Biyolojik yöntemle permeabilitesi iyileştirilen odunun bazı özelliklerinin ve bakır dağılımının incelenmesi
Evaluation of some properties and copper distribution in wood after permeability improvement by a biological method
Yazar: DAVUT BAKIR
Danışman: PROF. DR. AYŞE DİLEK DOĞU ; PROF. DR. NURAL YILGÖR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Orman Biyolojisi ve Odun Koruma Tekn. Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering

Özet:
Bu çalışmada ülkemizin Doğu Karadeniz Bölgesinde yayılış gösteren ve permeabilitesi düşük ağaç türlerinden biri olan Doğu ladini (Picea orientalis L.) odununun emprenye edilebilirliğini biyolojik delme işlemiyle artırarak orman ürünleri endüstrisinde en fazla tercih edilen sarıçam (Pinus sylvestris L.) diri odununa yaklaştırmak hedeflenmiştir.

Bu kapsamda Doğu ladini diri ve olgun odun kısımlarından elde edilen odun örneklerine (10 x 2,5 x 2,5 cm) biyolojik delme işlemi uygulanmıştır. Biyolojik delme işlemi uygulanan ve uygulanmayan (kontrol) örnekler daha sonra farklı boyutlardaki emprenye maddeleri (mikronize bakır quat, Celcure AC-500) ile daldırma (10 dak.) ve vakum (20 dak., 40 mbar) yöntemleri kullanılarak emprenye işlemlerine tabi tutulmuşlardır.

Emprenye işlemlerinin ardından odundaki bakır penetrasyonunu ve retensiyonunu belirlemek amacıyla; emprenye madde alınımı (g), bakır penetrasyon alanı değeri (cm2), bakır retensiyon miktarı (ppm) ve bakır retensiyon yüzde dağılım oranı (%) tespiti gibi dört değerlendirme ölçütü seçilmiştir. Odunun mikroyapısındaki bakır dağılımına yönelik belirlenen bakır retensiyon yüzde dağılım oranı (%), SEM-EDX cihazı kullanılarak, odunda tutulan bakırın tespitine yönelik elde edilen bakır retensiyon miktarı (ppm) ise ICP-OES cihazı kullanılarak belirlenmiştir. Bakır penetrasyon alanı değeri (cm2) çalışmaları ise dijital ortamda ArcGIS coğrafi bilgi sistemi yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Emprenye işlemine tabi tutulan kontrol ve biyolojik delme işlemi uygulanmış örneklerden bazıları AWPA E 11-97 standart yıkanma testlerine tabi tutulmuşlardır.

Çalışmadan elde edilen verilerin istatistik yönden analizi amacı ile değerler üzerinde varyans analizi (Anova) yapılmıştır. Birbiri ile farklılık gösteren grupların tespiti amacı ile ise Tukey testi kullanılmıştır. Elde edilen bilgiler literatür bilgileri ile karşılaştırılmış ve değerlendirmeler yapılmıştır. Böylece biyolojik delme amacıyla kullanılan ve bir beyaz çürüklük mantarı olan Physisporinus vitreus mantarının emprenye madde alınımı, bakır penetrasyon ve retensiyonu ile bakır emprenye madde yıkanması üzerine etkileri tartışılmıştır.

Emprenye işlemleri sonrasında biyolojik delme işlemine bağlı olarak kullanılan emprenye maddelerinin alınımında önemli artışlar gözlenmiştir. Biyolojik delme işleminden sonra elde edilen verilerde, ladin olgun odunundaki emprenye maddesi alınımı (8,46 ± 0,51 g) sarıçam diri odununa (7,1 ± 0,72 g) nazaran kısmen daha yüksek çıkmış olsa da ladin diri odun kısmındaki emprenye madde alınımı (3,73 ± 0,50 g) biyolojik delme öncesine nazaran yüksek olmasına rağmen yine de sarıçam diri odunundan düşük bulunmuştur.

