Acute And Chronic Effects Of Synthetic Estrogen 17 Alpha-ethinylestradiol On Biological Carbon Removal Processes

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Kararlı yapıdaki östrojenik kimyasalların su ortamında bulunması halk sağlığı ve ekosistemin yapısı açısından problem oluşturmaktadır. Endokrin sistemi bozan kimyasallar, son on yılda bilim insanlarını ciddi ölçüde kaygılandırmaya başlamıştır. Çünkü bu maddelerin hormonları taklit ettikleri, hormonsal etkileri engelledikleri veya arttırdıkları, hayvanların ve insanların üreme sistemlerinde ölümcül etkilere neden oldukları kaydedilmiştir. Östrojenik bileşiklerin, özellikle ilaçlarda kullanılan 17 alfa-etinilestradiol hormonunun, hayvanlarda ve insanlarda endokrin bozucu etkisi olduğu bilinmektedir. Son yıllarda, balıkların üreme organlarında anomalilerinin arttığı ve interseks olgusuna çok daha sık rastlandığı rapor edilmektedir. Bu üreme bozukluklarının kaynağının östrojenik kirleticiler; örneğin nonylphenol, 17α-ethinylestradiol ve antiandrogenik pestisitler olduğu iddia edilmektedir. Östrojen ve androjenlerin; balıklarda cinsiyet belirlenmesinde, farklılaşmasında ve büyüme süreçlerinde çok önemli etkileri olduğu bilinmektedir. Çevreye yayılan zehirlerin canlılara verdiği zararların başında, endokrin sistem (iç salgı bezleri) bozuklukları gelir. Bu bileşikler, canlılarda metabolizma sırasında üretilen endokrin sistemi hormonlarının tesirini maskeleyen veya onlar gibi davranarak fonksiyon gören, çevre ortamında (hava, gıda, su, toprak vs.) bulunan tabiî ve sentetik biyoaktif maddelerdir. Etinilestradiol (ya da 17 alfa-etinilestradiol, EE2) sentetik bir hormon olmakla birlikle doğal bir hormon olan estradiol hormonunun bir türevidir. Biyoaktif bir hormon olan ethinylestradiol tıp alanında takriben tüm modern formülasyonlarda, ağız yoluyla alınan ilaçlarda ve birçok ilaç tedavisinde kullanılmaktadır. Etinilestradiol, ilk olarak 1938 yılında Berlin’de Hans Herloff Inhoffen ve Walter Hohlwed tarafından sentezlenen sentetik steroid bir östrojen hormonudur. Bu hormon, tam olarak parçalanamadan atıksu arıtma tesislerinden çevreye ulaşan bir bileşiktir. Ayrıca, atıksu arıtımı sırasında bu bileşiğin bazı parçalanma ürünleri oluşmaktadır ve bu parçalanma ürünlerinin daha da fazla endokrin bozucu potansiyeli olduğuna inanılmaktadır. Bu tez çalışmasında sunulan araştırmanın amacı, seçilen bir sentetik östrojen hormonunun (17 alfa-etinilestradiol, EE2) aktif çamur sistemlerine olan akut ve kronik etkilerini değerlendirmek ve biyolojik arıtılabilirliğini incelemektir. İstanbul sınırları içerisinde bir atıksu arıtma tesisinden alınan aktif çamur, sentetik pepton çözeltisine alıştırılmıştır. Bu sentetik atıksu ile laboratuar koşullarında 12 litre hacminde bir reaktör kurulmuştur. Kurulan reaktörün çamur yaşı 10 gün ve hidrolik bekletme süresi 1 gün olarak seçilmiştir. Reaktör içerisindeki tam karışım hava taşları ve mekanik bir karıştırıcı yardımıyla sağlanmıştır. Reaktör tam karışımlı, kesikli bir biyolojik reaktördür. Reaktör alıştırma süreci boyunca, sistem her gün 600 mg KOİ/l organik yük olacak şekilde sentetik pepton çözeltisi ve bunun yanında mikro-makro nütrientler ile beslenmiştir. Alıştırma süreci, sıcaklık gibi laboratuar koşullarına bağlı olarak yaklaşık 5 ay sürmüştür. 