Evaluating & comparing microplastic uptake by different groups of freshwater invertebrates
Farklı tatlı su omurgasız gruplarının mikroplastik alımının değerlendirilmesi ve karşılaştırılması
Yazar: GÜLŞEN NİLAY TUNCER
Danışman: PROF. DR. MELİKE GÜREL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda ortaya çıkan ve bir endişe haline gelen mikroplastikler (çapı veya uzunluğu 5 mm'den küçük olan plastik parçalar), su ekosistemlerinde birçok yerde karşımıza çıkmaktadır. Mikroplastikler 5 mm ile 1 µm arasındaki boyutlarda olan plastiklere verilen isimdir. Boyutlarından kaynaklı olarak çıplak gözle fark edilmeleri oldukça güçtür. Mikroplastikler üretilme amacına göre birincil ya da daha büyük plastiklerin parçalanmasıyla ikincil yolla da oluşabilir. Özellikle, kişisel bakım ürünlerinde kullanım amacıyla kasıtlı üretilirken alıcı ortamlara ulaşan daha büyük plastiklerin çeşitli durumlarda parçalanmasıyla da oluşmaktadır. Mikroplastikler sucul ortama atıksu arıtma tesisleri deşarj suyu, rüzgâr dispersiyonu veya yüzey akıntısıyla ulaşabilir. Ancak, buradaki en büyük kaynağın evsel atıksu deşarjı ya da mikroplastik üretim tesislerinin atıksu deşarj noktaları olduğu söylenebilir. Özellikle, evsel atıksularda oldukça yüksek miktarda bulunan sentetik tekstilden oluşan mikroelyaflar ve kişisel bakım ürünlerinde kullanılan mikroplastiklerin evsel atıksular vasıtasıyla sucul ortamlara ulaştığı bilinmektedir. Dolayısıyla, birincil ve ikincil mikroplastikler benzer yollarla alıcı ortama ulaşmaktadır. Alıcı ortama ulaşan mikroplastiklerin konsantrasyonu günden güne artmaktadır ve hem saha hem de laboratuvar çalışmalarıyla etkileri halen araştırılmaktadır. Mikroplastiklerin artan bir endişe haline gelmesinin ana sebeplerinden biri, henüz ekosistem üzerindeki etkilerinin anlaşılamamış olmasıdır. 
Yapılan saha çalışmalarında elde edilen bilgilere göre, yerleşime uzak ve düşük nüfuslu bölgelerde de yüksek miktarda mikroplastik kirliliğine rastlanmıştır. Deniz ortamıyla bağlantılı dinamik tatlı su kaynaklarındaki mikroplastiklerin miktarı ve bolluğu, diğer izole edilmiş ve statik su kütlelerine göre daha düşük olurken, bu izole edilmiş tatlı su kütlelerindeki mikroplastikler birikecek ve uzun süre varlığını koruyacaktır. Arktik kutup bölgeleri de uzak bölgeler olsa da bunlar antropojenik kirlilikten arınmış değildir ve artık mikroplastik partikülleri için yutak olarak kabul edilmektedir. Mikroplastiklerin oldukça küçük olmaları sebebiyle hava yoluyla da taşınarak global bir kirlilik yarattığı gözler önüne serilmiştir. Yerleşim olmayan noktalarda dahi bu kirliliğin varlığı gelecekte artması öngörüsüyle ekosistem için büyük bir tehdit oluşturmaktadır. 
2000'li yıllar itibariyle literatürde genişleyen bir çalışma alanı olan mikroplastiklere ilişkin deniz ekosistemi ile ilgili çok sayıda çalışma olmasına rağmen, tatlı su ile ilgili artan çalışmalar halen çok sınırlıdır. Denizlerdeki plastik kirliliğinin yaklaşık 80%'inin karasal kaynaklardan geldiği bilgisi göz önüne alındığında, tatlı su ortamında mikroplastiklerle ilgili artan literatür çalışmaları, mikroplastiklerin dünyanın her yerinde her noktada bulunduğunu, su yüzeyinde yüzdüğünü, su kolonunda asılı kaldığını, sediman üzerine ve en önemlisi organizmaların sindirim yollarına yerleştiğini ortaya koymuştur. Böylece, sucul ortamlarda her noktada bulunarak besin zincirinin her noktasına ulaşabilmektedir. 
