KURŞUN (II) ve BAKIR (II) İYONLARININ P.putida İLE BİYOSORPSİYONUNDA DENGE, TERMODİNAMİK VE KİNETİK PARAMETRELER Mehtap TANYOL a, Gülşad USLU a,* a Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Elazığ, 231 * Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Elazığ, 231, e-posta:guslu@firat.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının inaktive edilmiş Pseudomonas putida ya adsorpsiyonu kesikli karıştırmalı bir kapta incelendi. Başlangıç ph sı ve sıcaklığın adsorpsiyon hızına etkileri araştırılarak, en uygun ortam koşulları kurşun (II) için, ph 5,5 ve sıcaklık 25 o C ve bakır (II) için ph 5,5 ve sıcaklık 3 o C olarak belirlendi. Farklı başlangıç ph ve sıcaklık değerlerinde Freundlich ve Langmuir adsorpsiyon izotermleri geliştirilerek adsorpsiyon izoterm sabitleri tayin edildi. Adsorpsiyon prosesinin entalpi değişimi (ΔH o ), serbest enerji değişimi (ΔG o ) ve entropi değişimini (ΔS o ) hesaplandı. Sonuçlar P.putida ile yapılan kurşun (II) adsorpsiyonunun ekzotermik, bakır (II) iyonlarının adsorpsiyonunun ise endotermik olduğunu göstermiştir. Ayrıca deneysel verilere pseudo birinci mertebe ve pseudo ikinci mertebe kinetik modelleri uygulanmış ve her iki metal iyonu içinde pseudo ikinci mertebe kinetik modeli ile biyosorbsiyon davranışı iyi tanımlanmıştır. Anahtar kelimeler: Biyosorpsiyon, kurşun (II) ve bakır (II) iyonu, izoterm, P.putida, termodinamik, kinetik. GİRİŞ Ağır metal iyonları teknolojik önemlerine bağlı olarak çeşitli endüstrilerde kullanılırlar. Bu endüstrilerden gelen atıksular kalıcı toksik etkiye sebep olan metal iyonlarını içerirler [1]. Kurşun kirliliği; pil fabrikaları, tekstil, maden atıkları, otomobil sanayi, metal kaplama gibi değişik kaynaklardan oluşabilir. Müsaade edilen limitin üzerinde kurşunun salıverilmesi anemi, nefridik sendrom ve sindirim yolunda veya sinir sisteminde tahribata sebep olur. [2]. Benzer şekilde metal kaplama, maden çıkarma, boya, döküm, maden eritme gibi çeşitli endüstrilerden deşarj edilen bakır doğal ekosisteme verilmektedir. Düşük bakır konsantrasyonlarının biyolojik arıtım performansını arttırdığı rapor edilmiştir. Bununla birlikte bakır konsantrasyonları,2 mg/l yi aştığı zaman ekolojik etkileri görülebilir [3]. Biyosorpsiyon, canlı ve ölü biyokütle veya onların türevleri kullanılarak metalleri, boyaları ve kokuya sebep olan maddeleri içine alan organik ve inorganik türleri ayırmak için kullanılan bir yöntem olarak adlandırılır. Bu biyokütle; bakteri, mantar, alg, biyolojik atıksu arıtma tesisi çamuru, fermantasyon endüstrilerinin yan ürünleri, deniz yosunu veya pirinç çeltiği, pirinç kepeği, buğday kepeği gibi tarımsal atıklar olabilir. Biyosorpsiyon, özellikle hücre yüzeyinde yer alan, metabolizmadan bağımsız bazı prosesleri (fiziksel-kimyasal adsorpsiyon, elektrostatik etkileşim, iyon değiştirme, kompleksleştirme, indirgenme, şelatlaşma ve mikro çökelme) belirtmek için kullanılır. Biyokütlenin biyosorpsiyon kapasitesi çeşitli faktörlere bağlıdır. Bunlar biyokütlenin tipi (türü, yaşı), sorbantın tipi, diğer yarışan iyonların mevcudiyeti, biyokütlenin hazırlanma metodu ve çeşitli fiziko-kimyasal (sıcaklık, ph, iyonik konsantrasyon) faktörlerdir [4]. Bu çalışmada kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının gram-negatif bir bakteri olan ve inaktif hale getirilmiş P.putida ile adsorpsiyonu kesikli çalışan bir tepkimeli kapta araştırılmıştır. Kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının adsorpsiyon hızı üzerine ph ve sıcaklığin etkisi belirlenmiştir. Farklı başlangıç ph ve sıcaklık değerlerinde Langmuir ve Freundlich izotermleri elde edilmiş ve prosesin termodinamik sabitleri ve pseudo birinci ve ikinci mertebe kinetik modellere uyumluluğu araştırılmıştır. DENEYSEL Bu çalışmada American Type Culture Collection (A.T.C.C) dan sağlanan NRRL B-255 kodlu P.putida bakterisi kullanılmıştır. P.putida 2 g/l maya özütü, 2 g/l bakteriyolojik pepton, 2 g/l K 2 HPO 4, 1 g/l KH 2 PO 4,,5 g/l (NH 4 ) 2 SO 4, 5 g/l glikoz içeren sıvı besiyerinde steril
koşullarda 3 o C sıcaklık ve 1 rpm karıştırma hızında çalıştırılan çalkalayıcıda 4-48 saat süre ile üremesi sağlanmıştır. P.putida kesikli karıştırmalı tepkime kaplarında üretildikten sonra sıvı besin ortamından 6 rpm hızında 3-4 dakika santrifüjlenerek ayrılmıştır. Oluşan mikroorganizma topakları etüvde 6 o C de 24 saat süre ile kurutularak P.putida inaktif hale getirilmiştir. Deneyler sırasında kullanılan belli derişimlerdeki kurşun (II) ve bakır (II) çözeltileri stok çözeltiden gerekli seyreltmeler yapılarak hazırlanmıştır. Kesikli düzendeki adsorpsiyon çalışmaları 1 ml çalışma hacmindeki 25 ml lik erlenlerin kullanıldığı sabit sıcaklık ve karıştırma hızında çalışabilen orbital inkübatörde gerçekleştirilmiştir. Kesikli düzendeki adsorpsiyon çalışmalarında adsorpsiyon çözeltisindeki kuru mikroorganizma derişimi 1 g/l olacak şekilde ayarlanmıştır. Kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının P. putida ya adsorpsiyonunda 1 g/l kuru P. putida derişimli stok çözeltiden 1 ml, belli derişimdeki metal çözeltisinden 9 ml alınarak çalışma hacmi 1 ml ye tamamlanmıştır. Adsorpsiyon çalışmalarına başlamadan önce metal çözeltilerinin ph sı ayarlanarak, başlangıç metal iyon derişimi tayin edilmiştir. Daha sonra mikroorganizma çözeltisi metal içeren çözeltiye ilave edilerek, karıştırma anı t= olarak alınmıştır. P. putida ile yapılan adsorpsiyon çalışmalarında kurşun (II) ve bakır (II) çözeltilerinden mikroorganizma, 5-6 rpm de 5-6 dakika santrifüjlenerek ayrılmıştır. Adsorpsiyon sırasında önceden belirlenen zaman aralıklarında (,,5, 2, 5, 1,, 12 dakika) örnekler alınarak santrifüjlendikten sonra sıvı kısımlarına birkaç damla asit ilave edilerek analiz için buzdolabında saklanmıştır. Adsorplanmadan kalan, kurşun (II) ve bakır (II) iyon derişimleri Atomik Absorpsiyon Spektrofotometresinde (UNICAM 929 marka) absorbans okunarak tayin edilmiştir. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının P.putida ya adsorpsiyonunda başlangıç ph sı önemli bir parametredir. ph değerlerinin artmasıyla birlikte adsorpsiyon hızları artmıştır. Çok düşük ph larda hücre yüzey yükünün pozitif olmasından dolayı başlangıç adsorpsiyon hızları düşmektedir. Mikroorganizma ile kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının etkileşimi en iyi ph 5,5 değerinde elde edilmiştir (Şekil 1). Akar ve Tunalı [5], Aspergillus flavus kullanarak kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının adsorpsiyonunu kesikli karıştırmalı sistemde araştırmışlar ve en iyi kurşun (II) ve bakır (II) iyonu giderimini ph 5, da elde etmişlerdir. 75 rad (mg Me/g mo-dak) 6 45 3 15 Pb Cu 3,5 4 4,5 5 5,5 6 ph Şekil 1. Kurşun (II) ve Bakır (II) İyonlarının P.putida ya Adsorpsiyonunda Başlangıç ph sının İlk Adsorpsiyon Hızına Etkisi (Co=13 mg/l, Xo=1 g/l; KH=15 rpm; Pb (II) için T=25 o C; Cu (II) için T=3 o C).
Kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının P. putida ya adsorpsiyonunun en fazla sırasıyla 25 C ve 3 o C de gerçekleştiği, daha düşük ve daha yüksek sıcaklıklarda ise ilk adsorpsiyon hızlarının azaldığı belirlenmiştir (Şekil 2). Düşük sıcaklık değerlerinden başlayarak sıcaklığın artması ile biyosorbent yüzeyindeki gözeneklerin genişlemesi sonucu adsorpsiyon hızları artmakta, yüksek sıcaklıklarda ise adsorpsiyonun ekzotermikliğinden dolayı başlangıç adsorpsiyon hızları düşmektedir. Ağır metal iyonlarının mikroorganizmalara zayıf bağlarla bağlanması pasif adsorpsiyonun sonucudur. Yüksek sıcaklıklarda bu bağlar kopar ve adsorpsiyonun tersinir özelliğinden dolayı desorpsiyon hızının önemi artarak, hızı azaltıcı etki gösterir. 75 rad (mg Me /g mo-dak) 6 45 3 15 Pb Cu 15 2 25 3 35 4 Sıcaklık ( o C) Şekil 2. Kurşun (II) ve Bakır (II) İyonlarının P.putida ya Adsorpsiyonunda Sıcaklığın İlk Adsorpsiyon Hızına Etkisi (Co=13 mg/l, Xo=1 g/l; ph=5,5 KH=15 rpm). Farklı başlangıç ph ve sıcaklık değerlerinde elde edilen Freundlich ve Langmuir izotermleri ve bu izotermlerden elde edilen adsorpsiyon sabitleri, P.putida ile kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının adsorpsiyonunun Freundlich ve Langmuir izotermi ile uyum içerisinde olduğunu göstermiştir (Tablo 1). Tablo 1. Kurşun (II) ve Bakır (II) İyonlarının P. putida ya Adsorpsiyonunda Farklı Sıcaklık Değerlerinde Langmuir ve Freundlich Modeline Göre Elde Edilen Adsorpsiyon Sabitleri. Sıcaklık C Langmuir Modeli Freundlich Modeli Q o b r 2 K f n r 2 Kurşun (II) 2 168.37.249.98 4.44 1.173.99 25 27.37.251.99 6.66 1.113.99 3 159.96.28.99 3.47 1.145.98 35 131.41.177.99 2.44 1.114.97 Bakır (II) 2 79.8.69.99.76 1.165.99 25 87.98.94.99 1.114 1.221.99 3 96.85.11.99 1.538 1.274.99 35 92.45.16.99 1.286 1.245.99 Farklı sıcaklıklarda yapılan kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının adsorpsiyonunda prosesin entalpi değişimi (ΔH o ), serbest enerji değişimi (ΔG o ) ve entropi değişimi (ΔS o ) hesaplanmıştır Tablo (2). Kurşun (II) adsorpsiyonu için elde edilen denklem ve bu denklemlerden elde edilen
termodinamik parametrelere göre entalpi değişimi negatif işaretlidir. Bu durum adsorpsiyon çalışmalarının yapıldığı sıcaklıklarda (2, 25, 3 ve 35 o C) prosesin ekzotermik olduğunu göstermektedir. Munagapati ve diğ. [6], Cladonia furcata kullanarak yapmış oldukları kurşun (II) iyonu adsorpsiyon çalışmalarında da adsorpsiyon prosesinin ekzotermik olduğunu bulmuşlardır. Bakır (II) adsorpsiyonu için elde edilen denklem ve bu denklemlerden elde edilen termodinamik parametrelere göre entalpi değişimi pozitif işaretlidir. Bu durum adsorpsiyon çalışmalarının yapıldığı sıcaklıklarda (2, 25, 3 ve 35 o C) prosesin ekzotermik olduğunu göstermektedir. Dursun [7], sodyum hidroksit ile ön muamele edilmiş Aspergillus niger kullanarak yapmış olduğu adsorpsiyon çalışmalarında bakır (II) iyonlarının adsorpsiyon prosesinin ekzotermik olduğunu bulmuştur. Çalışılan tüm sıcaklıklarda kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının her ikisi içinde serbest enerji değişimi negatif bulunmuştur. Bu prosesin söz konusu sıcaklıklarda kendiliğinden gerçekleşeceğini göstermektedir. Çalışılan şartlarda kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının her ikisi içinde entropi değişiminin işareti pozitiftir. Entropi değişiminin pozitif olması adsorpsiyon prosesi boyunca adsorbentle adsorplayıcının karşılıklı etkileşiminden dolayı adsorbentin yüzeyinde meydana gelebilecek değişikliklerden meydana gelmektedir. Tablo 2. Farklı Sıcaklıklarda Kurşun (II) ve Bakır (II) İyonlarının P. putida ya Adsorpsiyonunda Elde Edilen Termodinamik Sabitler. Kurşun (II) Sıcaklık ( o C) -ΔG (kj/mol) -ΔH (kj/mol) ΔS (J/molK) r 2 2 2,82 7,3 25 21,2 8,4 18,69 3 21,8 7,9 35 21,2 Bakır (II) Sıcaklık ( o C) -ΔG (kj/mol) ΔH (kj/mol) ΔS (J/molK) r 2 7,5 2 14,82 126 25 15,84 128 23,12 3 16,5 128 35 16,67 126.861,89 Biyosorbsiyon siteminin tasarımı için kesikli adsorpsiyon kinetiğinin tahmin edilmesi çok önemli bilgiler sağlamaktadır. Biyosorbsiyon kinetiği, çalışılan çevresel koşullarda deney verilerini temsil edecek en iyi modelin araştırılmasını içermektedir. Çeşitli kinetik modeller, farklı çevre şartlarında kesikli biyosorbsiyon kinetiğinin durumunu tanımlamak için kullanılmaktadır [8]. Bu çalışmada kinetik biyosorbsiyonu tanımlamak için yaygın olarak kullanılan pseudo birinci ve ikinci mertebe kinetik modeller uygulanmıştır. Hem kurşun (II), hem de bakır (II) iyonu için pseudo ikinci mertebe kinetik modeli ile biyosorbsiyon davranışı iyi tanımlanmıştır (Şekil 3,4). Tablo 3 de de hesaplanan pseudo ikinci mertebe kinetik model sabitleri verilmiştir.
1,4 1,2 y =,1x +,11 R 2 =,9996 t/qt (dak.g/mg) 1,8,6,4,2 2 4 6 8 1 12 14 t,dak. Şekil 3. Kurşun (II) İyonlarının P.putida ya Adsorpsiyonunda İkinci Mertebe Kinetiği (Co=13 mg/l, Xo=1 g/l; ph=5,5; T=25 o C; KH=15 rpm). 3 t/qt (dak.g/mg) 2,5 2 1,5 1,5 y =,211x +,295 R 2 =,9991 2 4 6 8 1 12 14 t, dak. Şekil 4. Bakır (II) İyonlarının P.putida ya Adsorpsiyonunda İkinci Mertebe Kinetiği (Co=13 mg/l, Xo=1 g/l; ph=5,5; T=3 o C; KH=15 rpm). Tablo 3. Kurşun (II) ve Bakır (II) İyonlarının P. putida ya Adsorpsiyonunda Pseudo İkinci Mertebe Kinetiği Sabitleri. Kurşun (II) Bakır (II) k 2 (g/mg.d),99,151 q den (mg/g) 1, 47,39 ÖNERİLER Elde edilen bu verilere göre sulu çözeltilerden kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarının P.putida ile gideriminde P.putida nın herhangi bir ön işleme tutulmadan; nispeten yüksek adsorpsiyon kapasitesi göstermesi, adsorpsiyonun çok yüksek olmayan sıcaklıklarda ve nispeten düşük ph larda gerçekleşmesi maliyet açısından bir avantaj olarak görülebilir. Mikroorganizmaların bulundukları ortamdan ağır metal iyonlarını şecici olarak biriktirme özelliklerinden yararlanarak, atıksu arıtımında kullanılması, özellikle düşük derişimlerde klasik yöntemlere göre daha pratik ve ekonomik bir prosestir. Prosesin kısa süreli olması da bir avantajdır.
