Sanayi Atıklarıyla Yaşamaya Uyum Sağlayan Bakteriler Kirli Toprakları Temizleyebilir mi?

Pittsburgh şehri de dâhil olmak üzere Apalaş Dağları ve Pas Kuşağı bölgesinde eski sanayi alanları yeni yerleşim bölgelerine, araştırma merkezlerine ve teknoloji üslerine dönüştürülüyor. Ancak bu alanların zemininde onlarca yıldır çok daha farklı bir dönüşüm yaşanıyor.

Kahverengi alan olarak adlandırılan bu yerler, geçmişte sanayi veya ticaret amacıyla kullanılmış arazileri ifade ediyor. Buralardaki yeniden yapılaşma süreçleri, geçmişten kalan kirlilik nedeniyle oldukça karmaşık bir hâl alabiliyor. Bu alanlar genellikle geride bıraktıklarıyla tanımlanıyor; terk edilmiş fabrikalar, boş araziler ve kanserojen bileşiklerle kirlenmiş topraklar bu alanların tipik özelliklerini oluşturuyor.

Fakat yüzeyin hemen altında kahverengi alanlar canlı birer ekosistem olmaya devam ediyor. Bu topraklarda milyarlarca mikrop yaşıyor. Pittsburgh'da bu mikroorganizmaların bir kısmı, şehrin sanayi geçmişinden miras kalan kirliliğe yanıt vererek ve bu koşullara uyum sağlayarak onlarca yıl geçirdi.

Carnegie Mellon Üniversitesinde mikrobiyolog olan yazar Catherine Armbruster'ın bu konuya ilgi duyması, adeta kendi arka bahçesinde yer alan bir kahverengi alan sayesinde oldu. Armbruster'ın laboratuvarı, Pittsburgh'da Monongahela Nehri kıyısında yer alan yaklaşık 72 hektarlık eski bir sanayi sahası olan Hazelwood Green'den sadece yaklaşık 3,2 kilometre uzaklıkta bulunuyor.

Bu bölge bir asırdan uzun bir süre boyunca Jones & Laughlin Steel Co. şirketi de dâhil olmak üzere çeşitli çelik üretim tesislerine ev sahipliği yaptı. En hareketli dönemlerinde binlerce işçiye istihdam sağlayan bu saha, Pittsburgh'un "Çelik Şehri" olarak ün kazanmasında büyük rol oynadı.

Pittsburgh'un sanayi geçmişi geride ağır bir kimyasal miras da bıraktı. Birçok eski sanayi sahasında olduğu gibi Hazelwood Green toprakları da petrol hidrokarbonları, ağır metaller ve diğer kirleticilerle kirlenmiş durumdaydı; bu durum sahanın kahverengi alan olarak sınıflandırılmasına yol açtı. Bu kirleticilerin başında petrol kaynaklı bileşikler olan ve kısaca BTEX olarak adlandırılan benzen, toluen, etilbenzen ve ksilen grubu geliyor. Bu kimyasallar insanlar ve diğer canlılar için oldukça zehirli olabiliyor; ayrıca bazılarının doğrudan kanserojen olduğu biliniyor.

Son birkaç on yılda Hazelwood Green'in yeniden canlandırılması için büyük çaba harcandı. İyileştirilen bu saha, günümüzde araştırma, teknoloji ve toplumsal katılım için yeni bir merkez hâline geldi. Sahanın kirlenmiş toprağının arındırılmasını da içeren bu çalışmalar akıllara son derece ilgi çekici bir biyolojik soru getiriyor: Topraklar kirlilik altındayken orada yaşayan mikroorganizmalara ne oldu? Dahası gelecekte diğer kahverengi alanları temizleme becerimizi artırmak adına onların bu kirlilikle nasıl başa çıktığından bir şeyler öğrenebilir miyiz?

Evrimsel Bir Deney Olarak Çevre Kirliliği

Toprak, olağanüstü bir mikroorganizma çeşitliliğine ev sahipliği yapıyor. Tek bir gram toprak bile binlerce farklı türe ait milyarlarca bakteri hücresi barındırabiliyor.

