Üre ve cacl2'nİn farkli konsantrasyonlarinda Ürolİtİk … · 2018-04-04 · Üre ve cacl...

ÜRE ve CaCL2'NİN FARKLI KONSANTRASYONLARINDA

ÜROLİTİK BAKTERİLER TARAFINDAN KUM

ZEMİNLERDE MİKROBIYAL CaCO3 OLUŞUMU VE SEM

İLE GÖRÜNTÜLEME

MICROBIAL CACO3 FORMATION BY UREOLYTIC BACTERIA IN

DIFFERENT CONCENTRATIONS OF UREA AND CACL2 IN SANDY

SOİLS AND IMAGING BY SEM

Nazlıhan YILDIRIM1, Yeşim GÜRTUĞ

2*, N. Cenk SESAL

1

ABSTRACT

In recent years, many studies have been carried out on microbial CaCO3 formation by

microorganisms biochemically in the field of civil engineering. Although many mechanisms

have been used for the formation of microbial CaCO3 in these studies, the most studied is the

urea hydrolysis mechanism. Basically, in the course of urea hydrolysis, the urolitic bacteria in

the environment break down the urease with the urease enzyme they produce into NH3 and

CO2. As a result, NH3 in the liquid medium provides an increase in pH, while CO2 is

converted to HCO3- ions. The Ca

2+ ion in the medium combines with the unstable HCO3

- ions

to form CaCO3. In this study, it was aimed to observe the formation of microbial CaCO3 using

Bacillus sphaericus CECT 5905 bacterium with urease activity in liquid medium containing

urea-CaCl2 at three different concentrations and to observe the change of CaCO3 form by

SEM analysis.

When the SEM images of the samples were examined, it was determined that the different

groups of CaCO3 (calcite, vaterite, aragonite) were formed in all groups in the last treatment.

In our study, the highest amount of CaCO3 formation occurred in the group treated with 0.5 M

urea-0.5 M CaCl2 solution and bacterial suspension, and three different forms of CaCO3 were

observed in this group. In addition, the microbial CaCO3 formation in this group formed

strong link bridges between the sand particles, so that the particles were connected to each

other. Thus, the size and amount of pores in the samples were reduced and the sand structure

was increased in durability compared to the control groups.

Keyword: Urease activity, Bacillus sphaericus, Microbial CaCO3

ÖZET

Son yıllarda, inşaat mühendisliği alanında biyokimyasal olarak mikroorganizmalar tarafından

gerçekleştirilen mikrobiyal CaCO3 oluşumu ile ilgili birçok çalışma yapılmıştır. Bu

çalışmalarda, mikrobiyal CaCO3 oluşumu için birçok mekanizma kullanılmasına karşın, en

fazla üzerinde çalışılan üre hidrolizi mekanizmasıdır. Temel olarak, üre hidrolizi sürecinde,

ortamdaki ürolitik bakteriler, ürettikleri üreaz enzimi ile üreyi NH3 ve CO2'ye

parçalamaktadır. Buna bağlı olarak sıvı ortamda NH3, pH'da bir artış sağlarken, CO2, HCO3-

iyonlarına dönüştürülmektedir. Ortamda bulunan Ca2+

iyonu ise, kararsız HCO3- iyonlarıyla

birleşerek CaCO3 oluşturmaktadır. Bu çalışmada, üç farklı konsantrasyonda üre-CaCl2 içeren

sıvı ortamda, üreaz aktivitesi belirlenen Bacillus sphaericus CECT 5905 bakterisi kullanılarak

449

7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul

mikrobiyal CaCO3 oluşumunu gözlemlemek ve SEM analizi ile CaCO3’ün biçimindeki

değişimi izlemek amaçlanmıştır.

Örneklerin SEM görüntüleri incelendiğinde, muamele sonuncunda tüm gruplarda farklı

CaCO3 tiplerinin (kalsit, vaterit, aragonit) oluştuğu belirlenmiştir. Çalışmamızda en yüksek

miktarda CaCO3 oluşumu, 0.5 M üre-0.5 M CaCl2 solüsyonu ve bakteri süspansiyonu ile

tedavi edilen grupta gerçekleşmiş ve CaCO3’ın üç farklı formu da bu grupta gözlemiştir.

Ayrıca bu gruptaki mikrobiyal CaCO3 oluşumu, kum partikülleri arasında güçlü bağlantı

köprüleri oluşturmuş ve böylece partiküller birbirine bağlanmıştır. Böylelikle, örneklerdeki

por boyutu ve miktarı azalmış ve kum yapısının kontrol gruplarına göre dayanıklılığının

artması sağlanmıştır.

Anahtar kelime: Üreaz aktivitesi, Bacillus sphaericus, Mikrobiyal CaCO3

1. GİRİŞ

CaCO3, çoğunlukla kayalar ve deniz kabuklarında bulunan ve yerkabuğunun % 4'ünü

oluşturan bir karbonik asit tuzudur [1]. Tebeşir, mermer, kireç taşı, traverten ve çeşitli deniz

kabuklarının yapılarında bulunur [2]. Toprakta çeşitli CaCO3 biçimleri vardır. Normal

koşullar altında, bu form, tetragonal veya altıgen β-CaCO3 yapısıyla kalsittir [3] (Şekil 1.1).

