Nanopartiküllerin evsel arıtma çamurlarının anaerobik parçalanabilirliği üzerine etkilerinin belirlenmesi
Determination of the effects of nanoparticles on anaerobic digestion of municipal waste activated sludge
Yazar: ELÇİN KÖKDEMİR ÜNŞAR
Danışman: DOÇ. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Bu tez kapsamında, nanopartiküllerin (NP) evsel arıtma çamurlarının anaerobik parçalanabilirliğine etkilerinin belirlenmesi amacıyla evsel arıtma çamuruna Ag, Al2O3, Fe2O3, CuO ve CeO2 nanopartikülleri 5, 50, 150, 250 ve 500 mg NP/g TKM konsantrasyonlarında eklenerek biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testi uygulanmış ve nanopartiküllerin evsel arıtma çamurunun metan potansiyeli üzerine uzun dönemli etkileri değerlendirilmiştir. Nanopartiküllerin evsel arıtma çamurlarının anaerobik parçalanabilirliği üzerindeki akut etkilerini saptamak amacıyla ISO 13641-1 inhibisyon testi yapılmıştır. İnhibisyon testinde, aynı nanopartiküllerin BMP testinde kullanılan konsantrasyonlarına ek olarak 750 ve 1000 mg NP/g TKM konsantrasyonlarının etkileri de incelenmiştir. BMP ve akut inhibisyon testlerinde nanopartiküllerin anaerobik dönüşümü gerçekleştiren arkelere etkisini gözlemek amacıyla numuneler flüoresanlı yerinde hibritleme (FISH) tekniği ile incelenmiştir. 

Ag nanopartikül 250 mgAg/gTKM konsantrasyonda kontrol grubuna göre katalizör etki ile BMP değerinde kümülatif olarak %7,9 artışa sebep olurken, 500 mgAg/gTKM konsantrasyonda BMP değerinde kümülatif olarak %12,1 azalma gözlenmiştir. Al2O3 NP için metan üretimi üzerinde inhibisyon etkisi gözlenmemiş, % 14,8 nispetinde pozitif katalizör etki saptanmıştır. Fe2O3 nanopartikülünün BMP testinde, doz arttıkça inhibisyona bağlı olarak gaz üretimine olan negatif etkisinin arttığı tespit edilmiş ve 500 mgNP/gTKM konsantrasyonunda %28,9 ile maksimum inhibisyon etkisi tespit edilmiştir. CuO NP BMP testinde anaerobik ortam için en toksik NP olarak belirlenmiştir. 150 mgCuO/gTKM dozunda metan üretiminde %23,4 inhibisyona sebep olurken, 250 ve 500 mgCuO/gTKM konsantrasyonları aşı çamur numunesinde üretilen metan miktarından daha az metan üretilmesine sebep olmuştur. CeO2 NP?de ise Al2O3 nanopartikülüne benzer olarak herhangi bir inhibisyon gözlenmemiş ve pozitif katalizör etki ile metan üretimi üzerinde %25,5 oranında bir artış tespit edilmiştir.   

Akut inhibisyon (ISO 13641-1) testinden elde edilen sonuçlara göre Ag nanopartikülünün evsel arıtma çamurlarının anaerobik parçalanabilirliğine anlamlı bir akut inhibisyon etkisi tespit edilmemiştir. Benzer şekilde Al2O3 nanopartikülünün de biyogaz üretimine inhibisyon etkisi saptanamamıştır. Fe2O3 nanopartikülünün BMP testi sonuçlarından farklı olarak biyogaz üretimine inhibisyon etkisi olmamış ve aksine gaz üretimi üzerinde %8,7 pozitif katalizör etkisi gözlenmiştir. CuO NP, BMP testinde olduğu gibi biyogaz üretimi üzerinde en toksik NP olarak saptanmıştır. 50 mgCuO/gTKM dozundan itibaren inhibisyon etkisi gözlenen CuO NP, biyogaz üretimini %84,2 inhibe etmiştir. CeO2 NP?ün biyogaz üretimi üzerine akut inhibisyon etkisi saptanmamıştır. 

