EAG 01 BİTKİLERDE İYON ANALİZİNDE KULLANILAN ÇÖZÜNÜRLEŞTİRME YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 Yedinci Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir EAG 1 BİTKİLERDE İYON ANALİZİNDE KULLANILAN ÇÖZÜNÜRLEŞTİRME YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI C.Yerlikaya 1, Ü.Ertürk 2, N. Sivritepe 2, E. Engin 1, H. Okutan 1 1 İTÜ Kimya-Metalurji Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Maslak, 34469, İstanbul-TÜRKİYE e-posta:yerlikayace@itu.edu.tr ; enginn@itu.edu.tr; okutan@itu.edu.tr 2 Uludağ Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Bahçe Bitkileri Bölümü, Görükle, 1659, Bursa-TÜRKİYE e-posta: umrane@uludag.edu.tr; sivritepe@uludag.edu.tr ÖZET Bitkilerde iyon analizi toprak, su ve çevre şartlarının bitkilerin iyon metabolizmasında oluşacak değişiklikleri ve bitkilerin bu şartlara dayanım ve hassasiyetlerinin belirlenmesi için sıkça kullanılmaktadır. Bu çevre şartları tuzluluk, kuraklık gibi doğa, iklim ve jeolojik konum kaynaklı olduğu gibi, endüstriyel alanlarda oluşan ağır metal kirlilikleri nedeniyle de oluşabilmektedir. Bu çalışmada farklı tip bahçe bitkilerine ait yapraklar asitte çözme, yakma ve otoklav yöntemleri kullanılarak çözünürleştirilmiş, elde edilen çözeltilerde Cu, Zn, Mn, Fe, Na, Mg, Ca, K, elementlerinin analizleri alevli atomik absorbsiyon cihazında gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Tuz stresi, Kurak stresi, Fitoremedasyon, Chester Thornless, Gisella 5 1. GİRİŞ Tarımda en önemli tuz problemi sulama yapılan kurak veya yarı kurak bölgelerde yer alan arazilerde ve seralarda meydana gelmektedir. Tuz stresinin zararlı etkileri tüm bitkilerde görülse de doğada familyalar, cinsler ve türler arasında tuza dayanım bakımından geniş bir varyasyon olduğu bilinmektedir[1]. Tuzun yanı sıra kireçli, sodalı ya da borlu ortamlar bitki gelişiminde etkili olabilmektedir. Tuz stresi bitkide sadece besin maddelerinin topraktan alımını kısıtlamakla kalmayıp, bitki bünyesinde biriken Na iyonları özellikle K ve Ca iyonlarının alımını engelleyerek bitkilerde besin noksanlıklarına ve iyon dengelerinin bozulmasına sebep olmaktadır. Sözü edilen tüm stres çeşitlerinde bitkinin etkilenmesi sürgün sayısı, yaprak sayısı ve ağırlıklarındaki azalma, su miktarı, klorofil, şeker, prolin ve mineral içeriği gibi analizler ile incelenmektedir. Bitkilerde Na, Ca, ve K un yanı sıra Cu, Zn, Mn, Fe, gibi diğer biyolojik gerekliliği olan elementler de analiz edilerek sözü edilen stres tiplerinde bitkinin bünyesindeki değişiklikler incelenmektedir[2]. Son yıllarda endüstriyel alanlara rastgele ya da düzenlenmiş atık sahalarına planlı biçimde atılan katı atıklarla kirlenmiş toprak ıslahı için endemik ya da genetik olarak geliştirilmiş bitkilerin kullanılması (Fitoremedasyon) giderek yaygınlaşmaktadır. Bu yöntem kirleticileri özütlemek, detoksifiye etmek ve çevrenin temizlenmesi için bitkilerin kullanımını kapsayan güçlü bir tekniktir[3]. Bitkilerin ağır metal stresine dayanımlarının belirlenmesi için bu tip çalışmalarda da iyon analizleri gerekmektedir.