Amorf yapısı nedeniyle CaCO3 kolayca diğer formlara dönüştürülebilir. Örneğin; Bu form

ortorombik λ-CaCO3 yapısının aragonit şekli veya sıcaklık etkisiyle μ-CaCO3 yapısının vaterit

formuna dönüşebilmektedir [4,5]. Bu formlar suyun bağlı olmadığı formlardır. Ek olarak,

literatürde, suyun bağlı bulunduğu amorf CaCO3, monohidrokalsit (CaCO3.H2O) ve ikait

(CaCO3.6H2O) formları olduğu bildirilmektedir [6]. Susuz formların en kararsız hali vaterit,

en kararlı hal ise kalsittir. Vaterit esas olarak polikristal sferikslerden oluşmaktadır. Aragonit

formu iğne benzeri yapılar şeklinde oluşur. Vaterit, sıcaklık faktörüne bağlı olarak en kararsız

haldir çünkü sıcaklık 30 °C'nin altında olduğunda kalsit oluşmakta ve aragonite ise 40 °C'nin

üzerinde olduğunda meydana gelmektedir [7].

Şekil 1.1. CaCO3'ün kimyasal yapısı

Doğada, CaCO3 oluşumu kendiliğinden kimyasal veya biyokimyasal yollarla oluşmaktadır

[8,9]. Kimyasal olarak, pozitif yüklü Ca2+

iyonlarının negatif yüklü HCO3- iyonlarıyla

kombinasyonu ile meydana gelmektedir. Yapay olarak, örneğin, endüstriyel alanda saf CaCO3

elde etmek için, özellikle mermer ocaklar kaynak olarak kullanılır ve öğütülmüş CaCO3

oluşumu sağlanabilir. Buna ek olarak, kalker ayrılabilir ve CaCO3'ü çöktürmek için yeniden

kalsiyum hidroksit (Ca(OH)2) haline dönüştürülebilir [10].

Diğer yandan, son yıllarda, mikrobiyal CaCO3 oluşumuyla ilgili çalışmalar, yukarıdaki

fiziksel ve kimyasal yolların yanında biyokimyasal olarak gerçekleştirilmiştir. Mikrobiyal

CaCO3 oluşumu, toprak, su ve deniz sedimanlarında [11] yaygın bir olaydır. Literatürde, bu

oluşum ile ilgili çalışmalar farklı yolaklara değinmektedir [12,13] (Tablo 1.1). Bu yollardan

bazıları aşağıda listelenmiştir:

450


- Fotosentetik mikroorganizmalar tarafından siyanobakterial fotosentez [14, 15,16]

- Üreolitik bakteriler tarafından üre hidrolizi [17, 18, 19, 20, 21]

- Sülfat indirgeyen bakteriler tarafından sülfat indirgemesi [22, 23, 24]

- Nitrat indirgeyen bakteriler tarafından denitrifikasyon [25, 26, 27]

- Amonifikasyon [28, 29]

Tablo 1.1 Farklı mikrobik yollarla CaCO3 oluşum mekanizmaları

Bakteri grubu Metabolizma Bakteri türü Reaksiyon

Siyanobakteri ve

alg Fotosentez

Nostoc calcicola

2HCO3- + Ca

2+ →

CH2O + CaCO3+ O2 Oscillatoria willei

Anabaena cycadae

Ürolitik bakteri Üre Hidrolizi

Sporosarcina

pasteurii

CO(NH2)2 + 2H2O +

Ca2+

+ Hücre→ 2NH4+

+ Hücre-CaCO3 Bacillus sphaericus

B. megaterium

Nitrat

İndirgeyen

Bakteri

Denitrifikasyon

Diaphorobacter

nitroreducens

CH2COO- + 2,6H

+ +

1,6NO3- → 2CO2 +

0,8N2 + 2,8H2O

Ca2+

+ CO2(aq)+ 2OH-

→ CaCO3(s) + H2O

Nitrosomonas türleri

Nitrobakter türleri

Miksobakter Amonifikasyon Myxococcus xanthus

NH3 + H2O → NH4+ +

OH-

, Ca2+

+HCO3-

→CaCO3+ H+

Sülfat

İndirgeyen

Bakteriler

Sülfat

indirgenmesi

Desulfovibrio

desulfuricans

SO42−

+ 2[CH2O] +

OH−

+ Ca2+

→ CaCO3

+ CO2 + 2H2O + HS-

Desulfobacterium

autotrophicum

451


Üre hidrolizi, yukarıda belirtilen yolaklardan en fazla kullanılanıdır. Ürolitik bakterilerin

mikrobiyal CaCO3 oluşumu aktivitesi üzerine araştırmalar, biyolojik işleme [30], çimento

esaslı yapı malzemelerinde konsolidasyon [31], toprak iyileştirme [32, 33, 24], tarihsel

anıtların restorasyonu [34] ve boya endüstrisi gibi alanlarda yapılmaktadır. Ürenin hidrolizi

için, literatürde model organizma olarak Bacillus bakterileri ile çalışmalar

gerçekleştirilmektedir. Bir çalışmada yukarıda bahsedilen B. sphaericus ve S. pasteurii model

organizmaları kullanılarak CaCO3 oluşumu ve dayanıklılık farkları tespit edilmiştir [11].

