Durgun kıta içi su ortamlarında ötrofikasyon ve ağır metal ile ilgili süreçlerin etkileşimlerinin modellenmesi
Modeling the interactions between eutrophication and heavy metals processes in inland water bodies
Yazar: EMİNE METİN DERELİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇAKMAKCI ; DOÇ. DR. ALİ ERTÜRK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Ağır metal kirliliği = Heavy metal pollution ; Biyokinetik modeller = Biokinetic models ; Ferro demir = Ferrous iron ; Sucul ekosistem = Aquatic ecosystem ; Ötrofikasyon = Eutrophication

Özet:
Sanayi devrimi ile birlikte antropojenik kaynaklı baskılar ağır metallerin sucul ortamlara ulaşımını arttırmıştır. Ağır metaller sucul ortamlardaki birikicilik, toksisite, kanserojen etkileri nedeniyle önemli kirleticiler olup, sucul ortamda ve canlılar üzerindeki etkileri birçok bilimsel çalışmada incelenmiştir. Ağır metal kirliliğine bağlı olarak sucul canlılarda tür sayısının azaldığı, bazı türlerin ortamdan kaybolduğu ya da ağır metallere toleransı yüksek olan türlerin ortamda baskın olduğu görülebilmektedir. Özellikle sucul canlıların karaciğer ve solungaç gibi dokularında birikmekte ve besin zincirine girişim yapmaktadırlar. Ağır metallerin sucul ortamlardaki taşınım, çözünme, çökelme, kompleks oluşumu, adsorpsiyon ve biyoakümülasyon mekanizmaları oldukça karmaşık süreçler olup, suyun fizikokimyasal özelliklerinden etkilenmektedir. Ayrıca sedimanda depolanan metaller, oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarından doğrudan veya dolaylı olarak etkilenmektedirler.
Doğal bir süreç olan ötrofikasyon prosesi sucul ortamların birçok fizikokimyasal özelliğini etkilemektedir. Buna göre özellikle göl ekosistemlerinde ötrofikasyon ile ağır metal kirliliği arasındaki ilişkinin su kolonu ve sedimanda gerçekleşen fiziksel, kimyasal ve biyolojik prosesler göz önünde bulundurularak incelenmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Göl ekosistemlerinde ağır metal konsantrasyon değişimlerinin ötrofikasyon ile ilişkili olduğu farklı çalışmalar ile ortaya konulmuş olup, bu tez çalışması kapsamında yapılan literatür araştırması ile detaylı olarak incelenmiştir.
Ağır metallerin ötrofikasyon ile ilişkisinin belirlenmesi matematiksel modelleme çalışmaları ile de desteklenmelidir. Laboratuvar ve izleme çalışmalarının uzun ve zahmetli süreçler olduğu göz önünde bulundurulduğunda, göl ekosistemlerine ağır metallerin taşınım ile değişim ve dönüşümlerinin fizikokimyasal ve biyokimyasal prensiplere dayanarak matematiksel olarak tahmin edilebilmesi için kullanılabilecek matematiksel modellere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmanın amacı kütlenin korunumu ve enerjinin korunumu kanunlarını temel alarak matematiksel bir göl ötrofikasyon modeli oluşturmak ve ötrofikasyonun su kütlelerinde ağır metal konsantrasyonlarına etkilerinin araştırılmasıdır. Bu amaçla, geliştirilen biyokimyasal model GoldSim yazılımında kurulmuş, tam karışımlı bir göl için çalıştırılmış ve çeşitli simülasyon çalışmaları yapılmıştır. 
Oluşturulan göl ekosistem modeli Beyşehir Gölü'nde ve gölü besleyen akarsularda yapılan örnekleme ve ölçüm sonuçları ile test edilmiştir. Çıktılar toplam azot, toplam fosfor, toplam organik karbon, klorofil-a, sıcaklık ve çözünmüş oksijen parametreleri için değerlendirilmiş ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Çalışmanın devamında demir ve mangan ağır metallerinin ötrofikasyon ile etkileşimi farklı senaryolar ile incelenmiştir. Oluşturulan model, tür dağılımını pH'ya bağlı olarak hesaplayabilmekte olup, demir ve manganın suda çözünebilen miktarlarını tahmin edilebilmektedir. Sonuç olarak, bu çalışma kapsamında oluşturulan model bir su ekosisteminde gerçekleşen birçok biyokimyasal ve fizikokimyasal prosesi bütüncül bir yaklaşım ile ifade edebilmektedir. Bu sayede, suyun pH'sı, kirleticilerin tür dağılımı (iyonlaşma ve çözünme-çökelme dengesi) hesaplanabilmektedir. Oluşturulan model, ötrofikasyon ile ağır metallerin etkileşimini incelemek amacıyla geliştirilmiş olup, bu konuda temel bir platform sunmaktadır. Açık ve esnek yapısı sayesinde model farklı simülasyon yazılımlarına uyarlanabilir ya da profesyonel bir yazılım haline dönüştürülebilir.

Abstract:
The increased number of anthropogenic pollutant sources after the industrial revolution led to an accelerated transfer of heavy metals to aquatic ecosystems. Heavy metals are significant pollutants that have accumulation, toxic, cancerogenic effects in aquatic ecosystems. Their impacts on aquatic ecosystems and organisms have been investigated in several scientific studies. It is observed that heavy metal pollution affects the aquatic species diversity, i.e. some species disappear and some with high tolerance become dominant. The heavy metals accumulate especially in livers and gills of fish, crabs, shellfish etc. and enter the food web. The transport, dissolution, precipitation, complexation, adsorption and bioaccumulation mechanisms of heavy metals are complicated processes that are affected by physicochemical properties of water. Moreover, accumulated heavy metals in sediment are directly or indirectly affected by oxidation and reduction reactions.
The eutrophication which is a natural process affect the physicochemical properties of aquatic ecosystems. Thus, the interaction between heavy metal and eutrophication should be determined by the physical, chemical and biological processes that take place in sediment for lake ecosystems. There are many different studies that are taking place which is about heavy metal concentration variation related to eutrophication. These studies are particularly analyzed by the comprehensive literature. It is supported that the determination of the interaction between heavy metal and eutrophication by using mathematical modeling studies. If considered that the laboratory and monitoring studies are long and troublesome processes, calculates mathematical modeling that calculated heavy metal transport, variation, and fate, based on physicochemical and biochemical principle, are required.
The aim of this study is setting up a mathematical lake model and calculating the impact of eutrophication on heavy metal in water bodies based on mass balance and energy balance. For this purpose, the developed biochemical model was set up by using Goldsim platform. The model was run and simulated for different scenarios for a completely mixed lake. The developed model was calibrated by using monitoring studies that took place in Beyşehir Lake and streams. Testing the lake model results were evaluated for TN, TP, TOC, chlorophyll-a, temperature, dissolved oxygen parameters, and compatible results were obtained. Whatsmore, the interaction between heavy metals (ferrous and manganese) and eutrophication was calculated with different scenarios. The developed model can calculate species distribution depending on pH and can predict the soluble rate of ferrous and manganese.
Consequently, the developed model can express many biochemical and physicochemical processes with the holistic approach that take place in natural aquatic ecosystems. Thus, the pH water, species distribution of pollutants (ionization, dissolution-precipitation balance) can be calculated. The developed model was improved to determine the interaction between eutrophication and heavy metals that suggested a basic platform. Since the model has an open and flexible structure, it can be integrated with different software or can convert a professional program.