2 Yedinci Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir Bitkilerin çözünürleştirilmesi için asit karışımları ile ısıtma, yakma ve sonrasında asitle çözünürleştirme, basınçlı ortamda (otoklav) ve mikrodalga ortamında asitle çözünürleştirme metotları kullanılmaktadır. Elementel analiz için ise atomik absorbsiyon ve ICP ve ICP MS spektroskopi en yaygın olarak kullanılan cihazlardır[4]. Bu çalışmada farklı tip bahçe bitkilerine ait yapraklar farklı yöntemlerle çözünürleştirilmiş, elde edilen çözeltilerde Cu, Zn, Mn, Fe, Na, Mg, Ca ve K elementlerinin analizleri atomik absorbsiyon cihazında yapılmış ve çözme yöntemleri karşılaştırılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Bitkiler Bitkiler 75 C de 5 saat süresince sabit tartıma getirilmiş, plastik havanda öğütülerek homojen hale getirilmiş, analize dek desikatörde saklanmıştır. Çalışılan böğürtlen Chester Thornless olup dikensizdir. Gisella 5 anacı, şeftali ise GF 677 anacıdır. Çalışmada kullanılan bitkilere ait ayrıntılı bilgiler Çizelge 1 de sunulmuştur. Şekil 1, 2, 3, 4, 5 te ise sırasıyla ceviz, şeftali, böğürtlen, ahududu ve kiraz bitkilerinin kurutma sonrasına ait fotoğrafları izlenebilir. Şeftali Çizelge 1. Çalışmada Kullanılan Bitki Türleri Juglans regia L.-Çok yıllık bir bitki olup, sert kabuklu meyveler grubunda yer almaktadır. Türkiye ceviz üretimi açısından önemli bir kapasiteye sahip olup, dünyada dördüncü sırada yer almaktadır. Son yıllarda kalp hastalık riskini azaltıcı etkileri nedeni ile yetiştiriciliği önem kazanmış hem de tüketimi artmıştır. Prunus persica x Prunus amgyladus- GF 677 Çok yıllık bir bitki olup, sert çekirdekli meyveler grubunda yer almaktadır. Meyveleri taze tüketildiği gibi gıda sanayinde de kullanılmaktadır. Türkiye şeftali üretimi açısından önemli bir kapasiteye sahip olup, dünyada yedinci sırada yer almaktadır. Böğürtlen Rubus caesius -Çok yıllık bir bitki olup, üzümsü meyveler grubunda yer almaktadır. Taze olarak tüketilen meyveleri, gıda sanayi açısından da önemlidir. Antioksidan etkilerinin kanıtlanmış olması bu meyveye olan ilgiyi arttırmıştır. Son yıllarda ülkemizde üretimi ve de tüketimi yaygınlaşmıştır. Rubus ideaus L- Çok yıllık bir bitki olup, üzümsü meyveler grubunda yer almaktadır. Taze tüketilen meyveleri, gıda sanayi açısından da önemlidir. Antioksidan etkilerinin kanıtlanmış olması bu meyveye olan ilgiyi arttırmıştır. Son yıllarda ülkemizde hem üretimi hem de tüketimi yaygınlaşmıştır. Prunus cerasus x Prunus canescens- Gisella 5 Çok yıllık bir bitki olup, melezleme sonucu ıslah edilmiş bir klon anaçtır. Üstelik bodur kiraz anaçları arasında en popüler olanıdır. Son on yılda hem ülkemizde hem de dünyada kullanımı hızla artmıştır. Şekil 1. Yaprağı Şekil 2. Şeftali Yaprağı Şekil 3. Böğürtlen Yaprağı

3 Yedinci Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir Şekil 4. Yaprağı Şekil 5. Yaprağı 2.2. Çözme Yöntemleri Çalışmalarımızda üç farklı çözünürleştirme yöntemi kullanılmıştır. Yakma yönteminde sabit tartıma getirilmiş bitkiden,3-,35 g tartılmış, 5 C de 4 saat süre ile yakılmıştır. Tümüyle beyaz olarak elde edilen kül 2 damla HNO 3 ile çözülmüş ve distile su ile 25 ml ye tamamlanmıştır. Yaş çözme yönteminde sabit tartıma getirilmiş numuneden,3-,35 g tartılarak platin krozeye konulmuş, hot plate üzerinde 6 ml HNO 3 ile çözülmüştür. Sarı renkteki süzüntü distile su ile 25 ml ye tamamlanmıştır. Otoklav çözme yönteminde de,3-,35 g sabit tartıma getirilmiş numuneye 1,5 ml HNO 3 ilave edilerek otoklava konulmuş ve 12 C de etüvde 4 saat tutulmuştur. Saydam renkteki çözelti distile su ile 25 ml ye tamamlanmıştır. 