BTEX gibi kirleticiler bu ortama girdiğinde mikroplar yeni bir ekolojik zorlukla karşılaşıyor. Pek çok canlı için bu kirletici maddeler zehirli olabiliyor. Ancak bazı mikroplar kirleticiyi tolere etmelerine (hatta onu doğrudan bir besin kaynağı olarak tüketmelerine) olanak tanıyan metabolik yollara önceden sahip olabiliyor. Bu durum söz konusu mikroplara aynı alandaki diğer bakterilere kıyasla ciddi bir üstünlük sağlıyor.

Zamanla kirlilik bu mikroplar üzerinde uyum sağlamaları yönünde güçlü bir seçilim baskısı kuruyor. Kirlilik koşullarında hayatta kalabilen (veya onu parçalayabilen) bakteriler giderek daha yaygın hâle geliyor. Üstelik bu bakteriler söz konusu yeteneği yalnızca kendi yavrularına aktarmakla kalmıyor; genleri doğrudan paylaşarak diğer bakterilere de aktarabiliyor.

Hazelwood Green sahasında onlarca yıl süren sanayi kirliliği adeta insanlığın farkında olmadan başlattığı devasa bir evrim deneyine zemin hazırladı. Carnegie Mellon Üniversitesinin Biyolojik Bilimler Bölümündeki araştırma ekibi, bu doğal deneyin sonuçlarını aydınlatmayı amaçlıyor. Araştırmacılar Hazelwood Green'in geçmişte farklı kirlilik düzeylerine maruz kalmış bölgelerinden toprak örnekleri topluyor.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

Yüzeyden dikey olarak delinip çıkarılan ve farklı derinliklerdeki katmanları koruyan silindirik toprak karotları, araştırmacıların yüzeyin derinliklerindeki mikrobiyal toplulukları incelemesine imkân tanıyor. Ekip bu örneklerden DNA izole ediyor ve çevresel bir örnekteki tüm mikroorganizmaları tek tek laboratuvarda çoğaltmak yerine doğrudan DNA'ları üzerinden tanımlayan metagenomik dizileme yöntemini kullanıyor.

Araştırmacılar yalnızca hangi mikropların mevcut olduğunu değil, bu mikropların neler yapabileceğini de anlamak istiyor. Temel hedeflerden biri, BTEX ve diğer hidrokarbonların parçalanmasıyla ilişkili bakteri genlerini tespit etmek.

Ekip geçmiş kirliliğin Hazelwood Green'deki bu topluluklarda kalıcı bir iz bırakıp bırakmadığını görmek için onlarca yıllık kirlilik kayıtlarını modern sahayla eşleştirdi; ardından farklı konumlardaki ve derinliklerdeki mikrobiyal yoğunluğu karşılaştırdı.

Kirleticileri Yiyen Mikropların Keşfi

DNA dizileme, mikropların neleri başarma potansiyeline sahip olduğunu anlamamıza yardımcı oluyor. Ancak araştırmacılar bu öngörüleri doğrudan laboratuvarda da sınıyor. Hazelwood Green'den ve Pittsburgh'daki diğer sahalardan izole edilen bakterilerin belirli kirleticileri besin olarak kullanıp kullanamayacağı inceleniyor.

BTEX parçalayıcı bakterileri belirlemeye yönelik temel tarama deneyi oldukça basittir. Normal şartlarda bakteriler laboratuvar ortamında kolayca tüketebilecekleri şekerler, amino asitler ve diğer bileşikleri içeren besin açısından zengin ortamlarda yetiştirilir. Araştırmacılar ise bunun yerine karbon kaynaklarının tamamen dışarıda bırakıldığı minimal bir besi yeri kullanıyor. Çünkü bakterilerin çoğu büyüyüp çoğalabilmek için temel besinleri olan bir organik karbon kaynağına ihtiyaç duyuyor.

