Microbially mediated basalt dissolution under acidic conditions
Asit koşullar altinda bazaltlarin çözünmesinde mikrobiyal etkilerin tayini
- Tez No: 676406
- Danışmanlar: PROF. DR. NURGÜL ÇELİK BALCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Jeoloji Mühendisliği, Geological Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Su-kayaç-mikroorganizma etkileşimleri doğada yaygın bir şekilde bulunan süreçlerdir ve bunun sonucunda canlıların metabolizmaları için gerekli olan elementlerin ortama salınımını ve Yerküre'deki döngülere katılmasını sağlarlar. Kayaçlardan ortama salınan elementler mikroorganizmalar tarafından makro ve mikro besinler olarak kullanılabilirler ve bundan dolayı bu etkileşimler farklı çevresel ve jeokimyasal koşullardaki mikrobiyal komünitenin şekillenmesine neden olurlar. Sıcaklık, tuzluluk, pH ve belirli iyonların solüsyon içerisindeki konsantrasyonu kayaç ve mineral ayrışmalarını etkilerler. Silikat minerallerinin ayrışmaları etkileşimde bulundukları solüsyonun pH değerinden önemli oranda etkilenmektedir. Kayaç yapıcı silikat minerallerinin ayrışma oranları 5 ve 8 arasındaki pH değerlerinde önemli bir değişiklik göstermezken pH değeri bu aralığın dışına çıktıkça artmaktadır. Silikatlar stokiyometriye uygun veya aykırı bir şekilde ayrışabilmektedirler. Asidik koşullar altında ise genellikle stokiyometriye aykırı bir çözünme gerçekleşmektedir. Laboratuvar temelli çalışmalar bazaltların asidik ayrışmaya uğramaları sonucunda demir sülfat, kalsiyum sülfat, amorf silika ve demir oksit bileşiklerinin oluştuğunu göstermiştir. Mikroorganizma-kayaç etkileşimleri yaşamın üç alanına ait canlılarda yaygın bir şekilde gerçekleşmektedir ve biyoiz potansiyellerinden dolayı birçok araştırmaya konu olmuşlardır. Kemolitotrofik organizmalar demir, kükürt, manganez ve diğer azot bileşiklerini redoks reaksiyonlarına sokarak metabolizmaları için gerekli olan enerjiyi üretmektedirler ve kayaç ayrışmasında önemli bir rol oynamaktadırlar. Bu çalışmada asidofil demir ve kükürt oksitleyici kemolitotrofik bakteri Acidithiobacillus ferrooxidans'ın iki farklı bazalt kayacının çözünmelerinde oynadığı rol ve bu etkileşimin biyoiz potansiyeli araştırıldı. Bu amaçla iki farklı bazalt kayacı (BS1 ve BS2) öğütüldü ve 0.5-1 mm boyutundakiler eleme yoluyla seçilerek hazırlandı. Deney setleri hazırlanırken A. ferrooxidans'ın bazalttan gelen demiri kullanması için demir içermeyen solüsyon kullanıldı. 20 g bazalt 200 mL deney solüsyonu içerisine eklenerek abiyotik deney setleri ve aynı koşullara A. ferrooxidans eklemesiyle biyotik deney setleri hazırlandı. Hazırlanan setler 50 gün boyunca 28 oC sıcaklıkta 130 rpm'de çalkalanmaya maruz bırakıldı. Her bazalt örneği için dört paralel deney seti hazırlandı. Deney setleri 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 ve 50. günlerde örneklendi. Her örneklemede 5 mL'lik alikot steril koşullar altında alındı ve 0.22 μm şırınga filtreleri kullanılarak filtrelendi. Solüsyon içerisindeki Fe(II), Fe(tot), SiO2(aq), Ca ve Mg konsantrasyonları spektrofotometrik olarak ölçüldü. Ayrıca yine steril koşullar altında biyotik deney setlerinden 2 mL daha örnekleme yapıldı ve canlı bakteri sayısının takip edilmesi amacıyla MPN analizinde kullanıldı. Ayrıca deney solüsyonlarının her örneklemede pH değerleri takip edildi. Deney sonunda deney solüsyonu filtrelendi ve +4 oC'de saklandı. Bazalt taneleri ve deney setlerinde oluşan ikincil çökeltiler Petri kaplarına koyularak oda koşulları altında kurutuldu ve sonrasında yapılacak analizler için -20 oC'de saklandı. Deney sonlarında elde edilen reaktif bazaltların mineralojik ve yüzey kimyasında meydana gelecek olası değişimlerin incelenmesi için XRD ve SEM-EDS analizleri yapıldı. Deney setlerinde kullanılan bakteri sayısı deney öncesinde 1.6 x 106 hücre/mL olarak belirlendi. Maksimum bakteri sayısı BS1-B setinde 15. günde 5.4 x 108 hücre/mL, BS2-B setinde 20. günde 2.2 x 109 hücre/mL olarak saptandı. Bakteri sayısında 25. günde gözlemlenen düşüşün