Separation Of Some Trace Elements Using Peptide Bound Gold Nanoparticles

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Endüstriyel faaliyetler sonrasında açığa çıkan atıklar ve atıksuların çoğu ağır metal içermektedir. Ağır metaller, yerüstü ve yeraltı sularına karışmaları ve canlılar üzerinde oluşturdukları potansiyel riskler nedeniyle son yıllarda önemli bir konu haline gelmiştir. Ağır metaller, biyolojik olarak bozundurulamazlar ve canlı organizmasında birikmeye meyillidirler. Ağır metallerin bir kısmı yaşamsal faaliyetler için belirli konsantrasyonlarda gerekli olmalarına rağmen, yüksek konsantrasyonlarda çeşitli toksik özellik gösterirler. Ağır metalleri atıksulardan uzaklaştırmak için kullanılan iyon değişimi, çökeltim, elektrokimyasal ve membran prosesleri, aktif karbon adsorpsiyonu, buharlaştırma ve solvent ekstraksiyon metotları gibi konvansiyonel yöntemler yüksek ilk yatırım ve işletim maliyetlerine sahiptirler. Bu yüzden ağır metalleri atıksudan uzaklaştırmak için son zamanlarda biyosorpsiyon prosesleri geliştirme çalışmalarına hız verilmiştir. Biyosorpsiyon prosesleri; biyolojik madde kullanılarak atıksuda bulunan ağır metallerin adsorbe edilmesi işlemidir. Bu proseslerde uygun biyomas kullanılması durumunda yukarda belirtilen diğer yöntemlerden daha ucuz bir prosestir. Ayrıca işletimi bu proseslere göre daha kolaydır. Biyosorpsiyonda sorbent olarak kullanılan malzemeye biyosorbent denmektedir. Biyokütle kaynakları olarak endüstriyel atıklar, doğada çok miktarda bulunan organizmalar, hızlı büyüyen, yetiştirilebilen veya biyosorpsiyon amaçlı üretilebilen organizmalar kullanılabilmektedir. Biyosorpsiyon ile metallerin ayrılması hücre duvarı ile metal arasında etkileşimin sonucudur. Metal iyonları hücre yüzeyindeki negatif yüklü reaksiyon alanları ile kompleks yaparak ve/veya pozitif yüklü reaksiyon alanları ile yer değiştirerek ve/veya proteinlerin peptit bağlarının azot ve oksijeni ile yer değiştirerek adsorplanabilecekleri gibi bazı mikroorganizmalar hücrelerin dış zarlarından uzanan polimerler sentezleyerek çözeltiden metal iyonlarını bağlayabilirler. Literatürde pek çok çalışmada ölü bakteri, mantar ve alg yüzeyinde ağır metallerin tuttulduğu belirlenmiştir. Mikroorganizmaların üreme ve metali bağlamada ortam koşullarının aynı olmaması, ayrıca metal derişimlerinin çok yüksek olduğu veya metal iyonlarının önemli miktarlarının mikroorganizma tarafından adsorbe (ve az miktarda absorbe) edildiği zaman, mikroorganizma üremesinin inhibe oluşu, canlı sistemlerle çalışmada önemli kısıtlamalar getirmektedir. Bu sebeplerle ölü mikroorganizmaların metal adsorpsiyonunda kullanımı düşünülmüş, yaşamayan biyokütlenin yaşayan hücrelerinden daha fazla miktarda metali adsorpladığı gözlenmiştir. Cansız biyosorbentlerin kullanımının sağladığı avantajlar; Biyokütle büyümesi gerekmez: Cansız biyokütle maddenin toksik etkisinden etkilenmediği gibi üreme problemi olmadığından ek kaynaklara da ihtiyaç duymaz. Kısa muamele zamanı: Cansız biyokütleler metal iyonlarını hızlıca adsorbe ederler. İşlem birkaç dakikadan birkaç saate kadar süre gerektirebilir. Geniş (esnek) operasyon koşulları: Biyosorbentlerin hücrelerinin cansız olmasından dolayı, uygulama şartları hücrelerin üremesi/büyümesinin sürekliliği için gerekli olan şartlar ile kısıtlanmaz. Diğer bir deyişle pH, sıcaklık ve metal konsantrasyonları gibi uygulama parametrelerinin geniş bir çeşitliliği mümkündür. Daha fazla muameleyi gerektirmez: Geri kazanılan metal iyonlarının değeri ve miktarı şayet önemsizse ve biyosorbent bolsa metal yüklü metali tutmuş biyosorbent doğrudan yakılabilir. Bu yüzden doymuş biyosorbentlerin rejenerasyonu gerekli değildir. Son yıllarda ağır metal giderimi için düşük maliyetli biyosorbentler geliştirilmesi ile ilgili çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmanın amacı, ağır metal giderimi için ucuz ve verimli biyolojik çözümler üretmektir. Bu amaçla çalışmamızda, yoğun kullanımlarına bağlı olarak, çevre kirliliğinin önemli bir kısmını