Effect of non steroidal anti-inflamatory drugs on microbial kinetics and population
Steroid yapıda olmayan antienflamatuvar yapıdaki ilaçların mikrobiyal kinetiğe ve populasyona etkisi
- Tez No: 621509
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DİDEM OKUTMAN TAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Farmasotik kimyasalların yaygın tüketimi ve mevcut geleneksel atık su arıtma tesislerinin bu kimyasalları giderimini hedeflememesi neticesindeki yetersiz arıtma nedeniyle özellikle sucul ortamlarda farmasötik kimyasallarla kirlenme konusunda yapılan çalışmalar daha önem kazanmaktadır. Yetersiz giderim alıcı su ortamlarında farmasötik birikimine sebep olarak ekolojik sistemler ve insan sağlığı üzerinde potansiyel olumsuz etki yaratmaktadır. Aktif çamur prosesleri biyolojik atıksu arıtımında, organik ve inorganik madde konsantrasyonunun azaltılması ve alıcı ortama güvenli bir şekilde deşarj edilebilecek kalitede çıkış sularının eldesi için mikroorganizmaların aktivitesinden yararlanır. Ancak, aktif çamur mikrobiyal komüniteleri atıksuya giren farklı kimyasallara karşı dirençli ve aklime değildir ve aktif çamur prosesindeki değişimler mikrobiyal popülasyon ve kompozisyonunda değişikliklere sebep olabilmektedir. Bu değişiklikler zamanla sistemin performans verimliliğini de etkileyebilmektedir. Atıksu arıtma tesislerinde en yoğun olarak tespit edilen farmasötiklerden biri steroidal yapıda olmayan anti-enflamatuar ilaçlardır (NSAID'ler). Bu çalışmada lab ölçekli ardışık kesikli aktif çamur reaktöründe (AKR) ölçümü hedeflenen antienflamatuvar yapıdaki ilaçların (diklofenak, ketoprofen, indometasin ve mefenamik asit, ibuprofen ve naproksen) karışımının aktif çamur sistemlerine beslenmesi neticesinde ortaya çıkabilecek değişiklikler incelenmiştir. Bu çalışma (i) seçilen NSAID'lerin aktif çamur sistemlerindeki aerobik arıtılabilirliği (ii) respirometrik analizler yardımı ile laboratuvar ortamında işletilen aktif çamur üzerindeki potansiyel akut ve kronik toksisiteleri, (iii) respirometrik sonuçların modellemesi neticesinde bu ilaçların aktif çamur kinetiği ve stokiyometrisi üzerindeki etkileri, (iv)ileri moleküler biyoteknoloji ve biyoinformatik araçlar kullanılarak elde edilen mikrobiyal komünitenin yapısında, çeşitliliğinde ve aktivitesindeki değişiklikler olmak üzere dört ana başlıktan oluşmaktadır. Laboratuvar ortamında işletilen ardışık kesikli reaktör çamur yaşı 5 gün olacak şekilde 17 ay süre ile işletilmiştir. Reaktör işletiminde kullanılan aşı çamuru gerçek ölçekte işletilen İstanbul'da yer alan bir ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinin havalandırma havuzundan alınmıştır. Reaktör işletimi iki kademede gerçekleştirilmiş olup; ilk iki ay reaktör kontrol reaktörü olarak işletilmiş ve mikrokirletici ilavesi yapılmadan işletilmiş, sonrasında ise antienflamatuvar yapıdaki ilaçların karışımının eklendiği reaktör (mikrokirletici reaktörü) işletilmiştir. Her iki reaktör işletimi adımında da reaktör verimi pH, askıda katı madde miktarı, çıkış suyundaki kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), çıkış akımındaki askıda katı madde konsantrasyonu, amonyak, nitrat ve nitrit takip edilerek belirlenmiştir. Bunlara ek olarak, çamur adsorpsiyonu ve biyodegradasyonun karşılaştırılabilmesi amacıyla her bir ilacın çamurda ve reaktörlerin çıkış akımındaki konsantrasyonu takip edilmiştir. Aktif çamurun çamur yaşı 5 gün olarak işletilen reaktörde antienflamatuar yapıdaki ilaçların karışımına aklime olması sonucunda organik maddenin biyodegradasyonu ve nitrifikasyon prosesi üzerinde uzun süreli bir inhibitör etki göstermediği gözlemlenmiştir. Reaktörde KOİ giderim verimi üzerinde bir değişiklik tespit edilmezken, nitrifikasyon veriminde mikrokirletici ilavesi