01 birinci bölüm giriş

BİRİNCİ BÖLÜM

GİRİŞ

Yeryüzünü saran ve okyanuslarda, denizlerde, göllerde, akarsularda ve yeraltı sularında bulunan sularla atmosferdeki su buharının tümüne hidrosfer (su-küre) adı verilir.

Hidrosferin oluşumu hakkında birçok hipotez öne sürülmüştür. Bunlardan günümüzde geçerliliği kabul edilen hipotez, güneş sisteminin oluşumu ve bu sistem içindeki çeşitli elementlerin birbirleriyle oranlarından hareket ederek yeryüzündeki toplam su kütlesinin orijinini açıklamaya çalışmaktadır.

1.1. Yeryüzündeki Suların Oluşumu ve Dağılımı

Başlangıçta güneş sisteminin her noktasında bulunan elementlerin birbirine olan oranı sabitti ve bu oranlar bugün güneşte bulunan elementlerin birbirine olan oranına eşitti. Güneş ve dünyada bulunan elementlerin birbirine oranı kıyaslandığında, dünyamızda neon ve argon gibi soygazların güneştekinden çok daha düşük oranlarda bulunduğunu ve bu sonucun yukarıda sözü edilen varsayımla çeliştiğini görüyoruz. Bu çelişkiye getirilen açıklama, yeryüzünün oluşumu sırasındaki soğuma ve katılaşma sürecinde neon ve argon gibi soygazlar ile bunlara yakın molekül kütlesine sahip su, oksijen ve karbondioksit gibi gazların dünya yüzeyinden uzaya kaçtığı kabulüdür. Böylece hidrosferin, dünyanın soğuması sırasında yeryüzünü saran gaz karışımı içinde bulunan su buharının sıvılaşması sonucunda oluştuğu şeklindeki eski varsayımlar geçerliliklerini kaybetmektedirler.


Bugün hidrosferi oluşturan suların, yer kabuğunun derinliklerinde volkanik faaliyetinin bir yan ürünü olarak, diyajenez veya metamorfizma sonucunda meydana geldiği kabul edilmektedir.

Su doğada katı, sıvı ve gaz olmak üzere her üç fazda da bulunur (buz, sıvı haldeki su ve su buharı). Bilinen tüm sıvılar içinde en yüksek yüzey gerilimine sahiptir. Bu özeliği, yağmur damlacıklarının oluşumu açısından önem taşımaktadır. Yine tüm sıvılar içinde suyun buharlaşma ısısı en yüksektir. Su amonyaktan sonra en yüksek erime ısısına sahip olan bileşiktir. Yüksek özgül ısısıyla birlikte bu özellikler, suyu yeryüzündeki iklimsel farklılıkların belirleyici unsuru durumuna getirir.


Şekil 1'de yeryüzündeki yağışların coğrafi dağılımı görülmektedir. Bu şekilden kolaylıkla izlenebileceği üzere, iklim bölgeleri ile yağış yükseklikleri arasında çok yakın bir ilişki vardır.

Şekil 2'de yağış yüksekliklerinin enlem

derecelerine göre dağılımı görülmektedir. Şekilde yağışların karalara ve denizlere düşen yükseklikleri ayrı ayrı gösterilmiştir.


Bu şekillerden çıkan sonuç, suyun yeryüzündeki dağılımının üniform olmadığıdır. Ayrıca belirli bir bölgede su zaman içinde de değişik miktarlarda bulunur. Kurak mevsimlerde gereksinimlerin karşılanamamasına karşın, sulak ve yağışlı mevsimlerde aşırı miktarlarda suyun, zararlara yol açtığı bilinmektedir. Yeryüzünde bulunan toplam su miktarı, 1 600 000 x 103 km3 veya 54 x 1045 su molekülüdür (H2O).

Bunun 220 000 x 103 km3’ü kimyasal olarak bağlı sudur.

1 380 000 x 103 km3 su ise serbest sudur ve Tablo 1 ve Tablo 2'de görüldüğü gibi yeryüzünde çeşitli şekillerde bulunmaktadır.


Tablo 1. Suyun yerküresindeki dağılımı (km3 cinsinden)

Tablo 2. Yeraltısularının derinliğe göre dağılımı (km3 cinsinden)


Suyun bulunduğu ortam Hac i m %

Atmosferde bulunan su 13 x 103 Denizlerde bulunan su 1350400 x 103 97.6Karalarda bulunan su

Akarsularda 1.7 x 103 Tatlı su göllerinde 125 x 103 Tuzlu iç denizlerde ve göllerde 105 x 103 Toprak nemliliği 150 x 103 Canlıların su içeriği 50 x 103 Yeraltı suyu 7000 x 103 Kutuplarda ve buzullarda donmuş hal de bulunan 26000 x 103

Karalardaki suyun toplamı 33431.7 x 103 2.4

Yerküresindeki suyun toplamı 1383831.7 x 103 100.0

800 m’den daha yüksekte olan yeraltı suyu 4000 x 103

800 m’den daha derinde olan yeraltı suyu 3000 x 103

Toprak nemliliği 150 x 103

Toplam yeraltı suyu 7150 x 103

Şekil 1: Yeryüzündeki yağışların coğrafi dağılımı (değerler mm/yıl cinsindendir)


Şekil 2: Yeryüzündeki yağış yüksekliklerinin enlemlere göre dağılımı (Değerler cm/yıl olarak verilmiştir)


Yeryüzündeki serbest su, dünyanın tüm yüzey alanı üzerinde (510x106 km2 ) üniform olarak 2700 m kalınlığında bir tabaka oluşturacak kadar fazladır. Bu su sadece denizler üzerinde toplansaydı (374x106 km2), oluşacak tabakanın derinliği 3700 m olurdu. Bu açıdan bakıldığında, yeryüzündeki suyun tüm insanlığın gereksinmelerini karşılayacak kadar çok olduğu ve dolayısıyla tükenmez bir kaynak oluşturduğu düşünülebilir.

