Gümüş (ag0) Ve Aluminyum (al0) Nanoparçacıklarının Aktif Çamurdaki Mikrobiyal Yapıya Olan Nanotoksikolojik Etkilerinin Belirlenmesi

thumbnail.default.alt
Tarih
2013-07-11
Yazarlar
Parlak, Elif Buket
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Nanobilim ve nanoteknoloji, bilimsel çevrelerde dinamik olarak tüm dünyada gelişen alanlardır. Bu teknoloji ilaç, tüketim ürünleri, enerji, malzeme ve imalat alanında bilimsel gelişmeler sunmaktadır. Nanoteknoloji en basit haliyle, genel olarak mühendislik yapılarını kapsasa da 1 ve 100 nanometre arası boyutlar ölçeğinde düzenek ve sistemler olarak tanımlanabilir. Araştırma, geliştirme ve bu özelliklerin kullanımı, yeni teknolojinin merkezinde yer almaktadır. Nanoteknolojinin toplum, sanayi, çevre ve sağlık alanlarında da çok büyük fayda sağlama potansiyeli vardır. Yaşam kalitemizi arttırması ve sera gazı emisyonlarının azaltılması gibi bazı günlük kilit konularda yardımcı olabilmektedir. Enerji depolanması ve veriminin artırımına katkısı, hastalıklara daha iyi tanı ve tedavi yöntemleri sunması, bilgisayar sistemlerini hızlandırması ve kirlenmiş hava, toprak ve suyun iyileştirilmesi gibi diğer kullanım alanları mevcuttur. Nanopartiküller birçok farklı maddeden, elementel kompozisyonu, şekli, boyutu, fiziksel ve kimyasal özellikleri değişim göstererek, çeşitli fiziksel ve kimyasal metotlarla sentezlenebilirler. Nanoboyutta maddelerin özellikleri yığın formuna göre belirgin şekilde değişim gösterir. Maddenin boyutu küçüldükçe atom yüzey alanı artar, bu da reaktifliği arttırır ve yüzeydeki atomlar basit katalitik proseslerin aktif merkezleri olmasıyla yüksek reaktif katalistler haline dönüşürler. Böylece nanopartiküller nanometre ölçeği boyutunda benzersiz elektronik, optik, manyetik ve mekanik özellikler gösterirler. Bu benzersiz özellikleri sebebiyle nanopartiküller kataliz, atıksu arıtımı, tekstil, boya, ilaç iletimi, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), doku mühendisliği ve kanser tedavisi alanlarında kullanılmaktadır. Farklı tipteki nanopartiküllere son yıllarda hem sanayi hem de akademik çalışmalarda yoğun şekilde odaklanılmıştır. Nanopartiküller çok küçük boyutlardaki hacimlerine göre geniş yüzey alanları sebebiyle çok reaktiftirler. Yüksek reaktivite potansiyeli, nanopartiküllerin biyolojik sistem ve çevreyle zararlı ilişkisine bağlı olarak toksisiteye sebep olma potansiyeline sebep olabilmektedir. Nanotoksikoloji, özellikle nanopartiküllerin neden olduğu zararlı etkiler alanındaki bilgi boşluğunu doldurmak amacıyla toksikolojinin yeni bir dalı olarak gelişmektedir. Nanotoksikoloji disiplini, sürdürülebilir ve güvenli bir çevrenin gelişimi için önemli katkılar sağlamaktadır. Nanotoksikoloji, fizikokimyasal bileşenler, maruz kalma yolları, biyodağılım, moleküler bileşenler, genotoksikoloji, ve yasal denetimler konularını kapsamaktadır. Ek olarak, nanotoksikoloji nanomateryallerin insan ve çevresel risk değerlendirilmesinde güvenilir, sağlıklı, ve doğruluğundan emin olunan test yöntemlerini de içine alır. Limitli kullanımı olan ürünlerde bulunan nanopartiküllerin, kullanım sonrası bu ürünler uzaklaştırıldığında nanopartiküllerinin geri dönüşümü