Aquaporin içeren biomimetik membranlar kullanarak iz organik kirleticilerin giderimi
Removal of trace organic pollutants by using aquaporin based biomimetic membranes
Yazar: HİLAL YILMAZ
Danışman: PROF. DR. MELEK ÖZKAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışması sürdürülebilir bir çevre için yeni ve gelecek vaadeden biyomalzeme geliştirilmesine yöneliktir. Tez kapsamında hücre zarında bulunan su kanal proteinleri (aquaporinler) kullanılarak biyomimetik filtrasyon membranları üretilmiş ve iz organik kirletici giderimindeki verimlilikleri incelenmiştir. Membranların hazırlanmasında kullanılmak üzere halofilik bakteri Halomonas elongata aquaporin geni Escherichia coli'de His saflaştırma etiketi içerecek şekilde ilk defa klonlanmış ve üretilmiştir. Tez kapsamında ayrıca membranların hazırlanması için daha önceki çalışmalarda Glutatyon-S-Transferaz (GST) saflaştırma etiketi içerecek şekilde klonlanmış olan E. coli ve H. elongata bakterilerine ait aquaporinler de kullanılmıştır.
Biyomimetik ince film kompozit membranların alıcı ortamı tehdit eden beş iz organik kirleticinin (diklofenak, atrazin, triklosan, terbutrin ve diuron) uzaklaştırılmasındaki performansları bu tez kapsamında incelenmiştir. Ayrıca membranların kirletici itme verimi, su akısı, raf ömrü ve kararlılık gibi özellikleri de belirlenmiştir. 100 µg/L atrazin, terbutrin, triklosan ve diuron için giderim verimleri karşılaştırıldığında, aquaporinli membranların iz organik kirleticileri itme verimi (%R) %66,7 ile %90,1 arasında değişirken, aquaporin içermeyen kontrol membranı %18,8 ile 44 arasında red sağlamıştır. Toplam kirletici konsantrasyonu, kirletici yapısı ve aquaporin özelliklerinin giderim verimini etkileyen önemli parametreler olduğu görülmüştür. İz organik kirletici gideriminde His-H. elongata aquaporini ile hazırlanan membranlarla gerçekleştirilen filtrasyonlarda en yüksek itme değerleri, terbütrin ve atrazin ile sağlanmış ve sırasıyla %83 ve %82 olarak bulunmuştur.
Bu tez kapsamında yapılan çalışmalarda aquaporinli biyomimetik nanokompozit membranların atıksulardan iz organik kirleticilerin gideriminde ileri arıtım prosesi olarak kullanım potansiyeli olduğu gösterilmiştir. Ayrıca yüksek su akısı sayesinde bu yeni biyomimetik membranların gübre arıtımı, alg susuzlaştırması ve boya giderimi gibi çok farklı proseslerde kullanım potansiyeline sahip olduğu öngörülmüştür.

Abstract:
DThis thesis aims to develop novel biomaterials for a sustainable environment. In the scope of the thesis, biomimetic filtration membranes were produced with cell membrane water chanel proteins (aquaorins) and their efficiency in trace organic pollutant removal was investigated. The aquaporin gene of the halophilic bacterium H. elongata with its purification His tag was cloned and produced in E. coli for the first time to be used in the preparation of biomimetic filtration membranes whose efficiency was examined. Aquaporins belonging to E. coli and Halomonas elongata bacteria, which were cloned with Glutathione-S-Transferase (GST) purification tag in previous studies, were also used for the preparation of the membranes.
The performance of biomimetic thin film composite membranes in the removal of five trace organic contaminants (diclofenac, atrazine, triclosan, terbutrine and diuron) that threaten the receiving environment was examined in this study. Membrane parameters such as, micropollutant rejection efficiency, water flux, shelf life and stability was also evaluated. When the removal efficiencies of atrazine, terbutrine, triclosan and diurone at 100 µg/L concentrations were compared, the micropollutant rejection efficiency (%R) of membranes with aquaporin varied between 66.7% and 90.1%, while the control membrane without aquaporin provided rejection between 18.8-44%. It has been observed that the total pollutant concentration, pollutant structure and aquaporin properties are important parameters affecting the removal efficiency. In the filtrations performed with membranes prepared with His-H elongata aquaporin for trace organic contaminant removal, the highest values were obtained with terbuthrin and atrazine and were found to be 83% and 82%, respectively.
In the studies carried out within the scope of this thesis, it has been shown that aquaporin-containing biomimetic nanocomposite membranes have the potential to be used as an advanced treatment process in the removal of trace organic pollutants from wastewater. Additionally, due to its high water flux, it is foreseen that this new biomimetic membrane has the potential to be used in many different purification processes including manure removal, algae dewatering and dye removal