Atık sularda mikro/nanoplastiklerin ve mikroplastiklere bağlı bakterilerin membran teknikleri ile gideriminin araştırılması
The investigation of removal of micro/nano plastics and associated bacteria using membrane techniques in wastewaters
- Tez No: 944865
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLŞEN ALTUĞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Deniz Bilimleri, Mikrobiyoloji, Çevre Mühendisliği, Marine Science, Microbiology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz ve İçsu Kaynakları Yönetimi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deniz Biyolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 200
Özet
Mikro ve nanoplastik kirliliği, su ekosistemleri ve çevresel su kalitesi için büyüyen bir küresel tehdit oluşturmaktadır. Konvansiyonel atıksu arıtma tesisleri, özellikle 20 μm'den küçük partikülleri etkili şekilde tutamamakta ve bu durum, ekosistemler ve insan sağlığı için risk oluşturmaktadır. Bu çalışmada, NX Filtration firmasının çok katmanlı direkt nanofiltrasyon membran (dNF40) teknolojisi, laboratuvar ölçeğindeki dNF sistemi içinde test edilerek, 20 μm'den küçük mikroplastiklerin, 1 μm'den küçük nanoplastikler ile mikroplastiklere bağlı bakterilerin giderim düzeyi analiz edilmiştir. Ayrıca, zamana bağlı olarak atık suda serbest yaşayan toplam bakteri ve mikroplastiğe tutunan bakterilerin gelişimi/değişimi ve organik madde varlığının bu sürece olan katkısı karşılaştırılarak incelenmiştir. OECD standartlarına uygun olarak kimyasallar ve Sigma Aldrich'ten ticari olarak temin edilen 100 nm, 0,055 µm, 1 µm, 10 µm, 200 µm boyutlarındaki polistiren mikro-nanoplastikler eklenerek ve McFarland testine göre 10⁸ KOB/100 ml konsantrasyonda Escherichia coli kültürü aşılanarak sentetik evsel atıksu hazırlanmıştır (ReaktörX). Laboratuvar ölçekli dNF sistemi ile yapılan çalışmada, deneysel analizlerde üç farklı atıksu numunesi kullanılmıştır: (i) OECD standartlarına göre hazırlanan sentetik evsel atıksu (Reaktör X), (ii) konvansiyonel evsel atıksu arıtma tesisi deşarjından 24 saatlik kompozit örnekleme ile elde edilen gerçek atıksu, ve (iii) membran biyoreaktör (MBR) teknolojisine sahip ileri evsel arıtma tesisi deşarjından 24 saatlik kompozit olarak alınan gerçek atıksu numunesi. Tüm numuneler cam şişelerde 24 saat havalandırılarak bekletilmiştir. dNF öncesi ve sonrası alınan örneklerde kültürel yöntemlerle bakteriyolojik analizler gerçekleştirilmiştir. Bakterilerin mikroplastiklere tutunma durumunu analiz etmek için, numuneler 0,45 µm'lik filtrelerle filtre edilmiş ve bakteri hücreleri fikse edilmiştir. İletkenliği artırmak amacıyla, Leica EM ACE600 cihazı ile altın/paladyum (Au/Pd) kaplama işlemi uygulanmış ve ardından Hitachi Regulus 8230 alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM, 1 kV'da 0,9 nm çözünürlük) ile incelenmiştir. Ayrıca, çalışma sırasında düzeneklerden alınan ölçümlerde organik madde konsantrasyonu (KOI), pH, sıcaklık, çözünmüş oksijen konsantrasyonu, tuzluluk ve iletkenlik değerleri kaydedilmiştir. Organik madde giderimi için Fenton yöntemi (FeSO₄ + H₂O₂) uygulanmış ve iki farklı protokol [ısıtmalı (60C) ve ısıtmasız] test edilmiştir. Yüksek yoğunluklu mikro ve nanoplastiklerin kaybını önlemek için yoğunluk ayrımı işlemi uygulanmamıştır. Laboratuvar ölçekli dNF öncesi ve sonrasında Reaktör-X sentetik ve gerçek evsel atıksu deşarj numuneleri, 1,6 µm; 1 µm; 0,7 µm; 0,45 µm; 0,2 µm por açıklığına sahip çeşitli membran filtreler ile filtre edilmiştir. Yapılan bakteriyolojik analizlerde ve bakterilerin mikroplastikler üzerine tutunması incelenerek kantitatif olarak sonuçlar elde edilebilmiştir. Çeşitli filtre denemelerinin ardından, direkt 0,2 por açıklığına sahip rejenere selüloz (RC) membran (Isolab, çap 47mm) filtrenin tıkanmadan çalışılabildiği belirlenip, membran filtre yüzeyinde şüpheli olarak seçilen mikro ve nanoplastiklerin boyut ve kimyasal karakterizasyonu için HORIBA LabRAM Soleil Raman Mikro Spektroskopi cihazı kullanılmıştır. dNF laboratuvar pilotu öncesi ve sonrasında, ağırlıklı olarak 10 µm'den küçük mikroplastikler ve 1 µm'den küçük nanoplastiklerin giderim düzeyi incelenmiştir. Mikroplastikler, 10 µm olarak sınıflandırılmıştır. Mikro-Ramanda spektrumlar, görüntülerin merkezi noktalarından kaydedilmiş, Raman resimleri çekilmiş ve KnowItAll