yapılan reaktörde iyileşme olduğu gözlemlenmiştir. Çamur akımında yapılan ölçümler neticesinde, adsorpsiyonun en çok indometasinin kimyasalında, en az ise mefenamik asitte olduğu görülmektedir. Fakat çalışılan konsantrasyonlarda adsopsiyonun oldukça düşük seviyede olduğu ve bu kimyasalların su fazında yoğunlukla kaldığı görülmektedir. Sonuçta adsorpsiyon prosesi biyodegradasyon ile kıyaslandığında ihmal edilebilir seviyededir. Reaktörde ortalama olarak biyodegradasyon neticesinde %99.5 ibuprofen, %98.6 naproksen, %88 indometasin, %84 mefenamik asit, %74 ketoprofen, ve %65 diklofenak giderimi elde edilmiştir. NSAID'lerin farklı konsantrasyonlarının aktif çamur üzerindeki akut ve kronik inhibisyon etkisi nitrifikasyon inhibitörünün kullanıldığı ve kullanılmadığı respirometre testleri ile de belirlenmiştir. Genel olarak NSAID'ler test edilen en yüksek konsantrasyon haricinde, oksijen tüketim hızı (OTH) profilinde önemli değişikliğe sebep olmamışlardır. Mikrokirleticilerin en fazla etkisi kronik deneylerde 10 ve 100 μg/L NSAID ekleme yapılan setlerde OTH profillerinde gözlemlenmiştir. Akut OUR profillerinin modellemesi, aktif çamura 10 veya 100 μg/L NSAID eklenmesinin ikinci hidroliz hızının düşmesine sebep olduğunu göstermektedir. 100 μg/L'lik ekleme ile ortamdaki tüm organik madde oksitlenememiş ve yaklaşık %40 oranında KOİ ortamda giderilmeden kalmıştır. Aktif çamur bakteri komünitesinin aktivite ve çeşitlilik karakterizasyonu için ribozomal RNA küçük altbirimi (16S) rRNA geni Illumina dizileme yöntemi kullanılmıştır. Çeşitlilik endeksleri açısından bakteri çeşitliliğinde NSAID eklenmesi ile önemli miktarda azalma olduğunu göstermektedir. Kontrol ve mikrokirletici ilavesi yapılan reaktörlerden alınınan çamur örneklerinin klon kütüphanelerinde gözlenebilen OTU sayıları 227 ve 171 olarak bulunmuştur. Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes ve Firmicutes hem kontrol hem de mikrokirletici gruplarında bulunan dominant filumlardır. Mikrokirletici varlığı, Verrucomicrobia filumunu önemli ölçüde zenginleştirmiştir. Prosthecobacter ve Paracoccus'a ait türlerin mikrokirletici reaktörünü domine etmesi bu türlerin yeni koşullara uyum yeteneklerini ve NSAID'leri parçalama kapasitelerini işaret etmektedir. Bunun aksine NSAID'ler, Paracoccus alkenifer türlerinin %97'den fazlasının, Nocardioides islandensis, Kineosphaera nakaumiensis, Niabella hirudinis, ve Leucobacter komagatae türlerinin tamamının yok olmasına sebep olmuştur. Bu türlerin yok oluşu yeni koşullara uyum sağlayamadıklarını göstermektedir. Bu çalışma kapsamında aynı zamanda fonksiyonel grupların nasıl değişim gösterdiği de araştırılmıştır. Bu kapsamda aşı çamuru, kontrol reaktörü ve mikrokirletici reaktörlerinde türlerin dağılımı analiz edilmiştir. Kemoheterotroflar tüm örneklerin %96'sından fazlasını oluşturmaktadır. Kemoheterotroflar arasında kontrol ve mikrokirletici örneklerinde ham örneklere kıyasla daha fazla aerobik türler bulunmuştur. Aerobik türlerin bu numunelerde daha fazla olması önceki bölümlerde açıklanan baskın türlerle uyumluluk göstermektedir. Anaerobik türlerin kullanılan ham çamur (aşı çamuru) numunesinde baskın olduğu görülmüştür. Anaerobik türler tarafından gerçekleştirilen fumerat ve sülfat solunumuna ek olarak insan gastrointestinal yolunda bulunan farklı türler yalnızca ham numunede bulunmuştur. NSAID'lerin varlığında aynı zamanda aromatik hidrokarbon degradasyonundan sorumlu fonksiyonel bir grupta da kaydadeğer bir artış tespit edilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki bu çalışma kapsamında çevresel numunelerde gözlemlenen mikrogram seviyesindeki farmasötiklerin konsantrasyonları bile aktif çamur mikrobiyal komünitesinin kinetiği, çeşitliliği ve yapısı üzerinde etkili olmaktadır.
