Erzurum ili kentsel atıksu arıtma çamurunun bazı ağaç türlerinin gelişimi üzerine etkileri ve bu türlerin arıtma çamurlarına karşı tolerans sınırlarının belirlenmesi
The effect of digested sludge taken from Erzurum domestic wastewater treatment plant on the growth of some tree species and determination of tolerance limit of these tree species against digested sludge
Yazar: DAMLA MUSTAFAOĞLU
Danışman: PROF. DR. ZEYNEP CEYLAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Peyzaj Mimarlığı = Landscape Architecture

Özet:
Amaç: Çalışmamızın amacı; Erzurum Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi (EBAAT)'nin, biyolojik arıtma ünitesinin atığı olarak yüksek miktarlarda biriken ve ıslah edilmesi gereken biyolojik çamurun (EBIWAS), Erzurum iklim ve toprak şartlarına uygun odunsu bitkilerin; Betula Pendula Roth. (huş ağacı), Ulmus Glabra Huds. (karaağaç), Pinus Sylvestris L. (sarıçam)'ın yetiştirme ortamlarına ve gelişimlerine sağlayacakları katkıların belirlenmesi suretiyle hem atığın değerli bir ürüne dönüştürülmesi hem de seçilen bitkilerin atık çamurun içeriğinde var olan ağır metallere karşı gösterdiği tolerans sınırlarının araştırılmasıdır. Araştırmamızda atık çamurun yüksek organik madde içeriği sayesinde sağlayacağı gübre değeri aynı zamanda barındırdığı zararlı kimyasallar ve ağır metallerin farklı atık çamur dozlarında, seçilen bitkilere vereceği zararlar karşılaştırılmalı olarak kar-zarar çerçevesinde değerlendirilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Çalışmamız; etüt (kullanılacak toprağın, atık çamurun, bitkilerin belirlenmesi) veri toplama, bitki yetiştirme, analiz ve sonuçların değerlendirilmesi olmak üzere beş temel aşamadan oluşmaktadır. Atık çamur numuneleri ve etüt edilen toprak numunesi farklı oranlarda karıştırılarak (%0-kontrol, %25,%50, %75, %100) Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Seralarında, sabit şartlar altında (gündüz-gece 20-250C sıcaklıkta ve %25-%30 nem değerleri altında otomasyona bağlı standart koşullar) saksı ortamında (18L) bitkiler (huş, karaağaç, sarıçam) için yaşam alanları oluşturulmuştur. Bitkiler optimal gövde büyüklüğü ve yeşil yaprak sayısına ulaşana dek ve atık çamura gösterdiği maksimum tolerans süresi dikkate alınarak 6 aylık süre sonunda bitkilerin sökümü yapılmış ve kök, gövde, yaprak kısımları ayrıştırılmıştır. Köklerde ve gövdelerde; fiziksel, ağır metal ve nutrient analizleri, yapraklarda ise ağır metal ve nutrient analizlerinin yanı sıra önemli fizyolojik parametreler detaylı olarak incelenmiştir.