ve uzaklaştırılması sırasında çevrede yayılımı merak konusudur. Bu nanomateryaller bir kez yayıldıktan sonra biyotik ve abiyotik proseslerle değişime uğrayabilirler. Çevresel dönüşümleri ve işlenmiş nanopartiküllerin zararlarının anlaşılabilmesi nanopartiküllerin tehlikesiz uzaklaştırılmasının tasarım ve gelişimine olanak sağlayacaktır. Kullanılan nanopartikül sayısı günden güne artış göstermektedir, ve bu da nanopartikülleri daha kompleks yapmakta ve benzersiz kimyasal özellikler kazandırmaktadır; bu sebeple ‘güvenli’ nanoteknoloji için, ‘nanotoksikoloji’ çalışmaları toksikoloji (genotoksikoloji ve teratogenitik) ve ekotoksikoloji için standart protokollerin getirilmesi gerekmektedir. Nanomateryallerdeki kullanım artışı, nanopartiküllerin kasıtlı/kasıtsız olarak kanalizasyon ve atıksu arıtma tesislerine girmesine sebep olmaktadır. Atıksu arıtımının nanomateryaller üzerindeki etkileri veya bunun tersi nanomateryallerin atıksu arıtım tesisi üzerindeki etkileri bilinmemektedir. Dahası, bu maddelerin endüstriyel veya evsel atıksu arıtma tesislerinden verimli uzaklaştırılmasının yolu konusunda da soru işaretleri vardır. Son çalışmalar nanopartiküllerin atıksu arıtma sisteminde tutulamadığını ve doğal su ortamlarına deşarj edildiğini göstermektedir. Bu nanopartiküller doğada uzun süre kalmakta ve su yaşamında potansiyel toksik etki göstermektedir. Nanopartiküller yayıldıkları zaman, elektrostatik ve van der Waals etkileşimleri ile sulak yüzeylerle etkileşmekte ve biyolojik türlerle birleşmektedir. Bu sebepten dolayı, atıksu arıtma tesisleri ve atıksu çamurundaki nanopartiküllerin olası davranış ve zararları üzerine yeni analiz yöntemleri gerekmektedir. Bu çalışma, belirli nanopartiküller ile gerçek aktif çamur arasındaki ilişkinin karakterinin belirlenmesi üzerinedir. Bu sebeple bu çalışmada, endüstriyel bazda yaygın olarak kullanılan iki farklı metal oksit (Ag0 ve Al0) nanopartikülünün, gerçek atıksu arıtma tesisinde bulunan mikrobiyal toplulukların aktivitesi üzerindeki inhibisyon etkileri, solunum testleri ve biyolojik analizler ile araştırılmıştır. Deneyler üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak farklı deneysel koşullarda nanopartiküllerin çözünme oranları belirlenmiştir. İkinci olarak kısa süreli toksisite testleri ve solunum analizleri ile nanopartiküllerin etkisi çalışılmıştır. Son olarak ise uzun süreli testlerle nanopartiküllerin toksik etkisi belirlenmiştir. Nanopartiküllerin çözünme deneylerinde pH (3 - 5 - 7), sıcaklık (25oC – 35oC – 45oC), karıştırma hızı (200 rpm – 400 rpm – 600 rpm – 800 rpm), nanopartikül konsantrasyonu (0.1 - 0.2 - 0.6 - 1%) parametreleri değişimine bağlı olarak farklı deneysel koşullarda analizler gerçekleştirilmiş ve bu numunelerin ICP ölçümleri yapılmıştır. İlk olarak yapılan pH deneyinde sıcaklık, karıştırma hızı ve nanopartikül konsantrasyonu sabit tutulmuş, optimum pH değeri seçilmiştir. İkinci yapılan sıcaklık testinde karıştırma hızı sabit tutulmuş, optimum pH ayarlanmış ve farklı sıcaklılarda yapılan analizler sonucu optimum sıcaklık değeri seçilmiştir. Daha sonra optimum pH ve optimum sıcaklık değerlerinde sabit nanopartikül konsantrasyonunda farklı