Beton numuneleri bu bakteri süspansiyonlarıyla muamele edilmiş ve ortamdaki CaCO3

kristalleri XRD analizi ve SEM ile görüntülenmiştir.

Üre hidrolizi sürecinde, ortamdaki bakteriler, üreaz enzimi tarafından üretilen üreyi NH3 ve

CO2'ye parçalarlar. Açığa çıkan NH3, pH'da bir artış sağlarken; CO2, HCO3- iyonlarına

dönüştürülür. CaCl2, iyonlarına ayrışmak için suyla reaksiyona girer ve ortama Ca2+

iyonunu

verir. Ca2+

iyonu, kararsız HCO3- iyonlarıyla birleşerek CaCO3 oluşturur. Bu bağlamda,

mikrobiyal aktivite için gerekli üre miktarı ve CaCO3 oluşumu için gerekli olan CaCl2 miktarı

önemlidir. Üre, enzim için bir substrat görevi yaparken; CaCl2, Ca kaynağı olarak işlev görür.

Bu nedenle üreaz enzimi, substrat miktarının bitmesi nedeniyle aktivitesini durdururken,

ortamdaki HCO3- iyonları azaldığında CaCO3 oluşumu azalacaktır. Bununla birlikte, çökelen

CaCO3 kristalleri miktarı düşük olacaktır, çünkü yine Ca içeriği düşüktür ve HCO3- iyonlarına

katılma oranı düşer.

Bu çalışmada, üç farklı konsantrasyonda üre-CaCl2 içeren sıvı ortamda, üreaz aktivitesi

saptanan B. sphaericus CECT 5905 suşu kullanılarak gerçekleştirilen mikrobiyal CaCO3

oluşumunun gözlemlenmesi ve SEM analiziyle CaCO3 formundaki değişikliğin izlenmesi

amaçlanmıştır. Bununla birlikte SEM analizleriyle elde edilen verilerin desteklenmesi

amacıyla Bernard-Scheibler kalsimetre metodu ile CaCO3 miktar tayini yapılarak farklı

ortamlarda oluşan CaCO3 miktarları belirlenecektir.

2. MATERYAL VE METOD

Bu çalışmada örnekler, 2 kontrol [Kontrol Grubu 1 (CaCl2 (sabitleyici solüsyon) ve bakteri

süspansiyonu), Kontrol Grubu 2 (CaCl2 - üre solüsyonu] ve 4 Deney Grubu (3 değişik CaCl2 -

üre konsantrasyonu ve bakteri Şüphe) olarak toplam 6 farklı gruptan oluşmaktadır.

2.1. Bakteri süspansiyonunun hazırlanması

Bu çalışmada ürolitik bir bakteri olan B. sphaericus CECT 5905 kullanılmıştır. B. sphaericus

CECT 5905, 30 °C'de 16 saat boyunca LB agarda yetiştirilmiştir. Mikroorganizmaların test

ortamı için, 10 g NH4CI ve 25 g LB Broth, 1000 ml damıtılmış su ile çözülmüştür. Bu

solüsyon 121 °C'de 15 dakika otoklavlanmıştır. Mikroorganizma kolonisi, sterilize edilmiş

çözelti ile karıştırılmıştır. Deneyde kullanılmadan önce 625 nm'de 0,18 optik yoğunluğa

ayarlanmıştır.

2.2. Çimento ve fiksatif solüsyonların hazırlanması

Çimento solüsyonlarının miktarı ve içeriği ve fiksatif solüsyon tablo 2.1'de gösterilmektedir.

Üre ve CaCl2 konsantrasyonu olarak 0,5 M üre ve 0,3 M CaCl2, 0,5 M üre ve 0,5 M CaCl2,

0,3 M üre ve 0,5 CaCl2 olmak üzere üç farklı konsantrasyon seçilmiştir. Fixatif çözelti, 0,05

M CaCl2 içermektedir.

