İzmir ili Aliağa ilçesi endüstri bölgesi ve çevresindeki topraklarda ağır metal ve doğal radyoaktivite düzeyinin belirlenmesi ve fitoremediasyon uygulanması
Determination of heavy metal and radioactivity levels and phytoremediation application in Izmir Aliağa in Izmir province Aliağa district industrial zone and its surrounding soils
- Tez No: 1004695
- Danışmanlar: PROF. DR. SEZAİ DELİBACAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Ziraat, Agriculture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Toprak Bilimi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Toprak kirliliği, doğrudan gözlemlenememesi nedeniyle gizli bir tehlike olarak nitelendirilmekte ve özellikle ağır sanayinin yoğun olduğu bölgelerde insan sağlığı ile ekosistem bütünlüğü açısından risk oluşturabilmektedir. İzmir ili Aliağa ilçesi, gemi söküm, hurda metal işleme, demir-çelik ve petrokimya gibi endüstriyel faaliyetlerin yoğunlaştığı bir bölge olup, bu faaliyetlerin jeolojik arka planla birlikte çevredeki tarım ve yerleşim alanı topraklarında ağır metal ve radyoaktif bileşen birikimi üzerinde etkili olabileceği öngörülmektedir. Ancak bölgedeki ağır metal ve doğal radyoaktivite düzeylerinin güncel ve bütüncül bir şekilde ortaya konulmamış olması, etkili çevresel yönetim stratejilerinin geliştirilmesini güçleştirmektedir. Bu tez çalışması, birbirini tamamlayan iki ana bileşen üzerine kurgulanmıştır: (i) Aliağa endüstri bölgesi ve yakın çevresindeki topraklarda ağır metal ve doğal radyoaktivite düzeylerinin nicel olarak belirlenmesi ve Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile haritalandırılması; (ii) Ni ile kirlenmiş tarım topraklarında ayçiçeği (Helianthus annuus L.) ve mısır (Zea mays L.) bitkilerinin fitoremediasyon potansiyelinin ardışık ekim koşullarında değerlendirilmesi. Araştırma alanı, Aliağa endüstri bölgesi merkez alınarak yaklaşık 15 km yarıçaplı dairesel bir sınır içinde tanımlanmış, örnekleme noktaları hakim rüzgar yönlerine ve kaynak merkezinden uzaklığa göre radyal hatlar boyunca 1,5 km aralıklarla konumlandırılmıştır. Toplam 63 adet yüzey (0–20 cm) ve 44 adet yüzey altı (20–40 cm) toprak örneği ile 55 adet bitki örneği alınmıştır. Toprak örneklerinde pH (doygun hamur ekstraktı), kireç içeriği (Scheibler kalsimetresi), organik madde (Walkley–Black), bünye (Bouyoucos hidrometre) ve katyon değişim kapasitesi (amonyum asetat, pH 7,0) belirlenmiştir. Toplam ağır metal konsantrasyonları (Ni, Cr, Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Fe, Mn, Hg, As) mikrodalga yakma sonrasında ICP-OES ve ICP-MS ile, biyoyararlanılabilir metal fraksiyonları DTPA ekstraksiyonu yöntemiyle tayin edilmiştir. Doğal radyoaktivite (²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K) ölçümleri gama spektrometrisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler, ArcGIS yazılımında Ters Mesafe Ağırlıklı (IDW) enterpolasyon yöntemi ile alansal olarak haritalandırılmıştır. Fitoremediasyon aşamasında, arazi taramasında en sık eşik değer aşımı gösteren iz element olan Ni model kirletici olarak seçilmiştir. Farklı Ni konsantrasyonlarını temsil eden beş farklı lokasyondan alınan doğal olarak kirlenmiş topraklar 8 L'lik saksılara doldurulmuş, ayçiçeği ve mısır bitkileri, tam faktöriyel desende sera koşullarında ardışık iki hasat döneminde yetiştirilmiştir. Saksı başına kaldırılan toplam Ni miktarı biyokütlesel yük yaklaşımıyla hesaplanmış, biyokonsantrasyon faktörü (BCF), biyoakümülasyon faktörü (BAF) ve translokasyon faktörü (TF) indeksleri üzerinden fitoremediasyon etkinliği değerlendirilmiştir. İstatistiksel analizler Genel Doğrusal Model (GLM), Spearman ve Pearson korelasyonları, kuadratik regresyon ve tekrarlı ölçümler ANCOVA (RM-ANCOVA) kullanılarak yürütülmüştür. Ağır metal analiz sonuçları, Ni