karıştırma hızları arasında optimum karıştırma hızı seçilmiştir. Son olarak da tüm değişkenler optimum değerlerinde sabit tutularak farklı nanopartikül konsantrasyonları denenmiş ve optimum konsantrasyon seçilmiştir. Deneylerin bundan sonraki aşamalarında bu bölümde seçilen optimum değerler kullanılmıştır. Deneylerin ikinci aşamasında nanopartiküllerin aktif çamur içine kısa süreli şok yüklemesinin biyolojik etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Deneyler, optimum koşullar olan pH 7.0, sıcaklık 25.00C, karıştırma hızı 400 rpm seçilerek üç farklı nanopartikül oranında (0.05 - 0.1 - 0.2 %, m/m) gerçekleştirilmiştir. Çözünürlük oranları analizindekilerden farklı nanopartikül oranı kullanılmasının nedeni en yüksek konsansantrasyona 0.1 - 0.2 %, m/m konsantrasyonlarında ulaşılması ve daha düşük konsantrasyonda nanopartikülün etkisinin de araştırılmak istenmesidir. Kısa süreli şok yükleme deneyleri Ag0 ve Al0 nanopartikülleri için üçer saat süreyle birer saat periyotlarla numune alınarak gerçekleştirilmiştir. Deney başlangıcında alınan numunenin askıda katı madde miktarı ve SMP-EPS analizleri yapılmış, diğer saatlerde alınan numunelere yalnızca SMPprotein, SMPkarbonhidrat, EPSprotein, EPSkarbonhidrat analizleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerin üçüncü aşamasında nanopartiküllerin uzun süreli (10 gün) etkileri incelenmiştir. Bu aşamada nanopartikül konsantrasyonlarına bağlı olarak bakterilerin biyolojik etkileri üzerine etkisi incelenmesi amaçlanmıştır. Şok yükleme deneylerinde kullanılan aynı deneysel şartlar kullanılmış fakat kısa süreli deneylerden farklı olarak aktif çamurlar sabit hızlı difüzörler ile havalanmıştır. Kısa süreli şok yükleme analizinde verilen toplam nanopartikül miktarı 10 gün süresince 24’er saatlik periyotlarla parça parça aktif çamura verilmiştir. Bu deneyler süresince günlük olarak AKM, viskozite, ODçamur, ODsüpernatant, SMPprotein, SMPkarbonhidrat, EPSprotein, EPSkarbonhidrat analizleri yapılmıştır. Bu deneylerde çamurun AKM, viskozite, ODçamur, ODsüpernatant, SMPprotein, SMPkarbonhidrat, EPSprotein, EPSkarbonhidrat değerleri analiz edilmiş, bir gece besleme yapılmamış, daha sonra sentetik evsel atıksu ve nanopartikül beslemesi yapılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Solunum hızı deneylerinde nanopartikülün miktarına bağlı olarak değişen içsel solunum hızı ve besin varlığındaki solunum hızı üçer saat süresince onar dakikalık periyotlarla ölçülerek analiz edilmiştir. Kısa süreli şok yükleme ve nanopartiküllerin uzun süreli etkileri deneylerinde olduğu gibi 0.05 - 0.1 - 0.2 %, m/m nanopartikül konsantrasyonları ile nanopartikül eklenmiş numuneler üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Bir gece sadece havalandırılarak aç bırakılan numunelerin havası kesilmiş ve çözünmüş oksijen probu ile içsel solunum hızı analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra glikoz eklenen numunelerin üçer saat boyunca onar dakika arayla çözünmüş oksijen miktarları ölçülmüştür. Bu analiz sonucu bulunan değerlerden içsel solunum hızları çıkarılmış ve substrat varlığında oksijen kullanım oranları bulunmuştur. Böylece nanopartikül konsantrasyonlarının