Yüzeysel suların toksisitesinde mikroplastiklerin rolü ve giderim alternatiflerinin değerlendirilmesi
The role of microplastics in toxicity of surface waters and the assessment of removal alternatives
Yazar: VİLDAN ZÜLAL SÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. NÜKET SİVRİ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Plastik atıkların uygunsuz bertarafı modern zamanların çevre sorunu olan mikroplastik kirliliğini beraberinde getirmektedir. Özellikle, yoğun nüfus ve atıksu arıtma tesisi deşarjları gibi kentleşmiş kıyı alanlarının açık denizlere göre nispeten yüksek mikroplastik bolluğuna sahip olduğu bilinmektedir. Mikroplastiklere neredeyse her ortamda rastlanılıyor oluşu ve toplum ile çevre sağlığı üzerinde kritik rolü olan atıksu arıtma tesislerinin bu kirleticileri tamamı ile giderememesi, "Tek Sağlık" çatısı altındaki tüm unsurları ama özellikle ekosistem sağlığını etkilemektedir. Bu tez çalışmasının amacı, İstanbul kıyısal alanındaki yüzey sularında, mikroplastiklerin (MP) dağılımı, potansiyel sıcak noktalarının belirlenmesi ve giderim alternatiflerinin değerlendirilmesidir. Bu kapsamda, (i) İstanbul kıyısal alanında MP'lerin mekansal dağılımı, özellikle atıksu arıtma tesislerinin (AAT) baskısı altında olduğu belirlenen sıcak noktaların yüzey sularında, ilk defa bir yıllık süre boyunca aylık olarak izlenmiştir. (ii) AAT etkisi altındaki istasyonlarda ortalama mikroplastik bollukları ile yüzey suyu toksisitesi arasındaki ilişki belirlenmiştir. (iii) Seçilen ham polimerlerin (PE, PVC, PVDF, PTFE) biyolüminesans bakteri ve Daphnia magna üzerindeki akut toksisitesi çalışılmıştır. (iv) Son aşama olarak; MP'lerin sucul ortamlarda giderim alternatiflerinin değerlendirilmesinde, konvansiyonel yöntem olarak uygulanan koagülasyon-flokülasyon proseslerinde kullanılan yardımcı kimyasal maddelere alternatif olarak ramnolipid denenmiştir. 
Sonuçlar irdelendiğinde, çalışma alanındaki MP bolluğu ortalama 146±123 MP/L olarak bulunmuştur. AAT etkisi altındaki tüm istasyonların yüzey sularında ortalama MP bolluğu, kontrol istasyonları yüzey sularındaki MP bolluğuna göre 2,2 kat fazladır. Tespit edilen MP'ler baskın olarak, 250-100 µm (%33,66) arasında, şeffaf renkli (%33,07) ve lif (%65,48) şeklindedir. A1 istasyonu özelinde, yüzeysel suların akut toksisitesi ile MP bollukları arasında anlamlı bir ilişki (R2=0,75) belirlenmiştir. Aliivibrio fischeri üzerinde seçilen polimerlerin akut toksisitesi tespit edilememiş, Daphnia magna üzerinde 96 saatlik maruziyet süresinde, PE (EC50=45,30 mg/L) ve PVC (EC50=9,37 mg/L) toksik bulunmuştur. Giderim çalışmalarında ramnolipid kullanımında, PVC gideriminde %73,67 verim elde edilmiştir. Tez çalışmasına ait en önemli sonucun, alternatif olarak kullanılan ramnolipidin polimer giderim veriminin arttırılmasında etkin olarak kullanılabileceği ve farklı bilimsel teknikler geliştirmek için umut verici olabileceği değerlendirilmiştir.

Abstract:
Improper disposal of plastic waste leads to the environmental problem of microplastic pollution, which is a contemporary issue. In particular, urbanized coastal areas with high population densities and discharges from sewage treatment plants are known to have relatively high levels of microplastics compared to open seas. The fact that microplastics are found in almost every environment, and wastewater treatment plants, which play a critical role in public and environmental health, cannot fully remove these pollutants, affects all elements of the "One Health" framework, especially ecosystem health. The aim of this thesis is to determine the distribution of microplastics (MP), identify potential hotspots, and evaluate alternatives for the removal of microplastics in surface waters along the coastal areas of Istanbul. In this context, (i) the spatial distribution of MPs in the coastal region of Istanbul, especially the hotspots identified under pressure from wastewater treatment plants (WWTPs), was monitored monthly for the first time over a period of one year. (ii) The relationship between the average amount of microplastics and surface water toxicity was determined at stations under the influence of WWTPs. (iii) The acute toxicity of selected raw polymers (PE, PVC, PVDF, PTFE) was investigated in bioluminescent bacteria and Daphnia magna. (iv) Finally, rhamnolipid was tested as an alternative to auxiliary chemicals used in conventional coagulation-flocculation processes for the evaluation of MP removal alternatives in the aquatic environment.
Analysis of the results shows that the abundance of MP in the study area is on average 146±123 MP/L. The average abundance of MP in the surface waters of all stations under the influence of WWTPs is 2.2 times higher than the abundance of MP in the surface waters of the control stations. The predominant MP are mainly transparent (33.07%) and fibrous (65.48%), with a size range of 250-100 µm (33.66%). A significant relationship (R2=0.75) was found between the frequency of MP and the acute toxicity of surface water at station A1. The acute toxicity of selected polymers to Aliivibrio fischeri could not be determined, while in a 96-hour exposure of Daphnia magna, PE (EC50=45.30 mg/L) and PVC (EC50=9.37 mg/L) were found to be toxic. In the rhamnolipid removal studies, a removal efficiency of 73.67% was obtained for PVC. The most important finding of this study is the effective use of rhamnolipid as an alternative to increase the efficiency of polymer removal. This holds promise for the development of various scientific techniques.