Micro-climatic, geochemical and microbiological approach to karstic cave ecosystems
Karstik mağara ekosistemlerine mikro-iklimsel, jeokimyasal ve mikrobiyolojik bir yaklaşım
- Tez No: 1018913
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NAZLI OLĞUN KIYAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Mikrobiyoloji, Jeoloji Mühendisliği, Chemistry, Microbiology, Geological Engineering
- Anahtar Kelimeler: Biyojeokimya, Hidrojeokimya, Hidrojeoloji, Jeokimya, Mikrobiyom, Biogeochemical, Hydrogeochemistry, Hydrogeology, Geochemistry, Microbiome
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yer Sistem Bilimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Karstik mağaralar, yeraltı suyu dolaşımı, kayaç–su etkileşimi, mağara havası dinamikleri ve mikrobiyal yaşamın etkileştiği dinamik yeraltı ortamlarıdır. Türkiye, yaygın karst alanları ve farklı jeolojik–iklimsel koşullarıyla mağara araştırmaları için uygun bir doğal ortam sunmaktadır. Karbonat kayaçların çözünmesiyle oluşan bu ekosistemler, karbon, azot, kükürt ve metal döngüleri başta olmak üzere pek çok biyojeokimyasal süreci yönlendiren mikrobiyal topluluklar barındırmaktadır. Güneş ışığından yoksun bu ortamlarda bakteriler, öncelikle kemolitotrofik ve heterotrofik metabolizmalar aracılığıyla yaşamı sürdürmekte; bu süreçlerde karbonat çözünmesi ve çökelimi, nitrifikasyon ve denitrifikasyon, sülfat indirgenmesi ile iz metallerin dönüşümü gibi küresel öneme sahip reaksiyonları katalize etmektedir. Türkiye, yaygın karst alanları ve coğrafi konumunun sağladığı farklı jeolojik–iklimsel koşullarıyla mağara araştırmaları için eşsiz bir doğal laboratuvar ortamı sunmaktadır. Bu tezde, Türkiye'de yer alan üç karstik mağaranın—Çokrağan Mağarası (Uşak), İnsuyu Mağarası (Burdur) ve Sırtlanini Mağarası (Aydın)—mikroiklimsel, jeokimyasal ve mikrobiyolojik özellikleri incelenmiş; litoloji, hidrolojik bağlantılılık, redoks koşulları ve yüzey–yeraltı etkileşimlerinin mağara bakteri topluluklarını nasıl şekillendirdiği değerlendirilmiştir. İncelenen üç mağara, birbirinden farklı speleogenez mekanizmaları, jeolojik ve speleomorfolojik özelliklerine bağlı farklı hidrolojik ve atmosferik özellik göstermeleri nedeniyle seçilmiştir. Çokrağan Mağarası, Menderes Masifi'ne ait ve tektonizma tarafından yoğun biçimde etkilenmiş kireçtaşları içinde gelişmiş, vadoz, epifreatik ve freatik zonları kapsayan çok katlı bir kanallar ağıdır. Mağara, karstik bir akifer sisteminin birincil drenaj kanalı olarak işlev görmekte olup akifer suları daha sonra SP1 karstik kaynağı aracılığıyla yüzeye ulaşmakta ve Uşak şehri için temel tatlı su kaynağını oluşturmaktadır. Çokrağan Mağarası, kanallar akışının hâkim olduğu çözünme sürecine bağlı speleomorfolojik özellikler sergilemektedir. İnsuyu Mağarası ise iki ayrı speleogenez mekanizmasının ürünüdür: birinci bölümde ağ ve sünger labirenti (networkmaze-spongework) morfolojisi, ikinci bölümde ise büyük galerilere ve tabanı kuruyup yeni açığa çıkmış göllere sahip ramiform geçişler görülmektedir. Bu morfoloji, hem Çine Ovası Akiferi ile hidrolik bağlantı aracılığıyla gerçekleşen hızlı sel kaynaklı taban suyu yükselmesiyle hem de üst örtü kayasından gelen homojen gözenekli akışla oluşmuş eş zamanlı çözünme süreçleriyle açıklanmaktadır. Sırtlanini Mağarası ise, üst bitki örtüsünün köklerinin kireçtaşı anakayadan geçerek mağaranın birinci galerisinin tavanına ulaşması nedeniyle karstik mağaraların dünya genelinde nadir rastlanan özel bir örneğini temsil etmektedir. Arazi çalışmaları, sıcak ve soğuk dönemleri temsil edecek şekilde Temmuz 2020 ve Şubat 2021 tarihlerinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmada çoklu veri yaklaşımı uygulanmış; yerinde hava sıcaklığı, bağıl nem ve CO₂ ölçümleri yapılmış, yeraltı suyu, sediment, speleotem, anakaya ve yüzey topraklarında jeokimyasal analizler gerçekleştirilmiş, ayrıca 16S rRNA temelli bakteri topluluk profillemesi biyoinformatik ve istatistiksel