Petrol hidrokarbonları ile kirlenen toprakların ayçiçeği (Helianthus annuus L.) kullanılarak fitoremediasyonu
Use of sunflower (Helianthus annuus L.) for phytoremediation of petroleum hydrocarbon contaminated soils
Yazar: ÇİĞDEM EROL
Danışman: DOÇ. DR. GÜL CEVAHİR ÖZ ; DR. BAYRAM YÜKSEL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Botanik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Botanik = Botany
Dizin: Petrol kirliliği = Oil pollution

Özet:
Bu çalışmada Siberian Light (SBL) ham petrolü ile kirlenmiş toprağın fitoremediasyonu incelenmiştir. Fitoremediasyon için uygun bitki çeşidi, Yonca (Medicago sativa Savaş, 1313, 1312), Kırmızı Üçgül (Trifolium pratens Namuq, 79, 818, Lakeland ve 1881), Ak Üçgül (Trifolium repens 361, 453, 455), Tütün (Nicotiana tabacum Esendal, Kızılırmak), Ayçiçeği (Helianthus annuus Sirena, Vanko) çeşitleri, Hardal (Brassica juncea P78), Soya (Glycine max Nova) ve Sorgum (Sorghum bicolor x S. sudanense Grazer N2) ile ön denemeler yapılarak belirlenmiştir.Ön denemeler sonucunda fizyolojik olarak en iyi yetişen Ayçiçeği (Helianthus annuus Vanko) bitkisinin deney materyali olarak kullanılmasına karar verilmiştir. Seçilen çeşit ile 2 ayrı deney düzeneği kurulmuştur. Birinci deney düzeneğinde petrol hidrokarbonlarının bitkideki fizyolojik etkileri gözlenmiş, ikinci düzenekte ise bitkinin fitoremediasyondaki rolü araştırılmıştır.Petrol hidrokarbonlarının bitkideki fizyolojik etkilerini gözlemlemek amacı ile ayçiçeği tohumları % 0, 1, 2.5, 5, 7.5 ve 10 konsantrasyonlarında SBL ham petrol uygulanmış toprağa ekilerek, 30 gün süre ile yetiştirilmiştir. % 0, 1, 2.5 ve 5 SBL ham petrol uygulamalarının 15. ve 30. günlerinde hasatlar alınarak taze-kuru ağırlık değişimi, oransal su içeriği, membran permeabilitesindeki değişiklikler, klorofil ve karotenoid miktarları uygun metodlar kullanılarak belirlenmiştir. % 7.5 ve 10 SBL ham petrol uygulamasında bitki gelişimi gözlenmemiştir. Ayçiçeği bitkisinin fitoremediasyondaki rolünü belirlemek amacı ile tohumları % 0, 1 ve 5 konsantrasyonlarında SBL ham petrolü uygulanmış toprağa ekilerek, 30 gün süre ile yetiştirilmiştir. Bitki ve toprak örneklerinde ön sentez işlemi Soxhlet ekstraksiyon yöntemi ile yapılmıştır. Ekstrakte olan numunelerde Ultraviole Fluorospektrofotometre (UVF) ile toplam petrol hidrokarbon (TPH) miktarları tespit edilmiş ve Gaz Kromatografisi-Kütle Spektrometrisi (GC-MS) cihazı ile petrol hidrokarbonlarının degradasyon süreci belirlenmiştir. Clean-up yöntemi ile örnekler fraksiyonlarına ayrılarak GC-MS cihazında poliaromatik hidrokarbonlar (PAH) ve alifatik hidrokarbonlara ait n-alkan dağılım ve miktarları tespit edilmiştir.Ayçiçeği tohumlarının çimlenme oranı, SBL'nin artan konsantrasyonları ile ters orantılı olarak azalma göstermektedir. Membran permeabilitesinde belirgin bir değişiklik gözlenmemiştir. Klorofil ve karotenoid miktarları 15. günde konsantrasyona paralel olarak artarken 30. günde zıt bir şekilde kontrol grubunun da altına düşerek azalmıştır. Gövde ve kök dokularında ekstrakte organik madde (EOM) miktarları pek belirgin olmasa da toprak örneklerinde petrol konsantrasyonu arttıkça artış göstermektedir. TPH miktarları ise toprak örneklerinde petrol miktarı ile doğru orantılı olarak artma göstermiştir. Dallanmış n-alkan isoprenoid oranlarına bakıldığında 30. günün sonunda % 1 SBL ham petrol uygulamasında toprak örneklerinde C17/Pristan oranında % 12, C18/Fitan oranında % 10 ve % 5 SBL ham petrol uygulamasında toprak örneklerinde C17/Pristan oranında % 7, C18/Fitan oranında % 12 azalma tespit edilmiştir. n-alkan ve fenantren miktarları zamana bağlı olarak azalma göstermiştir. Buna ilave olarak bitkili toprak örnekleri bitkisiz toprak örnekleri ile karşılaştırıldığında n-alkan ve fenantren miktarlarında azalma belirlenmiş, özellikle % 5 SBL konsantrasyonunda PAH bileşiklerinin alkil türevlerine rastlanmıştır.Bu araştırmada elde edilen bulgular, H. annuus Vanko bitkisinin SBL ham petrolü ile kirlenmiş toprağın temizlenmesinde kullanılabileceği hipotezini desteklemektedir.

Abstract:
In this study, phytoremediation of Siberian light (SBL) crude oil-contaminated soil was investigated. To assess the most suitable plant for petroleum phytoremediation, preliminary tests were conducted with alfalfa (Medicago sativa Savaş, 1313 and 1312), red clover (Trifolium pratens Namuq, 79, 818, Lakeland and 1881), white clover (Trifolium repens 361, 453, and 455), tobacco (Nicotiana tabacum Esendal, Kızılırmak), sunflower (Helianthus annuus Sirena and Vanko), Indian mustard (Brassica juncea), soybean (Glycine max Nova), and sorghum (Sorghum bicolor x S. sudanense Grazer N2).At the end of screening experiments for the petroleum oil tolerance, Helianthus annuus Vanko plants were chosen to be further studied to gain insights about the use of plants for in situ decontamination of oil contaminants. For this purpose, the physiological effect of petroleun contamination on plants were investigated. Furthermore, the possible contribution of Helianthus annus on the biodegradation of oil hydrocarbons were also studied in more detail.To observe the physiological effects of petroleum hydrocarbons on the plants, sunflower seeds were planted in soil mixed with diferent amounts (i.e., 0, 1, 2.5, 5, 7.5 and 10 % ) of SBL (Siberian Light) crude oil. The plants were harvested at 15th and 30th days of the plantation. The samples were evaluated by meausiring physiological parameters including wet-dry weight, relative water content (RWC), membrane permeability, chlorophyll and carotenoid amounts. There was no growth in pots containing SBL oil more than 5%, i.e., 7.5 or 10%, meaning that the tolerance level of this plant to the petroleum contaminats was around 5%. To determine the likely contribution of sunflower in the phytoremediation of oil hydrocarbons, organic material from the plants grown on soil mixed with 0, 1, 2.5 and 5% SBL petroleum, and from the soil samples from the same pots was extracted by using a Soxhlet apparatus. The amount of Total Petroleum Hydrocarbons (TPH) in the extracted materials was determined by using Ultraviolet Fluorescence Spectroscopy (UVF). The level of biodegradation of total petroleum hydrocarbons were analyzed with Gas Chromatography ? Mass Spectroscopy (GC-MS). To better characterize the nature of biodegradation for the different fractions of oil hydrocarbons, PAH and alkanes, the samples were fractiaonated by chromatographic methods prior to GC-MS.As expected, the rate of sunflower seed germination decreased with the increase of crude oil in the growth soil. The membrane permeabilities were not significantly different between control and petroleum applied plants. On the other hand, chlorophyll and carotenoid amounts increased in parallel with oil concentration at 15 days, but suprisingly decreased in older plant samples 30 days, even less than the control samples Even thoug the amount of extracted organic material (EOM) was showed alterations in the root and shoot samples of the plants grown in high oil containing soil, but it was not significantly changed as in the soil samples from the growth media. In other words, TPH increased in parallel to increase in petroleum concentration in the growth soil, but not in the shoot and root tissues of the plants. When the ratio of isoprenoid hydrocarbon at the end of 30th day from 1% SBL crude oil-applied soil samples is measured, C17/Pristane was 12%, C18/Phytane was 10%. In the soil samples from 5% SBL crude oil applications, C17/Pristane was 7%, C18/Phytane was 12% . In conclusion, it could be said that the decrease in the amount of n-alkanes and PAHs was dependent on the applicaiton time. As a possible sign for the likely contribution of plants for biodegradation of oil hydrocarbons, the level of oil fractions was slightly lowere in the planted soil samples than the unplanted soil samples. Moreover, alkyl derivatives of some PAH compounds were found especially at the 5% SBL applications.This study supports the hypothesis that Helianthus annuus Vanko could be used for the in situ phytoremediation of the soils contaminated with petroleum.