1.2. Organik Kirleticilerle Kirlenmiş Olan Ekosistemlerin Biyoremediasyonu

Ham petrol ve rafine edilmiş petrol ürünleri, ekosistemleri kirleten organik kirleticilerin başlıca kaynaklarıdır. Petrol, asıl olarak üç hidrokarbon fraksiyonundan (parafin, naften ve aromatik) oluşmaktadır. Her bir petrol fraksiyonu, tanımlanmış bir oluşumdan ziyade genellikle yüzlerce farklı hidrokarbon molekülünden oluşmaktadır. Bu nedenle, fraksiyonlar; uçuculuk, biyo-yararlanım, toksisite, parçalanabilirlik ve kalıcılık yönünden birbirine benzememektedir. Petrolün işlenmesi ve teslimi sırasında dökülmelerin engellenmesi zordur. Bu karmaşık bileşen dizisi, etkili biyoremediasyon stratejileri tasarlamak için büyük bir güçlüktür.

Petrol hidrokarbonları, çevreye ulaştığı zaman, birkaç nedenin sonucu hasar meydana gelebilir. Başlıca biyolojik etki, petrol tabakasının su, besinler, O₂ ve ışığa ulaşım üzerine olan engelleyici etkisi nedeniyledir. Hidrokarbonların sitotoksik ve mutajenik etkisi, uzun süreli kirlilik sonuçlarına yol açmaktadır. Biyolojik olarak daha fazla kullanılabilen toksik bileşikler sadece artan zararlı etkiler göstermekle kalmaz, aynı zamanda biyodegradasyon için daha yüksek erişilebilirliğe de sahiptir. Buna karşılık, fazlasıyla yüzeyde toplanan fraksiyonlar daha az toksik ama ilgilenmesi daha zordur. Bu genel kural, kirlenmiş toprakların ya da çökeltilerin temizliği için biyolojik strateji tasarlamayla ilgilidir, çünkü petrol hidrokarbonları, bu matrisleri sıkı bir şekilde yüzeyde biriktirme eğilimi göstermektedir.

İyileştirme için uygun strateji seçimi, kirlenmiş matrisin fizyokimyasal özelliklerine, dökülmenin derecesine ve süresine (yaşına) bağlıdır. Biyoremediasyonun amacı, biyodegradasyon hızını yavaşlatan sınırlayıcı faktörlerin üstesinden gelmektir. Organik bileşiklerin biyoremediasyonu, in-situ ya da ex-situ arındırmaları ile yapılabilir. In-situ uygulamaları sırasında, organik kirlilik, kirliliğin olduğu alanda halledilir. Ex-situ teknolojileri, kirlenmiş toprağın, organik kirleticilerin çıkarılması için uygun bir arındırma sisteminin planlanabileceği bir yere taşınmasını içermektedir. Petrol hidrokarbonları için, dört senaryo ortaya çıkabilir:

1. Hidrokarbon girişi nedeniyle karbon kaynağının fazlası, diğer besinlerin sınırlanmasıyla sonuçlanmaktadır. Nitrojen ve fosfor eklenmesi, dengeyi yeniden sağlayabilir ve biyodegredasyon hızını arttırabilir.
2. Yetersiz oksijen varlığı, biyodegredasyon hızını azaltır. Aerobik hidrokarbon parçalanması sırasında hava enjeksiyonu ya da basit bir karıştırma, oksijen sınırlamasının üstesinden gelebilir.
3. Hidrokarbonların düşük biyo-yararlanımları. Çevre dostu yüzey aktif maddelerin eklenmesi (mikroorganizmalar ya da bitkiler tarafından üretilen toksik olmayan ve biyolojik olarak parçalanabilen maddeler gibi) çözünürlüğü ve böylece de hidrokarbonların biyo-yararlanımlarını arttırabilir.
4. Yerel mikrobiyal topluluklardan gelen verimsiz katabolik mekanizmalar. Saf kültür ya da mikrobiyal birlik hidrokarbon-parçalama mikroorganizmalarının eklenmesi, parçalanma hızını arttırabilir.  

