Investigation of microbial population in hybrid biofilm nitrification systems
Hibrit biyofilm nitrifikasyon sistemlerinde mikrobiyal popülasyonun araştırılması
- Tez No: 958777
- Danışmanlar: Assoc. Prof. Dr. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Kalıcı doğaları, potansiyel toksisiteleri ve yaygın bulunurlukları nedeniyle, çoğunlukla farmasötik kalıntılardan oluşan mikrokirleticiler son dönemde önemli ölçüde dikkat çekmiştir. Bu maddeler genellikle“yeni ortaya çıkan kirleticiler”olarak adlandırılır ve ekolojik ve sağlıkla ilgili olumsuz etkileri nedeniyle mikrokirleticiler ile ilgili giderek daha fazla araştırmalar yapılmaktadır. Bu mikrokirleticiler arasında, steroid olmayan anti-inflamatuar ilaçlar (NSAID'ler), sucul sistemlerde en sık tespit edilen terapötik farmasötik mikrokirletici gruplarından biri olarak bilinmektedir. Yaygın olarak tespit edilmeleri, dünya genelindeki yüksek tüketim oranları ve geleneksel arıtma tesislerinde yeterince uzaklaştırılamamalarına bağlanmaktadır. Hem insan hem de hayvan sağlığında yaygın olarak kullanılmaları ve bozunmaya karşı dirençli olmaları nedeniyle, bu ilaçlar atıksu arıtma çıkış sularında, yüzey sularında ve hatta içme suyu kaynaklarında birikmektedir. Bu durum, çevre bilimciler ve halk sağlığı uzmanları arasında ciddi endişelere yol açmış ve alternatif arıtma yöntemleri üzerine kapsamlı araştırmaların yapılmasına neden olmuştur. Geleneksel atıksu arıtma tesisleri esas olarak organik madde ve besin maddelerini uzaklaştırmak üzere tasarlanmıştır ve bu tür karmaşık ve zor bozunan bileşikleri etkili bir şekilde giderememektedir. Bu sınırlamalar, esas olarak geleneksel biyolojik arıtma süreçlerinin iz organik kirleticilere yönelik özel bozunma yollarına sahip olmamasından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, arıtılmış atıksuda NSAID'lerin bulunması, sucul organizmalarda endokrin sistem bozuklukları ve antibiyotik direncinin yayılması gibi ekolojik ve halk sağlığı risklerine neden olmaktadır. Bu çalışmanın amacı, yaygın olarak kullanılan bir grup NSAID'in—diklofenak, ibuprofen, indometasin, ketoprofen, naproksen ve mefenamik asit—atıksudan uzaklaştırılmasında hibrit arıtma sistemlerinin verimliliğini ve performansını değerlendirmektir. Bu bileşikler, çevresel izleme çalışmalarında sıkça tespit edilmeleri ve farklı biyolojik bozunabilirlik derecelerine sahip olmaları nedeniyle seçilmiştir. Giderim verimliliğinin değerlendirilmesinin yanı sıra, bu çalışmada söz konusu NSAID'lerin arıtma sistemindeki mikrobiyal toplum yapısı ve çeşitliliği üzerindeki etkileri de araştırılmıştır. Mikrokirleticilerin varlığında mikrobiyal dinamiklerin anlaşılması, biyoreaktör performansının optimize edilmesi ve uzun vadeli kararlılığın sağlanması açısından kritik öneme sahiptir. Bu ilaçların NSAID bozunumundan sorumlu mikrobiyal popülasyonlar üzerindeki etkilerinin belirlenmesi, gelecekteki atıksu arıtma sistemlerinin tasarımı ve işletimi için bilgi sağlamak açısından önemlidir. Kontrollü koşullar altında laboratuvar ölçekli ardışık kesikli reaktörler (AKR'ler) işletilmiştir. Bu reaktörler, askıda büyüyen biyokütle ile yüzeyde çoğalan biyokütlenin avantajlarını birleştiren hareketli yatak biyofilm reaktörleri (MBBR) olarak yapılandırılmıştır. Bu yapılandırma, hem hızlı büyüyen hem de yavaş büyüyen mikroorganizmaların gelişebileceği sinerjik bir ortam sağlar. NSAID eklenmeyen bir kontrol hibrit reaktörü ile çevresel olarak anlamlı konsantrasyonlarda hedef NSAID'lerin eklendiği bir mikrokirletici hibrit reaktörü işletilmiştir. Bu deneysel düzenleme, araştırmacıların farmasötik baskı faktörlerinin varlığı ve yokluğu durumunda mikrobiyal ve işletme performanslarını karşılaştırmasına olanak tanımıştır. 