Metal, Alaşım ve Metal Nanoparçacıkların Çevresel Etkileri

Kimya biliminin uğraş alanı olan elementler farklı zamanlarda keşfedilmiş ve periyodik tablodaki yerini almıştır. Bugünkü periyodik tabloda 91 tane metal bulunmaktadır. Yoğunlukları 5 g/cm³'ten yüksek metaller ağır metal olarak adlandırılır. Sayıları 60'ı geçen bu metallerin bazıları kurşun, kadmiyum, krom, demir, kobalt, bakır, nikel, cıva ve çinkodur. Kimya bilimiyle birlikte gelişen malzeme bilimi, metallere farklı özellikler kazandırabilmek amacıyla çeşitli metal alaşımlar geliştirmektedir; metallerin sayıca fazla olması ve farklı oranlarda bir araya getirilerek oluşturulan metal alaşımların çeşitliliği kullanım alanlarını genişletmiştir.

Metaller ve Alaşımlar

Metaller çoğunlukla kristal katı yapıdadır. Sahip oldukları metalik bağ, metallere sert ve yoğun olma, dayanıklılık, ısı ve elektriği iyi iletme, yüksek erime noktasına sahip olma gibi önemli özellikler kazandırır ve bu özellikler metallerin kullanım alanlarını artırır. Öte yandan metaller genellikle asit, baz ve su ile tepkimeye girer; bu nedenle metallerin saf hâlde ticari kullanımı oldukça sınırlıdır. Kullanılacak metalin fiziksel özelliklerini iyileştirmek için metale başka elementler eklenerek alaşımlar elde edilir. İki veya daha fazla metalin karıştırılıp eritildikten sonra soğutulmasıyla elde edilen homojen karışımlara alaşım denir. Elde edilen malzeme yine metal karakterlidir ancak karıştırılan metallerden farklı özellikler gösterir.

Saf metallerin yüksek sıcaklık, aşınma ve kimyasal dayanıklılık gibi etkilere karşı yetersiz kaldığı durumlarda, gerekli özellikleri sağlayan alaşımlar kullanılır. Örneğin demirin sertliğinin yeterli olmadığı uygulamalarda çelik gibi daha sert yapıdaki demir alaşımları tercih edilir. Korozyona karşı yüksek direnç gösteren paslanmaz çelik; demir (Fe), karbon (C) ve krom (Cr) elementlerini içerir; çeliğe farklı özellikler kazandırmak için mangan (Mn) ve nikel (Ni) gibi metaller de alaşıma eklenebilir. Heykel ve madalya yapımında kullanılan bronz, bakır (Cu) ve kalay (Sn) metallerinin karışımından oluşur. Elektronik ve metal işleri için kullanılan lehim, kalay (Sn) ve kurşun (Pb) metallerinden oluşan bir alaşımdır. Dekoratif eşyalar ve mekanik parçalar için kullanılan pirinç alaşımı bakır (Cu) ve çinko (Zn) metallerinin karışımından oluşur. Havacılık ve uzay endüstrisinde kullanılan duralümin alaşımı ise alüminyum (Al), bakır (Cu), mangan (Mn) ve magnezyum (Mg) metallerinden oluşur.

Metal Nanoparçacıkların Kaynakları

Nanoparçacıkların çoğunluğu doğal kökenlidir ve ortamda sürekli bulunabilir. Suda bulunan kolloitler, ince taneli çöl kumu, petrol dumanları, volkanik aktivitelerden veya orman yangınlarından ortaya çıkan duman ve bazı atmosferik tozlar doğada üretilen nanoparçacık örnekleridir. İnsan faaliyetlerinin yan ürünü olan araba egzozu, endüstriyel emisyonlar ve kaynak yapımında kullanılan lehim dumanları gibi nanoparçacıklar ise çevreye istem dışı salınır. Buna karşılık nanoboyuttaki özelliklerinden faydalanmak için nanoparçacıklar özel olarak da tasarlanır ve nanoteknolojik ürünler için üretilir; otomotiv, elektronik, yapı, tekstil, enerji, kâğıt, kişisel bakım ve sağlık gibi alanlarda yaygın olarak kullanılır. 2020'den 2031'e kadar öngörülen kullanım artışı sektörlere göre oldukça farklıdır: enerji sektöründe nanoparçacık kullanımının yaklaşık 242 kat, tekstilde yaklaşık 106 kat artması öngörülürken, yapı (inşaat) sektöründe 26 kat, kişisel bakımda 18 kat, kâğıtta 16 kat, otomotivde 8 kat, sağlıkta 8 kat, elektronikte ise 6 kat artış beklenmektedir.

