İdrar Yolu Taşlarından Biri Olan Struvite

İdrar Yolu Taşlarından Biri Olan Struvite
(MgNH4PO4⋅6H2O)’ın Sentezi, Isıl Kararlılığı ve Hidrotermal
Dönüşümü
Synthesis, Thermal Stability and Hydrothermal Transformation
of One of the Urinary Tract Stones; Struvite (MgNH4PO4⋅6H2O)
Gökçe Kurtuluş ve A. Cüneyt Taş
Biyomedikal Mühendisliği Bölümü,
Yeditepe Üniversitesi, Istanbul
[email protected]
Özetçe
Struvite (MgNH4PO4⋅6H2O, magnezyum amonyum fosfat
hekzahidrat) insan ve hayvanlarda görülen idrar yolu
taşlarından birisidir. Bu faza, ayrıca, atık su işleme ve
temizleme tesislerinde de sıklıkla rastlanılmaktadır. Bu
çalışmada, struvite tozları pH kontrolü uygulanmadan
rahatlıkla üretilmiş, elde edilen tozların hava atmosferinde
ısıtılmalarını
takiben
kristal
yapılarını
yitirdikleri
gözlenmiştir. Amorf yapıdaki struvite-nitelikli maddenin, oda
sıcaklığında, içinde amonyum iyonu bulunduran su-bazlı
çözeltiler ile yeniden struvite kristalize edebildiği
bulunmuştur. Struvite tozlarının vücut sıvıları ile benzer alkali
(Na ve K) ve toprak alkali (Ca) iyonlar içeren çözeltilerde,
36.5°C’de 72 saat içinde, insan kemik mineraline dönüştüğü
de görülmüştür. Üretilen ve dönüştürülen fazlar X-ışını
kırınımı, taramalı elektron mikroskobu ve Fourier-dönüşümlü
kızılötesi spektroskopi ile incelenmiştir.
Abstract
Struvite
(MgNH4PO4⋅6H2O,
magnesium
ammonium
phosphate hexahydrate) is one of the urinary tract stones seen
in humans and animals. Moreover, this phase is frequently
encountered in the waste water treatment and purification
plants. Struvite powders were easily synthesized, without any
pH control precautions, in this study and the powders heated
in an air atmosphere were observed to lose their crystal
structure. This amorphous but struvite-related substance was
found to crystallize itself back into struvite at room
temperature when soaked in ammonium ion-containing
aqueous solutions. Struvite powders were also found to
transform, at 36.5°C and in 72 hours, into the human bone
mineral, when immersed in solutions having similar alkali
(Na and K) and alkaline earth (Ca) ions such as those of
body fluids. As-synthesized and transformed powders were
analyzed with X-ray diffraction, scanning electron
microscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy.
1. Giriş
Struvite (MgNH4PO4⋅6H2O), insanlarda görülen idrar yolu
taşlarının yaklaşık yüzde 15, kedilerde görülenlerin yüzde 88
ve köpeklerdekilerin de yüzde 70’ini oluşturur [1]. İnsanlarda
rastlanan yüzde 15 küçümsenecek bir sayı değildir. Struvite,
ayrıca yüksek miktarlarda amonyak içeren sıvı ve katı atık
işleme ve temizleme tesislerinin havuzları ve bağlantı boru
hatlarında sıklıkla rastlanan bir tortu mineralidir [2, 3]. Sıvı
atıklardaki fosfor miktarını azaltmak için de struvite’in
kontrollü ve bilinçli olarak çöktürülmesi ve toplanması da
sıklıkla izlenen bir yöntemdir [4]. Abbona et al. [5],
amonyum dihidrojen fosfat ile magnezyum sülfat çözeltilerini
birbirine ekleyerek struvite çökeleklerinin oluşma koşullarını,
konsantrasyon ve pH parametreleri bazında çalışmışlar ve
struvite’ın 25°C’deki çözünürlüğünü, –logKSP (veya pKSP)
cinsinden, 9.94 olarak bulmuşlardır. Struvite’ın oda
sıcaklığındaki pKSP değeri için literatürde fazlaca farklı değer
vardır, bunlar 9.41 ile 13.36 arasında değişmektedir [4, 6].
