Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 807315
  2. Yazar: MELİS SERCAN AKKOCA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 185

Özet

Steroid Olmayan Antienflamatuvar İlaçlar (NSAIDs), ağrı ve iltihap tedavisinde kullanılan ilaçlardır. Kullanım sonucunda ortaya çıkan atık kalıntıları su kaynaklarını kirletebilir. Bu kirleticilerin temel sorunu, atık su arıtma tesislerinde yeterince arıtılamamaları ve doğaya karışmalarıdır. Son yıllarda NSAID'lerin su ortamlarında kritik seviyelerde bulunması ve uzun vadeli etkileri üzerine yapılan çalışmalar artmıştır. Bu kirleticilerin çevresel etkileri tam olarak anlaşılamamıştır ve bu durum endişe yaratmaktadır. Bu nedenle, bazı NSAID'ler Avrupa Komisyonu tarafından başlatılan Su Çerçeve Direktifi Mart 2015'te yayınlanan 2015/495/EU Kararına İlişkin İzleme Listesinde yer almaktadır. Bu izleme listesi, bu kirleticilerin su ortamına verdiği zararları önlemek için tedbirlerin belirlenmesi amacıyla oluşturulmuştur. Mikrokirleticilerin arıtımı için yüksek maliyetli ileri teknoloji atıksu arıtma tesislerinin yerine düşük maliyetli ve konvansiyonel sistemlere uyarlanabilir mikroorganizmaların aktivitelerinden yararlanma fikri önemlidir. Aktif çamur bazlı arıtma prosesleri, mikrokirleticileri kısmen uzaklaştırabilme potansiyeline sahiptir, ancak hangi mikroorganizmaların etkin rol oynadığı konusunda yetersiz bilgi vardır. Ayrıca, mikrokirleticilerin biyolojik arıtımı için uygun çamur yaşının belirlenmesi için yeterli çalışmalar yapılmamıştır. Aktif çamur mikrobiyal toplulukları, atıksuda bulunan farklı kimyasallara bağlı olarak değişebilir ve bu da sistemin performansını olumsuz etkileyebilir. Bu çalışmada, 6 tane antienflamatuvar yapıdaki ilacın (diklofenak, ibuprofen, ketoprofen, naproksen, indometasin ve mefenamik asit) karışımı aktif çamur sistemlerine beslenmesi neticesinde mikrobiyal popülasyon ve kompozisyon üzerindeki etkisi, ileri moleküler biyoteknoloji ve biyoinformatik araçlar kullanılarak incelenmiştir. Bu çalışma (i) seçilen NSAID'lerin karışımının aktif çamur sistemlerindeki arıtılabilirliğine çamur yaşının etkisi, (ii) İstanbul'da yer alan farklı iki ileri atıksu arıtma tesisinin havalandırma havuzundan alınan örneklerin ve 5,10 ve 20 gün çamur yaşlarında işletilen lab ölçekli ardışık kesikli aktif çamur reaktörlerinden alınan örneklerin mikrobiyom analizi ve sonuçların karşılaştırılması, (iii) aktif çamur mikrobiyom analizinde referans veritabanı seçiminin etkisi, (iv) bu NSAID'lerin mikrobiyal popülasyon ve kompoziyon üzerindeki etkisinin biyoinformatik araçlar ve yazılımlar yardımıyla analizi, ve (v) değişen mikrobiyal popülasyonun ve kompozisyonun atıksu ve seçilen NSAID'lerin arıtım verimleriyle ilişkilendirilmesi olmak üzere beş ana başlıktan oluşmaktadır. Laboratuvar ortamında 5,10 ve 20 gün çamur yaşlarında toplam 6 adet ardışık kesikli aktif çamur reaktörü üçü kontrol reaktörü, üçü ise mikrokirletici ilaveli reaktör olarak paralel olarak işletildi. Her çamur yaşı için birbirine paralel olarak işletilmiş birer kontrol ve birer mikrokirletici reaktörü bulunmaktadır. Kontrol reaktörleri, mikrokirleticilerin ilave edilmediği normal şartlarda çalışırken, mikrokirletici ilaveli reaktörler, seçilen NSAID'lerin belli oranlarda karışımının ilave edildiği şartlarda işletilmiştir. Reaktörlerin çalışma performansı askıda katı madde (AKM), uçucu askıda katı madde (UAKM), pH ve çıkış suyundan kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), amonyak (NH4+), nitrit (NO2-) ve nitrat (NO3-) ölçümleriyle düzenli olarak takip edilmiştir. Bu ilaçların altı reaktörün tamamında biyolojik bozunma üzerinde uzun vadeli inhibisyona neden olmadığını göstermiştir. NSAID ilave edilen reaktörlerin KOİ giderim verimlerinde önemli bir değişiklik olmadığı gözlemlenmiştir. Nitrifikasyon verimlerinin ise 5 ve 20 gün çamur yaşındaki mikrokirletici reaktörlerinde, kontrol reaktörlerine göre daha iyi olduğu belirlenmiştir. Biyobozunma sonucunda tüm çamur yaşındaki reaktörlerde 6 NSAID'in giderim verimleri tek tek belirlenmiştir. İbuprofen'in giderim verimi, 5, 10 ve 20 gün süreyle işletilen tüm mikrokirletici reaktörlerinde %99'un üzerinde oldu. Ketoprofen'in giderim verimi, 5 ve 20 gün süreyle işletilen reaktörlerde ortalama %75'in üzerinde gözlemlendi. Naproksen'in giderimi %90'ın üzerindeydi ve en yüksek giderim verimi 20 gün süreyle işletilen reaktörde gözlendi. İndometasin'in giderim verimi tüm mikrokirletici reaktörlerinde %90'ın üzerindeydi. Mefenamik asidin en yüksek giderim verimi 5 gün süreyle işletilen reaktörde gözlendi ve giderim verimi daha uzun süreli çamur yaşlarında azaldı. Diklofenak giderim verimi ise uzun süreli çamur yaşlarında olumsuz etkilendi. Bu çalışma, atık su arıtımında önemli bir rol oynayan aktif çamur içinde mikrobiyal toplulukların çeşitliliğini ve aktivitesini etkileyebilecek mikrokirletici ilaçların etkisini anlamayı amaçlamıştır. Yeni nesil dizileme teknolojisi kullanılarak laboratuvar ölçekli aktif çamur reaktörlerinde altı NSAID'in arıtımında rol oynayan mikrobiyal