Ağır Metal, Alaşım ve Nanoparçacıkların Toksik Etkileri

Ağır metaller, alaşımlar ve metal nanoparçacıklar hem deniz canlılarında hem insanlarda ciddi toksik etkilere yol açabilir. Demir (Fe) ve paslanmaz çelik balıkların solunum sistemine zarar verirken insanlarda karaciğer ve kalp rahatsızlıklarına sebep olur. Kadmiyum (Cd) deniz canlılarının organlarında işlevsel bozukluklara yol açar; insanlarda kansere ve mutasyona sebep olabilir. Çinko (Zn) balıkların solungaç ve kas dokusunda birikerek iç organlarını etkiler. Civa (Hg) deniz memelilerinin üreme sistemine zarar verirken insanlarda saç dökülmesi, depresyon, hafıza kaybı, beyin hasarı, akciğer ve böbrek yetmezliğine yol açabilir. Kurşun (Pb) deniz canlılarında enzim çalışmasını ve alglerin büyümesini yavaşlatırken insanlarda hafıza kaybı, öğrenme-koordinasyon sorunları ve kalp damar rahatsızlıklarına neden olabilir. Krom (Cr) deniz canlılarının organlarına zarar verir; insanlarda karaciğer sorunlarına, bağışıklık sisteminin zayıflamasına, DNA hasarına ve kansere yol açabilir. Gümüş (Ag) nanoparçacıkları balıklarda embriyo gelişimine zarar verirken insanlarda DNA transkripsiyonunu ve ATP üretimini bloke edebilir. Titanyum dioksit (TiO₂) nanoparçacıkları küçük deniz canlılarında ölüm oranını artırır ve insanlar için olası kanserojen bir madde olarak kabul edilir.

Toksisite derecesine göre bu maddeler üç grupta sınıflandırılabilir: kadmiyum (Cd) son derece zehirli; cıva, kurşun, nikel, krom, alüminyum orta derece zehirli; bakır, mangan, çinko, demir ise nispeten daha az zehirlidir. Deniz suyunda bulunan bazı ağır metallerin toksisite sırası, en toksik olandan başlayarak şöyledir: cıva, kadmiyum, gümüş, nikel, kurşun, krom, kalay, çinko.

Sucul ve Kara Ekosistemine Etkileri

Ağır metal, alaşım ve nanoparçacıklar deniz, göl, nehir, ırmak ve yer altı suları gibi sucul ekosistemde birikerek sucul ekosistemin sürdürülebilirliğine zarar verir ve ekolojik dengeyi bozar. Deniz canlıları beslenme, solunum ve deri yoluyla su alır; kirli deniz suyunun organizmaya girmesiyle böbrek, ciğer, kas ve diğer dokularda kirleticiler birikebilir ve solungaçlarda biriken ağır metaller kan dolaşımını yavaşlatıp kalp sorunlarına neden olabilir. Bu nedenle sürdürülebilir kalkınmanın 14. hedefinde sudaki yaşam ön plana çıkarılmış, deniz ve kıyı ekosistemlerini sürdürülebilir biçimde yönetmek, kirlenmeden korumak ve okyanus asitlenmesinin etkilerini ele almak hedeflenmiştir.

