Geri Dön

Fate and effects of engineered nanoparticles in theenvironment and new approaches for their risk assessment

Çevredeki nanopartiküllerin akibet ve etki değerlendirmesi ve risk değerlendirmesi için yeni yaklaşımlar

PDF İndir

  1. Tez No: 780498
  2. Yazar: EMEL TOPUZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NİCO VAN STRAALEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Vrije Universiteit Amsterdam
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 270

Özet

Modern çağın gereklilikleri ile birlikte hızla değişen ve gelişen teknoloji, günlük hayatta kullanılan ürünlere ihtiyaç duyulan işlevlerin kazandırılması amacıyla farklı malzemelerin üretilmesine neden olmuştur. Bu malzemeler, kullanıldıkları ürünlerin hayat döngüleri içerisinde çeşitli yollarla çevresel ortamlara girmeye başlamış ve çevre için“öncelikli kirleticiler”adı altında, çevredeki davranışları ve çevreye olan etkileri tam olarak bilinmeyen, yeni bir kirletici gurubu oluşmasına neden olmuştur. Son on yıldır üretilmeye başlanan ve kullanımı oldukça hızlı artan nanopartiküller de, bu grupta yer almakla birlikte, gerek yüzey alanını oldukça büyüten nano boyutları ve gerekse çeşitli işlevler kazandırılmak amacıyla herbiri değişik özelliklerde üretilen oldukça geniş ürün yelpazesiyle çevreye etki bakımından diğer öncelikli kirleticilerden de ayrılmaktadır. Bu nedenle, nanopartiküllerin kullanımı ile ilgili çevresel risk değerlendirmesi ihtiyacı gündeme gelmiş olup farklı özelliklerinden dolayı alternatif yöntemlerin geliştirilmesi de gerekmektedir. Bu doktora tezinin amacı nanopartiküller için, çevresel riske katkısı olabilecek tüm faktörlerin değerlendirilmesini sağlayan, belirsizlikleri en aza indirgeyen, sayısallaştırılmış risk sonuçları ile gelecekteki çalışmalar için araştırma konularını ve risk yönetimi stratejilerini ortaya koyabilen bir çevresel risk değerlendirme yaklaşımı önermek ve önerilen yaklaşım için gerekli olan veri ve bilgi birikiminin kısmen oluşturulmasını sağlamaktır. Bu çalışmanın uygulanması için, tüketici ürünlerinde oldukça yaygın olarak kullanılmasından dolayı, Gümüş (Ag) ve titanyum dioksit (TiO2) nanopartiküller, model nanopartiküller olarak seçilmiştir. Nanopartiküllerin ürünlerdeki stabilizasyonunu sağlamak amacıyla kaplama malzemeleri ile yüzeyleri kaplanmaktadır. Bu çalışma kapsamında, kaplama malzemelerinin çevresel risk bakımından etkilerini koymak üzere iki farklı Ag nanopartikül, sitrat (Cit) ve polyvinyl pyrrolidone (PVP) kaplı, kullanılmıştır. Önerilecek olan çevresel risk değerlendirme yaklaşımı için gerekli olan, ancak literatürde eksik olan veri ve bilgilerin oluşturulabilmesi için, çalışmanın ana amacı dahilinde dört farklı amaç belirlenmiştir. Bölüm 2 kapsamında, yüzeysel sularda yaygın olarak bulunan anyonlar, katyonlar, doğal organik madderler (humik asit ve fulvic asit) ve sentetik organik maddeler (sodyum dodesil sülfat ve etoksilat) seçilmiş ve bu maddelerin çevresel ortamları temsil edici konsantrasyonlarda hazırlanan sentetik çözeltilerine Ag ve TiO2 nanopartiküller ilave edilerek, bu maddelerin aglomerasyon üzerindeki etkileri tespit edilmiştir. Aglomerasyon karakterizasyonu, partikül çaplarındaki değişim dikkate alınarak yapılmış olup ölçümler için Dinamik Işık Dağıtıcı (DLS) ve Nanosight (NTA) kullanılmıştır. Daha sonra, bu parametrelerin tüm farklı kombinasyonları ile çevresel koşullara uygun konsantrasyonlarda hazırlanan sentetik çözelilere Ag ve TiO2 nanopartiküller ilave edilmiş ve elde edilen sonuçlar, bu parametrelerin tekil olarak bulunduğu çözeltilerde elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak, aglomerasyon prosesine en çok etki eden parametreler, Ca2+/Mg2+ ve çözünmüş organik karbon konsantrasyonları, olarak belirlenmiştir. Tüm aglomerasyon çalışmaları 1 saat, 1 gün ve 1 haftalık zaman dilimleri için gerçekleştirilmiş olup, özellikle sitrat kaplı Ag ve Ti02 nanopartiküllerin aglomerasyonunun zamanla artabileceği gözlenmiştir. Elde edilen tüm sonuçların analizi ile nanopartiküllerin çevredeki akibeti ve çevreye olan etkileri kapsamındaki çeşitli çalışmalarda, yüzeysel suları temsil edici olarak kullanılabilecek“sentetik yüzeysel su ortamı”önerilmiştir. Bölüm 3 kapsamında, bir önceki bölümde tespit edilen parametrelerin nanopartiküllerin boyutlarındaki değişimi ile olan korelasyonlarını tespit etmek üzere, farklı aralıklarda Ca2+/Mg2+ ve çözünmüş organik karbon konsantrasyonları içerecek şekilde numune alma noktası seçilmiştir. Çevresel koşulları temsil edici olabilmesi için, süzülmüş numunelerde yapılan deneylere ek olarak, süzülmemiş numunelerde de aglomerasyon deneyleri yapılmıştır. Aglomerasyon karakterizasyonu bir önceki bölümde açıklandığı şekilde yapılmıştır. Sitrat kaplı Ag nanopartiküllerin aglomerasyonu ile, Ca2+ konsantrasyonu arasında oldukça güçlü bir ilişki tespit edilmiştir. Ancak, çözünmüş organik karbon içeriği, belirli konsantrasyon aralıklarında, bu korelasyondan küçük sapmalar yaşanmasına neden olmuştur. PVP kaplı Ag nanopartiküller ise, numunenin kimyasal içeriğinden bağımsız olarak, tüm numunelerde başlangıçtaki orijinal boyutlarını korumuştur. TiO2 nanopartiküller ise, numunelerin çoğunda 1 hafta sonra, mikrometre seviyelerine kadar aglomere olmuştur. TiO2 nanopartiküllerinin aglomerasyonunun Ca2+ konsantrasyonu ile olan korelasyonu, sitrat kaplı Ag nanopartiküllerinkine göre, daha zayıf olmuştur. Ancak, yanlızca çözünmüş organik karbon içeriği 2 mg/L değerinin üzerinde olan numuneler dikkate alındığında, korelasyon oldukça artmıştır. Hatta, çözünmüş organik karbonun TiO2 nanopartiküllerinin stabilizasyonu üzerindeki etkisi 1 gün içerisinde daha da belirgin hale gelmiştir. Tüm numuneler ultrafiltrasyon ile moleküler ağırlık bazında fraksiyonlarına (10 kDa and 1 kDa) ayrılmış ve her fraksiyonda aglomerasyon çalışmaları yürütülmüştür. 