5 ay boyunca biyolojik reaktörün denge koşullarına gelmesi beklenmiştir. Reaktör bu süreçte düzenli olarak alınan numune, ölçülen konvansiyonel parametre ve yapılan deneylerle izlenmiştir. Reaktör izleme süreci boyunca; sıcaklık, pH, askıda katı madde (AKM), uçucu askıda katı madde (UAKM) ve kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) gibi konvansiyonel izleme parametrelerine bakılmıştır. İzleme süresince reaktör içerisindeki KOİ giderim verimi % 94 e ulaşmıştır. Reaktör içerisindeki UAKM miktarı 2000 mg/l, pH ise 7.0-7.5 mertebesinde tutulmuştur. Ayrıca, reaktör F/M oranı sürekli sabit olacak şekilde 0.30 alınmıştır. Reaktörün denge koşullarını sağlaması ile birlikte ilk olarak bir kontrol deneyi ve ardından akut deneyler gerçekleştirilmiştir. Akut deneyler sırasında, 17 alfa- etinilestradiol östrojen hormonu iki farklı doz olarak uygulanmıştır. Bu dozlar 1 mg/l EE2 ve 5 mg/l EE2 dir. Farklı dozlarda EE2 verilen aktif çamur, respirometrik deneye tabi tutulmuştur. Akut deneyler boyunca respirometreye EE2 ile birlikte 360 mg KOİ/l olacak şekilde pepton çözeltisi de karbon kaynağı olarak eklenmiştir. Akut deneyler boyunca F/M oranı, reaktör F/M oranı ile aynı olacak şekilde (0.30) ayarlanmıştır. Deneyler, EE2 hormonun karbon giderimi üzerine olan akut etkisi ile ilgili olmasından dolayı nitrifikasyon inhibitörü kullanılmıştır. Akut deneyler sırasında belirli aralıklarla KOİ ve PHA numuneleri alınmış, AKM-UAKM deneyleri yapılmış, pH-sıcaklık takip edilmiştir. Ayrıca deney sonunda hormon numunesi de alınmış ancak EE2 hormonun aktif çamura anlık olarak beslenmesi sonucunda sıvı ya da katı fazda birikmiş hormon konsantrasyonuna rastlanmamıştır. Aynı zamanda, alınan PHA numunelerinde sisteme anlık EE2 verilmesi durumunda depolama etkisi görülmemiştir. Yapılan respirometre deneyleri sonunda, EE2 hormonunun akut etkisini gösteren oksijen tüketim hızı profili elde edilmiştir. Bu profile göre, farklı iki dozda uygulanan EE2 hormonunun yüksek dozda uygulanması durumunda maksimum oksijen tüketim hızında bir düşüş olduğu ve bunun sebebinin inhibisyon etkisi olduğu sonucuna varılmıştır. Akut deneylerin ardından, pepton çözeltisine alıştırılmış aktif çamur 40 gün boyunca EE2 hormonu ve beraberinde sentetik pepton çözeltisi ile beslenmeye başlamıştır. Bu süreç, kronik periyot olarak adlandırılmıştır. Kronik periyot boyunca, reaktör her gün 1 mg/l olacak şekilde EE2 hormonu ve 600 mg KOİ/l olacak şekilde sentetik pepton çözeltisi ile beslenerek aktif çamur EE2 hormonuna alıştırılmıştır. Kronik periyot boyunca belirli günlerde reaktör içerisinden KOİ, PHA ve hormon numuneleri alınmış, düzenli olarak AKM-UAKM ve pH bakılarak reaktör izlenmiştir. Reaktör pH sı 6.5 ile 8.0 arasında, UAKM değeri ise 2000 mg/l civarında tutulmuştur. KOİ giderim verimi ise % 95 olmuştur. Biyokütlenin depolama kapasitesine bakıldığında ise reaktöre beslenen toplam KOİ miktarının kronik periyot boyunca ancak % 17 sinin biyokütle tarafından depolanabildiği sonucuna varılmıştır. Bu durumda depolama mekanizmasının sistem üzerinde önemli derecede bir etkisinin olmadığı söylenebilmektedir. Kronik periyot boyunca her 5 günde bir respirometre deneyleri yapılarak aktif çamurun EE2 hormonuna verdiği tepki gözlenmiştir. Kronik deneyler boyunca respirometreye EE2 ile birlikte 360 mg KOİ/l olacak şekilde sentetik pepton çözeltisi de karbon kaynağı olarak eklenmiştir. Kronik deneylerde F/M