Aynı şekilde biyolojik delme işlemi neticesinde ladin diri ve olgun odununda meydana gelen farklı ağırlık kayıplarına bağlı olarak bakır penetrasyon alanı değerlerinde önemli bir artış olmasına rağmen bakır retensiyon miktarı ve bakır retensiyon yüzde dağılım oranında ciddi bir artış tespit edilememiştir. Elde edilen bu sonuçlarda biyolojik delme işlemi neticesinde özellikle % 10 ağırlık kaybından sonra odunda çözücü alınımı artmasına rağmen koruyucu bakır tuzlarının alınımında herhangi bir değişiklik olmadığını göstermiştir. Yıkanma testi sonuçlarına göre; biyolojik delme öncesi ve sonrasında Cu (bakır) elementi yıkanma miktarlarının (ppm) süreye, kullanılan emprenye madde tipine, uygulanan emprenye yöntemine ve farklı odun kısımlarına bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir.

Physisporinus vitreus mantarının ladin diri ve olgun odun kısımlarının kimyasal ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini daha iyi anlayabilmek için FTIR-ATR (Fourier transform infrared spectroscopy) analizleri, % 1'lik NaOH çözünürlük testleri, yoğunluk ve liflere paralel basınç direnç testleri yapılmıştır. Elde edilen basınç direnç testi sonuçları, biyolojik delme işlemi amacıyla kullanılan P. vitreus mantarının ladin odunundaki ağırlık kaybı artışına bağlı olarak olgun odunda göz ardı edilebilir bir direnç kaybına neden olduğunu, fakat diri odundaki direnç kayıplarının ise önemli olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, yapılan tüm test çalışmaları mantarın % 10 ağırlık kaybına kadar tükettiği kimyasal bileşen ve maddelerin ladin diri ve olgun odununda farklı olma ihtimalinin yüksek olduğunu göstermiştir.

Biyolojik delme işlemi neticesinde ladin diri ve olgun odununda P. vitreus mantarının etkileri mikroskopik olarak incelenmiştir. Ladin diri ve olgun odun kısımlarının mikroskopik yapısının incelenmesinde ışık mikrokopu ve SEM kullanılmıştır. Biyolojik delme sonrası ladin odun örneklerinde yer alan ilkbahar odunu tabakası ve geçiş zonu boyuna traheid radyal çeperlerinde bulunan kenarlı geçitlerdeki, ilkbahar odunu tabakası karşılaşma yeri geçitlerindeki ve enine traheid kenarlı geçitlerindeki bozunma oranının meydana gelen ağırlık kaybı artışına bağlı olarak arttığı belirlenmiştir.

Bu tez kapsamında elde edilen tüm veriler, biyolojik delme işlemi uygulamalarında optimum süre olarak 6 haftayı esas almanın daha doğrusu % 10 ağırlık kaybına kadar kontrollü çürütme yapılmasının biyolojik delme işleminin başarı ölçütlerinden olan permeabilitenin yeterince artırılması, fakat mekanik direncin azalmaması hedeflerini gerçekleştirmede en önemli etken olduğunu göstermiştir. Çünkü optimum inkübasyon süresinin verimliliği ve P. vitreus mantarının iyi gelişebilmesi; tüm koşulların elverişli olmasına, homojen bir biyolojik delmenin gerçekleşmesi ise misellerin tüm odun yüzeyini tamamen sarmasına bağlıdır. Bu yüzden biyolojik delme uygulamalarında (≤ % 10) ağırlık kaybını hedeflemenin daha doğru olacağı belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmadan elde edilen sonuçlar Türkiye Orman Ürünleri Endüstrisi açısından umut vericidir.

Anahtar kelimeler: Doğu ladini, Permeabilite, Biyolojik delme, Mikroskopik yapı, Yıkanma, Bakır esaslı koruyucular

Abstract:
This study was aimed to enhance the permeability of spruce wood (Picea orientalis L.) distributed in the Eastern Black Sea Region of Turkey. Since it possesses low permeability, this study was intended to bring its permeability class by a bio-incising process to the level of the sapwood of Scots pine (Pinus sylvestris L.), the preferred wood in the forestry industry.

