Fosil yakıtların yakılması, metalli maden cevherlerinde madencilik ve maden eritme döküm, kentsel atıklar, gübreler, pestisitler ve kanalizasyon, bu kirliliğin temel kaynaklarıdır (KabataPendias and Pendias, 1989).
Toprak, atık su akıntıları ve yer altı suyunun toksik metallerle kirliliği, çevre ve insan sağlığı açısından önemli problemlere neden olur ve bu durumda halen etkili ve karşılanabilir teknolojik çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Kirlenmiş bölgelerde; toksik metallerin simdiye kadar artan miktarına rağmen ağır metal kirliliğini gidermek için uygulanan metodlardan her ikisi de fazlasıyla pahalı olan yok etme ve gömme veya basit izolasyon yöntemleri kullanıldı.
Toksik metal-kirli yerlerin sürekli sayıca artmasına rağmen, ağır metal kirliliği ile ilgili en yaygın kullanılan yöntemler, yok etme ve gömme veya basitçe kirlenen yerlerin izolasyonu, hala her ikisi de aşırı şekilde maliyetli işlemdir.
Kirlenmiş yerlere ek olarak, insan aktivitesi sonucu kontaminasyon , ağır metallerin özellikle buyuk miktarlarını içeren doğal mineral birikimleri dünyanın bir çok bolgesinde mevcuttur.Bu alanlar çoğunlukla metal zenginleşmesi olan çevrelerde gelişen karakteristik bitki türlerini destekler.
Bu türlerin bazıları kirlilik konsantrasyonlarını aşmış çok yüksek konsantrasyonlarda toksik metalleri biriktirebilirler(Baker and Brooks,1989).
Bir çok yolla, canlı bitkiler, çevrelerinden birkaç elementi toplayabilen ve çekebilen toprağa sürülmüş pompalarla karşılaştırılabilir. Toprak ve sudan, tüm bitkilerin, büyümeleri ve gelişmeleri için gerekli olan ağır metalleri toplamak için yeteneğe sahiptir. Bu metaller, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo ve Ni (Langille ve MacLean, 1976) içerir. Belirli bitkilerin, biyolojik fonksiyonu bilinmeyen ağır metalleri toplamak için yeteneği de vardır. Bunlar Cd, Cr,Pb, Co, Ag, Se ve Hg (Hanna ve Grant, 1962; Baker ve Brooks, 1989) içerir. Bununla beraber, bu ağır metallerin aşırı toplanması, çoğu bitki için toksik olabilir. Hem ağır metallerin yükselen seviyelerine hem de onları çok yüksek konsantrasyonlarda toplama yeteneği, hem bağımsız bir şekilde hem de birkaç farklı bitki türünde evrim geçirdi (Ernst et al., 1992).
Bu yeniden gözden geçirmede, metal toplama ve bitkilerde detoksifikasyon mekanizmaları ve fitoremediasyon içndeki bu olayın potansiyel ticari uygulaması ile ilgili halihazırdaki bilgiyi özetliyoruz.
Bitkilerin ağır metallere tepkisi
Bitkiler, kirlenmiş ve metalliferios topraklarda büyümek için üç temel strateji geliştirdi. (Baker ve Walker, 1990).
1. Metali hariç tutucular:
Bu bitkiler metalin, tesirli olarak, topraktaki metal konsantrasyonlarının geniş bir aralığı üzerinde görülmez parçalarından (ufak köklerinden) girmesini engeller.
2. Metal göstergeleri (indikatörleri) :
Bu bitkiler, yer-üstü dokularında metalleri toplar ve bu bitkilerin dokularındaki metal seviyeleri genellikle topraktaki metal seviyelerini yansıtır.
3. Toplayıcılar:
Bu bitkiler türleri (hipertoplayıcılar), toprakta veya yakınında büyüyen toplanmayan dokularda, mevcut olanlardan aşırı fazla seviyelerde yer-üstü dokularında metalleri toplayabilir. Topraktaki metal konsantrasyonunu hesaba katmadan, kuru bir ağırlık temelinde yapraklarında Ni, Co, Cu, Cr veya Pb ‘un %0.1 ’i veya Zn ’nun %1’inden fazla içeren bir bitkiye bir hiper toplayıcı denilmesi önerilir (Baker and Walker, 1990). Toplayıcı bitkilerle ilgili bilgiye en çok dört alanda ihtiyaç duyulur: birincisi, toprağın metal konsantrasyonları, fiziksel ve kimyasal toprak özellikleri, bitkinin psikolojik durumu, ve saire’nin bir fonksiyonu olarak değişik dokuların metal-toplama yeteneği; ikincisi metal yükseltme, taşıma ve toplama tayini; üçüncüsü, toplama ve hiper toplamanın psikolojik, biyokimyasal ve moleküler mekanizmaları; ve dördüncüsü metal toplamanın biyolojik ve evrimsel anlamı.