1.2.1. Organik Kirleticilerin Mikrop-tabanlı Biyoremediasyonu

Hidrokarbonla kirletilmiş topraklar için başlıca in-situ arındırma stratejileri; biyo-canlandırma, biyo-büyüme ve biyo-havalandırmadır. Biyo-canlandırma işlemi, çevresel faktörlerin ve besinlerin yönetimi ile alanda bulunan yerel mikroorganizmaların metabolizmalarının geliştirilmesini içermektedir. Yerel mikrobiyal toplulukların, istenen katabolik yetenekleri eksik olduğu zaman, biyo-büyümeyi başarmak için yerel ya da dışsal hidrokarbon-parçalayıcı mikroorganizmaların eklenmesi gerekmektedir. Organik bileşiklerin aerobik metabolizmasını arttırmak amacıyla, biyo-havalandırma ile havayı iletmek için (pasif olarak ya da havalandırma yoluyla) bir dizi oluklu boru kullanılmaktadır.

Petrolle kirlenmiş toprak arındırması için en yaygın ex-situ biyoremediasyon teknolojileri, biyo-yığın, kompostlama ve tarımsal uygulamalardır. Burada amaç, düşük maliyetli besinleri ve oksijeni ekleyerek hidrokarbon degredasyonunu hızlandırmaktır. Tarım arazilerinde, toprak yüzeyindeki organik atıkların kontrollü yayılması, yerel mikroorganizmaların, organik kirleticileri aerobik olarak degrade etmesini sağlamaktır. Bu, petrol hidrokarbonla kirlenmiş toprağın remediasyonu için en yaygın kullanılan teknolojilerden birisidir. Tarım arındırması, petrol hidrokarbonlarının biyodegradasyonunu ve buharlaşmasını teşvik etmek için besin uygulayarak ve periyodik dolgularla toprağı havalandırarak kirlenmiş toprağının düz tabakasını (kalınlığı 1 metreye kadar) temizlemeyi içermektedir. Arındırma stratejileri, arazilere göre değişmektedir ve iklim, yer, toprak tipi ve sıcaklık dâhil olmak üzere alana özgü özelliklere göre hazırlanabilir. Eş yüzeylerin havalandırılmasını, mikrobiyal metabolizmayı ya da bakteriyel aşıları harekete geçirmek için besin değişiklikleri, pH tamponları ve hacim verici maddeler uygulanmalıdır.

Biyo-yığınlar ve küme kompostlama, hacim arttırıcı madde olarak kirlenmiş bir toprağın organik materyallerle karıştırılmasını içermektedir. Bu karışım, toprak yapısını, havalandırmayı ve nem korumayı geliştirerek mikrobiyal aktiviteyi desteklemektedir. Her iki strateji arasındaki temel fark, havalandırma metodudur. Biyo-yığında havayı bir boru şebekesi iletirken, kompostlar, toprağı/hacim arttırıcı madde karışımını periyodik olarak modifiye edilmiş bir küme döndürücüsü ile çevirerek havalandırılır. Biyo-yığınlar ve kümeler, geniş bir kirletici yelpazesinin iyileştirilmesi için başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. 

1.2.2 Organik Kirleticilerin Fitoremediasyonu

Fitoremediasyon; terleme, fotosentez, metabolizma ve mineral beslenme gibi yüksek bitkilerde ve ilgili mikroorganizmalarda meydana gelen temel fizyolojik mekanizmalara dayanmaktadır. Bitkiler, kirleticileri kökleriyle aldıkları için güneşle çalışan pompalama ve filtreleme sistemi işlevi görmektedir ve kirleticilerin metabolize edilebildiği, ayrışabildiği ya da buharlaşabildiği çeşitli bitki dokularıyla bu kirleticileri taşımaktadır/yerlerini değiştirmektedir. Fitoremediasyon, metabolik ürünlerin salınımı ve mikrobiyal degradasyon yollarıyla ya da eş metabolizmalar aracılığıyla sonradan petrol hidrokarbonlarının biyodegradasyonunu kolaylaştıran artmış havalandırma yoluyla mikrobiyal aktiviteyi teşvik eden bitki köklerine dayanmaktadır.