topluluklar ve bu ilaçların topluluklar üzerindeki olası olumsuz etkileri incelenmiştir. Illumina Miseq platformunda dizilenen veriler, mikrobiyal çeşitliliği analiz etmek için QIIME2 yazılım paketi kullanılarak analiz edilmiştir. NCBI ve SILVA veritabanları karşılaştırılarak NCBI veritabanının tür düzeyinde daha fazla taksonomik bilgi sağladığı belirlenmiştir. NSAID ilavesinin 5 ve 10 gün çamur yaşlı sistemlerde mikrobiyal çeşitliliği etkilediği ve eklenen NSAID'lerin tür düzeyinde zenginliği azalttığı ancak mikrokirletici ilave edilen 20 gün çamur yaşlı sistemde çeşitliliği artırdığı gözlemlenmiştir. Klon kütüphanelerinde gözlenebilen OTU sayıları kontrol ve mikrokirletici ilavesi yapılan reaktörlerden alınınan çamur örnekleri için sırasıyla 5 gün çamur yaşı için 203 ve 145, 10 gün çamur yaşı için 171 ve 106 ve 20 gün çamur yaşı için 100 ve 182 olarak bulunmuştur. Çalışmada, ham çamur, kontrol ve mikrokirletici reaktörlerinde Proteobacteria, Actinobacteria ve Bacteroidetes filumlarının baskın olduğu tespit edilmiştir. 5 gün çamur yaşında NSAID'lerin varlığı, Verrucomicrobia filumunu artırmışken, 10 gün çamur yaşında bu filumun azaldığı görülmüştür. Kontrol reaktöründe ise 20 gün çamur yaşında Verrucomicrobia bulunmamış, ancak NSAID ilavesiyle bu filumun arttığı gözlenmiştir. Mikrokirletici reaktörlerde ise farklı çamur yaşlarında farklı türler baskın hale gelmiştir. Prosthecobacter ve Paracoccus türleri 5 gün çamur yaşında, Chryseobacterium ve Niabella türleri 10 gün çamur yaşında, Niabella ve Parafilimonas türleri ise 20 gün çamur yaşında dominant olarak gözlenmiştir. Bu türlerin varlığı, mikrokirletici reaktörlerinde NSAID'leri parçalama kapasiteleriyle ilişkilendirilebilir. Bunun aksine, NSAID'lerin varlığı, 5 gün çamur yaşı reaktöründe Frigidibacter albus, Prosthecobacter vanneervenii, 10 gün çamur yaşı reaktöründe Thauera terpenica ve 20 gün çamur yaşı reaktöründe Intrasporangium oryzae gibi türlerin %80'den fazlasının yok olmasına sebep olmuştur. Bu türlerin NSAID eklenmesiyle birlikte oluşan yeni koşullara uyum sağlayamadıkları düşünülmektedir. NSAID'lerin varlığında işlevsel gruplarda yer alan bakteri yoğunluklarında da değişimler gözlemlenmiştir. Özellikle 20 gün çamur yaşı reaktöründe NSAID ilavesiyle nitrifikasyon sürecine dahil olan türlerin bolluğunda artış gözlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs) are medications commonly used for pain and inflammation treatment. The residues generated from their use can contaminate water sources. The primary concern regarding these pollutants is their insufficient removal in wastewater treatment plants, leading to their release into the environment. In recent years, studies investigating the presence of NSAIDs in aquatic environments at critical levels and their long term effects have increased. The environmental impacts of these pollutants are not yet fully understood, raising concerns. In March 2015, the Water Framework Directive initiated by the European Commission listed some NSAIDs on the Watch List under Decision 2015/495/EU. The concept of harnessing the activities of adaptable microorganisms in low-cost and conventional systems, instead of expensive advanced wastewater treatment plants, is important for the treatment of micropollutants. Activated sludge based treatment processes have the potential to partially remove micropollutants; however, there is insufficient knowledge regarding which microorganisms play an active role. Furthermore, there have been limited studies on determining the appropriate sludge retention time for the biological treatment of micropollutants. The microbial communities in activated sludge can vary depending on the different chemicals present in the wastewater, which can adversely affect the system's performance. In this study, the impact of a mixture of six NSAIDs (diclofenac, ibuprofen, ketoprofen, naproxen, indomethacin, and mefenamic acid) on microbial population and composition in activated sludge systems was investigated using advanced molecular biotechnology and bioinformatics tools. This study mainly focused on (i) the impact of sludge age (SRT) on the treatability of the selected mixture of NSAIDs in activated sludge systems, (ii) a comparison of the microbiome analysis of samples collected from an advanced wastewater treatment plants in Istanbul and three lab scale sequential batch reactors operated at sludge retention times (SRTs) of 5, 10, and 20 days, (iii) the impact of reference database selection on the analysis of the activated sludge microbiome, (iv) the analysis of the impact of the selected NSAIDs on the microbial population and composition using bioinformatics tools and software, and (v) the correlation of the changing microbial population and composition with the treatment efficiency of the wastewater and selected NSAIDs. In the laboratory scale study, a total of six parallel sequential batch activated sludge reactors were operated with three different SRT: 5, 10, and 20 days. Among these reactors, three served as