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