BİYOSURFAKTANTLARLA TOPRAKTAKİ AĞIR METAL İYONLARININ KOMPLEKSLEŞTİRİLEREK GERİ KAZANILMASI H. ŞAHİN, Y. SAĞ Hacettepe Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 6532 Beytepe, Ankara ÖZET Bu çalışmada rhamnolipid biyosurfaktantlar JBR 215 ve JBR 425 ile topraktaki Cd(II) ve Zn(II) iyonlarının kompleksleştirilerek uzaklaştırılması incelenmiştir. Her iki biyosurfaktantla Cd(II) ve Zn(II) iyonlarının topraktan uzaklaştırılması için en uygun ph aralığı 6.8-7. olarak saptanmıştır. Başlangıç metal iyonu derişimi 1-6 mm aralığında arttırılmış, Cd(II) iyonlarının uzaklaştırılmasında en yüksek metal tutum yüzdeleri 3.5-4.5 mm aralığında, Zn(II) iyonlarının gideriminde ise 4. mm değerinde elde edilmiştir. Her iki metal iyonunun gideriminde en uygun biyosurfaktant derişim aralığı ise 8-1 mm olarak bulunmuştur. JBR 215 ve JBR 425 in metal tutum yüzdeleri birbirine yakın olmakla beraber maksimum metal giderim verimlilikleri ile elde edilmiştir. Buna göre Cd(II) ve Zn(II) iyonlarının maksimum tutulma verimlilikleri sırasıyla % 73.4 ve % 47.7 dir. Anahtar Kelimeler Ağır metal iyonları; Biyosağaltıcı teknik; Biyosurfaktant; Kompleksleşme; Rhamnolipidler; Toprak kirliliği. GİRİŞ Toprakta, doğal çevrelerde ve endüstriyel atıksularda zehirli metallerin artan birikimi ekolojik sistem ve insan sağlığı için potansiyel bir tehlike oluşturmaktadır. Dolayısıyla, metalle kontamine toprakların arıtımı son günlerdeki araştırmaların temel konusu haline gelmiştir. Bu çevrelerdeki metaller degrade edilemediklerinden ya tutuklanmalı ya da uzaklaştırılmalıdırlar. Bakteriler veya mayalar tarafından üretilen yüzey aktif ajanlar olan biyosurfaktantlar, anyonik doğaları, düşük zehirlilikleri, biyodegrade olabilirlikleri ve mükemmel yüzey aktif özellikleri ile gelecek vaat etmektedirler. Biyosurfaktantlar glikolipidler, lipopeptidler, lipopolysakkaridler, fosfolipidler, yağ asidleri/nötral lipidler olarak adlandırılan birkaç gruba ayrılabilir. Bunlar arasında en geniş ve en iyi bilinen grup glikolipidler olup, rhamnolipidler olarak bilinen bir form içermektedirler. Atık akımlarından metallerin kompleksleşmesi için bakteriler veya bakteriyel dışpolimerlerin kullanılması çalışılmış olmasına rağmen, metal kompleksleşmesi için daha küçük biyomoleküllerin uygulanması, toprak yıkama, pompalama ve arıtım sağaltıcı teknolojileri için özel önem taşımaktadır. Bu teknolojilerde, metal-ligand kompleksinin boyutu, küçük toprak gözenekleriyle metal komplekslerinin filtrasyonundan kaçınmak için çok önemlidir [1,2]. Bu çalışmanın amacı rhamnolipid biyosurfaktantlarla topraktan model olarak seçilen Cd(II) ve Zn(II) iyonlarının kompleksleşmesini araştırmaktır. KURAMSAL Topraktaki metal kontaminasyonunun giderilmesi için gerçekte pek az yöntem vardır. Yöntemlerden biri toprağın kazılmasına ve topraktaki metalleri yükseltgemek için nitrik veya hidroklorik asid gibi çok konsantre asidlerle muamele edilmesine dayanır. İkinci yöntem, kontamine toprağın taşınarak, landfilling prosesine tabi tutulmasıdır ki bu yöntem hem çok pahalıdır hem de fazla zaman tüketir. Üçüncü yöntem ise topraktaki metali bağlamak için
