Short and long term effects of heavy metal exposure on anammox process - Aktan, Çiğdem Kalkan (My University, 2018)
Anammox sistemi üzerinde uzun ve kısa vadede ağır metal inhibisyonun etkileriSon yirmi beş yılda, özellikle azot konsantrasyonu yüksek atık suların arıtımında gelecek vaat eden Anaerobik Amonyak Oksidasyon(Anammox) prosesi ile ilgili araştırmalar hız kazanmaya başladı. Yüksek azot konsantrasyonu içeren atık sular biyolojik arıtma sistemlerinde inhibisyona sebep olan ağır metalleri önemli oranda içerebilmektedir. Ancak, literatürde ağır metallerin kısa ve uzun vadedeki etkileri ile ilgili çalışmalar sınırlı sayıda yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında kadmiyum, bakır, nikel ve çinkoya kısa süreli etkileşimi ve uzun vadede kadmiyum ve bakır maruziyetinin Anammox sistemi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu güne kadar, ağır metallerin Anammox üzerindeki inhibe edici etkilerinin incelendiği çalışmalar yalnızca toplam ağır metal konstrasyonu baz alınarak yapılmıştır. Ancak, bu yaklaşımla metallerin toksik etkilerini öngörmede doğru olmayan bir metodolojiye sebep olabilir. Bu nedenle, bizim çalışmamızda, belirli inorganik / organik türlerin varlığında, ağır metallerin hücre içi, yüzeye-bağlı, çözünebilir, serbest-iyon ve zayıf (kararsız) kompleksleri dâhil olmak üzere, biyoyararlanılabilir metal bileşenleri de dikkate alınmıştır.Metallerin kısa vadedeki etkileri belirlemek amacı ile giderek artan konsantrasyonlarda Cu,Cd,Ni, ve Zn kullanılarak kesikli deneyler gerçekleştirildi. Sonuçlarımız gösterdi ki toplam uygulanan metal konsantrasyonları ve çözünür metal konsantrasyonun göre inhibisyon etkisi sıralaması Cu>Cd>Ni>Zn şeklinde gerçekleşmiştir. Bu sıralama hücre-içi konsantrasyonlara bakıldığı zaman Ni>Cd>Cu>Zn olarak bulunmuştur. Uygulanan metaller arasında en düşük toksik etkiye sahip olan metal çinko olarak bulunmuştur. Sonuçlarımıza göre inhibisyon etkisi ile çözünür, hücreiçi, hücre ile ilişkili fraksiyonlarda pozitif bir ilişki test edilen tüm metallerde gözlemlenmiştir. Serbest iyon ve Anammox inhibisyonu arasında bakır hariç iyi bir korelasyon görülmüştür. Bakır için hesaplanan serbest iyon konsantrasyonları çok düşük olduğundan serbest Cu iyonu konsantrasyonunun Anammox sistemi üzerinde önemli bir inhibitör etkisi olmadığı varsayılmıştır. Çinko ve kadmiyuma bağlı inhibisyonlar çözünebilir, hücre-içi ve serbest iyon fraksiyonları ile açıklanabilse de yüzeye bağlı metal konsantrasyonları ile iyi bir korelasyon bulunamamıştır. Modifiye edilmiş rekabetçi olmayan inhibisyon ve 4-noktalı lojistik modeller, test edilen inhibisyon senaryolarının tamamında en iyi uyan inhibisyon modelleri olmuştur.Uzun vadede ağır metal maruziyetinin Anammox üzerindeki etkilerini araştırmak için artan konsantrasyonlarda Cu(II) ve Cd(II) kullanılarak azot giderimine etkisi incelenmiştir. Literatürde çoğu çalışmada kadmiyumun kısa süreli inhibitör etkilerine odaklanılmıştır. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda Anammox sisteminin kadmiyuma uzun süreli maruz kalma etkisi incelenmemiştir. Çalışmamızda, uzun vadede kadmiyum maruziyeti için azot giderim oranı baz alınarak yarışmasız inhibisyon modeline göre IC50 değeri 6.75 mg L-1 olarak hesaplanmıştır.Önceki çalışmalarda Cu'nun kısa dönemli etkileri daha çok incelenmesine rağmen, birçok çalışmada uzun vadeli etkiler de söz konusudur. Bizim çalışmamızda bakır için IC50 değeri azot giderim oranı baz alınarak 6.77 mg L-1 olarak hesaplandı. Sonuçlar uzun süreli maruziyette bakır için IC50 seviyesinin kısa süreli maruziyete göre daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bunun muhtemel sebebi uzun süreli maruz kalmada aklimasyon ve bakteriyel adaptasyonu olabileceği düşünülmektedir.Ayrıca, Anammox popülasyonunun ağır metal maruziyetine tepkisinin gözlemlenmesi için numunelerdeki bakteri türleri moleküler teknikler kullanılarak belirlenmiştir. Uzun vadede inhibisyon deneylerine başlamadan önce metagenomik analizler sonucunda Candidatus Kuenenia toplam bakteri popülasyonu içerisinde en baskın tür olarak gözlemlendi. Gerçek zamanlı PCR sonuçlarına göre, Anammox bakterilerinin nispi bolluğu, uygulanan metallere kendiliğinden adaptasyona bağlı olarak ağır metale maruz bırakılma süresince bazı dalgalanmalar gösterdiği gözlemlenmiştir. Ancak uzun süreli metal etkileşimden sonra, Anammox bakterilerinin nispi bolluğu, azalma eğilimi göstermiştir.