Metal toplama mekanizmaları:
Bitkiler, birçok değişik tarzda dahili olarak (içten) metalleri dağıtır. Onlar, seçilen metalleri çoğunlukla köklerinde ve gövdelerinde lokalize edebilirler veya onlar, daha sonraki dağıtım ve kullanım için, toksik olmayan formda diğer metalleri toplayabilir ve biriktirebilirler. Bazı bitkilerde çekme (tolerans) veya toplamanın bir mekanizması, görünüşte potansiyel olarak geçerli, hücre içindeki duyarlı yerlerden uzak, köklerinin ve yapraklarının hücre duvarlarındaki toksik metalleri içerir veya onları hücre içinde bulunan bir boşluk bölmesinde biriktirir. Ağır metaller hakkında üstüne düşülen bir çevresel sorun, muhalif etkiler olmaksızın bitkilerin çekebildiği ve biriktirebildiği miktarlarla ilgilenir. Bu soruna uygun bir yanıt, kritik metal maruz kalmalarına göre bitki büyümesinin sınırlarını belirleyecektir. Daha uzaktaki bir sorun, metal miktarı yerine daha çok metal biçimini anlatır. Bitkilerdeki metalin biçimi, metali diğer organizmalara transfer etmede kesin bir role sahip olduğu görülür. Bir çeşit iç direnç veya toplama mekanizması yoluyla herhangi bir toksik belirtiler göstermeksizin, bilhassa yapraklarında, onların büyüme kısımlarında onları toplar ve metallerin büyük konsantrasyonlarının geçişini karşı taraftaki yerine yerleştiren (translocate) ve emen, köklerinde ihraç mekanizmasına sahip olmayan, bitki dokularına büyük bir merak vardır. Metalliferos topraklarda büyüyen bitkilerde, ağır metal direncinin ve çekme (tolerans) mekanizmalarının birçok tipi, özellikle Cu, Zn, Ni ve Cr için, önerildi (Turner, 1970; Turner ve Marshall, 1971; Antonovics et al., 1971). Fe, Mn ve Cu (Turner ve Marshall, 1971; Memon et al., 1979), Ni ve Co (Memon et al.,1980a), Cd ve Zn (Memon etal.,1980b), Pb (Brooks, 1983), ve Se (Banuelos ve Meek, 1990) toplayıcı bitkiler hakkında bilgi verildi.
Memon ve çalışma arkadaşları, Central Japan’in doğal ormanından 27 cins ve 39 türde 62 bitki ile çalışırken, yapraklarında Mn, Cu, Zn, Cd, Co ve Ni ‘in birkaç yüz-kat seviyelerinde yoğunlaşan, toplayıcı olmayan bitkilerle karşılaştırılan, muhtelif çoklutoplayıcı bitki türünü bildirdi (Memon et al.1979; Memon et al.1980a; Memon et al.1980b). Bu metallerin çok yüksek yığılmaları, Acanthopanax sciadophylloidesFranch. & Sav. (Mn: 4600 ppm), Ilex crenataThunb. (Mn:1155 ppm, Zn: 730 ppm) Clethra barbinervisSiebold. & Zucc. (Mn: 1374 ppm, Co:25 ppm) ve Sasa borealis Makino. & Siebata (Ni: 16 ppm) yapraklarında bulundu. Elementlerin konsantrasyon oranları ( A çevren (horizon) toprakta yapraklar/içerik içindeki içerik) aşağıdaki gibiydi:
A. sciadophylloides (Mn: 767), Ilex crenata (Mn: 191, Zn:177), Clethra barbinervis (Mn: 227, Co: 125) ve Sasa borealis (Ni: 30).