oranı, reaktör F/M oranı ile aynı olacak şekilde (0.30) ayarlanmıştır. Deneylerin, EE2 hormonun karbon giderimi üzerine olan kronik etkisi ile ilgili olmasından dolayı nitrifikasyon inhibitörü kullanılmıştır. Kronik deneyler sırasında belirli aralıklarla KOİ, PHA numuneleri alınmış, AKM-UAKM deneyleri yapılmış ve pH-sıcaklık takip edilmiştir. Her deney için oksijen tüketim hızı profilleri elde edilmiştir. Deneyler sonucunda elde edilen oksijen tüketim hızı ve PHA depolama ürünü verileri, Aquasim olarak adlandırılan bir bilgisayar programı aracılığı ile modifiye edilmiş ASM3 modeline uygun olarak modellenmiştir. Model kullanmanın amacı, ilgili stokiyometrik ve kinetik katsayıların belirlenmesidir. Bu tez çalışmasında kronik periyota ait kontrol, 1.gün ve 40.gün deneyleri modellenmiştir. Kronik kontrol ve 1.gün deneylerine ait kinetik katsayıların aynı olduğu ve değişmediği görülmüştür. Buna göre, kronik periyota ait ilk günler için EE2 hormonunun mikrobiyal kinetik üzerinde herhangi bir etkisinin olmadığı sonucuna varılmıştır. Oysa ki 40.gün deneyine ait model sonuçlarına bakıldığında, EE2 hormonun sistem üzerinde uyarıcı bir etkisinin olduğu açıkça görülmektedir. Bu etki sonucunda, artan enzim aktivitesi ile birlikte maksimum büyüme ve hidroliz hızlarında artış olduğu sonucuna varılmaktadır. Substratın az bir kısmı depolanmaya devam etmektedir. PHA depolama ürünü sonuçlarına bakıldığına, bu tip bir sistemde depolama mekanizmasının az miktarda etkili olduğu sonucuna varılmaktadır. Kronik deneyler boyunca hormon numunesi de alınmıştır. Alınan hormon numunelerinden sıvı ve katı faz ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Çamur numuneleri katı faz ekstraksiyonuna tabi tutulmuştur. Buradaki amaç; EE2 hormonunun katı fazdaki konsantrasyonlarının belirlenmesidir. Analiz sonuçlarından, EE2 hormonunun biyolojik arıtılabilirlik mertebesi belirlenmiştir. Katı faz ekstraksiyonu sırasında katı fazda biriktiğine inanılan hidrofobik yapıdaki EE2 hormonunun sıvı faza geçirilerek kütle spektrometrik bir metot olan likit kromatografi tandem kütle spektrometrisi (LC-MS/MS) ile ölçülmesidir. Tüm numuneler Ultra Performans Likit Kromatografisi (UPLC) cihazı ile ölçülmüştür. Yapılan hormon ölçümlerinden elde edilen verilere göre, EE2 hormonunun hidrofobik yapısına rağmen çamur (katı faz) fazında önemli miktarda hormon konsantrasyonu görülmemiştir. EE2 konsantrasyonuna daha çok çıkış suyunda (sıvı faz) çözünmüş halde rastlanmıştır. Karbon giderimi proseslerinde, heterotrof bakterilerin arıtma sürecinde görevli oldukları bilim dünyası tarafından ifade edilmiştir. Doğal hormonlara göre biyolojik olarak parçalanabilirliği zor olan sentetik östrojen hormonu EE2 nin, bilimsel araştırmalarda yapılan tür analizlerine göre bir grup heterotrof bakteri tarafından parçalanabildiği bilinmektedir. Buna göre bu çalışma için, karbon gideren bir sistemde EE2 hormonunun katı fazda adsorbe olmak yerine karbon kaynağı yerine kullanılarak bir kısmının biyolojik olarak parçalandığı ve bir kısmının da sıvı fazda çözünmüş halde kaldığı görülmektedir. Sonuç olarak, karbon gideren biyolojik bir sisteme EE2 arıtılabilirlik verimi açısından bakıldığında yaklaşık % 84 giderim verimi olduğu sonucuna varılabilmektedir.The existence and persistence of estrogenic chemicals in aquatic environments is a problem that may affect public and