Geri Dön

Investigation of toxicity of antiviral drugs in the presence of microplastics and their removal through ozonation and LDH-based catalytic ozonation

Antiviral ilaçların zehirliliğinin mikroplastikler varlığında araştırılması, ozonlama ve KÇH-bazlı katalitik ozonlama aracılığıyla giderimleri

PDF İndir

  1. Tez No: 883975
  2. Yazar: NASİM CHAVOSHİ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SERDAR DOĞRUEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: Belirtilmemiş.

Özet

COVID-19 pandemisi sırasında daha önce grip ve HIV'ye karşı kullanılan çeşitli antiviral ilaçlar, yüksek konsantrasyonlarda ve çok sayıda insanın tedavisinde uygulanarak atıksuya karışmaktadır. Hem antivirallerin atıksu arıtma tesislerinde tamamen giderilemeyeceği ve arıtılmış atıksuyun deşarjıyla alıcı ortama verileceği beklendiği hem de atıksuların içinde bulunan SARS-CoV-2 virüsünün insanlarda enfeksiyona yol açıp açmayacağı bilinmediği için arıtılmış atıksuların özellikle tekrar kullanımları öncesinde mutlaka dezenfekte edilmesi gerekmektedir. Plastik maske ve eldiven kullanımındaki artış ise, doğrudan plastik kirliliği oluşturduğu gibi zaman içinde sulardaki ikincil mikroplastik olarak mikroplastik kirliliğine de katkıda bulunmakta ve diğer maddelerin zehirlilik etkilerini artırma yönünde etki göstermektedir. Bu çalışmanın ana amacı, atıksuların tekrar kullanımı açısından yeni bir risk oluşturan COVID-19 ilaçlarının giderimi için uygulanacak olan ozonlama ve katalitik ozonlama proseslerinin optimizasyonu ve bu ilaçların gideriminin hem konsantrasyon hem de ekotoksikolojik etkiler bazında değerlendirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda, ülkemizde kullanılması, atıksu arıtma tesislerinde gideriminin az olması, zehirlilik etkisi göstermesi beklenen konsantrasyonun düşük olması ve hakkında az araştırılma yapılmış olması esas alınarak favipiravir ve oseltavimir çalışılacak antiviral maddeler olarak seçilmiştir. Deneyler, pandemi sebebiyle gerçek atıksu (evsel atıksuya ilişkin biyolojik arıtma çıkışı) numunelerinin temininde yaşanabilecek problem ve oluşabilecek riskler yüzünden seçilen ilaçların farklı konsantrasyonlarıyla hazırlanan biyolojik olarak arıtılmış sentetik atıksu numunelerinde mikroplastik yokluğunda ve varlığında yürütülmüştür. Zehirlilikleri hakkında çok fazla araştırma olmayan, özellikle de dezenfeksiyon proseslerinin üzerilerindeki etkisinin ne olacağı çalışılmamış olan bu antiviral ilaçların zehirliliklerinin nasıl değiştiği ilk kez incelenmiştir. COVID-19 pandemisi sırasında çevrede oluşan mikroplastik kirliliğinin seçilen ilaçların zehirliliğine etkisi, biyolojik olarak arıtılmış sentetik atıksu numunelerine gerçek atıksu numunelerinde beklenen miktarlarda mikroplastik ilavesi yapılarak bilimsel literatüre katkı sağlanması hedeflenmiştir. Ozonlama ve katalitik ozonlama proseslerinin üçüncül arıtma yaklaşımı olarak uygulanabilirliğinin favipiravir ile oseltamivirin biyolojik olarak arıtılmış sentetik atıksu numunelerinden giderilmesi kapsamında değerlendirildiği çalışmanın deney setlerinde, iki farklı favipiravir ve oseltamivir konsantrasyonuna sahip (her bir antiviral ilaç için 500 ng/L ve 