Biodegradability of Diclofenac under aerobic conditions

Hayvan ve insan tedavisinde kullanılan farmasotiklerin kullanımının her geçen gün artmasıyla birlikte doğaya salınımları da artmakta ve önem kazanmaktadır. En sık kullanılan farmasotiklerden biri olan, ağrı kesiciler olarak da bilinen anti-enflamatuarların kullanımı ise piyasada reçeteli ve reçetesiz olarak satışa sunulmakta ve dünyada yıllık birkaç tonu bulmaktadır. Gerek üretimi aşamasında, gerekse tüketildikten sonra doğaya yüksek miktarda salınımları gerçekleşen bu ilaçlar, acil eylem planı oluşturulması gereken kimyasallar olarak sınıflandırılmışlardır. Yüksek kullanım oranlarının yanı sıra sucul ortamlara kontrolsüz salınımları sadece alıcı ortamlardaki organizmalar için değil, aynı zamanda içme suları için de potansiyel risk oluşturmaktadır. Steroid yapıya sahip olmayan bir anti-enflamatuar ilaç olan diklofenak da yüksek kullanım oranlarıyla dünyanın birçok ülkesinde en sık kullanılan steroid olmayan anti-enflamatuar ilaç olarak bilinir. Dünyada yıllık 940 ton tüketilen diklofenak'ın Türkiye'deki tüketim miktarıysa 2009 yılında 70 ton olarak belirlenmiştir. Ayrıca diklofenak'ın anti-enflamatuarlar arasında en toksik üye olarak öne çıkması, diklofenak'ın birçok araştırmacı tarafından çevresel tehdit olarak ele alınmasına sebep olmuştur. Asya'da ineklere tedavi amaçlı verilen diklofenak, inekler öldükten sonra onların leşlerini yiyen akbabaların soylarını tükenme noktasına getirmiştir. Aynı zamanda diklofenak'ın sucul ortamlardaki toksisitesi de farklı çalışmalarda incelenmiş ve gözlenen en düşük etki konsantrasyonuna sahip olması sebebiyle en yüksek akut toksisite etkisine sahip steroid olmayan anti-enflamatuar olduğu bulunmuştur. Ayrıca yapılan çalışmalar diklofenak'ın farelerde, kuşlarda ve insanlarda ilk olarak böbreklerde zarara sebep olduğunu göstermiştir. Diklofenak, biyolojik olarak zor parçalanabilen yapısı ve yüksek kullanımı sebebiyle atıksu arıtma tesislerinin giriş ve çıkış akımlarında, yeraltı sularında ve yüzeysel sularda en sık rastlanan anti-enflamatuardır. Yüzeysel sularda, arıtma tesislerinin giriş ve çıkış akımlarında diklofenak'a rastlama yüzdesi sırasıyla %96, %86 ve %93 olarak bulunmuştur. Diklofenak'ın yüzeysel sularda ve atıksu arıtma tesislerinin giriş konsantrasyonları incelendiğindeyse kullanım oranlarına bağlı olarak bölgesel ve mevsimsel olarak değiştiği görülmektedir. Yüzeysel sulardaki konsantrasyonu ise ng/L ile g/L seviyeleri arasında olabilmektedir. Türkiye'de ise diklofenak konsantrasyonunun yüzeysel sularda 1.2 ng/L ile 45.7 ng/L seviyelerinde değişebildiği gözlemlenmiştir. Diklofenak'ın atıksu arıtma tesislerindeki giderimleri incelendiğindeyse, çok çeşitli sonuçlarla karşılaşılmaktadır. Diklofenak'ın giderim verimi üzerinde hidrolik bekletme süresi, çamur yaşı gibi işletme parametrelerinin yanı sıra çevresel faktörlerin ve sistemde çoğalan mikrobiyal çeşitliliğin de önemli etkilerinin olduğu bilinmektedir. Diklofenak'ın aerobik koşullar altındaki biyolojik parçalanmasıyla ilgili literatürde oldukça değişken sonuçlarla karşılaşılmaktadır. Diklofenak bazı çalışmalarda biyolojik parçalanmaya dirençli olarak sınıflandırılırken, %93 mertebelerinde parçalanabildiği gözlenen çalışmalar da mevcuttur. Bu çalışmada çamur yaşının aerobik koşullar altında diklofenak'ın biyolojik olarak parçalanabilirliği üzerindeki etkisi ve diklofenak'ın biyokütle üzerindeki akut ve kronik etkisi araştırılmıştır. Bu kapsamda literatürde yer alan çalışmalar ve gerçek ölçekli sistemler dikkate alınarak 10 gün ve 20 gün olmak üzere iki farklı çamur yaşı seçilmiş; çalışılan çamur yaşları için ayrıca kontrol reaktörleri kurulmuştur. 