EDTA gibi metal kıskaçlayıcıları kullanmaktır. Fakat EDTA etkili olmasına rağmen biyodegrade edilemez, aynı zamanda çok da zehirlidir [3]. Yüzey aktif özellikteki kimyasallar, bitkiler (ör. saponinler), mikroorganizmalar (ör. glikolipidler) ve hatta yüksek karmaşıklıktaki hayvansal hücreler tarafından sentezlenir. Biyosurfaktantlar karbonhidratlar, hidrokarbonlar ve yağların varlığında aerobik olarak üreyen mikroorganizmalar tarafından üretilirler. Emülsifiye ediciler kültür ortamı içerisine salgılanır ve hücre membranlarında çözünmeyen substratların taşınımına yardımcı olur. Bütün biyosurfaktantlar anyonikdir veya iyonik olmayan bir formdadırlar [4]. Genelde surfaktantlar polar bir başlık ve nonpolar bir kuyruktan oluşan moleküllerdir. Sulu çözeltide, yüzey gerilimini azaltırlar ve farklı polaritelerdeki sıvılar arasındaki emülsiyonların oluşmasını kolaylaştırırlar. Surfaktantlar polar başlık sulu çözeltide, polar olmayan kuyruk yağ tabakasında kalmayı tercih ettiğinden yağ ve su karışımının oluşmasını sağlarlar. Düşük konsantrasyonlarda surfaktantlar tek başına moleküller halinde bulunurlar. Konsantrasyonları arttırıldığında, moleküller miseller oluşturmak üzere kümeleşirler. Surfaktant moleküllerin başları sulu çözeltiye doğru, kuyrukları ise yapının hidrobik merkezine doğru karşı karşıya gelecek şekilde uzanırlar. Hidrofobik merkez yağ damlacıklarını kıstırır, böylelikle bakteriler biyodegredasyon için hazır hale gelir. Metaller durumunda, anyonik biyosurfaktant negatif yük taşır, katyonik bir metalle karşılaştığında, metalle toprak arasındaki bağdan daha kuvvetli bir bağ oluşur. Bağ bir kez oluştuktan sonra, kontaminant topraktan basınçlı su ile temizlenir [5]. Tüm hücreler ve bakteriyel dış polimerlerle kanalizasyon çamuru, endüstriyel dış atımlar ve maden suyu gibi atık akımlarından metallerin etkin bir şekilde geri kazanılabileceği gösterilmiştir. Bununla beraber tüm bakteriyel hücreler ve dış polimerler (molekül ağırlıkları yaklaşık olarak 1 6 ) büyük boyutları nedeniyle, metal-hücre veya metal-dış polimer komplekslerinin oluşmasına imkan vermediklerinden topraktaki metal kirliliğinin giderimi için bir çözüm sağlamamaktadırlar. Biyosurfaktantların molekül ağırlıkları 15 den azdır ve küçük boyutları, dış polimerler ve tüm hücrelere göre onlara belirgin bir üstünlük sağlamaktadır. Biyosurfaktantların geniş bir çeşitlilik gösteren kimyasal yapıları, farklı metal seçimliliklerine ve metal giderim verimliliklerine olanak sağlayacaktır. Biyosurfaktantların bir diğer avantajı ise hidrokarbonla kontamine olmuş topraktan, hem ağır metal