Short and long term effects of heavy metal exposure on anammox process

Son yirmi beş yılda, özellikle azot konsantrasyonu yüksek atıksuların arıtımında gelecek vaat eden Anaerobik Amonyak Oksidasyon prosesi ile ilgili araştırmalar hız kazanmaya başladı. Yüksek azot konsantrasyonu içeren atıksular biyolojik arıtma sistemlerinde inhibisyona sebep olan ağır metalleri önemli oranda içerebilmektedir. Ancak, literatürde ağır metallerin kısa ve uzun vadedeki etkileri ile ilgili çalışmalar sınırlı sayıda yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında kadmiyum, bakır, nikel ve çinkoya kısa süreli etkileşimi ve uzun vadede kadmiyum ve bakır maruziyetinin Anammox sistemi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bugüne kadar, ağır metallerin Anammox üzerindeki inhibe edici etkilerinin incelendiği çalışmalar yalnızca toplam ağır metal konstrasyonu baz alınarak yapılmıştır. Ancak, bu yaklaşımla metallerin toksik etkilerini öngörmede doğru olmayan bir metodolojiye sebep olabilir. Bu nedenle, bizim çalışmamızda, belirli inorganik / organik türlerin varlığında, ağır metallerin hücre içi, yüzeye-bağlı, çözünebilir, serbest-iyon ve zayıf kompleksleri dahil olmak üzere, biyoyararlanılabilir metal bileşenleri de dikkate alınmıştır. Metallerin kısa vadedeki etkileri belirlemek amacı ile giderek artan konsantrasyonlarda Cu, Cd, Ni, ve Zn kullanılarak kesikli deneyler gerçekleştirildi. Sonuçlarımız gösterdi ki toplam uygulanan metal konsantrasyonları ve çözünür metal konsantrasyonun göre inhibisyon etkisi sıralaması Cu>Cd>Ni>Zn şeklinde gerçekleşmiştir. Bu sıralama hücre-içi konsantrasyonlara bakıldığı zaman Ni>Cd>Cu>Zn olarak bulunmuştur. Uygulanan metaller arasında en düşük toksik etkiye sahip olan metal çinko olarak bulunmuştur. Sonuçlarımıza göre inhibisyon etkisi ile çözünür, hücreiçi, hücre ile ilişkili fraksiyonlarda pozitif bir ilişki test edilen tüm metallerde gözlemlenmiştir. Serbest iyon ve Anammox inhibisyonu arasında bakır hariç iyi bir korelasyon görülmüştür. Bakır için hesaplanan serbest iyon konsantrasyonları çok düşük olduğundan serbest Cu iyonu konsantrasyonunun Anammox sistemi üzerinde önemli bir inhibitör etkisi olmadığı varsayılmıştır. Çinko ve kadmiyuma bağlı inhibisyonlar çözünebilir, hücre-içi ve serbest iyon fraksiyonları ile açıklanabilse de yüzeye bağlı metal konsantrasyonları ile iyi bir korelasyon bulunamamıştır. Modifiye edilmiş rekabetçi olmayan inhibisyon ve 4 -noktalı lojistik modeller, test edilen inhibisyon senaryolarının tamamında en iyi uyan inhibisyon modelleri olmuştur. Uzun vadede ağır metal maruziyetinin Anammox üzerindeki etkilerini araştırmak için artan konsantrasyonlarda Cu ve Cd kullanılarak azot giderimine etkisi incelenmiştir. Literatürde çoğu çalışmada kadmiyumun kısa süreli inhibitör etkilerine odaklanılmıştır. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda Anammox sisteminin kadmiyuma uzun süreli maruz kalma etkisi incelenmemiştir. Çalışmamızda, uzun vadede kadmiyum maruziyeti için azot giderim oranı baz alınarak yarışmasız inhibisyon modeline göre IC50 değeri 6.75 mg L-1 olarak hesaplanmıştır. Önceki çalışmalarda Cu'nun kısa dönemli etkileri daha çok incelenmesine rağmen, birçok çalışmada uzun vadeli etkiler de söz konusudur. Bizim çalışmamızda bakır için IC50 değeri azot giderim oranı baz alınarak 6.77 mg L-1 olarak hesaplandı. Sonuçlar uzun süreli maruziyette bakır için IC50 seviyesinin kısa süreli maruziyete göre daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bunun muhtemel sebebi uzun süreli maruz kalmada aklimasyon ve bakteriyel adaptasyonu olabileceği düşünülmektedir. Ayrıca, Anammox popülasyonunun ağır metal maruziyetine tepkisinin gözlemlenmesi için numunelerdeki bakteri türleri moleküler teknikler kullanılarak belirlenmiştir. Uzun vadede inhibisyon deneylerine başlamadan önce metagenomik analizler sonucunda Candidatus Kuenenia toplam bakteri popülasyonu içerisinde en baskın tür olarak gözlemlendi. Gerçek zamanlı PCR sonuçlarına göre, Anammox bakterilerinin nispi bolluğu, uygulanan metallere kendiliğinden adaptasyona bağlı olarak ağır metale maruz bırakılma süresince bazı dalgalanmalar gösterdiği gözlemlenmiştir. Ancak uzun süreli metal etkileşimden sonra, Anammox bakterilerinin nispi bolluğu, azalma eğilimi göstermiştir.