452


Tablo 2.1 Çimentolama solüsyonuve fiksatif solüsyon miktarı ve içeriği

Çimento solüsyonları Fiksatif solüsyon

0,5 M Üre / 0,3

M CaCl2

0,5 M Üre / 0,5

M CaCl2

0,3 M Üre / 0,5

M CaCl2 0,05 M CaCl2

-55 g CaCl2.2H2O

-30 g üre

-75 g CaCl2.2H2O

-30 g üre

-75 g CaCl2.2H2O

-20 g üre

-7,5 g CaCl2.2H2O

Çimento çözeltilerini hazırlamak için, yukarıda bahsedilen CaCI2.2H2O miktarları 800 ml

distile su ile çözülmüştür. Bu solüsyon 121 °C'de 15 dakika otoklavlanmıştır. Yukarıda

belirtilen miktarda üre, 200 ml damıtılmış su ile çözülmüş ve 0,45 µm membran filtre ile

sterilize edilmiştir. CaCl2 çözeltisinin sıcaklığı 40 °C'nin altına düştüğünde, 200 ml sterilize

üre çözeltisi yavaş yavaş CaCl2 çözeltisine eklenmiştir. Karışım, deneyden önce + 4 °C'de

saklanmıştır.

Fiksatif solüsyonu hazırlamak için 7,5 g CaCl2.2H2O, 1000 ml damıtılmış su ile çözülmüştür.

Bu solüsyon 121 °C'de 15 dakika otoklavlanmıştır. Deneyde kullanılmadan önce + 4 °C'de

saklanmıştır.

2.3. Kum örneklerinin hazırlanması

Deniz kumu (boyut ≤ 0,850, TS / Türk Standardı 1900), damıtılmış su ile yıkanmış ve Pasteur

fırında 65 °C'de iki gün kurutulmuştur. Kurutulmuş kum 15 dakika 121 °C'de

otoklavlanmıştır. Petri plakalarındaki 40 g sterilize edilmiş kum, 80 °C'de bir gün boyunca

kurutulmuştur. 40 g sterilize edilmiş ve kurutulmuş kum örnekleri steril bir şırıngaya

eklenmiştir. Kum örneklerinin şırınga içine eklenmesinden önce bakteri ve kum kaybını

önlemek için şırınganın tabanına 0,45 μm membran filtre yerleştirilmiştir.

2.4. Kum numunelerinin bakteri, çimento ve fiksatif solüsyon ile muamele edilmesi

Kum örnekleri 6 farklı grup ile muamele edilmiştir (Tablo 2.2). İlk olarak, Grup 2,3,4,5,6'ya

bakteri süspansiyonu (OD625nm: 0,180 - 2 McFarland) ilave edilmiştir. Süspansiyona ilave

edildikten sonra, Grup 3 haricindeki tüm gruplara 60 ml fiksatif solüsyon ilave edilmiş ve 30

dakika beklenmiştir. Daha sonra Grup 2 dışındaki tüm gruplara 60 ml çimento solüsyonu

eklenmiştir. Grup 2'ye ise fizyolojik tuz çözeltisi (% 0,9) uygulanmış ve 3 saat beklenmiştir.

Daha sonra, ikinci kez Grup 2 haricindeki tüm gruplara 60 ml çimento solüsyonu ilave

edilmiş ve 24 saat beklenmiştir. Son kez, 60 ml çimento solüsyonu ilave edilmiştir. Tüm

numuneler, 30 °C'de 28 gün inkübe edilmiştir. İnkübasyon sırasında üreaz aktiviteleri yoluyla

üreolitik bakteriler tarafından mikrobiyal CaCO3 oluşumu gerçekleşecektir.

453


Tablo 2.2. Kum numunelerine ilave edilen solüsyonlar

Bakteri

süspansiyonu

Fiksatif

solüsyon

Çimento solüsyonu (üre-CaCl2 g/g)

30 / 55

(0,5/0,3 M*)

30 / 55

(0,5/0,5 M)

20 / 75

(0,3/0,5 M)

Grup 1

(Kontrol) - - -

Grup 2

(kontrol) - - -

Grup 3 - - -

Grup 4 - -

Grup 5 - -

Grup 6 - -

M*:Molar

2.5. SEM için kum numunelerinin hazırlanması

Kum numunelerinin SEM analizi, Marmara Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Malzeme Karakterizasyonu Laboratuvarı tarafından Hizmet Alımı ile yapılmıştır.

10 mm çaptaki alüminyum tutucular üzerine, karbon iletken çift taraflı yapıştırıcı bant

yapıştırılmıştır.

Bant yapıştırılmış tutucuların yapışkan yüzeyleri, bir pens yardımı ile kum

örneklerinin üzerine kuvvetli bir şekilde bastırılmıştır(Şekil 3.6A).

Örnekler, Polaron SC7640 püskürtmeli kaplayıcı ile 1,5 kV’de 30 saniye süre ile 10-6

(mbar/Pa) basınç altında altın platin kullanılarak kaplanmıştır (Şekil 3.6B).

Yaklaşık 5 dakika süren kaplama işleminden sonra, örnekler FEI Sirion Taramalı

Elektron Mikroskobu içerisindeki kuyucuğa yerleştirilerek incelenmiştir (Şekil 3.6C).