Mikroplastiklerin canlılar ve ekosistem üzerindeki hem akut hem de kronik etkilerini anlamak adına literatür çalışmalarının önemi oldukça büyüktür. Özellikle son yıllarda mikroplastikler üzerine artan ilgi sayesinde tatlı su organizmaları üzerinde yapılan deneysel çalışmalar da çeşitlenmiştir. 
Mikroplastiklerin tatlı suda varlığının bildirilmesinin yanı sıra, orada yaşayan organizmalarla etkileşimleri de son yıllarda giderek artan bir ilgiyle araştırma konusu olmaktadır. Mikroplastiklerin, tatlı su organizmaları tarafından hem alım mekanizmalarının incelenmesi hem de alınan mikroplastiklerin canlı üzerindeki etkilerine ilişkin yapılan çalışmalar son zamanlarda literatürde daha fazla karşımıza çıkmaktadır. 
Mikroplastiklerin organizmalarla karşılaşması, etkileşimi, organizma tarafından alımı ve yutulduktan sonra etkileri ile ilgili mekanizmalar halen araştırılmaktadır. Ancak hem saha hem de laboratuvar çalışmalarından elde edilen bilgiler, mikroplastiklerin insanlar ve hayvanlar üzerindeki risklerine ilişkin belirsizlikler ve bilgi eksikliği nedeniyle henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Küçük boyutlarından dolayı geniş bir biyota yelpazesi için uygun olduklarından çevresel bir sorun olarak görülmektedir. Burada, organizmanın beslenme mekanizması, mikroplastiğin organizma bünyesinde kalma süresi (gut retention time), mikroplastiğin ortamdaki konsantrasyonu gibi birçok biyotik ve abiyotik faktörlerin mikroplastiklerin alımını etkilediği yapılan çalışmalarda gözlenmektedir. Birçok biyotik ve abiyotik faktörün organizmalar tarafından mikroplastik alımını etkilemesi oldukça dinamik bir alım mekanizması ve anlaşılması güç bir ilişki oluşturmaktadır. 
Tatlı su omurgasızları da mikroplastiklere ilişkin araştırma konusu olmuştur. Tatlı su omurgasızları tarafından mikroplastiğin yutulması, mikroplastiklerin en yaygın alım mekanizması olduğundan, laboratuvar çalışmalarında yutulan partikül miktarları sayısal olarak incelenmiş ve ayrıca yutmayı etkileyen faktörler araştırılmıştır. Besin zincirinin alt basamaklarında mikroplastik alımının incelenmesi, daha üst basamaklardaki canlılarda mikroplastiklerin etkilerini anlamak ve kavramak için önemli bir noktadır. Fakat, bu tez kapsamında incelenen zooplanktonların da çeşitli beslenme stratejilerine sahip olmaları, tatlı suyun farklı noktalarında yaşamlarını sürdürmeleri ya da vücutlarına alabilecekleri boyut sınırlamaları gibi biyolojik faktörler sebebiyle mikroplastik alımının da oldukça kompleks ve karmaşık bir yapıda olduğu görülmüştür. Bunun yanı sıra sıcaklık ya da ortamdaki mikroplastik konsantrasyonu gibi abiyotik faktörlerin de tatlı su omurgasızları tarafından mikroplastik alımını etkilediği yapılan çalışmalarda incelenmiştir. Mikroplastik alım mekanizmasının yanı sıra yutulduktan sonra organizmaların ölüm, üreme ve beslenme davranışları gibi hayati fonksiyonları üzerindeki etkileri halen araştırılmaktadır. Organizmalar tarafından yutulan mikroplastikler sindirim yolunu tıkamak, sindirim kanalını tıkamak, dokulara yapışarak besin alımını azaltmak veya organizma içinde yer değiştirmek (translocation) gibi birçok hasara neden olabilir. Ayrıca, mikroplastiklerin organizmaların bünyesinde uzun süre kalmaları besin zincirinin daha üst basamaklarına da dolaylı yoldan taşınmalarına sebep olabilir. Seçici bir şekilde kasıtlı bir tüketim olmamasına rağmen, besin zincirinin üst basamaklarındaki avcı tüketiciler tarafından avlanan organizmaların içindeki mikroplastikler bu sayede de taşınabilirler. Ayrı bir inceleme teşkil eden bu durum özelinde yapılan çalışmalar, mikroplastiklerin yalnızca direkt alım ile değil, dolaylı yoldan alım ile de besin zincirinde taşındığını göstermektedir.
