Bakterilerin Beslenmesinde Demirin ( Fe ) Önemi
Demir esansiyel bir gelişme faktörüdür. Dokularda ve mukozalarda serbest demirin düşük yoğunlukta olması, enterobakterilerle oluşan barsak dışı infeksiyonlarda konak savunmasının ilk çizgilerinden ve bakteri üremesini önleyici faktörlerdendir. En yaygın bulunma halinde demir (III) fizyolojik şartlarda en az çözündüğü haldedir. Enterobakteriler konak organizmada canlı kalabilmek ve barsak dışı dokulara yayılabilmek için demir bağlamak üzere, çeşitli mekanizmalar geliştirirler. Bunlardan biri demiri bağlamaya çok büyük eğilim gösteren siderofor denen düşük mol ağırlıklı bileşiklerdir. Örnek sidoroforlar: mycobactin, pseudobactin, agrobactin, ferrikrom. Deniz sedimetinde sidoroforlar aracılığı ile demiri bağlayan mikroorganizmalar: Synechococcus, Marinobacter, Alteromonas luteoviolacea (alterobactin A ve B), Pseudomonas aeruginosa tarafından salınan pyoverdin, Mycobacteria tarafından salınan exochelin ve mycobactin (demirin çok az olduğu ortamlarda konsantrasyonları artar), Rhizobium meliloti, Aspergillus nidulans’ın ferricrocin. infeksiyonun gidişatını etkiler. Bakteriler konak organizmada transferrin veya laktoferrin gibi demir bağlamış olan moleküllerden, sideroforlar aracılığı ile demir kazanırlar. Demirin eksik olduğu ortamlarda üremek zorunda kalan mikroorganizmalar, kendi hücre kuru ağırlıklarından daha fazla siderofor sentezleyip dış ortama bırakırlar ve demiri çözünür hale getirmeye çalışırlar.
Çözünürlük problemini aşabilmek için pek çok bakteri, bitki ve diğer yüksek canlılar çok özgül, demir şelatörleri sentezler: sideroforlar. Sentezlenen ve sonra salgılanan sideroforların kaptığı demir hücre duvarındaki özel dış membran proteinleri aracılığı ile hücre içine alınır. Demir düzenleyici dış zar proteinleri çoğunlukla demir -siderofor kompleksi için reseptör görevi yapar ve bakterilerin sideroforlar aracılığı ile demir alabilmesi için gereklidir.
Bakterilerde sidorofor biyosentez genleri Fur reprssörünün etkisindedir. Demirle birlikte negativite re olarak görevi vardır.
Genel Bilgiler; Organizmaların enerji sağlayabilmesi, sellüler komponentleri yapabilmesi, gelişmesi, çoğalması ve yaşayabilmesi için beslenmesi ve bu nedenle de çeşitli gıda maddelerini alması gereklidir. Bu maddelerin bir bölümü doğrudan ortamlardan sağlanmasına karşın bir kısmı da hücre içinde sentezlenir. Böylece yaşam için gerekli olan mikro ve makro moleküller hazırlanır ve gerekli yerlerde kullanılır.
Mikroorganizmaların yapıları incelendiğinde, kuru ağırlıklarının %95'inden fazla bir kısmını bazı temel elementlerin (karbon, oksijen, hidrojen, nitrojen, sülfür, fosfor, potasyum, kalsiyum, magnezyum ve demir) oluşturduğu görülür. Bunlara, aynı zamanda, fazla gereksinim duyulur ve bulundukları ortamdan fazla miktarlarda alınırlar. Bu maddelere, makro element (makro nütrient) adı da verilmektedir. Bunlardan ilk 6 tanesi (major elementler), protein, karbonhidrat, lipid, nukleik asit, vs. yapısında da yer almaktadırlar. Geri kalan 4 tanesi de (minör elementler), hücre içinde katyon olarak kalırlar ve çeşitli biyokimyasal olgularda görev alırlar.
Mikroorganizmalar tarafından daha az olarak ihtiyaç duyulan maddeler de bulunmaktadır. Bunlar, mikro element (mikro nütrient) olarak adlandırılmaktadırlar. Bunlar arasında, manganez, çinko, kobalt, molibden, nikel ve bakır bulunmaktadır. Bunlar, aynı zamanda, biyokimyasal reaksiyonların katalizasyonunda, bazı enzimlerin ve kofaktörlerin yapısında da yer alırlar. Ortamlarda çok az bulunan ve hücreler tarafından da çok az miktarda ihtiyaç duyulan böyle elementler, iz elementleri olarak tanımlanmaktadırlar.