6 L çalışma hacmindeki laboratuvar ölçekli reaktörler aerobik şartlar altında 20 C'de işletilmiştir. Reaktör içindeki diklofenak maddesinin fotolizini önlemek için reaktörler folyolarla kaplanmıştır. Reaktörler her gün 600 mg/L KOİ eşdeğerine sahip pepton solüsyonu, makro ve mikro nütrientleri içeren Çözelti A ve B ile beslenmiştir. Besleme sırasında diklofenak reaktörlerine metanol içerisinde çözünmüş olarak 10 g/L diklofenak maddesi sürekli olarak beslenmiş; benzer koşulları sağlamak amacıyla kontrol reaktörlerine de aynı hacimde metanol ilavesi gerçekleştirilmiştir. Reaktörlerde pH değeri 6 ila 8 arasında olacak şekilde kontrol edilmiştir. Reaktörlerde aerobik koşullar laboratuvar merkezi havalandırma sistemine bağlı difüzörler ile sürekli olarak havalandırılarak sağlanmıştır. Sistemdeki oksijen konsantrasyonunun aerobik şartların sağlanması amacıyla 3 mg/L'nin üstünde tutulması amaçlanmıştır. Tam karışımı temin etmek için ise mekanik karıştırıcılar kullanılmıştır. 160 gün boyunca işletilen 10 gün çamur yaşındaki reaktörler denge haline geldikten sonra haftalık olarak AKM ve UAKM konsantrasyonları ile KOİ giderimleri incelenmiştir. Buna göre, diklofenak'ın KOİ giderimi ve biyokütle üzerinde kronik inhibisyon etkisinin olmadığı görülmüştür. gün çamur yaşındaki diklofenak reaktöründen haftalık alınan diklofenak numunelerinin ölçümü sonucunda; ölçülen diklofenak konsantrasyonu, reaktöre beslenen diklofenak konsantrasyonuna yakın çıkmıştır. Diklofenak konsantrasyonunun çıkış değerinin giriş değerine yakın çıkması diklofenak'ın 10 gün çamur yaşında aerobik koşullar altında biyolojik olarak parçalanamadığını göstermiştir. 20 gün çamur yaşında işletilen kontrol ve diklofenak reaktörleri ise 250 gün boyunca işletilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre diklofenak'ın biyokütle ve KOİ giderimi üzerinde az oranda kronik inhibisyon etkisinin olduğu görülmüştür. Çamur yaşının artmasıyla birlikte, diklofenak'ın biyokütle ve KOİ giderim verimi üzerinde etkisi artmıştır. 20 gün çamur yaşındaki diklofenak reaktöründen haftalık alınan diklofenak numunelerinin ölçümü sonucunda, diklofenak giderim veriminin %22.5-34. 3 mertebelerinde olduğu tespit edilmiştir. Bu durum aerobik koşullarda çamur yaşının diklofenak giderimi üzerinde etkili olduğunu göstermektedir. Diklofenak'ın işletilen reaktörlerin çamurlarındaki birikimini incelemek amacıyla 10 gün ve 20 gün çamur yaşında işletilen diklofenak reaktörlerinden haftalık çamur numuneleri alınmıştır. Diklofenak'ın her iki çamur yaşında işletilen reaktörlerin çamur numunelerinde de yaklaşık %2 oranında adsorblandığı tespit edilmiştir. Diklofenak'ın çamurda tutunmadığı, daha çok çözünmüş formda olduğu gözlemlenmiştir. Diklofenak'ın farklı çamur yaşlarındaki diklofenak'a aklime olmuş ve olmamış biyokütle