Sedimentte Ağır Metal Birikimi

Doğal fiziksel ve kimyasal süreçler sonucunda su kitlelerine ulaşan metaller tatlısularda düşük seviyelerde bulunmalarına rağmen (Förstner ve Wittman 1983), insan kaynaklı aktiviteler ve endüstriyel faaliyetler sonucunda seviyeleri tatlısu ekosistemlerinde giderek artmıştır. Bu nedenle, ağır metallerin ulaştığı son nokta olarak değerlendirilen tatlısu ekosistemleri bir arşiv görevi yapmaktadır (Birch vd., 1996).

Sucul sistemlerin temel bir bileşeni olarak sediment, çoğu sucul organizma için yaşam alanı oluşturduğu gibi beslenme, yumurta bırakma, yetiştirme alanı olarak da rol oynamaktadır. Sucul sistemlerde insan kaynaklı kimyasallar, atık maddeler, organik ve inorganik bileşikler sedimentte birikme özelliğindedirler ve sediment

kirleticiler için depo olarak görev yapmaktadır. Sucul sistemlere bırakılan ağır metaller genellikle partikül maddelere bağlanarak çökelir ve sedimentle birleşir.

Sonuçta sediment, su sütunu, organizmalar ve son nokta olarak bu canlıları tüketen insanlar için kirleticilerin potansiyel kaynağını oluşturmaktadır. Ağır metaller ve diğer kirleticiler tarafından sediment kontaminasyonunun sucul ekosistemleri tehdit eden temel noktalardan biri olduğu dikkate alınmaktadır (Pham vd., 2007; Peng vd., 2008). Organizmalara sediment yoluyla metal geçişinin bazı türler için önemli bir metal kaynağı olduğu bildirilirken (Zoumis vd., 2001), sedimentteki ağır metal kirlenmesinin sucul organizmalara negatif etkilerinin olduğu yapılan bazı çalışmalarda dile getirilmiştir (Karadede ve Ünlü, 2000; Shen vd., 2005; Pham vd., 2007). Bu nedenle sucul yaşamı korumak kadar tatlısu ekosisteminin biyolojik bütünlüğünü sürdürme noktasında sediment kalitesinin de korunması önemli bir nokta olarak dikkat çekmektedir (USEPA, 2001). Su kalitesi ve dolaylı olarak suda yaşayan organizmalar üzerinde önemli bir etkiye sahip olan sediment, biyolojik çeşitliliğin ve ekolojik durumun belirleyicisi olması itibariyle, kirlilik kaynaklarının belirlenmesinde, rutin su örneklemeleri sırasında önemli istasyonların seçiminde, sediment analizleri anahtar rol oynayabilmektedir (Gale vd., 2006).

Sediment çalışmaları, özellikle ağır metallerin ve organik hidrofobik kirleticilerin (pestisitler, klorlu hidrokarbonlar vb.) çevreye olan etkilerinin tayin edilmesinde uzun yıllardan beri kullanılmaktadır (Bubb ve Lester, 1994). Toksik maddeler için önemli bir depo oluşturan sedimentte bulunan iz elementlerin konsantrasyonu suda bulunan miktarlarının 10⁴-10⁵ katına karşılık gelebilmektedir (Horowitz, 1985). Metaller doğrudan sisteme dahil olabildikleri gibi atmosferik birikim gibi kirletici kaynaklarının yayılmasıyla da seviyeleri artabilmektedir (Çelo vd., 1999). Kirlenmiş sedimentlerin çevreye olan etkisinin değerlendirilmesinde

toplam konsantrasyonlar hakkındaki bilgi çoğu zaman yeterli olmamaktadır. Çünkü ağır metaller farklı kimyasal formlarda bulunabilmekte ve değişik jeokimyasal fazlardaki alınımı ve kullanımı birbirinden farklılık göstermektedir (Boughriet vd., 2007). Ayrıca sedimentte metalin bulunma formunda sıcaklık, pH, elektriksel iletkenlik, toplam organik madde miktarı ve redoks potansiyeli gibi fiziksel ve kimyasal özellikler de etki göstermektedir (Barkay vd., 1997; Howari ve Banat, 2001;Canário vd., 2007).

Analitik olarak konsantrasyonlarının belirlenmesi pahalı, zaman kaybettirici ve güç olan kimyasal kirleticilerin sadece su ve sedimentteki konsantrasyonlarının ölçülmesi ekosistem içerisinde yaşayan canlı organizmalara potansiyel etkileri hakkında bilgi vermemektedir (Mal vd., 2002). Bu nedenle Förstner (1983)’e göre sedimentteki ağır metallerin değerlendirilmesinde iki önemli adım bulunmaktadır.

Bunlardan birincisi kirlilik kaynaklarının tespiti, izlenmesi ve kontrolü, ikincisi ise kirlenmiş sedimentlerin muhtemel etkilerinin tespit edilebilmesidir.