10 kDa altındaki organik maddeleri içeren numunelerdeki aglomerasyon, süzülmemiş numunelerdeki aglomerasyondan oldukça fazla gerçekleşmiştir. Bulunan korelasyonlar dikkate alınarak, model nanopartiküllerin aglomerasyonu için yüzeysel sulara ait bir sınıflandırma şeması önerilmiştir. Bölüm 5 kapsamında, Enchytraeus crypticus tarafından gerçekleştirilen Ag nanopartikül ve AgNO3 tüketimi 10 gün boyunca takip edilmiştir. Elzem elementleri içeren bir çözelti, inert bir kum ortamına ilave edilmiş ve bu ortamda, E. crypticus farklı konsantrasyon seviyelerindeki Ag nanopartiküllere farklı sürelerde (2,3,5,7,10 gün) maruz bırakılmıştır. Her zaman dilimi sonunda yaşayan E. crypticus sayılmış, kum, çözelti fazı ve yaşayan organizmalar içinde Ag ölçümü yapılmıştır. Tüm nanopartiküller için LC50 zamanla azalmış ve 7 gün sonunda durağan koşullara gelmiştir. Ancak, organizmaların bünyesinde ölçülen Ag konsantrasyonları dikkate alınarak yapılan hesaplamalarda elde edilen LC50 değerleri zamanla sabit kalmış ve zamandan bağımsız olması nedeniyle toksisite bakımından daha temsil edici olabileceği görülmüştür. E. crypticus , üç farklı standart toprak içerisinde Ag nanopartikül ve Ag iyonlarına maruz bırakılmıştır. Yaşamsal ve üretimsel toksisite,“ISO (2004) 16387 Guideline”kullanılarak test edilmiştir. Ag nanopartiküllerin yaşam üzerindeki toksik etkileri 500 mg Ag/kg kuru toprak kadar yüksek kontrasyonlarda gözlenirken, Ag iyonları daha çok toksik etki göstermiştir. Çoğalmayla ilgili toksisitenin, yaşamsal toksisiteden daha hassas olduğu tespit edilmiş ve Ag nanopartiküller ile Ag iyonları arasında toksik etki bakımından farklılık gözlenmemiştir. Toksisite, organik madde içeriği yüksek olan topraklarda düşük iken, farklı pH değerlerinden dolayı toksisiteler arasında anlamlı bir fark gözlenmemiştir. Nanopartiküller için, Analitik Hiyerarşi Proses (AHP) ve bulanık çıkarım modelleri kullanılarak bir çevresel risk değerlendirme yaklaşımı önerilmiştir. Nanopartiküllerin çevresel riskleri; çevrede bulunma durumlarına, organizmaların nanopartiküllere maruz kalma potensiyellerine ve organizmalar üzerinde gözlenen toksisk etkilerine bağlı olarak değerlendirilmiştir. AHP prensipleri gereği, bunlara etki eden alt faktörler sistematik olarak belirlenmiş ve karşılaştırılabilen faktörlerin aynı seviyeye yerleştirilmeleri dikkate alınarak hiyerarşik yapı oluşturulmuştur. Hiyerarşideki faktörlerin, riske olan katkılarını değerlendirmek üzere bir bulanık ölçek önerilmiştir. Bu faktörler, çevresel risk bakımından önemlerini belirlemek üzere matrislerle karşılatırılmış ve sayısal önem dereceleri elde edilmiştir. Uzman görüşleri kullanılarak, bulanık çıkarım kural kümeleri sayesinde risk sayısallaştırılmış ve sınıflandırılmıştır. Uygulanan 3 farklı senaryo göstermiştir ki bu yöntem risk hakkında daha bilgilendirici sonuçlar sağlamaktadır, çünkü ele alınan durumun risk yönetimi için startejiler öneren risk sınıflarındaki yeri belirlenmiştir. Ayrıca, önem dereceleri gelecekteki nanopartikül çalışamalarının yönlendirilmesine ve riskin düşürülmesi için hangi faktörler üzerine eğilmek gerektiğine ilişkin ipuçları da sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Considering the needs for the Environmental Risk Assessment (ERA) of Engineered Nanoparticles (ENPs), the main aim of this PhD study is to propose an ERA approach for ENPs that enables evaluating all representative factors for the risk, provides tools for reducing uncertainties and points out further research needs and risk management strategies with quantitative risk communication. Silver nanoparticles (AgNPs) and TiO2 NP were chosen as model ENPs due to their common usage in consumer products. Two different AgNPs, with citrate and PVP coating, were used to compare the effects of coating material. In the context of this main aim, the following objectives were studied to generate data or knowledge for the proposed ERA: 1) to determine in a systematic manner the most relevant water chemistry parameters for the agglomeration of model ENPs, which is the key fate process for the fate of ENPs 2) to classify the aquatic environment based on the relevant water chemistry parameters for agglomeration by considering the possible temporal changes according to the results of ENP agglomeration behavior in natural water samples 3) to evaluate the toxicokinetics and toxicodynamics of AgNPs in E. crypticus by investigating the relation between uptake and effects and 4) to determine the survival and reproductive toxicity of AgNPs to E. crypticus and the relation between toxicity and soil organic matter content and pH of the soil. In the context of Chapter 2, selected anions, cations, natural organic matter (humic acid and fulvic acid) and