Geri Dön

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

  1. Tez No: 958811
  2. Yazar: ROYA DADKHAH
  3. Danışmanlar: Assoc. Prof. Dr. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI, Assoc. Prof. Dr. DİĞDEM GÜVEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 177

Özet

Steroid olmayan antienflamatuar ilaçlar (NSAID'ler), en sık kullanılan farmasötikler arasında yer almaktadır. Bu maddeler çeşitli kaynaklardan sucul ortamlara ulaşmaktadır. Örneğin, hastanelerden kanalizasyon sistemlerine yapılan deşarjlar yoluyla doğrudan ya da insan ve hayvan dışkıları aracılığıyla dolaylı olarak sucul ortama girebilirler. NSAID'ler, yapılarında bulunan aromatik halka veya klor grubu nedeniyle ilk 10 kalıcı kirletici arasında yer almakta ve atıksu arıtma tesislerinde (AAT'ler) tam olarak parçalanmamaları ve düşük konsantrasyonlarda bile insan sağlığı ve ekosistem üzerinde uzun vadeli toksik etkileri nedeniyle önemli bir çevresel sorun oluşturmaktadır. Ayrıca, tarımsal ve endüstriyel faaliyetler nedeniyle su kaynaklarında artan azot bileşikleri konsantrasyonu önemli çevresel problemlere yol açmaktadır. Kentsel atıksuların su ortamlarına deşarj edilmeden önce azot içeriğinden arındırılması çok önemlidir, çünkü bu durum doğal sularda ötrofikasyon riski ve sucul ekosistemler üzerindeki zararlı etkiler nedeniyle büyük önem taşımaktadır. Hareketli yatak biyofilm reaktörleri (MBBR'ler) gibi hibrit arıtma teknolojileri, geleneksel aktif çamur sistemlerine alternatif olarak umut verici olabilir. Askıda ve yüzeyde çoğalan biyokütle içeren hibrit MBBR sistemleri, heterotrofların çoğunlukla askıda büyümesini sağlarken, taşıyıcılar nitrifikasyon bakterilerinin gelişimini kolaylaştırır. Ayrıca, MBBR'ler çevresel dalgalanmalara karşı tolerans gösterebilir ve değişken organik yükleme koşullarında etkili arıtma faaliyetlerini sürdürebildikleri bildirilmiştir. Literatürde organik yükleme oranının (OLR) NSAID giderim verimliliği üzerindeki etkisi konusunda net bir eğilim bulunmamakta ve bu ilaçların mikrobiyal profil üzerindeki etkileri daha fazla araştırılmayı gerektirmektedir. Bu çalışmanın amacı, düşük OLR koşullarında işletilen hibrit sistemlerde diklofenak, ibuprofen, ketoprofen, naproksen, indometasin ve mefenamik asit dahil olmak üzere seçilen NSAID'lerin giderim verimliliğini araştırmak ve mikrobiyal toplulukların yapı ve çeşitliliği üzerindeki etkilerini değerlendirmektir. Bu amaçla, laboratuvar ölçekli ardışık kesikli reaktörler hibrit sistem olarak çalıştırılmış, reaktörlere biyofilm taşıyıcılar eklenerek askıda ve tutunmuş biyokütle elde edilmiştir. Her iki reaktör için doluluk oranı %30 olarak belirlenmiştir. Kontrol ve mikrokirletici reaktörleri aynı işletme koşullarında çalıştırılmıştır. Aktif çamur, İstanbul'da bulunan ileri biyolojik bir AAT'nin havalandırma tankından temin edilmiştir. Kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) 150 µg/L ve başlangıç amonyum konsantrasyonu 60 mg/L olarak belirlenmiştir. Çamur yaşı 10 gün olarak ayarlanmıştır. Mikrokirletici reaktörü, çevresel olarak anlamlı konsantrasyonlarda (1–10 µg/L aralığında) seçilen altı NSAID bileşiği ile beslenmiştir. Reaktör performansını izlemek amacıyla KOİ, Amonyum Azotu (NH4-N), Çözünmüş Kimyasal Oksijen İhtiyacı (çKOİ), Nitrit (NO2−), Nitrat (NO3−), Toplam Askıda Katı Madde (AKM), Uçucu Askıda Katı Madde (UAKM) analizleri gerçekleştirilmiş ve miktarları belirlenmiştir. Hibrit sistemde kararlı duruma ulaşıldıktan sonra numune alımı yapılmış ve hedef NSAID'ler konsantrasyonları ölçülmüştür. Mikrobiyal analizler, biyokütleden DNA ekstraksiyonu ile başlatılmıştır. Tür tayini için yaygın olarak kullanılan değişken bir bölge olan 16S ribozomal RNA geninin V3–V4 bölgesi PCR ile çoğaltılmıştır. Ardından yeni nesil dizileme (NGS) uygulanmış ve elde edilen diziler biyoenformatik analizden geçirilmiştir. Hibrit reaktör performansını değerlendirmek amacıyla elde edilen çıkış konsantrasyonu sonuçları, hibrit kontrol reaktöründe yaklaşık %81 ve hibrit mikrokirletici reaktöründe yaklaşık %87 oranında karbon giderimi olduğunu göstermiştir. Amonyum giderimi (NH4+) hibrit kontrol reaktöründe yaklaşık %77, seçilen NSAID'lerin varlığında ise yaklaşık %90 olarak ölçülmüştür. Ibuprofen (%100), indometasin (%100), naproksen (%99), mefenamik asit (%98), ketoprofen (%96) ve diklofenak (%69) için anlamlı giderim verimliliği elde edilmiştir. Seçilen NSAID'ler, nitrifikasyon sürecini ve karbon giderimini inhibe etmemektedir. Ayrıca düşük OLR, seçilen NSAID'lerin giderimini olumsuz etkilememiştir. Hibrit mikrokirletici reaktöründe gözlenen baskın filumlar askıda biyokütlede %42.40 ile Bacteroidota, %35.13 ile Proteobacteria; tutunmuş biyokütlede ise %29.28 ile Proteobacteria ve %28.31 ile Bacteroidota olarak belirlenmiştir. Cins düzeyinde ise hibrit mikrokirletici reaktöründe askıda biyokütlede baskın olan cinsler arasında Chitinophagaceae ailesine ait kültüre edilmemiş bir cins (%10.08), Ferruginibacter (%7.82) ve Comamonas (%6.77) yer alırken; tutunmuş biyokütlede Fimbriimonadaceae (%8.73) ve Parafilimonas (%6.46) baskın olarak gözlemlenmiştir. Mikrobiyal çeşitliliği gösteren Shannon indeksi, hibrit reaktöre seçilen NSAID'lerin eklenmesinden sonra tutunmuş biyokütlede artış göstermiş, hibrit mikrokirletici reaktörünün askıda biyokütlesinde ise çeşitlilikte azalma gözlemlenmiştir. Bu durum, NSAID baskısı altında yüzeyde çoğalan biyokütlede daha yüksek çeşitliliğin olduğunu düşündürmektedir. Ayrıca, operasyonel taksonomik birimler (OTU) sayısı NSAID ilavesinden sonra, yüzeyde çoğalan biyokütlede artarken, hibrit mikrokirletici reaktörünün askıda biyokütlesinde azalmıştır. Bu durum, yüzeyde çoğalan biyokütlenin NSAID ilavesi sonrası daha zengin bir mikrobiyal profile sahip olduğunu göstermektedir. Ancak Pielou's evenness indeksi için durum tersine olmuştur. Bu indeks, seçilen NSAID'lere maruz bırakıldıktan sonra her iki reaktörde de azalmıştır. NSAID baskısı, mikrobiyal topluluğun eşitliğindeki düşüşe katkıda bulunmuş olabilir. Yüzeyde çoğalan biyokütlede askıda biyokütleye kıyasla daha yüksek biyoçeşitlilik ve zenginlik gözlemlenmiştir. Bu durum, biyofilm ortamında çeşitli fonksiyonel bakterilerin bir arada bulunmasını kolaylaştıran artan mikrobiyal karmaşıklığa bağlanabilir. Hibrit kontrol ve hibrit mikrokirletici reaktörlerinde askıda ve yüzeyde çoğalan biyokütlelerin biyoçeşitliliğindeki farklar, çeşitli çalışmalarda da görüldüğü gibi, NSAID baskısından kaynaklanmış olabilir. İnokulum çamuruna kıyasla hibrit kontrol reaktörünün askıda ve tutunmuş biyokütlesinde Saprospiraceae ailesine ve Saccharimonadales takımına ait kültüre edilmemiş cinslerde önemli azalma görülmüştür. Öte yandan, inokulum çamuruna kıyasla hibrit kontrol reaktörünün askıda biyokütlesinde Niabella ve Paracoccus gibi bazı cinslerde önemli artış tespit edilmiştir. Yüzeyde çoğalan biyokütlede ise Paracoccus, Ottowia ve Fimbriiglobus cinslerinde anlamlı bir artış gözlemlenmiştir. Bu önemli değişikliklerin, laboratuvar ölçekli deneysel koşullara ve bu çalışma için seçilen düşük OLR gibi işletme parametrelerine yanıt olarak ortaya çıktığı düşünülmektedir. Hibrit mikrokirletici reaktörünün askıda biyokütlesinde baskın olan Chitinophagaceae ailesine ait kültürlenmemiş cins, aynı aileye ait Ferruginibacter ve Comamonadaceae ailesine ait Comamonas ile birlikte; tutunmuş biyokütlede baskın olan Chitinophagaceae ailesine ait Parafilimonas cinsi, Rickettsia ve Fimbriimonadaceae, hibrit sistemde yaygın nitrifiye edicilerden ziyade nitrifikasyona katkı sağlamış olabilir. Benzer çalışmalarda, Chitinophagaceae ve Comamonadaceae ailelerinin MBBR sistemlerinde azot gideriminde etkili olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, Bacteroidota ve Proteobacteria, azot ve mikrokirletici gideriminde önemli rol oynayan filumlar olarak bildirilmiştir. SILVA database, daha fazla takson tanımlayabildiği için bu çalışma için uygun bir veri tabanı olmuştur. Mikrobiyal çeşitlilik, NSAID giderimi ve bunun nitrifikasyonla ilişkisini daha etkili bir şekilde incelemek amacıyla, daha uzun hedef gen bölgelerini içeren ayrıntılı qPCR ve NGS analizleri ya da alternatif moleküler teknikler kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

