Ağır metal nanopartiküllerinin sinirli ot (Plantago)bitkileriyle fitoremediasyonu
Phytoremediation of heavy metal nanoparticles by plantain (Plantago) plants
Yazar: HİLAL EROĞLU
Danışman: PROF. DR. GÜLRİZ BAYÇU KAHYAOĞLU ; PROF. DR. THOMAS SAWIDIS
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Botanik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Botanik = Botany
Dizin: Nanopartiküller = Nanoparticles ; Çinko = Zinc ; Çinko oksit = Zinc oxide ; Çinko sülfat = Zinc sulfate

Özet:
Hızla artan Dünya nüfusuna paralel olarak ivme kazanan endüstriyel aktiviteler ile doğal kaynakların bilinçsiz kullanımı çevresel kirliliğin artışına doğrudan zemin hazırlamaktadır. Nano-endüstriyel faaliyetler sonucunda ZnO (Çinko Oksit) gibi nano düzeydeki parçacıklar çevreye yayılarak toksik miktarlarda birikim göstermektedir. Bu durum, doğa ve insan sağlığını ciddi bir şekilde tehdit eden küresel bir problem haline gelmiştir. Nanopartiküler ağır metaller, hacimsel (bulk) durumlarına göre fiziksel ve kimyasal özelliklerinde farklılıklar gösterirler. Bu nedenle çevreyle olan etkileşim mekanizmalarının hassas araştırmalarla ortaya konulması gerekmektedir. Çalışmamızda, kozmopolit yayılım göstermeleri ve değişen ekolojik şartlara kolayca uyum sağlamaları nedeniyle Plantago major L. ve Plantago lanceolata L. türleri model bitkiler olarak seçildi. Kum kültürlerinde yürütülen çalışmamızda, bitkilere 15 gün süreyle 100 mg/L nanopartiküler (P. B. <50 nm) ve hacimsel (bulk) ZnO uygulamaları yapılmıştır. ZnO uygulanan bitkilerin kök ve toprak üstü organlarında Zn birikimi ve toksik etkileri araştırıldı. Zn'nun, Ca, K, Mg, Mn ve Fe elementlerinin alımlarına etkisi ile birlikte meydana gelebilecek gelişimsel ve fitotoksik farklılıklar incelenerek bitkilerdeki fitoremediasyon potansiyelleri değerlendirilmiştir. Gelişimsel parametreler incelendiğinde; bitkilerin yaprak boyutları, sürgün uzunlukları, kök ve toprak üstü organlarının tolerans indeksleri ile kuru ve yaş ağırlıkların tür içi kontrol ve uygulama grupları arasında istatistiksel bir farklılık göstermediği kaydedilmiştir. Aynı zamanda karotenoid üretimi ve PSII aktiviteleriyle ilgili parametrelerin de hacimsel ve nanopartiküler ZnO uygulamalarından etkilenmediği görülmüştür. Buna karşın, kök/ sürgün oranlarıyla birlikte bitkilerin su içerik yüzdeleri, klorofil değerleri, köklerde fenolik miktarları, iyon sızıntı ve hücre membran hasar düzeyleri gibi fizyolojik parametrelerde bir takım farklılıklar bulunmuştur. Yapraklarda ölçülen PSII aktivitelerinin görsel ifadelerinde bulunan spatiotemporal heterojenlik seviyelerine göre başta NPQ olmak üzere bazı fotosentetik parametrelerin nanopartiküler ve hacimsel ZnO uygulamalarına karşı gösterdikleri tepkisel değerler için iyi birer indikatör olabilecekleri tespit edilmiştir. Element analizleri sonucunda hacimsel ve nanopartiküler Zn uygulamalarının genellikle toprak üstü organlarda Ca, Mg, Fe ve Mn gibi besin elementlerinin iletilmesini engelleyerek bu elementlerin köklerde birikim düzeylerini arttırdığı veya kültür ortamlarından köklere geçişlerini inhibe ettiği saptanmıştır. Bununla beraber, uygulama gruplarındaki K birikim düzeyleri kontrol gruplarına göre bazı farklılıklar göstermektedir. Zn birikimi her iki türde de benzer bir şekilde artış göstermesine rağmen, biyokonsansantrasyon düzeylerinin özellikle köklerde daha yüksek olduğu kaydedilmiştir. Ortalama Zn akümülasyonları dikkate alındığında; P. major L. türünün,  P. lanceolata L. türüne göre yaklaşık %17,71 oranında daha fazla çinko biriktirdiği bulunmuştur. Akümülasyon, translokasyon ve biyokonsantrasyon faktörleri ile ilgili veriler değerlendirildiğinde ise, her iki Plantago türünün de nanopartiküler veya hacimsel ZnO ile kirlenmiş alanların fitostabilizasyonunda kullanılabilme kapasitesine sahip oldukları sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Industrial activities that have gained acceleration and the unconscious use of natural resources in parallel with the rapidly growing world population directly facilitate the increase of environmental pollution. As a result of nano-industrial activities, nano-level particles such as ZnO (Zinc Oxide) can be released into the environment and accumulate in toxic quantities. This situation has become a global problem that seriously threatens nature and human health. Nanoparticular heavy metals show differences in their physical and chemical properties according to their bulk conditions. For this reason, the mechanisms of interactions with the environment need to be revealed through detailed research. Because of their cosmopolitan distribution and adaptation to changing ecological conditions, Plantago major L. and Plantago lanceolata L. species were chosen as model plants. Our experiments were carried out in sand cultures and plants were treated with 100 mg/L nanoparticular (P. S. <50 nm) and bulk ZnO for 15 days. ZnO toxicity and Zn accumulation in roots and in the above-ground plant organs were investigated. Effects of Zn on the uptake of Ca, K, Mg, Mn, Fe together with the developmental and phytotoxic differences in plants were evaluated and the phytoremediation potential of plants were discussed. There were no statistically significant differences between the control and application groups among the leaf size, shoot length, root and above-ground weights of plants and tolerance indices. At the same time, the parameters related to carotenoid production and PSII activities were not affected by the bulk and nanoparticular ZnO applications. On the other hand, some differences were found in the physiological parameters such as water content percentages, chlorophyll values, phenolic amounts in roots, ion leakage and cell membrane damage levels with root/shoot rates. It is determined that some photosynthetic parameters, especially NPQ, may be good indicators for the reactive values of nanoparticular and volumetric ZnO applications according to the levels of spatiotemporal heterogeneity found in visual expressions of PSII activities measured on leaves. As a result of the elemental analysis, it was determined that the bulk and nanoparticular Zn applications generally prevent the transfer of nutrients such as Ca, Mg, Fe and Mn to the above-ground organs, thus increasing the accumulation levels of these elements in the roots or inhibiting their transition from the culture media to the roots. However, the levels of K accumulation in the application groups show some differences compared to the control groups. Although Zn accumulation increased similarly in both species, the levels of bioconcentration were higher, especially in the roots. Considering the average Zn accumulations; P. major L. species was found to accumulate about 17.71% more Zn than P. lanceolata L. species. According to the results of the accumulation, translocation and bioconcentration factors, it can be concluded that both Plantago species were capable of being used in the phytostabilization of the areas contaminated with nanoparticular or bulk ZnO.