Çamurun Toprağın Fiziksel Yapısına Etkisi Organik Madde: Toprak organik maddesi, toprak partiküllerini bir araya bağlayarak büyük agregat oluşumunu sağlar.

... konulu sunumlar: "Çamurun Toprağın Fiziksel Yapısına Etkisi Organik Madde: Toprak organik maddesi, toprak partiküllerini bir araya bağlayarak büyük agregat oluşumunu sağlar."— Sunum transkripti:

1 Çamurun Toprağın Fiziksel Yapısına Etkisi Organik Madde: Toprak organik maddesi, toprak partiküllerini bir araya bağlayarak büyük agregat oluşumunu sağlar ve toprakta boşluk oranı artar. Bu sayede toprak içinde hava ve su hareketi kolaylaşır. Toprak işlendikçe organik maddesi zamanla azalır ve toprağın fiziksel yapısı bozulur. Sürekli toprak işlemeli tarım altındaki toprakların organik maddesi çok düşüktür. Bitki artıklarıyla toprağa gelen organik madde, mikrobiyal parçalanma ile uzaklaşan organik maddeden daha azdır. Organik maddenin yetersiz olduğu durumda, toprak agregatlarının stabilitesi bozulur, yağış veya sulamayla agregatlar parçalanır, büyük porlar kaybolur, toprak havası azalır, su hareketi azalır, toprak sıkılaşır ve volüm ağırlığı artar. Arıtma çamurunda ortalama olarak % 50 oranında bulunan organik madde agregat oluşumu ve stabilitesini sağlayarak toprağın yapısını iyileştirir.

2 Su Tutma Kapasitesi Genellikle arıtma çamuru uygulaması toprağın su tutma kapasitesini artırır. Organik madde ya direk olarak suyu bünyesinde tutar veya toprakta poroziteyi artırarak indirek olarak suyun tutulmasını sağlar.

3 Strüktür ve Agregat Oluşumu  Arıtma çamuru toprağın mineral bölümünden daha az yoğundur ve toprağın volüm ağırlığını azaltarak, poroziteyi artırarak toprak yapısını iyileştirir. Yalnız toprağın fiziksel özelliğini önemli ölçüde değiştirmek için bitki ihtiyacını karşılayacak agronomik miktarın üzerinde çamur verilmesi gereklidir.  Bununla birlikte düşük miktarlar bile (27 ton/ha) toprağın yapısını agregat oluşumu ve poroziteyi attırarak düzeltmektedir. Agregat oluşumu kimyasal ve mikrobiyal aktivitelerin sonucunda gerçekleşir.  Agregat stabilizasyonun araştırıldığı bir çalışmada Agregat stabilizasyonu çamur uygulamasında %24, ahır gübresi uygulamasında %22, yoncada %40 ve saman uygulamasında %59 artmıştır. Anaerobik çürütülmüş çamur diğer çamurlara göre en iyi stabilizasyonu sağlamaktadır.

4 Strüktür ve Agregat Oluşumu

5 Su Hareketi: Organik madde çamurdaki toprak yüzeyini tıkayarak geçici süre infiltrasyonu ve havalanmayı bozabilmektedir. Yukarıda belirtilen organik maddelerin agregasyona etkisiyle toprak yapısını düzeltmesi sonucu topraktaki su hareketi, infiltrasyonu attırmakta ve bazı durumlarda erozyonu azaltmakta, Toprakta su hareketi artmakta, Arıtma çamurundaki,sodyum,kalsiyum ve magnezyumun yüksek olduğu durumda toprak yapısı bozulmakta, infiltrasyon ve agregat oluşumunu olumsuz etkilemektedir. Sodyumun toprak yapısına etkisi, çamurdaki sodyum konsantrasyonuna Mg ve Ca konsantrasyonu oranına ve tuzluluğa bağlıdır. Sodyumun toprak yapısı ve infiltrasyona etkisi Sodyum adsobsiyon oranı (SAR) ile belirlenebilir. Yüksek SAR, düşük tuzluluk toprağı disperse eder. Tuzluluk ayrıca bitki gelişimini de olumsuz etkiler.