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Üç farklı çözünürleştirme yöntemiyle elde edilen çözeltilerin renkleri ve çözünmeden kalan madde miktarları farklı olmuştur. Yakmada renksiz bir çözelti elde edilirken, yaş çözme ve otoklav ile koyu sarı renkli çözeltiler elde edilmiştir. Yaş çözme yönteminde çözünmeyen madde kalmış, yakma ve otoklav yöntemlerinde ise tümüyle berrak çözeltiler elde edilmiştir. Çözünürleştirme işlemlerinde kullanılan,35 kuru bitki miktarı yeterli olmuş; incelenen elementler için alevli atomik absorbsiyon cihazının hassasiyet değerleri arasında çalışılmıştır. Yakma yönteminde daha fazla miktarda bitki kullanılabilir. Yaş yöntem ve otoklav yönteminde daha fazla bitki ile çalışılması kullanılan asit miktarını arttırmayı gerektirecek, asitteki safsızlıklardan kaynaklanan girişimler artacak ve daha fazla çözme süresine gerek olacaktır. Standart bitkiler ve literatürdeki bazı çalışmalara ait bitkilerin iyon konsantrasyonları Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge incelendiğinde Zn, Cu, Mn, Fe ve Na un düşük konsantrasyonda olduğu ((3,7-368) kuru bitki) izlenebilir. Buna rağmen ıspanak yaprağındaki 1818 mg Na /kg kuru bitki değeri diğerlerine göre çok yüksektir. Mg, Ca ve K konsantrasyonları ise (1-5) kuru bitki aralığında olabilmektedir. Çalışmamızda elde edilen iyon konsantrasyonları literatür değerleri ile uyumludur. Bitkide mikro elementler olarak adlandırılan Zn, Cu, Mn, Fe konsantrasyonları (7-25) kuru bitki aralığındadır. Şekil 6, 7, 8, 9 da sırasıyla farklı çözünürleştirme yöntemlerinde elde edilen Zn, Cu, Mn ve Fe konsantrasyonları grafiğe geçirilmiştir. Zn, Mn ve Fe elementleri tüm bitki türlerinde birbirine yakın bulunmuş olup, Cu konsantrasyonu cevizde diğer türlere göre daha yüksektir. Beş farklı bitki türünde Zn, Cu ve Mn konsantrasyonları her üç çözünürleştirme yönteminde birbirine yakındır. Otoklav yöntemi ile elde edilen yüksek Fe konsantrasyonu muhtemelen otoklav ortamından gelen kirlilikten kaynaklanmaktadır.

4 Yedinci Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir Çizelge 2. Standart bitki maddeleri ve literatürdeki bazı çalışmalarda yer alan bitkilerin iyon değerleri ( kuru bitki) Cu Zn Fe Mn Na Mg Ca K Elma yaprağı NIST 1515* [5] 12,5-54, 24, Şeftali yaprağı, NIST 1547 [5] 3,7 17,9-98, 24, Ispanak yaprağı, NIST 157a [5] 12,2 82, - 75, Domates yaprağı, NIST 1573a [5] 4,7 3, , Ananas yaprağı, NIST 1575 a [5] 2,8 38, 46, , Elma yaprağı, NIST 1515 [4] 5,51 11,3 71,4 53,1 29, Şeftali yaprağı, NIST 1547 [4] 3,75 17, , Elma yaprağı [2] 5, ,5 5, Pırasa yaprağı [6],77 1,83 4,5 1, * National Institute of Standard and Technology Zn 6 Yakma Yaş Çözme Otoklav Cu Yakma Yaş Çözme Otoklav Şekil 6. Zn Konsantrasyonu Şekil 7. Cu Konsantrasyonu Yakma işlemi bitkideki Si elementinin ve organik yapının uzaklaştırılmasını sağlayarak çözünürleştirme işlemini kolaylaştırmakta fakat yüksek sıcaklık Hg, As ve Se gibi elementlerin buharlaşmasına sebep olmaktadır. Yakma kullanılmadığında Cu, Zn ve Mn gibi bazı elementlerin bitki yapısından çözeltiye geçişi tamamlanmamakta, HF gibi Si yapısını buharlaştıran ve HClO 4 gibi organik yapıyı parçalayıcı asitler ya da karışımlarına gerek duyulmaktadır[7]. Farklı çözme yöntemlerinde Zn, Cu, Fe ve Mn konsantrasyonlarına ait grafikler incelendiğinde bu elementlerde yakma ile bir kayıp oluşmadığı üç işlemde de değerlerin birbirine yakın olduğu izlenmiştir. Buharlaşma kaybının olmadığı otoklav çözme yöntemi ile karşılaştırıldığında yaş çözme yönteminde Zn, Cu, Fe ve Mn elementlerinde bir kayıp olmadığı görülebilir. Yaş çözme yönteminde bitki tümüyle çözünmemesine rağmen asit