SEMBOLLER C o : Başlangıç metal iyonu derişimi, (mg/l) X o : Mikroorganizma derişimi (g/l) KH : Karıştırma hızı (rpm = devir/dakika) Q o :Yüzeyde tam bir tabaka oluşturmak için adsorbentin birim ağırlığında adsorplanan madde miktarı (mg/g) b : Enerji ile ilgili adsorbanın adsorbente ilgisini ve aralarındaki bağın kuvvetliliğini gösteren sabit (L/mg) rad : Başlangıç adsorpsiyon hızı (mg Metal/g mo.dak) K f : Adsorpsiyon kapasitesi n : Adsorpsiyon şiddeti t : Zaman (dakika) ΔH o : Entalpi değişimi (kj/mol) ΔG o : Serbest enerji değişimi (kj/mol) ΔS o : Entropi değişimi (J/mol K) qt : Birim adsorbent ile herhangi t zamandaki adsorplanan madde miktarı (mg/g) k 2 : Pseudo ikinci mertebeden hız sabiti (g/mg.dak.) : Adsorplanan metalin dengedeki miktarı (mg/g) q den KAYNAKLAR 1. Nourbakhsh, M.N., Kiliçarslan, S., Ilhan, S. and Ozdag, H., Biosorption of Cr 6+, Pb 2+ and Cu 2+ ions in industrial waste water on Bacillus sp., Chemical Engineering Journal, 85,, 351-355, 22. 2. Azila Y. Y., Mashitah M.D., Bhatia, S.,, Process optimization studies of lead Pb(II) biosorption onto immobilized cells of Pycnoporus sanguineus using response surface methodology, Bioresource Technology, 99, 8549 8552, 28. 3. Yan Z., Xuliang F., Zhilong Y., Yahong L., Weimin C., Biosorption of Cu(II) on extracellular polymers from Bacillus sp. F19, Journal of Environmental Sciences, 2, 1288-1293, 28. 4. Aksu, Z., Balibek, E., Chromium(VI) biosorption by dried Rhizopus arrhizus: Effect of salt (NaCl) concentration on equilibrium and kinetic parameters, Journal of Hazardous Materials, 145, 21 22, 27. 5. Akar T., Tunali S., Biosorption characteristics of Aspergillus flavus biomass for removal of Pb (II) and Cu (II) ions from an aqueous solution, Bioresource Technology, 97, 178 1787, 26. 6. Munagapati, V., S., Yarramuthi, V., Nadavala S., K., Alla, S., R., Abburi K., Biosorption of Cu(II), Cd(II) and Pb(II) by Acacia leucocephala bark powder:kinetics, equilibrium and thermodynamics, Chemical Engineering Journal, In Press, 29. 7. Dursun, A. Y., A comparative study on determination of the equilibrium, kinetic and thermodynamic parameters of biosorption of copper (II) and lead (II) ions onto pretreated Aspergillus niger, Biochemical Engineering Journal, 28, 2, 187-195, 26. 8. Çelekli A., Yavuzatmaca M., Bozkurt H., Reaktif sarı 81 boyasının sulu ortamdan Spirogyra majuscula ile uzaklaştırılması; kinetik ve denge modellemesi, Biyoloji Bilimleri Araştırma Dergisi, 2 (2), 59-69, 29.