ile ID Finder kütüphaneleri kullanılarak kimyasal yapılar belirlenmiş, HQI yüzdeleriyle grafikler oluşturulmuş, çok katmanlı direkt nanofiltrasyon membran pilotunun mikro-nanoplastik giderimi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Ek olarak çalışılan 0,2 µm por açıklığına sahip naylon membran filtrelerin (Millipore, GNWP 04700, çap 47mm, filtrasyon alanı ~1735 mm²) mikro-Raman cihazında kullanılmasının, filtre üzerinde tespit edilen parçacıkların kütüphane (%) tarafından yanlışlıkla yüksek kalite indeksine (HQI) sahip PA olarak tanımlanmasına yol açtığı da bu çalışmamızda belirlenmiştir. Uygulanan Fenton yöntemleri kıyaslandığında, ısıtmalı (Yön1) ve ısıtmasız (Yön2) protokollerine göre su kalitesi olarak benzer sonuçlar elde edilse de mikro-Raman ile yapılan incelemeler sonrasında ısıtmasız (Yön2) protokolde, ısıtmalı (Yön1) protokole göre her bir numune için daha fazla mikro-nanoplastik yoğunluğu tespit edilmiştir. dNF laboratuvar pilot sistemi ile ReaktörX sentetik atıksu, konvansiyonel gerçek atıksu arıtma tesisi deşarj sularında ve MBR teknolojisine sahip gerçek ileri atıksu arıtma tesisi deşarj numunesinde % 99'un üzerinde giderim verimi ile mikro-nanoplastiklerin giderimi sağlanmıştır. dNF öncesi en düşük serbest bakteri ve mikroplastiklere bağlı bakteri sayısı MBR teknolojisine sahip ileri evsel atıksu arıtma tesisi deşarj suyunda tespit edilmiştir. dNF sisteminden geçirilen atıksuda, serbest ve MP bağlı bakterilerin giderim verimleri E.coli için sırasıyla % 99,954 ve % 99,971; HAB için ise % 99,962 ve % 99,972 olarak ölçülmüştür. Konvansiyonel evsel atıksu ve ReaktörX evsel sentetik atıksuda, dNF öncesi bakteri gelişimi MBR'lı sistemden daha yüksek olmakla birlikte, dNF sonrası tüm atıksu türlerinde benzer yüksek giderim oranları elde edilmiştir. Bu, atıksudaki mikro ve nanoplastiklerin, MBR teknolojisi olmadan da dNF ile yüksek verimlilikte arıtılabileceğini göstermektedir. Zamana bağlı mikroplastik bakteri etkileşimin izlenmesi amacıyla hazırlanan sentetik atıksu düzeneklerindeki mikroplastikler, bakteriler için ek yüzey alanı sağlayarak tutunma oranlarını artırmıştır. Özellikle organik maddece fakir ortamlarda bakterilerin mikroplastiklere tutunma eğilimi daha yüksek bulunmuştur. Mikro-Raman analizleri, evsel atıksularda çoklu polimer tiplerinin varlığını ortaya koymuştur. FE-SEM de alınan 30x, 400x, 500x, 1000x, 5000x, 10.000x, 50.000x büyütmeli görüntülere bağlı olarak, çok katmanlı nanofiltrasyon laboratuvar pilotu öncesinde, mikroplastiklerin yüzeyinde bakteri tutunması doğrulanmıştır. Laboratuvar ölçeğinde dNF ile yapılan arıtım işlemi sonunda ise, numunelerde büyük yapıda partiküler madde ve bakteri gözlenmemiştir. Çalışmamızda, mikro-nanoplastik giderimi için ilk kez direkt nanofiltrasyon (dNF) laboratuvar sistemi ve dNF40 membranı uygulanmıştır. Çok katmanlı dNF40, klasik spiral sarım NF membranlarından farklı, yenilikçi bir teknolojidir. Daha önce yalnızca mikrokirletici gideriminde test edilmiş olup mikro-nanoplastik giderimi için kullanılmamıştır. Çalışmamız, mikro-nanoplastiklerin ve mikroplastiklere bağlı bakterilerin giderimiyle doğal alanların sürdürülebilir kullanımına katkı sağlamayı hedeflemiştir. Tez çalışmamız kapsamında, dNF40 membranı mikro-nanoplastiklerin ve mikroplastiklere bağlı bakterilerin evsel atıksu arıtma tesisi deşarj sularından gideriminde yüksek verimlilik sağladığını göstermiştir. Bu teknoloji, MBR gibi ileri arıtma yöntemlerine alternatif olabilecek potansiyele sahiptir. Ayrıca, mikroplastiklerin bakteriyel tutunma için bir yüzey oluşturduğu ve bu durumun patojen dağılımını artırarak ekosistem ve halk sağlığı için risk oluşturduğu tespit edilmiştir. Özellikle organik maddece fakir ortamlarda, bakterilerin mikroplastiklere tutunarak daha uzun süre hayatta kalabildiği gözlemlenmiştir. Bu bulgular, mikro-nanoplastik kirliliğinin kontrolü ve su kalitesinin iyileştirilmesi için yeni stratejiler geliştirilmesine katkı sağlayacaktır. Özellikle, dNF teknolojisinin endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğinin araştırılması ve mikroplastik-bakteri etkileşimlerinin daha detaylı incelenmesi, gelecek çalışmalar için önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