Şekil 2.3. A, Kum örneklerinin yapışkan yüzeye yapıştırılması; B, numunelerin kaplanması;

C, numunelerin SEM ile incelenmesi

2.6. Bernard-Scheibler Kalsimetre Metodu

CaCO3 miktarını belirlemek için Bernard-Scheibler kalsimetre metodu kullanılmıştır. Metod

prensip olarak, HCl ile muamele edilen örnek içerisindeki CaCO3, asit ile reaksiyona girerek

CO2 oluşturur. Oluşan CO2 gazı dereceli büret içerisinde toplanır. Burada oluşan CO2 gazı,

reaksiyona giren CaCO3 ile eşdeğerdir. Böylelikle bürette okunan CO2 gazı değeri aynı

zamanda CaCO3 miktarıdır. Toprak içerisindeki CaCO3 miktarı aşağıda verilen formül ile

hesaplanmaktadır [40]:

% CaCO3

A B A

A

A C

454


3. SONUÇ VE TARTIŞMA

Numunelerin SEM görüntüleri incelendiğinde, farklı CaCO3 tiplerinin oluştuğu belirlenmiştir.

Parçacık yüzeyine topluca yapışan CaCO3 kristalleri Grup 1'de gözlenmiştir (Şekil

3.1).

Kalsit tipi CaCO3 kristalleri Grup 2'de düzensiz ve kırılgan yapılı gözlenmiştir (Şekil

3.2).

Çoğunlukla dağınık halde olan ve partikül yüzeyine yapışan CaCO3 kristalleri Grup

3'te gözlenmiştir (Şekil 3.3).

Çoğunlukla aragonit formundaki CaCO3 kristalleri Grup 4’te gözlenmiştir (Şekil

3.4A-B).

Grup 5'de kalsit, aragonit ve vaterit formundaki CaCO3 kristalleri gözlemlenmiştir.

Kalsitlerden oluşan kristaller partiküller arasında bol miktarda bulunmaktadır. Ayrıca,

parçacıklar arasında CaCO3 kristalleriyle bağlantı köprüleri oluşturulmuştur (Şekil

3.5A-B-C).

CaCO3 kristalleri Grup 6'da yığın halindedir (Şekil 3.6).

Şekil 3.1. Kum parçacık Şekil 3.2. Düzensiz ve Şekil 3.3. Kum parçacık

Yüzeyinde CaCO3 kristalleri. kırılgan kalsit formu yüzeyinde düzensiz ve

kırılgan CaCO3 kristalleri

Şekil 3.4. A; Aragonit ve kalsit kombinasyonu, B; Yığın kalsit formları

B A

A A

kalsit

aragonit

kalsit

kalsit

kalsit kalsit

455


C A

Şekil 3.5. A; Düzenli ve dayanıklı kalsit formları, B; Vaterit ve kalsit formları, C; İki kum

parçacığı arasındaki bağlantı köprüleri

Şekil 3.6. Kalsit formları

Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, çoğunlukla kalsit CaCO3 kristal türlerinin

gözlendiği tespit edilmiştir. Literatürde, kalsit formlarının mikrobiyal olarak oluştuğu

belirtilmektedir. Diğer CaCO3 türleri, sıcaklık ve pH gibi faktörlerinin değişmesiyle

oluşmaktadır. Bu bağlamda çalışmamızda en yüksek CaCO3 formuna sahip grup, Grup 5’tir.

Grup 5, 0.5 M üre-0.5 M CaCl2 solüsyonu ve bakteri süspansiyonu ile muamele edilmiştir.

Kum partikülleri arasındaki mikrobiyal CaCO3 oluşumu ile güçlü bağlantı köprüleri oluşmuş

ve kum partikülleri birbirine bağlanmıştır. Kalsit formları çoğunlukla Grup 6'da (0,5 M üre-

0.3 M CaCl2 çözeltisi ve bakteri süspansiyonu içeren) ve Grup 4'te (0.3 M üre-0.5 M CaCl2

çözeltisi ve bakteri süspansiyonu içeren) oluşturulmuştur. Buna göre, üre

konsantrasyonundaki azalma ve CaCl2 konsantrasyonundaki artış, eşit miktar içeren gruptan

daha düzensiz ve kırılgandır. Yapılan bir çalışmada, eşmolar üre-CaCl2 molarite çözeltisi ile

muamele edilen örneklerde eşit olmayanlara göre daha fazla CaCO3 oluşumu gözlenmiştir

[35]. Çalışmamızda kullanılan kontrol gruplarında (Grup 1 ve Grup 2) düzensiz ve kırılgan

CaCO3 formu az miktarda gözlenmiştir. Grup 1, sadece fiksatif ve çimento solüsyonu

içermekte ve bakteri süspansiyonu içermemektedir. Bu nedenle, mikrobiyal CaCO3 oluşumu

oluşmamıştır. Bununla birlikte, Grup 2 ise, bakteri süspansiyonu içerdiği halde çimento

çözeltisi ile muamele edilmemiştir. Buna göre, kum numunel yoktur ve buna göre mikrobiyal