Yukarıda bahsi geçen bilgiler ışığında, besin zincirinin ilk halkasındaki zooplanktonlar tarafından mikroplastik alımının incelenmesi ve araştırılması üzerine yürütülen bu tezin genel amacı, mikroplastiklerin yutulmasına etki eden faktörleri incelemek ve bu faktörler göz önüne alınarak elde edilen nicel verilerle mikroplastik alımının karşılaştırılmasıdır. Bu bağlamda, daha spesifik olarak, çalışmanın amaçları şöyledir: 1) Çeşitli tatlı su omurgasız gruplarının beslenme stratejilerini açıklamak, 2) Mikroplastiklerin organizmalar tarafından alım mekanizmalarını değerlendirmek 3) Farklı beslenme stratejilerine sahip organizmalar tarafından mikroplastik alımının karşılaştırılması ve mikroplastik alımının değerlendirilmesi; 4) AQUASIM analiz aracı ile Daphnia magna tarafından mikroplastik alım hızı (uptake rate) ve arınma hızının ( release rate) belirlenmesi.
Mikroplastik alım mekanizmasının farklı alım stratejilerine sahip omurgasız tatlı su organizmaları üzerinde incelenmesinin yanı sıra, literatürden alınan veri setleriyle bir modelleme programı kullanılarak Daphnia magna için alım hızı (uptake rate) ve arınma hızı (release rate) hesaplanmıştır. Gerek literatürde sunulan verilerdeki birim farklılıkları gerekse yapılan deneysel çalışmalarda detaylı bilgi sunulmaması sebebiyle modelleme programında yalnızca bir veri seti kullanılmıştır. Rist ve diğ. [13] tarafından sunulan verilerin AQUASIM modelleme programına entegrasyonu, belirli zaman aralıklarında ağırlığa dayalı mikroplastik alımına ilişkin değerli bilgiler sağlayarak 'quptake' mikroplastik alım hızı (1/day) ve 'Krel' arınma hızının (1/day) belirlenmesini sağlamıştır. Bu bulgu, mikroplastik alım dinamikleri anlayışımızı geliştirerek mevcut literatüre katkıda bulunmaktadır. Modelleme sonuçlarında, daha büyük parçacıkların alım hızının çok daha yüksek (yaklaşık 20 kat) olduğu, ancak mikroplastiklerin daha yavaş bir oranda bünyeden uzaklaştığını göstermektedir. Daphnia magna için uygun beslenme aralığında olan 2 µm mikroplastiklerin neden olabileceği potansiyel zararının daha önemli olabileceği çıkarımı yapılabilir. Burada, mikroplastiği bünyesine alan canlının biyolojik durumu kritik bir noktadır. Mikroplastiğin direkt alım için uygun boyut ve şekilde olması bünyeye alımı etkilemektedir. Yapılan modelleme çalışması ile de görülmüştür ki; canlının bünyesine girmeye daha uygun olan boyutlar daha fazla alınmaktadır. 
Tez çalışması kapsamında yürütülen modelleme çalışmasında, 2 µm ve 100 nm olmak üzere iki farklı mikroplastik boyutu için veri setlerinden yararlanılmıştır. Analiz sonucunda, D. magna'nın mikroplastik alım hızı (quptake) 2 µm mikroplastikler için 20±2.21 1/gün ve 100 nm mikroplastikler için 0 1±0.08 1/gün olarak hesaplanmıştır. Aynı zamanda, modelleme çalışmasıyla elde edilen 'Krel' arınma hızı ise 2 µm için 0.19±0.08 1/gün bulunurken 100 nm için 0.22±0.09 1/gün olarak hesaplanmıştır. 
