Ağır Metaller

Ağır metal tanımı daha çok toksik veya ekotoksik metal ve yarımetaller için kullanılmakla birlikte, özgül ağırlıkları 5 g/cm3’den büyük olan ve atom numarası 20 den fazla olan elementler ağır metaller olarak tanımlanmaktadır (Duffus, 2002; Tangahu vd., 2011, Jaishankar vd., 2014). Kurşun, kadmiyum, krom, demir, kobalt, bakır, nikel, çinko, molibden, vanadyum, alüminyum, arsenik, antimon, civa, kalay ve mangan gibi 60’dan fazla element ağır metaller sınıfına girmektedir (Türkmenoğlu, 2017).

Ağır metaller biyolojik sistemlerdeki işlevlerine göre, yaşamsal ve yaşamsal olmayanlar olarak iki gruba ayrılırlar. Canlıların yaşamlarını devam ettirebilmeleri için belirli düzeylerde ihtiyaç duydukları ağır metallere yaşamsal ağır metaller, canlıların yaşamlarını devam ettirebilmeleri için ihtiyaç duymadıkları ağır metallere ise, yaşamsal olmayan ağır metaller denir (Sanchez-Chardi ve Lopez-Fuster, 2009). Çinko, bakır, mangan, nikel ve kobalt gibi ağır metaller canlı metabolizmasında önemli rol oynarken, kadmiyum, kurşun ve civanın biyolojik fonksiyonları bilinmemektedir ve yaşamsal ağır metal değildir (Cegłowski vd., 2015; Sanchez-Chardi ve Lopez-Fuster, 2009; Tangahu, vd., 2011). Bakır, selenyum, çinko gibi bazı ağır metaller insanlar için; Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Ni gibi bazı ağır metaller bitki ve hayvanlar için elzem olmakla birlikte belli bir derişimin üstünde alındığında zehirleyici etkiye sahiptir (Cegłowski ve Schroeder, 2015; Dutta ve Das, 2012;Nagajyoti vd., 2010). Bitki gelişimi için Fe, Cu, Zn, Mn ve Mo yaşamsal; V, Co ve Ni gerekli; As, Pb, Cd, Cr ve Hg ise bitkiye direkt toksik etki yapmaktadır (Özyürek, 2016).

Organik kirleticilerin tersine, biyolojik olarak parçalanamayan ve yaşayan organizmalarda birikme eğilimi gösteren ağır metaller, atık sularda bulunan en yaygın kirleticilerdir ve birçok çevre sorununa, birçok ekosistemin bozulmasına yol açmaktadır (Gautam vd., 2015; Chauhan ve Patel, 2014; Jaishankar vd., 2014; Fu ve Wang, 2011). Pek çok ağır metal iyonu toksik veya kanserojen olarak bilinmektedir (Fu ve Wang, 2011). Belli bir derişimin üstünde hepsi toksik etkiye sahip olan ağır metaller arasında Hg, Ag, Cd, Cr, Pb, Tl, Co ve Ni en toksik metallerdir (Cegłowski vd., 2015; Dutta ve Das, 2012).

Yer kabuğunda doğal olarak bulunan ağır metallerin ekolojik sistemde yayılmaları dikkate alındığında, doğal yollardan daha çok insan kaynaklı etkiler nedeniyle çevreye yayılmaktadır. Pek çok endüstri alanında ve metalurjik faaliyetlerde ağır metaller kullanılmaktadır. Ağır metallerin çevreye yayılmasında etkili olan en önemli faaliyetler madencilik, demir-çelik sanayi, termik santraller, cam üretimi, evsel ısınma sistemleri, motorlu taşıtlar, gübreler, pestisitler, şeker, çimento, petrokimya ve metal endüstrileri, çöp ve atık çamur yakma tesisleridir (Türkmenoğlu, 2017; Çay, 2014; Fu ve Wang, 2011; Nagajyoti vd., 2010).

Atık sularda en yaygın olarak bulunan arsenik, kadmiyum, krom, bakır, kurşun, nikel ve çinko insan sağlığı ve çevre açısından risk oluşturmaktadır (Jaishankar vd., 2014; Nagajyoti vd., 2010).

2.3.1 Ağır metallerin etkileri

Ağır metaller canlı organizmalarda çeşitli biyokimyasal ve fizyolojik işlevleri sürdürmek için elzem olmalarına rağmen ancak belirli bir sınır konsantrasyonlarını aştıklarında zararlı hale gelirler (Jaishankar vd., 2014, Gautam vd., 2015).