CaCO3 oluşumu gerçekleşmemiştir. Benzer bir çalışmada, aynı kontrol grupları kullanılmış ve

az miktarda mikrobiyal CaCO3 gözlenmiştir. Kum numunelerine ultrasonik ses dalgaları

gönderilmiş ve kayma dalgası hızı tespit edilmiştir. Diğer gruplara kıyasla düşük değerler elde

edilmiştir [36]. Mikrobiyal CaCO3 oluşumu üzerine bakteriyel konsantrasyonların etkisi ile

ilgili literatürde çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmalarda elde edilen sonuçlara göre, bakteri

konsantrasyonunun çok yüksek veya çok düşük olması CaCO3 oluşumunu azaltmaktadır [37,

38, 39]. Buna göre, yüksek bakteri konsantrasyonu CaCO3 oluşumunda etkili olamazken,

CaCO3 formlarının normal seviyede (30 ml-1.5x108 cfu / ml) bakteri konsantrasyonunda daha

yüksek miktarlarda düzenli ve kırılmayan formda oluştuğu söylenebilir.

A A

B A

Bağlantı köprüleri kalsit kalsit

vaterit

Kalsit

456


3.1. XRD Sonuçları

Philips Panalytical marka X’Pert model X-ışını difraktometre cihaz CuKα monokromatik

radyasyon kaynağı ile 40 kV ve 30 mA analiz koşullarında analiz edilmiştir. Elde edilen

sonuçlarda Grup 5’te %23,4 Ca ve %76,6 SiO2 ve diğer elementler bunlunmaktadır. Diğer

gruplarda ise Ca oranı daha azdır.

3.2. Bernard-Scheibler Kalsimetre Metodu İle CaCO3 Miktar Tayini

Bernard-Scheibler Kalsimetre Metodu ile elde edilen veriler Tablo 3.1’de gösterilmektedir.

Tablo 3.1. Bernard-Scheibler Kalsimetre Metodu ile belirlenen CaCO3 miktarı sonuçları

Numune

ismi

Tartılan

miktar

Standart

için ilk

okunan

değer

Standart

için son

okunan

değer

Toplam

okunan

değer

Hesaplanan %

değer

(VTX100)/(TX2XW)

Hesaplanan

gr değeri

(WSX VÖ)/

VS

Standart 0,1 2 23,2 21,2

Standart 0,5 2 124 122

Saf kum 2,01 2 18 16 18,77 0,07

Grup 1 2,01 1,4 27 25,6 28,03 0,11

Grup 2 2,01 2,2 28 25,8 30,27 0,11

Grup 3 2,01 2,2 28,6 26,4 30,97 0,12

Grup 4 2,01 2 29 27 31,68 0,12

Grup 5 2,01 2,2 34 31,8 37,31 0,15

Grup 6 2,01 2,2 29 26,8 31,44 0,12

Elde edilen veriler, SEM görüntüleri ile tutarlıdır. En fazla CaCO3 oluşumu Grup 5’te

görülmektedir. Diğer gruplardaki CaCO3 miktarı ise saf kuma göre fazla, Grup 5’e göre azdır.

Kullanılan eşit molaritedeki üre ve CaCl2 kum numunesinde Kristal oluşumunu hızlandırmış

ve aynı süreye tabii tutulan diğer kontrol ve deney gruplarına göre daha iyi sonuçlar elde

edilmiştir.

4. SONUÇLAR

Ürolitik bakterilerle birlikte, ortamda üre ve Ca kaynağının bulunması, mikrobiyal CaCO3

oluşumunu sağlamaktadır. CaCO3 oluşumunu gerçekleştirmek için kullanılan üre ve Ca

kaynağının konsantrasyonu büyük önem taşımaktadır. Çalışmamızda, en iyi konsantrasyon

değerini belirlemek için farklı molariteli üre-CaCl2 solüsyonları hazırlanmış ve kumdaki

CaCO3 oluşumuna etkisi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, ortamda

eşit molariteli üre ve Ca kaynağının varlığının, yüksek miktarda CaCO3 oluşumunun

gerçekleştirilmesi için daha uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Bu bağlamda, gelecekteki

çalışmalarda eşit molariteye sahip üre-Ca kaynağının kullanılması, toprakta daha etkili bir

gelişme sağlayacaktır.

Mikrobiyal CaCO3 oluşturulan kum örneklerinin SEM görüntüleri incelendiğinde, mikrobiyal

CaCO3 oluşumunun, kimyasal CaCO3 oluşumundan daha düzenli ve kırılmaz olduğu

belirlenmiştir. Ayrıca CaCO3 oluşumunun kum parçacıkları arasında sıkı bağlantı köprüleri

oluşturduğu görülmüştür. Bu bilgilerin ışığında, elde edilen sonuçlara göre, inşaat

mühendisliğinde önemli bir yeri olan CaCO3’ın mikrobiyal olarak oluşturulmasının, bu

457


oluşum için rutin olarak kullanılan yöntemlere alternatif bir yöntem olabileceği

öngörülmektedir. Bununla birlikte, mikrobiyal CaCO3 oluşumu, diğer yöntemlere göre daha

uygun maliyetli ve etkili olması sebebiyle özellikle alan uygulamalarında kullanılabileceği

düşünülmektedir.