Bu değerler, düşük metal içeriği olan bitki türünden birçok kere daha yüksekti. Düşük metal içeren bitki türünden, Acanthopanax sciadophylloides içindeki Mn, 180 kereden daha yüksekti, I. crenata içindeki Zn, 90 kereden daha yüksekti, C. Barbinervis içindeki Co, 50 kereden daha yüksekti ve Sasa borealis içindeki Ni, 8 kereden daha yüksekti. Mn ‘nin karakteristik yığılma kalıpları Tablo 1 de gösteriliyor.
Alt-hücreler seviyesinde, metal dağılım modelini belirlemek için elektron X-ışını mikroanaliz araştırması, dokuda suni olarak meydana getirilen şeyleri minimize etmek içinsıvı nitrojen içinde dondurulan ve çözülen (kararsız kılınan) taze yapraklar ve yaprak sapı (petiol) numuneleri ile yapıldı. Şekil 1 ve 2, sırasıyla, A. Sciadophylloides’in petiollerinde ve çay bitkisi ( Thea sinensis L.) yapraklarında Mn ‘nin dağılımını gösteriyor. Mn’nin çoğu, üstderi (epidermis), collenchyma, mahfaza sarmal ( bundle sheath) hücreler, ve vakular bölmeler (Figs. 1 & 2) içindeki, metabolik olarak aktif olmaktan uzak, hücre duvarlarında toplandı. Örneğin, cytosol(hücreye ait) , mitokondri (mitochondria) ve kloroplast (chloroplast) (Memon, 1980; Memon, 1981). A. Sciadophylloides yapraklarıyla hücre kesri (fractionation) analizi, X-ışını mikroaraştırma analizi sonuçlarını onayladı ve Mn ’in çoğunun hücre duvarlarında ve supernatant’ta mevcut olduğunu gösterdi (Tablo 2) (Memon and Yatazawa, 1984). Sephadex G-10 ile Supernatant’ın Koloit kromatografi analizi bu kesirde Mn’nin çok büyük bir miktarının, yaklaşık olarak bir moleküler ağırlığı 145 olduğunu belirten, bu bölgede mevcut olduğunu gösterdi (Şekil 3). Yüksek performans sıvı kromatografi ve yüksek voltaj elektroforesis analizi olduğunu gösterdi.
Mn, vakular bölmede , okzalik asit ile kıskaca alındı (Memon and Yatazawa, 1984).
Mn’ nin aşağıdaki mekanizması, bu deneylerden önerildi:
Mn2+, plazma zarından alınır ve sitoplazma içindeki malate ile sarılır.
Ve bu Mnmalate kompleksi, vakule’nin tonoplast zarı içinden, Mn’ nin malate’den ayrıştırıldığı ve oksalate ile kompleks olduğu vakule’ye nakledilir.
Burada malate; sitoplazma ve vakule içindeki “dal veya sapın ucunda bulunan kabul edici “ olarak oksalat içinden bir “nakil aracı “ olarak (Memon and Yatazawa, 1984) görevini yapar. Diğer birkaç mekanizma, metalin tipine ve bitki türüne bağlı olarak, ağır metal tahammülüne (toleransına) yardım edebilir. Onlar arasında :
1) Proteinleri kıskaca alan metalin indüksiyonu – Fotojelatinler ve Metallothioneins
Hücre metabolizmasını değiştirmekle, fotojelatinlere (g-glutmylcysteinyl isopeptides) (Zenk, 1996; Clemens et al. 1999; Cobbet, 2000) ve / veya metallothioneins (Robinson et al. 1993; Robinson et al.1997; Rauser, 1999), bağlı proteinleri kıskaca alan metalin indüksiyonu aşırı metal iyonları hücre tahammül seviyesini arttırır.
Civa’nın Fitoremediasyonu:
Civa, ağır metallerin en tehlikeli olanları arasındadır ve onun kirliliği en ciddi çevre sorunlarından biri olarak gözönüne alınır (Rugh et al., 1998; Bizly et al., 1999; basında Bizly et al.,). Bileşik olmayan civa ve civa iyonları (Hg2+) , altın madeni, sanayi, yanan yakıtların fosili ve tıbbi artıklar sonucu olarak çevreye salıverilir. Bir “kere çevre içinde, civanın bu biçimleri, besin zincirinde biyoçoğalan bakterileri sülfat ile azaltarak, aşırı derecede toksit metilciva bilesiğine dönüştürülür. Bazı eukaryete’lerde organik civalı ilaçlar 1-2 büyüklük mertebesinde daha çok toksiktir ve iyonik civadan , besinsel seviyeler karşısında muhtemelen daha çok biyoabartı (biomagnify) olacaktır [Hg (II)] (Rugh et al., 1996). Organik civanın biyofiziksel davranışı, onun hidrofobisity ve etkili zar geçirgenliğine göre olduğu düşünülür.