iyonlarını hem de hidrokarbonları uzaklaştırma yeteneğine sahip olmasıdır [6]. Pseudomonas aeruginosa β-hydroxydecanoic aside tutunmuş iki rhamnoses veya glukoz ve hidrokarbon substratlardan özdeş yağ asidine tutunmuş bir rhamnose içeren iki tip rhamnolipid üretir. Yüzey gerilimi 29 mn/m dir. Rhamnolipidlerle, metaller, doğal olarak oluşan organik ligandlar ve Ca(II), Mg(II) ve K(I) gibi iyonlar arasında kompleksler oluşabilir. Organik ligandlar ve metaller arasındaki kompleksleşmenin gücü genellikle kararlılık sabiti terimlerinde ifade edilir [7]. Bu konuda yayınlanmış çalışma sayısı gerçektende çok azdır. Bu çalışmalar ise genellikle, biyosurfaktantlar kullanılarak, kesikli yıkama deneyleri ile sedimentlerden ağır metallerin uzaklaştırılması şeklindedir [8]. DENEYSEL Bu çalışmada Rhamnolipid biyosurfaktantlar JBR 215 ve JBR 425 (Jeneil Biosurfactant Co., Llc.) topraktaki Cd(II) ve Zn(II) iyonlarının kompleksleştirilerek geri kazanılması amacı ile kullanılmıştır. Biyosurfaktantlarla topraktan ağır metal iyonlarının giderimi biyosurfaktant konsantrasyonunun, metal iyonu konsantrasyonunun, ph, zaman ve sıcaklık gibi parametrelerin fonksiyonu olarak incelenmiştir. Rhamnolipidin biyodegradasyonunu önlemek amacıyla, toprak pelletler otoklavda sterillendi. Toprak pelletler, 4 ml lik santrifüj tüpleri içerisinde, 1 6 mm arasında değişen derişimlerde metal iyonu içeren çözeltilerle muamele edildi. Metal iyonlarını ve adsorbent olarak toprak
içeren tüpler 25 o C da 15 devir/dak da çalıştırılan bir çalkalayıcıda 72 saat süreyle çalkalandı. Nihai dengeye ulaşıldıktan sonra, tüpler santrifüjlendi, üstte kalan berrak sıvı atomik absorbsiyon analizleri için %1 lik HNO 3 içerisinde seyreltildi. Metalle yüklenmiş olan toprak, 1, 2, 4, 6, 8, 1 ve 12 mm rhamnolipid çözeltileri içerisinde suspanse edildi. Rhamnolipid çözeltileri ile karıştırılmış toprak içeren santrifüj tüpleri 72 saat süreyle 25 o C ve 15 devir/dak da çalkalandıktan sonra 17 x g de 2 dakika santrifüjlendi. Üstte kalan berrak sıvıya bırakılan metal iyonu konsantrasyonu atomik absorbsiyon analizi ile saptandı. Topraktan desorbe edilen rhamnolipid metal komplekslerinden rhamnolipidin ardışık olarak ayrılması ve geri kazanılması, rhamnolipidin %1 lik HNO 3 asid ile çöktürülmesi ve santrifüjlenerek metal çözeltisinden ayrılması ile başarılmıştır. Üstte kalan berrak sıvıdaki metal iyonu konsantrasyonu atomik absorbsiyon analizi ile saptandı. SONUÇLAR Öncelikle Cd(II) ve Zn(II) iyonlarının toprağa adsorpsiyonu incelenmiştir. Toprağa.1-3.2 mm arasında değişen derişimlerde Cd(II) iyonları yüklendiğinde adsorpsiyon verimliliğinin %1.