oluşturan ağır metallerden bakır, kadmiyum, kobalt, krom ve kurşun çalışılmıştır. Aynı zamanda, bilimsel literatürde bu açıdan eksikliğin tamamlanması hedeflenmiştir. Peptitler NP’ların yüzey kimyasal özelliklerini sistematik olarak değiştirmek için mükemmel yapılardır. Cys, Ser, Glu ve Asp amino asitlerin değişik şekillerde dizilimlerinden oluşan negatif yüklü P1, P16 ve P20 harf koduna sahip peptitlerin AuNP ile kovalent bağlanması Cys amino asiti ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan peptitler sırasıyla 3, 15 ve 21 amino asitten oluşmaktadır. Amino asit sayısı arttıkça taşıdıkları yük sayısı da artmaktadır ve her amino asittin alkil grubunda bir yük bulunması nedeniyle yük artışıyla moleküler büyüklükte artmaktadır. P1 kodlu peptit kısa ve az sayıda yük (-1) içerirken P16 ve P20 kodlu peptitler daha uzun ve pH 7’de daha çok sayıda negatif yük (sırasıyla -8 ve -10) taşımaktadır. Negatif peptitlerle işlevselleştirilmiş AuNP’ların bulunduğu süspansiyonlar oldukça kararlı ve AuNP-peptit yapılar süspansiyon içerisinde çok iyi dağılmaktadırlar. Bu gözlem peptit büyüklüğünden ve taşıdığı yükten bağımsız gözükmektedir. P1, P16 ve P20 kodlu peptitler negatif yüklü peptitler olduğundan pozitif yüklü metal iyonlarını bağlama yeteneğine sahiptirler. Adsorpsiyon deneyleri için laboratuvar ortamında hazırlanan model Cu, Pb, Co, Cd, ve Cr çözeltilerindeki ağır metallerin bu malzemeler üzerindeki adsorpsiyonu Grafit Fırınlı Atomik Absorpsiyon Spektrofotometresi (GFAAS) ile incelenmiştir. Bu kapsamda peptit bağlı altın nanoparçacıkların biyosorpsiyon kapasitesini ortaya koymak için gerçekleştirilen biyosorpsiyon sürecinde optimum pH, metal başlangıç konsantrasyonu, gerekli biyokütle miktarı kısaca en uygun ön işlem metodu belirlenmiştir. Sonuç olarak, her bir analit elementi için farklı boyutlardaki peptit bağlı Au NP dan oluşan sorbentlere tutunmasında pH>7 de kantitatif tutunma (>%95) elde edilmiştir. Biyosorpsiyon olayında özellikle pH kritik bir parametredir. Bundan sonraki optimizasyon çalışmalarının pH 7’de gerçekleşmesi uygun görülmüştür. En uygun ön işlem koşullarına; - P1@Au için pH 7 değerinde 1 mL biyosorbent ve 50 µg/L metal konsantrasyonu, - P16@Au için pH 7 değerinde 1 mL biyosorbent ve 50 µg/L metal konsantrasyonu, - P20@Au için pH 7 değerinde 5 mL biyosorbent ve 50 µg/L metal konsantrasyonu varlığında ulaşılmıştır. Her bir element için belirlenen ön işlem methodu kullanıldığında %100 tutunma sağlanmıştır ve peptitin uzunluğu arttıkça sorbent kapasitesinin arttığı gözlenmiştir. Standart ekleme metodu ile optimize edilen metodun validasyonu deniz suyu ve çeşme suyu örneklerinde yapılmıştır ve %95 güven aralığında sonuçlar elde edilmiştir. Geliştirilen yöntemin gözlenebilme sınırının tayini için 10 paralel kör örneğe geliştirilen yöntem uygulandı. GFAAS ile tayin edilebilecek en düşük derişimler (LOQ) blank çözeltisinin standart sapmasının 10 katı, gözlenebilme sınırı ise (LOD) 3 katı olarak verilmiştir. Kullanılan peptitin boyu arttıkça yükleme kapasitesi artmakta iken dedeksiyon limitleri düşmekte olduğu sonucuna varılmıştır. P1, P16 ve P20 bağlı altın nanoparçacıkların alternatif biyosorbent olarak kullanılması; Elde edilmesi için düşük maliyet gerektirmesi, cansız biyosorbent olduğu için, ağır metallerin toksik etkisinden olumsuz yönde etkilenmemesi, canlı biyosorbentler için önemli bir dezavantaj oluşturan kültür koşullarının optimize edilmesine ihtiyaç göstermemesi, canlı biyosorbentlere göre daha kısa sürede metalleri adsorblayabilmesi, adsorpsiyon kapasitesinin yüksek olması avantajlarından dolayı uygun görülmüştür.Most of waste and wastewater resulting from industrial activites include heavy metals. Heavy metals have become a major subject because of their potential risks on living organisms and to contaminate ground and underground water. Heavy metals are not biodegradable and tend to accumulate in living organisms. Altough some of these metals are essential for vital functions in trace concentrations, higher