ardından deney sonuna kadar değerler önemli bir değişim göstermedi. Biyotik deney setlerinde bakteri sayısı ve Fe(III)aq konsantrasyonu arasındaki paralel artış bazalt çözünmesinin A. ferrooxidans'ın hayatta kalması ve çoğalması için uygun bir ortam sağladığını gösterdi. Tüm deney setlerinde solüsyonların pH değerlerinde silika çözünmesine bağlı olarak artışlar belirlenmiştir. Silikat minerallerinin çözünmesi sudaki çözünmüş CO2'i tüketmektedir ve bunun sonucu olarak pH değerinde artışa sebep olmaktadır. Bu reaksiyonlar sonucu pH yükselmektedir. Ayrıca sudaki Fe(III)aq hidroliz reaksiyonuna girerek solüsyona proton salınmasına sebep olmakta ve solüsyonun asitliğinin devam etmesini sağlamaktadır. Fe(II)'nin asit koşullar altında kimyasal olarak oksitlenme kinetiği oldukça düşüktür, bundan dolayı deney setlerindeki Fe(III)aq artışının sebebi bakteriyel aktivitedir. Abiyotik deneylere oranla biyotik deneylerde ölçülen Fe(III)aq konsantrasyonları bakteriyel aktiviteleri desteklemektedir. Solüsyondaki Fe(tot) ve Fe(II) konsantrasyonları biyotik deney setlerindeki abiyotik karşılıklarından daha düşük ölçüldü. Biyotik deney setlerindeki demir içeren ikincil oluşumlar solüsyonun kimyasal olarak demirce doygunlaştığını ve Fe(II)'nin oksidasyon oranının arttığını göstermektedir. Bu sonuçlar biyolojik deney setlerindeki bazalt tanelerinden salınan Fe(II)aq'nin çoğunluğunun A. ferrooxidans tarafından oksitlendiğini göstermiştir. Tüm deney setlerinde başlangıçta hızlı bir SiO2(aq) salınımı gerçekleşti. Sonrasında BS1 setlerinde BS2 setlerine göre daha hızlı bir SiO2(aq) düşüşü gözlemlendi. Buna rağmen deney sonunda tüm deney setlerindeki SiO2(aq) konsantrasyonu benzer seviyede belirlendi. SiO2(aq) ile karşılaştırıldığında Ca konsantrasyonu daha kademeli olarak artış gösterdi ve 25 ila 30. günler arasında setlerde maksimum değere ulaştı. Sonrasında birbirini takip eden azalış ve artışlar belirlendi. Biyotik ve abiyotik deney setlerinde Ca salınımı benzer değerlerde belirlendi, BS2-B setinde ise diğer setlere nazaran biraz daha yüksek Ca değerleri ölçülmüştür. Mg salınım oranları BS2 setlerinde BS1 setlerine göre ve biyotik setlerde abiyotiklere göre önemli oranda daha yüksek belirlendi. Asidik koşullar altında üç değerliğe sahip katyonlar Fe3+ ve Al3+, iki değerlikli katyonlar Ca2+ ve Mg2+'a göre solüsyon içerisinde bulunan sülfat iyonları ile daha fazla etkileşime girme eğilimine sahiptir. Bakteriyel oksidasyon sonucu oluşan Fe(III)aq solüsyondaki sülfat iyonları ile birleşirken kalsiyum ve magnezyumun sıvı içerisinde kalmasına sebep oldu. Hesaplanan SiO2(aq), Ca ve Mg değerleri biyotik ve abiyotik deney setlerinde benzerken, BS2 kayacında BS1 kayacına göre daha yüksek belirlendi. İki kayaç da çoğunlukla andezin ve ojit minerallerinden meydana gelse de kayaç kristalinitesinin ayrışma reaksiyonlarında önemli bir etken olduğunu göstermektedir. Ayrışma sonrasında SEM analizlerinde abiyotik deney setlerindeki bazalt tanelerinde çatlaklı yapılar gözlemlenirken bunlar biyotik ayrışmaya uğrayan tanelerde gözlemlenmemiştir. Bunun yerine biyotik deney setlerinden alınan bazalt tanelerinin üzerinde 1 μm ve daha küçük boyutlarda yuvarlak ikinci oluşumlar gözlemlendi. EDS analizleri bu çökeltilerin demir, kükürt ve potasyumca zenginleşme olduğunu gösterirken XRD analizleri yalnızca biyotik deneylerin sonunda elde edilen sarı çökeltinin demir sülfat minerali jarosit ve kalsiyum sülfat minerali olan jips olduğunu ortaya koydu. Bu iki mineralin sadece biyotik deney setlerinde tespit edilmesi bunların Yerküre ve Mars'taki benzer koşullar için bir biyoiz potansiyeli taşıyabileceğini önermektedir. Ancak, daha detaylı ve kontrollü deneyler ile bu oluşumlara ait ayrıntılı mineralojik ve morfolojik çalışmaların yürütülmesi gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
