Enhancing wastewater treatment efficiency through laccase-mediated biodegradation of trace organic contaminants
Kalıcı organik kirleticilerin laccase aracılı bıodegredasyonu ile atıksu arıtım verimliliğinin artırılması
- Tez No: 901277
- Danışmanlar: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR, PROF. DR. HUBERT CABANA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 223
Özet
Son dönemde, literatürde atık suların içerdiği mikrokirleticiler ve bunların insan sağlığı ile çevre üzerindeki potansiyel olumsuz etkileri konusundaki endişeler ifade edilmiştir. Araştırmacılar, lakkaz gibi mantar enzimleri de dahil olmak üzere çeşitli arıtma yöntemlerini incelemişlerdir. Ancak, mikrokirleticilerin lakkaz ile etkili bir şekilde arıtılabilmesi için uygun mantar türlerinin araştırılması ve lakkaz tabanlı biyolojik bozunma mekanizmalarının optimize edilmesi konusunda daha fazla literatür gereksinimi bulunmaktadır. Bu tez, lakkaz enzimi üretimi, saflaştırılması, immobilizasyonu ve bu süreçlerin mikrokirleticilerin arıtımı üzerindeki etkilerini inceleyerek bu boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır. Bu sayede lakkaz enziminin çeşitli mikrokirleticiler üzerindeki arıtım etkilerini keşfederek, çevremizdeki mikrokirleticilerin olumsuz etkilerini azaltmak için daha verimli ve sürdürülebilir yöntemler geliştirmeye çalışabiliriz. Mevcut çalışma, Trametes hirsuta, Pleurotus dryinus, Tramates versicolor ve Coriolopsis Polyzona gibi farklı mantar türlerinin detaylı bir incelemesini içermektedir, bu da lakkaz üretkenliklerini ve mikrokirleticilerin arıtımındaki verimliliklerini değerlendirmek amacını taşımaktadır. Hedeflenen mikrokirleticiler üzerinde arıtım için kullanılan mantarların sorpsiyon mekanizmaları da araştırılmıştır. Ayrıca, çalışma, serbest lakkase'in saflaştırılması ve serbest bırakılan lakkazın mikrokirleticiler üzerindeki etkisini de incelemiştir. Elde edilen sonuçlar, potansiyel lakkaz araçlarının sisteme dahil edilmesiyle serbest lakkazın arıtma potansiyelindeki artışı ve serbest bırakılan lakkazın tekrar sistemde kullanılabilmesi için immobilizasyon tekniklerini araştırmıştır. Bu çalışmadan elde edilen bulgular, sürdürülebilir atık su arıtımı ve çevre koruma için lakkaz tabanlı biyoremediasyon stratejilerinin optimizasyonu ve maliyet etkinliği konusunda değerli bilgiler sunmuştur. Deneyler süresince, seçilen mantar türlerinin hücre dışı lakkaz enzimi üretiminde farklılıklar gösterdiği gözlenmiştir. Mantar kullanmanın avantajlarından biri yüksek adsorpsiyon kapasitesidir, bu da onu etkili bir kirletici giderme yöntemi haline getirir. Hücre içi ve dışı enzimlerin seçilen bileşikler üzerindeki reaksiyonlarının birbirinden farklı olması ilginçtir. lakkaz'ın tüm mikrokirleticiler üzerinde aynı etkiyi göstermediği gözlemlenmiştir. Mantarların mikrokirleticilerin arıtımını optimize etmek, adsorbe edilen kirleticilerin salınmasını önlemek veya lakkaz aktivitelerini artırmak için makul bir sistem kontrolüne sahip olmak esastır. Ayrıca, mikro kirleticilerin uzaklaştırılmasında birincil adım olarak hücre dışı enzim aktivitesi ve/veya adsorpsiyon mekanizmalarının bozunmanın önemini vurgular. Bu, belirli bir adsorpsiyon kapasitesi sınırına ulaştıktan sonra mevcut bileşiklerin bazılarını ortadan kaldıran hücre içi enzim aktivitelerinin de önemini belirtir. Bu deneylerin ardından çalışma, lakkaz mediatör sistemlerinin dirençli organik kirleticilerin uzaklaştırılmasındaki etkisine odaklandı. Sonuçlar, lakkaz mediatör sistemlerin, atrazine (ATZ) ve carbamazepin (CBZ) gibi dirençli organik kirleticileri, çevre ile ilgili konsantrasyonlarda bile, bireysel bileşik solüsyonlarında etkili bir şekilde uzaklaştırdığını gösterdi. ATZ ve CBZ'nin tekli bileşik solüsyon setlerindeki uzaklaştırma etkinliği ilk 36 saat boyunca %100'e kadar gözlendi ve test edilen tüm araçlar için önemli bir fark gözlenmedi. Tek bileşik setlerden bağımsız olarak, karışık bileşik setlerde ATZ ve CBZ giderimi %65'ten azdı. Ayrıca fenolik kontaminant asetaminofen (APAP), lakkaz için potansiyel bir aracı aday olarak incelendi ve sonuçlar olumlu sonuçlar verdi. Lakkaz mediatör sistemleri üzerine yapılan çalışmalardan elde