217 günlük bir süre boyunca, sistem performansını değerlendirmek için kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), amonyak, nitrit ve nitrat konsantrasyonları ile her bir NSAID'in giriş ve çıkış konsantrasyonları izlenmiştir. Elde edilen giderme verimlerine dayanarak, hibrit sistemin çalışılan NSAID'lerin çoğunun gideriminde etkili olduğu söylenebilir. İbuprofen ve indometasin tamamen giderilmiştir (%100 giderim verimi), ketoprofen, naproksen ve mefenamik asit ise sırasıyla %86, %93 ve %84 giderim verimi göstermiştir. Bu sonuçlar, sistemin orta derecede biyolojik olarak bozunabilir bileşikler için oldukça etkili olduğunu göstermektedir. Düşük biyolojik bozunabilirliğe sahip olan diklofenak, %54 ile en düşük giderme oranını göstermiştir, ancak bu oran, çoğu zaman %30'un altında kalan geleneksel aktif çamur sistemlerinden daha yüksektir. Bu durum, hibrit sistemin geleneksel yöntemlere kıyasla önemli bir iyileşme sunduğunu göstermektedir. Bu bulgular, hibrit sistemlerin NSAID'lerin biyolojik arıtımında üstün performansını ortaya koymaktadır. Bu tür sistemler, konvansiyonel sistemlere entegre ederek genel arıtma verimliliğini artırmaktadır. Hibrit sistem, yüksek çamur yaşlarında etkin bir şekilde işletilebilmesi sayesinde yavaş büyüyen nitrifikasyon bakterilerinin büyümesini teşvik eder, nitrifikasyonu geliştirir ve ayrıca sisteme yüksek yükleme oranları ve mikrokirleticiler gibi olumsuz parametrelere karşı direnç kazandırır. Bu sistemlerin sağlamlığı, özellikle değişken giriş koşullarında uzun süreli işletim için faydalıdır. İleri moleküler teknikler, özellikle yüksek verimli 16S rRNA gen dizileme yöntemi kullanılarak, reaktörlerdeki mikrobiyal topluluklar filum ve tür düzeyinde analiz edilmiştir. Bu ileri düzey yöntemler, topluluk bileşiminin kapsamlı bir görünümünü sunmakta ve farmasötik baskının neden olduğu değişimlerin tespit edilmesini sağlamaktadır. Sonuçlar, NSAID maruziyeti sonucunda mikrobiyal topluluk bileşiminde önemli değişiklikler olduğunu göstermiştir. Filum düzeyinde, mikrokirletici hibrit reaktöründe baskın olan filumlar Proteobacteria, Bacteroidota, Acidobacteriota, Planctomycetota ve Chloroflexi olarak tespit edilmiştir. Bu gruplar, sıklıkla çeşitli metabolik kapasitelerle ilişkilendirilmekte olup, zenobiyotik bileşiklerin parçalanmasını içerebilir. Ayrıca, NSAID'lerin varlığı, Shannon ve Chao1 gibi çeşitli indekslerle ölçüldüğü üzere mikrobiyal çeşitlilikte azalmaya neden olmuştur. Bu çeşitlilikteki azalma, kirleticiler tarafından uygulanan seçici baskıyı yansıtarak dirençli taksonların baskın hale gelmesine yol açmaktadır. Bu azalma, NSAID'lerin mikrobiyal popülasyonlar üzerinde seçici baskı oluşturduğunu, hassas türleri baskı altına alırken dirençli türlerin varlığını artırdığını göstermektedir. Bu tür seçici zenginleştirme, farmasötiklerin uzaklaştırılması için daha özel biyoreaktörlerin geliştirilmesinde kullanılabilir. Tür düzeyinde, Leadbetterella, Thauera, OLB8, kültürlenmemiş Caldilineaceae, Fimbriiglobus ve kültürlenmemiş Planctomycetales türleri, MP reaktöründe en yüksek oransal bolluğu göstermiştir ve bu türlerin NSAID bozunmasında potansiyel rol oynadığı düşünülmektedir. Bu bulgular, belirli mikroorganizmaların NSAID'leri parçalayabildiğini öne süren literatürle uyumludur. Bu taksonların daha ileri karakterizasyonu, çevresel iyileştirme alanında biyoteknolojik uygulamalar için yeni yollar açabilir. Ayrıca, KOİ giderimi ve nitrifikasyon gibi önemli arıtma prosesleri olumsuz etkilenmemiş, bu da mikrobiyal topluluğun NSAID'lerin varlığına uyum sağlayarak işlevlerini sürdürdüğünü göstermiştir. Bu dayanıklılık, biyofilm bazlı hibrit sistemlerin uyarlanabilirliğini vurgulamakta ve onları tam ölçekli uygulamalar için uygun adaylar haline getirmektedir. Gelecekteki araştırmalar, hibrit sistemlerin kompleks matrislere sahip gerçek atıksularla tam ölçekli uygulamalarına