1.1. Ağır Metallerle Kirletilmiş Ekosistemlerin Biyoremediasyonu

Bütün metaller, gerekli olup olmamalarına rağmen, yüksek konsantrasyonlarda toksik etkiler sergileyebilir. Bir kirletici, yaşayan bir organizmaya girmenin yolunu bulduğu zaman, zararlı bir etki gösterebilir. Kirleticinin etkisi bu nedenle faaliyet gösterdiği alandaki yoğunlaşmasının bir fonksiyonudur. Metal toksitesi, asidik bir ortamda, besin eksikliği olan bir ekosistemde ve kötü fiziksel koşullarda daha şiddetli olmaktadır.

Arazilerin doldurulması ve sıvıların katılardan ayrıştırılması, kazı ve gömme ya da toprağın yıkanması gibi geleneksel remediasyon önlemleri yoluyla iyileştirmeye teşebbüs edilebilir. Tarım kimyasallarının uygunsuz kullanımının yanı sıra evsel ve endüstriyel atıkların bertarafı için katı atık depolama alanının kapsamlı kullanımı, yeraltı sularında kirliliğine yol açan büyük miktarda sızıntı su oluşturmuştur ve sızıntı ile ortaya çıkan yeraltı suyunun kirlenme potansiyeli, atık depolama alanları için yeni mühendislik tasarımlarının icadını gerekli kılmıştır. Ağır metallerle kirlenmiş olan ekosistemlerin remediasyonu; iyon değişimi, çökelme, ters ozmoz, buharlaştırma ve kimyasal azaltma gibi fizikokimyasal işlemler kullanılarak gerçekleştirilebilir. Ancak, membran kirlenmesi, yüksek maliyetler, yüksek enerji ihtiyacı ve taşımada düşük verimlilik gibi problemler nedeniyle bu işlemler endüstrilerde az ilgi görmektedir. Genel olarak, teknik uygulanabilirlik, maliyet etkililik ve tesislerin sadeliği, ağır metalleri (Cu, Ar, Pb ve Zn gibi) ve siyanürü kirlenmiş ekosistemden çıkarmak için en uygun arıtma yöntemini seçmede kilit faktörlerdir. Ancak, fotokatalik azaltma, yüzey aktif-esaslı membranlar, akışkan membranlar ve yüzey karmaşıklaşması gibi en son teknolojiler, ağır metallerin kirletilmiş ekosistemlerden taşınması için daha verimlidir. 

1.1.1. Mikrop-Tabanlı Temizleme Sistemi (Mikrobiyal Biyoremediasyon)

Mikroorganizmalar ağır metallere aktif bir şekilde (biyo-birikim) ve/ya da pasif bir şekilde (adsorpsiyon) tutunur. Asıl olarak polisakaritler, yağlar ve proteinlerden oluşan mikrobiyal hücre duvarları, ağır metal iyonlarını bağlayabilen birçok fonksiyon grubu sunmaktadır ve bu gruplar da karboksilat, hidroksi, amino ve fosfat gruplarını içermektedir. Atıktaki biyolojik oksijen ihtiyacını ya da kimyasal oksijen ihtiyacını arttıran bir eylem olan ağır metallerin aktif alımları için mikropların besin ilavesini gerektirmesi nedeniyle büyük ölçekli uygulamalar için çeşitli mikrop aracılı yöntemler arasında, biyobirikim işlemine kıyasla bisorpsiyon işlemi daha uygun görünmektedir. Ayrıca, ağır metal toksisitesi ve diğer çevresel faktörler nedeniyle sağlıklı bir mikroorganizma nüfusu sürdürmek çok zordur. Penisilyum, Aspergilus ve Rizopus mantar türleri, ağır metallerin sulu çözeltilerden uzaklaştırılması için muhtemel mikrobik maddelerdir. Bitkilere faydalı olmalarıyla bilinen endofitik bakteriler ayrıca yüksek seviyelerde ağır metal biriktiren ana bitkilerin yeteneğini arttırmaktadır.