6 Su Hareketi Toprakların tabaka şekli ve su hareketi

7 Katyon Değişim Kapasitesi Toprak verimliliğinin ölçüsü

8 Katyon Değişim Kapasitesi

9 Arıtma Çamurunun Toprağın Kimyasal Yapısına Etkisi: Biyolojik stabilize çamurunun ortalama kuru ağırlığının %50’si organik maddedir. Çamur toprağa verildiğinde ayrışır; karbondioksit, su ve düşük moleküler, yapılı organik asit, organik madde ve inorganik maddeye dönüşür. Organik maddelerin çoğu CO 2 ve suya dönüşür ve birlikte bir kısmı humus olarak toprağın yapısına katılırlar. Humus toprağın negatif enerji yükünü ve böylece KDK’yı arttırır. KDK (Katyon Değişim Kapasitesi) toprağın katyonları tutma kapasitesinin ölçüsüdür. Yüksek KDK istenir; çünkü elementlerin topraktan sızmasını engeller. Arıtma çamurundaki bileşikler dört grup altında toplanabilir: 1.Çözünür katyon,anyon ve moleküller, 2. İz elementler, 3. Zehirli inorganik kimyasallar, 4. Zehirli organikler.

10 Toprak ve Arıtma Çamurunun Komposyonu Toprak Biyokatı Arıtma çamuru topraklara daha çok azot sağlamak için verilir, Bununla birlikte Potasyum dışında diğer bütün elementler dengeli bir şekilde toprağa verilmiş olur.

11 Çözünür Katyon, Anyon ve Moleküller Arıtma çamurlarındaki, tarımsal yönden önemli katyon, anyon ve moleküller, potasyum, sodyum, kalsiyum, magnezyum, klor, sülfat, nitrat, bikarbonat, selenat ve bor (borik asit, borat)’dır. Bu maddelerin hepsini bitkiler absorbe eder ve bunlar arıtma çamurunun bir bakıma gübre değerini gösterir. Bunlar iyon değiştirme dengesine girer ve tutunamayanlar drenaj suyuyla yıkanır. Borik asitin enerji yükü yoktur, zayıf olarak tutulur, fazla sulama yapıldığında topraktan yıkanıp uzaklaşır. Borun sulama suyundaki 0.7 mg/litre’nin üzerindeki konsantrasyonu duyarlı bitkilere toksik etkide bulunur. Dayanıklı bitki pamuk ise sulama suyundaki 10 mg/litre konsantrasyona kadar dayanır (Maas, 1990). Atık sular sulama suyu olarak kullanılacağında duyarlı bitkilerde bor konsantrasyonuna dikkat edilmesi gerekir. Arıtma çamurları ve atık sular aynı zamanda tuz da içerir. Tuz bitki kök bölgesinden uzaklaştırılamazsa toksik etki yapacak düzeyde birikebilir. Bu özellikle kurak bölgelerde sürekli sulama sonucunda ortaya çıkar. Yağışlı bölgelerde tuz topraktan yıkanır.

12 İz Elementler Organik maddelerin ayrışması sonucu, arıtma çamurlarındaki iz elementler; arsenik, kadmiyum, bakır, kobalt, nikel, kurşun, selenyum, molibden ve diğerleri toprak solusyonuna geçer. Bu elementler bitkiler tarafından fazla kullanılmadığı için üst toprak katlarında birikir. Sürekli çamur uygulamalarında bu elementler toksik olacak seviyede birikebilir. Bitkilerde biriken bu elementler, onları yiyen insan, çiftlik hayvanı ve yaban hayvanlarında zehirli olacak düzeyde birikebilir. Genel olarak asit karakterli topraklarda büyüyen bitki dokularında yüksek konsantrasyonlarda iz element birikir ve bitkiler bundan zarar görürler. Nötral ve alkali topraklardaki zarar fazla olmaz. Asit topraklarda yetişen bitkilere arıtma çamuru verildiği durumda bitki dokularında fazla miktarda, çinko, bakır, kadmiyum ve nikel biriktiği ve toksik belirtilerin görüldüğü değişik çalışmalarda ortaya koyulmuştur.

