Atıksularda antibiyotiklerin tespiti ve gideriminin araştırılması
Investigation of determination methods and removal of antibiotics in wastewater
Yazar: BAHAR İKİZOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. FATMA İLTER TÜRKDOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Analitik kimya = Analytical chemistry ; Ekolojik etki = Ecological effect ; Membran teknolojileri = Membrane technologies ; Çevre = Environment

Özet:
Bu çalışmanın amacı Türkiye'de en çok kullanılan ilaç grubu olan antibiyotiklerin arıtma tesislerinde mevsimlere bağlı olarak konsantrasyonlarının tespitini yapmak; farklı kademelerdeki giderim oranlarını belirlemektir. Antibiyotik konsantrasyonlarının tayini için kütle spektrofotometresinde metot geliştirmekte çalışmanın dolaylı amacı olmuştır. Tüm bunların haricinde mevcut arıtma tesislerinde giderimi nihayetlendirilemeyen antibiyotikler için laboratuvar ölçekli alternatif proses geliştirilmiştir.
Patojenlere zarar veren her türlü kimyasal maddeye antibiyotik denilmektedir. Antibiyotikler kimyasal ve yapısal özelliklerine göre betalaktamlar, florokinolonlar, makrolidler, tetrasiklinler, sülfonomidler, trimetoprimler, ve diğer antibiyotikler olarak sınıflandırılmaktadır. Antibiyotiklerin vücuttan metabolize edilmeden atılma oranları %10- %90 arasında değişmektedir. Bu nedenle dışkı veya idrar yoluyla atılan antibiyotikler, kanalizasyona karışmaktadır ve kentsel atıksu arıtma tesislerine ulaşmaktadır. Özellikle mikrokirletici gideriminin gündemde olduğu günümüz şartlarında, evsel atıksuların arıtımında uygulanan konvansiyonel yöntemlerde, antibiyotik giderim performansının bilinmesi ve tesis planlarının giderim verimleri göz önünde bulundurularak yapılması önem arz etmektedir.
Türkiye'de yazılan her 10 reçetenin 7'sinde antibiyotik bulunduğu ve birçok bakteri türünün antibiyotiklere karşı gösterdiği direncin ülkemiz genelinde çok yüksek olduğu bilinmektedir. Tüm ilaç tüketimi arasında antibiyotikler, ülkemizde son 6 yıldır ilk sırada bulunmaktadır. Son yıllarda antibiyotik tüketiminin fazlalığı birçok kez vurgulanmış olmasına rağmen, su matrisinde antibiyotik konsantrasyonlarının tespiti ve antibiyotiklerin tespit edilmesine yönelik analiz yönteminin oluşturulmasına dair kapsamlı bir çalışma maalesef bulunmamaktadır. Bu tez çalışması ile ülkemizde bu konudaki boşluk doldurulacaktır.
Tez kapsamında yapılan çalışmada Türkiye'de en çok kullanılan antibiyotikler satış değerleri üzerinden belirlenerek, 6 farklı grup üzerinde çalışılması gerektiği kanaati oluşmuştur.  İstanbul bölgesinde iki farklı kademede arıtma yapan arıtma tesisinden ve bir üniversite hastahanesi atıksu kanalından alınan numunelerde antibiyotik tayini ve arıtma tesislerinde giderim etkinliği incelenmiştir. 6 farklı grup antibiyotiğin analizleri için kromotografik metot oluşturulmuştur. Çalışmanın diğer ayağında ise senetik ve gerçek atıksu kullanarak nanofiltrasyon membranlar ile sözkonusu antibiyotiklerin giderimleri araştırılmıştır.
İstanbul Üniversitesi Çapa Tıp Fakültesi kanalizasyon kanalından alınan numunelerde bir yıl boyunca mevsimsel olarak; antibiyotik konsantrasyonları izlenmiş olup, Paşaköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi giriş ve çıkış atıksuyu, ile Tuzla İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi giriş atıksuyu, biyolojik arıtma çıkışı ve ileri biyolojik atıksu çıkışından 24 saatlik kompozit numunler alınarak bir buçuk yıl süreyle mevsimsel olarak antibiyotik konsantrasyonları izlenmiş olup, arıtma tesisinde antibiyotiklerin giderimleri tespit edilmiştir. 
Antibiyotik giderimleri, antibiyotik konsantrasyonlarına ve atıksu işletme proseslerine bağlı olarak oldukça değişkenlik göstermekte olup betalaktam grubu antibiyotiklerin tümü ve tetrasiklin arıtma tesisinde genellikle %100 oranında giderildiği görülmüştür. Klaritromisin, linkomisin levofloksasin, siprofloksasin, trimetoprim, antibiyotiklerinin giderim etkinliğinin mevcut arıtma tesislerinde oldukça düşük olduğu tespit edilmiştir.  Bu yüzden 1,5 yıl süren izleme calışması sonucunda biyolojik arıtma tesislerinde giderimi pek mümkün olmayan florokinolon, linkosamid,  makrolid ve trimetoprim grubu antibiyotik etken maddelerinin; oda sıcaklığında belirli işletme şartlarında, 250 µg/L ve 1000 µg/L'lik ultrasafsu ile hazırlanmış sentetik çözeltilerden 5 farklı ticari nanofiltrasyon (NF) membranı (NFCK, NFDK, ESNA, NF90, NF270) kullanılarak giderimleri araştırılmıştır. Sentetik ve gerçek atıksu ile yapılan çalışmaların sonucunda nanofiltrasyon membranlarının arıtma tesisinde giderimi mümkün olmayan antibiyotikleri etkin bir biçimde giderebildiği tespit edilmiştir. Sonuç olarak giderimi konvansiyonel arıtma yoluyla mümkün olmayan antibiyotiklerin, alıcı ortamlardaki mikroorganizmalara zarar vermemesi ve dolaylı olarak insanlara ulaşan antibiyotik döngüsündeki antibiyotik miktarını azaltmak için arıtma tesisi çıkış suyuna nanofiltrasyon prosesi uygulanması, günümüzde optimal bir çözüm gibi görünmektedir.