üzerindeki potansiyel akut etkisini gözlemleyebilmek içinse respirometrik çalışmalar yürütülmüştür. Diklofenak maddesinin akut inhibisyonunu belirlemek için respirometre cihazında oksijen tüketim hızı ölçülmüştür. Deneyler esnasında nitrifikasyon inhibitörü eklenerek nitrifikasyon aktivitesi engellenmiştir. İlk olarak 10 gün çamur yaşındaki kontrol reaktöründen alınan biyokütleye 0, 200, 1000 ve 10,000 g/L konsantrasyonlarında diklofenak eklenmiş ve diklofenak'ın akut etkisi incelenmiştir. Sonuçlarda 200 g/L diklofenak konsantrasyonunun bir etkisi gözlenmezken, 1000 ve 10,000 g/L diklofenak konsantrasyonlarında OTH profillerinin değiştiği görülmektedir. 10 gün çamur yaşında diklofenak'la beslenen reaktörden alınan biyokütleye ise 0,10 ve 1000 g/L konsantrasyonlarında diklofenak eklenmiştir. 0 ile 10 g/L ve 1000 g/L Diklofenak ilavesi yapılan deney setlerinin OTH profilleri karşılaştırıldığında diklofenak'ın akut inhibisyon etkisinin çok az olduğu ve biyokütlenin hidroliz hızını biraz düşürdüğü görülmektedir. Buna ilave olarak diklofenak reaktörü ve kontrol reaktörü ile yapılan respirometre sonuçları karşılaştırılmış ve diklofenak'ın uzun süreli maruziyet sonrasında biyokütle üzerinde büyüme hızı, hidroliz, depolama gibi metabolik özelliklerine önemli bir etkisinin olduğunu gözlemlenmiştir. Diklofenak'ın 20 gün çamur yaşındaki biyokütleye akut inhibisyon etkisini gözlemlemek içinse hem kontrol hem de diklofenak reaktörlerinden alınan biyokütleyle respirometrik deneyler yürütülmüştür. 20 gün çamur yaşında işletilen kontrol reaktörüne ise 0, 200, 1000 ve 10,000 g/L konsantrasyonlarında diklofenak eklenmiştir. 0, 200 ve 1000 g/L diklofenak ilaveli respirometre setlerinin OUR profilleri birbirine yakınken, 10,000 g/L konsantrasyonunda işletilen respirometre reaktörünün OTH profili diğerlerinden farklı çıkmış ve diklofenak'ın akut inhibisyon etkisi belirgin şekilde görülmüştür. 20 gün çamur yaşına sahip diklofenak reaktöründen alınan biyokütle ise respirometre deneyi sırasında 0 ,10, 1000 ve 10,000 g/L diklofenak konsantrasyonuna maruz bırakılmıştır. Kontrol reaktöründen elde edilen sonuçlara benzer şekilde, 10,000 g/L diklofenak konsantrasyonu eklenen sette akut inhibisyonun etkisi belirginleşmiştir. 10 gün çamur yaşı çalışmalarına benzer olarak diklofenak reaktörü ve kontrol reaktörü ile yapılan respirometre sonuçları karşılaştırılmış ve yine aynı şekilde diklofenak'ın uzun süreli maruziyet sonrasında biyokütle üzerinde büyüme hızı, hidroliz, depolama gibi metabolik özelliklerine önemli bir etkisinin olduğunu gözlemlenmiştir. Bunun yanı sıra 20 gün çamur yaşında işletilen kontrol ve diklofenak reaktörlerinden alınan biyokütleye yalnızca metanol ilavesiyle işletilen respirometre deneyinden elde edilen OTH profilleri modellenmiştir. Modelleme sonuçlarına göre biyokütle aktivitesinin her iki deneyde de %51 olduğu ve her iki biyokütlenin hidroliz hızlarında değişim olmadığı; heterotrofik yarı doygunluk katsayısı olan KS1 değerininse diklofenak'a aklime olan biyokütlede, kontrol reaktöründen alınan biyokütleye göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu durum diklofenak'ın uzun süreli maruziyet sonrasında biyokütle üzerinde inhibisyon etkisinin olduğunu göstermektedir.