Water-rock-biota interactions are widely distributed processes and regulate elements release and mobility on Earth. By regulating elemental releases, these intimate processes provide macro and micronutrients and thus shape microbial community structure under various environmental conditions. Temperature, salinity, pH, and the concentrations of certain ions in the solution affect rock and mineral weathering. The reactivity of silicate rocks/minerals is highly dependent on the pH of the solution that they are interacting with. The dissolution rate of rock-forming silicate minerals is independent of pH between 5 and 8 but it increases outside of this range, particularly when pH > 8. Silicates may undergo stoichiometric or non-stoichiometric dissolution, the latter is favorable under acidic conditions. Laboratory-based studies demonstrated that the formation of Fe-sulfate, Ca-sulfate, amorphous silica, and iron oxide compounds are among the secondary products of acidic weathering of basalts. Microbe-rock interactions are common in all three domains of life and have been the subject of intensive research due to their biosignature potential. Chemolithotrophic microorganisms are able to utilize Fe, S, Mn, and other N species in redox reactions to produce energy, that is required for cell synthesis and metabolic reactions thus play an important role in rock weathering. Acidophilic iron and sulfur-oxidizing chemolithotrophic bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans was used in the current study to explore the role of the bacteria on the dissolution of two chemically different basalts as well as the biosignature potential of these processes. For this purpose, two different basalt rocks (BS1 and BS2) crushed and sieved to 0.5-1 mm were used. The Fe-free medium was used as the reactive fluids for the batch experiments. To initiate the experiments, 20 g of basalt grains were added into 200 mL of experimental medium with/without A. ferrooxidans. The experimental sets were incubated at 28 oC and 130 rpm agitation for 50 days. For each basalt sample, four parallel experiments were set up. The experimental sets were sampled at days 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, and 50. At each sampling day, 5 mL of aliquots were withdrawn from the experimental container under aseptic conditions and filtered through 0.22 μm syringe filters. Fe(II)aq, Fe(tot), SiO2(aq), Ca, and Mg concentrations were measured spectrophotometrically. An additional 2 mL of aliquot was withdrawn from biotic experiments under aseptic conditions and used for an MPN assay to estimate alive bacterial cell number throughout the experiments. The pH values of the solutions were determined at each sampling day as well. At the end of the each experiment, experimental fluid was filtered and stored at +4 oC. Basalt grains and the secondary precipitations in the experimental sets were placed at Petri dishes and air-dried at room temperature, and subsequently kept at -20 oC until further analyses. XRD and SEM-EDS analyses were performed on the post-reacted basalt grains to determine possible mineralogical changes and surface chemistry, respectively. Compared to the initial inoculate of 1.6 x 106 cells/mL, there was an increase in the cell numbers with the extend of the experiments. The maximum bacteria number was determined as 5.4 x 108 cells/mL in BS1-B at day 15, and 2.2 x 109 cells/mL in BS2-B at day 20. Following a decrease in the bacteria number until day 25, the number remained almost constant until the end of the experiment in both sets. An increase in the cell numbers, as well as higher Fe(III)aq in the biotic experiments suggest that the dissolution of basalt grains created a suitable environment for A. ferrooxidans for its survival and growth. The pH values increased with the extent of the reaction and sulfuric acid was added. The reason for the increase in pH was silicate dissolution. Dissolution of silicate minerals consumes dissolved CO2 in water and causes a decline in pH. Additionally, Fe(III)aq undergoes hydrolysis reaction, releasing proton into solution, further contributes to acidity of the solution. The