Sucul ekosistemde olduğu gibi ağır metal, alaşım ve nanoparçacıklar toprakta birikerek kara ekosistemine de zarar verir; toprakta biriken ağır metaller bitkilerin ve toprakta yaşayan hayvanların fizyolojisini bozarak ekolojik dengeyi ve tarımsal sürdürülebilirliği etkiler. Sürdürülebilirliğin 15. hedefinde (karasal yaşam) karasal ekosistemleri korumak, iyileştirmek, sürdürülebilir orman yönetimini sağlamak, çölleşmeyle mücadele etmek, arazi bozunumunu durdurmak ve biyolojik çeşitlilik kaybını engellemek amaçlanmıştır. Gönüllü olarak alınacak tedbirlerle (enerji tüketimini azaltmak, fosil yakıt kullanımını sınırlandırmak, daha az plastik kullanmak, geri dönüşüme önem vermek, yeşil kimya ilkelerini uygulamak) ekolojik ayak izi azaltılarak suda ve karada yaşamın korunmasına katkı sağlanabilir. Türkiye'de sürdürülebilir tarımın ilk adımları 1923'teki İzmir İktisat Kongresi'nde atılmış; bu doğrultuda 5 Mayıs 1925'te Atatürk'ün "Millî ekonominin temeli ziraattır." anlayışıyla Atatürk Orman Çiftliği kurulmuştur.

Ağır Metal ve Nanoparçacık Temizleme Yöntemleri

Kirlenmiş sudan ağır metal ve nanoparçacıkları uzaklaştırmak için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Pirinayla temizlik: Zeytinyağı üretiminin yan ürünü olan pirina, ağır metal bağlama kapasitesi yüksek, doğada bol ve düşük maliyetli bir biyokütledir; bir çalışmada demir gideriminde %87-91, manganda %80-81, çinkoda %87-92, alüminyumda %71-74, nikelde %76-84 oranında giderim verimi elde edilmiştir. Membran filtreleme: Gözenekli kompozit membranlar bazı ağır metalleri adsorbe eder; basit ve ucuz bir yöntemdir ancak geniş ölçekte ekipman maliyeti yüksektir ve işlem sonunda ağır metal içeren bir atık çamuru oluşur (bir çalışmada kadmiyum, kurşun ve nikel filtrasyon sonrası ölçülemeyecek düzeye indirilmiştir). Su mercimekleriyle temizlik: Üreme kapasitesi yüksek ve hasadı kolay olan bu su bitkileri, kadmiyum ve bakır gibi ağır metalleri zaman içinde sudan uzaklaştırabilir. Bakterilerle temizlik: Düşük maliyet ve yüksek temizleme kapasitesi sunar; örneğin Bacillus kadmiyumda %70, Metilbacterium sp. kurşunda %62 ve bakırda %80, Klebsiella cıvada %85 verim sağlamıştır; bakterilerin hızlı üremesi ve kontrol altına alınamaması ise dezavantajdır. Fitoekstraksiyon (bitkisel ekstraksiyon): Bazı metal biriktirici bitkiler gümüş, kadmiyum, kobalt, krom, bakır, cıva, mangan, molibden, nikel, kurşun ve çinko gibi ağır metalleri ve bunların nanoparçacıklarını bünyelerinde normal bitkilere göre daha fazla tutar; toprak yapısını bozmayan ekonomik bir yöntemdir, ancak yüksek miktarda ağır metal içeren örnekler bitki ölümüne sebep olabilir. Manyetit nanoparçacıklarla temizlik: Manyetik özellik gösteren demir oksit nanoparçacıkları, özellikle kurşun ve bakır gibi ağır metallerin gideriminde mükemmel sonuçlar (bazı derişimlerde %99-100'e varan giderim verimi) verir; filtrelerin tekrar kullanılabilir olması ve gideriminin kısa sürede gerçekleşmesi avantajlarıdır.

Doğaya karışan Fe₂O₃, TiO₂ ve ZnO gibi metal nanoparçacıklarının sucul çevrede giderek birikmesi ekosistem için bir risktir; besin zincirinin ilk halkalarında bulunan ve fotosentezle suda oksijen üretimine katkı sağlayan yeşil algler bu birikimden özellikle etkilenir. Eşit derişimde TiO₂, Fe₂O₃ ve ZnO'ya maruz bırakılan C. Reinhardtii alglerinde hayatta kalma oranları kontrol grubuna göre azalmış; Fe₂O₃ derişimi arttıkça (19, 34, 62 mg/L) alglerin hayatta kalma oranının da kademeli olarak düştüğü gözlenmiştir.