50 µg/L) ikincil arıtma çıkış suları kullanılmıştır. Antiviral ilaçların giderimi ve uygulanan proseslerin organik kolektif parametreler (KOİ, ÇOK, UV254) üzerindeki etkisi, üç farklı spesifik ozon dozu (0.2, 0.6 ve 1 mg O3/mg ÇOK) ve iki farklı başlangıç pH değeri (7 ve 10) kullanılarak mikroplastiklerin varlığında (0.1 mg/L) ve yokluğunda değerlendirilmiştir. Ekotoktisite deneylerinin ilki, çevresel zehirlilik etkilerinin incelenmesi için çok yaygın bir şekilde kullanılan Vibrio fischeri eşliğinde yürütülmüştür. Ekotoksilojik testlerin ikincisi ise, atıksuların olası bir tekrar kullanımda toprak ortamında meydana getireceği zehirliliğin belirlenmesi amacıyla Enchytreaus crypticus solucanları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Biyolojik olarak arıtılmış sentetik atıksu numunelerinde uygulanan ozonlama deneyleri sonucunda; ortanca spesifik ozon dozu olan 0.6 mg O3/mg ÇOK, pH 7 ve 10 değerlerinde sırasıyla %5 ve %12 oranında sınırlı bir ÇOK giderim verimi sağlamıştır. Katalitik ozonlama, ozonlamaya oranla ÇOK giderme verimini iyileştirerek incelenen pH koşullarında başlangıç ÇOK konsantrasyonunda %2 ila %4 arasında değişen ilave bir azalmaya yol açmıştır. Düşük mineralizasyon düzeyine rağmen, 0.6 mg O3/mg ÇOK büyüklüğündeki ortanca spesifik ozon dozu eşliğinde yürütülen ozonlama prosesi, KOİ parametresi özelinde %12 ila %19 arasında değişen bir giderme verimi sergileyerek kısmi oksidasyonun baskın bozunma (degradasyon) mekanizması olduğunu ortaya koymuştur. Katalitik ozonlama, ÇOK için gözlemlenen trende benzer şekilde, KOİ gideriminde %15–23 seviyesinde verim sağlamıştır. Ortanca spesifik ozon dozu olan 0.6 mg O3/mg ÇOK ile yapılan ozonlama, UV254 ve SUVA değerlerinde sırasıyla %50–56 ve %47–50 oranında düşüşe neden olarak hidrofobik organik maddelerin daha hidrofilik olanlara dönüşümü ve düşük moleküler ağırlıklı bileşiklerin oluşumu gibi birtakım yapısal değişikliklere işaret etmiştir. Katalitik ozonlama aracılığıyla UV254 ve SUVA gideriminde az miktarda bir iyileşme kaydedilerek sırasıyla %51–60 ve %47–52'ye ulaşan verimler elde edilmiştir. Mikroplastiklerin eklenmesi, organik kolektif parametrelerin (KOİ, ÇOK ve UV254) giderim verimleri üzerinde ihmal edilebilecek düzeyde (≤%4) olumsuz etki meydana getirmiştir. Danecik Boyut Dağılım (DBD)-temelli KOİ fraksiyonasyonu, yalnızca incelenen örnekler için bir parmak izi görevi görmekle kalmamış; aynı zamanda ozonlamanın her bir boyut aralığında ölçülen KOİ içeriğine olan etkisini değerlendirmek için de yararlı bir araç olduğunu kanıtlamıştır. Ozonlamanın ikincil arıtma çıkış suları üzerindeki en belirgin etkisi, danecik boyut spektrumunun ucunda yer alan <2 nm boyut aralığında saptanmıştır. Yüksek antiviral konsantrasyonunda (50 μg /L) yürütülen deneysel çalışmalarda, nötral pH değerinde ve en düşük spesifik ozon dozu olan 0.2 mg O3/mg ÇOK eşliğinde yapılan ozonlama, %84 oranında favipiravir giderimi sağlamıştır; ancak katalizör veya mikroplastiklerin varlığı, giderim veriminin %30 oranında azalmasıyla sonuçlanmıştır. 