13 İz elementler

14 Ağır Metaller Toprakta Hangi Formlarda bulunur? Ağır metallerin topraktaki kimyasal formu, canlılar tarafından alınabilirliğini ve topraktaki hareketini belirleyen temel faktördür. Topraktaki ağır metallerin kimyasal yapısını etkileyen pek çok unsur vardır. Toprak içinde bulunan ağır metal, toprak partikülleri yüzeyine fiziksel olarak bağlanabilir, kil yapısına girebilir, iyon değişimi şeklinde bağlanabilir, fosfat, sülfat ve karbonatla çözünmez bileşikler oluşturup çökelebilir. Toprak organik maddesine bağlanarak bitki ve mikroorganizmaların alamayacağı forma geçebilir. Ağır metaller atom yoğunlukları 6 g/cm3’ten büyük elementlerdir. Bir kısmı (çinko, bakır, demir, mangan, molibden) mutlak gerekli mikro besin elementiyken, diğerlerinin beslenme açısından gerekliliği yoktur (kurşun, kadmiyum, civa, krom). Her iki grupta yüksek konsant- rasyonlarda toksik elementlerdir. Metal olmayan arsenik ve selenyum da aynı etkiyi gösterir.

15 Arıtma Çamuru Rich in organics Contain N, P fertiliser Barren lands e.g. mining spoil dumps Filled landfill sites Land remediated Grass and trees – pleasing landscape Use locally – to expensive to haul great distances Organik ve inorganik toksinler Organochlorine compounds – (oxidation resistant) Survive treatment As, Cd, Pb, Hg, Zn

16 Endüstri Bitki Alımı Topraktan yıkanma yer altı suyunu kirletme Gübre olarak kullanılacağında yasal limitler vardır Waiting periods required before harvest to avoid transfer of pathogens Sheep – Cu poisoning – longer waiting period necessary for sheep farms Arıtma Çamurundaki metaller – Cr (70 ppm), Ni (40), Cu (510), Zn (2800), Ag (4), Cd (5), Hg (3), Pb (400) Very toxic especially Cd Toxic toward N fixing bacteria – reduce yields of leguminous crops Allowed 70 ug /person/day North American diet 90% of

17 Ağır Metaller Toprakta Hangi Formlarda bulunur? Adsorbe edilmiş iyon aynı zamanda toprak çözeltisine de geçebildiği için arada bir denge vardır. Bu dengeyi kontrol eden toprak özellikleri ise pH, organik madde, karbonat miktarı, klorid miktarı, redoks potansiyeli, kil tipi ve miktarıdır. Toprak çözeltisine geçen ağır metal alınabilir formdadır ve bitkiler, mikroorganizmalar, toprak solucanları ve böcekleri vb. canlıların yapısına girebilir. Toprakta var olan ve alınabilir formda olan ağır metaller arasında fark vardır. Şekil’de gösterilen bir çok bağlanma mekanizması nedeniyle, toplam ve alınabilir ağır metal arasında çok az ilişki vardır. Anadolu topraklarının çinko elementi bakımından yeterli gözükmesine rağmen bitkilerin faydalanabileceği çinko miktarının yetersizliği bir çok araştırmada gösterilmiştir. Ağır metaller genellikle katyon formunda bulunur ve eksi yüklü toprak kolloidlerinin yüzeylerinde elektriksel güçle tutulur. İyon seçiciliği Kadmiyum>Kalsiyum>Çinko>Bakır>Kurşun şeklindedir. Bununla birlikte toprakta iyon tutumu dinamiktir ve iyonun elektriksel yükü, hidrasyon çapı, toprak çözeltisindeki konsantrasyonu ve diğer iyonların miktarına bağlı olarak değişir. Özet olarak ağır metaller toprakta güçlü bağlar ve şelatlar oluşturur. Genellikle iyi havalanan pH’sı yüksek topraklarda alınabilirlikleri düşüktür, bunun tersine asit karakterli ve havasız kalan topraklarda hareketlilik ve alınabilirlikleri yüksektir.

