Metal Biyosorpsiyonunda

Bazı mikroorganizmaların metalleri akümüle etme yeteneğine sahip olduğu 1980’lerin ilk yıllarında ortaya konmuştur. Toksikolojik bakış açısıyla pek çok araştırma yayınlanmıştır, fakat bu araştırmalar canlı hücrelerin aktif metabolizmasından kaynaklanan akümülasyonun, mikrobiyal hücrelerin metabolik aktiviteleri üzerine metallerin etkileri ve gıda zincirindeki akümülasyonun sonuçları ile ilgiliydi (Vijayaraghavan ve Yun, 2008).

Ancak daha sonra yapılan pek çok araştırma, inaktif/ölü mikrobiyal biyokütlenin pasif bir şekilde çeşitli fizikokimyasal mekanizmalarla metallere bağlanabildiğini ortaya çıkardı. Bu yeni bulgularla birlikte biyosorpsiyonla ilgili çalışmalar, metallerin uzaklaştırılması için önerilen farklı orjinli birçok biyosorbentin bulunmasıyla ivme kazanmaya başladı. Araştırmalar biyosorpsiyonun sadece biyokütlenin kimyasal

kompozisyonuna veya tipine bağlı olmadığını aynı zamanda dış fizikokimyasal faktörler ve solüsyonun kimyasına da bağlı olduğunu göstermiştir (Ahluwalia ve Goyal, 2007) .

1985’ten itibaren bazı biyokütle çeşitlerinin metal bağlama kapasitelerinin değerlendirilmesi hız kazanmıştır. Metal biyosorbsiyonunda etkin olarak kullanılacak biyolojik moleküller, oldukça geniş bir spektruma sahiptir (Şekil 5). Bazı biyosorbentler belirli önceliği olmadan ağır metallerin büyük miktarını bağlayabilir ve biriktirebilir, oysaki bazıları belirli metal tipleri için spesifiktir (Regine ve Volesky, 2000). Metal uzaklaştırılması için temelde kullanılan biyosorbentler; bakteriler, funguslar, maya, algler, endüstriyel atıklar, tarımsal atıklar ve polisakkarit materyallerdir (Regine ve Volesky, 2000; Wang ve Chen, 2006) .

Metal biyosorpsiyonu için biyokütle seçiminde, biyokütlenin kökeni hesaba alınması gereken en önemli faktördür. Biyokütle; yiyecek, süt ve nişasta gibi endüstri dallarının fermantasyon atıklarından veya aktif çamurdan elde edilebilir. Ayrıca doğal ortamlardan gelen organizmalar (bakteri, maya, mantar ve alg) iyi biyokütle kaynaklarıdır. Biyosorpsiyon amaçlı özellikle kültürü yapılan hızlı büyüyen organizmalar (deniz yosunları) biyosorbent olarak kullanılabilir (Regine ve Volesky, 2000; Alluri ve ark., 2007).

Mikrobiyal kaynakların dışında yün, pirinç, çilek, hindistan cevizi kabuğu, atık kahve, yosun, atık çay, ceviz ağacı kabuğu, keten tohumu kabukları, buğday kepeği, sert kereste testere tozu, soya fasulyesi kabukları gibi tarımsal ürünlerin iyi birer biyokütle kaynağı oldukları kanıtlanmıştır (Alluri ve ark., 2007) .

Ayrıca bazı sucul bitkilerden Eicbbornia crassipes, Ipomoe aquatica, Iris pseudocorus, Azolla pinnata, Lemna minor L. ve Salvina molesta metal biyosorbsiyonu yeteneklerine sahiptir. Yine Lycopercicon escu/entum (domates) ve Nicotiana tobaccum (tütün) gibi bitkiler de metal birikimi yapabilmektedir (Jain ve ark., 1990; Sen ve Mondal, 1990;Volesky ve ark, 1993).