Ancak bu toplam su miktarının % 97.6'sı denizlerdeki tuzlu sulardır ve bu sular insanların gereksinimlerini karşılamak açısından uygun niteliklere sahip değildir. Karalardaki toplam su miktarı yeryüzündeki suların % 2.4'ünü oluşturmaktadır (33.4x106 km3).


Karalardaki suyun ancak %10'u kadarı teorik kullanılabilir tatlı su potansiyelini oluşturmaktadır (3-4 milyon km3). Bu miktar yeryüzündeki toplam su potansiyelinin % 0.3'ü kadardır. Günümüzde insanlığın toplam su gereksinmesi yılda 5500 km3 olarak hesaplanmaktadır. Bu gereksinme yeryüzündeki tüm akarsularda bir anda bulunan suyun üç katı olmakta beraber, yeraltısuyu ile birlikte karşılanabileceği anlaşılmaktadır. Ancak tüm akarsuların taşıdığı yıllık 37000 km3‘lük debi ile kıyaslandığında, bu 5500 km3’lük gereksinmenin, devreden suyun % 15’i gibi yüksek bir orana ulaştığı görülmektedir. Bu sonuç gelecekte artacak olan su gereksinmesinin karşılanmasının giderek daha büyük boyutlarda sorunlar yaratacağını ortaya koymaktadır.


Susuz yaşam mümkün değildir. İnsan gıda almadan haftalarca yaşayabilir, fakat su içmeden ancak birkaç gün yaşamını sürdürebilir. Bu yüzden içme ve kullanma suyu sürekli ve güvenilir bir şekilde temin edilebilmelidir.

Daha önce suyun yeryüzündeki yer ve zaman içindeki dağılımının düzenli olmadığı belirtilmişti. Bu yüzden su üzerine yoğunlaşmış tüm mühendislik çabaları, doğal olarak istenen yer ve zamanda bulunmayan suyu, insanlığın gereksinmelerini karşılayabilmek için, bu gereksinmelerin duyulduğu yer ve zamanda, yeterli nicelik ve nitelikte sağlamaya yöneliktir. Bu amaca erişebilmek için, geniş ve ayrıntılı bir planlama gereklidir.


Su kaynaklarının geliştirilmesine yönelik çalışmalar ( 1 ) bağıntısıyla sembolik olarak

şeklinde gösterilebilir. Burada sol taraftaki vektör suyun doğada bulunuş şeklini ifade etmektedir. X yeri, T zamanı, Q suyun niceliğini, C ise niteliğini göstermektedir. Doğada (X,T.Q,C,)doğa şeklinde bulunan bir suyun, gereksinmeyi karşılayabilmek için istenen yerde X’, istenen zamanda T’, istenen nicelikte Q’ ve istenen nitelikte C’ olması istenmektedir. Bu özelliklerin tümü, sağ taraftaki (X’,T’,Q’,C’)gereksinim vektörü ile özetlenmiştir.


Bu aşamada suların kirlenmesinin, yukarıda çerçevesi çizilmeye çalışılan su kaynaklarının geliştirilmesine yönelik çalışmaların içindeki yeri belirtilmelidir. Bilindiği gibi insanların, içme, kullanma, endüstri ve tarımsal sulama gibi gereksinimlerini karşıladıktan sonra su çeşitli nitelik değişikliklerine (kirlenmeye) uğramaktadır. Bunun da ötesinde, kullanımdan sonra su tekrar doğaya geri verilmekte ve böylece insan topluluklarının gereksinimlerini karşılamak için şiddetle ihtiyaç duydukları ve niceliksel açıdan kısıtlı oldukları önemle vurgulanan su kaynakları, kirletilerek bunların kullanılabilme özellikleri yok olmakta, niteliksel açıdan çok olumsuz sonuçlar ortaya çıkmaktadır. Görüldüğü gibi çeşitli kullanımlar sırasında su tüketilmemektedir. Kısa zaman süreleri içinde yeryüzündeki toplam su kütlesi sabittir. Ancak suyun kullanılması, genellikle bir nitelik değişikliğini beraberinde getirmektedir. Bu döngü Şekil 3'de şematik olarak gösterilmiştir.


Şekil 3: Su gereksiniminin karşılanması ile su kirliliği arasındaki ilişki

Su kirliliğine ilişkin konuların incelenmesine geçmeden önce, aşağıdaki bölümde suyun yeryüzündeki döngüsü niceliksel açıdan incelenecektir. Böylece kirleticilerin izlediği yollar daha iyi anlaşılabilecektir.


Kimyasal formülü H20 olan su, ağırlıkça %11,1 hidrojen ve %88.9 oksijenden meydana gelir. Bu iki elemanın birbirleriyle olan reaksiyonu ekzotermiktir:

Reaksiyonda açığa çıkan ısı 242 MJ/Kmol'dür. Bir su molekülünün hacmi 29.7 x 10-30 m3’tür.Bir kilogram suda 33.6 x 1024 molekül bulunur. Bir su molekülünün özellikleri Şekil 4'de gösterilmektedir. Bu moleküllerden 555 milyonu pH=7’de

denklemi uyarınca disosiye olmuş durumdadır.

1.2. Suyun Fiziksel ve Kimyasal özellikleri

Atmosferin üst tabakalarında kozmik ışınlarının etkisiyle oluşan trityum H3 izotopu nedeniyle su hafif radyoaktiftir. Doğal olarak 1 ila 10 pCi/1 mertebesinde olan bu radyoaktivite kapalı havzalardan buharlaşma, nükleer silahlar için yapılan denemeler ve nükleer kazalarla çok daha yüksek değerlere ulaşabilir.