Doğada, çok çeşitli beslenme özelliği olan mikroorganizmalar bulunmaktadır. Bazıları, içinde çok az miktarlarda besin maddeleri bulunan minimal ortamlarda gelişebilmekte ve yaşayabilmektedir (prototrof). Buna karşın bir kısmı da özellikle, mutant suşlar, daha komplike ve zenginleştirilmiş besi yerlerinde yaşayabilmektedirler.
1. GİRİŞ
Biyoliç sürecinde mikroorganizmalar, sülfürlü cevherlerden metalleri kazanmak için ucuz ve etkili bir şekilde kullanılabilmektedir. Sülfürlü cevherlerden biyoliç ve
sedimantasyon ile metal elde edilmesinin Avrupa ve Çin’de iki bin yıl önce uygulandığı öne sürülmektedir.
Endüstriyel olarak pirometalurjik yöntemlerle işlenen sülfürlü cevher ve konsantreler kavurma ve pirometalurjik işlemler sırasında kükürt dioksit (SO2) oluşturmakta ve atmosferin kirlenmesine neden olmaktadır. Ergitme işleminin büyük ölçekli prosesler hariç yüksek maliyetli olması ve bu işlem sırasında SO2
oluşması nedeniyle, geleneksel ergitme işlemine bir alternatif olarak hidrometalurjik bir proses için araştırmalar hızlanmıştır. Ortam sıcaklığında ve atmosferik basınçta meydana gelen biyoliç işlemi, geleneksel hidrometalurjik ve pirometalurjik prosesler ile karşılaştırıldığında çevre açısından az kirlilik problemi olan ve daha az maliyetli bir yöntemdir .
Biyohidrometalurji uygulamalarının önündeki sorunlardan birisi özellikle doğrudan liç işlemlerinde cevher yüzeyinde oluşan kükürt tabakasının liç kinetiğini yavaşlatmasıdır .
Biyoliç prosesi bilimsel açıdan yoğun şekilde çalışılmakta endüstriyel uygulamalarda giderek önem kazanmaktadır .
Biyoliç, normal basınç altında, mikroorganizmaların katalizör etkisini kullanarak cevher ve konsantrelerden metalik bileşiklerin çözündürülmesi işlemlerini kapsamaktadır.
Asidofilik bakteriler için demir ve kükürt, farklı doğal ortamlarda bakterilerin gelişmesi için önemli bir enerji kaynağıdır. Bakteri yardımıyla gerçekleşen liç işlemi, kuvvetli bir oksitleyici reaktif olarak hareket eden ferik demirin (Fe+3) ortamda bulunması ile hızlanmaktadır. Biyoliç, sülfür bileşikleri ve ferro demirin (Fe+2) bakteriyel oksidasyonuyla üretilen ferrik demir ve sülfürik asitin konsantrasyonuna bağlı olmaktadır .
Bakterilerin piritin çözünmesine olan katkısı aşağıdaki tepkimelerde gösterilmiştir.
2FeS2+ 7O2+ 2H2O Bakteri 2FeSO4+ 2H2SO4
4FeSO4+ O2+ 2H2SO4 Bakteri 2Fe2(SO4)3+ 2H2O
Toplam reaksiyon,
4FeS2+ 15O2+ 2H2O Bakteri 2Fe2(SO4)3+ 2H2SO4
Suda çözünmeyen pirit, bu tepkime sonucu suda çözünen ferrik sülfat ve H2SO4
meydana getirmektedir. Bu tepkime sulu ortamın pH’ını düşürmekte yani asitliğini
artırmaktadır.
Piritin bakteri ile özütlenmesi sonucu ortaya çıkan Fe3+iyonu, piriti oksitlemekte ve elementer kükürt ile Fe2+ iyonu oluşturmaktadır.
FeS2+ Fe3+ 5Fe2++ 2SFe2+
iyonu ve kükürt, bakterilerle oksitlenerek sırasıyla Fe+3 ve H2SO4 meydana gelmektedir.
2S + 3O2+ 2H2O Bakteri2H2SO4
Sülfürlü cevherleri oksitleyen birçok bakteri bulunmaktadır. Maden ocağı sularında bol miktarda bulunan bu tür bakteriler yardımıyla gerçekleşen biyoliç işleminde; O2, CO2, sıcaklık, tane boyutu, ortam pH’ı, karıştırma hızı, katı oranı ve organizmaları besleyici elementlerin varlığı etkili olmaktadır.
Thiobacillus ferrooxidans kemolitotrof, mezofil gram negatif bir bakteri olup,
hareketlidir. Spor oluşturmaz ve 0,5–1,0 mikron uzunluğunda çomak yapıdadır.