control reactors, while the remaining three were designated as micropollutant added reactors. Each SRT had a corresponding pair of control and micropollutant added reactors. The control reactors were operated under normal conditions without the addition of micropollutants, while the micropollutant added reactors were operated with the addition of a specific mixture of selected NSAIDs in predetermined proportions. The operating performance of the reactors was monitored regularly by measuring various parameters including suspended solids (SS), volatile suspended solids (VSS), pH in the reactor and chemical oxygen demans (COD), ammonia (NH4+), nitrite (NO2-) and nitrate (NO3-) in the effluent. The result of these analysis showed that these chemicals did not have a long term inhibitory effect on biological degradation in all six reactors. There was no significant change in COD removal efficiency in reactors where NSAIDs were added. The nitrification efficiencies were found to be better in the micropollutant added reactors with sludge retention times of 5 and 20 days compared to the control reactors. The removal efficiencies of the six NSAIDs were individually determined in all sludge retention time reactors. Ibuprofen exhibited removal efficiencies exceeding 99% in all micropollutant added reactors operated for 5, 10, and 20 days. Ketoprofen showed average removal efficiencies above 75% in reactors operated for 5 and 20 days. Naproxen had removal efficiency above 90%, with the highest removal efficiency observed in the reactor operated for 20 days. Indomethacin exhibited removal efficiencies above 90% in all micropollutant added reactors. Mefenamic acid had the highest removal efficiency observed in the reactor operated for 5 days, but its removal efficiency decreased in reactors with longer sludge retention times. Diclofenac removal efficiency was adversely affected in reactors with longer sludge retention times. This study aimed to understand the impact of micropollutants on the diversity and activity of microbial communities within activated sludge, which play a crucial role in wastewater treatment. Using next generation sequencing technology, the microbial communities involved in the degradation of six NSAIDs were investigated in laboratory scale activated sludge reactors, along with the potential adverse effects of these drugs on the communities. The sequenced data obtained from the Illumina MiSeq platform were analyzed using the QIIME2 software package to assess microbial diversity. A comparison between the NCBI and SILVA databases revealed that the NCBI database provided more taxonomic information at the species level. The addition of NSAIDs was found to affect microbial diversity in the 5 and 10 day sludge retention time systems, reducing species richness at the taxonomic level. However, in the micropollutant added 20 day sludge retention time system, an increase in diversity was observed. The observed operational taxonomic unit (OTU) numbers in the clone libraries for the sludge samples collected from the control and micropollutant added reactors were 203 and 145 for 5 day sludge retention time, 171 and 106 for 10 days sludge retention time, and 100 and 182 for 20 days sludge retention time, respectively. In this study, it was determined that Proteobacteria, Actinobacteria, and Bacteroidetes phyla were dominant in raw sludge, control, and micropollutant added reactors. The presence of NSAIDs at a sludge retention time of 5 days increased the abundance of the Verrucomicrobia phylum, while it decreased at a sludge retention time of 10 days. In the control reactor, Verrucomicrobia was not detected at a sludge retention time of 20 days, but its abundance increased with the addition of NSAIDs. In the micropollutant added reactors, different species became dominant at different sludge retention times. Prosthecobacter and Paracoccus species were dominant at a sludge retention time of 5 days, Chryseobacterium and Niabella species at a sludge retention time of 10 days, and Niabella and Parafilimonas species at a sludge retention time of 20 days. The presence of these species can be associated with their capacity to degrade NSAIDs in the micropollutant added reactors. In contrast, the presence of NSAIDs led to the disappearance of more than 80% of species such as Frigidibacter albus and Prosthecobacter vanneervenii in the reactor with a sludge retention time of 5 days, Thauera terpenica in the reactor with a sludge retention time of 10 days, and Intrasporangium oryzae in the reactor with a sludge retention time of 20 days. These species were unable to adapt to the new conditions created by the addition of NSAIDs. Changes in bacterial abundance in functional groups were also observed in the presence of NSAIDs. Specifically, an increase in the abundance of species involved in the nitrification process was observed in the reactor with a sludge retention time of 20 days with NSAID addition.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    467016

