4.2. Biyoremediasyon Teknolojileri

Biyoremediasyon teknolojileri, in-situ (saha içi), ex-situ (saha dışı), biyoreaktör, doğal yavaşlatma ve bitkisel-remediasyon olmak üzere beş tekniğe ayrılabilir. Bu teknikler, ilk olarak şu iki şeyi yapmaktadır: ya kirleticileri alt tabakadan kaldırırlar (arındırma ya da tasfiye teknikleri) ya da maruz kalmayı azaltarak kirleticilerin yarattığı riskleri azaltırlar (stabilizasyon teknikleri). 

4.2.1. In-situ Biyoremediasyon Teknikleri

Bioventing (Biyo-havalandırma)

Biyo-havalandırma, yerel bakterileri harekete geçirmek için kuyular aracılığıyla kirlenmiş toprağa hava ve besin temin etmeyi içermektedir. Eğer kirlilik yüzeyin altında derinde ise, çevresel arındırma için bu teknik kullanılabilir.Biyo-havalandırma, düşük hava akım hızı sağlar ve kirleticilerin atmosfere salınımını ve buharlaşmasını en aza indirirken, sadece biyolojik parçalanma için gerekli olan oksijen miktarını sağlar.

Biyodegradasyon (Biyo-ayrışma/parçalanma)

Biyodegradasyon, organik kirleticileri parçalamak için kirlenmiş alanda ortaya çıkan çok sayıda organizmayı harekete geçirmek amacıyla kirlenmiş toprakların içinde sulu çözeltileri dolaştırarak oksijen ve besin teminini içermektedir. Genel olarak bu teknik, kirlenmiş topraklar ve yeraltı suları için kullanılabilir.

Biosparging (biyo-serpme)

Bu yöntem, doymuş alandaki organik maddeleri ayrıştırmak için yerel mikroorganizmaları kullanan in-situ remediasyon teknolojilerinden birisidir. Doğal olarak oluşan mikroorganizmaların biyolojik faaliyetlerini arttırmak için, hava ve besinler doymuş bölgeye enjekte edilir. Biyolojik serpme, petrol bileşenlerinin kirlettiği yeraltı suyunu ve toprağı temizlemek için kullanılır. Küçük çaplı hava enjeksiyon noktalarının kurulum kolaylığı ve düşük maliyeti, sistemin tasarımında ve yapımında önemli esneklik sağlamaktadır.

Bio-augmentasyon (biyo-büyüme)

Bu yöntem, kirlenmiş sahalarda doğal olarak oluşan ya da bu sahalara dışarıdan getirilen mikroorganizmaların eklenmesini içermektedir. Bu yöntem, özellikle inorganik bileşenleri olan kirlenmiş toprak için faydalıdır.

Biostimulasyon (biyo-canlandırma)

Biostimulasyion, havalandırma, besin maddelerinin eklenmesi, pH ve sıcaklık kontrolü gibi durumları optimize ederek kirletici maddelerin ayrışmasını arttırabilen doğal bir remediasyon türüdür. Bu yöntem, petrol kirleticilerinin topraktan çıkarılması için uygun bir remediasyon tekniği olarak kabul edilebilir ve hem yerli mikrofloraların içsel parçalanma kapasitelerinin hem de in-situ süreçlerinin kinetiğinde yeralan çevresel parametrelerin değerlendirilmesini gerektirmektedir.

Tablo 4.1. In-situ tekniklerinin avantajları ve dezavantajları

4.2.2. Ex-situ Biyoremediasyon Teknikleri

Ex-situ teknolojileri, etkilenen toprağın (kazı) ve suyun (pompalama) orijinal yerlerinden alınıp in-situ (sahada) ve ex-situ (saha dışında) temizlendiği remediasyon seçeneğidir. En önemli ex-situ biyoremediasyon arındırma süreçleri, arazi tarım, biopiles (biyo-yığın) ve kompostlamayı (çürütme) içermektedir. Bu tekniklerin avantajları ve dezavantajları Tablo 4.2’de verilmiştir.

Tarımsal Uygulamalar

Bu teknik uygulamaları, petrolle kirletilmiş toprak için en kolay ve en etkili yöntemdir. Temel amacı, doğal yollarla biyolojik olarak parçalanabilen organizmaları harekete geçirmek ve kirleticilerin aerobik (havalı) ayrışmasını kolaylaştırmaktır. Tarımsal uygulamalar, temizleme sorumluluklarının yanı sıra izleme ve bakım maliyetlerini düşürme potansiyeli olduğu için alternatif bir bertaraf tekniği olarak çok ilgi görmüştür. Ancak, bu uygulama toprağın 10- 35 cm yüzeyinin temizlenmesi ile sınırlıdır.