odaklanmalıdır. Bu, genellikle daha yüksek ve değişken farmasötik yükler içeren endüstriyel ve hastane atıksularını da kapsamaktadır. Ayrıca, NSAID'leri parçalayan mikroorganizmaların dinamiklerinin daha fazla araştırılması, bu bileşiklerin biyolojik bozunma mekanizmalarına dair daha derinlemesine bilgiler sağlayabilir. Metagenomik ve transkriptomik entegrasyonu, bu mikroorganizmaların farmasötikleri nasıl metabolize ettiğine dair işlevsel bir bakış açısı sunabilir. Sonuç olarak, bu çalışma hibrit sistemlerin atıksuda bulunan NSAID'lere karşı çevre dostu ve sürdürülebilir bir çözüm olma potansiyelini ortaya koymaktadır. Bu bulgular, mikrokirleticilerin uzaklaştırılması için yenilikçi biyoreaktör tasarımlarının kullanımını destekleyen literatüre katkı sağlamaktadır. Hem yüksek uzaklaştırma verimliliği hem de mikrobiyal direnç göz önüne alındığında, bu sistemler gelecekteki sistem işletimi ve konfigürasyonu için yeni bir bakış açısı sunmaktadır. Hibrit sistemlerin sürekli olarak geliştirilmesi ve optimize edilmesi, sucul ortamlarda farmasötik kirleticilerin oluşturduğu zorlukların üstesinden gelmede hayati öneme sahiptir.
Özet (Çeviri)
Due to their persistence nature, potential toxicity and widespread presence of micropollutants, mostly pharmaceuticals residues, have gained lots of attention during the recent decades. Among these micropollutants, non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are known as one of the most frequently detected therapeutic groups of pharmaceutical micropollutants in aquatic systems. Their widespread usage, both in human and animal medicine, together with their resistance to degradation, have resulted in the accumulation of these drugs in wastewater treatment effluents, surface waters, and even drinking water supplies. Conventional wastewater treatment plants are designed primarily to remove organic matter and nutrients, mostly having the deficiency to effectively eliminate such complex and recalcitrant compounds. Consequently, presence of NSAIDs in treated wastewater, posing ecological and public health risks. The aim of this study is to evaluate the efficiency and performance of hybrid treatment systems in removing a group of widely used NSAIDs—namely diclofenac, ibuprofen, indomethacin, ketoprofen, naproxen, and mefenamic acid—from wastewater. In addition to evaluation of removal efficiencies, this study aimed to investigate the impact of these NSAIDs on the microbial community structure and diversity within the treatment system. Detecting the impacts of these drugs on the microbial populations responsible for NSAIDs degradation is important in order to design and operation of future wastewater treatment systems. Laboratory-scale sequencing batch reactors (SBRs) were operated under controlled conditions. These reactors were set as moving bed biofilm reactor (MBBR) systems that combined the advantages of suspended biomass with attached biomass. A control hybrid reactor with no NSAID addition, and a micropollutant hybrid reactor with the addition of target NSAIDs at environmentally relevant concentrations were monitored. Over a period of 217 days, various parameters were monitored to assess system performance, including concentrations of chemical oxygen demand, ammonia, nitrite, and nitrate, as well as the influent and effluent levels of each NSAID. Based on the achieved removal efficiencies, it can be said that the hybrid system performed efficiently in degrading most of the NSAIDs studied. Ibuprofen and indomethacin were removed completely (with 100% removal efficiency), while ketoprofen, naproxen, and mefenamic acid showed removal efficiencies of 86%, 93%, and 84% respectively. Diclofenac, due to its low biodegradability, exhibited the lowest removal rate of 54%, which was higher than the performance