KAYNAKLAR

[1] Chaurasia, R. K., Verma, V. V. (2014). Microbial carbonate precipitation by urease

producing bacteria in cementitious materials. Intern. J. Adv. Biotech. Res, 15, 671-

679.

[2] Sinha S., Rez P. (2015). Distortions of the calcite and aragonite atomic structures from

interstitial water. Materials Chemistry and Physics 157, 56-62.

[3] Ropp, R. C. (2012). Encyclopedia of the alkaline earth compounds. Newnes

[4] Nan, Z., Chen, X., Yang, Q., Wang, X., Shi, Z., & Hou, W. (2008). Structure

transition from aragonite to vaterite and calcite by the assistance of SDBS. Journal of

colloid and interface science, 325(2), 331-336.

[5] Wang, J., & Becker, U. (2009). Structure and carbonate orientation of vaterite

(CaCO3). American Mineralogist, 94(2-3), 380-386.

[6] Gopi, S., Subramanian, V. K., & Palanisamy, K. (2013). Aragonite–calcite–vaterite: a

temperature influenced sequential polymorphic transformation of CaCO3 in the

presence of DTPA. Materials Research Bulletin, 48(5), 1906-1912.

[7] Singh, M., Kumar, S. V., Waghmare, S. A., & Sabale, P. D. (2016). Aragonite–

vaterite–calcite: Polymorphs of CaCO3 in 7th century CE lime plasters of Alampur

group of temples, India. Construction and Building Materials, 112, 386-397.

[8] Morse J.W., Arvidson R.S., Lu¨ttge A. (2007). Calcium Carbonate Formation and

Dissolution.. Chem. Rev., 107, 342−381.

[9] Rodriguez-Navarro, C., Jroundi, F., Schiro, M., Ruiz-Agudo, E., & González-Muñoz,

M. T. (2012). Influence of substrate mineralogy on bacterial mineralization of calcium

carbonate: implications for stone conservation.Applied and environmental

microbiology, 78(11), 4017-4029.

[10] EPA (1974). Screening Study For Emissions Characterization From Lime

Manufacture, Contract No. 68-02-0299, Vulcan-Cincinnati, Inc., Cincinnati, OH,

August.

[11] Cañveras J. C., Sanchez-Moral S., Sloer V., Saiz-Jimenez C. (2001).

Microorganisms and Microbially Induced Fabrics in Cave Walls, Geomicrobiology

Journal Volume 18, Issue 3, pages 223-240.

[12] Achal, V., Mukherjee, A., Kumari, D., Zhang, Q. (2015). Biomineralization for

sustainable construction–A review of processes and applications. Earth-Science

Reviews, 148, 1-17.

[13] Dhami, N. K., Reddy, M. S., & Mukherjee, A. (2012). Improvement in

strength properties of ash bricks by bacterial calcite. Ecological Engineering, 39, 31-

35.

[14] Rahman M. A. Ve Halfar J. (2014). First evidence of chitin in calcified

coralline algae: new insights into the calcification process of Clathromorphum

compactum. Scientific reports, 4.

[15] Mavromatis V., Pearce, C. R., Shirokova L. S., Bundeleva I. A., Pokrovsky O.

S., Benezeth P., Oelkers E. H. (2012). Magnesium isotope fractionation during

458


hydrous magnesium carbonate precipitation with and without cyanobacteria.

Geochimica et Cosmochimica Acta, 76, 161-174.

[16] Vaithiyalingam S. U., Gnanasekaran D., Gopalakrishnan S., Lakshmanan U.

ve Prabaharan D. (2014). Biocalcification Mediated Remediation of Calcium Rich

Ossein Effluent by Filamentous Marine Cyanobacteria. Journal of Bioremediation &

Biodegradation, 2014.

[17] Hall-Stoodley L., Costerton J.W, Stoodley P. (2004). Bacterial biofilms: from

the natural environment to infectious diseases, Nat Rev Microbiol., 2(2):95-108.

[18] Patro Sanjaya K., Chandra K.S, Sugandha S., Chand S., Sahu S.K., Manimaran

S. (2015). Effect of bacteria on the properties of concrete using Portland slag cement,

Proceedings of the National Conference on Recent Advances and Future Prospects in

Civil Engineering (RAFPCE-15), 89-98.

[19] Tobler D. J., Cuthbert M. O., Greswell R. B., Riley M. S., Renshaw J. C.,

Handley-Sidhu S. ve Phoenix V. R. (2011). Comparison of rates of ureolysis between

Sporosarcina pasteurii and an indigenous groundwater community under conditions

required to precipitate large volumes of calcite. Geochimica et Cosmochimica Acta,

75(11), 3290-3301.