concentrations have various toxic effects. Conventional technologies including ion exchange, precipitation, electrochemical and membrane processes, activated carbon adsorption, evaporation and solvent extraction used for heavy metals removal from wastewaters all have relatively high capital and operation costs. Therefore, to remove heavy metals from wastewaters, developments in biosorption processes have recently gained speed. Biosorption process is the adsorptive removal of heavy metals from wastewaters using dead biological substances, i.e., dead biomass. Biosorption is a cost-effective and easy-to operate process compared with conventional ones as long as the proper biomass is employed. Biosorbent is called the material used as a sorbent for biosorption process. A source of industrial wastes in large quantities in nature, organisms, fast-growing, bred or organisms produced can be used as biomass for biosorption. Biosorption is the result of the interaction of the metal with the cell wall in order to separate the metal ions. Metal ions can be sorbet in the following ways; - Complexes with the negatively charged cell surface by reaction areas, - Partial substitution of the positively charged areas of the reaction, - Partial substitution of the nitrogen and oxygen in the peptide bonds in proteins. Furthermore, extending from the outer membranes of the cells of microorganisms synthesize polymers can connect metal ions in solution. It is found in many studies in the literature that heavy metals are removed through adsorption onto the surfaces of lifeless bacteria, fungus and algae. Reproduction of microorganisms and environmental conditions are not the same metal binding, when either there is a very high metal concentrations or it is of significant amounts of metal ions by the microorganism sorbet can inhibit the growth of micro-organisms. The absence of metal binding environmental conditions and reproduction of microorganisms, as well as very high concentrations of metal or of metal ions adsorbed by significant amounts of microorganisms (and a small amount absorbed) when it is, the fact that inhibition of microbial growth in. In brief, living systems study has significant limitations. For these reasons, the lifeless microorganisms are thought for using of metal sorption, the cells of lifeless biomass were observed in a greater amount of sorption capacity than living biomass. The advantages of the use of lifeless sorbents; The growth of biomass is not required: Lifeless biomass is not affected by the toxic effect of the substance and does not need the additional resources due to the fact that lifeless sorbents do not have reproductive problems. Short treatment time: Metal ions are sorbed on lifeless biomass rapidly. Period of time may require from several minutes to several hours. Flexible operating conditions: Due to sluggish cells of sorbents, the application conditions are not restricted by the conditions necessary for the continuity for growth of cells. A wide variety of application parameters such as pH, temperature and metal concentrations are possible. Further treatment is not required: If both the amount and the value of the recovered metal ions are insignificant and you have plenty of biosorbent, it can be burned directly. Therefore, saturated sorbents regeneration is not needed. In recent years, development on the low-cost sorbents for the removal of heavy metals has accelerated. The development of low-cost sorbents for the removal of heavy metals has gained speed in recent years. The purpose of this study, producing cheap and efficient biological solutions for the removal of heavy metals. For this purpose, in our study, forming a significant portion of environmental pollution due to intensive using of copper, cadmium, cobalt, chromium and lead were studied. At the same time, the deficiency in this respect is planned to complete the scientific literature. Peptides are perfect structures for a systematic change in the