analizlerle desteklenmiştir. Çokrağan Mağarası'na ait mikroiklim verileri, yüzey atmosferinde -10,07 °C ile +26,11 °C arasında değişen geniş bir sıcaklık aralığının aksine mağara atmosferinin çok daha dar ve istikrarlı bir aralıkta (6,05–10,5 °C) seyrettiğini ortaya koymaktadır. Bağıl nem, mağara içinde yıl boyunca %94,40–100 düzeyinde kalmaktadır. Yerinde ölçümler, CO₂ konsantrasyonunun vadöz zonun dış girişe yakın kesiminde (CKR1) mevsimsel ters bir örüntü izlediğini; sıcak mevsimde 406 ppm olan değerin kış mevsiminde 425 ppm'e ulaştığını göstermiştir. Buna karşın epifreatik zonda (CKR3) CO₂ en yüksek mevsimsel değişkenliği (834–1435 ppm) sergilemiş; bu durum, zeminin verimli bölümü ile yüzey bağlantısının dinamik etkileşimini yansıtmaktadır. Data logger verileri, vadöz zon mikroikliminin yüzey sıcaklığı mevsimselliğini yaklaşık bir aylık gecikmeyle takip ettiğini; soğuk dönemde mağara havasının dışarıdan içeriye doğru havalandırma akışı nedeniyle yüzeyin altında kaldığını ve sıcak dönemde ise ters yönde aktığını ortaya koymuştur. Freatik zonda hava sıcaklığının yeraltı akarsuyunun su sıcaklığıyla yakından ilişkili olduğu belirlenmiş; bu durum, mağara ikliminin yalnızca havalandırmayla değil, aynı zamanda akifer hidrolojisiyle de şekillendiğine işaret etmektedir. Sırtlanini Mağarası'nda atmosferik CO₂ konsantrasyonu, kullanılan ölçüm cihazının üst tespit sınırı olan 9.999 ppm değerini birinci galeride (G1) tüm mevsimler boyunca aşmıştır. Bu durum, birinci galeride kökler aracılığıyla iletilen organik karbon ile kök solunumunun; ikinci galeride (G2) ise yarasa kolonisinin solunum ve guano ayrışma aktivitesinin sonucudur. Veri kaydedici kayıtları mağara sıcaklığının 16,2–16,8 °C bandında neredeyse sabit kaldığını, buna karşın bağıl nemin %8,9–100 arasında geniş dalgalanmalar sergilediğini ortaya koymuştur. Bu durum, güçlü bir havalandırma rejiminin varlığına işaret etmektedir. İnsuyu Mağarası, incelenen üç mağara arasında en fazla sayıda örnekleme istasyonunu ve en geniş jeokimyasal heterojenliği barındırmaktadır. Mağara atmosferi oldukça nemli ve istikrarlı bir seyir izlemiş; veri kaydedici kayıtlarında sıcaklık 13,4–14,2 °C arasında kalmıştır. Bağıl nem ise büyük galerilerde mevsimsel dalgalanmalar gösterirken, daha alçak tavanlı geçiş koridorlarında bu değişkenlik yok denecek kadar az olmuştur. CO₂ konsantrasyonu sıcak mevsimde (1.468–1.694 ppm) soğuk mevsimdeki değerlerin (613–750 ppm) yaklaşık iki katına ulaşmış; bu durum, İnsuyu Mağarası'ndaki havalandırmanın yönlü (tek yönlü) olmadığını ve hidrolojik aktivitenin mevsimsel CO₂ birikimine katkıda bulunduğunu düşündürmektedir. Moleküler biyoloji analizler kapsamında toplam 35 örnek analiz edilmiştir. Dizi verilerinin işlenmesi ve kalite filtrelemesi sonrasında 1.453.977 okuma üzerinden 28.677 OTU belirlenmiştir; normalizasyon sonrasında karşılaştırmalar için 73 cins ile ilişkili 212.940 okuma kullanılmıştır. Üç mağara belirgin şekilde farklı çevresel örüntüler sergilemiştir. Çokrağan Mağarası, vadöz, epifreatik ve freatik zonlar boyunca güçlü hidrojeolojik kontrol ve buna eşlik eden güçlü bir mekânsal ve zamansal bakteri topluluk değişimleri ile tanımlanmaktadır. Hidrojeokimyasal olarak yüksek Ca, Mg, Cl ve SO₄ konsantrasyonları ile suda ~73 µg/L'ye ve katı örneklerde >100 mg/kg'a ulaşan kalıcı arsenik zenginleşmesi gözlenmiş; bu durum yeraltı suyu karışımı ve litolojik etkinin göstergesi olarak değerlendirilmiştir. Epifreatik zon (CKR3), yüzey etkisine en az maruz kalan ve oligotrofik koşullara uyum sağlamış bakteri topluluklarıyla en belirgin mikrohabitat olarak öne çıkmaktadır. Bu noktadaki Sphingomonas, Lysobacter ve Polaromonas baskınlığı, Çokrağan'daki en ilkel alanı tanımlayan oligotrofi, azot döngüsü ve soğuğa uyum ile ilgili işlevlere işaret etmektedir. Vadöz zondaki Crossiella baskınlığı ise kondensasyon oluşumunun yoğun yaşandığı alanlarda moonmilk biyomineralizasyonunu kolaylaştıran CO₂ fiksasyonu ile