Effect of non steroidal anti-inflamatory drugs on microbial kinetics and population

Farmasotik kimyasalların yaygın tüketimi ve mevcut geleneksel atıksu arıtma tesislerinin bu kimyasalları giderimini hedeflememesi neticesindeki yetersiz arıtma nedeniyle özellikle sucul ortamlarda farmasötik kimyasallarla kirlenme konusunda yapılan çalışmalar daha önem kazanmaktadır. Yetersiz giderim alıcı su ortamlarında farmasötik birikimine sebep olarak ekolojik sistemler ve insan sağlığı üzerinde potansiyel olumsuz etki yaratmaktadır. Aktif çamur prosesleri biyolojik atıksu arıtımında, organik ve inorganik madde konsantrasyonunun azaltılması ve alıcı ortama güvenli bir şekilde deşarj edilebilecek kalitede çıkış sularının eldesi için mikroorganizmaların aktivitesinden yararlanır. Ancak, aktif çamur mikrobiyal komüniteleri atıksuya giren farklı kimyasallara karşı dirençli ve aklime değildir ve aktif çamur prosesindeki değişimler mikrobiyal popülasyon ve kompozisyonunda değişikliklere sebep olabilmektedir. Bu değişiklikler zamanla sistemin performans verimliliğini de etkileyebilmektedir. Atıksu arıtma tesislerinde en yoğun olarak tespit edilen farmasötiklerden biri steroidal yapıda olmayan anti-enflamatuar ilaçlardır. Bu çalışmada lab ölçekli ardışık kesikli aktif çamur reaktöründe ölçümü hedeflenen antienflamatuvar yapıdaki ilaçların karışımının aktif çamur sistemlerine beslenmesi neticesinde ortaya çıkabilecek değişiklikler incelenmiştir. Bu çalışma seçilen NSAID'lerin aktif çamur sistemlerindeki aerobik arıtılabilirliği respirometrik analizler yardımı ile laboratuvar ortamında işletilen aktif çamur üzerindeki potansiyel akut ve kronik toksisiteleri, respirometrik sonuçların modellemesi neticesinde bu ilaçların aktif çamur kinetiği ve stokiyometrisi üzerindeki etkileri, ileri moleküler biyoteknoloji ve biyoinformatik araçlar kullanılarak elde edilen mikrobiyal komünitenin yapısında, çeşitliliğinde ve aktivitesindeki değişiklikler olmak üzere dört ana başlıktan oluşmaktadır. Laboratuvar ortamında işletilen ardışık kesikli reaktör çamur yaşı 5 gün olacak şekilde 17 ay süre ile işletilmiştir. Reaktör işletiminde kullanılan aşı çamuru gerçek ölçekte işletilen İstanbul'da yer alan bir ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinin havalandırma havuzundan alınmıştır. Reaktör işletimi iki kademede gerçekleştirilmiş olup; ilk iki ay reaktör kontrol reaktörü olarak işletilmiş ve mikrokirletici ilavesi yapılmadan işletilmiş, sonrasında ise antienflamatuvar yapıdaki ilaçların karışımının eklendiği reaktör işletilmiştir. Her iki reaktör işletimi adımında da reaktör verimi pH, askıda katı madde miktarı, çıkış suyundaki kimyasal oksijen ihtiyacı, çıkış akımındaki askıda katı madde konsantrasyonu, amonyak, nitrat ve nitrit takip edilerek belirlenmiştir. Bunlara ek olarak, çamur adsorpsiyonu ve biyodegradasyonun karşılaştırılabilmesi amacıyla her bir ilacın çamurda ve reaktörlerin çıkış akımındaki konsantrasyonu takip edilmiştir. Aktif çamurun çamur yaşı 5 gün olarak işletilen reaktörde antienflamatuar yapıdaki ilaçların karışımına aklime olması sonucunda organik maddenin biyodegradasyonu ve nitrifikasyon prosesi üzerinde uzun süreli bir inhibitör etki göstermediği gözlemlenmiştir. Reaktörde KOİ giderim verimi üzerinde bir değişiklik tespit edilmezken, nitrifikasyon veriminde mikrokirletici ilavesi yapılan reaktörde iyileşme olduğu gözlemlenmiştir. Çamur akımında yapılan ölçümler neticesinde, adsorpsiyonun en çok indometasinin kimyasalında, en az ise mefenamik asitte olduğu görülmektedir. Fakat çalışılan konsantrasyonlarda adsopsiyonun oldukça düşük seviyede olduğu ve bu kimyasalların su fazında yoğunlukla kaldığı görülmektedir. Sonuçta adsorpsiyon prosesi biyodegradasyon ile kıyaslandığında ihmal edilebilir seviyededir. Reaktörde ortalama olarak biyodegradasyon neticesinde %99. 