ecosystem wellness. Estrogenic compounds are known to cause endocrine disruption in wildlife and humans, including 17 alpha-ethinylestradiol, a widely used pharmaceutical. Ethinylestradiol (or 17 alpha-ethinylestradiol) is a synthetic hormone, which is a derivative of the natural hormone estradiol. Ethinylestradiol is an orally bio-active estrogen used in almost all modern formulations of combined oral contraceptive pills and is one of the most commonly used medications. Ethinylestradiol was the first orally active synthetic steroidal estrogen, synthesized in 1938 by Hans Herloff Inhoffen and Walter Hohlweg at Schering AG in Berlin. This compound enters the environment, primarily through discharges from wastewater treatment plants without being effectively degraded. Additionally, it is believed that some of the degradation products of ethinylestradiol formed during wastewater treatment have greater endocrine disrupting potential than the parent compound. The goal of the research presented in this thesis was to assess acute and chronic effects of the selected compound 17 alpha-ethinylestradiol (EE2) and to further confirm its biodegradation. Activated sludge taken from a domestic wastewater treatment plant in Istanbul was acclimated to synthetic peptone mixture. A 12 liters of an aerobic batch reactor with a hydraulic retention time of 1 day and a sludge age of 10 days was installed then operated with the acclimated sludge. The system was fed with synthetic peptone mixture (600 mg COD/l) during five months. Some experiments were applied in order to ensure that the aerobic reactor procures steady state conditions. In case the reactor was in equilibrium, activated sludge was subject to respirometric studies in order to determine acute effects. The behaviour of microorganisms through the experiment was monitored. Two concentrations of EE2 (1 mg/l – 5 mg/l) were used during acute experiments. Subsequent to acute experiments, the reactor was fed during 40 days with 17 alpha-ethinylestradiol solution, in company with peptone mixture, to determine chronic effects. During chronic period, 1 mg/l of EE2 was fed to the reactor. Every 5 days, activated sludge was subject to respirometric experiment to reveal the chronic effects of EE2. A nitrification inhibitor was used to prevent interference of nitrification. Results of acute and chronic experiments were used to monitorize oxygen uptake rate (OUR) profile and to assess the inhibitory effects of EE2. OUR profiles were determined in the presence of inhibitor. Kinetic and stoichiometric coefficients were designated by using a multi-component model (ASM3). During chronic experiments, hormone samples were taken to obtain information about the extent of EE2 biodegradation. Solid Phase Extraction (SPE) was conducted to observe the biodegradation of EE2. Also, EE2 concentration in the aqueous phase was analyzed. These were characterized by mass spectrometric methods as liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC/MS/MS). According to chronic experiments, it was confirmed that 17 alpha-ethinylestradiol is degraded by heterotrophic microorganisms to some extent. It was observed that EE2 is not accumulated on solid phase (sludge) in contrast decreasing effluent concentrations of EE2 in the aqueous phase demonstrate that EE2 is degraded.Yüksek LisansM.Sc