Sarkar [7], magnezyum nitrat ile amonyum dihidrojen fosfat
çözeltilerini birbirine ekleyerek saf su içinde struvite tozlarını
üretmiş, struvite tozlarının 50°C üzerine ısıtıldıklarında
kararlı olmadıkları ve amonyum ile su moleküllerinin bir
kısmını veya tamamını yitirmeleri sonucunda amorf yapıya
düştüklerini göstermiştir. Sarkar [7], ayrıca, bu ısıtılmış amorf
tozların su içinde ve oda sıcaklığında bekletildiklerinde,
kısmen struvite, newberyite (MgHPO4⋅3H2O) ve bilinmeyen
fosfat fazlarına dönüştüklerini ileri sürmüştür.
İdrar yollarında amonyağın açığa çıkmasına yolaçan ve
urease
üreten
mikroorganizmaların
neden
olduğu
enfeksiyonlar sözkonusu olduğunda, gözlenen taşlar
genellikle struvite olmaktadırlar [5, 8, 9]. Urease, üreyi CO2
ve NH3’e ayrıştıran bir enzimdir. Burada özetlenen çalışmada
ise [10], struvite tozları oda sıcaklığında ve çözelti pH’ı bazik
yönde arttırılmadan hem saf su ve hem de DMEM hücre
kültürü çözeltilerine çok yakın anorganik tuz derişimlerine
sahip çözeltilerde üretilmiş ve elde edilen tozların ısıl
kararlılığı ile 36.5°C’deki hidrotermal dönüşümleri
çalışılmıştır. Bu çalışmanın, idrar yolu taşlarından birisi olan
struvite’ın oluşumu konusunda varolan bilgi ve varsayımlara
katkı yapacağı düşünülmektedir.
2. Deneysel Yöntem
Bu çalışmada [10], struvite tozlarının üretimi için aşağıdaki
kimyasallar kullanılmıştır; diamonyum hidrojen fosfat
((NH4)2HPO4, >99%, Katalog No. 1.01207, Merck,
Darmstadt, Almanya), magnezyum klorür (MgCl2⋅6H2O,
>99%, Katalog No. 459330, Carlo-Erba), kalsiyum klorür
(CaCl2⋅2H2O, >99%, Katalog No. 1.02382, Merck), sodium
klorür (NaCl, Katalog No. 1.06404, Merck), potasyum klorür
(KCl, Katalog No. 1210517, LabKim), sodyum bikarbonat
(NaHCO3, Katalog No. 1.06329, Merck) ve sodyum
dihidrojen fosfat (NaH2PO4⋅2H2O, Katalog No. 1.06342,
Merck). Çözeltilerin hazırlanması için iki kez damıtılmış su
kullanılmıştır.
“Forward” olarak isimlendirdiğimiz struvite sentez
yönteminde, 13.206 g (NH4)2HPO4 içeren 750 mL suya,
20.33 g MgCl2⋅6H2O içeren 200 mL su çözeltisi eklenmiş, bu
karışım 2 saat oda sıcaklığında karıştırılmış (son pH=5.4) ve
sonra süzülmüştür; elde edilen çökelekler 36.5°C’de
kurutulmuşlardır. “Reverse” yöntemde ise, 13.206 g
çözünmüş (NH4)2HPO4 içeren 750 mL su, 20.33 g
MgCl2⋅6H2O içeren 200 mL su çözeltisine eklenmiş, iki saat
karıştırmadan sonra yine aynı pH (5.4) gözlenmiştir.
“DMEM” diye isimlendirdiğimiz sentez yönteminde ise önce
132 mM Na+, 5.33 mM K+, 44.04 mM HCO3-, 1.8 mM Ca2+,
0.9 mM P ve 90.8 mM Cl- içeren, DMEM (Dulbecco’s
modified eagle medium)’e benzer bir çözelti hazırlanmış,
sonra bunun 750 mL’sine 13.206 g (NH4)2HPO4 eklenmiş,
buna da 200 mL 20.33 g MgCl2⋅6H2O içeren çözelti
eklenerek daha önceki sentezlerle benzer koşullarda struvite
elde edilmiştir (son pH=5.7). Tozların ısıtma ile oluşacak
ağırlık kayıpları hassas olarak bir Moisture Balance
kullanılarak (MX-50, A&D Corp., Japan) ölçülmüştür (90° ve
200°C’de). Isıtılma sonrası amorf olmuş struvite-nitelikli
maddeden
yeniden,
oda
sıcaklığında
struvite
kristalizasyonunun çalışılması için de 0.179 g (NH4)2HPO4
içeren 80 mL su çözeltisi (pH=8.1) hazırlanmış, bu çözeltiye
0.75 g, öncesinde 200°C’de havada 3 saat ısıtılmış, struvite
tozu konularak, oda sıcaklığında 100 mL-kapasiteli ve ağzı
sıkıca kapatılmış bir cam şişe içinde 4 saat karıştırılmış (son
pH=6.6), süzme, yıkama ve kurutmadan (36.5°C) sonra 0.73
g örnek elde edilmiştir. Struvite’ın insan vücut sıcaklığı olan