konsantrasyonlarının pH sınıflamasına göre belirlenen 30 ve 75 mg kg⁻¹ referans eşiklerine göre önemli sayıda örnekte aşım gösterdiğini ve Ni'nin bölge için baskın kirletici konumunda olduğunu ortaya koymuştur. Bazı lokasyonlarda Pb konsantrasyonlarının da sınır değerin belirgin biçimde üzerine çıktığı saptanmıştır. CBS tabanlı haritalarda Ni dağılımı, bölgenin jeolojik yapısı ile endüstriyel faaliyetlere bağlı atmosferik çökelmenin birlikte etkili olabileceğini düşündüren alansal bir desen ortaya koymaktadır. Cr, Cu ve Zn gibi metallerde de yer yer zenginleşmeler gözlenmekle birlikte, bunlar Ni kadar belirgin birikim tablosu oluşturmamıştır. Doğal radyoaktivite ölçümlerinde, yüzey topraklarda ²²⁶Ra aktiviteleri 27–399 Bq kg⁻¹ (ortalama 77 Bq kg⁻¹), ²³²Th aktiviteleri 30–145 Bq kg⁻¹ (ortalama 83 Bq kg⁻¹) ve ⁴⁰K aktiviteleri 257–1297 Bq kg⁻¹ (ortalama 760–800 Bq kg⁻¹) aralığında değişmektedir. Her üç radyonüklid için de bölge ortalamaları, UNSCEAR (2000) tarafından raporlanan dünya ortalamasının yaklaşık iki katına karşılık gelmektedir. ²³²Th ve ⁴⁰K aktiviteleri ağırlıklı olarak andezitik–riyolitik volkanik ve tüf formasyonlarından kaynaklanan doğal seviyeleri yansıtırken, ²²⁶Ra açısından doğal zemin üzerine sanayi kaynaklı NORM/TENORM girdilerinin de eklenmiş olabileceğine işaret eden bir radyolojik profil ortaya çıkmıştır. Araştırma alanından toplanan 55 adet doğal flora ve tarımsal ürün örneğinde yürütülen analizler, topraktaki yüksek Ni ve Pb seviyelerinin bitki bünyesine taşınımını doğrulamıştır. Endüstriyel tesislere ve ulaşım ağlarına yakın lokasyonlarda yaprak örneklerinde Ni konsantrasyonlarının bazı noktalarda yükseldiği, ancak ölçülen aralığın literatürde verilen genel toksisite eşiğinin altında kaldığı görülmüştür. Toprak Ni konsantrasyonu ile bitki toprak üstü aksamındaki metal içeriği arasında saptanan pozitif korelasyon, bölgedeki doğal bitki örtüsünün kirliliği izlemede potansiyel birer biyoindikatör olarak değerlendirilebileceğine işaret etmektedir. Öte yandan, arazide yetişen bitkilerdeki Pb ve Ni düzeylerinin yüksekliği, bu ürünlerin gıda güvenliği açısından risk taşıdığına dikkat çekmektedir. Fitoremediasyon denemesi sonuçları, Hasat × Konu × Bitki türü etkileşiminin istatistiksel olarak anlamlı olduğunu göstermiştir. Birinci hasatta saksı başına kaldırılan Ni miktarı, ikinci hasada kıyasla belirgin biçimde yüksek bulunmuş ve ardışık ekim sonucunda Ni gideriminde yaklaşık %62'lik bir azalma ortaya çıkmıştır. Topraktaki Ni konsantrasyonu ile toplam Ni giderimi arasındaki doz–yanıt ilişkisi kuadratik regresyon modeliyle (R² ≈ 0,287) açıklanmış, Ni gideriminin çan eğrisi benzeri kavisli bir desen izlediği ve teorik optimumun yaklaşık 49 mg kg⁻¹ toprak Ni düzeyinde gerçekleştiği belirlenmiştir. Gözlemsel verilerde en yüksek kütlesel kaldırımın yaklaşık 50–70 mg kg⁻¹ bandında sağlandığı tespit edilmiştir. Çok düşük Ni düzeylerinde stok yetersizliği, çok yüksek düzeylerde ise fitotoksisiteye bağlı biyokütle kaybı giderim verimini sınırlandırmaktadır. BCF, BAF ve TF değerleri birlikte değerlendirildiğinde, her iki bitkinin de Ni açısından hiperakümülatör özellik sergilemediği, TF değerlerinin tüm doz aralığında 1'in altında kaldığı ve topraktan alınan Ni'nin büyük ölçüde köklerde tutulduğu görülmüştür. Bu desen, ayçiçeği ve mısırın Ni açısından fitoekstraksiyon değil, ağırlıklı olarak fitostabilizasyon yönelimli türler olduğuna işaret etmektedir. Toprak özellikleri ile Ni alımı arasındaki ilişkilerin incelenmesinde, organik maddenin (OM) toplam Ni alımıyla en güçlü pozitif ilişkiyi gösterdiği ve fitoremediasyon performansını açıklayan kilit toprak özelliği olduğu ortaya konmuştur. RM-ANCOVA modeli ise katyon değişim kapasitesinin (KDK) zaman boyutunda Ni giderim süreci üzerinde düzenleyici