18 Poroz Yuksek organik madde Kil Yeralti suyu Metaller organik maddeye gevsek baglanir Eger M + konst. Yuksek ise bitkiler alabilir. M + ler çok sıkı bağlanır Movement of M + cm/yr Aluminosilicates Aluminimum/silicon/ oxygen Aranged in sheets If cross linked – forms 3D structure Can act as ion exchangers – backbone –ve charge – heavy M + replace Na +, K +, Ca 2+ and Mg 2+ M+M+ Toprak

19 Önemli çevresel prosesler Ağır metaller Pestisitler Redoks Hidroliz Asit-Baz reaksiyonu Kompleks/selatlasma Çökelme Sorption Biyolojik parçalanma Fiziksel prosesler (volatilizasyon) Fotokimyasal prosesler

20 M + cozunmez MOH ve MCO 3 formunda bulunur pH düşünce Çözünebilir Kireç ilavesi pH artar Cozunmez metal OH ve CO 3 Kil icindeki H +,M+ tutumunu engeller H + dusuk ise M + kile yapisir – bitkiler tarafindan alinamaz Metal hydroxides ve carbonates M + alinabilirligi Toprak karakteri Camur karakteri M + çamura sıkıca bağlanır – alınabilir formda değildir. Sığırlar çamur yediğinde – toxic metaller süte transfer olmaz.

21 Mineral pH etkileşimi pH yükseldikçe metallerin topraktaki hareketliliği azalır

22 Soil Chemistry of Metals: Cd, Pb, Cr Cd –Water soluble Cd: pH , concentration  –Adsorbed Cd: pH , adsorption  –Insoluble Cd: CdS cab be formed in reduced environment Pb (Most Pb in plant from air-borne Pb (gasoline) –Insoluble Pb (PbCO 3, Pb 3 (PO 4 ) 2, PbSO 4 ): pH , concentration  (acidic pH will release Pb) –Chelation of Pb with chelates in soil Cr –Cr 3+ can be strongly adsorbed on soil –Anionic Cr (i.e, Cr 6+ in the form of Cr 2 O 7 2- and CrO 4 2- ) exist only in weak acid/basic condition

23 Zehirli İnorganik Kimyasalların Toprak ve Bitkide Birikimi Arıtma çamuru uygulanmış alanlarda bitkilerin metal alımı çok yüksek değildir. Üç yıl boyunca hektara 15-90 ton arıtma çamurunun verildiği topraklarda yetiştirilen silaj ürününde kadmiyum, çinko oranının arttığı fakat, artışın sınır değerleri geçmediği, diğer elementler arsenik, krom, kurşun, cıva ve selenyumun ise alımının artmadığı tespit edilmiştir. Arıtma çamuru ile uzun yıllar bitki yetiştiriciliğinin yapıldığı çalışmalarda, arsenik, bakır, kurşun, cıva ve nikelin bitkiler tarafından az miktarda alındığı, kadmiyum, çinko ve selenyum alım oranının bir çok bitkide fazla olduğu, molibdeni özellikle baklagil bitkilerini fazla aldığı tespit edilmiştir. Bakır, molibden ve çinko bitki beslenmesi için gereklidir ve arıtma çamuru bu elementlerin eksikliğini giderebilir.. Arıtma çamuru uygulanmış topraklarda yetişen bitkilerde ağır metal konsantrasyonu genellikle uygulanmamış topraklardan daha yüksektir. Bitkiler tarafından alınan bazı metaller bitkiler için gerekli olmakla birlikte, büyümeye olumlu etkisi olmayan metaller de (Cd, Pb vb.) bitkilerde birikebilir. Arıtma çamuru uygulanmış alanlarda bitkilerin element alımı Zn>Cd>Ni>Cu>Pb>Hg>Cr. Fazla miktarda metal alımı fitotoksik simptomlar oluşturabilir ve sonuçta verim ve ürün kalitesi düşer.