edilen olumlu sonuçlar doğrultusunda, 'Dezenfektan Olarak Lakkaz Katalizli İyot Sentezi' alt çalışması denenerek, kirleticilerin arıtım sürecinde aynı anda dezenfektan üretiminin olup olmadığı incelenmiştir. Sonuçlar, asetofenon'un iyot sentezi için asetaminofenden daha etkili bir mediatör olduğunu gösterse de, artan asetaminofen konsantrasyonunun iyot sentezini maksimum 0,5 mM konsantrasyonuna çıkardığı görüldü. Bu durum, asetaminofenin potansiyel bir lakkaz mediatörü olabileceği konusunda umut verici bir bulgu olarak ortaya çıktı. Lakkaz katalizli iyot sentezi için optimum mediatör ve KI konsantrasyonunu belirlemek, sistem verimliliği açısından önemlidir. Yüksek KI konsantrasyonlarının (>20 mM) lakkaz aktivitesini inhibe ettiği tespit edilmiştir. 10 U/L lakkaz aktivitesinde ve 20 mM KI konsantrasyonunda, enzim aktivitesi, iyot oluşumu ve kontaminant giderme verimliliği açısından en etkiliydi. Gerçek atık sularındaki asetaminofen ve diğer fenolik bileşikler, bir aracı görevi görebilir ve sistemin verimliliğini artırabilir. Lakkaz katalizörlü iyot, 15 ve 20 mM KI konsantrasyonlarında fekal koliform testlerinde yüksek dezenfeksiyon performansı sergiledi. Serbest lakkaz enziminin mikrokirleticiler üzerinde elde edilen giderim sonuçlarının tatmin edici olması nedeniyle, enzimin sistemde korunumu için lakkaz immobilizasyonu ve optimizasyonu üzerine çalışmalar yapıldı. Immobilizasyon, mezo gözenekli silika kaplı dolgu üzerine bağlanma ve adsorbe etme yoluyla sağlandı. Sonuçlar, immobilize lakkazın serbest enzime göre zorlu koşullarda daha verimli ve kararlı olduğunu gösterdi. Daha geniş optimum sıcaklık ve pH aralıklarına ve daha iyi depolama stabilitesine sahipti. Bu çalışma, immobilizasyonun hassas biyolojik enzimlere dayanan endüstriler için umut verici bir çözüm olabileceğini düşündürmektedir. Immobilizasyon çalışmalarının gerçek ölçekli uygulamalarında kullanılmasını kısıtlayan önemli faktörlerden biri, yeterli miktarda enzimin ticari olarak temin edilmesinin ciddi maliyet getirmesidir. Bu çalışma kapsamında, immobilizasyon için önemli finansal avantajlar sağlayan, saf ticari lakkaz yerine lakkazca zengin medyanın mezogözenekli silika kaplı dolgu ile etkileşime sokularak maksimum immobilizasyonun sağlanmaya çalışılması özellikle dikkate değerdir. Bu yaklaşım, immobilize edilmiş enzimi istenen herhangi bir zamanda kolayca elde ederek birden fazla yeniden kullanım döngüsüne izin verir. Böyle bir strateji, çeşitli endüstrilerdeki enzimatik süreçlerin verimliliğini ve sürdürülebilirliğini artırmak için büyük bir potansiyele sahiptir. Başlangıçta, lakkazın sınırlı olduğu ve ticari lakkazın kullanıldığı setlerde (15 Unit), seçilen silika kaplı dolgu üzerinde elde edilen enzim immobilizasyon verimi %56-74 arasındaydı ve en yüksek immobilize edilmiş lakkaz aktivitesi 1.8 U/g olarak elde edildi. Bu çalışmanın benzersiz yanı, silika kaplı mezogözenekli ambalajın, pek çok kimyasal tüketen saflaştırma aşaması olmadan 15000 Unit lakkaz bol medya ile etkileşime sokularak immobilize edilmiş olmasıydı. Immobilizasyon verimi %60 olarak tespit edildi ve en yüksek aktivite 346 U/g idi. Immobilizasyon sürecinde sistemdeki enzim aktivitesindeki değişim 2 gün sonra stabilize oldu; bu da çoğu lakkaz molekülünün, istenmeyen yan etkileşimler olmaksızın gözenekler içinde adsorbe edildiğini gösterir. İmmobilize edilmiş lakkaz, iyi bir depolama ömrü sergiledi ve 4°C'de 5 ay saklandıktan sonra başlangıç aktivitesinin %50'sinden fazlasını korudu. Silika kaplı dolguyu glutaraldehit ile şartlandırmak için en uygun pH'ın 7 olduğu, silika kaplı dolgu üzerinde lakkazı immobilize etmek için optimum pH'ın 3.5 veya 5.5 olduğu düşünüldü. Optimum glutaraldehit konsantrasyonu da %3 olarak seçildi. Ne yazık ki, sadece lakkazı immobilize etmek yeterli değil; ayrıca yüksek miktarda lakkaz immobilizasyonu da gerekmektedir, dolayısıyla yüksek miktarda lakkaz üretimi gerektirir. Polar olmayan solvent heksan ve polar solventler, metanol ve etanolün lakkaz üretimi için potansiyel indükleyiciler olarak incelenerek, sonuçlar literatürdeki en tanınan induktör olan bakır ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldı. Ayrıca, silika