bir rol üstlendiğini göstermiştir. Yüksek KDK'ya sahip topraklarda Ni salınımı zamana yayılarak ardışık hasatlarda daha sürekli bir giderim sağlanmış, düşük KDK'lı topraklarda ise hareketli Ni havuzu ilk ekimde hızla tüketilerek ikinci hasatta verim belirgin biçimde düşmüştür. Bu çalışma, Aliağa endüstri bölgesi ve çevresindeki topraklarda ağır metal ile doğal radyoaktivite düzeylerini rüzgar rejimine dayalı radyal örnekleme tasarımıyla bütüncül biçimde ortaya koyan, Ni fitoremediasyonunda doz–yanıt ilişkisini kuadratik modelle tanımlayan ve KDK'nın ardışık ekim dinamiklerindeki düzenleyici rolünü ampirik olarak gösteren özgün veriler sunmaktadır. Çalışma doğrudan doz ve sağlık riski modellemesi yapmamış olup, Ni alımı tek bir toprak parametresiyle açıklanamayacak kadar çok boyutlu olduğundan, gelecekteki çalışmalarda çoklu regresyon veya yapısal eşitlik modellemesi gibi çok parametreli yaklaşımların kullanılması, biyochar ya da organik materyal ilavesi gibi fito-kombine ıslah stratejilerinin denenmesi, Aliağa bölgesinde düzenli bir doğal radyoaktivite izleme programının oluşturulması ve hava–toprak–bitki bileşenlerinin eş zamanlı izlendiği bir çevresel izleme ağının kurulması önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
Soil pollution is considered a hidden hazard because it cannot be directly observed, and it can pose a risk to human health and ecosystem integrity, particularly in regions with intensive heavy industry. Aliağa district of İzmir Province is a hotspot of industrial activities such as ship dismantling, scrap metal processing, iron–steel production, and petrochemicals, and these activities, together with the geological background, are expected to influence the accumulation of heavy metals and radioactive constituents in soils of surrounding agricultural and residential areas. However, the lack of an up-to-date and integrated assessment of heavy metal and natural radioactivity levels in the region hampers the development of effective environmental management strategies. This dissertation was structured around two complementary components: (i) quantitative determination and mapping of heavy metal and natural radioactivity levels in soils of the Aliağa industrial zone and its vicinity using Geographic Information Systems (GIS); and (ii) evaluation of the phytoremediation potential of sunflower (Helianthus annuus L.) and maize (Zea mays L.) under successive cropping conditions in Ni-contaminated agricultural soils. The study area was defined within a circular boundary of approximately 15 km radius centered on the Aliağa industrial zone, and sampling points were positioned at 1.5 km intervals along radial transects according to prevailing wind directions and distance from the source center. A total of 63 topsoil (0–20 cm) and 44 subsoil (20–40 cm) samples, together with 55 plant samples, were collected. In soil samples, pH (saturated paste extract), lime content (Scheibler calcimeter), organic matter (Walkley–Black), texture (Bouyoucos hydrometer), and cation exchange capacity (ammonium acetate, pH 7.0) were determined. Total heavy metal concentrations (Ni, Cr, Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Fe, Mn, Hg, As) were measured by ICP-OES (inductively coupled plasma–optical emission spectrometry) and ICP-MS (inductively coupled plasma–mass spectrometry) following microwave digestion, and bioavailable metal fractions were determined using the DTPA extraction method. Natural radioactivity (²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K) was measured by gamma spectrometry. The resulting data were spatially mapped in ArcGIS using the Inverse Distance Weighting (IDW) interpolation method. For the phytoremediation component, Ni was selected as the model