Kompostlama (Çürütme)

Kompostlama yöntemi, termofilik koşullar altındaki (40- 65° C) mikroorganizmalar tarafından organik atıkların ayrıştırılması sürecidir. Bu metot, petrol hidrokarbonları, çözücüler, klorofenoller, pestisitler, herbisitler, PAHs ve nitro aromatik patlayıcılarla kirlenmiş olan topraklara ve biyokatılara uygulanmaktadır.

Biopiles (Biyo-yığın)

Biopiles, arazi tarımının ve kompostlamanın hibrit bir sistem olarak kullanıldığı bir biyoremediasyon teknolojisidir. Yıkama ve buharlaşma yoluyla kirleticilerin fiziksel kayıplarını kontrol altında tutmaya çalışan arazi tarımının rafine bir versiyonu olan bu teknik, petrol hidrokarbonları ile oluşan yüzey kirlenmelerinin bertarafı için kullanılmaktadır. Biopiles, petrolle kirlenmiş topraklar için uygulanabilir, uygun maliyetli ve daha az yıkıcı bir remediasyon tekniği olarak görülmektedir.

Tablo 4.2. Ex-situ tekniklerinin avantajları ve dezavantajları 

4.2.3. Biyoreaktörler 

Farmasötikler gibi maddelerin biyoteknolojik üretimlerinde kullanılan büyüyen organizmalar (bakteri ya da maya) için büyük bir fermantasyon odasıdır. Ayrıca zararlı atıkların daha az zararlı maddelere dönüştürülmesi için kullanılır. Bu teknik, yakıt hidrokarbonları ve organikleriyle kirlenmiş olan toprağı ve suyu remediasyon için kullanılır. Biyoreaktörün kuru ve sulu olmak üzere iki fazı vardır. Sulu fazlı biyoremediasyon, kuru fazlı ile karşılaştırıldığında nispeten daha hızlı bir süreçtir. Sulu fazlı biyoreaktörde, kirlenmiş toprak büyük bir odada su ve diğer katkı maddeleriyle birleştirilir. Sulu fazın aksine, kuru fazlı biyoreaktör, ekstra su içermez. Bu tekniğin avantajları ve dezavantajları Tablo 4.3’te verilmiştir.

Tablo 4.3. Biyoreaktör tekniğinin avantajları ve dezavantajları

4.2.4. Doğal Azalım 

Doğal azalım, topraktaki, yeraltı ve yüzey suyundaki kirleticilerin (organik ve inorganik) kütlesini, toksisitesini, hareketliliğini, hacmini ve yoğunluğunu azaltmaya yönelik bir süreçtir. Bu süreçler, fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak gruplandırılmaktadır. Fiziksel olgular; adveksiyon, dağılım, seyreltme, difüzyon, buharlaşma ve emilim/dışarı salmadır. Kimyasal süreçler; iyon değişimi, karmaşıklaştırma ve abiyotik (cansız) dönüşümdür. Biyolojik süreçler ise aerobik ve anaerobik biyodegrasyon, bitki ve hayvan naklidir. Doğal azalım, uygun maliyetli bir remediasyon teknolojisidir. Bu tekniğin avantajları ve dezavantajları Tablo 4.4’te verilmiştir.

Doğal azalımı, arındırma işlemi olarak kullanmak için, alanların aşağıdaki kriterlerden birini ya da birkaçını karşılaması gerekmektedir:

• İnsan sağlığına ve çevreye çok az risk teşkil eden bir alanda bulunmalıdır.
• Kirlenmiş toprak ya da yeraltı suyu, potansiyel alıcılara yeterli bir mesafede yer almalıdır.
• Doğal azalımın gerçekten de alanda oluştuğuna dair kanıt olmalıdır.
• Yüksek geçirgenlik, kirleticilerin yayılmasını hızlandırır, düşük geçirgenlik ise bozulmayı yavaşlatır. İdeal olarak, doğal azalım en iyi, geçirgenlik oranı yüksek ve düşük arasında bir yerde olan topraklarda işe yaramaktadır.