üretiminden kaynaklanan yoğun heksan atığı, çalışmanın ekolojik adımlarını azaltmak için bir indükleyici olarak test edildi. Lakkaz üretimi haricinde, bir diğer maliyetli aşama olan sterilizasyondan kaçınılıp kaçınılamayacağını anlamak için hem sterilize edilmiş hem de sterilize edilmemiş koşullar altında değerlendirildi. Çalışma, steril koşullar altında 0,5 mM'lik bir bakır konsantrasyonunda elde edilen en yüksek toplam lakkaz aktivitesi ile bakır ve etanolün en etkili indükleyiciler olduğunu ortaya koydu. Bakır ve etanol ile muamele edilen gruplar ayrıca sterilize edilmemiş koşullar altında immobilize lakkaz aktivitesi gösterdi. Enzim üretilirken aynı ortamda immobilizasyonun gerçekleştiği eşzamanlı lakkaz immobilizasyonu değerlendirmemiz, sterilize edilmiş atık heksan setlerinin, 1,25 U/mg paketleme değeriyle en yüksek immobilize lakkaz aktivitesine sahip olduğunu gösterdi. Sterilize edilmiş koşullar altındaki heksan setleri, ikinci en yüksek immobilize edilmiş enzim aktivitesine sahipti. Steril olmayan setlerde bakır ve indükleyici setlerin salmastralarında az miktarda immobilize lakkaz aktivitesi tespit edilmesine rağmen, steril setlere göre istenilen seviyelerde serbest ve immobilize lakkaz aktivitesi elde edilemediği görülmüştür. Bu sonuçlar muhtemelen setlerin sterilize edilmemiş olmasından kaynaklanmaktadır, bu da laboratuvardan planlanan mikrobik kontaminasyon nedeniyle diğer türlere yol açmış olabilir. Birkaç mantar türünün bu mevcudiyeti, lakkaz aktivitesinin azalması üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Saf kültürlerin kullanılması ve sterilize edilmiş bir sistemin sağlanması kontaminasyonu önlemek için çok önemlidir. Çalışmanın bu adımı, mevcut araştırmanın en dikkat çekici sonuçlarından birine odaklanmaktadır: atık heksanın eşzamanlı immobilize lakkaz aktivitesi için bir indükleyici olarak başarılı bir şekilde uygulanması. Lakkaz üretimine yönelik bu yenilikçi yaklaşım, hem endüstriyel hem de evsel atık su arıtma tesislerinde işletme maliyetlerini azaltmak ve enzimatik süreçlerin maliyet etkinliğini iyileştirmek için umut verici bir yöntem olabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Recently, concerns have been raised about trace organic contaminants (TrOCs) in wastewater and their potential adverse effects on human health and the environment. TrOCs found in wastewater are a cause for concern due to their ability to contaminate drinking water sources and the environment. Consuming contaminated water with TrOCs can pose health risks to humans. It can also harm aquatic life, leading to ecosystem disruptions and potential entry into the food chain. Additionally, certain TrOCs have properties that can disrupt endocrine systems, which can further impact human health and the stability of the environment. Researchers have explored various treatment methods, including fungal treatments and laccase enzymes. However, there needs to be more literature regarding selecting fungal strains and optimizing laccase-based biodegradation mechanisms for efficient TrOC removal. This thesis aims to fill that gap by delving into laccase production, purification, immobilization, and its impact on degrading TrOCs. By exploring various aspects of this process, we can work towards developing more efficient and sustainable methods of reducing the negative impact of TrOCs on our environment. The current study encompasses a comprehensive examination of different fungal strains, including Trametes hirsuta, Pleurotus dryinus, Tramates versicolor, and Coriolopsis polyzona, to evaluate their laccase productivity and response to trace elements. The sorption mechanisms of laccase-mediated fungal treatment on targeted TrOCs were also explored. Furthermore, the study investigated free Laccase's purification and removal efficiency and the potential of laccase mediator systems (LMS) and immobilization techniques for enhanced biodegradation. The findings from this study provided valuable insights into the optimization and cost-effectiveness of laccase-based bioremediation strategies for sustainable wastewater treatment and environmental protection. Throughout experiments, fungal strains have been