EVRE VE ENDSTRYEL BYOTEKNOLOJ evre Biyoteknolojisi evreyi korumak

ÇEVRE VE ENDÜSTRİYEL BİYOTEKNOLOJİ

Çevre Biyoteknolojisi • Çevreyi korumak, sürdürmek ve yenilemek için biyolojik ajanların (organizmalar veya bileşenleri) fiziksel, kimyasal ve mühendislik işlemleri ile birlikte kullanımını kapsamaktadır.

Çevresel Biyoteknoloji • • • Atık su ve atık arıtımı Kompostlama Silolama (ensiling) Ksenobiyotiklerin degradasyonu Biyoremediasyon (biyo-iyileştirme) Biyomadencilik (mineral ekstraksiyonu) • Kömürün mikrobiyal desülfürizasyonu (kükürtsüzleştirilmesi) • Biyoinsektisitler

Kirletici (kontaminant) tipleri • İnsanlar tarafından üretilen kirleticiler: – • Kıyılara ulaşmaları: – – • • • doğrudan deşarj ile, yer altı suyu akışı ile, çamur boşaltılması ile, atmosferik yollar ile gerçekleşir Ayrıca; – – – • Evsel, endüstriyel, tarımsal kaynaklıdır Ağır metaller İnorganik nutrientler Çamur organikleri Petrol hidrokarbonlar Pestisitler de antropojenik (insan kaynaklı) özgün kirleticilerdir. İnorganik besin elementleri; azot ya da fosfor gibi elementlerin miktarının kanalizasyon veya tarım nedeni ile artması doğal ekosistemi olumsuz etkiler, ör, alg sayısının artması, suyun oksijen açısından fakirleşmesi Ağır metaller; endüstriyel ya da evsel deşarjlar nedenlidir. Bir çok metal iz element olup belirli eşik değerinin üstündeki konsantrasyonarı hücre işlevlerini ve metabolizmayı olumsuz etkiler, Ör, Fe Çamur organikleri; Çok miktarda organik madde kanalizasyon ve endüstiryel atıklardan kaynaklanır. Yine alglerdeki gibi heteretrof yaşamı destekler, sularda oksijen yetersizliğine yol açar.

Kirletici (kontaminant) tipleri • Petrol hidrokarbonlar ve pestisitler; – alifatik ve aromatik hidrokarbonlar, klorlanmış pestisitler, koruyucu izolatörler kıyı bölgelerindeki organik kontaminantlardır. – Petrol hidrokarbonları arasında polinükleer aromatik hidrokarbonlar (PAH) aromatik halka içeren seri bileşiklerdir ve güçlü mutajenik ve kanserojeniktirler. PAH lar petrol arıtımı, kömürün yakılması, fosil yakıtların yakılması sonucunda oluşur. Sözgelimi, bir hidrokarbon olan naftaline uzun süre (>12 saat) yüksek dozda maruz kalma timidini uyarmaktadır (DNA hasarı!) Fenantreye uzun süre maruz kalma düşük konsantrasyonlarda bile (10500 ppb) timidin inhibisyonuna yol açar, 100 -500 ppb arasında hücreyi olumsuz etkiler. – – – • Organoklorlu kontaminantlar; – – – Endüstriyel deşarj ya da tarım uygulamalarından kaynaklanırlar, ör; pestisitler DDT, PCB gibi organoklorlu kontaminatlar kıyı sularında uzun süre kalabilir. PCB (poli klorlanmış bifenil) endüstriyel elektrikte, motor yağında ve ısı transferinde kullanılmaktadır. DNA hasarına ve kansere neden olmaktadırlar. Hidrofobik bakteriler organik kirleticiler üzerinde çoğaldıklarından kıyılarda sedimentasyon bölgelerinin bataklığa dönüşmesi söz konusu olabilir.

Kirletici (kontaminant) tipleri • Patojenik mikroorganizmalar; Su kirleticilerinin bir diğer örneğidir. Büyük kısmı kanalizasyon kaynaklıdır. • Ayrıca, • Doğal ekosistemin parçası olan mikroorganizmalar da kontaminasyon kaynağı olabilir? ? – Biyolojik kirlilik, mikroorganizma popülasyonunun artmasına ve oksijenin harcanmasına sebep olabilirler. • Yine, metan (CH 4), nitrojen oksit (N 2 O), dimetil sülfit (DMS) gibi bazı gazların mikrobiyal metabolizma sonucu kıyılarda oluşmakta olup global ısınmaya katkıda bulundukları düşünülmektedir.