Şekil 4: Su molekülü


Su moleküllerinde iki hidrojen atomu aynı tarafta yer alarak bu tarafın pozitif yüklü oluşuna neden olur, oksijen atomu ise negatif yükle yüklüdür. Yüklerin bu şekilde dağılımı, suyu kuvvetli bir dipolar (iki kutuplu) molekül haline getirir. Su molekülleri birbirini çeker ve hidrojen bağları yardımıyla kümeleşme olur. Sudaki hidrojen bağları, suyun pek çok olağan dışı özeliklerinin sorumlusudur. Su peryodik çizelgedeki oksijene benzer diğer maddelerin dihidrürleriyle kıyaslandığında büyük farklılık gösterdiği görülür. Atmosferik basınç ve oda sıcaklığında (25°C), daha ağır moleküller, H2S (molekül ağ. 34), H2Se (molekül ağ. 81), ve H2Te (molekül ağ.130) tümü gaz halindedir. Su ise sıvı olup ancak sıcaklık 100°C’ye çıkarıldığında gazlaşmaktadır. Herhangi bir sıcaklıkta su benzerlerinden daha yoğundur. Yüzey gerilimi ve dielektrik sabiti, diğer dihidrürlerle kıyaslandığında çok büyüktür. Donma noktası beklenenden çok daha düşük olup, donduğunda daha az yoğun bir yapı oluşturur. Tüm bu özelikler, sudaki hidrojen bağlarından kaynaklanmaktadır.


Saf su renksiz, kokusuz ve tatsız bir sıvıdır. Çok kalın tabakalar halinde ise suyun rengi gök mavisidir. Atmosferik basınç altında (760 mm civa sütunu= 101.33 kN/m2) su, 0°C’de donarak katı faza, 100°C’de ise gaz fazına geçer. Buz moleküllerinin hacmi 32.4xl0-30 m3 olup, su moleküllerinin hacminden daha büyüktürler. Böylece suyun 0°C’de donmadan önce 999.9 kg/m olan yoğunluğu, 0°C’nin hemen altındaki buz için 916.7 kg/m olur. Buzun erime noktası ile basınç arasında çok zayıf bir bağıntı vardır.


Her 2 atmosfer basınç değişimi için erime noktası 0,0075°C değişim gösterir, öte yarıdan suyun buharlaşma noktası büyük ölçüde basınca bağımlıdır. Bu bağımlılık Tablo 3’te gösterilmiştir.

Tablo 3: Suyun kaynama noktasının basınç ile değişimi


Suyun çeşitli fiziksel özellikleri sıcaklığa bağımlıdır. Bunlardan en önemlileri saf su için Tablo 4'te özetlenmiştir. Ayrıca Şekil 5'te suyun yoğunluk ve kinematik viskozitesinin sıcaklıkla değişimi gösterilmiştir.


Suyun dikkate değer diğer bazı fiziksel özellikleri Tablo 5'de toplu halde gösterilmiştir.



Suyun yabancı maddeler içermesiyle, yukarıda saf su için verilen özeliklerin bir kısmı önemli ölçüde değişime uğrarken diğer bir kısmı da bu durumdan hemen hiç etkilenmez, örneğin deniz suyunun okyanuslardaki ortalama tuzluluğu %3.5’tir (35000 g/m3). Bu tuzluluğun 2/3’ü sodyum klorürden (NaCl) kaynaklanır. İç denizlerde tuz derişimleri iklimsel ve hidrolojik etkiler altında değişimler gösterir. Deniz suyunun tuz içeriği nedeniyle saf suya kıyasla farklı değerler alan fiziksel özeliklerinden bazıları şöyle sıralanabilir: Yoğunluğu 1025 kg/m .kinematik viskozitesi saf suyunkinden %10 daha yüksek, elektriksel geçirgenliği 54000 kat daha yüksek, donma noktası -2°C. Buna karşın buhar basıncı, buharlaşma ısısı, elastisite modülü, ses hızı gibi özelliklerde anlamlı değişiklikler yoktur. Bu konuda ikinci bir örnek olarak yüksek ölçüde askıda katı maddeler içeren evsel atık sular verilebilir. Evsel atık suların sıkışabilirliği saf suya kıyasla daha yüksek, ses dalgalarının yayılma hızı daha düşüktür. Bu niteliklerin bilinmesi özellikle su darbesi hesapları açısından önem taşımaktadır.

1.3. Yüzeysel Sularda Biyolojik Mekanizmalar

Yüzeysel sularda, evsel ve endüstriyel atık sular ve diğer kirleticilerin neden oldukları niteliksel değişimler, genel olarak fiziksel ve kimyasal parametreleri içeren standartlar yardımıyla ifade edilir. Bu niteliksel değişimlerin nedeni fiziksel, kimyasal ve biyolojik etkenler olabilmekle beraber yüzeysel suların kirlenmesi olarak ortaya çıkan sonuç, ilk planda biyolojik bir olaydır. Bu nedenle başlangıçta bu ortamlardaki yaşamın biyolojisine kısaca bakmakta yarar vardır.


Yüzeysel sulardaki yaşam üç ana grupta sınıflandırılabilir;

Mikroorganizmalar (Protistler) Bitkiler Hayvanlar

Mikroorganizmalar veya diğer adıyla protistler, bakteriler, virüsler, mantarlar, protozoalar ve küçük metazoalardan oluşur. Bu gruplar içlerinde geniş çeşitlilik gösterirler.


Su kirliliği açısından mikroorganizmaların önemi, bunların sucul ortamlardaki besin gereksinimleridir. Bu gereksinimler dört ayrı madde halinde sınıflandırılabilir:

Hücre protoplazmasını oluşturan ana maddeleri (karbon ve azot) sağlayan bileşikler;

Mikroorganizmaların enerji gereksinimlerini karşılayan bileşikler;

Anorganik iyonlar; Mikronutrientler, vitaminler vb.


Her ne kadar protistler morfolojik ve metabolik açıdan farklılıklar gösterirlerse de bunların protoplazmalarının temel kimyasal bileşimi oldukça tekdüzedir. Protoplazmanın ana maddesini proteinler oluşturur. Bunun yanı sıra hücre kompleksi içinde önemli miktarlarda yağlar ve karbonhidratlar da bulunur. Protoplazmanın element bileşimi aşağıdaki genelleştirilmiş formülle ifade edilebilir.