36.5°C’deki hidrotermal dönüşümünü sınamak için de
aşağıda verilen çözelti hazırlanmıştır [11]; 5 mM K+, 142 mM
Na+ ve 50 mM Ca2+ (çözelti pH=5.6). 0.525 g saf struvite
tozu (“forward” veya “reverse”), bu çözeltinin 150 mL’si
içinde 36.5°C’de, 72 saat bekletilmiş (son pH=4.3), süzülmüş
ve son olarak da bol saf su ile yıkanıp 36.5°C’de
kurutulmuştur. Üretilen toz örneklerinin karakterizasyonu için
X-ışını kırınımı (XRD, Advance D8, Bruker AXS, Almanya),
Fourier-dönüşümlü
kızılötesi
spektroskopi
(FTIR,
SpectrumOne, Perkin-Elmer, USA) ve taramalı elektron
mikroskobu (SEM, Evo-40, Carl Zeiss AG, Dresden,
Almanya) kullanılmıştır. X-ışını kırınımı analizlerinde, tozlar
once bir agat havanda hafifçe öğütülmüşler, sonra da 40 kV,
40 mA X-ışını jeneratörü koşullarında 0.02° 2θ adım
aralıkları (her adımda 3 saniye) ile X-ışını verisi toplanmıştır.
FTIR analizleri yapılırken, 1 mg örnek ile 300 mg saf KBr
tozu bir agat havanda karıştırılmış, bunu takiben de elde
edilen tozlara 1 cm iç çapa sahip çelik bir kalıp içinde 10 ton
basınç uygulanarak pastiller elde edilmiştir. Bu pastiller FTIR
cihazında 128 kez taranarak, 4000 ile 400 cm-1 aralığında veri
toplanmıştır. Taramalı elektron mikroskobu ile, elde edilen
tozların parçacık morfolojileri incelenmiştir, bu inceleme
öncesinde de tüm örnekler, elektriksel iletkenliklerinin
arttırılması amacı ile, yaklaşık 25 nm kalınlığında bir altın
tabakası ile kaplanmışlardır.
3. Bulgular ve Tartışma
Şekil-1’de “forward,” “reverse” ve “DMEM” diye
isimlendirdiğimiz, bu çalışma kapsamında geliştirdiğimiz üç
ayrı özgün sentez metodu ile hazırladığımız struvite tozlarının
X-ışını kırınım diyagramları birlikte verilmiştir. Bu veriler
elde edilen tozların çok yüksek saflıkta struvite içerdiğini
göstermiştir. Bu veriler, literatürde varolan ve struvite sentezi
için mutlaka bazik bir ortam gerekeceği yönündeki yersiz
inancı kırmaktadır [12]. Struvite, üretimi çok kolay olan ve
Şekil-1: Struvite tozlarının XRD verileri
Şekil-2: Struvite tozlarının FTIR verileri
Şekil-3: Struvite (forward) tozlarının tipik SEM morfolojisi
kullanılan kimyasalların birbirine eklenme sırasının dahi
çöktürme üzerinde farkedilebilecek bir etkisinin olmadığı,
ayrıca DMEM hücre kültürü çözeltilerinin anorganik kısmına
benzer çözeltiler içinde dahi rahatça elde edilebilen bir fazdır.
Bu çalışmada simüle edilen DMEM çözeltilerinin anorganik
kısmı, hücre içi sıvılar ile de büyük benzerlik taşır, struvite
gibi patolojik kristallerin yalnızca saf su yerine böyle
fizyolojik sıvılar içinde de üretilebilirliğinin gösterilmesi
gerekliydi. Şekil-3’de verilen bu kristallere ait SEM
morfolojisi, sentetik struvite ve burada anılan yinelenebilirliği
çok yüksek deneysel koşullar dizisi için literatürde türünün
ilk örneğini oluşturmaktadır [13].
Şekil-4’te, 200°C’de 1 saat, hava atmosferinde ısıtma ile elde
edilen, amorf struvite-nitelikli faza ait XRD ve FTIR verileri
birleşik olarak sunulmuştur. Bu örnekteki toplam ağırlık
kaybı yüzde 51.5 olarak ölçülmüştür. Struvite yapısındaki altı
su molekülünün hepsinin ısıtma ile uçurulmasının teorik
olarak yüzde 44’e karşılık geldiği düşünülürse bu sonuç
struvite’dan bir miktar amonyum’un da uçmuş olduğuna
işaret etmektedir. Öte yandan, 90°C’de 3 saat ısıtılmış struvite
tozlarında bu ağırlık kaybı yalnızca yüzde 30 civarında
kalmaktadır. Bu da, 90°C’deki ısıtma ile altı su molekülünün
hepsinin uçurulmasının dahi olası olmadığı anlamına
gelmektedir.