Atık • Atıklar; – Evsel – Kentsel – Tarımsal – Endüstriyel

Atık su • Kentlerde ve endüstride kullanıldıktan sonra atılan suların tümü için atık su terimi kullanılmaktadır. • Kentlerde veya yakınlarında kurulan kimya, tekstil, kağıt ve deri endüstrisinde oluşan atık sular, kentsel atıklar ve kanalizasyon suları deniz, göl ve akarsu gibi yüzeysel suları kirleten en önemli kaynaklardır. • 19. yy da endüstrileşme ile birlikte çok ciddi problem oluşturmuştur

Evsel Atıksuların bileşenleri • • Proteinler %40 Karbonhidrat %25 -50 Yağlar ve sıvı yağlar %10 İdrardan gelen üre ve çok sayıda pestisit Sürfektanlar (yüzey aktif kimyasallar) Fenoller Birincil kirletici içeren çok sayıda organikler • Metal olmayan elementler (As, Se) • Metaller (Cd, Hg, Pb) • Benzen bileşikleri (klorobenzen, lindan, tetrakloroetan, trikloroetan)

• Herhangi bir atık için arıtım ve uzaklaştırma açısından en uygun metodun belirlenmesi öncesinde bazı analitik testler uygulanmaktadır: – – Biyolojik oksijen ihtiyacı (BOİ) Kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) Toplam askıdaki katı madde (AKM) Toplam katı madde (TKM) • Ayrıca fosfor, azot, ağır metaller, insektisitler ve klorlu bileşikler gibi bazı özel bileşenlerin seviyelerini belirlemek için özel testler geliştirilmiştir.

BOİ ve KOİ testleri • Herhangi bir atıksuda bulunan kirlilik oluşturucu maddenin biyolojik ya da kimyasal olarak oksitlenebilmesi için gereken oksijen miktarını belirlemeye yarar. • BOİ testi; kirlenmiş atıksularda bulunan ve biyolojik olarak bozunabilen bir maddenin sabit sıcaklık (20 ºC), sabir süre (genellikle 5 gün) ve karanlık ortamda aerobik mikroorganizmalar tarafından parçalanması için gereken oksijen miktarını belirlemektedir. • İnkübasyon öncesi ve sonrası oksijen konsantrasyonu ölçülür, mk oksijen/litre atık olarak kaydedilir. • Dezavantajı uzun bekleme süresidir. Bunun çözümü KOİ

BOİ ve KOİ testleri • KOİ testi; örnekten belirli hacmin oksijence zengin potasyum dikromat ve konsantre sülfirik asit karışımına eklenmesi işlemlerini kapsar. Karışım 2 -4 saat geri soğutma işlemine alınır ve kalıntı dikromat konsantrasyonu demir sülfat veya amonyum sülfat çözeltisi ile titrasyon yapılarak belirlenir. • Oksitlenen bileşiklerin konsantrasyonu kullanılan potasyum dikromat ile doğru orantılıdır. • Sonuçlar mg oksijen/litre olarak ifade edilir.

Atık su • Kirli su arıtma sistemleri; – suyun kalitesine ve – Kirleticinin tipine • bağlı olarak seçilir. • Genellikle bir yada daha fazlasının kombinasyonnu uygulanır. – Fiziksel arıtım – Kimyasal arıtım – Biyolojik arıtım

Fiziksel arıtım • Kirli suda bulunan büyük boyutlu, asılı ya da yüzen partikülleri ortamdan uzaklaştırmak amaçlanmaktadır. • Izgaradan geçirme • Kum tutma • Yüzdürme • Karıştırma • Çöktürme

Kimyasal arıtım • Kirli suya eklenen polielektrolit grubu maddelerle bazı bileşiklerin çökmesi sağlanır. • Şap, kireç gibi maddeler çöktürmede kullanılır. • Kimyasal arıtım aynı zamanda suyun dezenfeksiyonunu da kapsamaktadır. • Dezenfeksiyon işleminde ozon ve daha ucuz olan klor kullanılmaktadır. • Elektrokimyasal proseslerle birlikte, koagülasyon, flokülasyon ve çöktürme de yapılmaktadır.

Biyolojik arıtım • Çözünür halde bulunan organik maddelerin aerobik/anaerobik oksidasyon yoluyla mikroorganizmalar tarafından inorganik madde ve gazlara dönüştürülmesi prensibine dayanır.

Atıksu arıtımı basamakları • Primer (birincil) arıtım: Ön arıtma ve ilk çöktürme (sedimentasyon) • Sekonder (ikincil) arıtım: aerobik ve anaerobik biyolojik arıtma ve ikinci çöktürme • Tersiyer (üçüncül ) arıtım: atık inorganik besin maddelerinin özellikle fosfat ve nitratın giderilmesi için gerekli işlemleri kapsar.