CaHbOcNdPeSf

Karbon kaynağı olarak sadece karbondioksiti kullanan mikroorganizmalara "ototrof" canlılar denir. Öte yandan, karbon gereksinimlerini sadece organik kaynaklardan karşılayabilen mikroorganizmalara "heterotrof" canlılar adı verilir. "Fakültatif ototroflar", karbon kaynağı olarak gerek karbondioksitler gerekse de organik maddelerden yararlanabilirler. Ototrof mikroorganizmalar sadece anorganik azotu kullanabilirler. Heterotroflar ise gereksinim duydukları azotu anorganik veya organik kaynaklardan sağlayabilirler.


Her iki gruptaki mikroorganizmalar fosfor ve kükürt gereksinimlerini anorganik fosfat ve sülfatlardan karşılayabilirler. Buna ilaveten heterotrofların ihtiyaç duydukları kükürdü organik maddelerden de sağlayabildikleri bilinmektedir. Besin maddesi olarak önemi olan, magnezyum, potasyum, kalsiyum, demir, manganez, bakır, çinko ve kobalt gibi maddelere mikroorganizmalar çok düşük miktarlarda gereksinim gösterirler. Bu maddelere "mikronutrientler" denir Söz konusu mikronutrientleri, mikroorganizmalar suda bulunan iyonik formlardan temin ederler


Ototrof mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilen en önemli olay fotosentezdir. Klorofil içeren bitkiler ve algler, fotosentez olayı sonucunda ürettikleri oksijen nedeniyle yüzeysel sulardaki oksijen bilançosuna önemli etkiler yaparlar. Enerji kaynağı olarak ışığı kullanan bu tip canlıların asimilasyon işlemi çok belirgin bir gece-gündüz periyodu gösterir. Bu yüzden yoğun bitki büyümesi ve yüksek fitoplankton derişimlerine sahip olan akar sulardaki çözünmüş oksijen 24 saatlik bir periyod çerçevesinde diğer tüm etkileri önemsiz kılabilecek boyutlarda bir değişim gösterebilir.


Sudaki çözünmüş oksijen derişimini yükseltici yönde etki yapan fotosentez olayının yanı sıra, bitkilerin yaşamsal etkinlikleri solunum olayını da içerir. Solunum sırasında oksijen tüketilir ve karbondioksit açığa çıkar. Fotosentez ve solunum karşıt kavramlardır. Fotosentez sırasında karbondioksit ve sudan organik madde üretilir. Bu süreç içinde su; enzimler tarafından kontrol edilen bir dizi reaksiyon sonucunda serbest kalan oksijen ile organik bileşenler oluşturan hidrojene ayrıştırılır.


Bu reaksiyonu tanımlayan klasik denklem,

şeklinde ifade edilebilir.


Solunum sırasında ise, bitkisel metabolizmanın gerektirdiği enerjinin üretilmesi için ortamdan oksijen alınır. Bu olay sırasında denklem (4) ile tanımlanmış olan reaksiyonun yönü değişir. Fotosentez olayı, ışığa bağımlılığı nedeniyle, zaman içinde değişken bir şiddete sahiptir. Solunum ise, zaman içinde üniform bir olay olarak kabul edilmektedir. Her ne kadar bazı araştırıcılar, solunum olayını, ışıktan bağımsız ve zaman içinde sabit bir solunum ile ışığa bağımlı ve fotosenteze benzer şekilde zaman içinde değişken bir şiddete sahip foto solunum olmak üzere iki ayrı bileşen halinde tanımlamakta iseler de, foto solunum olayının yüzeysel sularda gerçekleşen doğal süreçler çerçevesinde ölçülmesinin olanaksızlığı nedeniyle solunum olayı, 24 saat boyunca sabit kalan bir süreç olarak kabul edilmektedir. Böylece ışığa bağımlı olan fotosentez ve foto solunum olayları birbirinden ayrılmamakta, bunların arasındaki ölçülebilir fark, genelde fotosentez olarak kabul edilmektedir. Fotosentez ve solunum nedeniyle ortama verilen ve ortamdan alınan günlük ortalama oksijen miktarı sırasıyla F ve S olarak tanımlanabilir. Sulardaki bitkisel aktivitenin bir ölçüsü olarak F/S oranı kullanılmaktadır. Bu oran, genç ve aktif popülasyonların bulunduğu ortamlarda 1'den büyük, dengedeki ortamlarda 1'e eşit ve yaşlı popülasyonların bulunduğu ortamlarda ise 1'den küçük olmaktadır.


Günümüzde fotosentez olgusunu içeren oksijen bilançosu modellerinde, ötrofik sular için F ve S değişkenlerinin gün içindeki değişiminin dikkate alınmasının gerekliliği kabul edilmektedir. Ekstrem durumlarda fotosentez sonucunda üretilen oksijen, ortamdaki oksijen derişiminin doygunluk değerinin üzerine çıkarma eğilimi göstermekte ve oksijen fazlası, su yüzeyinden atmosfere verilmektedir. Öte yandan geceleri solunum yüzünden tüketilen oksijen, oksijen derişiminin sıfıra düşmesine neden olabilmektedir.


Fotosentez olayı çeşitli faktörler tarafından etkilenmektedir. Bunlardan en önemlileri suda yaşayan bitki ve fitoplanktonun komposizyonu ve içinde bulundukları büyüme aşaması ile, ortamdaki toplam klorofil miktarıdır. Söz konusu olan büyüme aşaması ise, sıcaklık, pH, kirlilik ve nütrient madde derişimi tarafından etkilenmektedir. Diğer önemli bir faktör de meteorolojik koşullara, mevsime ve coğrafi konuma bağımlı olan ışık şiddetidir. Işık şiddetinin değerlendirilmesinde, yüzeye erişen radyasyonun suya nüfuzu sırasındaki sönümlenmesi de çok önemli bir etkendir. Düşey profildeki bu sönümlenme, suyun içerdiği kolloidal ve askıdaki madde derişimine bağımlı olarak artar.