ilişkilendirilmektedir. İnsuyu Mağarası ise Fe–Mn bakımından zengin mikrohabitatlar, siyah çökelimler ve lokal jeokimyasal anomaliler ile güçlü içsel heterojenlik göstermiştir. Özellikle INS7 örneğinde Mn konsantrasyonları>3.200 µg/L'ye ulaşmış; bu istasyonlarda Xanthomonadaceae, Micrococcaceae, Sphingomonas ve Actinobacter ilişkili gruplar belirlenmiştir. INS6'da gözlemlenen Xanthomonadaceae baskınlığı (%29,6 sıcak mevsimde), Lechuguilla Mağarası'ndaki ferromangan birikintilerinde Mn-okside eden bakteri olarak tanımlanan Stenotrophomonas ile doğrudan paralellik kurmaktadır. Buna karşılık Sırtlanini Mağarası, yüzeyle güçlü bağlantı, kök penetrasyonu ve yoğun yarasa kolonisi etkisi altında kalmış; damla sularında yüksek NH₄, NO₃ ve SO₄, sedimentlerde ise Fe, Mn, Al, Ni, Zn ve As zenginleşmesi ile organik madde ayrışması ve kitin bozunumu ile ilişkili mikrobiyal topluluklar gözlenmiştir. Birinci galerinin tavan yüzeyini kaplayan kökler, organik karbon, azot ve iz metallerin mağaraya taşınmasını kolaylaştırmaktadır. Bu durum G1 noktasındaki speleotem ve damla suyu topluluğunun köklerle ilişkili profiline uygundur. Soğuk mevsimde Lactobacillus ve laktik asit bakterilerinin G1 speleoteminde oluşturduğu baskınlık, köklerle mağaraya ulaşan şeker ve amino asitlerin zorunlu heterotroflara besin substratı sağlamasıyla açıklanmaktadır. G1 damla suyundaki Bacteroidetes topluluğu (Flavobacterium, Fluviicola, Taibaiella, Mucilaginibacter), Avrupadaki karstik mağaralarda belgelenen damla suyu ile ilişkili biyofilm bakteriyomları ile uyum içindedir. İkinci galerideki (G2) yarasa guanosu ve kitin, organik karbon ve azotun yıl boyu kesintisiz kaynağı olarak işlev görmekte ve Lysobacter'in hem G2 sedimentlerinde hem de yüzey toprağında (%18 düzeyinde) yıl boyunca hâkim olmasını açıklamaktadır. G2'de sıcak mevsimde Nitrospira ve wb1-A12 gibi taksonlar belirlenmiştir; bu değer, oligotrofik karst ortamlarında bildirilen tipik değerlerin önemli ölçüde üzerindedir ve guanoya bağlı tam amonyak oksidasyonunun (comammox) gerçekleştiğine işaret etmektedir. Üç mağara genelinde baskın bakteri filumları Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes ve Acidobacteria olmuştur. Shannon ve ACE çeşitlilik indisleri mağaralar arasında istatistiksel olarak anlamlı fark göstermemiş; ancak bakteri çeşitliliğinin örnek tipiyle ve bazı durumlarda mevsimle anlamlı şekilde ilişkili olduğu belirlenmiştir. İstasyon bazlı analizler ayrıca, özellikle CKR3, INS7 ve INS8 örneklerinde, bakteri topluluk bileşimlerinin anlamlı şekilde farklılaştığını ve bu durumun mağara kimliğinden çok yerel mikrohabitat koşullarıyla ilişkili olduğunu göstermiştir. Sonuçlar, Türkiye'deki mağara mikrobiyal topluluklarının homojen bir yapı göstermediği; aksine jeoloji, hidroloji, redoksa duyarlı jeokimya ve biyolojik girdilerin etkileşimi ile şekillendiği ortaya konmuştur. Bu çalışma, karstik mağara sistemlerinde mikrobiyal toplulukların bulundukları mikrohabitat koşullarına göre özelleştiğini göstermekte ve mağara mikrobiyolojisinin bütüncül bir çevresel çerçevede değerlendirilmesi gerektiğini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
Karstic caves are dynamic subterranean environments shaped by interactions among groundwater, rock, cave air, and microbial life. With its widespread karst terrains and contrasting geological and climatic settings, Türkiye offers an important natural setting for cave research. This thesis investigates the microclimatic, geochemical, and microbiological characteristics of three karstic caves in Türkiye—Çokrağan Cave (Uşak), İnsuyu Cave (Burdur), and Sırtlanini Cave (Aydın)—to evaluate how lithology, hydrological connectivity, redox conditions, and surface–subsurface interactions shape cave bacterial communities. Field campaigns were conducted in July 2020 and February 2021, representing warm- and cold-season conditions. A multi-proxy approach was applied, including in situ measurements of cave air