Kimyasal ve biyolojik süreçlerle sediment ve su sütunu arasında döngü halinde olan ağır metallerin sedimentte birikimi ciddi çevresel problemlere yol açabilir. Sedimentteki ağır metal kontaminasyonu su kalitesini ve sucul organizmalardaki biyoakümülasyonu etkileyerek uzun vadede insan sağlığı ve ekosistem üzerinde olumsuz etkiler açığa çıkarabilir. Bu nedenle sedimentteki ağır metallerin jeokimyasal dağılımını ve sedimentte birikim mekanizmalarını belirlemek, kirliliğin kontrolünde çeşitli stratejilerin ve su kalite yönetimine ait yaklaşımların geliştirilmesinde önem teşkil etmektedir (Carman vd., 2007). Sedimentteki metal kirliliğinin boyutunu belirlemek için doğal yapıdaki (ana kayaç, zemindeğer) metal seviyelerinin belirlenmesi, insan kaynaklı etkilerden kaynaklanan toplam zenginleşmenin belirlenmesinde önemli hale gelmektedir. Jeokimyasal

standartlaştırma sedimentteki metallere insan kaynaklı katkıların değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Burada doğal konsantrasyon oranı bir standartlaştırma faktörü ile belirlenir. Bu standartlaştırma faktörü insan aktiviteleri tarafından konsantrasyonu etkilenmeyen bir metal olabilir (Conrad ve Brause, 2004; Feng vd., 2004). Standartlaştırma işlemi için kullanılacak olan sediment element içeriğine dair kesin bir anlaşma olmamakla birlikte metal konsantrasyonları alüminyum, demir ya da lityum gibi bazı elementler ile standartlaştırma işlemine tabii tutulur. Bu elementlerin tercih edilmesinin sebebi jeokimyasal olarak inaktif olmaları, ince taneli maddede bol miktarda bulunmaları ve genellikle bu miktarın insan etkisinden kaynaklanmamasıdır (Acevedo-Figueroa vd., 2006).

Sedimentte tespit edilen ağır metal seviyelerinin insan kaynaklı olup olmadığının ve bu etkinin miktarının belirlenmesinde kullanılan zenginleşme faktörünün (EF) hesaplanması önemli hale gelmektedir. Zenginleşme faktörü gerçek kontaminasyon seviyelerini ortaya koymaktadır. Zenginleşme faktörü genellikle örnekte ölçülen metalin örnekteki alüminyum ya da demir miktarına oranının ana kayaçtaki metal/alüminyum ya da demir oranlanması ile hesaplanır. Matematiksel olarak EF= [Me/ Al (Fe)]örnek / [Me/ Al (Fe)]ana kayaç şeklinde ifade edilmektedir (Conrad ve Brause, 2004; Acevedo-Figueroa vd., 2006). Zenginleşme faktörünün hesaplanmasında standartlaştırma amacıyla bazı çalışmalarda alüminyum elementi kullanılırken (Feng vd., 2004; Olivares-Rieumont vd., 2005; Sakan vd., 2009; Zhang vd., 2009), bazılarında ise demir elementi kullanılmıştır (Conrad ve Brause, 2004;

Acevedo-Figueroa vd., 2006, Christophoridis vd., 2009). Seçilen standartlaştırma elementine göre matematiksel olarak hesaplanan zenginleşme faktörü değerleri, Acevedo-Figueroa ve ark. (2006) tarafından, EF < 1 zenginleşme yok, EF < 3 küçük,

ikinci derecede, EF 3-5 arasında orta derecede, EF 5-10 arasında nispeten şiddetli^,EF 10-25 arasında şiddetli boyutta, EF 25-50 arasında oldukça şiddetli boyutta, EF > 50 olduğunda ise son derece şiddetli boyutta kirlenme olarak kullanmıştır. Zhang ve Liu (2002); değerlendirme kriteri olarak EF=1,5 kullanmayı önermiştir. Buna göre EF değeri 0,5- 1,5 arasında ise ağır metal yerkabuğu materyalinden ya da doğal aşınma yoluyla sisteme dahil olduğunu ileri sürmüşlerdir. EF > 1,5 olduğunda ise, ağır metallerin önemli bir kısmının yerkabuğu materyalinden kaynaklanmadığını belirtmişlerdir. Diğer bir çalışmada ise zenginleşme faktörüne göre kirlilik kategorileri;

EF < 2 Zenginleşme yok veya minimum EF=2–5 Orta derecede zenginleşme EF=5–20 Önemli zenginleşme EF=20–40 Çok yüksek zenginleşme

EF > 40 Son derece yüksek zenginleşme olarak belirtmişlerdir (Yongming vd., 2006).

Sedimentteki ağır metal kirliliğinin değerlendirilmesinde sıklıkla kullanılan diğer bir kriter ise jeoakümülasyon indeksidir (Igeo). İlk olarak Müller (1969) tarafından endüstri öncesi ve şu andaki konsantrasyonların karşılaştırılması yoluyla sedimentteki metal kirliliğinin tanımlanması ve belirlenmesi için ortaya konulmuştur.

Jeoakümülasyon indeksi matematiksel olarak Igeo= log2 [(Cn)/(1.5xBn)] formülüyle ifade edilmektedir. Burada Cn incelenen elementin sedimentteki konsantrasyonunu ve Bn, araştırılan metalin jeokimyasal zemin miktarını belirtmektedir. Faktör 1.5 ise lithojenik etkiler nedeniyle düzeltme faktörü olarak kullanılmıştır (Zhang vd., 2009).

Zenginleşme faktörüne benzer olarak jeoakümülasyon indeksi de metal kirlilik

miktarının tahmin edilmesinde bir referans olarak kullanılabilir. Jeoakümülasyon değerine göre yedi sınıf belirlenmiştir. Buna göre;

Igeo > 5 Çok yüksek düzeyde kirli

4–5 Yüksek düzey ile Çok yüksek düzey kirlilik sınırında 3–4 Yüksek düzeyde kirli

2–3 Orta düzey-Yüksek düzey kirlilik sınırı 1–2 Orta düzey kirli

0–1 Orta düzey kirli ile kirlenmemiş sınırı

<0 Kirlenmemiş (Abrahim ve Parker, 2008; Christophoridis vd., 2009).