24 Zehirli Organiklerin Toprak ve Bitkilerde Birikimi Organik kimyasallar toprağa verildiğinde volatilize olur, ayrışır veya toprağa adsorbe olur. Sonuçta volatilize olmayan, ayrışmaya dayanıklı olanlar toprakta birikir. Bir çok organik bileşik arıtma çamurunda az miktarda bulunur ve toprakta birikimi analitik metotlarla tespit edilemeyecek kadar azdır. Toprakta biriken kimyasallar da bitkiler tarafından çok az alınır veya hiç alınmaz.

25 Tarım Topraklarında ağır metallerin kaynakları: Ana materyal Maden atıkları Atmosferik depozit Çiftlik gübreleri Arıtma çamuru Gübreler ve kireç Agro-kimyasallar Endüstriyel atıklar

26 Kirletici Kaynakları

27 Ağır Metallerin Toprak Canlılarına Etkisi Toprak canlıları bakteri, mantar, aktinomiset ve alglerin toprak organik maddesinin ayrışması ve bitki besin maddelerinin alınabilir duruma getirmeleri gibi fonksiyonları vardır. Ağır metallerin mikroorganizma populasyonuna etkisi uzun dönem sonra ortaya çıkar ve yüksek ağır metal konsantrasyonlarında sayı ve etkinlikleri düşer.Toprak mikroorganizmaları, aynı toprakta yaşayan toprak hayvanları ve bitkilerine kıyasla ağır metallere daha duyarlıdır. Örneğin, toprakta çinko ve kadmiyum konsantrasyonu sırasıyla 300 ve 5 ppm’in üzerine çıktığında Rhizobium bakterileri ile bitkilerin fosfor ve çinko alımını kolaylaştıran mikorhiza mantarlarının sayıları ve etkinlikleri azalmaktadır. Mikorhiza Rhizobium

28 Ağır Metallerin Bitkilere Etkisi Bitkiler tarafından alınan bazı metaller bitkiler için gerekli olmakla birlikte, büyümeye olumlu etkisi olamayan metaller de (kadmiyum, kurşun, civa vb.) bitkilerde birikebilir. Arsenik, bakır, kurşun, nikel ve civanın bitkiler tarafından alımı düşüktür fakat, kadmiyum, selenyum ve çinko bitkiler tarafından genellikle yüksek miktarda alınır. Baklagil bitkileri molibdeni yüksek miktarda alır ve bitkide molibden ile selenyum kritik düzeyin üstüne çıktığında hayvanlara zararlıdır. Ağır metaller çoğunlukla bitkinin kök, gövde ve yapraklarında, daha az oranda da tohumda birikir. Üreme organlarına transferleri zordur. Birikim bitki türü ve çeşidine göre değişebilir. Örneğin, domates yapraklarındaki kadmiyum oranı, havuç yapraklarından 70 kat daha yüksektir. Bazı bitkiler metallerin yüksek miktarlarına hoşgörü gösterebilirken, diğer bazıları ise düşük konsantrasyonlara bile duyarlıdır. Yapraklı sebzeler, süs bitkileri ve pancar, ağır metallere, tahıl bitkileri ve mısıra oranla daha duyarlıdır. Topraktan metal alımını belirleyen en önemli faktör toprağın pH seviyesidir. pH düştükçe metaller toprak solusyonuna geçer ve köklerden alınmaları artar. Fazla miktarda ağır metal alımı bitkilerde fitotoksik simptomlar oluşturabilir ve sonuçta ürün kalitesi ve miktarı ile süs bitkilerinin görsel değerleri düşer. Ağır metallerin bitkilere olan zararları; köklerde toksik etki sonucu kök büyümesinin durması, yapraklarda yanma, besin elementi yetersizliği ve dengesizliği, hastalık ve zararlılara duyarlılık şeklinde ortaya çıkabilir.