contaminant because it was the trace element most frequently exceeding threshold values in the field survey. Naturally contaminated soils collected from five locations representing different Ni concentrations were placed into 8 L pots, and sunflower and maize were grown under greenhouse conditions over two successive harvest periods in a fully factorial design. The total amount of Ni removed per pot was calculated using a biomass load approach, and phytoremediation performance was assessed using the bioconcentration factor (BCF), bioaccumulation factor (BAF), and translocation factor (TF) indices. Statistical analyses were conducted using the General Linear Model (GLM), Spearman and Pearson correlations, quadratic regression, and repeated-measures ANCOVA (RM-ANCOVA). Heavy metal results showed that Ni concentrations exceeded the reference thresholds of 30 and 75 mg kg⁻¹ (defined according to pH-based classification) in a substantial number of samples, indicating that Ni is the dominant contaminant in the region. In some locations, Pb concentrations were also found to be clearly above the limit value. In GIS-based maps, the spatial distribution of Ni revealed a pattern suggesting that the region's geological structure and atmospheric deposition associated with industrial activities may jointly contribute. Although localized enrichments were observed for metals such as Cr, Cu, and Zn, they did not exhibit an accumulation pattern as pronounced as that of Ni. For natural radioactivity, activities in topsoils ranged between 27–399 Bq kg⁻¹ (mean 77 Bq kg⁻¹) for ²²⁶Ra, 30–145 Bq kg⁻¹ (mean 83 Bq kg⁻¹) for ²³²Th, and 257–1297 Bq kg⁻¹ (mean 760–800 Bq kg⁻¹) for ⁴⁰K. For all three radionuclides, regional mean values correspond to approximately twice the global average reported by UNSCEAR (2000). While ²³²Th and ⁴⁰K activities largely reflect natural levels derived from andesitic–rhyolitic volcanic and tuff formations, the radiological profile for ²²⁶Ra suggests that industrial inputs of naturally occurring radioactive material/technologically enhanced naturally occurring radioactive material (NORM/TENORM) may also have been superimposed on the natural background. Analyses of 55 samples of natural flora and agricultural products collected from the study area confirmed the transfer of elevated Ni and Pb levels in soil into plant tissues. At locations close to industrial facilities and transportation networks, Ni concentrations in leaf samples increased at certain points; however, the measured range remained below the general toxicity threshold reported in the literature. The positive correlation between soil Ni concentration and metal content in aboveground plant parts indicates that the regional vegetation may serve as a potential bioindicator for monitoring pollution. On the other hand, the high Pb and Ni levels observed in field-grown plants draw attention to potential food safety risks associated with these products. Results of the phytoremediation experiment showed that the Harvest × Soil group × Plant species interaction was statistically significant. The amount of Ni removed per pot was markedly higher in the first harvest than in the second, and successive cropping led to an approximately 62% decrease in Ni removal. The dose–response relationship between soil Ni concentration and total Ni removal was described by a quadratic regression model (R² ≈ 0.287), indicating a curved, bell-shaped pattern and identifying a theoretical optimum at approximately 49 mg kg⁻¹ soil Ni. Observational data showed that the highest mass removal was achieved in the ~50–70 mg kg⁻¹ range. At very low Ni levels, limited stock constrained removal, whereas at very high levels, phytotoxicity-related biomass losses limited remediation