Bulgular: Deneylerde elde edilen bulguları 3 ana başlık altında toparlayacak olursak; ilki fizyolojik (yaprakların yaş ve kuru ağırlıkları, klorofil, LPO seviyesi MDA olarak, total karbonhidrat, fenolik madde, ROS (hidrojen peroksit, süperoksit anyonu), çözünebilir protein, anti oksidan enzimler (CAT, APX, SOD, GST) parametre bulguları, ikincisi ağır metal (Al, Mn, Fe, Cu, Zn, Pb, Ni, Cd)  bulguları ve son olarak da nutrient madde (organik karbon, toplam azot, magnezyum, fosfor ve potasyum) içeriğine ait bulgulardır. Seçilen deneme bitkileri huş, karaağaç ve sarıçam sıralamasına göre sadece yapraklarda yapılan tüm fizyolojik analiz sonuçları: yaş ve kuru ağırlık analiz sonucu, kontrole göre %50'lik atık çamur dozuna kadar artış, %75 ve %100 atık çamur dozlarında azalış göstermiştir. Klorofil miktarları kontrole kıyasla %75'lik atık çamur dozuna kadar herhangi bir değişiklik göstermezken bu dozun üzerinde azalma seyrindedir. LPO seviyeleri kontrole kıyasla %50 atık çamur dozuna kadar azalış gösterirken %75 ve %100 atık çamur dozlarında artış göstermiştir. Total karbonhidrat miktarları ise kontrole kıyasla artan atık çamur dozlarına paralel olarak artış göstermiştir. Fenolik madde miktarları kontrole kıyasla artan atık çamur dozlarına paralel olarak azalış göstermiştir. Önemli reaktif oksijen türü olan ROS'lardan hidrojenperoksit (H2O2) ve süperoksit anyon (O2.-) içeriği kontrole kıyasla; %50 doz uygulamalarına kadar azalış %75 ve %100 dozlarında artış göstermiştir. Ancak burada istisnai bir durum olarak süperoksit anyonu sadece huş ağacı için atık çamur dozlarına karşın kayda değer bir değişiklik göstermediği belirlenmiştir. Çözünebilir protein seviyeleri ise kontrole kıyasla %50 atık çamur dozuna kadar artış meylindeyken %75 ten itibaren sabitleşme eğilimine girmiştir. Önemli antioksidan enzimlerden CAT, APX, SOD, GST enzim aktiviteleri kontrole kıyasla %50 atık çamur dozlarına kadar artış meylinde iken %75'ten itibaren azalma göstermiştir. Aynı sıralamaya göre (huş, karaağaç, sarıçam) deneme türlerinin ağır metallere (Al, Mn, Fe, Cu, Zn, Pb, Ni, Cd) ait analiz sonuçlarına göre; atık çamurun içerisinde bulunan ağır metalleri, genellikle artan uygulama dozlarıyla paralel olarak bünyelerine almışlardır. Fakat kontrole kıyasla %25 ve %50 atık çamur uygulama dozlarına kadar yükseliş ve %75 doz uygulaması ve sonrasında azalma eğilimine girmiş metal alımı sabit bir seyir göstermiştir. Bitkinin temel besin maddeleri (organik karbon, toplam azot, magnezyum, fosfor ve potasyum) alımı %50 atık çamur oranına kadar artış gösterirken daha yüksek dozlarda azalarak sabitleşmiştir.
Sonuç: Fizyolojik analiz sonuçlarına göre; genel olarak üç bitki türünde de %25-%50 dozluk bir EBIWAS uygulamasının peyzaj alanlarında bitkilerin büyümesini ve gelişimini desteklemede kullanma potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir. Her üç bitkide de atık çamurun düşük dozları hem antioksidan parametreleri hem de fizyolojik parametreleri kontrole göre genelde olumlu yönde etkilemiştir. Ağaçların ağır metalleri bünyelerine alımı genel olarak metallerin atık çamur içerisindeki miktarı ile paralel bir seyirdedir. Fakat çamur içeriğindeki demir miktarının, alüminyum miktarından oldukça fazla olmasına rağmen bitkinin bünyesine daha az alınması ilgi çekicidir. Diğer taraftan arıtma çamurunun içeriğinde var olan temel besin maddelerinin her üç bitkiye de önemli derecede gübre katkısı sunduğu belirlenmiştir. Ancak %50 atık çamur uygulamasından sonra bitkilerde temel besin maddelerinin alımında sabit bir seyir gözlenmektedir. Bu durum; arıtma çamurunun içeriğindeki ağır metallerin bitkinin besin alımına negatif anlamda etki ettiğini göstermektedir.
Anahtar Kelimeler: Atık çamur, Betula Pendula Roth. Ulmus Glabra Huds, Pinus Sylvestris. L.

Abstract:
Purpose: The aim of our study is to transform the biological sludge (EBIWAS) of Erzurum Biological Wastewater Treatment Plant (EBAAT), which accumulates in high quantities as the waste of the biological treatment unit and needs to be treated, into a valuable product by determining the contributions to the growing environment and development of woody plants (Betula Pendula Roth. (birch), Ulmus Glabra Huds. (elm), Pinus Sylvestris L. (scotch pine)); suitable for Erzurum climate and soil conditions, and to investigate the tolerance limits of the selected plants against heavy metals contained in the waste sludge. In our study, it was aimed to evaluate the fertilizer value of waste sludge thanks to its high organic matter content, as well as the damages of harmful chemicals and heavy metals to the selected plants at different waste sludge doses comparatively within the framework of profit and loss.