Bununla birlikte, deniz yosunu, alg, mantar, maya ve bakteriler ile yapılan biyosorpsiyon çalışmaları ümit vericidir (Regine ve Volesky, 2000; Alluri ve ark., 2007)

Deniz yosunu ve Algler: Son zamanlarda diğer bir biyosorbent olan deniz yosunu önem kazanmaya başlamıştır (Regine ve Volesky, 2000; Davis ve ark., 2003). Deniz algleri, deniz yosunu olarak bilinirler ve dünyanın büyük bir kısmında mevcut olan biyolojik kaynaklardır. Deniz yosunları deniz bentik alglerinin geniş bir grubudur. Geniş yüzey alanlarından dolayı biyosorpsiyon için birçok avantaja sahiptir. Bu özellik biyosorpsiyon işlemi için uygun biyosorbent partiküllerinin üretiminde temel bir elverişlilik sağlar. Hem katyonik hem de anyonik metal bileşikleri için çok-fonksiyonlu metal bağlanma bölgeleri ihtiva ederler (Vijayaraghavan ve Yun, 2008). Algal hücre komponentlerinin potansiyel metal katyonları bağlanma bölgeleri; karboksil, amin,

imidazol, fosfat, sülfat, sülfidril, hidroksil ve hücredeki protein ve şekerlerin ihtiva ettiği kimyasal fonksiyonel gruplardır (Crist ve ark., 1981; Davis ve ark., 2000; Regine ve Volesky, 2000; Davis ve ark., 2003; Alluri ve ark., 2007). Algler; kırmızı, yeşil ve kahverengi deniz yosunlarıdır ki bunlar arasında kahverengi deniz yosunları mükemmel biyosorbent olarak bilinirler (Romero ve ark., 2006; Vijayaraghavan ve Yun, 2008). Bu özelliğin nedeni, hücre duvarında jel formunda bulunan aljinik asit ihtiva etmesidir. Aljinik asit, nötral pH’da anyonik karboksilat ve sülfat iyonları ihtiva etmektedir (Alluri ve ark., 2007). Tatlı su formları ise galakturonik asit ve onun polimeri olan pektini içerir ki bunlar metalin bağlanacağı anyonik bölgelere sahiptirler ve bu bölgelere metaller elektrostatik ilgi ile bağlanabilir (Vijayaraghavan ve Yun, 2008).

Mantarlar ve Mayalar: Mantarların büyük bir kısmı filamentli veya hifsel gelişim gösterirler. Mantarların hücre duvar yapıları çok tabakalıdır ve bu yapının kuru ağırlığınının % 90’ından fazlası amino veya amino olmayan polisakkaritlerden meydana gelmiştir (Yan ve Viraraghavan, 2000). Mantarların hücre duvarlarının, bir polisakkarit matriksi içerisine gömülü kitin iskeleti ihtiva eden iki fazlı sistemden oluştuğu düşünülmektedir.

Hücre duvarları; polisakkarit ve glikanlar (β-1-4 ve β-1-3 D-glukoz atıklarına bağlanmış), kitin (β-1-4 N-asetil-D- glukozamine bağlanmış), kitozan (β-1-4 D- glukozamine bağlanmış), mannanlar (β-1-4 mannoza bağlanmış) ve fosformannanlar (fosforlanmış mannanlar) gibi glikoproteinlerce zengindirler. Amin, imidazol, fosfat, sülfat, sülfidril ve hidroksil gibi çeşitli metal bağlanma grupları bu polimerlerin içerisinde bulunur. Ayrıca maya hücrelerinin bazı kimyasal bileşikleri katyonların hızlı tersinir bağlanmasıyla iyon değiştirici gibi rol oynarlar (Alluri ve ark., 2007). Bu mikroorganizmalar farklı gıda/ilaç endüstrilerinde yaygın bir şekilde kullanıldığı için, kullanılan mikroorganizmanın kendisi atık olarak oluşur, böylelikle bu endüstrilerden mikroorganizmalar daha ucuz olarak elde edilirler. Ayrıca genetik ve morfolojik manipulasyon çalışmalarında kolaylıklar içermesi, özellikle toksik metallerin yüksek derişimlerine karşı farklı dirençlilik yetenekleri ve mikoriza üretmeleri tercih nedenleridir. Bunun yanında yine saprofit özellikteki mantarların metal biyosorbsiyon

yeteneklerinin yüksek olduğu da gözlenmiştir (Costa ve Leite, 1991; Zhou ve Kiff, 1991).