In this context, the bio-incising process was applied to the wood specimens (10 x 2,5 x 2,5 cm) obtained from the sapwood and heartwood portions of spruce wood. Afterwards, the bio-incised and non-bio-incised specimens (control) were treated with micronized copper quat and Celcure AC-500 wood preservatives by either dipping (10 min) or vacuum (20 min, 40 mbar) methods.

Following the impregnation with the preservative solutions, four criteria were chosen to determine the copper penetration and retention; (i) the uptake of wood preservatives (g), (ii) the area of the wood structure that contains copper penetration (cm2), (iii) the amount of copper retained in wood (ppm), and (iv) the percentage of copper distribution in wood (%).  Copper distribution in the micro-structure of wood and the amount of copper retained (ppm) in the wood were evaluated by using SEM-EDX and ICP-OES, respectively. The area of copper penetration in wood (cm2) was also carried out using the ArcGIS software packages in the digital environment. Leaching tests of bio-incised and control wood specimens treated with the wood preservatives were performed according to the AWPA E 11-97 standart test method.

For statistical analyses, variance analysis (ANOVA) was used to compare several groups of observations, and all data were then statistically compared by Tukey's test. The results were also compared with the results of previous studies. The effects of Physisporinus vitreus, a white rot fungus, on the uptake of wood preservatives, copper penetration and retention, and leaching of copper element were thus discussed.

After the bio-incising process, a significant increase was observed in the uptake of wood preservatives. Results showed that after the bio-incising process, although the uptake of wood preservatives in spruce heartwood (8.46 ± 0,51 g) was relatively higher than the uptake of wood preservatives in Scots pine sapwood (7,1 ± 0,72 g), the uptake of wood preservatives in spruce sapwood (3,73 ± 0,50 g) was relatively higher than the control specimens but lower than Scots pine sapwood.

Similarly, due to the difference in mass losses (5-10 % to 10-15 %) from the bio-incising process in the sapwood and heartwood of spruce, no effect could be recorded on the amount of copper retained in the wood and the percentage of copper retention distribution above a certain mass loss (> 10 %) in the bio-incised wood, even though the uptake of the wood preservatives and the copper penetration area values in the bio-incised wood increased. The methods resulted in a higher uptake of solvent above a certain mass loss (over 10 % of mass losses) in the bio-incised wood, but the uptake of the copper preservatives remained unaffected. Before and after the bio-incising process, the amount of leached Cu showed variations based on time, wood preservative type, impregnation method and wood portions (sapwood /heartwood).

FTIR-ATR analysis, 1% NaOH solubility test, wood density test and compression strength parallel to grain test were carried out to understand the effects of Physisporinus vitreus on the chemical and mechanical properties on the bio-incised and control wood specimens.

The results of compression strength test showed that P. vitreus fungus used for the bio-incising process increased the mass losses in both sapwood and heartwood. In heartwood, the compression strength reduced negligibly; however, the decreases in compression strength in sapwood were significant.

The results of all tests showed that there was a high probability that the chemical substances and components consumed by the fungus up to 10 % of mass loss were different in the sapwood and heartwood.

The effects of P. vitreus' activity were evaluated in the micro-structure of spruce sapwood and heartwood after bio-incising. The micro-structure of the spruce sapwood and heartwood was examined using light microscope and scanning electron microscope (SEM). In spruce specimens, degradation rates of bordered pits on longitudinal tracheid radial walls in earlywood and transition zone and the cross-field pits and the ray tracheid pits in earlywood increased in proportion to the increases in mass loss.

All data obtained within the scope of this thesis have showed that controlled fungal activity up to 10 % mass loss in 6 weeks, (the optimum time in the bio-incising process) is the most important factor in achieving desirable permeability without decrease in mechanical strength. Thus, the efficiency of the optimum incubation period and proper growth of P. vitreus depend on all conditions being favorable, while homogeneous bio-incising depends on the complete coverage of the wood surface. Therefore, it is more appropriate to aim a mass loss less than 10% in the application of bio-incising process. Consequently, this study has promising results that could be used by the Turkish forest products industry.

Keywords: Picea orientalis L., Permeability, Bio-incising, Micro-structure, Leaching, Copperbased preservative