Mikroorganizmalar, ağır metallerle kirletilmiş çevrelerde yaygın olarak bulunur ve ağır metalleri kolaylıkla toksik olmayan formlara dönüştürebilirler. Biyoremediasyon süreçlerinde, mikroorganizmalar, organik kirleticileri, CO₂ ve H₂O gibi nihai ürünlere ya da hücre büyümesi için birincil alt tabakalar olarak kullanılan metabolik ara maddelere mineralize etmektedir. Bisorpsiyon, metal mikrop etkileşimleri, biyobirikim, biyomineralizasyon, biyotransformasyon ve biyoözütleme dâhil olmak üzere biyoremediasyonun farklı mekanizmaları bilinmektedir. Mikroorganizmalar, metalleri çözme ve geçiş metallerini azaltma ya da oksitleme yeteneğine sahiptir. Mikropların çevreyi restore ettiği farklı metotlar; ağır metalleri oksitleme, bağlama, hareketsizleştirme, uçucu hale getirme ve dönüştürmedir. Biyoremediasyon, özellikle tasarımcı mikrop yaklaşımı ile ve kirlenmiş alanlarda mikroorganizmaların büyümesini ve aktivitelerini kontrol eden mekanizmayı, mikroorganizmaların metabolik kapasitelerini ve çevresel değişimlere tepkilerini anlayarak başarılı hale getirilebilir.

Adsorpsiyon ile mikrobik biyoremediasyon

Ağır metaller, enerji dâhil edilmeden hücresel yapıda mevcut olan bağlama alanlarındaki mikroplar tarafından emilebilir. Bakteriyel hücre duvarları ile ilişkili çeşitli reaktif bileşikler arasında, hücre-dışı polimerik maddeler (ortamlarına salgılanan yüksek molekül ağırlıklı bileşikler) özel bir önem taşır ve asit bazlı özellikler ve metal adsorpsiyonu üzerinde önemli etkilere sahip oldukları bilinmektedir. Salgılanan hücre-dışı polimerik maddeler, proton değişimi ve metallerin mikro çökeltilmesi dâhil olmak üzere çeşitli mekanizmalar aracılığıyla ağır metalleri karmaşıklaştırma konusunda büyük bir yeteneğe sahiptir.

Fizyo-biyo-kimyasal mekanizma yoluyla mikrobik biyoremediasyon

Biyosorpsiyon, bir biyosorbentin iki bileşen arasında denge sağlanana kadar sorbata (metal iyonlar) doğru yüksek çekimini kapsayan bir süreçtir. Saccharomyces cerevisiae, iyon değişim mekanizması aracılığıyla Zn (I) ve Cd (II)’nin çıkarılması için biyosorbent işlevi görmektedir. Cunninghamella elegans, tekstil atık suyuyla açığa çıkan ağır metallere karşı umut vaat eden bir sorbenttir. Mantarlar, ağır metallere erişmek ve onları daha az toksik bileşiklere dönüştürmek için potansiyel biyokatalistlerdir. Klebsiella oxytoca, Allescheriella sp., Stachybotrys sp., Phlebia sp., Pleurotus pulmonarius, Botryosphaeria rhodina gibi bazı mantarların metal bağlama potansiyeli bulunmaktadır. Pb (II) ile kirletilmiş topraklar, bisorpsiyon işlemi ile A. parasitica ve Cephalosporium aphidicola gibi mantar türleri ile iyileştirilebilir. Hg’ye karşı dayanıklı mantarlar (Hymenoscyphus ericae, Neocosmospora vasinfecta ve Verticillum terrestre) bir Hg (II) durumunu toksik olmayan bir duruma biyolojik olarak dönüştürebilmiştir. Kirleticilerin çoğu, hidrofobiktir ve bunlar bazı biyolojik olarak yüzey aktif maddelerin salgılanması ve doğrudan hücre kirletici çağrışımı ile mikroplar tarafından alınırlar. Biyolojik yüzey aktif maddeler, düşük ara yüzey gerilimi nedeniyle toprak matrisinden su fazına geri çıkarılmadan önce metallerle daha güçlü iyonik bağ kurarlar ve kompleksler oluştururlar. 