29 Ağır Metallerin Bitkilere Etkisi Bununla birlikte, fitotoksik simptom ve verim düşüklüğünün olmaması metallerin bitki dokularında birikmediği anlamına gelmez. Kadmiyum, demir ve molibden fitotoksik düzeyin altında bitkilerde birikebilir, fakat bu düzey bitkiyi yiyen hayvan ve insanlarda birikim yapacak kadar yüksektir. Örneğin, molibden yem bitkilerinde 15 ppm’in üstüne çıktığında hayvanlara toksik etkide bulunur. Metaller bitkiye sadece topraktan değil atmosferden de gelebilir ve bitkinin yapraklarına düşen ağır metaller bitki içine girebilir veya bitki yüzeyine yapışabilir. Bu nedenle kentsel yerleşim alanlarında, hobi bahçelerinde, yetiştirilen sebzelerde ağır metal konsantrasyonu, kırsal kesimlere oranla daha yüksektir ve sağlık açısından risk oluşturabilir. Thlaspi caerulescens – metal toksisitesi

30 Arıtma Çamuru-Ağır Metal Eğer toprak ağır metallerce yüksek ise, ağır metal oranı düşük olan arıtma çamurlarının toprağa uygulanması, çamurda var olan Fe ve Mn iyonları tarafından kompleks oluşturmakta ve bitkiler tarafından alınabilirliği azalmaktadır. Biyokatılar genel olarak % 1’in üstünde demir ve % 0.1’in üstünde mangenez içermektedir. Bu elementler fazla amorf mineraller oluşturmakta ve ağır metallerle özel bağlar meydana getirmektedir (FeMnOX). Biyokatı ve biyokatı kompostu uygulaması Çinko, Kurşun ve Kadmiyum’un bitkiler tarafından alınabilirliğini azaltmaktadır.

31 Bitkilerin gerekli (A) ve gerekli olmayan (B) mikro besin elementlerine tepkisi

32 Ağır Metallerin Hayvanlara Etkisi Ağır metaller hayvanlara sulardan, topraklardan ve havadan gelir. Toprakta birikmiş ağır metallerin hayvanlara geçişi ise; Çamur uygulanmış topraklardan kaynaklanan kirleticileri biriktirmiş otları yemeleri Üzerine çamur bulaşmış otları yemeleri Çamur uygulanmış toprakları yemeleri (Toprak koyunların %1-2 diyetini oluşturur) Ağır metallerin hayvanlarda birikimi hayvan türü, yaşı ve diyetine bağlıdır. Daha çok kemiklerde (kadmiyum, çinko), böbrek ve karaciğerde (kurşun, kadmiyum ve çinko) ve yağ dokularında birikir ve buralardan yavaş yavaş kana karışarak metabolizmaya dahil olurlar. Metallerin yüksek dozda alınması veya toksik özelliği fazla olan metallerin hayvan vücuduna girmesi ise ciddi sağlık sorunlarına ve zehirlenmelere yol açabilir. Örneğin, kadmiyum, civa ve kromun düşük dozlarda alımı dahi zehirlenmelere yol açabilmektedir. Hayvanlarda ağır metal etkisi, kilo kaybı, üreme bozuklukları, verim düşüklüğü, kemik yapısının bozulması gibi anomaliler şeklinde ortaya çıkar.

33 Ağır metallerin hayvanlara etkileri

34 Ağır Metallerin İnsan Sağlığına Etkisi Topraktan kaynaklanan ağır metallerin insanlara olan toksik etkisi değişik çalışmalarda, kadmiyum, selenyum ve kurşun için ortaya koyulmuştur. Birçok ağır metalin insana temel giriş yolu gıdalardır ve ağır metallerce kirlenmiş topraklarda yetiştirilen gerek bitkisel ve gerekse bu bitkilerle beslenmiş hayvansal ürünlerin tüketilmesi potansiyel risk oluşturmaktadır. Ağır metallerin insan sağlığına etkisi akut ve kronik etkiler olarak ayrılabilir. Akut etkiler; mide bulantısı, kusma, ihsal, kas kasılmaları, tükrük salgısında artış, psikolojik bozukluklar, karaciğerde hasar, çarpıntı, şok haline girme, böbrek rahatsızlıkları olarak sıralanabilir. Kronik etkiler ise; böbrek ve karaciğer hastalıkları (kadmiyum), kemiklerde hasar, kan enzimlerinde değişiklik (kurşun), sinir sistemi bozuklukları (civa), organlarda ani felçler (kurşun), gelişmede yavaşlama, çocuklarda yavaş beyin gelişimi olarak belirlenmiştir.

35

36