Optimum pH aralığı 1,5–4,5 ve optimum sıcaklığı 25-30oC dir. Bununla birlikte
Thiobacillus ferrooxidans 4-46oC arasında yaşayabilmektedir.
Thiobacillus ferrooxidans ile metal özütlenmesinde iki mekanizma rol oynamaktadır. Bunlardan doğrudan etki mekanizması; bakterilerin metal sülfürlerin üzerine pilileri veya lipopolisakkarit kılıf ile yapışarak sübüstratı oksitlediği ileri sürer. Gerçekten bakterilerin seçici olarak pirit ve kalkopirit gibi sülfidik mineral yüzeylerine yapıştığıelektron mikro fotoğraflarında gözlenmektedir. Bakterilerin yapıştığı sanılan bu bölgedeki kristal yüzeylerin daha sonra bozuldukları yine elektron mikro fotoğrafları ile saptanmıştır.
Dolaylı etki mekanizmasında bakteri hemen her tür mineral yapıda reaksiyon
oksidasyon sonucu FeSO4 şeklinde suya geçmekte daha sonra Fe2+
bakteri tarafından Fe3+’e oksitlenmektedir.
Demirin suya geçişi bakteri olmadan da gerçekleşebilir. Ortama giren Fe3+
kuvvetli bir oksidan olduğu için bundan sonra kimyasal oksidasyona tesir eder. Bu reaksiyonlar. Thiobacillus ferrooxidans’ın varlığına mutlak anlamda bağlı değildir, fakat bakteri yardımıyla bu olay doğal şartlar altında gerçekleşen oksidasyondan 50,000 misli daha hızla gerçekleşmektedir.
Oldukça eski bir yöntem olan toz metal (T/M) uygulamaları günümüzde çok çeşitli alanlara yayılan güncel teknolojiler haline gelmiştir [14]. Öğütme, elektroliz, kimyasal indirgeme ve atomizasyon dört ana toz üretim metodu olup, dünyada büyük miktarlarda tüketilen toz demir (ABD’de 400 bin ton/yıl, ülkemizde 5 bin ton/yıl), ekonomik değeriyüksek bir malzeme olmasına karşın ne yazık ki ülkemizde üretilememektedir .
Bu çalışmada geleneksel toz üretim yöntemlerine alternatif olarak biyoliç yöntemiyle toz üretimi üzerinde çalışılmıştır.
2. YÖNTEM VE TEKNİKLER
Pirit mineralizasyonu için kullanılacak Thiobacillus ferrooxidans Erzurum-Aşkale
Kömür ocağından alınan kömür örneğinden izole edilmiştir. Bu amaçla kömür
numunesi 9K besi yerine bırakılmıştır (Çizelge 1). Hazırlanan numuneler 150 dv/dk ve 30oC ye ayarlı çalkalamalı inkübatörde yaklaşık 15 gün süre ile bekletildi. Bu
sürenin sonunda besi yeri renginin bakteriyolojik oksidasyona bağlı olarak kırmızımsı
kahverengiye dönüşmesi ile Thiobacillus ferrooxidans’ın varlığına karar verilmiş ve
mikroskobik muayenelerde de bakteri varlığı gözlenmiştir.
Besi yeri Bileşimi Konsantrasyon(g/L)
(NH4)2SO4 3,0
KH2PO4 0,5
KCl 0,1
MgSO4x 7H2 0,5
Ca(NO3)2 0,01
FeSO4x 7H2O 14,7
pH 2,5
Daha sonra bakterilerin cevhere adapte olabilmesi amacıyla besi ortamı yerine EtibankKüre Bakır İşletmesi flotasyon tesisinden alınan pirit konsantresi üzerine ekimler yapılmıştır (Çizelge 2).
Biyoliç ortamı bileşimi
Besi yeri Bileşimi Konsantrasyon(g/L)
Pirit konsantresi 10,0
(NH4)2SO4 0,4
MgSO4x 2H2O 0,4
KH2PO4 0,2
KCl 0,1
Biyoliç deneyleri, 250 ml’lik Erlenmayerlerde 100 ml’lik çalışma hacimlerinde
yapılmıştır. Cevher erlenmayere konulduktan sonra 90 ml besi yeri ilave edilmiş ve
erlenmayerler 121oC sıcaklıkta ve 1 atmosfer basınç altında 15 dakika otoklavda
bekletilerek siterilizasyon sağlanmıştır. Siterilizasyon işleminden sonra pH, steril
sülfürik asit ile ayarlanmıştır. Deneylerde tek tip bakteri kültürü (Thiobacillus
ferrooxidans) kullanılmıştır ayrıca bakteri içermeyen kontrol deney grupları da aynı
yöntemle hazırlanmıştır. Daha sonra çoğaltılmış bakteri kültüründen 10 ml alınarak
steril koşullarda her bir erlenmayere (kontrol deney grubu hariç) ekim yapılmıştır.