- 74. arasında değiştiği saptanmıştır (Şekil 1). Benzeri biçimde toprağa.2-3.8 mm arasında artan derişimlerde Zn(II) iyonları yüklendiğinde adsorpsiyon verimliliğinin %99.9-84.7 arasında değiştiği görülmüştür. Sorbent olarak 1.5 g bitkisel toprak kullanıldığında, Cd(II) derişimi.22 mm da sabit tutulduğunda ve JBR 215 konsantrasyonu 5 ve 8 mm olarak değiştirildiğinde Cd(II) kompleksleşme verimliliği sırasıyla % 7.5 ve % 9.36 olarak saptanmıştır. Sorbent olarak 2..5 g bitkisel toprak kullanıldığında, Cd(II) derişimi 3. mm da sabit tutulduğunda ve JBR 215 konsantrasyonu 25, 5 ve 8 mm olarak değiştirildiğinde Cd(II) kompleksleşme verimliliği sırasıyla %1.98, %5.96 ve %7.59 olarak saptanmıştır. Aynı deneysel koşullarda, 1 mm JBR 425 ile çalışıldığında ise Cd(II) kompleksleşme verimliliği % 8.97 olarak bulunmuştur. Sorbent olarak 2..5 g bitkisel toprak kullanıldığında, Zn(II) derişimi 1. mm da sabit tutulduğunda ve JBR 215 konsantrasyonu 5, 8 ve 15 mm olarak değiştirildiğinde Zn(II) kompleksleşme verimliliği sırasıyla %8.79, %18.44 ve %14.22 olarak saptanmıştır. Kuşkusuz rhamnolipidin toprağın içine çok iyi nüfuz edebilmesi kompleksleşme verimliliğinin artması için şarttır. Bu durumda çalışmaların yapıldığı toprak cinsi büyük önem kazanmaktadır. Doğal ortamdan alınan toprak ile yapılan deneylerde, sorbent olarak 1.5 g toprak kullanıldığında, Cd(II) derişimi.22 mm da sabit tutulduğunda ve 8 mm JBR 425 kullanıldığında, Cd(II) kompleksleşme verimliliği % 51.61 olarak saptanmıştır. Çalışmaların sonraki kısmı doğal ortamdan alınan toprakla sürdürülmüştür. Rhamnolipid topaklaşma morfolojisi 6.-7.5 arasındaki ph bölgesinde önemli değişimler geçirmektedir. Cd(II) iyonlarının topraktan uzaklaştırılmasında, 1.5 mm başlangıç Cd(II) iyon derişiminde ve 8 mm rhamnolipid derişiminde, ve için saptanan optimum ph değerleri ve maksimum metal tutumu değerleri sırasıyla 6.8, 7. ve %59.6, % 63.5 olarak bulunmuştur (Şekil 2). Aynı deneysel koşullarda Zn(II) iyonlarının topraktan uzaklaştırılmasında, ve için saptanan optimum ph değerleri ve maksimum metal tutumu değerleri sırasıyla 6.8, 6.8 ve % 38.2, % 44.7 olarak bulunmuştur. JBR 215 ve JBR 425 ile topraktan Cd(II) iyonlarının uzaklaştırılması, artan Cd(II) derişimi ile artmış, maksimum metal tutumu sırasıyla 3.5 mm ve 4.5 mm başlangıç Cd(II) derişimi değerlerinde %61.7 ve %73.4 olarak saptanmıştır (Şekil 3). Benzeri bir değişim Zn(II) iyonlarının uzaklaştırılmasında gözlenmiş, maksimum Zn(II) giderimleri 4 mm başlangıç Zn(II) derişiminde JBR 215 ve JBR 425 için sırasıyla % 42.2 ve 47.7 olarak elde edilmiştir (Şekil 4). Rhamnolipid derişiminin Cd(II) iyonlarının uzaklaştırılması üzerine etkisi ise -12 mm arasında değişen rhamnolipid derişimlerinde incelenmiş, 1.5 mm başlangıç Cd(II) iyon derişiminde, maksimum Cd(II) tutumu, JBR 215 ve JBR 425 için 8 mm rhamnolipid derişiminde sırasıyla % 59.6 ve % 59.9 olarak bulunmuştur. Zn(II) iyonlarının uzaklaştırılmasında ise, en uygun rhamnolipid derişimleri ve metal tutum yüzdeleri JBR 215 ve JBR 425 için sırasıyla, 1 mm, 8-1 mm ve % 43.5, 44.8 dir (Şekil 5).