Non-steroidal Anti-inflammatory Drugs (NSAIDs) are one of the most frequently used pharmaceuticals, as they are available over the counter worldwide. They are known among top 10 persistent pollutants with a significant environmental concern because of their incomplete degradation in wastewater treatment plants (WWTPs) and long-term toxic effects of NSAIDs even at low concentrations on human health and ecosystem. Hybrid treatment technologies such as moving bed biofilm reactors (MBBRs) can be a promising alternative for conventional activated sludge system. Hybrid MBBR systems which, contain suspended and attached biomass, are capable of tolerating environmental fluctuations and have been reported to sustain effective removal activity in fluctuating organic loading conditions. There is no clear trend in literature about impact of organic loading rate (OLR) on removal efficiency of NSAIDs, and also their effect on microbial profile requires further investigation. The objective of this study is to investigate the removal efficiency of targeted NSAIDs including diclofenac, ibuprofen, ketoprofen, naproxen, indomethacin, and mefenamic acid in hybrid systems, operated under low OLR condition, and to assess their impact on the structure and diversity of microbial communities. For this purpose, laboratory scale sequencing batch reactors (SBRs) were operated as hybrid system by adding biofilm carriers to the reactors to achieve both suspended and attached biomass. The filling ratio for both reactors were 30%. Control and micropollutant (MP) reactors were operated under same operational conditions. The activated sludge was obtained from the aeration tank of an advanced biological WWTP in Istanbul. The chemical oxygen demand (COD) was 150 mg/L COD and the initial ammonium concentration was 60 mg/L. Sludge age was adjusted as 10 days. The micropollutant reactor were fed with six selected NSAIDs including diclofenac, ibuprofen, ketoprofen, naproxen, indomethacin, and mefenamic acid at environmentally relevant concentrations ranging from 1-10 µg/L. In order to track the performance of the reactor, COD, Ammonium Nitrogen (NH4-N), Soluble Chemical Oxygen Demand (sCOD), Nitrite (NO2−), Nitrite (NO3−), Total Suspended Solid (TSS), Volatile Suspended Solid (VSS) analysis were conducted and they quantified. Sample collection was done after reaching steady state condition in the hybrid system to measure targeted NSAIDs concentrations. Microbial analyses were started by DNA extraction from biomass. The V3–V4 region (widely used variable region for species identification) of the 16S ribosomal RNA gene were amplified by PCR. Then Next-generation sequencing (NGS) applied and finally the obtained sequencing went through bioinformatic analysis. The results of effluent concentrations obtained to assess the hybrid reactor performance, showed a carbon removal of approximately 81% in hybrid control and 87% in hybrid MP reactor. The ammonium removal (NH4+) was measured as approximately 77% in hybrid control reactor and approximately 90% in presence of selected NSAIDs. Significant removal efficiencies of ibuprofen (100%), indomethacin (100%), naproxen (99%), mefenamic acid (98%), ketoprofen (96%) and diclofenac (69%) were achieved. The results showed that selected NSAIDs did not inhibit nitrification process and carbon removal, and also low OLR did not adversely affect the removal of selected NSAIDs. The dominant phyla observed in the hybrid MP reactor were Bacteroidota (42.40%), Proteobacteria (35.13%) for suspended biomass and Proteobacteria (29.28%) and Bacteroidota (28.31%) for attached biomass. At the genus level, in the hybrid MP reactor, the genera including uncultured genus belonging to the Chitinophagaceae family (10.08%), Ferruginibacter (7.82%), Comamonas (6.77%) dominated the suspended biomass, while Fimbriimonadaceae (8.73%) and Parafilimonas (6.46%) were seen as dominant genera in attached biomass. Shannon index shows the diversity of microbial community. An increase in shannon index was observed in the attached biomass after addition of selected NSAIDs to the hybrid reactor, while diversity decreased in the suspended biomass of hybrid MP reactor, suggesting higher diversity in attached biomass under NSAIDs stress. Moreover, operational taxonomic units (OTUs) increased in the attached biomass after NSAIDs addition but a decrease was observed in the suspended biomass of hybrid MP reactor, implying that attached biomass had richer microbial profile than suspended biomass after NSAIDs addition. The case for the Pielou's evenness was opposite. This index decreased for both reactors after exposure to the selected NSAIDs. NSAID stress might contribute to the decrease of evenness in microbial community. Higher biodiversity and richness in attached biomass comparing to suspended biomass, might be attributed to an increase in microbial complexity which may enhance the coexistence of various functional bacterial in the biofilm as reported in a comparable study. The difference in biodiversity of hybrid control and hybrid MP reactors of suspended and attached biomass, might be due to the NSAIDs stress as seen in various studies. Uncultured genus belonging to Saprospiraceae family and Saccharimonadale decreased significantly in both suspended and attached biomass of hybrid control reactor comparing to the inoculum sludge. On the other hand, a significant increase was detected for the suspended biomass of hybrid control reactor comparing to inoculum sludge in some genera such as Niabella and Paracoccus. For the attached biomass, significant increase was seen in Paracoccus, Ottowia and Fimbriiglobus. These observed significant changes were probably in response to the lab-scale experimental conditions, as well as selected operational conditions for this study such as low OLR. uncultured genus belonging to Chitinophagaceae family, Ferruginibacter (belongs to Chitinophagaceae family) and Comamonas (belongs to Comamonadacea family) that dominated suspended biomass of hybrid MP reactor, and also genus Fimbri- imonadaceae, Parafilimonas (belongs to Chitinophagaceae family) and Rickettsia which dominated the attached biomass of hybrid MP reactor, might contribute to the nitrification in hybrid system rather than common nitrifiers. Families Chitinophagaceae and Comamonadacea in similar studies, have been identified to be effective in nitrogen removal within MBBR. Moreover, Bacteroidota and Proteobacteria have been reported to play an important role in nitrogen and MP removal. Further research may be conduct by detailed qPCR and NGS with longer target gene region or alternative molecular techniques to more effectively investigate the relationship between microbial diversity, NSAID removal, and also its correlation with nitrification.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887789

