Mikrobiyoloji ve Toprak

[Dogasever]

Yukarda Sn Acemi kil ve katyon değişim kapasitesinden bahsetti. Bu konu çok önemli o yüzden, biraz daha derinlemesine incelemekte fayda var. Bu amaçla önce kilin temel yapı taşları olan yapıyı fiziksel olarak anlamak gerekiyor. Katyon değişiminde önemli bir rolü olan elektrik yükü neden kaynaklanıyor sorusunu inceledikten sonra topraktaki diğer etmenlerle olan etkileşime bakabiliriz. Ama önce kili fiziksel olarak anlayalım. Bu mesajın buna ışık tutmasını umuyorum.

Kum, mil ve kil arasındaki fark tanelerinin büyüklüğüdür.

Kum 2 mm - 0,05 mm (50 mikron)
Mil 50 mikron – 2 mikron
Kil 2 mikronun altı

Kilin temel yapı taşı ya aşağıda gösterilen resim 1’deki bir Silisyum ve dört oksijen atomundan oluşan dört yüzlü yapıdır (tetrahedral yapı) ya da resim 3’deki bir alüminyum ve altı oksijen atomundan oluşan sekiz yüzlü yapıdır (oktahedral yapı). Önce tetrahedral yapıyı açıklayalım: Bu yapı silisyum atomları ile oksijen atomlarının bileşiminden oluşmuştur. Kimyasal olarak atomlar birbirlerine bağlıdırlar. Kimyasal olarak birbirlerine bağlı olmaları bu madde için, her iki elementin atomlarının da biraraya gelerek en dış yörüngelerindeki elektronu ortaklaşa kullanmaları anlaşılmalıdır. Silisyumun atom çekirdeğinin etrafında dolaşan elektronlardan en dış yörüngede 4 elektron mevcuttur. Yani Silisyum bu 4 elektronu başka elementlerle ortaklaşa kullanabilir.



Resim 1



Resim 2

Oksijen atomunun ise en dış yörüngesinde serbestçe dolaşan 2 elektron vardır. Bu yüzden, Silisyumun serbest dolaşan elektronlarını oksijen atomları paylaştıklarında ya da bir silisyum atomu kendi serbest elektronlarını oksijen atomları ile paylaştığında resim 1’de görülen tetrahedral (dört yüzlü) yapı ortaya çıkar (Bu bileşiğin en rahat ettiği yapı budur).

Bu dört yüzlü yapıda 4 oksijen atomunun her biri yalnızca bir elekronunu Silisyum ile paylaşmıştır. Diğer serbest elektronu ise serbest kalmaya devam eder. Aslında bu dört yüzlü yapıyı 3 boyutlu hale getirecek olursanız, ikinci bir silisyum atomunun dört yüzlünün köşelerinden birinde yer alan oksijen atomunun açıktaki diğer elektronunu kullanacağını anlayabilirsiniz. Aynı şey diğer köşelerdeki diğer oksijen atomları için de geçerlidir. Böylece, resim 1’de görülen silisyum atomuna en yakında bulunan diğer 4 adet silisyum atomu her biri şekilde görülen ve oksijene ait fazlalık 4 elektron yükünü kullanırlar ve böylece elektriksel yük dengelenmiş olur. Böylece bu yapı tekrarlanır gider ve bir tetrahedron levhasını (tetrahedron sheet) oluşturur.