Micro- and nanoplastic pollution is emerging as a growing global threat to aquatic ecosystems and environmental water quality. Conventional wastewater treatment plants are generally ineffective at retaining particles smaller than 20 μm, posing risks to both ecosystems and human health. In this study, the multilayer direct nanofiltration membrane (dNF40) technology developed by NX Filtration was tested in a laboratory-scale dNF system to evaluate the removal efficiency of microplastics smaller than 20 μm, nanoplastics smaller than 1 μm, and bacteria associated with microplastics. The investigation will also compare the temporal changes in free-living and microplastic-attached bacterial growth, as well as the contribution of organic matter to this process. The study utilised synthetic domestic wastewater (ReactorX), which was prepared by the addition of polystyrene micro- and nanoplastics (100 nm, 0.055 μm, 1 μm, 10 μm, and 200 μm) that were commercially obtained from Sigma Aldrich. These were then inoculated with an Escherichia coli culture at a concentration of of 10⁸ CFU/100 mL, in accordance with the McFarland standard. Furthermore, composite samples were collected over a 24-hour period from conventional real domestic wastewater treatment plant effluent and advanced treatment plant effluent equipped with membrane bioreactor (MBR) technology. All samples were aerated in glass bottles for 24 hours. Bacteriological analyses were conducted using culture-based methods on samples collected before and after dNF 40. To analyse bacterial association with microplastics, samples were filtered through 0.45 μm filters, and bacterial cells were fixed. Conductivity was enhanced by coating with gold/palladium (Au/Pd) using a Leica EM ACE600 device, followed by examination with a Hitachi Regulus 8230 field-emission scanning electron microscope (FE-SEM, 0.9 nm resolution at 1 kV). During the study, measurements of organic matter concentration (COD), pH, temperature, dissolved oxygen concentration and salinity, conductivity were recorded. The Fenton method (FeSO₄ + H₂O₂) was used for the removal of organic matter, with two different protocols (heated and unheated) being tested. Density separation was not performed in order to avoid the loss of high-density microplastics. Before and after the laboratory-scale multilayer direct nanofiltration treatment pilot system (dNF40), Reactor-X synthetic and real domestic wastewater discharge samples were filtered using various membrane filters with pore sizes of 1.6 μm, 1 μm, 0.7 μm, 0.45 μm, and 0.2 μm. Bacteriological analyses were then used to quantify bacterial association with microplastics. Following a series of filtration trials, a 0.2 μm pore-sized regenerated cellulose (RC) membrane filter (Isolab, diameter 47 mm) was identified as capable of operating without clogging. Suspicious micro- and nanoplastics on the membrane filter surface were characterised for size and chemical composition using a HORIBA LabRAM Soleil Raman Microspectroscopy device. The removal efficiency of microplastics smaller than mainly 10 μm and nanoplastics smaller than 1 μm was investigated before and after the dNF40 pilot system. Microplastics were classified as follows: 10 μm. Raman spectra were recorded from the central points of the images, and Raman images were captured. The chemical structures of the micro- and nanoplastics were identified using KnowItAll and ID Finder libraries, and graphs were generated with HQI percentages to investigate the effect of multilayer direct nanofiltration on micro- and nanoplastic removal. Additionally, it was determined in this study that the use of 0.2 µm pore size nylon membrane filters (Millipore, GNWP 04700, diameter 47 mm, filtration area ~1735 mm²) in the micro-Raman device led to the misidentification of particles detected on the filter as high-quality index (HQI) PA by the library (%). A comparison of the applied Fenton methods indicated that although the water quality results obtained for the heated (Protocol 1) and unheated (Protocol 2) protocols were similar, micro-Raman analysis revealed a higher micro- and nanoplastic density in the unheated protocol (Protocol 2) compared to the heated protocol (Protocol 1). The multilayer direct nanofiltration (dNF) laboratory pilot system demonstrated a removal efficiency of over 99 % for micro- and nanoplastics in ReactorX