Şekil 5’te, önce 200°C’de hava atmosferinde 3 saat ısıtılmış
tozların daha sonra, içinde az miktarda diamonyum hidrojen
fosfat içeren saf su bazlı çözeltilerde 4 saat, oda sıcaklığında
basitçe karıştırılma sonucunda nasıl yeniden kristalinitesi
oldukça yüksek struvite’a dönüştüklerini anlatan X-ışını
kırınım verileri sunulmuştur. Deneysel yöntem bölümünde
açıklandığı üzere, çözelti pH değerinin bu çözeltiler için nasıl
başlangıçtakine kıyasla 4 saat içinde 8.1’den, 6.6’ya düşmüş
olduğu ve tümüyle amorf başlangıç malzemesinden kristalin
struvite’a dönüşümün sergilenmesi oldukça ilginçtir.
Çalışmanın bu bölümü, amorf struvite-nitelikli tozların
amonyak içeren çözeltilerden amonyak toplamak için
kullanılabileceğini, amonyak toplamış biyomalzemenin de
kolayca 200°C’de ısıtılarak “regenerate” edilebileceğini ve
amonyak
toplama
yetisine
böylece
yeniden
kavuşturulabileceğini göstermektedir.
Çalışmamızın son bölümünde ise, üretilen struvite tozlarının
nasıl 36.5°C’de, 72 saat içinde, insan kan plazması ile aynı
Na+ (142 mM) ve K+ (5 mM) iyon konsantrasyonlarına sahip
çözeltilerde, karıştırılma gereksinimi dahi olmadan, cam
şişeler içinde, insan kemik mineraline dönüşeceği literatürde
ilk kez olarak gösterilmiştir (Şekil-6). Bu durum, struvite’in
oldukça yüksek olan pKSP (9.4-9.9) değerinden [4, 6]
kaynaklanıyor. Bu deneysel sonuç ister istemez akla şu
soruyu getirmektedir: acaba idrar yollarında amonyak ortaya
çıkmasını sağlayan bakterilerin bu etkinlikleri tedavi ile
Şekil-4: 200°C’de ısıtılmış struvite’ın XRD ve FTIR verileri
Şekil-5: Oda sıcaklığında, suda, amorf’tan başlayıp yeniden
kristalin struvite’a dönüştürülebilme yetisi; XRD verileri
Şekil-6: Struvite’ın insan kemik mineraline dönüşümü;
(üst) XRD verisi, (alt) FTIR verisi
sonlandırılırsa, hala idrar yolunda veya böbrekte geriye
kalacak olan struvite taşı orada struvite olarak mı kalacak,
yoksa neredeyse günlerle ölçülecek bir süre içinde kan
plazmasının kendisini sürekli olarak ıslatması ile apatitik
kalsiyum fosfata mı (yani, insan kemik minerali olarak
bilinen Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x) dönüşecek; amonyum
içeren hiç bir kalsiyum fosfat bileşiği bulunmadığı için?
Acaba insanlarda struvite’ın sadece yüzde 15 oranında
görülmesinin (nihai olarak) nedeni bu olabilir mi? İdrar
sediment örnekleri üzerinde (yani patolojik taş henüz idrar
yollarında veya böbrekte belirli bir kritik büyüklüğe
ulaşmadan idrar ile dışarı atıldığında) gerçekleştirilen FTIR
çalışmalarında, struvite’ın yüzde 15’ten daha yüksek
oranlarda gözlenir olması acaba yalnızca bir rastlantı olabilir
mi [14]? Şekil-6’da gösterilen XRD ve FTIR verileri yeni
doğmuş bir bebeğin kemikleri ile aynı yapıya sahip
görünmektedirler [15].