Hava, su veya gıdalar yoluyla vücuda alınabilen ağır metallerin sağlığa pek çok olumsuz etkiye sahip olduğu ve bu etkilerinin uzun süre devam ettiği bilinmektedir (Jaishankar vd., 2014; Gautam vd., 2015). Ağır metallerin beyin, akciğer, böbrek, karaciğer ve diğer önemli organlara zarar verebildiği, uzun süreli maruz kalındığında MS, Parkinson, Alzheimer ve kas distrofisi gibi hastalıklara, hatta bazı metal ve bileşiklerine tekrarlanan uzun süreli maruz kalmaların kansere bile sebep olduğu bilinmektedir (Jaishankar vd.,2014). En yaygın ağır metal kirleticileri kadmiyum, krom, bakır, civa, kurşun ve çinkodur. Kurşun, kobalt, kadmiyum gibi toksik ağır metaller canlılarda biriktiklerinden düşük konsantrasyonlarda bile çeşitli hastalık ve düzensizliklere sebep olmaktadırlar (Tangahu vd., 2011).

Ağır metallerin birçoğu, hücrelerdeki enzim yapıları üzerinde inhibitör etkisi yaparak hücresel fonksiyonlarda aksamalara yol açarlar ve ağır metal zehirlenmesi meydana gelir. Bütün bunlara rağmen sanayide ağır metal kullanımı gün geçtikçe artmakta ve bu metaller, atık sular yoluyla gıda zincirine girebilmektedir. Su, hava veya gıda yoluyla alınan ağır metallerin canlılar üzerindeki olumsuz etkileri, inhibitör etkisinin yanında ilerleyen zamanlarda ortaya çıkabilecek, akciğer kanseri, sinir sistemi bozuklukları, astım, böbreklerde tahribat, karın ağrısı ve gözlerde tahriş gibi çeşitli hastalıklar da olabilmektedir (Bayraktar, 2012). Bu maddeler, organik kirleticilerin aksine parçalanarak yok olmazlar ve uzun süre ortamda kalabilirler. Bu nedenle ağır metallerin fiziksel olarak uzaklaştırılması veya toksik olmayan bileşiklere dönüştürülmeleri gerekir (Tangahu vd., 2011).

İlk kez I. Dünya Savaşı sırasında boya endüstrisinde kullanılan kadmiyum, şarj edilebilir pillerde, özel alaşım üretiminde, elektrokaplama, lehim, seramik, fotoğraf, elektronik, insektisit, gübre, boya gibi çeşitli endüstrilerde, metalurjik proseslerde kullanılmakta ve sigara tütününde bulunmakta; kurşun, bakır, çinko gibi metallerin üretiminde yan ürün olarak elde edilmektedir (Jaishankar vd., 2014; Gautam vd., 2015; Bidari vd., 2013; Yan vd., 2015; Bidari vd., 2014; Rao 2010). Ayrıca plastik yapımında stabilizatör olarak kullanılmaktadır (Jaishankar vd.,2014).

Birçok endüstride ve metalurjide kullanılan kadmiyum ve bileşiklerini içeren atıklar çevre için önemli kirleticilerdir (Kumar vd., 2009; Pospiech, 2015). Metalurjik ve sanayi atıklarının, kadmiyum içeren fosforlu gübrelerin ve lağım sularının toprağa karışmasının sonucu, toprak, hava ve su ortamlarına yayılan kadmiyumun besin zinciri ve solunum yoluyla insan ve hayvanlara ulaştığı bilinmektedir (Türközü ve Şanlıer, 2012). Hububat, yapraklı ve köklü sebzeler, meyveler, sıvı-katı yağlar, et ve süt ürünlerinin kadmiyumla kontamine olabildiği bilinmektedir. Özellikle kök bitkileri ve posalı yeşil sebzelerde fazla oranda kadmiyum bulunabilirken, et, sakatat ve deniz ürünlerinde de diğer gıdalara nazaran daha fazla kadmiyum bulunmaktadır. Kadmiyum, su kaynaklarına karıştığında, dibe çökmekte ve derinlerde yaşayan canlılara, daha sonra bu bitki ve hayvanların tüketimi veya suda çözünmüş halde bulunan kadmiyumun deri ve solungaçlardan emilimiyle balıklara geçmektedir. Bu durum özellikle su dibinde beslenen yumuşakçalar ve kabuklularda görülmüştür (Türközü ve Şanlıer, 2012).

Kadmiyum ve bileşikleri toksik ve kanserojen maddelerdir, solunum veya ağızdan alma yoluyla bu metale maruz kalındığında akut ve kronik zehirlenmeye yol açabilmektedir (Bidari vd., 2013; Jaishankar vd., 2014). Kadmiyumun en önemli kronik zehirlenmesi Japonya’nın Toyama kentinde görülmüştür. İtai-İtai hastalığı, kadmiyum zehirlenmesine bağlı olduğu saptanan ilk hastalıktır ve maden atıkları ile kirlenmiş sularla sulanan çeltik tarlalarında yetişen pirinçlerle beslenen insanlarda görülmüştür. Kalıcı kemik ve böbrek rahatsızlıkları sebep olduğu, otuz beş yıl içinde yaklaşık 100 kişinin bu nedenle öldüğü belirtilmiştir (Dağhan, 2011).