For the past twenty-five years, there has been a rapid rise in the field of research about Anaerobic Ammonium Oxidation (Anammox) process which has a crucial potential to treat high nitrogen load wastewater streams. High-strength wastewaters may encompass a significant amount of heavy metal which lead to inhibition in biological treatment systems. However, little attention has been paid to inhibitory effects of heavy metals in short-term and little is known about the long-term effect of heavy metals. This study provides insight into the short-term effects of cadmium, copper, nickel, and zinc and also long-term effects of cadmium and copper exposure on Anammox system. Up to now, the inhibitory effect of heavy metals on Anammox merely considered based on total applied heavy metal concentration. However, this approach may result in inaccurate methodology to predict the toxic effect of metals. Therefore, in our study also possible bioavailable fractions of metals were taken into account including the intracellular, surface-bound, soluble, free-ion, and weak (labile) complexes of heavy metals, in the presence of certain inorganic/ organic species. In order to determine the short-term effect of Cu, Cd, Ni, and Zn on Anammox, batch tests were carried out by using variable concentration of heavy metal. Our results revealed that the inhibitory order of metals was Cu>Cd>Ni>Zn in terms of applied concentration and soluble fraction. This order can be given for intracellular concentrations as Ni>Cd>Cu>Zn and for cell-associated fraction Ni>Cu>Cd>Zn. The lowest toxic effect was found for Zn among the tested heavy metals and their fractions. Our results showed that there is a positive correlation between the intracellular, cell-associated, and soluble fractions of tested heavy metals and Anammox inhibition. Anammox inhibition and free-ion concentration was correlated well for applied heavy metals except Cu. Since the free ion concentration of Cu was calculated too low, it was assumed that free Cu ion concentration has no significant inhibitory effect over Anammox system. Inhibition by Zn and Cd could be explained by soluble, intracellular and free ion fractions but not by surface-bound fractions. The modified non-competitive inhibition and 4-points logistic models were the main inhibition models that best described the inhibition response for the full suite of tested inhibition scenarios. The long-term impact of Cu (II) and Cd (II) in elevated concentration on nitrogen removal rate has been investigated. In literature, most studies have only tended to focus on inhibitory effect of Cd on Anammox system for short-term exposure. The prolonged exposure effect of Cd has not been studied up to now. The half maximal inhibitory level for long-term exposure of Cd was calculated as 6.75 mg L-1 with the modified non-competitive inhibition model based on nitrogen removal efficiency. Our results showed that 50 % activity loss observed at lower concentration of Cd comparing with the short-term exposure. Although short-term effects of Cu were mostly examined in the previous studies long-term effects were also concerned in several studies. The results indicated IC50 value for Cu was calculated as 6.77 mg L-1 based on nitrogen removal efficiency. Results indicated that the IC50 level for copper in long-term exposure was higher than in short-term exposure. Moreover, to observe the response of Anammox community to heavy metal exposure bacterial species in samples was determined using molecular techniques. In the studied SBR, Candidatus Kuenenia was found to be the dominant genera using metagenomics analysis with next generation sequencing. According to real-time PCR results, relative abundances of Anammox bacteria shows some fluctuations during the exposure depending on self-adaptation to copper. After long exposure period relative abundances of Anammox bacteria showed a tendency to decrease.
Keywords: ağır metal; Anammox; Çevre mühendisliği; Environmental engineering; heavy metal; inhibisyon; inhibition; next generation sequencing; yeni nesil dizi analizi Anammox