Bakteriler: Değişik bakteri türleri arasındaki farklılıklar, onların yüzey bağlanma bölge sayısı, farklı iyonlar için farklı bağlanma mekanizmalarının bağlanma kuvveti ile ilişkilendirilir (Alluri ve ark., 2007). Biyosorpsiyon boyutu sadece iyonunun tipine bağlı değildir aynı zamanda bakterinin cinsine de bağlıdır. Bu durumun sebebi de hücre duvarı yapılarındaki farklılıklardır. Çok kısa etkileşim zamanları genellikle metal- bakteriyel biyokütle durumu elde etmede yeterlidir. Bakteriyel biyokütle’de gözlenen hızlı kinetikler atık su uygulama sistemlerinin düzeyi açısından bir avantajdır (Vijayaraghavan ve Yun, 2008).

Bakteriyel hücre duvarı hücreye yapısal bütünlük sağlar fakat stoplazmik membranın hemen dışında bulunan peptidoglikan (poli-N-asetilglukozamin ve N-asetil muramikasit) varlığından dolayı diğer tüm organizmalardan ayrılır. Peptidoglikan bakteriyel hücre duvarının dayanıklılığından sorumludur ve hücreye şekil verir. Aynı zamanda nispeten porludur ve küçük substratlara geçirgen olmayan bir bariyer olarak değerlendirilir (Vijayaraghavan ve Yun, 2008) .

Tüm bakterilerin hücre duvarı özdeş değildir. Aslında hücre duvarı kompozisyonu bakteri türlerinin farklılığı ve analizinde önemli faktörlerden biridir. Bakteriler genel olarak gram pozitif ve gram negatif olmak üzere ikiye ayrılır (Şekil 6). Gram pozitif bakterilerin hücre duvarı disakkarit N-asetil glukozamin-β ve 1,4 N- asetilmuramik asitin peptit zincirleri ile oluşturduğu peptidoglikanlardan oluşmuştur. Lipoteikoik asitler stoplazmik membran içerisinde lipidlere kovalent bir şekilde bağlı oldukları için peptidoglikanların stoplazmik membrana bağlanmalarından sorumludur. Çapraz bağlı peptidoglikan molekülleri bir ağ oluşturur ve bu ağ hücreyi sarar. Teikoik asitler, teikoik asit monomerleri arasındaki fosfodiester bağlarının varlığından dolayı Gram pozitif bakteri hücre duvarına genel bir negatif yük verir. Gram pozitif bakterilerin hücre duvarlarının % 90’ı peptidoglikandan ibarettir (Paknikar ve ark., 2003; Alluri ve ark., 2007; Vijayaraghavan ve Yun, 2008).

Diğer taraftan Gram negatif hücre duvarı daha incedir ve %10-20 peptidoglikandan oluşmuştur. Ek olarak fosfolipidler ve lipopolisakkaritlerden oluşan artı bir dış membrana sahiptirler. Lipopolisakkaritlerin bu yüklü doğası Gram negatif hücre duvarı üzerinde bütün bir negatif yük oluşturur (Vijayaraghavan ve Yun, 2008;).

Şekil 6. Gram Pozitif ve Gram Negatif Bakteri Hücre Duvarı (Vijayaraghavan ve Yun, 2008)

Teikoik asitlerin fosfodiester ve teikuronik asitlerin karboksil gruplarının hücre duvarının iyon-değiştirici kapasitesinde katkıları vardır (Paknikar ve ark., 2003). Gram pozitif bakterilerin, teikoik asitleri ve peptidoglikanların anyonik fonksiyonel gruplarının varlığı bilinmektedir. Gram negatif bakterilerin lipopolisakkarit, fosfolipid ve peptidoglikanların hücre duvarının metal bağlama kapasitesinden ve anyonik karakterinden sorumlu olduğunu da göstermiştir (Vijayaraghavan ve Yun, 2008).

Bacillus, Pseudomonas, Streptomyces gibi bakteri sınıfları iyi metal biyosorbent oldukları yapılan çalışmalarda gösterilmiştir (Sağlam ve Cihangir, 1995).