Kadmiyum, ATSDR (The Agency for Toxic Substances and Disease Registry) sıralamasında en toksik yedinci ağır metaldir ve yaşam boyunca vücutta birikmektedir.

Kadmiyum ve bileşikleri, Uluslararası Kanser Araştırma Ajansı tarafından Grup 1 Karsinojenler olarak sınıflandırılmıştır. Böbrekler için oldukça toksiktir, kemik mineralizasyonuna, kemik erimesine sebep olabilir. Yüksek miktarda solunması akciğerlerde ciddi hasara, yüksek miktarda ağız yoluyla alınması mide tahrişine sebep olabilir, düşük konsantrasyonlarda çok uzun süre maruz kalındığında böbrekte birikerek, böbrek hastalığına, kırılgan kemiklere ve akciğer hasarına sebep olabilir (Jaishankar vd., 2014). Cd (II) iyonları da oldukça toksiktir ve düşük seviyede bile maruz kalınması, kemik lezyonlarına, kansere, akciğer yetmezliğine ve hipertansiyona yol açabilmektedir (Yan vd., 2015). ATSDR’ye göre Amerika Birleşik Devletlerinde, her yıl 500,000 den daha fazla işçi toksik kadmiyuma maruz kalmaktadır (Jaishankar vd., 2014).

Toksik ve kanserojen etkilere sahip olmalarına rağmen birçok endüstride kullanılan bu metallerin geri kazanımı hem çevre, hem de endüstri açısından önemlidir. (Kumar vd., 2009, Pospiech, 2015)

2.3.3 Nikel

Yer kabuğundaki belli başlı elementlerden olup, yüzyıla yakın bir süredir endüstride kullanılmakta olan nikel ve bileşikleri elektrokaplamada, pillerde, kimyasal katalizör olarak, pigmentler, mıknatıslar, madeni para, kaynak ürünleri, elektrik fişleri, elektrotlar, otomobil, uçak, makine parçaları, kozmetikler, paslanmaz çelik gibi birçok endüstriyel uygulamada kullanılmaktadır (Gautam vd., 2015). Metalik parlaklığını koruması nedeniyle geniş bir kullanım alanına sahiptir. Kadmiyum pillerinde ve elektronik endüstrisinde, özel alaşımların yapılmasında, paslanmaz çelik, aşınmaya dirençli alaşımların yapılmasında, cama yeşil rengi vermek için, hidrojenleme tepkimelerinde katalizör olarak, zırh kaplamasında, dekoratif eşya yapımında kullanılan bir metaldir (Bozanta, 2012).

Nikel, kaya ve toprağın suda çözülmesi, biyolojik çevrimlerin yanısıra özellikle endüstriyel proseslerin atık suları, nikel-kadmiyum piller, fosil yakıtların ve yağların yanması, madencilik, rafinasyon işlemleri ve kentsel atıkların külleştirilmesi ile çevreye yayılmaktadır (Eylenoğlu, 2008; Bozanta, 2012). Gıdalar, doğal olarak az miktarda nikel içermektedir (Alkış, 2011). Ayrıca sigarada da bulunmaktadır (Gautam vd., 2015).

İnsanlar solunumla, içme suyuyla, gıdaların tüketimiyle, deri temasıyla veya sigara içilmesiyle nikele maruz kalmaktadır.

Nikel kırmızı kan hücrelerinin sentezinde elzem bir rol oynarken, yüksek dozlarda toksiktir. Uzun süre yüksek dozuna maruz kalındığında, zamanla vücutta birikerek kalbe ve karaciğere zarar verir, kansere ve sinir sistemi hasarına, akciğer fibrozisleri, kardiyovasküler ve böbrek hastalıklarına yol açabilir (Gautam vd., 2015; Akgöl vd., 2006). Nikelin toksikliği ile ilgili yapılan çalışmalar sonucunda nikelin alerjik reaksiyonlara sebep olduğu deriyi tahriş etmesinin yanında kalp-damar sistemine çok zararlı bir metal olduğu, bazı nikel bileşenlerinin kanserojenik etkiye sahip olduğu, solunum ve bağışıklık sisteminde çeşitli bozukluklara yol açtığı tespit edilmiştir (Eylenoğlu, 2008; Alkış, 2011; Dutta ve Das, 2012). Uluslararası Kanser Araştırma Örgütü (IARC), metalik nikel hariç bütün nikel bileşiklerini kanserojen maddeler sınıfında tanımlamıştır (Bayraktar, 2012).

Toksik özellikleri nedeniyle sulu ortamlardan uzaklaştırılması gereken nikel iyonları, aynı zamanda sahip oldukları teknolojik değeri nedeniyle de geri kazanımı önemli olan bir ağır metaldir.