Geleneksel atıksu arıtım şeması

BİRİNCİL ARITIM • Ön denemeler: Yüzen daha büyük atıkların ve yüksek orandaki askıdaki katı maddelerle birlikte giderilmesidir. – Izgaralar: hem kaba (6 -24 mm aralıklı) hem de ince (2 -6 mm aralıklı) ızgaralar arıtma prosesine giren giriş suyu kanalına yerleştirilir. – Izgaralarda giderilemeyen büyük parçacıklar öğütücülerle parçalanırlar – Kum tutucular 0. 2 mm den büyük partiküllerin %95 ini ayırmak için tasarlanmışlardır • İlk çöktürme: bu aşama askıda katı madde konsantrasyonunu ve toplam BOİ yi düşürmektedir. • Askıda katı maddeler %50 -70 oranında çöktürülürken BOİ de %30 -40 oranında giderilmektedir. • , Ortaya çıkan birincil çamur genellikle yakma ile ya da ileri biyolojik vefiziksel arıtma ile güvenli bir şekilde bertaraf edilir.

İKİNCİL ARITIM • Atıksuların kirletici bileşenlerini gidermek veya uzaklaştırmadan önce konsantrasyonlarını azaltmak amaçlanmaktadır. • Bu amaçla mikrobiyal popülasyon aktiviteleri kullanılmaktadır. • Aerobik ya da anaerobil mikrobiyal arıtma prosesleri bulunmaktadır. • Verimli çalışabilmesi mecut tüm kirleticilerin biyolojik olarak bozunması ve konsantrasyon, kompozisyon ve akıştaki değişiklikleri tolere edebilmesi ile mümkün olabilir.

Aerobik biyolojik arıtma • Aktif çamur prosesleri • Damlatmalı filtreler

Aktif çamur işlemi • 1914 yılında İngiltere de Arnold ve Locket tarafında geliştirilmiştir. • Bu proses aslında organik maddelerin CO 2, H 2 O, NH 4 ve yeni hücre biyokütlesine dönüştürüldüğü aerobik bir iyileştirme sürecidir. • Temel prensip: sürekli havalandırılan ve karıştırılan bir tanktaki floküle süspansiyon şeklinde olan karışık mikrobiyal popülasyon ile atıksuyun temasının sağlanmasıdır. • Aktif çamur çözünebilen ve çözünemeyen kirleticilerin biyodegradasyonu için gerekli olan tüm enzim sistemlerini üretebilen bir mikrofloraya sahip olmalıdır. Bu mikroorganizmalar iyi absorblama özellikleri ile kararlı ve hızlı çökebilen floklar oluşturmalılardır.

Aktif çamur tesisi

Aktif çamur işlemihavalandırma-floklama • Mevcut kirleticileri parçalayan farklı boyutta floküle olmuş (kümelenmiş) mikroorganizmalar havalandırma tankı içerisinde birincil iyileştirmeden çıkanlar ile reaksiyona girerek oksidasyonu sağlamaktadırlar. • Mikroorganizmalar büyüdükçe stabil aktif çamur flokları oluşşturmaktadırlar. • Aktif çamurdaki başlıca mikroorganizmalar; bakteriler, (Zooglea, Pseudomonas, Bacillus, Alcaligens, Corynebacterium, Flavobacterium, Achromobacter), filamentli mikroorganizmalar (Sphaerotilus, Beggiotoa, Vitreoscilia), nitrat bakterileri (Nitrosomonas, Nitrobacter), fototrofik bakteriler (Rhodospirallaceae), funguslar (Penicillum, Geothricum, Cladosporium, Alternaria, Cephalosporium), protozoonlar (Chilodonella, Colpidium, Paramecium, Spirostomum , Monasiga, Hexomitus, Rhizopoda vs. ), rotiferler (Bdeloidea, Monogonta)

Aktif çamur işlemi-ikinci çöktürme • Bir hidrolik bekleme süresinden sonra havalandırma tankından gelen arıtılmış çıkış suyu çözeltme tankına girer ve bu aşamada ikincil çöktürme gerçekleşir.