değişim oranlarına göre nanopartikülün toksik etkisi bakteriyel inhibisyon oranına bağlı olarak bulunmuştur. Yapılan analizlerin sonucu olarak AgNP’ünün pH 7’de en fazla çözünürlüğü gösterdiği, sıcaklık artımı ile AgNP çözünürlüğünün azaldığı, karıştırma hızı olarak 400 rpm’de maksimum çözünürlüğe ulaşıp daha sonra düşüşe geçtiği, %0.1 konsantrasyon oranında maksimum çözünürlüğe sahip olduğu gözlenmiştir. Bu ölçüm sonuçlarına göre sonraki aşamalardaki AgNP konsantrasyonları ve ortam şartları seçilmiştir. AlNP ise AgNP ile hemen hemen paralel ancak daha az oranda değişim göstermesi nedeni ve deneylerin gözlenebilirliği açısından aynı şartlarda uygulanmasına karar verilmiştir. Çözünen nanopartikül konsantrasyonu oranının çok düşmesi sebebiyle %0.6 ve %1.0 oranları yerine %0.05 oranı ile çalışmalara devam edilmiştir. İkinci aşama olan kısa süreli şok yükleme deneylerinde AgNP’nin SMPp üzerine etkisi incelendiğinde %0.05 konsantrasyonunda kayda değer bir etki gözlenmemiş, %0.1’de bir artış ve %0.2’de ikinci saat pik değeri sonrası başlangıç seviyesine yaklaşma gözlenmiştir. SMPc üzerinde etkisi olmadığı görümüştür. EPSp için ise % 0.05 için belirgin bir artış görülmüş olmasına rağmen diğer konsantrasyonlarda sabit seyir gözlenmiştir. EPSc oranı ise AgNP eklenmesiyle belirgin bir artış göstermiştir. AlNP eklendiğinde ise SMPp oranı ilk saat yükselmiş olmasına rağmen daha sonra başlangıç değerlerine dönmüştür, SMPc için ise bir değişim gözlenmemiştir. EPSp için ise %0.05 ve %0.1 konsantrasyonlarında azalış, %0.2 oranında arış görülmüştür. EPSc için AlNP’nın etkisi araştırıldığında ise %0.05 için artış, diğer oranlar için ise başlarda çok az bir artış görülmesine rağmen daha sonra başlangıç değerlerine yaklaşmıştır. Respirometrik deneylere bakıldığında ise AgNP AlNP’ye oranla daha fazla olmak üzere içsel solunum hızını azalttığı gözlemlenmiş, ve nanopartikülün bakteri üzerinde inhibisyon etkisi olduğu sonucuna varılmıştır. Üçüncü aşama olan nanopartiküllerin aktif çamur üzerindeki uzun süreli etkisinde AgNP için bakteriyel büyümeyi belirgin şekilde etkilemediği, viskozite değerini değiştirmediği, OD üzerinde izlenebilen bir etkisi olmadığı görülmüştür. AgNP konsantrasyonun artması SMPp ve SMPc konsantrasyonunu da arttırmıştır. AgNP eklenmesiyle EPSp azalmış, fakat EPSc benzer salının göstermiştir. ODsupernatant sonuçları ele alındığında AgNP içermeyen çamurun çökelme özelliğinin daha iyi olduğu görülmektedir. AlNP ile yapılan analizlerde ise bakteriyel büyümenin azaldığı,viskozitenin ve ODçamur’un değişmediği görülmektedir. SMPp değişimi ise ilk iki gün artış gösterdikten sonra dengelendiği, yedinci günden sonra ise AlNP içerenlerin SMPp konsantrasyonu azalırken nanopartikül içermeyen çamurun SMPp konsantrasyonunun arttığı görülmektedir. %0.05 AlNP konsantrasyonunda SMPc en yüksek değerde okunurken, nanoparçacık içermeyen çamurda bu değer en düşük olarak okunmaktadır. EPSp ve EPSc konsantrasyonlarının ise AlNP eklenmesiyle arttığı gözlenmektedir. ODsupernatant değerinin nanopartikül içermeyen dahil tüm çamurlarda arttığı görülmektedir, buna rağmen, %0.1 AlNP konsantrasyonunda en yüksek değerler gözlenmiştir.
