Ağır metallerin topraktaki amonyum oksidasyon bakterileri üzerindeki etkileri
The effects of heavy metals on ammonium oxidation bacteria in soil
Yazar: BÜŞRA CEMİLE DİL
Danışman: DOÇ. DR. FATMA BEDÜK
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Amonyum bileşikleri = Ammonium compounds ; Ağır metaller = Heavy metals ; Bakteriler = Bacteria ; Kadmiyum = Cadmium ; Kurşun = Lead ; Nikel = Nickel ; Toksisite = Toxicity ; Toprak = Soil

Özet:
Çevresel birçok kirletici topraktaki nitrifikasyon sürecini olumsuz yönde etkileyerek toprak verimliliğini düşürebilmektedir. Bu çalışmada toksik ağır metallerden biri olan kadmiyumun (Cd) topraktaki nitrifikasyon bakterileri üzerine olan inhibisyon etkisi araştırılmıştır. Cd ile birlikte toprakta bulunabilecek olan ağır metallerden Nikel (Ni) ve kurşunun (Pb) oluşturabileceği sinerjik etki tespit edilmiştir. Çalışmada kullanılan amonyum oksidasyon toksisite testi, toprak içinde bulunan birçok bakteri türünden biri olan nitrifikasyon bakterilerinin (nitrosomonas, nitrobakter) varlığını ve sağlıklı bir şekilde bu işlemi yapıp yapamadığını belirleyen bir akut toksisite testidir. Test prensibi olarak; nitirifikasyonda bir ara ürün olan ve nitrosomonas bakterileri tarafından oluşturulan NO2 miktarı SM 4500 NO2-B metodu ile spektrofotometrik olarak ölçülmüştür. İnkübasyonun gerçekleştirildiği inkübasyon çözeltisine potasyumdihidrojenfosfat (KH2PO4); dipotasyumhidrojenfosfat (K2HPO4); sodyumklorat (NaClO3) ve diamonyum sülfat ((NH₄)₂SO₄) eklenerek nitrifikasyon teşvik edilmiştir. Nitrifikasyon bakterilerinin germinasyon periyodu olan 6 saat süre içerisinde NO2 oluşumu izlenmiş ve kirletici eklenmeyen kontrol toprak numunesine kıyasla gerçekleşen inhibisyon yüzdeleri belirlenmiştir. Hedef konsantrasyonlar belirlenirken metallerin çevrede bulunan ortalama değerleri ve çevrede yaygın olmayan yüksek değer olarak seçilmiştir. Cd 10-900 mg/kg aralığında; Ni 50-100 mg/kg aralığında; Pb 10-500 mg/kg aralığında çalışılmıştır. Cd, Ni ve Pb'un sinerjik toksik etkisi 10 mg/kg Cd; 200 mg/kg Ni ve 50 mg/kg Pb için belirlenmiştir. Deneysel çalışmalarda fizikokimyasal özellikleri belirlenmiş olan ve Konya İli, Selçuklu İlçesinden alınan toprak örneği (S) kullanılmış ve çalışmanın son basamağında matriks etkisi Konya İli, Meram İlçesinden alınan toprak örneği (M) için belirlenmiştir.