2,5 2 q eq (mmol/g) 1,5 1,5,2,4,6,8 1 1,2 C eq (mmol/l) Şekil 1 Toprağa Cd(II) İyonlarının Adsorpsiyonu için Adsorpsiyon İzotermleri (ph=6.8, toprak miktarı= 1.5 g, sıcaklık= 25 o C, karıştırma hızı= 15 devir/dak). % Metal Giderimi 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 5,5 6 6,5 7 7,5 8 ph Şekil 2 Cd(II) İyonlarının Topraktan Rhamnolipid Biyosurfaktantlarla Uzaklaştırılmasında ph ın Etkisi (Cd(II) derişimi= 1.5 mm, rhamnolipid derişimi= 8 mm, toprak miktarı= 1.5 g, sıcaklık= 25 o C, karıştırma hızı= 15 devir/dak).
% Metal Giderimi 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 Başlangıç Cd(II) Derişimi (mmol/ L) Şekil 3 Cd(II) İyonlarının Topraktan Rhamnolipid Biyosurfaktantlarla Uzaklaştırılmasında Başlangıç Cd(II) Derişiminin Etkisi (ph=6.8, rhamnolipid derişimi= 8 mm, toprak miktarı= 1.5 g, sıcaklık= 25 o C, karıştırma hızı= 15 devir/dak). % Metal Giderimi 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 Başlangıç Zn(II) Derişimi (mm) 6 Şekil 4 Zn(II) İyonlarının Topraktan Rhamnolipid Biyosurfaktantlarla Uzaklaştırılmasında Başlangıç Zn(II) Derişiminin Etkisi (ph=6.8, rhamnolipid derişimi= 8 mm, toprak miktarı= 1.5 g, sıcaklık= 25 o C, karıştırma hızı= 15 devir/dak).
% Metal Giderimi 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 Rhamnolipid Derişimi (mm) Şekil 5 Zn(II) İyonlarının Topraktan Rhamnolipid Biyosurfaktantlarla Uzaklaştırılmasında Rhamnolipid Derişiminin Etkisi (ph=6.8, Zn(II) derişimi= 1.5 mm, toprak miktarı= 1.5 g, sıcaklık= 25 o C, karıştırma hızı= 15 devir/dak). KAYNAKLAR 1- Tan, H., Champion, J.T., Artiola, J.F., Brusseau, M.L., Miller, RM., Complexation of Cadmium by a Rhamnolipid Biosurfactant, Environ. Scien. Technol., 28, 242-244, 1994. 2- Herman, D.C., Artiola, J.F., Miller, R.M., Removal of Cadmium, Lead, and Zinc from Soil by a Rhamnolipid Biosurfactant, Environ. Scien. Technol., 29, 228-2285, 1995. 3- Kocaer, F.O., Başkaya, H.S., Metallerle Kirlenmiş Toprakların Temizlenmesinde Uygulanan Teknolojiler, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 8, 121-131, 23. 4- Bognolo, G., Biosurfactants as Emulsifying Agents for Hydrocarbons, Coll. Surf. A: Physicochem. Engin. Asp., 152, 41-52, 1999. 5- Frazer, L., Lipid Lather Removes Metals, Environ. Health Perspect., 18, 2. 6- Miller, R.M., Biosurfactant-facilitated remediation of metal-contaminated soils, Environ. Health Perspect., 13, 59-61,1995. 7- Ochoa-Loza, F.J., Artiola, J.F., Maier, R.M., Stability Constants for the Complexation of Various Metals with a Rhamnolipid Biosurfactant, J. Environ. Quality, 3, 479-485, 21. 8- Mulligan, C.N., Yong, R.N., Gibbs, B.F., Heavy Metal Removal from Sediments by Biosurfactants. J Hazard. Mat., 85, 111-125, 21.