temperature, relative humidity, and CO₂ concentrations; hydrochemical analyses of groundwater, sediments, speleothems, bedrock, and surface soils; and 16S rRNA-based bacterial community profiling supported by bioinformatic and statistical analyses. In total, 35 samples were analysed, yielding 1,453,977 sequences and 28,677 OTUs. After normalization based on scaled rank sum method (SRS), 212,940 sequences corresponding to 10,767 OTUs and 73 genera were retained for comparative analyses. The three caves exhibited clearly contrasting environmental patterns. Çokrağan Cave was characterized by strong hydrogeological control and vertical zonation across vadose, epiphreatic, and phreatic environments, with corresponding shifts in bacterial composition. Its hydrochemistry was marked by elevated Ca, Mg, Cl, and SO₄ concentrations, together with persistent arsenic enrichment reaching up to ~73 µg/L in water and >100 mg/kg in solid samples, suggesting groundwater mixing and lithological influence. İnsuyu Cave displayed strong internal heterogeneity, including Fe–Mn-rich microhabitats, black deposits, and localized geochemical hotspots. Mn concentrations reached >3,200 µg/L at INS7 and were associated with taxa such as Xanthomonadaceae, Micrococcaceae, Sphingomonadaceae, and Actinobacter-related groups, suggesting mineral-associated microbial communities linked to Fe–Mn cycling. Sırtlanini Cave, in contrast, was strongly influenced by surface connectivity, root penetration, and dense bat colony activity. This cave showed elevated NH₄, NO₃, and SO₄ concentrations in drip waters, enrichment of Fe, Mn, Al, Ni, Zn, and As in sediments, and microbial communities enriched in taxa associated with organic matter turnover, carbonate precipitation, and chitin degradation, including Sphingomonas, Streptomycetaceae, and Lysobacter. Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes, and Acidobacteria were the dominant bacterial phyla across the three caves. Shannon and ACE diversity indices showed no statistically significant differences between caves, but bacterial diversity was significantly associated with sample type and, in some cases, season. Station-based analyses also revealed significant differences in bacterial community composition, particularly at CKR3, INS7, and INS8, indicating that local microhabitat conditions were more influential than cave identity alone. Cave microbial communities were not uniformly structured, but were strongly shaped by the interaction of geology, hydrology, redox-sensitive geochemistry, and biological inputs. This study showed that within karstic cave systems, microbial assemblages become specialized according to their local microhabitat conditions, emphasizing the need to interpret cave microbiology within an integrated environmental framework.
Benzer Tezler
- Sivas-Kangal yöresinde kırsal gelişme ve pazara açılma sürecindeki farklılaşmalar (bir örnek olay incelemesi)
Başlık çevirisi yok
FAHRİ ERCEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
SosyolojiCumhuriyet ÜniversitesiSosyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. VAHAP SAĞ
- Mikro bilgisayarla güç kompanzasyonu
Başlık çevirisi yok
NAFİZ ÜNLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolUludağ ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
- 1,3-difenil-4,5-bis(hidroksiimino)-imidazolidin ve Ni(II), Cu(II), Pd(II), UO2(VI) komplekslerinin sentezi
Başlık çevirisi yok
VEFA AHSEN
Doktora
Türkçe
1984
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZER BEKAROĞLU
- IgM, IgG ve lgA romatoid faktörlerin değişik artritli hasta gruplarında mikro-ELISA test yöntemiyle ölçülmesi
Başlık çevirisi yok
BAHRİYE KEŞ
- Çiğit ve ayçiçek yağlarının doğal antioksidan içerikleri ile bu yağların stabilitelerinin arttırılmaları üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
ALİ KEMAL YALNIZ
Doktora
Türkçe
1985
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHİR ÇOLAKO¦LU