Aerobik Şartlarda Diklofenak'ın Biyolojik Arıtılabilirliğinin İncelenmesi

Abstract

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 μg/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 20⁰C’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 μg/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. 10 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 (OTH) 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 μg/L konsantrasyonlarında diklofenak eklenmiş ve diklofenak’ın akut etkisi incelenmiştir. Sonuçlarda 200 μg/L diklofenak konsantrasyonunun bir etkisi gözlenmezken, 1000 ve 10,000 μg/Ldiklofenak konsantrasyonlarında OTH profillerinin değiştiği görülmektedir. 10 gün çamur yaşında diklofenak’la beslenen reaktörden alınan biyokütleye ise 0, 10 ve 1000 μg/L konsantrasyonlarında diklofenak eklenmiştir. 0 ile 10 μg/L ve 1000 μg/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 μg/L konsantrasyonlarında diklofenak eklenmiştir. 0, 200 ve 1000 μg/L diklofenak ilaveli respirometre setlerinin OUR profilleri birbirine yakınken, 10,000 μg/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 μg/L diklofenak konsantrasyonuna maruz bırakılmıştır. Kontrol reaktöründen elde edilen sonuçlara benzer şekilde, 10,000 μg/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.

Diclofenac, derives from its chemical name “2-(2,6-dichloranilino) phenylacetic acid” is a synthetic non-steroidal anti-inflammatory drug. Annual consumption of diclofenac worldwide is estimated as 940 tons. Increase in consumption of diclofenac causes several environmental problems. Because of its low removal rate, diclofenac is one of the most commonly detected anti-inflammatory in groundwater and surface water. This study is conducted to understand the acute and chronic inhibition effect and biodegradability potential of diclofenac in different sludge ages under aerobic conditions. To examine the effect of sludge age on biodegradability of diclofenac under aerobic conditions, two different sludge ages were selected as 10 days and 20 days considering literature review and real-scale systems. For each selected sludge age, control reactors were also operated. 10 μg/L diclofenac which dissolved in methanol was fed to diclofenac reactors and only methanol was fed to control reactors. Oxygen concentrations of the reactors were kept higher than 3 mg/L and reactors were throughly mixed. 10 days of sludge age reactors was operated for 160 days and suspended solids (SS), volatile suspended solids (VSS) and chemical oxygen demand (COD) parameters were measured weekly. According to SS, VSS and COD concentrations of 10 days of sludge age control and diclofenac acclimated reactors, diclofenac has no chronic inhibition effect on biomass and substrate degradation on 10 days of sludge age. Similarly, 20 days of sludge age reactors were operated for 250 days and SS, VSS and COD parameters were measured weekly. According to SS, VSS and COD concentrations of reactors, diclofenac has a slight chronic inhibition effect on 20 days of sludge age on biomass and substrate degradation. Samples were taken from 10 and 20 days of sludge age diclofenac reactors for diclofenac measurements. 22.5-34.3% diclofenac removal was observed in 20 days of sludge age reactor but no diclofenac removal was observed in 10 days of sludge age reactor. Diclofenac measurements were carried out also for sludge samples. It was observed that diclofenac cannot adsorb onto sludge. Acute inhibition effect of diclofenac on acclimated and non-acclimated biomass was examined beside chronic inhibition effect. Respirometric experiments were carried out with different diclofenac concentrations. According to respirometric sets which carried out with 10 days of sludge age control reactors’ biomass, only 1000 μg/L and 10,000 μg/L diclofenac had an acute inhibition effect on non-acclimated biomass. Similarly, 1000 μg/L diclofenac concentration had an acute inhibition effect on biomass that acclimated to diclofenac with 10 days of sludge age. In addition to this, acclimated and non-acclimated xx biomass to diclofenac was compared with respirometric results. It was observed that long term exposure to diclofenac changes metabolic structure of biomass such as growth rate, hydrolysis, and storage mechanism. According to respirometric sets which run with 20 days of sludge age control reactors’ biomass, 10,000 μg/L diclofenac had an acute inhibition effect when 200 and 1000 μg/L diclofenac concentrations did not affect non-acclimated biomass. Likewise to non-acclimated biomass, 10,000 μg/L diclofenac concentration had an acute inhibition effect on biomass that acclimated to diclofenac in this sludge age. Similar to 10 days of sludge age, it was observed that long term exposure to diclofenac had an important effect on metabolic structure of biomass. Modelling of OUR profiles of methanol addition (corresponds to 0 μg/L diclofenac concentration) to 20 days of sludge age control and diclofenac reactors was studied. Results showed that half saturation constant for growth of heterotrophic biomass, KS1, was higher in control biomass than biomass that acclimated to diclofenac. Active biomass percentages were equal to each other. Acclimation to diclofenac did not effected hydrolysis rate. This situation shows that diclofenac had a chronic inhibition effect on biomass.