of conventional activated sludge systems which was mostly reported less than 30% removal efficiency. These findings highlight the superior performance of hybrid systems in the biological treatment of NSAIDs. The hybrid system facilitates the growth of slow-growing nitrifiers, enhances the nitrification and also increases the resistance of the system to of parameters such as high loading rates and micropollutants. Using advanced molecular techniques, including high-throughput 16S rRNA gene sequencing, the microbial communities in the reactors were analyzed at phylum and species taxonomic levels. The results showed significant changes in the microbial community composition as a result of NSAID exposure. At the phylum level, dominant phyla were detected to be Proteobacteria, Bacteroidota, Acidobacteriota, Planctomycetota and Chloroflexi in the MP hybrid reactor. The results also indicated that the presence of NSAIDs caused a reduction in microbial diversity, as measured by different indices such as Shannon and Chao1 diversity indices. This reduction shows that NSAIDs cause selective pressure on microbial populations, potentially inhibiting sensitive species while improving the presence of resistant species. At the species level, Leadbetterella, Thauera, OLB8, uncultured Caldilineaceae, Fimbriiglobus and uncultured Planctomycetales species, showed the most relative abundance in the MP hybrid reactor, indicating their potential role in NSAID degradation. These findings are consistent with literature suggesting that certain microorganisms are capable of breaking down NSAIDs. Moreover, important treatment functions such as COD removal and nitrification were not inhibited showing that the microbial community was able to adapt to the presence of NSAIDs, maintaining its functions. Future researches should focus on applying the hybrid systems for full-scale cases with actual wastewater with complex matrix. Additionally, further exploration into the dynamics of NSAID-degrading microorganisms, may result in deeper insights into the mechanisms of NSAIDs biodegradation. In conclusion, this study highlights the potential of hybrid systems as an eco-friendly and sustainable solution to the presence of NSAIDs in the wastewater. Considering both high removal efficiency and microbial resistance, such systems represent a new insight for further systems operation and configuration.
Benzer Tezler
- Effect of anti-inflammatory drug micropollutants in hybrid biofilm nitrification systems on microbial community population
Hibrit biyofilm nitrifikasyon sisteminde antienflamatuvar özellikteki mikrokirleticilerin mikrobiyal popülasyon üzerine etkisi
ROYA DADKHAH
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
Assoc. Prof. Dr. DİĞDEM GÜVEN
- Investigation of grey water treatment performance in a vertical subsurface flow constructed wetland
Dikey akışlı bir yapay sulak alanda gri su arıtma performansının değerlendirilmesi
ÖMER FURKAN KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUT EKREM KARPUZCU
- Anaerobik membran biyoreaktörde (anmbr)ilaç endüstrisi kimyasal sentez atıksularının arıtılabilirliğine ozonlamanın etkisi
Ozonation effect on treatibility of pharmaceutical industry chemical synthesis wastewater with anaerobic membrane bioreactor (anmbr)
HASAN BAYRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YASEMİN KAYA
- Havasız arıtmanın fizikokimyasal dengelerle modellenmesi
The Modelling of anaerobic digesters with physico-chemical equilibria
GÜLER DARTAN (DEMİR)
- Investigation of microbial communities in sanitary and bioreactor landfills
Düzenli ve biyoreaktör depo sahalarındaki mikrobiyal toplulukların incelenmesi
BÜLENT MERTOĞLU
Doktora
İngilizce
2005
BiyoteknolojiMarmara ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER AKGİRAY