Biyoremediasyon, ayrıca aerobik ya da anaerobik mikrobik faaliyetleri içerebilir. Aerobik ayrışma genellikle monooksijenazlar, dioksijenazlar, hidrooksilazlar, oksidatif dehalojenazları tarafından ya da linyinaz ve peroksidazlar gibi enzimler tarafından üretilen kimyasal olarak reaktif oksijen atomları ile oksijen atomlarının reaksiyonlara girişini içermektedir. Kirleticilerin anaerobik ayrışmaları ise anaoksik elektron alıcıları aracılığıyla oksidatif katabolizma tarafından takip edilen başlangıç aktivasyon reaksiyonlarını içermektedir. Hareketsizleştirme tekniği, toksik metallerin fiziksel ya da kimyasal durumlarını değiştirerek ağır metallerin kirlenmiş alanlardan hareketini azaltmak için kullanılmaktadır. Katılaşma temizlemesi, kirlenmiş alanda kimyasal maddelerin karıştırılmasını ya da hidroksitlerin çökeltilmesini içermektedir. Kirlenmiş alanlarda, mikroplar, toksik metallerin özütlenmesi, şelasyonu, metilasyonu ve redoks dönüşümü ile ağır metalleri hareket ettirmektedir. Ağır metalleri tamamen yok etmek mümkün değildir, ancak işlem, ağır metalleri suda çözünür, çökeltilmiş ve daha az toksik duruma getirerek oksidasyon durumlarını ya da organik komplekslerini dönüştürmektedir. Kirlenmiş ortamların biyoremediasyonunda, mikroplar, terminal elektron alıcıları olarak ağır metalleri ve eser elementleri kullanmaktadır ya da detoksifikasyon mekanizması ile bunları azaltmaktadır. Mikroorganizmalar, metal redoks reaksiyonlarından enerji elde etmek için ve enzimatik ve enzimatik olmayan süreçlerle toksik metallerle başa çıkmak için kullandıkları mekanizmalar aracılığıyla ağır metalleri uzaklaştırmaktadır. Bakterilerde direnç gelişimi için iki temel mekanizma, detoksifikasyon (toksik metal durumun dönüşümü ve kullanılamaz hale gelmesi) ve hücrelerden aktif toksik metal akışının pompalamasıdır. Temel redoks (oksidasyon ve redüksiyon) reaksiyonu, toprakta toksik metaller ve mikroorganizmalar arasında yer almaktadır, mikroorganizmalar, ağır metaller için oksitleme maddesi olarak hareket etmektedir ve ağır metallerin, alternatif elektron alıcıları (nitrat, sülfat ve demir oksitler) tarafından kabul edilen elektronları kaybetmesine neden olmaktadır.

Aerobik koşullar altında, oksijen elektron alıcısı olarak davranır, anaerobik koşullar altında ise mikroplar, elektron alıcılarını azaltarak organik kirleticileri oksitler. Mikroorganizmalar, elektron alıcıları olarak organik bileşiği Fe(III) ve Mn(IV) ile oksitleyerek büyüme için enerji alır. Organik kirliliğin anaerobik degradasyonu, mikrobiyal azaltma için yüksek Fe(III) varlığı ile uyarılır. Solunumda klorlanmış solventler olarak kirleticilerin elektron alıcıları işlevini gördüğü indirgeyici klorsuzlaştırma yoluyla kirleticilerden gelen klorların biyodegradasyonu gerçekleşir. Mikroorganizmalar, metallerin durumunu azaltır ve Geobakter (toprak ve su tortularında anaerobik koşullarda bulunan anaerobik solunum bakteri türleri) gibi çözünürlüğünü değiştirir ve Uranyum çözünür durumu (U6+) çözünmez duruma (U4+) indirger. Farklı savunma sistemleri (dışarıda tutma, bölümleşme, kompleks oluşumu ve bağlayıcı protein ve peptid sentezi) toksik metallerin yarattığı basıncı azaltır. Bu metal bağlayıcı protein transkripsiyon faktörlerinin, toksik metale maruz kalma bağlamında (Cd, Zn, Hg, Cu, Au, Ag, Co, Ni ve Bi) hormon ve redoks sinyal işleminde aracılık ettiği bilinmektedir.