S-Toprak örneğinin nitrifikasyon potansiyeli ortalama 7.4 mg NO2-N/kg.toprak.km olarak belirlenmiştir. İnkübasyon süresi sonunda gerçekleşen inhibisyon oranları değerlendirildiğinde çevrede yaygın olarak görülen 10 mg/kg.Cd konsantrasyonunda yaklaşık %20 seviyesinde inhibisyon olduğu tespit edilmiştir. 300-900 mg.Cd/kg konsantrasyonunda nitrifikasyon bakterilerinin %50'sinin inhibe olduğu tespit edilmiştir. Ni'in çevrede yaygın olarak bulunan 50-500 mg.Ni/kgkonsantrasyon aralığında topraktaki nitrifikasyon üzerindeki inhibisyon etkisi inkübasyon süresinin sonunda yaklaşık %20'ler seviyesinde olmuştur. Pb'un nitrifikasyon bakterileri üzerinde akut toksik etkisi diğer metallerden farklı olarak inkübasyon süresinin başında oldukça yüksek seviyelere ulaşmıştır. Ancak inkübasyon süresinin sonunda inhibisyon azalmış ve %30 seviyesinde kalmıştır. 20 mg/kg Cd, 200 mg/kg Ni ve 50 mg/kg Pb'un sinerjik olarak oluşturduğu etkinin inkübasyon süresi boyunca yaklaşık olarak %50 seviyesinde olduğu tespit edilmiştir. M-Toprak örneği ile yapılan çalışmada farklı özellikteki toprağın nitrifikasyon potansiyelinin değiştiği belirlenmiştir. Nitrifikasyon potansiyeli daha yüksek olan M-Toprağında ağır metallerin sinerjik toksik etkisi %40 seviyesinde gerçekleşmiştir.

Abstract:
Environmental pollutants can negatively affect the nitrification process in the soil and reduce soil fertility. In this study, the inhibition effect of cadmium (Cd), one of the toxic heavy metals, on nitrifying bacteria in soil was investigated. The synergistic effect of nickel (Ni) and lead (Pb), which can be found in the soil together with Cd, has been determined. The ammonium oxidation toxicity test used in the study is an acute toxicity test that determines the presence of nitrifying bacteria (nitrosomonas, nitrobacter),  and whether they can do this in a healthy way. As the test principle; The amount of NO2, which is an intermediate in nitrification and produced by nitrosomonas bacteria, was measured spectrophotometrically by the SM 4500 NO2-B method. Nitrification was promoted by adding potassium dihydrogenphosphate (KH2PO4), dipotassiumhydrogenphosphate (K2HPO4); sodium chlorate (NaClO3) and diammonium sulfate (NH₄)₂SO₄ to the incubation solution. Within 6 hours, which is the germination period of nitrifying bacteria, NO2 formation was monitored and the inhibition percentages were determined compared to the control soil sample, not containing any pollutants. While determining the target concentrations, the average values ​​of metals found in the environment and the high value that is not common in the environment were chosen. Cd has been studied in the range of 10-900 mg/kg; Ni; in the range of 50-100 mg/kg; and Pb; in the range of 10-500 mg/kg. Synergistic toxic effect of Cd, Ni and Pb was determined for 10 mg/kg Cd; 200 mg/kg Ni and 50 mg/kg Pb. Soil sample (S) taken from Konya Province, Selçuklu District, of which physicochemical properties were determined in the experimental studies, was used and in the last step of the study, the matrix effect was determined for the soil sample (M) taken from Konya Province, Meram District.
The nitrification potential of the S-Soil sample was determined as 7.4 mg NO2-N/kg.soil.km. When the inhibition rates at the end of the incubation period were evaluated, it was determined that there was approximately 20% inhibition at the concentration of 10 mg/kg.Cd, which is common in the environment (EC20). It was determined that 50% of nitrifying bacteria were inhibited at 300-900 mg/kg.Cd concentration (EC50). The inhibition effect of Ni on nitrification in the soil in the concentration range of 50-500 mg/kg.Ni, was approximately 20% at the end of the incubation period. Unlike other metals, the acute toxic effect of Pb on nitrifying bacteria reached very high levels at the beginning of the incubation period. However, at the end of the incubation period, the inhibition decreased and remained at the 30% level. It was determined that the synergistic effect of 20 mg/kg Cd, 200 mg/kg Ni and 50 mg/kg Pb was approximately 50% during the incubation period. In the study conducted with the M-Soil sample, it was determined that the nitrification potential of soil with different properties changed. In M-Soil, which has a higher nitrification potential, the synergistic toxic effect of heavy metals was realized at the level of 40%.