[20] Kim H. K., Park S. J., Han J. I. ve Lee H. K. (2013). Microbially mediated

calcium carbonate precipitation on normal and lightweight concrete.Construction and

Building Materials, 38, 1073-1082.

[21] Mahanty B., Kim S. ve Kim C. G. (2014). Biokinetic modeling of ureolysis in

Sporosarcina pasteurii and its integration into a numerical chemodynamic

biocalcification model. Chemical Geology, 383, 13-25.

[22] Braissant O., Decho A. W., Dupraz C., Glunk C., Przekop K. M. ve Visscher

P. T. (2007). Exopolymeric substances of sulfate‐ reducing bacteria: interactions with

calcium at alkaline pH and implication for formation of carbonate minerals.

Geobiology, 5(4), 401-41.

[23] Baumgartner L. K., Reid R. P., Dupraz C., Decho A. W., Buckley D. H., Spear

J. R. ve Visscher P. T. (2006). Sulfate reducing bacteria in microbial mats: changing

paradigms, new discoveries. Sedimentary Geology, 185(3), 131-145.

[24] Almahamedh H. H. (March 2013). Sulfate reducing bacteria influenced

calcium carbonate precipitation. In CORROSION 2013. NACE International.

[25] Del Río A. V., Buys B., Campos J. L., Méndez R. ve Mosquera-Corral A.

(2015).Optimizing upflow velocity and calcium precipitation in denitrifying granular

systems. Process Biochemistry, 50(10), 1656-1661.

[26] Chu, J. & Ivanov, V. (2008). Applications of microorganisms to geotechnical

engineering for bioclogging and biocementation of soil in situ. Reviews in

Environmental Science and Bio/Technology, 7(2), 139-153.

[27] Erşan Y. Ç., De Belie N. ve Boon N. (2015). Microbially induced CaCO3

precipitation through denitrification: an optimization study in minimal nutrient

environment. Biochemical Engineering Journal, 101, 108-118.

[28] Rodriguez-Navarro C., Rodriguez-Gallego M., Chekroun K. B. ve Gonzalez-

Munoz M. T. (2003). Conservation of ornamental stone by Myxococcus xanthus-

induced carbonate biomineralization. Applied and Environmental Microbiology,

69(4), 2182-2193.

[29] Jimenez-Lopez C., Jroundi F., Rodríguez-Gallego M., Arias J. M. ve

Gonzalez-Muñoz M. T. (2007). Biomineralization induced by Myxobacteria.

459


Communicating current research and educational topics and trends in applied

microbiology, Formatex, Microbiology Series, (1), 1.

[30] Nugroho, A., Satyarno, I., & Subyakto, S. (2015). Bacteria as Self-Healing

Agent in Mortar Cracks. Journal of Engineering and Technological Sciences,47(3),

279-295.

[31] Muynck W, Cox K, Belie N, Verstraete W. (2008). Bacterial carbonate

precipitation as an alternative surface treatment for concrete. Constr Build Mater;

22:875–85.

[32] Achal, V., Mukerjee, A., & Reddy, M. S. (2013). Biogenic treatment improves

the durability and remediates the cracks of concrete structures. Construction and

Building Materials, 48, 1-5.

[33] DeJong, J. T., Fritzges, M. B., & Nüsslein, K. (2006). Microbially induced

cementation to control sand response to undrained shear. Journal of Geotechnical and

Geoenvironmental Engineering, 132(11), 1381-1392.

[34] Tiano P, Biagiotti L, Mastromei G. (1999). Bacterial bio-mediated calcite

precipitation for monumental stones conservation: methods of evaluation. J Microbiol

Methods 1999;36:139–45.

[35] De Muynck, W., Verbeken, K., De Belie, N., & Verstraete, W. (2010).

Influence of urea and calcium dosage on the effectiveness of bacterially induced

carbonate precipitation on limestone. Ecological Engineering, 36(2), 99-111.

[36] Bernardi, D., DeJong, J. T., Montoya, B. M., & Martinez, B. C. (2014). Bio-

bricks: biologically cemented sandstone bricks. Construction and Building Materials,

55, 462-469.

[37] Vempada, S. R., Reddy, S. S. P., Rao, M. S., & Sasikala, C. (2011). Strength

enhancement of cement mortar using microorganisms-an experimental study.Int J

Earth Sci Eng, 4, 933-936.

[38] Maheswaran, S., Dasuru, S. S., Murthy, A. R. C., Bhuvaneshwari, B., Kumar,

V. R., Palani, G. S., ... & Sandhya, S. (2014). Strength improvement studies using new

type wild strain Bacillus cereus on cement mortar. Curr Sci India,106, 50-57.

[39] Gurbuz, A., Sari, Y. D., Yuksekdag, Z. N. (2015). Bacteria Induced

Cementation in Sandy Soils. Geomicrobiology Journal,32(9).

[40] Gafta. (2003). METHOD 25:0- CARBONATES.

460


Üre ve cacl2'nİn farkli konsantrasyonlarinda Ürolİtİk … · 2018-04-04 · Üre ve cacl...

Documents