Özet (Çeviri)
Recently, increasing attention has been paid to the contamination of the environment with pharmaceuticals because of their ubiquitous consumption and insufficient removal by the current conventional wastewater treatment plants, leading their accumulation in receiving aquatic bodies posing a potential adverse effect on the ecological system and human health. Biological wastewater treatment with activated sludge process exploits the activity of microorganisms for the reduction of the organic and inorganic matter and production of effluent that can be discharged safely into receiving waters. However, activated sludge microbial communities are not acclimated to different chemicals entering the wastewater, and perturbations in the activated sludge process may cause shifts in the microbial population and composition, and subsequently alter performance efficiency. One of the most frequently detected pharmaceuticals in the environment is the non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs). This study investigated the effects of a mixture of six NSAIDs compounds on the treatability of a lab-scale aerobic sequencing batch reactor (SBR) as well as on the activated sludge microbial community structure, diversity, and kinetics. The SBR was operated at sludge retention time (SRT) of 5 days for 17 months, in which the first 2 months served as a control reactor and the rest included the addition of NSAIDs mixture (MP reactor). The performance of both reactors was monitored in terms of pH, suspended solid content of both sludge and effluent and the concentration of chemical oxygen demand (COD), ammonia, nitrate, and nitrite in the effluent. Moreover, the contribution of sludge adsorption and biodegradation to the removal of each drug in the NSAIDs mixture was evaluated by tracking their concentration in both the sludge phase and the effluent of MP reactor. Control culture feeding with the mixture of NSAIDs resulted in no change in the COD removal efficiency but nitrification process was enhanced. The results showed that the highest drug to be influenced by adsorption was Indomethacin while mefenamic acid was the lowest. However, adsorption effect was negligible when compared with biodegradation that contributed to almost complete removal of ibuprofen (99.5%) and naproxen (98.6%) as well as moderate removal of indomethacin (88%), mefenamic acid (84%), ketoprofen (74%) and diclofenac (65%). Acute and chronic inhibitory effects of different concentrations of NSAIDs on activated sludge were tested with respirometry in the presence and absence of nitrification inhibitor. In general, NSAIDs caused no considerable variation in the oxygen uptake rate (OUR) profiles except for the highest tested concentration. The maximum OUR level was affected by the addition of 10 and 100 μg/L NSADs. Modeling of the acute OUR profiles indicated that amendment of activated sludge culture by 10 or 100 NSAIDs μg/L resulted in a decrease in the rate of the second hydrolysis process. Moreover, as a result of the addition of 100 μg/L all of the organic matter in the medium could not be oxidized and substrate binding was observed. A bacterial ribosomal RNA small subunit (16S) rRNA gene Illumina sequencing approach was used to characterize the diversity and structure of activated sludge bacterial community. Diversity indices suggested a considerable reduction in bacterial diversity by the addition of NSAIDs. Their presence also significantly enriched the phylum Verrucomicrobia. The species belonging to Prosthecobacter and Paracoccus predominated the MP reactor implying their ability to adapt well the new conditions and their potential capacity to degrade NSAIDs. A noticeable increase in aromatic hydrocarbon degradation functional group in the presence of NSAIDs was also detected. The findings revealed that pharmaceuticals even at the environmentally relevant concentrations that is at the microgram level have an impact on the kinetics, diversity and structure of activated sludge microbial community.
Benzer Tezler
- Removal of anti-inflammatory micropollutants in wastewater treatment plants
Anti-enflamatuvar özellikteki mikrokirleticilerin atıksu arıtma tesislerindeki arıtılabilirliği
ESMA DEMİRKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİDEM OKUTMAN TAŞ
- Relating microbiome profiles to removal of non-steroidal anti-inflammatory drugs in sequencing batch reactors along a sludge retention time
Farklı çamur yaşlarında işletilen ardışık kesikli reaktörlerde steroid yapıda olmayan antienflamatuvar yapıdaki ilaçların giderimi ile mikrobiyom profillerinin ilişkisi
MELİS SERCAN AKKOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
- Biyolojik atık su arıtma tesisinde diklofenak'ın mevsimsel giderim veriminin ve laboratuvar ölçekli anoksik arıtılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of seasonal removal efficiency of diclofenac in a biological wastewater treatment plant and biodegradability potential in lab scale anoxic reactors
GAMZE ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİDEM OKUTMAN TAŞ
- Farklı mikrobiyal kaynaklı lipopolisakkaritlerle stimüleedilmiş monosit hücrelerinde selonsertib'in (gs4997)immünyanıta etkisi
Effects of selonsertib (GS4997) on monosite cells with different microbial resources lipopolisakkarites
FATMA GÜNDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Eczacılık ve FarmakolojiAnadolu ÜniversitesiFarmasötik Mikrobiyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZERRİN CANTÜRK
- Biodegradability of Diclofenac under aerobic conditions
Aerobik şartlarda Diklofenak'ın biyolojik arıtılabilirliğinin incelenmesi
HÜLYA CİVELEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI