Biyokömürün eski maden teknosolündeki potansiyel toksik metallerin hareketlilik ve biyolojik alınabilirliğine etkisi
Effect of biochar on the mobility and bioavailability of potential toxic metals in a former mine technosol
Yazar: IBRAHIM ALIDOU ARZIKA
Danışman: PROF. DR. GÜLRİZ BAYÇU KAHYAOĞLU ; PROF. DR. DOMENICO MORABİTO
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Botanik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyoloji = Biology ; Botanik = Botany
Dizin: Biyokömür = Biochar

Özet:
Endüstri ve madencilik faaliyetlerinden kaynaklanan metal(loid)lerle toprağın kirlenmesi en önemli çevre sorunlarındandır. Nitekim, metal(loid)ler bozunmazlar ve topraklarda yüksek konsantrasyonlarda birikerek ekosistem üzerinde zararlı etkilere (örn. biyoçeşitlilik kaybı) neden olabilirler. Ayrıca, hayvanlar ve insanlar tarafından temasları ve yanlışlıkla tüketilmeleri sağlık sorunlarına yol açabilir; enzim bileşenlerini değiştirerek fonksiyon kaybına neden olabilirler ve bazı metal(loid)ler kanserojendir. Sonuç olarak, bu tür kirliliklerin etkisini azaltmak için fiziksel veya kimyasal bazlı yöntemler doğrultusunda temizleyici teknikler geliştirilmiştir. Ancak geliştirilen bu teknikler pahalıdır ve normal işleyen biyolojik toprak aktivitelerine zarar verebilir. Fitoremediasyon, düşük maliyetli bir alternatif ve çevre dostu bir teknik olarak toprak metal(loid)lerinin in situ mevcudiyetini kontrol etmek için spesifik bitkileri ve ilgili biyotayı kullanan bir iyileştirme metodudur. Bununla birlikte, asidik pH ve yüksek metal konsantrasyonları gibi toprağın bazı fiziko-kimyasal özellikleri nedeniyle bitkisel iyileştirme tekniğinin kurulması zor olabilir. Bu nedenle, toprak şartlarının geliştirilmesi ve fitoremediasyon uygulamalarına uygun hale getirilmesi için iyileştiricilerin uygulanması gerekir. Muhtemel iyileştiriciler arasında, biyokütle pirolizinin ürünü olan biyokömür, son yıllarda toprak verimliliğine olan yararlı etkileri nedeniyle ve aynı zamanda bir metal(loid) sorbent olarak da dikkat çekmektedir. Bu çalışmada, yüksek düzeylerdeki As (539 mg kg-1) ve Pb (11453 mg kg-1) ile kirlenmiş olan eski bir maden (Pontgibaud / Fransa) Teknosolü üzerinde biyokömürün etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu anlamda değerlendirilen üç ana etmen: (i) toprağın fiziko-kimyasal özellikleri; (ii) metal(loid)lerin topraktaki hareketliliği ve biyoyararlanımı; (iii) toleranslı türlerden olan Ailanthus altissima ve Robinia pseudoacacia'nın iyileştirici uygulanmış kirli toprakta fitoremediasyon kapasitesi. Teknosol (P) kullanılarak üç farklı mezokozm deneyi yürütülmüştür: (i) %5 üç farklı hammaddeden (yumuşak odun (LW), sert odun (HW) ve çam ağacı odunu (PW)) elde edilen biyokömür ve %5 kompostun (C) ayrı ayrı veya birlikte uygulanması, (ii) %5 sert odun biyokömürü (B) ve %5 kompostun ayrı ayrı veya birlikte uygulanması, (iii) %5 sert odun biyokömürü + %5 kompostun birlikte uygulanması, bu grupların ozmokotlu (osm+) ve osmokotsuz (osm-) olarak ayrılması. Test edilen model türler olarak, birinci ve üçüncü mezokozmda Ailanthus altissima, ikinci mezokozmda ise Robinia pseudoacacia bitkileri seçilmiştir. Toprak gözenek suyunda temel kimyasal parametreler ve metal(loid) konsantrasyonları ölçülmüştür. Ayrıca, aynı toprak örneklerinde toprak mikroorganizmalarının analizi yapılmıştır. Ek olarak; iki bitki türü için de büyüme, organların kuru ağırlığı ve metal(loid) konsantrasyonları ile bitkilerdeki dağılımları belirlenmiştir. Sonuçlar,  %5 biyokömür ve %5 kompostun Teknosole eklenmesinin toprak pH'ını  (1-3 birim) artırdığını;  elektrik iletkenliğini, su tutma kapasitesini ve esas olarak Pb hareketliliğini (% 89 - % 99 oranında) ve toprak gözenek suyunda alınabilirliğini azaltarak toprak koşullarını iyileştirdiğini göstermiştir.  Ancak, As konsantrasyonunun kullanılan bu iyileştiricilerle azalmadığı tespit edilmiştir. Ayrıca, osmokot eklenmesi ile toprak bakteri florasında belirgin farklılıklar saptanmıştır. Aktinomisetler, Mikobakterler, Enterobakter ve Azotobakter gruplarına ait mikroorganizmalarda önemli artışlara neden olmuş,  toprak gözenek suyundaki Pb ve As konsantrasyonlarında sırasıyla hafif bir artış ve azalmalar meydana gelmiştir (mezokozm 3). Osmokot uygulandığında daha iyi hale gelen sert ağaç odun (HWC)  biyokömürü Ailanthus altissima'nın büyümesini (mezokozm 1) sağlayan en iyi iyileştiricidir (mezokozm 3). Ancak Robinia pseudoacacia, bitki biyokütlesi üretimi yönünden bu iyileştiricilerden etkilenmemiştir (mezokozm 2). Pb ve As'in en yüksek konsantrasyonları ve dağılımları öncelikle kök sisteminde ve daha sonra gövde ve yapraklarda belirlendi. Bununla birlikte, bitkilerdeki Pb birikimi As'e göre önemli derecede yüksek bulunmuştur. Bitki köklerinin yıkanması için kullanılan reaktifler (CaCl2, EDTA ve HCl) sonucunda elde edilen verilere göre, kökler üzerinde adsorbe edilen Pb'un EDTA yöntemi ile CaCl2 ve HCl'den çok daha fazla temizlenebilir olduğu kaydedilmiştir. As için üç çözeltinin de aynı etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Verilerimiz, kirlenmiş topraktaki biyokömür ve kompost uygulamasının toprağın asitliğini azaltarak toprak durumunu iyileştirdiğini, Pb immobilizasyonu için etkili bir şekilde kullanılabileceğini ve böylece biyoyararlanımını azaltabileceğini açıkça göstermiştir. Son olarak, osmokot çözeltisi uygulamasının, fitoremediasyon kapsamında kullanılabilecek aday türler için önemli kriterlerden biri olan bitki biyokütlesi üretiminde en verimli yöntem olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