found to play a crucial role in producing external laccase activities. One of the advantages of using fungi is its high adsorption capacity, thus making it an effective pollutants-removal method. It is interesting to note that the reactions of internal and external enzymes on selected compounds differ from one compound to another. It has been observed that Laccase does not affect all types of TrOCs. It is essential to establish reasonable system control measures to prevent the release of adsorbed contaminants or enhance laccase activities to optimize the fungal treatment. It also highlights the importance of degradation by external enzyme activity and/or adsorption mechanisms as a primary step in removing TrOCs, followed by internal enzyme activities that remove some of the existing compounds after reaching a specific limit of adsorption capacity. Following these experiments, the study focused on the efficiency of laccase-mediator systems in removing recalcitrant organic contaminants. The results showed that laccase-mediator systems efficiently removed recalcitrant organic contaminants such as atrazine (ATZ) and carbamazepine (CBZ) in individual compound solutions, even at environmentally relevant concentrations. The removal efficiency of ATZ and CBZ in single compound solutions sets was observed up to 100% during the first 36h, and no significant difference was observed for all the tested mediators. Regardless of single compound sets, ATZ and CBZ in mixed compound sets removal were less than 65%. Also, the phenolic contaminant acetaminophen (APAP) is examined as a potential mediator candidate for laccase, and the results showed positive results. The study on laccase mediator systems led to a sub-study on“Laccase Catalyzed Iodine Synthesis as Disinfectant.”Results showed that acetophenone was a more efficient mediator than APAP for iodine synthesis. Increasing APAP concentration increased iodine synthesis with a maximum of 0.5 mM. High concentrations of KI (>20 mM) inhibited laccase activities. Under 10 U/L, 20 mM KI concentration was most efficient for enzyme activity, chemical consumption, and contaminant removal efficiency. APAP and other phenolic compounds in real wastewater could serve as a mediator and increase the system's efficiency. Laccase-catalyzed iodine demonstrated high disinfection performance in fecal coliform tests, with the optimal concentrations observed at 15 and 20 mM KI. The study examined the effectiveness of laccase immobilization and optimization. The immobilization was achieved by bonding and adsorbing on mesoporous silica-covered packing. The results showed that the immobilized laccase was more efficient and stable in harsh conditions than the free enzyme. It had broader optimal temperature and pH ranges and better storage stability. This study suggests that immobilization can be a promising solution for industries that rely on sensitive biological enzymes. Particularly noteworthy is the use of mesoporous silica-covered packing and laccase-abundant broth instead of pure laccase for the immobilization, which offers substantial financial benefits. This approach facilitates the immobilized enzyme at any desired time, allowing for multiple cycles of re-utilization. Such a strategy holds tremendous potential for enhancing the efficiency and sustainability of enzymatic processes in various industries. The resulting enzyme immobilization yield on the support was between 56-74 %, and the highest immobilization efficiency, 1.8 U/g packing, was achieved in the sets where initial laccase activity was limited (15 U). The unique part of this study was that the silica-covered mesoporous packing was immobilized by contacting with 15000 U laccase-abundant broth without the purifying step, which consumes many chemicals. The immobilization yield was 60%, and the highest activity was 346 U/g packing. The immobilization process remained consistent after 2 days, indicating that most laccase molecules were adsorbed within the pores without undesired lateral interactions. The immobilized laccase exhibited good reusability and retained more than 50 % of its initial activity after being