Damlatmalı filtreler • Temel prensibi; biyolojik reaktördeki mikrobiyal popülasyonun inert dolgu maddesi üzerinde biyofilm oluşturarak büyümesine izin vermesidir. • Genellikle debisi az olan evsel atıksuların temizlenmesinde tercih edilmektedir. • Atıksu dolgu maddesi üzerinden sürekli akıtılır ve mikrobiyal popülasyon tarafından biyoparçalanmanın gerçekleştiği filtre yatağı boyunca düzülür (damlar)

Damlatmalı filtreler • Havalandırma reaktör içi ve dışı arasındaki sıcaklık farkıyla oluşan zıt hava akımıyla sağlanır. • Reaktör içerisindeki mikrobiyal faaliyet sonucunda hava ısınarak yükselir ve yerini temiz havaya bırakır. • Arıtım devam ettikçe biyofilm tabakası büyür, derinleşir, kopar ve yeniden meydana gelir.

Damlatmalı filtreler-filtre yatağının karmaşık popülasyonları • Filtre yatağının en üstünde bakteri, mntar, protozoon ve alg gibi mikroorganizmalar ile sinek ve larvaları gibi makroorganizmalar gelişir. • Yüzeyin altında karbon-oksitleyen mikroorganizmalar baskındır • Filtre yatağının alt kısmında ise nitrifikasyon bakterileri daha yoğun bulunurlar

• Filteler; – Yüksek hızlı filtreler: yüksek boşluk hacmi ve yüzey alanına sahip plastik dolgu malzemeleri kullanır, çoğunlukla konsantre endüstriyel atıksuların arıtımında tercih edilir – Düşük hızlı filtreler: düşük yüzey alanı ve yüksek yoğunluğa sahip taş gibi yoğun minerla ortamdan oluşur. Evsel atıksuların arıtımında yüksek kalitede çıkış suyunun elde edilmesi amacıyla kullanılır

Anaerobik atıksu arıtımı • Genellikle çamurlara ve yüksek kirlilikteki endüstriyel atıksulara uygulanır. • Oksijensiz ortamda hem fakültatif, hemde zorunlu anaerobik mikroorganizmaların aktivitelerinden faydalanılır. • Anaerobik mikroorganizmalar atıksuları veya çamuru metan, karbondioksit, ve biyokütle üretmek için parçalar. Karmaşık bir işlem olup en az üç farklı mikroorganizma grubundan oluşmaktadır.

• 1. Fermentatif/hidrolitik bakteriler (grup 1): Protein, polisakkarit ve yağ gibi polimerleri hidrolize ederek CO 2, metanol, eser bileşikler, uçucu yağ asitleri (asetik, bütirik, propiyonik asit) üreten fakültatif ve zorunlu bakteri grubudur. • 2. Asetojenik bakteriler (grup 2): 1. grubun son ürünlerini metabolize ederek asetik asit, CO 2 vve hidrojen üretirler • 3. Metanojenik bakteriler (grup 3): zorunlu anaerobikler olup iki sınıfa ayrılırlar, birisi asetik asidi metan ve CO 2 ye parçalarken, diğer sınıf CO 2 yi hidrojenin eş zamanlı oksidasyonu ile birlikte metan ve su oluşturmak için indirgerler. • Biyogaz kompozisyonu genellikle %30 CO 2 ve %70 metan dır.

Çamur arıtımı ve bertarafı • Çamur yoğunlaştırma: amaç katı içeriğin korunarak çamurun hacmini önemli ölçüde azaltmaktır. • Çamur stabilizasyonu: amaç çamurun katı içeriğini azaltmak, varsa patojenleri öldürmek, koku oluşma ve bozulma potansiyelini ortadan kaldırmak ya da azaltmaktır. • Çamur susuzlaştırma: Katı içeriğinin %50 (w/v) arttırmak için susuzlatırmak amaçlanır. • Bertarafı için düzenli depolama ya da yakma ya da kompostlama işlemlerinden biri uygulanır.

KAYNAKLAR • Tarımda Biyoteknoloji Uygulamaları ve Patent Hakları, Dr. Tamer SOYSAL, Adalet Yayınevi, 2019 • Endüstriyel Mikrobiyolojiye Giriş, Doç. Dr. İrfan TURHAN (Çeviri Editörü), Palme Yayınevi, 2018 • Çevre Mikrobiyolojisi ve Biyoteknolojisi, Prof. Dr. Ali ÜNYAYAR, Atlas Akademi, 2018 • Çevre Mühendisliği Mikrobiyolojisi Giriş, Prof. Dr. Ertuğrul ERDİN, Doç. Dr. Neslihan DOĞAN-SAĞLAMTİMUR, Nobel Yayıncılık, 2018 • Güncel Biyoteknoloji ve Uygulamaları, Editörler; Munis DÜNDAR; Haydar BAĞIŞ, Erciyes Üniversitesi, 2017 • Güncel yayınlar