Aynı şeyi oktahedral yapı içinde düşünebiliriz (Bakınız resim 3).
Ve oktahedral yapıda da Al atomu boyut olarak 6 oksijen atomunun arasına girmeye uygundur. Ve kimyasal bağ açısından da “en rahat ettiği” konum budur. Burada ise her bir oksijenin 2 olan serbest elektron yükünün sadece 0,5’i, alüminyum ile ortaklaşa kullanılır. 6 oksijen atomu x 0,5 elektron – 3 elektron eder (1 alüminyum atomu yalnızca 3 elektron kullanabilir (+3 olan yükünü nötrlemek için (buna rahatlamak da diyebiliriz)). Geriye kullanılması gereken oksijen başına 1,5 yük daha kalır. (Yoksa oksijen rahatlayamaz!) Oksijen atomlarındaki bu fazlalık yükün dengelenmesi gerekir. Bunu dengelemek için ise, köşelerdeki oksijen atomları yandaki birim hücreye ait başka bir alüminyum atomuyla paylaşılır (resim 4). Böylece yandaki hücrenin ortasında bulunan diğer alüminyum atomunun +3 olan yükü de kendi birim hücresinin dışındaki diğer 6 oksijenden gelecek -3 yükle dengelenecektir. Böylece oksijen atomu başına 6/3 = 0.5 yük daha kullanılmış olur. Geriye oksijen atomlarından ötürü 1 yük kalmış olur (Daha önce 1,5 yük kalmıştı, şimdi de komşu alüminyum atomu içinde 0.5 yük kullanılınca geriye oksijen atomu başına 1 yük kaldı) . Bu yapı 3 boyutta devam ettiğinde oktahedral levha oluşur. Eğer fazlalık yükten ötürü H proton ile dengelenirse (proton artı yüklü olduğu için oksijenin ihtiyacı olan rahatlığı sağlayacaktır) gibsit minerali oluşur. Ama yük dengeleri açısından bakıldığında gibsit mineralinin oluşmasına bir alternatif daha vardır.



Resim 3



Resim 4

Silisyum oksidin dört yüzlü birim hücresini incelerken dengelenmemiş elektrik yükü olduğundan bahsetmiştim. Oktahedral tabaka da eğer bir tarafındaki yükünü protonla dengeleyerek gibsit minerali oluşturmamış ise, Proton-Oktahedron-Tetrahedron tabakaları bir araya gelerek yine yük dengesini sıfırlayarak yeni bir levha oluşturabilirler (resim 5). Bunun adı da kaolinit’tir. Bu açıklamayı burada bırakmayı uygun görüyorum. Diğer mineral türlerinin de çeşitli kombinasyonlarla oluşması söz konusu. Çünkü asıl anlatmak istediğim konu bundan sonra.



Resim 5
Moleküler boyuttaki bu Silisyum oksit ve alümniyum oksitten oluşan tabakalara levha (sheet) diyoruz. (Devamı var)

[Dogasever]

Bir diğer olasılık da Tetrahedral-oktahedral-tetrahedral yapıdır. Buna da mika grubu mineraller diyoruz.



Bir silisyum oksit bir alüminyum oksit ve yine bir silisyum oksit tabakasının tekrarlanmasından oluşmuştur.

[Dogasever]

Kil sözcüğü iki farklı bakış açısından tanımlanabilir. Birincisi tarımsal açıdan diğeri ise mineral bilimi açısından. Tarımsal açıdan kil, toprağın içinde boyutu 2 mikrondan daha düşük olan toprağın bileşenidir. Yukarda mineralojik açıdan tanımlamaya çalıştığım kil ise, silisyum oksit ve aluminyum oksit tabakalarından meydana gelir. Temel birimi çok iyi tanımlanmış kristal yapısına sahip levhalardan (sheet) oluşur. Tabakalar üst üste yığılmış tetrahedral silisyum oksit (silika) ve oktahedral alüminyum oksit (alumina) levhalarından oluşur. Bir levha ya bir sıra silika (Tetrahedron ya da kısaca Te) ve bir sıra aluminadan (Oktahedron ya da kısaca Ok) oluşur veya Te-Ok-Te olmak üzere üç sıradan oluşur. (Yukardaki mesaj). Doğa her zaman mükemmel değildir ve bazen bu yapıda benzer boyutlardaki katyonlar yer değiştirebilirler. Örneğin, Tetrahedron yapıdaki bazı silisyum atomları, alüminyum atomları ile yer değiştirebilir. Yani Allah her şeyi özene bezene yaratmış ama bu tür hataların ouşmasına da göz yummuş dersek yanlış olmaz. İyi ki de böyle hatalar olmuş yoksa halimiz nice olurdu. Bakın Tetrahedral levhadaki bazı silisyum atomlarının yerine yanlışlıkla Alüminyum atomları gelince neler oluyor görelim. Si +4 değerlidir. Yani rahatlaması için 4 serbest elektrona ihtiyacı vardır. Alüminyum ise +3 değerlidir. Yani rahatlaması için 3 elektrona ihtiyacı vardır. Kil levhası içine Silisyum yerine Alüminyum girince, daha önceden silisyumu rahatlatan eksi (-) yüklerden biri açıkta kalıyor (Yukardaki mesajlardan hatırlarsanız bu eksi yükler oksijen atomunun etrafında dolşaan serbest elektronlardan geliyordu!). Sonuçta kil tabakasının tamamında eksi yük fazlalığı ortaya çıkıyor. (Tüm tabakada milyarlarca atom var ve yine birçok sayıda silisyum atomu kazayla alüminyum atomuyla yer değiştirebiliyor.) İşte kil tabakası bu yüzden eksi yüklü. Şimdi de eksi yüklü bu kil tabakasının rahatlamaya ihtiyacı var. Artı yüklü ne bulursa üstüne yapıştırıveriyor. Toprağın içindeki sıvı fazda çözünmüş halde bulunan Kalsiyum (Ca+2) Magnezyum (Mg+2) ve Amonyum gibi pozitif (artı) yük taşıyan iyonlarda (besin maddeleri ve diğer mineraller) kil tabakasına gidip yapışarak bu rahatlatma görevini görüyorlar. Aslında her şey bir kazayla başlamış gibi görünse de tıkır tıkır saat gibi işliyor.