Farklı beslenme stratejilerine sahip tatlı su omurgasız grupları arasında kantitatif doğrudan mikroplastik alımı sonuçlarını karşılaştırmak için laboratuvar ve saha çalışmaları incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Laboratuvar çalışmalarının sonuçlarında tatlı su omurgasızlarının mikroplastik alımında birçok faktörden etkilendiği belirtilmiştir. Ortamdaki mikroplastik konsantrasyonu, ortamda gıda mevcudiyeti, mikroplastiğe maruz kalma süresi, mikroplastiklerin boyutu ve şekli gibi çalışmalardaki büyük farklılıklar nedeniyle toplanan sayısal veriler karşılaştırmaya pek uygun bulunamamıştır. Tüm bu faktörler detaylıca tartışılmıştır. Yapılan deneysel çalışmaların bir tabanda karşılaştırılabilir olmaması sebebiyle, mikroplastik alım hızı ve arınma hızı modellenmiştir. Ayrıca, mikroplastik alımını etkileyen faktörlere ilişkin karşılaştırmalar yapılmıştır. Çalışma detayları Bölüm 3'te açıklanmıştır. 
Bu çalışma, aynı zamanda daha standardize hale getirilmiş laboratuvar deneylerinin gerekliliğini vurgulamıştır. Ayrıca, çalışmaların daha doğru ve tutarlı bir şekilde karşılaştırılabilmesi için çalışmalar raporlanırken bazı verilerin belirtilmesi gerekliliğine de kanaat getirilmiştir.

Abstract:
Microplastics (<5 mm in diameter or length), which has become an emerging concern in recent years, are ubiquitous in aquatic ecosystems. Although there are abundant studies on the marine ecosystem in the literature, the increasing number of studies on freshwater are still very limited. In addition to reporting the presence of microplastics in freshwater, their interaction with aquatic organisms has also been the subject of research with increasing interest in recent years. Mechanisms related to encounter, interaction, uptake and effects of microplastics with organisms are still under investigation. However, information obtained from both field and laboratory studies is not yet fully understood due to uncertainties and lack of information on the risks of microplastics on humans and animals.  For this, it is of great importance to compile and compare research studies. Freshwater invertebrates have also been the subject of microplastic research. Since the ingestion by freshwater invertebrates is the most common mechanism of uptake of microplastics, laboratory studies are conducted about the number of ingested particles and also factors affecting ingestion. Additionally, the effects of microplastics on vital functions such as mortality, reproduction and feeding behaviour of organisms after ingestion are still being investigated. Given the information in the literature, the general focus of this thesis is to examine the factors having influence on the ingestion of microplastics and to determine which freshwater invertebrates are more susceptible by comparing them with quantitative data. Laboratory studies on freshwater invertebrates have thorougly researched and quantitative data adapted for comparison between studies. In particular, the uptake rate was calculated to compare the uptake of microplastic by invertebrates. Uptake rate was evaluated and compared in terms of factors such as concentration and exposure time affecting microplastic uptake.
In this context, more specifically, the objectives of the study are: 1) Describing the feeding strategies of various groups of freshwater invertebrates; 2) Evaluating their uptake mechanisms of microplastics; 3) Comparing microplastic ingestion by organisms with different feeding strategies and evaluating the microplastic ingestion; 4) Determination of uptake rate and egestion rate of microplastic by Daphnia magna with the AQUASIM analysis tool. 
The integration of the data presented by Rist et al. [13] into the AQUASIM tool enabled the determination of the 'quptake' microplastic uptake rate and 'Krel' microplastic egestion rate, which provides valuable insights into the weight-based microplastic uptake at specific time intervals. This finding contributes to the existing literature by enhancing our understanding of microplastic uptake dynamics.
The analysis revealed a ' quptake' microplastic uptake rate of 20±2.21 1/day for 2 µm microplastics and 1±0.08 1/day for 100 nm microplastics in D. magna. The egestion rate, ' Krel', was found to be 0.19±0.08 1/day for 2 µm and 0.22±0.09 1/day for 100 nm microplastics. The modeling results indicate that larger particles are ingested more frequently but removed at a slower rate. Therefore, it can be inferred that the potential damage caused by 2 µm microplastics, which are also suitable in size for Daphnia magna's food, could be more significant.
Laboratory and field studies were collected and seperately tabulated to compare the quantitative microplastic ingestion results between freshwater invertebrate groups with different feeding strategies. The collected numerical data were hardly amenable to comparison due to large variations in the studies such as concentration, food availability, exposure period, size and shape of MPs. All those factors effecting the ingestion of microplastic were compared in detail by using the uptake rate calculations. The effects of those variables on microplastic ingestion have been discussed more in detail in Section 3. 
This study also emphasized the necessity of more standardized laboratory experiments. In addition, in order to compare the studies more accurately and consistently, some data in reporting should be specified with the help of a guideline.