Bu doğrultuda ortama yegâne karbon kaynağı olarak benzen, toluen, etilbenzen veya ksilen gibi bir kirletici ekleniyor. Şayet bakteriler bu ortamda çoğalabiliyorsa bu durum kirleticiyi besin olarak kullanabildiklerini gösteriyor. Bakteriler bunu yaparken kirleticiyi ortamdan uzaklaştırıyor ve toprağın temizlenmesine katkı sağlıyor.

Bu organizmaları tek tek keşfetmek oldukça yavaş ilerleyen bir süreçtir. Bu nedenle araştırmacılar, Pittsburgh'da iyileştirilmiş bir başka kahverengi alan olan Bakery Square'de bulunan robotik ve otomatikleştirilmiş bir laboratuvar olan CMU AI Science Foundry ile ortaklık kurdu.

Buradaki robotik sistemler binlerce farklı bakteri türünün aynı anda taranmasına ve her birinin BTEX gibi kirleticileri ne kadar iyi parçaladığının ölçülmesine olanak tanıyor. Bu sırada ekibin geliştirdiği BTEXgenie gibi açık kaynaklı yazılımlar da kirliliği parçalamaya yardımcı olabilecek genleri tespit etmek için bakteri genomlarını tarıyor.

Bu yaklaşım geleneksel keşif sürecini tersine çeviriyor. Tek bir organizmayı inceleyip faydalı olmasını ummak yerine; öncelikle binlerce genom taranarak en güçlü adaylar belirleniyor, ardından bu adayların hangilerinin laboratuvarda gerçekten işe yaradığı doğrulanıyor. Üstelik her test döngüsü bir mikrobun işlevini yalnızca DNA'sına bakarak tahmin etme kabiliyetimizi daha da geliştiriyor; böylece öğrendiklerimiz arttıkça süreç çok daha hızlı ilerliyor.

Mikroplar Endüstriyel Kirliliği Temizleyebilir mi?

Kirlenmiş toprağı temizlemek hem zorlu hem de oldukça maliyetli bir iştir. Kirlenmiş toprağın kazılarak çıkarılması veya temiz bir dolgu katmanının altına gömülmesi gibi yaygın iyileştirme yöntemleri kirleticileri fiilen ortadan kaldırmadan arazinin yeniden yapılaşmaya açılmasını sağlayabilir. Bu durum sonrasında uzun vadeli izleme süreçlerinin yürütülmesini gerektirebilir.

Çevresel kirleticileri ortadan kaldırmak için mikroorganizmalardan yararlanmak yeni bir kavram değil. Biyolojik arıtım yöntemleri petrol sızıntılarında ve atık su arıtımında hâlihazırda yaygın şekilde kullanılıyor. Çoğu durumda mikroplar çoğalırken bu kirleticileri doğal yollarla parçalayarak daha az zararlı bileşiklere dönüştürüyor.

Ancak biyoremediasyon her kirletici maddede veya her kirli alanda aynı başarıyı göstermiyor. Karşılaşılan en büyük zorluklardan biri, kirliliğin fiilen bulunduğu çevresel koşullarda gelişmeye devam ederken aynı zamanda o spesifik kirleticiyi parçalayabilen mikropları tespit edebilmektir. İşte tam da bu noktada kirli ortamlarda hâlihazırda varlığını sürdüren mikropları incelemek bizlere muazzam bir avantaj sağlıyor.

Doğal yollarla ortama uyum sağlamış bu mikropları tespit ederek ve kirleticileri nasıl metabolize ettiklerini aydınlatıp çözerek mevcut biyoremediasyon yöntemlerini çok daha ileri bir noktaya taşımamız mümkün olabilir.

Pittsburgh ve Pas Kuşağı genelindeki eski sanayi alanları bilim ve teknoloji için yeni merkezlere dönüşürken, belki de ihtiyaç duyduğumuz biyolojik yeniliklerin bir kısmı başından beri buraların hemen altında evrimleşiyordu. Bizler bu mikroorganizmaların onlarca yıl boyunca neler öğrendiğini henüz yeni keşfetmeye başlıyoruz.