Geleneksel yöntemler ile Civanin çaresi çok pahalıdır, ve böylece civa tarafından kirletilen birçok alan, şimdilik ıslah edilmemiş bırakılır. Genel olarak, bitkiler, metilcivayı zehirden mahrum (detoxify) edemez ve bitki dokularında toplanma(yığılma), yabanıl hayat için zehirli (toxic) olabilir. Civa için bitki tahammülü oldukça düşüktür ve bu yüzden fitoremediasyon, bitki tahammülü (toleransı) tarafından sınırlanabilir. Meager ve arkadaşları, metilcivayı, bitkilerde, buharlaşabilen bileşik olmayan civayı dönüştüren bakteriye ait jenleri tanıtmak için yeni bir yaklaşımı göz önüne serdi (Bizly et al., 1999; Bizly et al., in press). Bu patika, metilcivayı HG2+ ya çeviren ilk organikcivasal yok olması (lyase) (MerB jeni tarafından kodlanan) içindeki iki enzimin sırasal faaliyetini içerir. İkinci enzim, (MerA jeni tarafından kodlanan) elektron verici olarak NADPH yi, iki değerli civalı reductase, HG2+yı bileşik olmayan civaya indirger. İki bakteriye ait jeni ifade eden bitkiler, merB ve merA, çevresel toksin metilcivanın aşırı şekilde yüksek seviyelerine mukavemet eder. Onlar, yabani-tip bitkilerden 100-1000 kere daha çok Hg’ı buharlaştırır veya yalnız iki jen’den birini ifade etmeyi kontrol eder. MerB enzim seviyesi, oran sınırı olmak için görülür, fakat sadece buharlaşma oranının %40’ının nedenini açıklar. (Bizly et al., 1999; Rugh et al., 1996). Aynı MerA ve MerB jenleri, şimdi, diğer türlerde civa-buharlaşma bitkileri yaratmak için kullanılır. MerA ve MerB tütün ve sarı kavak transjeniği içinde iyileştirilmiş civa tahammülü daima gösterildi (Rugh et al.,1998; Bizly et al., basında).
Transjenik ıslak kara (wetland) bitkileri, bitkilere Mer jenleri dahil edilerek üretilebilir: Örneğin ipotu ( Spartina Schreber spp.), kedi-kuyruğu ( Typha L. spp.) ve saz otu ( Scirpus L. spp.), aynı zamanda su –tahammüllü kavak ağaçları ( Populus L. spp.) ve söğüt ( Salix L. spp.). Bu ümit verici transjenik ıslak bitkiler, civa kirliliğini temizlemek için oluşturulmuş ıslakkaralar (wetlands) içinde veya kirletilmiş suya ait ekosistemi içinde ekilebilir.
Şimdiki ve gelecekteki iş:
Ağır metaller kaldıran, taşıyan, toplayan ve direnç gösteren bitkilere karışmış bulunan biyokimyasal işlemlerin daha iyi bir anlaşılması, moleküler genetik yaklaşımlar kullanan fitoremediasyon içindeki sistematik ilerlemelerde yardım edecektir. Şimdilik,fitoremediasyon işleminde kullanımı için Türkiye’den bölgesel ağır metal toplayıcı bitkilerin tanıtım ve geliştirilmesi üzerinde çalışıyoruz.
Bu araştırmanın hedefleri aşağıdadır:
1) Ağır metal hiper-toplayıcı bitkileri anlamak;
2) ağır metal çekiminde ve toplanmasına karışmış bulununan jenleri belirlemek. Örneğin, melatonin ve fitojelatin (PC-synthase);
3) Hipertoplayıcılar içinden hiper toplayıcı bitkiler üretmeğe kadar bu jenleri bütün bütün ifade etmek
4) Çevre temizliği için bu bitkileri kullanmak.
Bir Cu toplayıcı, yeşil deniz yosunu Dunaliella viridis Teod, bulduk. Şu anda, süper toplayıcı deniz yosunlarını üretmek ve kirletilen suların ve toprakların temizlenmesi için bu organizmalar içindeki MT1 ve MT2 genlerinin aşırı ifadesi üzerinde çalışıyoruz.