Burada özellikle akarsuların taşıdığı kum, şilt vb. gibi anorganik parçacıkların etkisi büyük olmaktadır. Askıda madde taşınımı bilindiği gibi akarsuda-ki akım hızı ve türbulans şiddeti gibi hidrodinamik etkilerin bir fonksiyonu olmaktadır. Öte yandan suda bulunan fitoplankton derişimi de sönümlenmeyi artırıcı yönde etki yapmakta ve böylece fotosentez yapan canlı kütlenin çoğalması, ortamdaki fotosentez yapabilme kapasitesini azaltarak, söz konusu süreçleri bir denge noktasına doğru yöneltmektedir.


Görüldüğü gibi fotosentez olayı birçok faktörün etkilediği çok karmaşık bir süreç görünümündedir. Bu yüzden söz konusu olan faktörlerin tek tek ölçülmesi sonucunda olayın kapsamı hakkında bir fikir edinmenin ne kadar güç olacağı ortaya çıkmaktadır. Bu arada çeşitli faktörlerin aralarındaki bağımlılıklar ve doğrusal olmayan etkiler de bu karmaşıklığı artırma eğilimi göstermektedir Örneğin algler üzerinde yapılan bazı çalışmalar solunumun çözünmüş oksijen derişimine ve sıcaklığa bağımlı olarak azaldığını, ancak fotosentezin bu iki faktörden daha az etkilenmesi sonucunda F/S oranının arttığını ortaya koymuştur.


Canlı organizmalarla cansız organik madde arasındaki en belirgin ayırım, canlı organizmaların gösterdiği metabolik faaliyetlerdir. Metabolizma, yaşayan organizmalarda sürekli olarak gerçekleşen fiziksel ve kimyasal süreçlerin tümüne verilen addır. Bu faaliyetler iki grupta sınıflandırılabilirler. Birinci gruptaki metabolik süreçler, mikroorganizmalar tarafından alınan besi maddelerinin hücre protoplazmasına dönüştürülmesini içerir ve "sentez" veya "anabolizma" olarak adlandırılır. İkinci gruptaki süreçler ise, protoplazmanın hücrenin enerji gereksinimini karşılamak amacıyla daha basit bileşiklere parçalanmasını içerir. Bu süreçlere "respirasyon" "katabolizma" veya "solunum" adı verilir.


Protoplazma sentezi, enerji girdisi gerektiren bir reaksiyondur. Bu reaksiyonda mikroorganizmaların dışardan aldıkları besin maddeleri (substrat), solunumla temin ettikleri enerjinin yardımıyla hücre maddesine dönüştürülür. Çok basitleştirilmiş bir biçimde sentez reaksiyonu, Denklem 6’da ifade edilmiştir.


Bu reaksiyon sonucunda elde edilen protoplazma, kullanılan substrata kıyasla enerji açısından daha zengindir. Ototroflar bu enerjiyi anorganik bileşenlerden veya (fotosentez yapmaları halinde) ışıktan alırlar. Heterotroflar gereksinim duydukları enerjiyi sadece organik kaynaklardan temin edebilirler. Enerji teminine yönelik solunum süreçleri, çok basitleştirilmiş bir biçimde,

denklemiyle ifade edilebilir.


Solunum bir yükseltgenme (oksidasyon) reaksiyonudur ve bir hidrojen alıcısına gereksinim gösterir. Aerobik mikroorganizmalar için oksijen bu görevi yapar. Anaerobik mikroorganizmalar ise sülfatları, nitratları, karbondioksiti ve hatta organik bileşikleri hidrojen alıcısı olarak kullanabilirler. Solunum süreçleri sonucunda ortaya çıkan metabolik son ürünler, anorganik karbon, azot ve kükürt bileşikleridir.


Enerji açısından bakıldığında, sentez mekanizmasının "endotermik" (enerji gerektiren), solunum mekanizmasının ise "ekzotermik" (enerji açığa çıkaran) reaksiyonlar olduğu görülmektedir. Metabolik süreçler çerçevesinde bu iki mekanizma birbirlerinin tamamlayıcısıdır. Her ne kadar solunum, sentez olmadığı zaman devam edebilirse de, heterotrofik organizmaların sentez yapabilmeleri için aynı anda solunumun gerçekleşmesi zorunludur. Solunumla açığa çıkan enerjinin sentezde kullanılabilmesi için tüm canlılar adenosin trifosfat (ATP) dan yararlanırlar. Bu bileşik, enerjiyi, içerdiği fosfat bağlarında kimyasal formda, depolar. ATP 'de depolanan enerji sentez sırasında bu fosfat bağlam.in parçalanmasıyla açığa çıkar. Bu parçalanma sonucunda ATP, düşük enerjili adenosin difosfata (ADP) dönüşür. Anlatılan ATP-ADP mekanizması, solunum ve sentez süreçlerinin gerçekleştiği düşük sıcaklıklarda, yaşamsal faaliyetleri mümkün kılan ana unsurdur. Ayrıca bu olgu, fosforun canlılar için ne kadar büyük önem taşıdığını da gözler önüne sermektedir.


Canlı organizmaların yaşamsal faaliyetlerini sürdürebilmeleri için, sentez "için gerekli olanın dışında da enerjiye ihtiyaçları vardır. Bu enerji, organizmanın hareketi, hücrelerin kendi kendilerini tamir etmeleri ve buna benzer faaliyetler için sürekli olarak gereklidir. Organizma, bu amaç için dış kaynaklı substratı temin edemezse (Denklem 7), kendi protoplazmasına yönelir ve "iç solunum" veya "endojen respirasyon" adı verilen mekanizma aracılığı ile gereksinim duyduğu enerjiyi üretir. İç solunum sürecinin basitleştirilmiş denklemi, (8) bağıntısıyla verilmektedir.


Bu reaksiyonda ortaya çıkan metabolik son ürünler, daha önce tanımlanmış olan solunum sürecindekilerle aynıdır. Bu açıdan, karışıklığa neden vermemek amacıyla, (7) denklemiyle ifade edilen ve dış kaynaklı substrat gerektiren solunum sürecine " birincil solunum" veya " primer respirasyon" adı da verilmektedir.