performance. When BCF, BAF, and TF values were evaluated together, neither plant exhibited hyperaccumulator characteristics for Ni; TF values remained below 1 across the entire dose range, and most of the Ni taken up from soil was retained in roots. This pattern indicates that sunflower and maize are not primarily phytoextraction-oriented for Ni, but are predominantly inclined toward phytostabilization. In examining relationships between soil properties and Ni uptake, organic matter (OM) showed the strongest positive association with total Ni uptake, indicating that it is a key soil property explaining phytoremediation performance. The RM-ANCOVA model further demonstrated that cation exchange capacity (KDK) plays a moderating role in the Ni removal process over time. In soils with high KDK, Ni release was distributed over time, resulting in more sustained removal across successive harvests; in soils with low KDK, the labile Ni pool was rapidly depleted during the first cultivation, leading to a pronounced decline in performance in the second harvest. Overall, this study provides original data by (i) offering a holistic assessment of heavy metals and natural radioactivity in soils of the Aliağa industrial zone and its surroundings using a wind-regime-based radial sampling design, (ii) defining the dose–response relationship in Ni phytoremediation with a quadratic model, and (iii) empirically demonstrating the moderating role of KDK in successive cropping dynamics. This study did not conduct direct dose or health risk modeling, and because Ni uptake is multidimensional and cannot be explained by a single soil parameter, future research is recommended to employ multivariate approaches such as multiple regression or structural equation modeling, to test phyto-combined rehabilitation strategies such as biochar or organic material amendments, to establish a regular natural radioactivity monitoring program in the Aliağa region, and to develop an environmental monitoring network that simultaneously tracks air–soil–plant components.
Benzer Tezler
- Menemen (İzmir) Maltepe köyü civarı atık depolama alanının jeolojik ve jeoteknik açıdan incelenmesi
Geological and geotechnical investigation of the waste storage landfill around Maltepe Village in Menemen (İzmir)
ELANUR DÜĞENCİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Jeoloji MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM KALKAN
- İzmir ili Aliağa ilçesi Kendirci mevkii İDÇ Liman Kurtarma Kazısı'nda ortaya çıkarılan bir grup mezarın incelenmesi
Inspection on a group of graves revealed in the IDC Port Rescue Excavations at the Kendirci locality of Aliağa district in Izmir province
SERHAT FOÇA
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
ArkeolojiDokuz Eylül ÜniversitesiArkeoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AKIN ERSOY
- İzmir ili Aliağa ilçesi 2015 yılı Nemport limanı kurtarma kazısı terrakotta figürinleri
Terracotta figurines from the 2015 salvage excavations at Nemport seaport in Aliağa district of İzmir province
HACER TOPUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
ArkeolojiAydın Adnan Menderes ÜniversitesiArkeoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT ÇEKİLMEZ
- İlköğretim çağındaki öğrencilerin vergi bilinç düzeyi;İzmir ili Aliağa ilçesi örneği
Tax revenue of primary school students; example of İzmir Aliağa town
ALİ KARAOT
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
EkonomiÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiMaliye Bölümü
YRD. DOÇ. DR. UFUK GENCEL
- Üç nesil kadının kente ilişkin mekansal pratikleri: Çorum ve İzmir Aliağa örnekleri üzerinden bir çalışma
Urban spatial practices of three generations of women: a study on corum and İzmir Aliaga
DEMET BAYAR KILIÇARSLAN