synthetic organic compounds (sodium dodecyl sulphate and ethoxylates) that were commonly observed in surface water were tested for their effects on ENP agglomeration under environmentally realistic conditions. ENP agglomeration was characterized using the change in size as measured using dynamic light scattering and Nanosight Nanotrack. Then, the combinations of ions and natural organic matters were evaluated in terms of agglomeration behavior to compare with the specific effects and most related parameters with the agglomeration of selected compounds were determined as Ca2+/Mg2+ and dissolved organic matter concentrations in the aquatic medium. All of the agglomeration studies were conducted for 1 hour, 1 day and 1 week to assess ENP agglomeration changes over time depending on the type of ENP. A surface water simulated media in terms of agglomeration was proposed which was validated by comparison with natural surface water samples. Based on the results of Chapter 2, six surface water and three wastewater treatment plants were selected with different Ca2+/Mg2+ and dissolved organic matter concentrations to determine its effect on the change in ENP size. ENP agglomeration experiments were conducted in unfiltered and filtered samples to have environmentally realistic conditions. Agglomeration of citrate-coated AgNPs correlated well with Ca2+ concentration. However, dissolved organic carbon led to deviations at a certain concentration range. PVP-coated AgNPs were stable at their original size regardless of water chemistry. TiO2 NPs agglomerated up to micrometer scale in most of the water samples after 1 week. Correlation of their agglomeration behavior with Ca2+ concentration was weaker than that of citrate-coated AgNPs. However, the correlation improved when dissolved organic carbon content was higher than 2 mg/L. The effect of dissolved organic carbon on the stabilization of TiO2 NPs was more pronounced after 1 day. Fractionation of the samples based on molecular weight of the organic matter using ultrafiltration showed that agglomeration was much more pronounced for the fraction below 10 kDa than for unfiltered samples. Based on the correlations found, a classification scheme for the agglomeration of model ENPs in water over time was proposed. The uptake of AgNPs and AgNO3 in E. crypticus was followed for 10 days. A background solution with essential elements was spiked to inert quartz sand to prepare the exposure medium. E. crypticus were exposed to AgNPs at different dose levels for different times (2,3,5,7,10 days). Survival of E. crypticus was determined, and sand, filtered sand solution and E. crypticus were analyzed for total Ag. Ag mostly adsorbed to the sand, with strongest sorption found for ionic Ag and PVPcoated AgNPs. Citrate-coated AgNPs gave much higher Ag concentrations in the solution than other two Ag compounds. However, the LC50 was also higher for citrate-coated AgNPs, so it was less toxic. Accumulation of Ag was observed depending on time and external concentration. For all compounds, the LC50 decreased with time and reached steady state after 7 days of exposure. However, LC50 calculated based on internal Ag concentrations in the enchytraeids were constant over time and could be considered more representative of toxicity regardless of time. Survival and reproduction toxicity of AgNPs and AgNO3 to E. crypticus were determined in three different standard soils, namely Lufa 2.2, Lufa 2.3 and Lufa 5M. The standard ISO (2004) guideline 16387 was used for the toxicity tests. Effects on enchytraeid survival were observed at concentrations higher than 500 mg Ag/kg dry soil for the AgNPs, while AgNO3 was more toxic. Reproduction was more sensitive than survival and there was no significant difference in toxicity between AgNPs and AgNO3. Toxicity decreased with increasing soil organic matter content, but not by soil pH. An ERA approach for ENPs was proposed with using analytical hierarchy process (AHP) and fuzzy inference tools. Risk of ENPs were based on the occurrence likelihood (OL), exposure potential (EP) and toxic effects (TE). According to the principles of AHP, sub-factors that are related with OL, EP and TE were determined systematically and a hierarchical structure was developed considering the placing of comparable factors at the same level. A fuzzy scale was proposed to score the factors in the hierarchy using expert judgement. Then overall scores were calculated with a weight-average method and converted to standard trapezoidal numbers. Fuzzy sets corresponding to the overall scores were determined using the proposed scoring scale. OL, EP and TE were combined with a fuzzy inference rule base using expert judgement to obtain the risk magnitude and the risk class based on the scale proposed. Three case studies were analyzed to demonstrate the applicability of the method. The case studies showed that this approach can provide more informative results since it gives the risk class which helps identifying the required risk management strategy. Moreover, the priority weights of the factors may give a clue about research needs or may help identifying which factor should be focused on to reduce the risk.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    398027