Soil contamination by metal(loid)s from industry and mining activities is one of the most important environmental problems. Indeed, metal(loid)s are not degradable and can accumulate in soils with high concentrations may cause harmful effects on the ecosystem (e.g.  loss of biodiversity). In addition, their contact and accidental consumption by animals and humans can cause health problems: by changing enzyme constituents they may cause loss of function, and some metal(loid)s are considered carcinogenic. Consequently clean-up techniques such as physical or chemical methods have been developed to reduce the impact of pollution in the soil. However these techniques are expensive and disturb the normal biological soil activities. One low-cost alternative and environmental friendly remediation technique is phytoremediation, which uses specific plants and the associated biota to control soil metal(loid)s availability in situ. Morever, plant establishment can be difficult due to the soil physico-chemical properties such as acidic pH and environmental phytotoxicity. Thus, amendments need to be applied to improve the soil conditions and phytoremediation applications. Among possible amendments, biochar, the product of biomass pyrolysis, is gathering attention in recent years because of its beneficial effects on soil fertility but also for its ability as metal(loid)s sorbent.  In this research, we aimed to investigate the effects of biochar on the technosol collected from a former mine (Pontgibaud/France) which was polluted by high levels of As (539 mg kg-1) and Pb (11453 mg kg-1). For this purpose, we evaluated three main factors: (i) soil physico-chemical properties; (ii) metal(loid)s mobility and bioavailability in the soil; (iii) phytoremediation ability of tolerant Ailanthus altissima and Robinia pseudoacacia plants in the context of amended contaminated soil. Three different mesocosm experiments were conducted by using technosol (P) amended with (i) 5% three different biochar derived from lightwood (LW), hardwood (HW) and pinewood (PW) and 5% compost (C) separately or in combination, (ii) 5% biochar hardwood (B) and 5% compost separately or in combination, (iii) 5% biochar hardwood in combination with 5% compost + with osmocote (osm+) or without osmocote (osm-). The tested species were Ailanthus altissima in the first and third mesocosm and Robinia pseudoacacia for the second mesocosm. Metal(loid) concentrations and the main chemical parameters were measured in soil pore water. Moreover, analysis of soil microorganisms were carried out in the same soil samples. Additionally, plant growth, dry weight of the organs and metal(loid)s concentration and distribution were determined for the two plant species. Our results showed that, 5% biochar and 5% compost additions to the Technosol  have improved soil conditions by increasing soil pH (1-3 unit), electrical conductivity, water holding capacity and also reduced mainly Pb mobility (by 89 to 99%) and availability in the soil pore water;  but As concentration was not diminished by the amendments used. Osmocote addition has also increased soil bacterial flora with a significant increase for microorganisms belong to Actinomycetes, Mycobacteria, Enterobacter and Azotobacter groups, and induced a slight increase and decrease of Pb and As concentrations in soil pore water, respectively (mesocosm 3). Hardwood biochar associated to compost (HWC), allowed the best Ailanthus altissima growth (mesocosm 1) and became better when osmocote was applied (mesocosm 3). But Robinia pseudoacacia plant biomass production was not affected by these amendments (mesocosm 2). The highest concentration and distribution of Pb or As was determined in the root system following the stems and leaves. However, the accumulation of Pb by plants was significantly more important than As. Usage of reagents (CaCl2, EDTA and HCl) to wash plant root systems have shown that the Pb adsorbed on the roots was very leachable by EDTA than CaCl2 and HCl; whereas these three solutions had the same effect on As. It was obtained that the application of biochar and compost on the contaminated soil improved soil condition by decreasing its acidity and can be used successfully to immobilize Pb by reducing its bioavailability for plants. Lastly, application of  osmocote solution is highly effective for the production of plant biomass, which is an essential criteria for the good candidate species in phytoremediation.