Metallerin Biyoremediasyonu ve Metallere Mikrobiyel Direnç

Mikroorganizmalar metallerler ile birçok farklı mekanizma üzerinden etkileşime girebilirler, bunlardan bazıları bioyoremediasyon stratejilerinin temelini oluşturur.

Bitkiler tarafından metallerin birikimi (fitoremediasyon) biyoremediasyonda oldukça önemli bir yer tutsa da henüz metal biyoremediasyonunda tek yol olarak kabul edilemez. Bitkilerin metalleri uzaklaştırmada kullandığı yollar: fitoekstraksiyon (topraktan toksik metallerin metal biriktiren bitkiler kullanılması ile uzaklaştırılması); rizofiltrasyon (kontamine sulardan metal gideriminde bitki köklerinin kullanılması); fitostabilizasyon (topraktaki toksik metallerin biyolojik kullanılabilirliğini elimine etmek için bitkilerin kullanımı)

Biyosorpsiyon Biyosorpsiyon terimi metabolizmadan bağımsız olarak metallerin biyokütle tarafından sorpsiyonu olarak tanımlanır. Biyosorpsiyonda: Adsorpsiyon Yüzeye akümülasyon Yüzeye absorpsiyon Penetrasyon gibi mekanizmalar kullanılır.

Canlı ve ölü biyokütle biyosorpsiyon yapabilir ve metal karboksil, amin, hidroksil, fosfat ve sülfidril gruplarına bağlanır.

Biyosorpsiyon mekanizmasında metal biyokütle ile tutulduğunda bir denge durumu oluşur. Denge durumundaki ortamda kalan metal miktarı kararlı sabit kalan metal-ligand kompleksi ile başarılır. Bu denge durumu değiştirmenin tek yolu, bağlayıcı ligandın ilgili metale daha fazla afinitesi olanla değiştirilmesi ile veya metalin değerliğini değiştirerek liganda daha fazla afinite sağlanması ile yapılır.

Metabolizmaya Bağlı Biyoakümülasyon Biyoakümülasyon enerji bağımlı bir sistemdir ve toksik metaller fizyolojik olarak önemli metaller hücre içine taşınırlarken onların yerini alırlar.

Metabolizmaya Bağlı Biyoakümülasyon Örneğin monovalan katyon taşınmasında (K+ taşınması) sitoplazma membranındaki H+ ATP az ile ilgilidir ve bu nedenle hücre enerji metabolizmasını inhibe eden faktörlerden etkilenir. Substratın bitmesi veya olmaması, oksijenin yetersiz olması, düşük sıcaklıklarda inkübasyon ve solunum inhibitörlerinin (örneğin siyanid) ortamda bulunması. Biyoakümülasyonda metabolik olarak aktif hücrelerin gerekliliği, bu tip metal alımının sınırlı kalmasına neden olur.

Yapılan çalışmalarda metal konsantrasyonunun artmasıyla H+ pompalanmasının inhibe olduğu ve hücrenin enerji üretemeyerek katyon alımının da azaldığı görülmüştür. Çoklu taşıma sistemlerinin farklı afiniteye sahip olmaları biyoakümülasyonu kompleksleştirir ve bu sistem Michaelis-Menten kinetiğine uyar. Metal hücreye girdiğinde sisteince zengin metallotiyonein proteinlerince veya funguslarda olduğu gibi vakuollerde bağlanır. Ağır metal MT

Enzimlerle Katalize Edilen Biyotransformasyon Mikroorganizmalar metalleri daha az çözünen veya daha uçucu (daha az toksik formlar) hale dönüştürebilirler.

Mikrobiyel Ligandlarla Biyomineralizasyon Mikroorganizmalar metalleri ve radyonüklidleri karbonat ve hidroksitler olarak çöktürürler. Bu direnç mekanizmaları plazmidlerde genleri kodlanan proteinlerle yapılır. Proton akışı (antiport) ile metal taşınması hücre yüzeyinde alkalinasyona neden olur. Alternatif olarak, metaller enzimatik olarak oluşturulan ligandlarca (sülfid veya fosfat) çöktürülür.

Mikrobiyel Ligandlarla Biyomineralizasyon Bir solüsyonda fazla miktarda ligand bulunursa metalin büyük bir kısmı uzaklaştırılır. Kimyasal presipitasyon kullanıldığında veya düşük konsantrasyonda metal varlığında bu uzaklaştırma zor olur. Mikrobiyel ligand oluşumunun avantajı hücre yüzeyinde yüksek konsantrasyonda ligandın yan yana durması ile metal presipitasyonunun sağlanması ve konsantrasyon gradientine karşı metalin taşınmasıdır.

Sülfid presipitasyonu sülfat indirgeyen bakterilerin karışık kültürü tarafından sülfat ve çinko ile kontamine sularda ve sülfat, metal ve radyonüklidlerle kontamine toprakta gerçekleşir. Etanol sulfatın sülfide indirgenmesi için elektron vericisi olarak kullanılır. İki aşamalı bu proseste, ilk olarak sülfür oksitleyen bakteri metali kontamine topraktan özütler ve sülfirik asit oluşur. İkinci aşamada metaller sülfat redükleyen bakterilerin olduğu anaerobik bir biyoreaktöre alınır. Sülfat redükleyen bakterilerin asitli, nötral ve alkali çevrelerde aynı anda bulunabilmeleri bu bakterilerin çok çeşitli atıkları arıtmada kullanım kapasitesi olduğunu gösterir. Bu bakterilerin çok geniş çeşitlilikte elektron vericisi kullandığı bilinir.

Muhtemel başka bir fosfat vericisi tribütil fosfattır (TBP). TBP ucuz bir çözücüdür fakat degradasyonu fosfat triester yapısında olduğu için zordur.

Organik Bileşiklerin Biyodegredasyonu Üzerinden Metal Remediasyonu Sitrat dekontaminasyon işlemlerinde kelasyon aracı olarak kullanılmaktadır. Sitrat mikroorganizmaların degrede edebildiği çözünür sitrat-metal kompleksi oluşturduğu ve metallerin yeniden çöktürülmesini sağladığı için önemlidir. Metal ve sitrik asidin oluşturduğu kompleksin tipinin bu kompleksin degredasyonunun belirlenmesinde önemli olduğunu gösterir.

Mikroorganizmalar ağır metallere karşı altı farklı yolla direnç göstermektedirler: Hücre içine alınmama Mikroorganizmadan aktif olarak taşınma Proteinlere bağlanma ile hücre içinde tutulma Çeşitli kompleksler oluşturarak hücre dışında tutulma Daha az toksik forma dönüştürülme Metal iyonlarına duyarlılığın azalması