Nanoscience and nanotechnology are dynamically developing fields of scientific interests in the entire world. This technology promises scientific advancements in various sectors such as medicine, consumer products, energy, materials and manufacturing. Nanotechnology is somewhat loosely defined, although in general terms it covers engineered structures, devices, and systems that have a length scale between 1 and 100 nanometers. Researching, developing and utilizing are the heart of this new technology. Nanotechnology offers potentially huge benefits to society, industry, environment and health. It helps us to improve quality of our lives and responds some key issues of day as climate change by reducing greenhouse gas emissions. Other potential benefits include contributions in improving energy storage and efficiency, better diagnosis and treatment of disease, faster computer systems and remediation of air, soil or water pollution. Nanoparticles may be synthesized from several materials by various physical and chemical methods, with particles differing in their elemental composition, shape, size, and chemical or physical properties. At nanoscale dimensions, properties of materials may change significantly to differ completely from their bulk forms. As the size of material decreases, proportion of surface atoms increase, which also increases reactivity and turns them into highly reactive catalysts with the surface atoms of active centers for elementary catalytic processes. Thus, nanoparticles possess unique electronic, chemical, optical, magnetic and mechanical properties that arise explicitly due to their nanometer-scale size. Because of those unique properties, NPs can be employed in applications in various fields, such as catalysis, wastewater treatment, textiles, paints, drug delivery, magnetic resonance imaging (MRI), tissue engineering, and cancer treatment. Multifarious engineered nanoparticles have been at the center of extraordinary and highly focused efforts from both industry and academic studies in recent years. Nanoparticles possess extremely high surface area to volume ratio due to their small sizes, which renders them highly reactive. High reactivity potential could lead to toxicity due to harmful interactions of nanoparticles with biological systems and the environment. Nanotoxicology was proposed as a new branch of toxicology to address the gaps in knowledge and to specifically address the adverse effects likely to be caused by nanoparticles. Discipline of nanotoxicology would make an important contribution to the development of a sustainable and safe nanotechnology. Nanotoxicology encompasses the physicochemical determinants, routes of exposure, biodistribution, molecular determinants, genotoxicity, and regulatory aspects. In addition, nanotoxicology is involved in proposing reliable, robust, and data-assured test protocols for nanomaterials in human and environmental risk assessment. Release of nanoparticles to the environment during recycling and disposal are particular concerns for nanoparticles incorporated into limited use and/or disposable products. Once those nanomaterials are released, they would readily undergo transformation via biotic and abiotic processes. Understanding environmental transformations and fate of engineered nanoparticles enables design and development of environmentally benign nanoparticles. Number of engineered nanoparticles are increasing day-by-day, and it is expected that the nanoparticles will be more complex and will have unique chemistry; therefore in order to ensure ‘safe’ nanotechnology, ‘nanotoxicology’ studies would require a standard set of protocols for their toxicity (including genotoxicity, teratogenecity) and ecotoxicity. Increasing use of nanomaterials introduces the nanoparticles intentionally/unintentionally into the waste streams and wastewater treatment facilities. The impact that wastewater treatment has on nanomaterials, or conversely, the impact that nanoparticles have on wastewater treatment, is largely unknown. Moreover, questions still remain on the efficient ways to remove those nanoparticles from industrial and domestic wastewater treatment plants. Recent studies suggest that some nanoparticles are not held in treatment plants and are discharged into natural water bodies. Those nanoparticles may remain in the environment for long periods and may be potentially toxic to the aquatic life. Upon release, nanoparticles are likely to interact with aquatic surfaces and biological species as well as aggregate, depending on the interplay between electrostatic and van der Waals interactions. For this reason, there is an urgent need to analyze possible behaviors and fates of nanoparticles in wastewater treatment facilities and wastewater sludge. This study focuses on identifying relationships between specific nanoparticles and real activated sludge. Therefore, this study investigates by using respiration tests and biological analysis, the inhibitory effects of two different commonly used metal oxide (Ag0 and Al0) nanoparticles on the activity of the microbial communities present in a real wastewater treatment plant. Experiments were performed in three different stages. Firstly, dissolution ratios of nanoparticles were determined at different experimental conditions. Secondly, effects of nanoparticles were investigated at short-term toxicity tests and respirometric analysis. Finally, toxicity effects of nanoparticles were determined at long-term tests.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013
Anahtar kelimeler
nanoteknoloji, nanotoksikoloji, nanoparçacık, aktif çamur, nanotechnology, nanotoxicology, nanoparticle, activated sludge
Alıntı