[Dogasever]

Atom düzeyinde kilin yapısına baktık. Şimdi de atom düzeyindeki bu yapıyı belirli bir hiyerarşi içinde adım adım gerçekte toprak içindeki kilin yapısı ile ilişkilendirelim:


Resim 1


Resim 2

Toprakta kil tabakaları serbest değildir ve daima karmaşık yapılar halindedir. Bu tabakalar birbirine paralel şekilde yığılmış yığınlar halindedir. Tabakalar arasında boşluklar da vardır. Bu tabakalar arasındaki boşluklara susuz ya da sulu katyonlar ve su da girebilir. Kil mineralleri hiyerarşik olarak 3 düzeyde organize olabilirler. (Toprakta 3 farklı düzeyde bulunabilirler).

1) Bir kil levhası aradaki boşlukla birlikte temel yapı birimini temsil eder. (Şekil 1). Buna Birinci yapı diyelim. Bu yapı ayrıca şekil 2’de de Sheet (levha) olarak bir çizgi olarak görülebilir.

2) Levhaların düzenli biçimde istifi (yığılması) ikinci yapısal düzeyi temsil eder (Şekil 2’de tek çizginin altında görülen üst üste çizgiler, her biri bir levha olmak üzere)

3) Toprakta ayırt edilebilen parçacıklar halinde görülen ise üçüncü yapısal düzeydir ve şekil 2’de düzenli çizgilerin altındaki şekildir. (Buna bir yere kadar içerdiği düzenlilikten ötürü kristalimsi yapı da diyebiliriz)
4) Son olarak da yukarda madde 3’de bahsedilen parçacıklar bir araya gelerek 3 boyutlu topaklar (assemblages) oluştururlar. Kil parçacıklarının aralarında gelişigüzel boşluklar olduğuna dikkat ediniz. Kil içinde su iki farklı yerde bulunur. Biri levhaların yüzeylerindedir. Diğer su bulunan yer ise, topakların içindeki Madde 4’te bahsettiğim boşluklardadır. Bu boşluklardaki su kapiler gücün etkisiyle yerinde durmaktadır. İşte bu kapiler gücün etkisi altında olan su, bitkilerin ve mikroorganizmaların kullanımına sunulur.

Kil, yukarda bahsettiğim özelliklerinden ötürü topraktaki en reaktif mineral bileşendir. Bu reaktiflik sayesinde, toprağın kimyasal, biyolojik ve fiziksel özelliklerine önemli derecede katkıda bulunur. İklim değişikliklerinden ve sulama, drenaj, gübre uygulanması, sıkıştırma ve toprağın koşullandırılması gibi kültürel uygulamalardan kaynaklanan harici fizikokimyasal ve fiziksel koşullara karşı son derece hassastır.

Kaynak: Soil Fragile Interface, P. Stengel, S. Gelin, Science Publishers Inc., ISBN: 1-57808-219-6, 1998, Sayfa 4-7