500 ng/L başlangıç konsantrasyonuna sahip biyolojik olarak arıtılmış sentetik atıksuda favipiravirin bozunumu, spesifik ozon dozu, pH değeri ve mikroplastiklerin varlığı gibi mevcut işletme koşullarının hiçbirinden etkilenmeyerek hem ozonlama hem de katalitik ozonlama proseslerinde %100'e varan bir giderim oranı sağlamıştır. 50 µg/L başlangıç konsantrasyonunda oseltamivirin ozonlanması sırasında, pH değerinin 7'den 10'a yükseltilmesi, uygulanan spesifik ozon dozundan bağımsız olarak giderim verimini %64'ten %85'e çıkarmıştır. Ozonlama prosesine mikroplastiklerin eklenmesi veya nötral pH değerinde katalitik ozonlamanın gerçekleştirilmesi, uygulanan tüm spesifik ozon dozlarında oseltamivirin giderim verimini olumsuz yönde etkilemiştir (%35–40 oranında kötüleşme). Düşük konsantrasyonda (500 ng/L) oseltamivir içeren biyolojik olarak arıtılmış sentetik atıksu üzerinde yürütülen ozonlama ve katalitik ozonlama prosesleri, genellikle %20–40 aralığında değişen ve pH değerine bağımlı olmayan bir giderim sergilemiştir; deneysel veriler, hem mikroplastiklerin hem de katalizörün oseltamivirin giderim verimi üzerinde pratikte bir etkisi olmadığını göstermiştir. Hem mikroplastiklerin varlığında hem de yokluğunda yüksek antiviral konsantrasyonuna sahip biyolojik olarak arıtılmış sentetik atıksu numunesinde yapılan ekotoksilojik testler sonucunda, nötral pH değerinde antiviral ilaçların ozonlanmasının ya da katalitik ozonlanmasının Enchytreaus crypticus solucanlarının üremesi üzerinde herhangi bir toksik etkiye yol açmadığı belirlenmiştir. Enchytreaus crypticus solucanlarının üremesi üzerinde herhangi bir inhibisyon etkisi oluşturmak bir yana, uygulanan ozonlama ve kataltik ozonlama prosesleri sonrasında biyolojik olarak ayrışabilir nitelikli organik ara ürünlerin oluşumu nedeniyle toprak organizmalarının üreme performansında bir artış gözlemlenmiştir. Vibrio fischeri bakterileri kullanılarak yapılan toksisite değerlendirmesi, sentetik atıksuyun ozonlanmış atıksudan daha fazla toksisite sergilediğini göstermiştir. Ozonlanmış atıksuyun katalitik ozonlanmış atıksudan biraz daha yüksek yüksek toksisiteye sahip olduğu saptanmıştır. Adı geçen üç numuneyle karşılaştırıldığında, en düşük toksisiteye distile suda rastlanmıştır. Atıksudaki antiviral ilaçların tekil varlığı, onların bir arada bulunmalarına oranla daha düşük toksisiteye neden olmuştur; bu durum, favipiravir ile oseltavimirin oluşturduğu kombinasyonun sinerjik toksisiteye yol açtığını ortaya koymuştur. Antiviral maddeler ozonlama ve katalitik ozonlama sırasında yüksek konsantrasyonda (50 µg/L) tamamen uzaklaştırılmadığından, gözlemlenen toksisiteye katkıda bulunmaktadırlar. Favipiravir ile oseltavimirin biyolojik olarak arıtılmış atıksuda yüksek konsantrasyonda (50 µg/L) bulunması halinde, incelenen antiviral ilaçlar ozonlama ve katalitik ozonlama sırasında tamamen giderilememeleri nedeniyle gözlemlenen toksisiteye katkıda bulunmuştur. Bu çalışma kapsamında elde edilen deneysel veriler, ozonlama ve katalitik ozonlamanın mevcut atıksu arıtma tesislerini iyileştirmek için uygun seçenekler olabileceğini göstermiştir. Bu prosesler, sadece evsel atıksulardan antiviral salınımını azaltmaya katkıda bulunmakla kalmamış; aynı zamanda arıtılmış atıksuyun tarım alanlarının sulanması için uygunluğunu da önemli ölçüde artırmıştır.