BMP ve ISO testlerinin ardından anaerobik parçalanma prosesinde görev alan metanojenik mikroorganizmaların nanopartikül varlığından nasıl etkilendiğini tespit etmek amacı ile numunelere FISH analizi uygulanmıştır. FISH analizi sonunda yapılan görüntülemeden elde edilen sonuçlara göre, incelenen arke, Methanosaeta spp., Methanococcus spp. ve Methanosarcinales?in nanopartiküllerden farklı şekillerde etkilendikleri tespit edilmiştir. Buna göre arke ve Methanosaeta spp. popülasyonu Ag, Fe2O3 ve CuO NP varlığında azalma gösterirken, Methanococcus spp. popülasyonu ortamda Ag, Fe2O3 ve CuO NP bulunmasından etkilenmemekte ve kontrol grubu ile benzer özellikler taşımaya devam etmektedir. Methanosarcinales ise CuO NP varlığından oldukça sınırlı bir şekilde olumsuz etkilenmektedir.

Abstract:
In this thesis, 5, 50, 150, 250 and 500 mg NP/gTS concentrations of Ag, Al2O3, Fe2O3, CuO and CeO2 nanoparticles (NP) were added to waste activated sludge to evaluate the long term effects of NP?s on waste activated sludge anaerobic digestion by means of biochemical methane potential (BMP) test. In order to determine the acute affects of nanoparticles on waste activated sludge anaerobic digestion, ISO 13641-1 inhibition test was performed. During the inhibition test, 750 and 1000 mgNP/gTS concentrations were used in addition to the same NP concentrations which were used in the BMP test. The fluorescence in situ hybridization (FISH) technique was applied to observe the effects of nanoparticles on anaerobic archaea after BMP and inhibition tests. 

According to the results of 48 days long BMP test, the cumulative increase of BMP values of 250 mgAg/gTS Ag NP concentration has been determined as 7.9% relatively to the control group, while 500 mgAg/gTS concentration display maximum 12.1% decrease. No inhibition effect has been observed for Al2O3 NP, on the contrary 14.8% of positive effect on biogas production was detected. As a result of the BMP test for Fe2O3 NP, increasing dosage has indicated a negative effect on methane production with a maximum inhibition of 28,9% for 500 mgNP/gTS concentration. Among all BMP tests, CuO NP was determined as the most toxic nano particle under anaerobic conditions. Hereunder 150 mgCuO/gTS concentration caused a 23.4% inhibition on gas production, while 250 and 500 mgCuO/gTS concentrations output a lower methane production than inoculum. Similar to Al2O3 NP, no inhibition has been observed for CeO2 NP, and 25.5% increase was indicated. 
Within the 72 hours long ISO 13641-1 inhibition analysis, inhibition has been determined through total gas pressure measurement unlike the methane production measurement in BMP tests. According to the results of ISO 13641-1 test, Ag NP did not cause a significant inhibition effect on the biogas production from municipal waste activated sludge anaerobic digestion. Similar results were observed for Al2O3 NP. Conversely to BMP test results, Fe2O3 nanoparticles displayed no inhibition effect on biogas production, yet it caused an increase of 8.7% on gas production. Parallel to the BMP test results, CuO NP was detected as the most toxic nanoparticle on biogas production. After only 50 mgCuO/gTS dosage, 84.2% of inhibition effect of biogas production has been observed compared to the control group. CeO2 NP was determined as not effective on gas production during 72 hours long test. 

According to the results of the FISH analysis imaging, archaea, Methanosaeta spp., Methanococcus spp. and Methanosarcinales were all affected differently by the contact with nanoparticles. Archaea and Methanosaeta spp. populations were reduced due to the Ag, Fe2O3 and CuO NP existance in the test environment while Methanococcus spp. population was not affected and kept similar properties as the population of the control group. On the other hand Methanosarcinales was effected mildly negative in the existance of CuO NP.