synthetic wastewater and conventional real wastewater treatment plant effluent and advanced treatment plant effluent equipped with MBR technology. The lowest counts of free bacteria and microplastic-associated bacteria were detected in the effluent of the advanced municipal wastewater treatment plant employing MBR technology. In the wastewater treated by the dNF system, the removal efficiencies of free and microplastic-associated bacteria were measured as 99.954% and 99,971 % for E. coli, and 99.962 % and 99.972 % for HAB, respectively. Despite the higher bacterial growth observed in conventional domestic wastewater and ReactorX synthetic wastewater prior to dNF treatment, comparable high removal rates were attained for all wastewater types following dNF treatment. This outcome demonstrates the feasibility of high-efficiency treatment with dNF even in the absence of MBR technology. Synthetic wastewater setups are used to monitor time-dependent microplastic-bacteria interactions. Microplastics provide additional surface area for bacterial attachment, increasing adhesion rates. Bacteria attach more to microplastics in environments with low organic matter. Micro-Raman analyses revealed the presence of multiple polymer types in domestic wastewater. Based on FE-SEM images taken at 30x, 400x, 500x, 1000x, 5000x, 10,000x, and 50.000x magnifications, bacterial attachment to the surface of microplastics was confirmed prior to the multilayer nanofiltration laboratory pilot. At the end of the laboratory-scale dNF40 treatment process, no large particulate matter or bacteria were observed in the samples. In this study, the direct nanofiltration laboratory scale system (dNF) and the dNF40 membrane were applied for the first time for the removal of micro- and nanoplastics. Multilayer dNF40 is an innovative technology distinct from classical spiral-wound NF membranes. Previously tested only for micropollutant removal, it had not been used for microplastic removal. Our study aims to contribute to the sustainable use of natural areas by removing micro-nanoplastics and microplastic-associated bacteria. Our thesis study demonstrates that dNF40 membrane achieves high efficiency in removing micro- and nanoplastics and microplastic-associated bacteria from domestic wastewater treatment plant effluents. This technology has the potential to serve as an alternative to advanced treatment methods like MBR. Additionally, microplastics were found to provide a surface for bacterial attachment, increasing pathogen distribution and posing risks to ecosystems and public health. The study revealed that, particularly in environments with low organic content, bacteria were able to survive for longer periods by attaching to microplastics These findings will contribute to the development of new strategies for controlling micro- and nanoplastic pollution and improving water quality. Future studies are recommended to investigate the industrial-scale applicability of dNF technology and to conduct more detailed analyses of microplastic-bacteria interactions.
Benzer Tezler
- Detection and analysis for microplastics originating from the textile industry
Tekstil endüstrisinden kaynaklanan mikroplastiklerin tespiti ve analizi
SİNEM HAZAL AKYILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İPEK YALÇIN ENİŞ
PROF. DR. BAHATTİN YALÇIN
- Menengiç bazlı biyosorbentlerin sentezi, karakterizasyonu ve sorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
Synthesis, characterization and examination of sorption properties of menengic-based biosorbents
BEYZA TÜLEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERPİL EDEBALİ
- Fotokimyasal ve elektrokimyasal yöntemlerle atık sulardaki organik maddelerin oksidasyonu
The oxidation of organic substances in waste water by photochemical and electrochemical methods
SEVGİ ATEŞ
- Development of porous ceramics for wastewater purification
Atık su filtrelenmesi için gözenekli seramiklerin geliştirilmesi
DAMLA ZEYDANLI
Doktora
İngilizce
2019
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN AKMAN
DOÇ. DR. ÇEKDAR VAKIF AHMETOĞLU
- Removal of NH4+, Pb2+, Cu2+ from wastewater by clinoptilolites
Klinoptilolitleri kullanarak atık sulardan NH4+, Pb2+, Cu2+ giderimi
TUĞBA ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ ATAKÜL