stored at 4ºC for 5 months. It was addressed that the best pH was selected as 7 to condition silica-covered packing with glutaraldehyde, while the optimum pH was 3.5 or 5.5 to immobilize laccase on the silica-covered packing. The optimum glutaraldehyde concentration was also selected as 3%. Unfortunately, it is not enough to immobilize laccase; it requires a high amount of laccase immobilization, so it requires a high amount of laccase production. It examined the potential of non-polar solvent hexane and polar solvents, methanol, and ethanol, as inducers for laccase production and the established inducer copper. Also, the abundant hexane effluent from silica production is tested as an inducer to diminish the ecological footstep of the study. The impact of mesoporous silica-coated plastic packing on free laccase production and concomitant immobilization was evaluated under both sterilized and unsterilized conditions to understand if the costly step-sterilization can be avoided. The study revealed that copper and ethanol were the most effective inducers, with the highest total laccase activity achieved at a copper concentration of 0.5 mM under sterilized conditions. The groups treated with copper and ethanol also showed immobilized laccase activity under unsterilized conditions. Our evaluation of concomitant laccase immobilization showed that the sterilized waste hexane sets had the highest activity of immobilized laccase, with a value of 1.25 U/mg packing. The hexane sets under sterilized conditions had the second-highest immobilized enzyme activity. It was found that even though a small amount of immobilized laccase activity was detected in the packings of the copper and inducer sets in the unsterilized sets, the desired levels of free and immobilized laccase activity were not achieved in comparison to the sterilized sets. These results likely are because the sets were not sterilized, which could have led to other species due to planned -microbial contamination from the laboratory. This presence of several fungal species could have had a significant impact on the reduction of laccase activity. Using pure cultures and ensuring a sterilized system is essential to avoid contamination. This step of the study focuses on one of the most remarkable outcomes of the current research: the successful application of waste hexane as an inducer for concomitant immobilized laccase activity. This innovative approach to laccase production could lead to a promising method for decreasing running costs and improving the cost-efficiency of enzymatic processes in wastewater treatment plants, both industrial and domestic.
Benzer Tezler
- Simulation based optimization of aeration in carousel reactors for securing new EU discharge regulations
Yeni AB deşarj yönetmeliklerinin güvence altına alınması için karusel reaktörlerde havalandırmanın simülasyon tabanlı optimizasyonu
IRMAK ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- High-rate activated sludge process for energy efficient wastewater treatment
Enerji verimli atıksu arıtımı için yüksek yüklemeli aktif çamur prosesi
HAZAL GÜLHAN
Doktora
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- Unlocking sustainability in wastewater denitrification through waste-derived volatile fatty acids
Atıktan kaynaklanan uçucu yağ asitleri yoluyla atıksu denitrifikasyonunda sürdürülebilirlik kilidinin açılması
TUĞBA WIKSTRÖM
Doktora
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
PROF. DR. MOHAMMAD J TAHERZADEH
- Evaluation of co-substrate alternatives for co-digestion of sewage sludge: Coupling plant-wide modelling with life cycle analysis
Arıtma çamurunun birlikte çürütülmesi için ilave substrat alternatiflerinin değerlendirilmesi: Tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin birlikte kullanılması
EMİRCAN KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- GIS and best-worst method integration for wastewater treatment plant site selection
Atıksu arıtma tesisi yer seçimi için CBS ve en iyi-en kötü yöntem entegrasyonu
ELİF ÇELİKEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Coğrafyaİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TURAN ERDEN