5 ibuprofen, %98. 6 naproksen, %88 indometasin, %84 mefenamik asit, %74 ketoprofen, ve %65 diklofenak giderimi elde edilmiştir. NSAID'lerin farklı konsantrasyonlarının aktif çamur üzerindeki akut ve kronik inhibisyon etkisi nitrifikasyon inhibitörünün kullanıldığı ve kullanılmadığı respirometre testleri ile de belirlenmiştir. Genel olarak NSAID'ler test edilen en yüksek konsantrasyon haricinde, oksijen tüketim hızı profilinde önemli değişikliğe sebep olmamışlardır. Mikrokirleticilerin en fazla etkisi kronik deneylerde 10 ve 100 g/L NSAID ekleme yapılan setlerde OTH profillerinde gözlemlenmiştir. Akut OUR profillerinin modellemesi, aktif çamura 10 veya 100 g/L NSAID eklenmesinin ikinci hidroliz hızının düşmesine sebep olduğunu göstermektedir. 100 g/L'lik ekleme ile ortamdaki tüm organik madde oksitlenememiş ve yaklaşık %40 oranında KOİ ortamda giderilmeden kalmıştır. Aktif çamur bakteri komünitesinin aktivite ve çeşitlilik karakterizasyonu için ribozomal RNA küçük alt birimi (16S) rRNA geni Illumina dizileme yöntemi kullanılmıştır. Çeşitlilik endeksleri açısından bakteri çeşitliliğinde NSAID eklenmesi ile önemli miktarda azalma olduğunu göstermektedir. Kontrol ve mikrokirletici ilavesi yapılan reaktörlerden alınınan çamur örneklerinin klon kütüphanelerinde gözlenebilen OTU sayıları 227 ve 171 olarak bulunmuştur. Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes ve Firmicutes hem kontrol hem de mikrokirletici gruplarında bulunan dominant filumlardır. Mikrokirletici varlığı, Verrucomicrobia filumunu önemli ölçüde zenginleştirmiştir. Prosthecobacter ve Paracoccus'a ait türlerin mikrokirletici reaktörünü domine etmesi bu türlerin yeni koşullara uyum yeteneklerini ve NSAID'leri parçalama kapasitelerini işaret etmektedir. Bunun aksine NSAID'ler, Paracoccus alkenifer türlerinin %97'den fazlasının, Nocardioides islandensis, Kineosphaera nakaumiensis, Niabella hirudinis, ve Leucobacter komagatae türlerinin tamamının yok olmasına sebep olmuştur. Bu türlerin yok oluşu yeni koşullara uyum sağlayamadıklarını göstermektedir. Bu çalışma kapsamında aynı zamanda fonksiyonel grupların nasıl değişim gösterdiği de araştırılmıştır. Bu kapsamda aşı çamuru, kontrol reaktörü ve mikrokirletici reaktörlerinde türlerin dağılımı analiz edilmiştir. Kemoheterotroflar tüm örneklerin %96'sından fazlasını oluşturmaktadır. Kemoheterotroflar arasında kontrol ve mikrokirletici örneklerinde ham örneklere kıyasla daha fazla aerobik türler bulunmuştur. Aerobik türlerin bu numunelerde daha fazla olması önceki bölümlerde açıklanan baskın türlerle uyumluluk göstermektedir. Anaerobik türlerin kullanılan ham çamur numunesinde baskın olduğu görülmüştür. Anaerobik türler tarafından gerçekleştirilen fumerat ve sülfat solunumuna ek olarak insan gastrointestinal yolunda bulunan farklı türler yalnızca ham numunede bulunmuştur. NSAID'lerin varlığında aynı zamanda aromatik hidrokarbon degradasyonundan sorumlu fonksiyonel bir grupta da kayda değer bir artış tespit edilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki bu çalışma kapsamında çevresel numunelerde gözlemlenen mikrogram seviyesindeki farmasötiklerin konsantrasyonları bile aktif çamur mikrobiyal komünitesinin kinetiği, çeşitliliği ve yapısı üzerinde etkili olmaktadır.