Erlenmayerler 30oC ve 150 dv/dk’a ayarlanmış çalkalamalı inkübatöre yerleştirilmiştir. İnkübasyon 480 saat (20 gün) devam etmiş ve bu süre içersinde eksilen bir kısım liç sıvısı yerine ekleme yapılmamıştır. İnkübasyonun bitiminde erlenmayerlerde bulunan sıvı kısım ayrıştırılarak elde edilen karışım farklı kaplara aktarma yöntemi ile havalandırılarak ısıtılmış ve karışım içersindeki suyun uzaklaşması sağlanmıştır.
Liç işleminden elde edilen özüte (1 özüt:2 kok:1 kireç taşı) belirli oranlarla kok ve kireç taşı karıştırılmış, karıştırma önce kömür ile gerçekleştirilmiş ve çalışmada kullanılan kok porselen havan içersinde pudra kıvamına gelinceye kadar öğütüldükten sonra kullanılmıştır. Kok üzerindeki gözeneklerin (Şekil 1) özütü emmesi sağlanmıştır. Daha sonra tespit edici olarak öğütülmüş kireç taşı eklenmiş ve işlenmeye hazır bu malzemenin elektron mikro fotoğrafları (SEM) çekilmiştir (Şekil 1).
Şekil 1. Materyalin ısıl işlemden önceki görüntüsü.
Ayrıca ısıl işlem için hazırlanan malzeme x-ışını ile analiz edilmiştir (Şekil 2).
Şekil 2. Materyalin ısıl işlemden önceki x-ışını analizi.
Son olarak malzeme ateş tuğlası üzerine 0.5cm kalınlığı ile yayılarak asetilen alevi ile
yaklaşık 25 sn ısıl işleme maruz bırakılmıştır. Isıl işlemden sonra elde edilen ürünün
elektron mikro fotoğrafları (SEM) çekilmiştir (Şekil 3).
Şekil 3. Isıl işlemden sonra toz metal oluşumlar
ve ayrıca x-ışını analizi ile analiz edilmiştir (Şekil 4).
Şekil 4. Isıl işlemden sonra x-ışını analizi
Gerek x-ışını analizleri, gerekse elektron mikro fotoğrafları ile toz metalin varlığı
belirlenmiş olup, kullandığımız yöntem ile toz üretimi yapılabileceği ortaya konmuştur.
3. SONUÇ
Özellikle toz demir, T/M malzemeler içerside en çok kullanılan malzeme olup presleme yöntemleri ile karmaşık parçaların bir kerede ve yüksek niteliklerde üretilmesine olanak sağlamaktadır. Mevcut üretim yöntemleri büyük miktarlarda enerji kullanımı gerektiren ve demirin daha da küçük partiküllü toza dönüşümüne uygun olmayan nitelikler taşımaktadır.Bizim yöntemimizle oda sıcaklığı ve atmosfer basıncında bir tür kalıplayıcı malzemeler olarak kullanılan kok gözenekleri ve yüzeyleri içersinde mikroskobik boyutlu demir oksit partikülleri oluşturulabilmiştir. Çok küçük yapılı oluşları sebebiyle partiküllerin kimyasal indirgenme yoluyla toz metale dönüşümünün kolay ve hızlı olmasının yanı sıra, mevcut üretim yöntemleriyle başarılamayan belirli bir büyüklüğün altında toz üretiminin de gerçekleştirilebildiği ortaya konmuştur.
İz elementlerden demir, elektron transport mekanizması ve sitokrom sentezi için önemlidir. Bakteri toksinlerinin (difteri toksini) sentezinde görevi olan demir, purpul sülfür bakterilerin pigmentinde (bakterioklorofil) ve Serratia marcescens 'in prodigiosin 'inde de vardır. Nitratların redüksiyonu ve melanin sentezi için bakıra ihtiyaç duyulur. Kobalt, Vitamin B 12'nin yapısı, manganez ve molibden nitrat redüksiyonları için ve molibden ayrıca nitrogen fiksasyonu için gereklidir. Çinko, alkol dehidrojenaz aktivitesinde ve sitokrom-c'nin sentezinde görev yapar.
Linkback: http://www.gencveteriner.com/index.php?PHPSESSID=1e701a017a8f9247fa41a198ffb0babe&topic=2578.0