Tablo 4.4. Doğal azalım tekniğinin avantajları ve dezavantajları 

4.2.5. Fitoremediasyon 

Fitoremidasyon, topraktaki, tortulardaki, çökeltilerdeki, atık sulardaki, yeraltı sularındaki ve havadaki kirleticileri çıkarmak, taşımak, stabilize etmek ve yok etmek için çeşitli bitki türlerini ve ilişkili mikroorganizmaları kullanan bir biyoremediasyon tekniğidir. Bitkiler, toksik organik ya da inorganik maddelerin varlığını gösterebilir, engelleyebilir, biriktirebilir yada yüksek miktarda biriktirebilirler. Bu nedenle de kimyasalların kaderine önemli ölçüde katkıda bulunurlar ve biyosferden istenmeyen bileşenleri kaldırmak için kullanılabilirler. Fitoremediasyon, toksik kirleticilerin çevreden temizlenmesi için çevre dostu, uygun maliyetli ve karbon nötür bir yaklaşım sunmaktadır. Bu tekniğin avantajları ve dezavantajları Tablo 4.5’te verilmiştir.

Fitoremediasyon mekanizmaları, fito-ekstraksiyon, fito-stabilizasyon, fito-buharlaşma, fito-degredasyon, fito-akümülasyon,  rizo-filtreleme, rizosfer biyodegredasyon ve hidrolik kontrolü kapsamaktadır. Bu mekanizmalar Şekil 4.1’de gösterilmektedir.

Fito-ekstraksiyon

Fito-ekstraksiyon, kirleticilerin toprak, çökelti ve sudan arındırılması için bitkileri ya da yosunları kullanır. Bu mekanizmada, bitkiler, kendi kök sistemleri ile topraktan ağır metalleri ya da radyonüklitleri çıkarır ve bunları köklerinde biriktirir ya da gövdesine ya da yapraklarına taşır. Bitkiler, hasat edilene kadar kirleticileri çıkarmaya devam eder. Hasattan sonra, kirlenmiş toprak önemli derecede arınma seviyesine ulaşmıyorsa, önemli derecede bir arınma elde etmek için büyüme/hasat döngüsünün birkaç ürün boyunca tekrar edilmesi gerekmektedir.

Fito-ekstraksiyon başlıca avantajı, çevre dostu olmasıdır. Toprak kalitesinde herhangi bir zarara yol açmamaktadır. Fito-ekstraksiyonun diğer bir faydası da diğer arındırma işlemlerinden daha ucuz olmasıdır. Bu süreç bitkiler tarafından kontrol edildiği için, herhangi bir geleneksel toprak temizleme işleminden daha uzun sürmektedir.

Fito-stabilizasyon

Bu mekanizmada, bitkiler toprak ve sudaki kirlenmiş kimyasal bileşenleri hareketsiz hale getirir. Kirleticiler, köklerle alınır ve rizosferde çökeltilir. Bu, kirleticinin besin zincirine girmesini engeller.

Fito-buharlaşma

Bu mekanizmada, organik kirleticiler içeren su, bitkiler tarafından alınır ve kirletici maddeler bitkilerin yaprakları ile havaya salınırlar. Su, bitkinin iletim sistemi boyunca kökünden yapraklarına kadar ilerlediği esnada suda bunan kirleticiler değişikliğe uğratılabilir, ve sonra bitkiyi saran havaya buharlaşır  ya da uçucu hale gelebilir.

Fito-degredasyon

Bu mekanizmada, kirleticiler (organik) bitkilerin dokularında metabolize edilir ve yok edilir. Bu küçük kirletici moleküller daha sonra büyüdükçe bitki tarafından metabolitler olarak kullanılabilir, böylece de bitki dokularına dahil olurlar.

Fito-akümülasyon

Bu mekanizmada, kirletici maddeler, diğer besinler ve suyla birlikte bitki kökleri tarafından alınır. Bu kirletici kütle, bitki sürgünlerinde ve yapraklarında yok edilmez, aksine biriktirilir.

Rizo-filtreleme

Bu mekanizma, kirlenmiş sudan (yüzey ya da yeraltı) metali absorbe etmek, yoğunlaştırmak ve çökeltmek için hem karada hem de suda yaşayan bitkileri kullanır.

Rizosfer biyodegrasyonu (Rizodegradasyon)

Bu mekanizmada, bitkiler, topraktaki mikroorganizmalara besin temin eden kökleri aracılığıyla yaygın maddeleri boşaltır. Böylece mikroorganizmalar biyolojik ayrışmayı arttırır. Örneğin, bitki kökleri, toprak mikroflorası için karbonhidrat kaynaklarını (şeker, alkoller, ve organik asitler) dışarı sızdırır. Bu bileşikler mikrobiyal büyümeyi ve faaliyeti arttırır ve ayrıca mikroplar için kemotaktik sinyal işlevini görürler.

Hidrolik kontrol

Bu mekanizmada, kirlenmiş yeraltı suyu ağaçlar tarafından iyileştirilir. 

Şekil 4.1. Fitoremidasyon mekanizmaları

Tablo 4.5. Fitoremediasyon tekniğinin avantajları ve dezavantajları