1.1.2. Ağır Metallerin Fitoremediasyonu

Fitoremediasyon, güneş enerjisiyle harekete geçen çevre dostu bir in-situ remediasyon teknolojisidir. Bitkiler ve ilişkili mikroorganizmalar, ağır metallerin toprak, çökelti, tortu, atık su ve yeraltı sularından kısmen çıkarılması için kullanılabilir ya da seçilmiş olan kirleticileri bu ortamlarda tamamen iyileştirebilir. Ağır metallerin fitoremediasyonunda, ilk adım fito-özütlemedir, yani ağır metal kirleticilerin toprak ya da sudan bitki kökleri yoluyla alınması ve taşınmaları ve biyokütlede biriktirilmeleridir. Metallerin bitki filizlerine taşınması önemli bir biyokimyasal süreçtir ve etkili bir fito-özütleme için arzu edilmektedir. Fitoremediasyonun diğer önemli bir işlemi de rizo-filtreleme, blasto-filtreleme ya da caulo-filtrelemeyi içeren fito-filtrelemedir. Bu işlemde, metaller absorbe edilir ve böylece de topraktaki ve yeraltı suyundaki hareketleri minimize edilir. Yukarıdaki işleme ek olarak, fito-stabilizasyon ya da fito-hareketsizleştirme, çevredeki metallerin hareketliliğini ve biyo-yararlanımını azaltmaktadır. Bitkiler, kökler aracılığıyla sorpsiyon, çökeltiler, kompleks oluşumu ya da rizosferdeki metal değerlerindeki azalma ile topraktaki ağır metallerin hareketsizleştirmesini gerçekleştirir. Kirlenmiş topraktan emilen Hg ve Se gibi ağır metallerin bazıları, uçucu formlara dönüştürülür ve ardından fito-buharlaştırma işlemiyle atmosfere salınır. Bu işlem, metalleri tamamen yok etmemektedir, ancak daha sonra onları bir ortamdan (toprak ya da su) diğerine (atmosfer) taşımaktadır ki bu şekilde de metaller tekrar toprağa ya da suya dönebileceklerdir.

Fitoremediasyon yoluyla, özellikle de kirleticileri ayrıştırmak ve zehirden arındırmak için hiperakümülatör yoluyla, ağır metallerin uzaklaştırılması, etkililiği ve uygun maliyeti nedeniyle geniş ilgi çekmektedir. Hiperakümülasyon için kullanılan kriterler, metale göre değişmektedir. Hiperakümülatör bitkileri, diğer bitkilere göre daha yüksek düzeyde ağır metal toleransı ve biriktirme yeteneği sergilemektedir. Ağır metal hiperakümülatörleri bulmadaki zorluk, büyümeyi yavaşlatır ve daha düşük biyokütle verimi, hiperakümülatör kullanımını kısıtlar. Bu da süreci zaman alıcı hale getirir ve bu nedenle de hızlı kirlenen alanlar ya da kanalizasyon arındırmaları için uygun değildir. Farklı mekanizmalar aracılığıyla bitkilerin büyümesinde ve/ya da metal toleransında önemli rol oynayan bitki büyümesini teşvik eden kök bakteriler ve Arbuscular mycorrhizal mantarı gibi rizosferik mikroorganizmalar, rizosferden çok fonksiyonlu uygun mikrobik kombinasyonları seçmek için fitoremidasyon tasarımı için faydalıdır. Rizosferin remediasyon rolünün, fitoremediasyonun ana parçası olması ve kirleticilerin yok edilmesinin bitki ve organizmaların birleşik aktiviteleri ile başarılması mümkündür. Rizosferden metallerin artan yok edilişinin asıl nedeni, muhtemelen mikroorganizmaların sayısındaki ve metabolik aktivitelerindeki artıştır. Rizosferik degredasyon sürecinde, bitki büyümesini teşvik eden bakterilerin ve bitkilerin büyümesi üzerine olumlu etkileri olan serbest yaşayan toprak mikroorganizmalarının kullanılması ile bitkiler üzerine metal toksisitesi azaltılabilir. Bu süreçte, bitkiler karbonhidrat, amino asit, flavonoidler vb. içeren eksüdaların salgılanması ile 10- 100 kat daha fazla mikrobiyal aktiviteyi harekete geçirebilir. Karşılığında ise, rizosfer bakterileri, bitkilerin hayatta kalmasına yardımcı olan geniş köklerin oluşumunu kolaylaştırır.