Özet (Çeviri)

Following global outbreaks such as SARS-CoV-2 and influenza, the heightened use of pharmaceuticals to treat infected individuals has led to the presence of antiviral drugs and their metabolites in wastewater at significant levels. Since wastewater treatment plants (WWTPs) are not designed to remove antiviral drugs, these contaminants are discharged into receiving environments without treatment. If these substances are not adequately degraded during wastewater treatment, they could potentially harm human and ecosystem health when released into aquatic systems. To address this concern, tertiary treatment applications have to be employed. In this study, in order to assess the treatability of two commonly used antivirals, Oseltamivir (OSE) and Favipiravir (FAV), advanced oxidation processes, involving ozonation and catalytic ozonation were applied. Additionally, the potential ecotoxicological impacts of treated wastewater effluent were investigated on soil and aquatic environments. Moreover, the efficiency of the applied processes was also explored in the presence of microplastics (MPs). In this study, the concentrations of OSE and FAV were selected based on the occurrence of these antivirals in environment ranging from low (500 ng/L) to high (50 µg/L). A biologically treated synthetic wastewater sample, mirroring a typical domestic effluent, was exposed to ozonation with three different ozone dosages: 0.2, 0.6, and 1 mg O3/mg DOC (dissolved organic carbon) at pH values of pH: 7±0.1 and pH: 10±0.1. The degradation of these compounds was also assessed in the presence of catalyst 0.1 g/L of ZnFe LDH (layered double hydroxide), which is a nanocomposite catalyst. The widely found polyethylene (PE) microplastic (0.1 mg/L) was introduced into samples during the ozonation and catalytic ozonation applications. Antiviral compounds and their corresponding removal rates were assessed using liquid chromatography tandem mass spectroscopy (LC-MS/MS), employing the isotope dilution method. Solid phase extraction was employed to facilitate accurate quantification of antivirals in samples. Finally, to assess the potential reusability of treated wastewater, soil organisms Enchytraeus crypticus and acute organisms Vibrio fischeri were exposed to ozonated and catalytic ozonated samples according to OECD and ISO 11348-3 methods. According to the findings, by evaluating conventional parameters in ozonated and catalytic ozonated effluent samples, it was concluded that both ozonation and catalytic ozonation can effectively decrease the amount of organic matter in wastewater, while MPs had a negligible effect on the wastewater characterization. In this regard, the maximum removal rates in chemical oxygen demand (COD), dissolved organic carbon (DOC), and ultraviolet absorbance at 254 nm (UV254) parameters were achieved by catalytic ozonation at pH 10 with 1 mg O3/mg DOC, reaching approximately 27.2%, 17.7%, and 71%, respectively. Additionally, particle size distribution (PSD) analysis was conducted for non-ozonated and ozonated samples revealed an 11% decrease in the COD fraction within the particle size interval of <2nm, contributing to an overall removal efficiency of 21%. This finding underscores the significance of the soluble fraction (<2nm) in COD removal, constituting 54% of the total COD removed. In the case of antiviral removal, it was observed that in single ozonation and without the presence of MPs, both OSE and FAV showed a removal efficiency of 85% at high antiviral concentrations, regardless of the specific ozone dose. However, at low antiviral concentrations, while FAV was completely removed with 100% efficiency, OSE only exhibited a 26% removal under the same conditions. At high concentrations of antiviral compounds, catalytic ozonation did not perform as effectively as single ozonation. When considering the presence of MPs, it can be concluded that they negatively impact the removal efficiency of antiviral compounds. To assess the effectiveness of the treatment process and the potential reusability of ozonated and catalytic ozonated effluent samples, ecotoxicological analysis was conducted on Enchytraeus crypticus and Vibrio fischeri. The soil experiments carried out on high antiviral concentrations did not indicate any toxic effect on E. crypticus organisms; instead, the reproduction rate of organisms increased. Moreover, when these organisms were exposed to the samples containing MPs, their reproduction rate increased significantly. The toxicity evaluation using Vibrio fischeri bacteria indicated that biologically treated synthetic wastewater exhibited higher toxicity compared to ozonated wastewater. Furthermore, ozonated wastewater demonstrated slightly higher toxicity than catalytic ozonated wastewater. The leaset toxicity was observed in distilled water. The presence of individual antivirals in the wastewater resulted in lower toxicity compared to their combined presence, revealing the synergistic effect of FAV and OSE. Since antivirals were not completely removed during ozonation and catalytic ozonation at the high initial concentration (50 µg/L), they contributed considerably to the observed toxicity. The experimental results indicated that ozonation and catalytic ozonation could serve as favorable options to upgrade existing wastewater treatment plants. These processes not only contributed to the reduction in the release of antivirals from domestic effluents, but also significantly enhanced the suitability of treated wastewater for irrigation of agricultural areas.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    894183

    Farmasötiklerin mikrobiyal lakkaz aracılı biyodegradasyonunun araştırılması ve toksisite değerlendirmeleri

    Investigation of microbial laccase mediated biodegradation of pharmaceuticals and toxicity assessment

    SULTAN KÜBRA TOKER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyolojiEge Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ KOÇYİĞİT

  2. Tez No

    975556

    Comprehensive analysis of chlorination for micropollutant removal from wastewater: Method development, efficiency, and toxicity evaluation

    Klorlamanın mikrokirletici giderimi açısından kapsamlı analizi: yöntem geliştirme, giderim verimliliği ve toksisite değerlendirmesi

    NİLAY BİLGİN SARITAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ELİF PEHLİVANOĞLU

  3. Tez No

    586982

    Bazı tiyazol türevlerinin biyokimyasal etki mekanizmalarının araştırılması

    Investigation of biochemical impact mechanisms of some thiazol derivaties

    BÜŞRA EKSELLİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Eczacılık ve FarmakolojiAnadolu Üniversitesi

    Biyokimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜLŞEN AKALIN ÇİFTÇİ

  4. Tez No

    884188

    Biomedical application of an enzymatically synthesized biopolyester

    Enzimatik olarak sentezlenmiş bir biyopoliesterin biyomedikal uygulaması

    ŞENOL BEYAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  5. Tez No

    754327

    Herpes simplex virus tip 2'ye karşı oksalamid fonksiyonel yapısı içeren yeni moleküllerin sentezi, antiviral etkinliklerinin in-vitro olarak araştırılması

    Investigation of synthesis and antiviral activities of new molecules containing oxalamide functional structure against herpes simplex virus TYPE 2

    MUHAMMED EMİRHAN KARAMAN

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    MikrobiyolojiHatay Mustafa Kemal Üniversitesi

    Tıbbi Mikrobiyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİZAMİ DURAN

Geri Dön