Anahtar Kelimeler: Antibiyotikler, konvansiyonel arıtma, ileri artma,  SPE, LC-MS/MS, nanofiltrasyon, atıksu

Abstract:
The objective of the present study was to determine the seasonal concentration of antibiotics, which are the most used medicine group in Turkey, in water treatment plants and to determine the removal rates at different stages. An indirect objective of the study was to develop methods of mass spectrophotometry to determine antibiotic concentrations. Furthermore, a laboratory-scale alternative process was developed for antibiotics that could not be completely removed in existing treatment plants.
All chemicals that harm the pathogens are called antibiotics. Antibiotics are classified as betalactams, fluoroquinolones, macrolides, tetracyclines, sulphonamides, trimethoprims, and other antibiotics based on their chemical and structural properties. The clearance rate of non-metabolized antibiotics in the body varies between 10% and 90%. Thus, fecal or urinary antibiotics are discharged into sewage water and reach urban wastewater treatment plants. The knowledge on antibiotic removal performance of the conventional methods used in treatment of domestic wastewater and planning the plants based on removal yields is important, especially today when micropollutant removal is on the agenda.
It is known that antibiotics are prescribed in 7 out of 10 prescriptions in Turkey and that the resistance of several bacterial species against antibiotics is very high in our country. Among all medicine consumption, antibiotics are the leading product group in Turkey for the last 6 years. Although there has been a lot of emphasis on high antibiotic consumption during recent years, comprehensive studies on determination of antibiotic concentrations in water matrix and the establishment of an analytical method for detection of antibiotics were unfortunately not conducted. The aim of the present thesis is to fill this gap in the national literature in Turkey.
In the study conducted within the scope of this thesis, the most commonly consumed antibiotics in Turkey were determined based on sales volumes and it was concluded that the study should be conducted on 6 different groups. Antibiotics were determined in samples obtained at the treatment facility that operates at two different levels in Istanbul province and at a university hospital wastewater, and removal efficiency was investigated in treatment facilities. Chromatographic method was developed for the analysis of 6 different antibiotic groups. In the other study section, the removal of the related antibiotics with nanofiltration membranes was investigated on synthetic and real wastewater.
Antibiotic concentrations were monitored seasonally for 1 year on University of Istanbul, Çapa Faculty of Medicine sewage system and 24-hour composite samples were obtained from Paşaköy Advanced Biological Wastewater Treatment Facility influent and effluent, Tuzla Advanced Biological Wastewater Treatment Facility influent, biological treatment effluent and advanced biological treatment effluent and the antibiotic concentrations were monitored seasonally for one and a half years and antibiotic removal in treatment plants was identified.
Antibiotic removal highly differentiated based on antibiotic concentrations and wastewater operation processes, and it was observed that all antibiotics in the beta lactam group and tetracycline were generally 100% removed in the treatment facilities. It was determined that the removal rates for clarithromycin, lincomycin, levofloxacin, ciprofloxacin, trimethoprim antibiotics were quite low in the existing treatment plants. Thus, as a result of 1 and a half year monitoring study, the removal of the active agents of the fluoroquinolone, lincosamide, macrolide and trimethoprim group antibiotics, which were unlikely to be removed in biological treatment plants, from synthetic solutions prepared with 250 μg /L and 1000 μg /L ultrapure water was studied using five different nanofiltration (NF) membranes (NFCK, NFDK, ESNA, NF90, NF270). In the studies conducted with synthetic and real wastewater, it was found that nanofiltration membranes can effectively remove antibiotics that could not be removed in the treatment facility. In conclusion, application of NF process on treatment facility effluent seems to be an optimal solution today to prevent the antibiotic induced damages to the microorganisms in the receiving environment that could not be removed with conventional treatment methods and to reduce the amount of antibiotics in the antibiotic cycle that indirectly reaches to humans.

Keywords: Antibiotics, conventional treatment, advanced treatment, SPE, LC-MS/MS, nano-filtration, wastewater