4. Sonuçlar
Bu çalışmada şu sonuçlar elde edilmiştir:
(1) Önemli bir idrar yolu ve böbrek taşı olan struvite
(MgNH4PO4⋅6H2O) kristalleri oda sıcaklığında (NH4)2HPO4
ve MgCl2⋅6H2O tozları kullanılarak saf su içinde, hiç bir pH
kontrolüne gerek duyulmadan kolayca üretilebilmektedir,
(2) struvite kristalleri çok benzer bir biçimde, yine oda
sıcaklığında, DMEM hücre kültürü çözeltilerinin anorganik
tuz kısmına benzer iyon konsantrasyonlarında hazırlanan
çözeltiler içinde de elde edilebilmektedir,
(3) 200°C’de bir ile üç saat arasında hava atmosferinde
ısıtılmış ve amorf yapıya düşmüş struvite kristalleri, içinde
çok az amonyak bulunan saf su çözeltilerinde, kapalı cam
şişeler içinde oda sıcaklığında, karıştırıldıktan sonra yeniden
kristal yapıya sahip struvite’a geri dönmektedirler,
(4) yüksek kristaliniteye sahip struvite kristalleri, 5 mM K+,
142 mM Na+ ve 50 mM Ca2+ iyonları içeren, ama yüksek
miktarda kalsiyum barındıran insan kan plazması benzeri subazlı çözeltilerde, kapalı cam şişelerde durağan olarak,
36.5°C’de 72 saat bekletilmelerinin ardından insan kemik
minerali olan apatitik kalsiyum fosfata dönüşmektedirler.
5. Kaynakça
[1] C. A. Buffington, “Effects of diet on the feline struvite
urolithiasis syndrome,” Ph. D. Thesis, University of
California-Davis, 1988.
[2] K. N. Ohlinger, “Struvite controls in anaerobic digestion
and post-digestion wastewater treatment processes,” Ph.
D. Thesis, University of California-Davis, 1999.
[3] M. K. P. T. Somathilake, “Clogging due to struvite
formation in leachate recirculation pipes of bioreactor
landfills,” M. Sc. Thesis, University of Calgary, 2009.
[4] I. H. Bhuiyan, “Investigation into struvite solubility,
growth and dissolution kinetics in the context of
phosphorus recovery from wastewater,” Ph. D. Thesis,
University of British Columbia, 2007.
[5] F. Abbona, H. E. Lundager-Madsen, and R. Boistelle,
“Crystallization of two magnesium phosphates, struvite
and newberyite: Effect of pH and concentration,” J.
Cryst. Growth, vol. 57, pp. 6-14, 1982.
[6] J. D. Doyle and S. A. Parsons, “Struvite formation, control
and recovery,” Water Research, vol. 36, pp. 3925-3940,
2002.
[7] A. K. Sarkar, “Hydration/dehydration characteristics of
struvite and dittmarite pertaining to magnesium
ammonium phosphate cement systems,” J. Mater. Sci.,
vol. 26, pp. 2514-2518, 1991.
[8] L. Clapham, R. J. C. McLean, J. C. Nickel, J. Downey, and
J. W. Costerton, “The influence of bacteria on struvite
crystal habit and its importance in urinary stone
formation,” J. Cryst. Growth, vol. 104, pp. 475-484,
1990.
[9] J. Prywer and A. Torzewska, “Bacterially induced struvite
growth from synthetic urine: Experimental and
theoretical characterization of crystal morphology,”
Cryst. Growth Design, vol. 9, pp. 3538-3543, 2009.
[10] G. Kurtuluş, “Struvite (MgNH4PO4⋅6H2O): Synthesis,
stability and hydrothermal conversion,” BME 492,
Graduation Project Thesis, (Supervisor: A. C. Taş), Dept.
of Biomedical Engineering, Yeditepe University,
İstanbul, 2009.
[11] A. C. Taş, “Monetite (CaHPO4) synthesis in ethanol at
room temperature,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 92, pp.
2907-2912, 2009.
[12] N. C. Bouropoulos and P. G. Koutsoukos, “Spontaneous
precipitation of struvite from aqueous solutions,” J.
Cryst. Growth, vol. 213, pp. 381-388, 2000.
[13] A. N. Kofina, M. G. Lioliou, and P. G. Koutsoukos,
“Controlled precipitation of sparingly soluble phosphate
salts using enzymes. II. Precipitation of struvite,” Cryst.
Growth Design, vol. 9, pp. 4642-4652, 2009.
[14] M. Daudon, C. Marfisi, B. Lacour, and C. Bader,
“Investigation of urinary crystals by Fourier-transform
infrared spectroscopy,” Clin. Chem., vol. 37, pp. 83-87,
1991.
[15] M. C. Dalconi, C. Meneghini, S. Nuzzo, R. Wenk, and S.
Mobilio, “Structure of bioapatite in human foetal bones:
An x-ray diffraction study,” Nucl. Instrum. Meth. B, vol.
200, pp. 406-410, 2003.