5 Yedinci Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir Mn 8 Yakma Yaş Çözme Otoklav Fe Yakma Yaş Çözme Otoklav Şekil 8. Mn Konsantrasyonu Şekil 9. Fe Konsantrasyonu tipi, miktarı ve kaynatma süresi yeterli olmuş, sözü edilen elementler bitki bünyesinden çözelti ortamına tümüyle alınabilmiştir. Şekil 1, 11, 12, 13 te sırasıyla farklı çözünürleştirme yöntemlerinde elde edilen Na, Mg, Ca ve K konsantrasyonları sunulmuştur. Tüm bitki türlerinde Na elementi literatür değerleri ile paralellik göstermiş, ıspanak yaprağında olduğu gibi yüksek bir konsantrasyon izlenmemiştir. Bu çalışmada üç farklı çözme yönteminde en farklı değerler Na elementinde izlenmiştir. Yakma ve otoklav yöntemleri ile elde edilen Na konsantrasyonları yaş çözmeden oldukça düşüktür. Literatürde Na için 5 C de yakma yöntemi önerilmekte fakat bu sıcaklıklarda bir buharlaşmadan söz edilmemektedir. Otoklavda bir kayıp olmayacağı düşünülmesine rağmen yaş yakmadan daha düşük konsantrasyonlar elde edilmesi şaşırtıcıdır. Muhtemelen otoklavda da kayıp oluşabilmektedir. Standart bitki maddeleri ile çalışıp çözme yöntemlerinin Na elementi için özellikle irdelenmesi gerekmektedir. Na Yakma Yaş Çözme Otoklav Mg Yakma Yaş Çözme Otoklav Şekil 1. Na Konsantrasyonu Şekil 11. Mg Konsantrasyonu

6 Yedinci Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir Ca 16 Yakma Yaş Çözme Otoklav K Yakma Yaş Çözme Otoklav Şekil 12. Ca Konsantrasyonu Şekil 13. K Konsantrasyonu için otoklav çözme yöntemindeki yüksek değer hariç tüm bitkilerde Mg, Ca ve K değerleri birbirine yakındır. Bu üç element için yakma işlemi ile kayıplar oluşmamış, HNO 3 ile bitki bünyesindeki elementler çözelti ortamına alınabilmiş ve otoklav sonuçlarına yakın değerler elde edilmiştir. Farklı asitler ya da karışımları denenerek çözme süreleri kısaltılabilir. Mikrodalga çözme metodu sonraki çalışmalarda denenecek ve böylece otoklav çözme yönteminden gelebilecek kirlilik girişimleri ya da Na elementi kayıpları önlenebilecektir. Mikrodalga çözme yöntemi özellikle NIST standartları kullanılarak yapılacak, çözme yöntemleri tekrar irdelenecektir. Mikrodalga çok yeni ve pahalı bir teknik olup her laboratuarın imkânlarında bulunmamaktadır. Bu nedenle geleneksel yakma ve yaş çözme yöntemlerinin her bir element için irdelenmesi gerekmektedir. Yakma ve yaş çözme yöntemleri Na hariç diğer elementlerde rahatlıkla kullanılabilir. Paslanmaz çelik otoklavlar teflon kaplı olsa da çözme işleminde Fe elementinde hatalı sonuçlar verebileceği ve pratik kullanımı olmadığı için tavsiye edilmemektedir. 3. KAYNAKLAR [1] Sivritepe N., Eriş A., Asmalarda Tuza Dayanım ve Tuza Dayanımda Etkili Bazı Faktörler Üzerine Araştırmalar, 4. Bağcılık Sempozyumu, Atatürk Bahçe Kültürleri Merkez Araştırma Enstitüsü, Yalova, 2-23 Ekim [2] Shibli R., Mohammad M., Abu Ein A., Shatnawi M., 2. Growth and Micronutrient Acquisition of Some Apple Varieties in Response to Gradual In Vitro Induced Salinity, Journal of Plant Nutrition, 23(9), [3] Memon R.A., Aktopraklıgil D., Özdemir A., Vertii A., 21. Heavy Metal Accumulation and Detoxification Mechanism in Plants, Turk J Bot. 25, [4] Wu S., Feng Xinbang., Wittmeier A., Microwave Digestion of Plant and Grain Reference Materials in Nitric Acid or a Mixture of Nitric Acid and Hydrogen Peroxide for the Determination of Multi-elements by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, Journal of Analytical Spectrometry, V 12, [5] NIST, (Erişim Tarihi: Ağustos 26). [6] Stalikas C.D., Mantalovas A.Ch., Pilidis G.A., Multi Element Concentrations in Vegetables Species Grown in Two Typical Agricultural Areas of Greece, The Science of the Total Environment, 26, [7] Hoenig M., Baeten H., Vanhentenrijk S., Vassileva E., Quevauviller Ph., Critical Discussion on the Need for an Efficient Mineralization Procedure for the Analysis of Plant Material by Atomic Spectrometric Methods, Analytica Chimica Acta, 358,