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.