    Hareketli yataklı reaktörlerde antienflamatuvar yapıdaki mikro kirleticilerin gideriminin araştırılması

    Investigation of the removal of anti-inflammatory micropollutants in moving bed reactors

    BERKAY UÇAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL

  2. Tez No

    451046

    Biyolojik atık su arıtma tesisinde diklofenak'ın mevsimsel giderim veriminin ve laboratuvar ölçekli anoksik arıtılabilirliğinin incelenmesi

    Investigation of seasonal removal efficiency of diclofenac in a biological wastewater treatment plant and biodegradability potential in lab scale anoxic reactors

    GAMZE ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DİDEM OKUTMAN TAŞ

  3. Tez No

    607886

    Diklofenak içeren atıksuyun fotokimyasal ileri oksidasyon prosesleri ile arıtılabilirliğinin araştırılması

    Investigation the treatability of the diclofenac in wastewater by photochemical advanced oxidation processes

    SEVDA HATUN ALTIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Çevre MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANİFE BÜYÜKGÜNGÖR

  4. Tez No

    329230

    İnguinal lenf bezi diseksiyonu uygulanan sıçanlarda lokal steril talk ve lokal antiinflamatuar ilaç uygulamalarının postoperatif seroma oluşumuna etkilerinin incelenmesi

    Inguinal lymph node dissection and local anti-inflammatory drug treated rats talk local sterile applications investigating the effects of postoperative seroma formation

    AYŞEN USLUER

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Plastik ve Rekonstrüktif CerrahiCelal Bayar Üniversitesi

    Plastik Rekonstrüktif ve Estetik Cerrahi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT YOLERİ

  5. Tez No

    791409

    Aspirinin anti-miyeloma etkinliğinin makrofaj polarizasyonu aracılı belirlenmesi

    Determination of anti-myeloma effect of aspirin by macrophage polarization

    NURBANU GÖNÜLKIRMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Tıbbi BiyolojiAnkara Üniversitesi

    Tıbbi Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASUMAN SUNGUROĞLU

Geri Dön