Bitkilerde ağır metal toplanması

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: dersogren@gmail.com

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.