chemical properties of NP s surface. P1, P16 and P20 peptides contain different forming sequences of negatively charged amino acids of Cys, Ser, Glu and Asp covalent binding was carried out with Cys on AuNP surface. P1, P16 and P20 coded peptides consist of 3, 15 and 21 amino acids, respectively. Carrying loads of aminoacids are growing with the number of aminoacids and molecular size is growing with increasing load due to the fact that the presence of a load of alkyl group of each amino acid. P1 coded peptide is short and contains few load (-1) while P16 and P20 coded peptides are longer and consist of a larger number of negative charge at pH 7 (-8 and -10, respectively). AuNP-peptide structures which are functionalized on negative peptides on AuNP s are quite stable and very good dispersed in suspension. This observation appears to be independent of the quality of peptide, such as the load carried and the size. These synthetic peptides are capable of positively charged metal ions to sorbet way of negatively charges. The sorption of heavy metals from synthetic Cu, Pb, Co, Cd, and Cr solutions prepared in the laboratory, on these materials (P1@Au, P16@Au and P20@Au), were examined by Graphite Furnace Atomic Adsorption Spectrophotometer (GFAAS) for sorption experiments. In this context, for determining biosorption capacity of gold nanoparticles bound peptide molecules; an optimum pH, the initial concentration of the metal, the required amount of biomass briefly the best pre-treatment method was determined for biosorption process. Analyte solutions of pH 4-10 set of 10 mL tubes and centrifuged at 6.000 rpm for 20 minutes from upper of sorption solutions GFAAS, including the rest of the analyte concentrations were read. The optimum pH of the solution at room temperature in the previous step adjusted by 0.01 M NaOH 0.01 M HCl, 20 minutes centrifugation at 6.000 rpm, tubes were then read by GFAAS, including the concentration of metal ions in solution. For each metal 50-500 g / L range, solutions were prepared. For each adsorber, from solutions of different concentrations are prepared by adding 3 mL at room temperature with the optimum pH value, following centrifugation for 20 minutes at 6.000 rpm the upper phase solutions were read GFAAS, including analyte concentrations. After optimizing the method, detection limit (LOD) and the lowest concentrations to be determined (LOQ) were identified .The real sea water samples taken from different parts of the Sea of Marmara and Istanbul and tap water samples were measured for validation experiments. Consequently, at pH> 7 the quantitative retention (> 95%) was obtained for each analyte element binding to different sizes of peptide bound AuNP sorbents. pH is a critical parameter especially in the case of biosorption. The realization of the next optimization work was approved at pH 7. The best pre-treatment conditions; - At the pH value of 7 with 1 mL biosorbent and 50 ppb metal concentration for P1@Au, - At the pH value of 7 with 1 mL biosorbent and 50 ppb metal concentration for P16@Au, - At the pH value of 7 with 5 mL biosorbent and 50 ppb metal concentration for P20@Au. Adsorption capacity of three peptide-AuNP’s reached to the maximum at pH 7.0. Both the sorbent and metal loading capacities of peptide bound gold nanoparticles increased with growing peptide chain while detection limits were decreased. P1, P16, and P20-coded gold nanoparticles require low-cost to obtain, are not adversely affected by the toxic effects of heavy metals due to being lifeless biosorbent, optimizing the culture conditions is not needed, both the less adsorption time and the higher adsorption capacity of metal sorption compared to living biosorbents for using P1, P16, P20 nanoparticles as alternative biosorbents deemed appropriate because of these advantages. The experimental results indicated that the peptide bound gold nanoparticles are very promising for Cu, Cd, Co, Cr and Pb removal from water.Yüksek LisansM.Sc