Fitoremediasyon amacıyla kullanılan bitkilerin uzaklaştırılması

Bitki kullanılarak topraklardan alınan ağır metal alma işleminde amaç, toprak tarafından tutulmuş halde bulunan ağır metallerin daha kontrol edilebilir ve taşınabilir forma dönüştürülmesidir. Bu nedenle fitoremediasyon yöntemi, nihai bir uzaklaştırma veya giderme yöntemi olarak düşünülmemektedir. Nihai uzaklaştırma veya giderim, fitoremediasyon sonucunda ortaya çıkan bitkilerin yakılarak veya uygun bir depolama alanında depolanarak gerçekleştirilebilmektedir. Bitkide biriken selenyum gibi bazı metallerin hayvan beslenmesinde yararlı olması nedeniyle bu tür bitkilerin, hayvan yemi olarak değerlendirilmesi de mümkündür. Tablo 2’de farklı fitoremediasyon tekniklerinde artık bitkisel malzemenin nihai giderim yolları verilmektedir.
 

Tablo 2: Farklı fitoremediasyon tekniklerinde artık bitkisel malzemenin nihai giderim yolları
 

3. SONUÇLAR

Toprak kirliliği açısından en önemli çevre kirletici gruplardan birini oluşturan metallerin kontrolünde kullanılan fiziksel ve kimyasal arıtma yöntemlerinin, yüksek maliyetleri ve arıtma sonucunda ortaya çıkan kirleticilerin nihai gideriminin zorlukları nedeniyle çevresel açıdan fazla tercih edilmemektedir. Bu amaçla kullanılan ve bitkiler kullanılarak ağır metal ve diğer bir kısım kirleticilerin giderimi olarak tanımlanan fitoremediasyon yöntemi ise gerek ekonomik olması gerekse ekolojik olarak kullanımının tercih edilmesi nedeniyle yaygın olarak kullanılan bir yöntem haline gelmektedir.
Fitoremediasyon kapsamı altında kullanılan bir çok farklı teknoloji ve bitki türünün bulunması, bu teknolojinin kullanım imkanını arttırmaktadır. Ancak fitoremediasyon yönteminin, nihai bir uzaklaştırma veya giderme yöntemi olarak değerlendirilmemesi gerekmemektedir. Nihai giderim, fitoremediasyon sonucunda ortaya çıkan bitkilerin yakılarak, uygun özelliklere sahip ise yem bitkisi olarak kullanılarak veya uygun bir depolama alanında depolanarak gerçekleştirilmektedir.


4. KAYNAKLAR

1. Kirleticiler-1, Ağır Metaller, 2006. Çevre için hekimler derneği, (www.cevrehekim.org)
2. Introduction to Phytoremediation, 2000. EPA/600/R-99/107
3. http://www.edumedia-sciences.com/a420_l2-phytoremediation.html, 2006.
4. Cunningham, S.D., Ow, D.W., 1996. Promises and prospects of phytoremediation. Plant Physiology 110, 715-719.
5. Baker, A.J.M. 1995. Metal hyperaccumulation by plants: our present knowledge of the ecophysiological phenomenon. Will plants have a role in bioremediation. 14th Annualsymposium on current topics in plant biochemistry, physiology and molecular biology, Columbia, MO, pp. 7-8.
6. Martens, S.N., and R.S. Boyd. 1994. The ecological significance of nickel hyperaccumulation: A plant chemical defense. Oecologia 98:379–384.
7. Cunningham SD, Ow DW. 1996. Promises and prospects of phytoremediation. Plant Physiol 110: 715-719
8. Pierzynski, G. M., J. L. Schnoor, M. K. Banks, J. C. Tracy, L. A. Licht, and L. E. Erickson. 1994. Vegetative Remediation at Superfund Sites. Mining and Its Environ. Impact (Royal Soc. Chem. Issues in Environ. Sci. Technol. 1). pp. 49-69.
9. Pierzynski, G. M., and A. P. Schwab. 1992. Reducing Heavy Metal Availability to Soybeans Grown on a Metal Contaminated Soil. pp. 543-553. In L. E. Erickson, S. C. Grant, and J. P. McDonald (eds.), Proceedings of the Conference on Hazardous Waste Research, June 1-2, 1992, Boulder, CO. Engineering Extension, Kansas State University, Manhattan, KS.