    Fate and effects of engineered nanoparticles in the environment and new approaches for their risk assessment

    Nanopartiküllerin çevredeki davranış ve etkileri ile risk değerlendirmesi için yeni yaklaşımlar

    EMEL TOPUZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLHAN TALINLI

    PROF. DR. NICO VAN STRAALEN

  2. Tez No

    335780

    Determination of nanotoxicological effects of silver (Ag0) and aluminium (Al0) nanoparticles on microbial community structure in activated sludge

    Gümüş (Ag0) ve aluminyum (Al0) nanoparçacıklarının aktif çamurdaki mikrobiyal yapıya olan nanotoksikolojik etkilerinin belirlenmesi

    ELİF BUKET PARLAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU

  3. Tez No

    807213

    The fate and behaviour of nano-ZnO in conventional and bioreactor landfills

    Konvansiyonel ve anaerobik biyoreaktör düzenli depo sahalarında nano-ZnO'in taşınımı ve etkileri

    İLKNUR TEMİZEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Çevre MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Çevre Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGUT TÜZÜN ONAY

  4. Tez No

    706489

    Fate and effects of polyethylene terephthalate (PET) microplastics during anaerobic digestion of disintegrated sludge

    Polietilen tereftalat (PET) mikroplastiklerin dezentegrasyon uygulanmış arıtma çamurlarının anaerobik çürütme süreçlerindeki etkileri ve bu süreçlerdeki akıbeti

    MAKBULE DİLARA HATİNOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FAİKA DİLEK SANİN

  5. Tez No

    323732

    Occurrence, fate and effects of pharmaceuticals and hormones in aquatic environment

    Sucul ortamlarda ilaç ve hormonların saptanması, davranış ve etkileri

    EGEMEN AYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLHAN TALINLI

Geri Dön