Solunum süreçleri sırasında ortaya çıkan enerjinin tümü, sentez ve/veya hücre hareketi ve tamir amaçlarıyla değerlendirilemez. Termodinamiğin ikinci yasası uyarınca bu enerjinin bir bölümü ısı enerjisi şeklinde yitirilir.


Bir çevresel ortamda belirli tür mikroorganizmaların bulunup bulunmaması, bu ortamdaki madde bileşimi ve diğer çevresel koşullarla yakından ilişkilidir. Her ortam kendisine özgü bir mikroorganizma popülasyonu oluşturur. Bu temel ilke, su kirliliği problemlerinin incelenmesinde de yararlı olmaktadır. Ortamda bulunan organizma türleri, su kirliliğinin göstergesi olarak indikatör görevi görürler.

Yüzeysel sulardaki makro-vejetasyon genellikle yosunlar ve çiçekli bitkilerden oluşur. Makro-vejetasyonun tür dağılımı ile akıntı hızları ve akarsu veya göl taban özellikleri arasında bir ilişki gözlenmiştir. Bu ilişki Tablo (6)'da özetlenmiştir.


Ilıman iklimlerdeki çalkantılı toplumlar, kayalar üzerinde tutunarak büyüyebilen algler ve yosunlardan oluşur. Siltlenmemiş ve kısmen siltlenmiş toplumlarda daha büyük bir tür çeşitliliği göze çarpar. Siltlenmiş toplumları karakterize eden bitkiler akarsudan akarsuya oldukça büyük bir çeşitlilik gösterirler. Bu toplumlar daha hızlı akımlarda bulunan türleri içermez. Littoral bitki toplumları çok zengin bir çeşitlilik gösterir. Bu gruptaki bitkilerden bazıları (sazlar ve bazı su otları) su yüzeyinin üzerine de çıkarlar.


Stabil olmayan ve sürekli olarak ayrışma ve birikime hedef olan bir akarsu tabanı bitki büyümesine elverişli değildir. Öte yandan gevşek tabanlı akarsuların yataklarının bitkiler tarafından kısmen stabilize edildiği de gözlenmiştir. Böylece bitkilerin taban bölgesinde akım hızlarını yavaşlatması sonucunda siltlenme de artar. Bu etkiyle, bitki toplumun nitelik değiştirmesi de söz konusu olabilir.

Sularda yaşayan hayvanlar da geniş bir tür spektrumuna sahiptir. Bu kapsamda yassı kurtlar (Platyhelmintha), boğumsuz yuvarlak kurtlar (Nematoda), Rotiferler, boğumlu kurtlar (Annelida), yengeçler (Arthropoda ve Crustacea), böcekler (tnsecta), kabuklu su hayvanları (Mollusca) omurgası olmayan türlere, balıklar ise omurgalı hayvanlara örnek olarak verilebilir.


Her ne kadar, yüzeysel sularda su hayvanları ve bitkilerini içeren bir sınıflandırma yapmak mümkünse de sucul beslenme döngüsü incelenirken, çeşitli popülasyonların toplam yoğunlukları daha büyük önem kazanmaktadır. Bunlar sudaki organik ve anorganik maddenin döngüsüyle belirlenebilirler. Sucul beslenme döngüsünde heteretrof organizmalar, yani tüm hayvanlar ve fotosentez yapamayan bazı bitkiler, tüketici olarak rol oynarlar. Bu tip organizmalar, primer enerji kaynağı olarak organik bileşiklere gereksinim gösterirler ve h» yüzden besin olarak doğrudan veya dolaylı olarak ototrof organizmaların varlığına bağımlıdırlar öte yandan bu ototrof organizmalar organik bileşiklere gereksinim göstermezler ve primer enerji kaynağı olarak güneşten gelen ışık enerjisini kullanarak "kemosentez" adını verdiğimiz ekzotermik anorganik kimyasal reaksiyonlar yardımıyla karbondioksit ve sudan, kendilerine gerekli olan organik maddeleri sentezlerler. Şekil 6'da organik ve anorganik bileşiklerin döngüsü şematik olarak gösterilmiştir. Görüldüğü gibi, bu döngüde ana enerji kaynağını güneş enerjisi oluşturmaktadır.


Ototrof organizmalar, özellikle bitkiler ve algler, anorganik nütrientleri suda çözünmüş bir biçimde alırlar. Heterotrof organizmalar, diğer yaşayan organizmaları canlı olarak yiyen "holozoik " organizmalarla, ölmüş ve çürümekte olan organizmaların yaşam kalıntılarını yiyen "saprobik" organizmalar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Saprobik türler, yine kendi içlerinde, partiküler organik maddeyle beslenen "saprozoik" ve çözünmüş organik maddelerle beslenen "saprofitik" organizmalar olarak ikiye ayrılırlar. Bu sınıflandırma da holozoik ve saprozoik türler, genellikle hayvanlardan ve saprofitik türler bakteriler ve mantarlardan oluşur.


Organizmaların temel besin maddelerini alış biçimleri bu şekilde özetlendikten sonra, izole edilmiş bir sucul ortamda besin maddeleri grupları arasındaki ilişkiler, Şekil 7'de gösterilmiştir. Besin döngüsüne giren tek enerji, bitkiler ve alglerin fotosentez aktiviteleri sırasında tutuklanan güneş enerjisi olmaktadır. Bitkiler ve algler için çözünebilir mineral nütrientlerin tek kaynağı saprobik organizmaların etkinlikleridir. Bunlar sedimentlerdeki organik kalıntıları ve mineral nütrientleri ortaya çıkarırlar. Algler ve holozoik protozoaları yiyen "mikrofajlar" ve "herbivorlar", " karnivorlar" için besin oluştururlar.


Yukarıda tanınan döngü "birincil sucul besin döngüsü" olarak adlandırılır. Akuvatik organizmaların "detritus " adı verilen ölüm kalıntıları ve yaşamları sırasındaki biyolojik atıkları, saprofajların besinlerini oluştururlar. Saprofajlar, karnivorlar tarafından yenilir. Öte yandan, saprobik ve holozoik organizmalar da mikrofajlar aracılığıyla karnivorların besin kaynağı olabilir. "İkincil sucul besin döngüsü" dediğimiz bu çevrim tamamiyle birincil döngü sırasında fotosentez yardımıyla depolanmış olan enerji miktarına bağımlıdır. İzole edilmiş bir sucul ortamda bu besin döngülerinin prodüktivitesi (verimliliği), birincil döngüdeki en zayıf zincirin verimliliği tarafından belirlenir, örneğin bu verimlilik, fotosentez tarafından tutuklanan enerji miktarı veya saprobik organizmalar tarafından ortamda kullanılabilir hale getirilen bitki nütrientlerine bağımlı olabilir.


Öte yandan, bir akarsu, izole edilmiş bir sucul ortam değildir. Nehirdeki akım dolayısıyla organizmalar, organik ve anorganik maddeler, yaşam ortamının dışına, ve en sonunda denize taşınırlar. Kaybolan maddeler, akarsuya diğer bir yoldan girmezlerse sucul yaşam kısırlaşır ve sona erer.

Akarsuya, dışardan çeşitli enerji düzeylerinde maddeler girer. Nitratlar ve fosfatlar gibi nütrient tuzlar akarsuyun drenaj alanından kaynaklanırlar. Bu mineral tuzlar alglerin büyümesine neden olarak primer besin döngüsünde aşırı üretime neden olurlar. Topraktan drene olarak gelen suların içerdiği detritus saprobik organizmalar ve saprofajlar tarafından dolaysız olarak kullanılabilecekleri için, sekonder besin döngüsüne katkıda bulunurlar.


Sucul besin döngüsündeki nütrientlerin azlığı sucul yaşamı sınırlandırır. Bunun sonucu olarak, böyle bir sudaki oksijen bilançosu besin döngüsünün oksijen gereksinimi tarafından önemli bir biçimde etkilenmez ve suyun her derinliğinde yeterli miktarda oksijen bulunur. Bu tip yüzeysel sulara "oligotrofik" sular adı verilir. Oligotrofik sularda ışık geçirgenliği 15 metreye varan değerlere ulaşabilir. Suyun derin tabakalarında da fotosentez olayı mümkün olur. Oligotrofik sularda, sınırlı olduğunu daha önce belirttiğimiz sucul yaşam, böylece büyük bir derinliğe dağılmış olarak görülebilir. Oligotrofik sular için yapmış olduğumuz bu tanımlama, yavaş akan akarsular ve göller gibi askıdaki madde derişimi düşük olan yüzeysel sular için geçerlidir.


Öte yandan sucul besin döngüsünde gereksinim duyulan nütrientlerin bol olduğu ortamlar, yaşam için çok elverişlidir. Bu tip sulara "ötrofik" sular denir. Ötrofik sularda ışık geçirgenliği 1,5 metre veya daha azdır. Bunun sonucu olarak güneş ışınları, sadece suyun en üst tabakalarına sızabilirler. Fotosentez olayı, yalnız bu kesimde görülür. Ancak nütrientlerin zenginliği dolayısıyla, bu sınırlı bölgede çok yoğun bir sucul yaşam mümkün olur. Bunun sonucu olarak ortaya çıkan yoğun detritus üretimi, suyun derin tabakalarına çökelerek burada çözünmüş oksijen derişiminde önemli azalmalara neden olur. Bunun yanı sıra üst tabakadaki fotosentez olayının günlük periyodik değişimleri, tüm su kütlesinde geceleri oksijenin tamamen yok olması sonucunu yaratabilir. Aynı durum güneş ışınlarının az olduğu bulutlu günlerde gündüzleri de ortaya çıkabilir. Oksijenin bu şekilde tükenmesi, sucul yaşamın önemli bir bölümün ani ölümüne ve ortamda uzun süreli anaerobik durumların ortaya çıkmasına neden olur.


Oligotrofik ve ötrofik sular için yukarda yapılan tanımlar iki sınırı göstermektedir. Doğal koşullar altında/yüzeysel sularda, bu iki sınır arasında kalan çeşitli durumlarla karşılaşılabilir. Suyun bu spektrum içinde hangi durumda olduğuna karar vermek için, suda bulunan mikroorganizma türleri yararlı indikatörler oluşturmaktadır.

Türbülanslı akım rejimine sahip olan akarsularda, türbülans derecesine bağımlı olarak yukarıda tanımlanan ötrofi ve oligotrofi kavramları karışım nedeniyle daha az belirgin olarak karşımıza çıkmaktadır.

1.4. Kirlilik Unsurlarının Sınıflandırılması

Jeolojik açıdan, yeryüzündeki akarsular oluşumlarından beri karalardan, aldıkları maddeleri deniz ve okyanuslara taşıyagelmişlerdir. Söz konusu olan maddelerin büyük bir kısmını atmosferik taşıma süreçleri sonucunda oluşan ve suda çözünmüş halde bulunan unsurlarla, akıntıyla taşınan tanecikler meydana getirmektedir. Bunun yanı sıra yeryüzündeki yaşanan süreçlerinin ürünü olan çok miktarda organik artık da akarsulara karışarak denizlere taşınır. Böylece deniz ve okyanusların karalardan doğal olarak taşınan maddeler için bir birikim ortamı olduğu ortaya çıkmaktadır. Bu düşünceden hareketle, insanın yeryüzündeki etkinlikleri sonucunda oluşan atık suların da doğal dengeleri bozmayacak bir biçimde, sınırlı olarak, hidrolojik çevrim yardımıyla uzaklaştırılması akla gelmektedir. Aslında, kullandığımız sular da kaynaklandıkları ortama bağımlı olarak, doğal tuz derişimlerine sahip olduklarından ve hidrolojik çevrimde doğal tuz derişimi bir kirletici yükü olarak kabul edilemeyeceğinden, atık sulardaki kirlilik yükü, yalnızca suyun doğal olarak içerdiği maddelerin dışındaki maddelerden oluşmaktadır.


Yüzeysel suların kullanılmış sular ve diğer atıklar için bir alıcı ve uzaklaştırıcı ortam olarak kullanılması düşünüldüğünde, oluşabilecek etkilerin kestirilebilmesi açısından, bu atıkların doğal dengelere getirebilecekleri kirlilik türlerinin sınıflandırılmasında yarar vardır.

Aşağıda yüzeysel sularda kirletici etki yapabilecek unsurların Dünya Sağlık Örgütü’nce (WHO) verilen sınıflandırılması verilmektedir:


a) Bakteriler, virüsler ve diğer hastalık yapıcı canlılar: suların hijyenik açıdan kirlenmesine neden olan bu organizmalar, genellikle hastalıklı veya portör (hastalık taşıyıcı) olan hayvan ve insanların dışkı ve idrarlarından kaynaklanır. Bulaşıcı etki, ya bu atıklarla doğrudan temasla veya atıkların karıştığı sulardan dolaylı olarak gerçekleşir. İçme suyu temini açısından burada sözü edilen hijyenik kirlenme, bu önemli sorunu oluşturmaktadır.

b) Organik maddelerden kaynaklanan kirlenme: ölmüş hayvan ve bitki artıkları ile tarımsal artıkların yüzeysel sulara karışması sonucunda ortaya çıkan kirlenmedir. Bu maddelerin alıcı su ortalamalarında yarattıkları oksijen istemi su kalitesi açısından önem taşımaktadır.


c) Endüstri atıkları: Çeşitli endüstrilerden çıkarlar ve fenol, arsenik, siyanür, krom, kadmiyum gibi toksik maddeler içerirler. Teknolojik gelişmeye paralel olarak, endüstri atıklarının içerdikleri maddelerin bir yandan türleri artmakta diğer yandan da bu bileşenlerin kimyasal yapıları giderek daha karmaşıklaşmaktadır.

d) Yağlar ve benzeri maddeler: Tankerler veya boru hatlarıyla taşınan petrolün kazalar sonucunda yüzeysel sulara karışmasının yarattığı olumsuz etkiler açısından önem taşımaktadır.


e) Sentetik deterjanlar: Bu tip deterjanların içerdikleri fosfatlar yüzeysel sularda ötröfikasyona ve dolayısıyla ikincil kirlenmeye neden olmaktadır. Sentetik deterjanların evlerde kullanılmaya başlaması, evsel atık suların özelliğini değiştirmiş ve bu sulara endüstriyel sularda rastladıklarımıza benzer nitelikler vermiştir.

f) Radyoaktivite: Yeryüzünde nükleer enerjiden yararlanma hızla artmaktadır. Bu tip tesislerden çıkan reaksiyon ürünleri de (örneğin plütonyum) radyoaktiftir. Nükleer atıkların yeraltında veya denizaltında çok uzun zaman süreler boyunca saklanması için kullanılan kaplardan kaynaklanabilecek sızmalar bu maddelerin oluşturabileceği toksik etkiler açısından önem taşımaktadır. Radyoaktif kirlenme, bunun dışında hastanelerden, araştırma kuruluşlarından ve bazı endüstri dallarından da kaynaklanabilmektedir. Atmosferde yapılan nükleer silah denemeleri sonucunda artan radyoaktivite, yağmur sularını da kirletmekte ve bunun sonucu olarak yüzeysel sular, radyoaktif kirlenmeye uğrayabilmektedirler.


g) Pestisitler: Bu tür yapay organik maddeler, zararlı böcek, bitki ve mantarlarla mücadelede kullanılmaktadır. Uygulamada genellikle insanlara zararlı olmayacak derecede düşük dozlarda verilmelerine rağmen, uzun zaman süreleri boyunca bu maddelere maruz kalındığında, zararlı etkileri görülmektedir. Pestisitlerin doğal çevredeki biyokimyasal süreçlerle degradasyonu çok yavaş olmaktadır. Bunların besin zincirine girmesi ve bu zincirler boyunca biyoakümülasyona uğramaları ekosistemlerde önemli sorunlar yaratır. Böylece türbülanslı alıcı ortamların atık sular için sağladığı seyrelmeye ters yönde ilginç bir etki ortaya çıkar. Besin zincirlerinde bu tip maddeler için 105 boyutlarına varan derişim artışları gözlenmiştir.

h) Yapay organik kimyasal maddeler: Bu maddeler farmasotik, petrokimya ve zirai kimya endüstrilerince giderek artan miktarlarda üretilmektedir. Bu yapay maddeler, yerlerini aldıkları doğal maddelere kıyasla, daha güç biyodegredasyona uğrarlar.


i) Anorganik tuzlar: Bu maddeler toksik olmayıp, ancak çok yüksek dozlarda kirletici olarak düşünülebilirler. Suları içme, sulama ve birçok endüstriyel kullanım için uygunsuz hale getirilebilirler. Alışılagelmiş arıtma süreçlerinden etkilenmezler.

j) Yapay ve doğal tarımsal gübreler: Gübrelerin içerdiği azot ve fosfor sulamadan dönen drenaj sularıyla yüzeysel sulara karışır, azot ve fosfor bu ortamlarda, bilindiği gibi, ikincil kirlenmeye neden olmaktadır.

k) Atık ısı: Tek geçişli soğutma suyu sistemlerine sahip termik santrallar, yüzeysel sulara büyük miktarlarda atık ısı verir. Suyun sıcaklığının artması bir yandan doğal arıtma süreçlerini hızlandırırken öte yandan oksijenin sudaki doygunluk derişimini azaltır. Böylece anaerobik duruma geçiş kolaylaşabilir. Sıcaklığı artmış sular, ayrıca içme suyu kaynağı olarak ta uygun değildir.

01 birinci bölüm giriş

Documents