Fitoremediasyonun etkililiği, kirlenen alandaki petrol hidrokarbonlarının yoğunluğuna, kirliliğin derinliğine, iklimsel koşullara ve toprak nem özelliklerine ki bu özelliklerin hepsi bitkilerin büyüme potansiyelini etkilemektedir, bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Bitkiler köklerini, toprağa, çözeltilere ve suya gömmektedir ve kökler rizosferdeki mikroorganizmalarla etkileşime girdiği zaman, organik ve inorganik maddeleri alabilir; dış yüzeylerindeki maddeleri stabilize edebilir ve bağlayabilir. Alınan maddeler; taşınabilir, depolanabilir, dönüştürülebilir ve bitkilerin farklı hücrelerinde ve dokularında biriktirilebilir. Son olarak, bitkinin toprak üstü kısımları, moleküllerin alımını ya da salımını sağlayan atmosferle gaz alışverişinde bulunabilir. 

1.2.3. Biyoremediasyonda En Son Stratejiler

Kirlenmiş bir çevreyi temizlemek için (hava, toprak ve su) genetiği değiştirilmiş bazı organizmaların (mikroorganizmalar ve bitkiler) (GDO) kullanımı biyoremediasyon için yeni bir stratejidir. Bu biyoteknolojik teknikten ilk olarak 1900’lerin başında bahsedilmiştir. Bilim adamları, hidrokarbon ve pestisitler gibi bazı kimyasalları metabolize etmede organizma yeteneğini arttırmak için şu anda genetik mühendisliği yaklaşımını kullanmaktadır. Laboratuvar koşullarında tehlikeli atıkların ayrışmasını geliştirmek için bu biyoteknolojik teknik üzerine yoğun çalışmalar vardır. Genetik olarak değiştirilmiş organizmalar, daha yüksek ayrışma kapasitesine sahiptir ve belirli koşullar altında çeşitli kirleticilerin ayrışmasında başarılı oldukları gösterilmiştir. Genetik modifikasyonlar teknolojisi, ileri biyoremediasyon yöntemleri için mikroorganizmalar ve bitkilerde kullanılmaktadır.

Biyoremediasyon için Genetiği Değiştirilmiş Mikroorganizmalar

Mikrobiyal biyoremediasyon süreçlerinin kontrolü ve optimizasyonu birçok faktörü olan karmaşık bir sistemdir. Bu faktörler; kirleticileri parçalama yeteneği olan mikrobiyal bir nüfusun varlığını, kirleticilerin mikrobiyal nüfusa olan faydalarını ve çevresel faktörleri içermektedir. Bazı araştırmacılar, biyoremediasyon için genetiği değiştirilmiş mikroorganizmaların (GDO) kullanılmasının, o yere özgü mikroorganizmaların kullanılmasından daha etkili olduğunu iddia etmektedir.

Biyoremediasyon için Genetiği Değiştirilmiş Bitkiler

Doğada 450’den fazla bitki türü (otlar, ayçiçeği, mısır, kenevir, keten, yonca, tütün, söğüt, Hint hardalı, kavak, su sümbülü vb.) vücutlarında metalleri (Zn, Ni, Mn, Cu, Co ve Cd), yarımetaller (As) ve ametalleri (Se) biriktirebilmektedir. Ayrıca, biyoteknoloji tekniklerini fitoremediasyonla birleştirmek, remediasyon yönteminden daha etkilidir. Genetiği değiştirilmiş bitkiler (GDB) yaklaşımı, son yirmi yıldır başarılı bir şekilde kullanılmaktadır.