    Ülseratif kolit alevlenmesinde blastocystis hominis'in rolü

    Role of blastocystis hominis in acute execarbation of ulcerative colitis

    MEHMET KÖK

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    GastroenterolojiSağlık Bilimleri Üniversitesi

    İç Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYHAN HİLMİ ÇEKİN

  2. Tez No

    165580

    Postnatal gelişim sürecinde sıçan koklear nukleusundaki nöron sayısının fiziksel fraksiyonlama metodu ile belirlenmesi

    Determination of the number of neurons in the rat cochlear nucleus with the physical fractionator method during the postnatal development period

    BÜLENT AYAS

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    MorfolojiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Histoloji ve Embriyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ADNAN KORKMAZ

  3. Tez No

    403437

    Molecular interactions of probiotics with oligosaccharides, plant phenolics, and mucin: Subproteome, adhesion, and protein function analyses

    Başlık çevirisi yok

    HASAN UFUK ÇELEBİOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    BiyoteknolojiTechnical University of Denmark

    Prof. BIRTE SVENSSON

    Prof. MAHER ABOU HACHEM

  4. Tez No

    84374

    Polimer sıvıların P-V-T ve viskoz davranışlarının ilişkilendirilmesi

    Relating the P-V-T and viscous behaviours of polymer liquids

    EBUBEKİR USANMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UĞUR YAHŞİ

  5. Tez No

    777343

    Üniversite öğrencilerinin evlilik tutumları ve yaşam hedeflerinin ilişkilendirilmesi: Manisa Celal Bayar Üniversitesi örneği

    Relating the marriage attitudes and life goals of university youth: The case of Mani̇sa Celal Bayar University

    HİLAL GÜVENÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    SosyolojiManisa Celal Bayar Üniversitesi

    Sosyoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MİNA FURAT

Geri Dön