Fitoremediasyonun yüksek potansiyelini geliştirmede diğer bir yaklaşım, yavaş büyüyen yabani bitkilerden hızlı büyüyen yüksek biyokütle bitki türlerine kadar, toplama ve direnç için sorumlu jenleri takdim etmektir. Bilinen “fitoremediasyon” jenlerinin yokluğunda, bu , gövdesel ve cinsiyete ait melezleştirme yolu ile, nesilleri geriye doğru çaprazlama ve geniş bir şekilde korunması ile başarılabilir. Bununla beraber, uzun-dönem çabaları, fitoremediasyon için değerli jenlerden ibaret bir “moleküler araç-kutusu” ‘nun geliştirilmeğe doğru yönlendirilmelidir. Bitki türleri ve metal toplama ve direnç gösterme için genotiplerinin sistematik korunması, optimizasyon ve transfer için genetik sağlanabilir malzemenin tayfını genişletecektir. Seçilen yüksek biyokütle bitki türünün mutagenesis’i aynı zamanda geliştirilmiş fitoremediate kaltivarları üretir.
Ekonomik fayda:
Geleneksel teknolojilerle tehlikeli artıkların temizlenmesi, farklı bir idari teşkilat ve özel kaynaklardan elde edilen tahminlere dayalı olarak, yanlız Amerika içinde en az 400 milyar dolara mal olacağı projelendirilmiştir. Ağır metallerin ve organiklerin karışımı bir ek olarak 35,4 milyar dolar fiyat etiketine dayanırken, yalnız ağır metallerle kirletilen Amerika mevkilerinin tam temizlenmesi 7,1 milyar dolara mal olabilir. Bugüne kadar belirlenilen ve karakterize edilen kirletilmiş yerlerin tam temizlenmesinin tutarı, yürürlükteki tedavi teknolojilerini kullanarak, 10 milyar doların üzerinde mal olacaktır.
Bu karşı konulamaz maliyet konusu, yenilik teknolojileri için piyasada bir açık (opening) yarattı. Her iki idari teşkilat ( hükümet ) ve sanayiden , fitoremediasyon içinde fazla miktarda ilgi olmaktadır. 1999 yılında dünya fitoremediasyon piyasası 34-35 milyondu, ve 2000-2005 yıılları arasında on katı büyümesi umuluyor. Toprak içinde ağır metal kirliliği, fitoremediasyon için uygun olan zehirli artık piyasasının bir bölümü, bir yılda 400 milyon dolar fırsatı meydana getirebilirdi. Radyonnükleit kirliliği, fitoremediasyon için diğer ana fırsatı temsil eder.
Fitoremediasyonun en büyük avantajı, onun düşük maliyetidir. Fitoremediasyon, kazı ve tekrar gömme gibi geleneksel çare bulmaktan 100 kat daha ucuz olabilir. Üstelik, o, basit bir şekilde kirliliği farklı bir yere taşımaktan ziyade, situ çare bulma içinde aynı halde veya vasıfta kalanı (daimi yer bulma çaresi) teklif eder.
Fitoremediasyon, açıkça yeni bir alandır, ve büyük potansiyele sahip biridir. Bir gün, o, kurulmuş çevreyi tam temizlemenin bir yöntemi olabilir. Fitoremediasyonun daha ileri gelişmesi, bitki biyolojisini, genetik mühendisliği, toprak kimyasını, ve toprak mikrobiyolojisini, aynı zamanda tarımı ve çevre mühendisliğini birleştiren, entegre edilmiş disiplinlerarası araştırma çabaları gerektirir.
Tekrar yenilenebilir bir ana kaynak, insanoğlu tarafından istismar edilirken, bitkiler daima bize yiyecek, enerji, yapı malzemeleri, doğal lifler, ve değişik kimyasal bileşikler verir. Bitkilerin, çevrenin tam temizlenmesinde kullanılması; içinde hepimizin yaşaması için, daha yeşil ve daha temiz bir dünya garanti edebilir.
* İngilizce Öğretmeni Y.Müh. Naim UYGUN tarafından İngilizce aslından çevrilmiştir.
Web sitesi: http://www.pekiyi.150m.com
E-posta: [email protected]