spontaneous oxidation of Fe(II) under acidic conditions is kinetically slow, thus the source of Fe(III)aq was bacterial activity under the current experimental conditions. Fe(III)aq measurements are consistent with biologically catalyzed Fe(II)aq reactions. For example, Fe(tot) and Fe(II)aq concentrations were lower in the biotic experiments than those in the abiotic samples. Identification of Fe-bearing secondary phases in the biotic experiments along with these Fe measurements suggest Fe(III)aq saturated solution chemistry, thus increasing the rate of Fe(II)aq oxidation. This result showed that the most of iron released from basalt grains in biological sets was oxidized by A. ferrooxidans. A sharp SiO2(aq) release occurred in the early stage of all experimental sets. A fast decrease in SiO2(aq) concentration occurred in the BS1 samples compared to the BS2 samples. Nonetheless, SiO2(aq) concentrations were nearly similar in all samples at the end of the experiments. Compared to SiO2(aq), Ca released gradually and reached maximum levels between days 25 and 30. Consecutive decrease and increase were measured. Ca release rate was almost similar between biotic and abiotic experiments, slightly higher in the biotic BS2 experiments. Mg release rate was significantly greater in BS2 experiments relative to BS1, as well as biotic experiments. Trivalent cations Fe3+ and Al3+ have more affinity to react with sulfate ions present in the solution than divalent cations Ca2+ and Mg2+ under acidic conditions. Fe(III)aq formed by bacterial iron oxidation combine with sulfate leaving Ca and Mg in the solution fluids. The calculated elemental release rates of SiO2(aq), Ca, and Mg were similar between biotic and abiotic experiments but show significant differences among the rock samples, being higher in BS2. Although both basalt samples are mainly composed of andesine and augite, rock crystallinity seems to play a major role during the dissolution reactions. The fracture structures observed on the post-reacted basalt grains from abiotic experiments were absent in the biotic counterparts but secondary phases as spherical aggregates with a size of 1 μm or smaller were only present on the surface of biotically reacted rock grains. EDS spectra of these phases showed Fe and S and K enrichment and XRD analysis revealed the secondary precipitation is primarily composed of jarosite and gypsum. The formation of these two minerals was only measurably detected in the biotic experiments, raising the possibility of using the respected minerals as biosignature on Earth and Mars but more detailed mineralogical and morphological studies should be undertaken.
Benzer Tezler
- Çinko nanotanecik içeren polimer nanokompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of polymer nanocomposite materials incorporated zno nanoparticles
ALEV AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK OSKAY
- Investigation of immune impairment status in primary immune deficiency and spinal cord injury
Birincil bağışıklık yetersizliği ve omurilik yaralanmasında bağışıklık bozukluğu durumunun araştırılması
İREM EVCİLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İHSAN GÜRSEL
- Methane production from hydrolysis product of organic food waste and baker's yeast process wastewater
Maya üretim atıksuyu ve organik yemek atığı hidroliz ürünlerinden metan üretimi
NAZLI LERMİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
- Mikrobiyal olarak sentezlenmiş nanopartikül katkılı doğal biyopolimer film geliştirilmesi
Development of natural biopolymer film incorporated with microbially synthesized nanoparticle
TUBA BAYGAR
- Mikrobiyal kaynaklı β-glukan ve ekzopolisakkarit (EPS) kombinasyonlarının yara iyileşmesi üzerindeki etki mekanizmasının ortaya konulması ve biyomalzeme olarak değerlendirilmesi
Investigation of the effect mechanism of microbially derived ß-glucan and exopolysaccharide (EPS) combinations on wound healing and evaluation as biomaterials
MESUT ABANUZOĞLU