Method: Our study consisted of five main stages: etude (determination of the soil, sludge, and plants to be used), data collection, plant cultivation, analysis, and evaluation of the results. The waste sludge samples and the studied soil sample were mixed in different ratios (0%-control, 25%, 25%, 50%, 75%, 100%) and habitats were created for plants (birch, elm, yellow pine) under constant conditions (day-night at 20-25℃ temperature and 25%-30% humidity values under automated standard conditions) in a potted environment (18L), in Atatürk University Faculty of Agriculture Greenhouses. When the plants reached the optimum stem size and number of green leaves and after a period of 6 months, taking into account the maximum tolerance period to the sludge, the plants were uprooted and the root, stem and leaf parts were separated. Roots and stems were subjected to physical, heavy metal and nutrient analyses and leaves were subjected to heavy metal and nutrient analyses as well as important physiological parameters.
Findings: The findings obtained in the experiments can be summarised under 3 main headings; Firstly, physiological (wet and dry weights of leaves, chlorophyll, LPO level as MDA, total carbohydrate, phenolic matter, ROS (hydrogen peroxide, superoxide anion), soluble protein, anti oxidant enzymes (CAT, APX, SOD, GST) parameters, secondly, heavy metals (Al, Mn, Fe, Cu, Zn, Pb, Ni, Cd) and finally nutrient (organic carbon, total nitrogen, magnesium, phosphorus and potassium) contents. The results of all physiological analyses performed only on the leaves of the selected experimental plants in the order of birch, elm and yellow pine: the results of wet and dry weight analysis showed an increase up to 50% sludge dose and a decrease at 75% and 100% sludge doses compared to the control. Chlorophyll levels did not show any change compared to the control up to 75% sludge dose but decreased above this dose. Compared to the control, LPO levels decreased up to 50% sludge dose and increased at 75% and 100% sludge doses. Total carbohydrate amounts increased in parallel with increasing sludge doses compared to the control. The amount of phenolic substances decreased in parallel with increasing sludge doses compared to the control. Hydrogen peroxide (H2O2) and superoxide anion (O2.-) contents of ROS, which are important reactive oxygen species, decreased until 50% dose applications and increased at 75% and 100% doses compared to the control. However, as an exceptional case here, superoxide anion did not show a significant change against sludge doses only for birch. Soluble protein levels, on the other hand, tended to increase up to 50% sludge dose compared to the control, while it tended to stabilise after 75%. CAT, APX, SOD, GST enzyme activities, which are important antioxidant enzymes, tended to increase up to 50% sludge doses compared to the control, but decreased after 75%. According to the results of the analyses of heavy metals (Al, Mn, Fe, Cu, Zn, Pb, Ni, Cd) of the experimental species in the same order (birch, elm, yellow pine); the heavy metals in the waste sludge were generally absorbed in parallel with the increasing application doses. However, compared to the control, metal uptake increased up to 25% and 50% waste sludge application doses and decreased after 75% dose application and showed a constant trend. The uptake of essential nutrients (organic carbon, total nitrogen, magnesium, phosphorus and potassium) of the plant increased up to 50% sludge rate and decreased and stabilised at higher doses.
Results: The results of physiological analyses showed that, in general, a 25-50% dose of EBIWAS application in all three plant species has the potential to be used to support the growth and development of plants in landscape areas. In all three plants, low doses of sludge generally positively affected both antioxidant parameters and physiological parameters compared to the control. The uptake of heavy metals by trees is generally parallel to the amount of metals in waste sludge. However, it is interesting that although the amount of iron in the sludge content is considerably higher than the amount of aluminum, it is less absorbed by the plant. On the other hand, it was determined that the essential nutrients contained in sewage sludge provided significant fertilizer contributions to all three plants. However, after 50% sewage sludge application, a constant course is observed in the uptake of essential nutrients in plants. This situation shows that the heavy metals contained in sewage sludge hurt the nutrient uptake of the plant.
Keywords: Waste sludge, Betula Pendula Roth. Ulmus Glabra Huds, Pinus Sylvestris. L.