Su Arıtımında Rol Alan Organizmalar

Su arıtımında rol alan organizmalar; atık su arıtımı ve içme suyu üretim sistemlerinde organik kirleticilerin biyolojik parçalanmasını, besin giderimini ve patojen azaltımını sağlayan bakteri, protozoa ve algler gibi çeşitli mikroorganizmalardan oluşan geniş bir diziyi ifade eder.^[1] Bu organizmalar; aktif çamur sistemleri, biyofiltrasyon ve alg-bakteri konsorsiyumları gibi mühendislik süreçlerinin yanı sıra, zararlı maddeleri daha az toksik formlara veya biyokütleye dönüştürdükleri lagünler gibi doğal ekosistemlerde de faaliyet gösterirler.^[2] Kolektif faaliyetleri, suyun yeniden kullanım için geri kazanılmasını sağlayarak sanitasyon ve kaynak yönetimi konusundaki küresel zorlukların ele alınmasına olanak tanır.^[3]

Atık su arıtımında bakteriler temel iş gücünü oluşturur; Proteobacteria ve Nitrospirae gibi şubeler, biyofiltreler ve çamur süreçlerinde baskın olarak amonyağı nitrifikasyon yoluyla nitrata oksitler ve nitratları denitrifikasyon yoluyla azot gazına indirger.^[1] Hızlı kum filtrelerinde ve granüler aktif karbon sistemlerinde, amonyak oksidasyonu için Nitrosomonas ve Nitrosospira, nitrit dönüşümü için ise Nitrospira dahil olmak üzere belirli cinsler yaygınken; Zoogloea türleri, katıların çökmesini sağlayan ve fosforu gideren yumak oluşumuna katkıda bulunur.^[1]^[2] Bacteroidetes grubundakiler gibi diğer bakteriler, karmaşık organik maddeleri hidrolize ederek ikincil arıtma aşamalarında genel kirletici parçalanmasını artırır.^[1]

Protozoa ve algler; sırasıyla aşırı bakteri ve patojenleri (E. coli ve Cryptosporidium kaynaklı riskleri azaltarak) tüketerek ve fotosentez yoluyla azot ve fosfor gibi besinleri asimile ederek bakteriyel çabaları tamamlar.^[1] Entegre sistemlerde, Chlorella vulgaris gibi algler aerobik bakterileri destekleyen oksijeni üretirken, bakteriyel bozunma alg büyümesi için karbondioksit sağlar; bu sayede yüksek oranlı alg havuzlarında geleneksel yöntemlere göre daha düşük enerji talebiyle %90’a varan besin giderimi sağlanır.^[3] Bu simbiyotik etkileşimler sadece suyu arıtmakla kalmaz, aynı zamanda anaerobik çürütme yoluyla biyogaz ve biyoyakıtlar için alg biyokütlesi gibi değerli yan ürünler de sağlar.^[2]

Su Arıtımında Biyolojik Süreçler

Biyotanın Rolüne Genel Bakış

Biyolojik su arıtımı; sudaki kirleticileri biyodegradasyon, biyobirikim ve biyofiltrasyon gibi metabolik süreçler yoluyla parçalamak, absorbe etmek veya dönüştürmek için başta mikroorganizmalar olmak üzere yüksek bitkiler ve hayvanlar gibi canlı organizmaların kullanılmasını kapsar. Biyodegradasyon, organik kirleticilerin mikrobiyal enzimler tarafından daha basit, daha az zararlı bileşiklere enzimatik olarak parçalanmasını ve genellikle karbondioksit, su ve biyokütleye mineralize edilmesini içerir. Biyobirikim, organizmaların ağır metaller gibi kirleticileri dokularında tutup depolamasıyla gerçekleşirken; biyofiltrasyon, suyun süzülmesi sırasında asılı partikülleri ve çözünmüş maddeleri tutmak ve metabolize etmek için yüzeylere tutunan mikropların oluşturduğu karmaşık matrisler olan biyofilmlere dayanır. Bu süreçler doğal ekosistemleri taklit eder ve hem mühendislik arıtma sistemlerinin hem de onarıcı çevre uygulamalarının temelini oluşturur.^[4]^[5]

Biyotanın su arıtımındaki rolünün tanınması, 19. yüzyıla kadar uzanır; bu dönemde Avrupa ve Kuzey Amerika’daki atık su çiftlikleri, atık suları arıtmak için toprak mikroorganizmalarını ve bitki köklerini kullanarak süzülme ve evapotranspirasyon yoluyla besinleri asimile edip organik maddeleri parçalayan arazi tabanlı sulama yöntemleri kullanmıştır. Bu ilkel biyolojik yaklaşım, 1914’te Edward Ardern ve William Lockett tarafından öncülük edilen aktif çamur sürecinin organik maddeyi hızla oksitleyen aktif mikrobiyal yumakları beslemek için kanalizasyon suyunun havalandırılmasıyla atık su arıtımında devrim yaratmasıyla daha yapılandırılmış yöntemlere evrilmiştir. 20. yüzyılın ortalarına gelindiğinde, bu yenilikler küresel ölçekte yaygınlaşmış ve kentsel atık suları verimli bir şekilde işlemek için biyolojik prensipleri belediye tesislerine entegre etmiştir.^[6]^[7]

Bu sistemlerin merkezinde, biyofilmler oluşturan mikrobiyal topluluklar içindeki simbiyotik etkileşimler yer alır; bu sayede paylaşılan metabolik yollar ve besin değişimi yoluyla çeşitli kirleticilerin işbirlikçi bir şekilde parçalanması sağlanır. Aerobik ortamlarda, havalandırma veya difüzyon yoluyla oksijen transferi, organik karbonu soluyan heterotrofik bakterileri desteklerken; anaerobik bölgeler, metanojenler ve diğer anaeroblar tarafından sindirimi teşvik ederek inatçı bileşikleri oksijensiz ortamda dönüştürür. Bu dinamikler süreç direncini ve verimliliğini artırır. Doğal sulak alanlar, çeşitli biyotanın amfibiler ve kuşlar gibi türler için habitatlar yaratarak biyoçeşitliliği artırmasıyla ekolojik faydaları örneklendirirken; mühendislik bağlamında biyolojik arıtma, kimyasal pıhtılaştırıcılar ve dezenfektanlara olan bağımlılığı azaltarak işletme maliyetlerini ve ikincil kirliliği en aza indirebilir.^[1]^[8]^[9]

Biyotanın etkisinin önemli bir göstergesi, oksijen talep eden substratları tüketen heterotrofik mikrobiyal metabolizma yoluyla organik kirliliğin bir ölçüsü olan biyokimyasal oksijen ihtiyacının (BOD) azaltılmasıdır. Bu süreç, aşağıdaki gibi modellenen birinci dereceden kinetiği izler:

$$ BOD_t = BOD_0 \cdot e^{-k t} $$

Burada BOD_t, t zamanındaki BOD değerini; BOD_0, başlangıç BOD değerini; k ise mikrobiyal biyokütle, sıcaklık ve substrat mevcudiyetinden doğrudan etkilenen hız sabitini (tipik olarak günde 0,1–0,5) ifade eder. Bu tür bir aktivite, iyi yönetilen sistemlerde BOD değerini önemli ölçüde düşürerek sucul yaşam için gerekli olan aerobik koşulları geri kazandırabilir.^[10]^[11]

Biyolojik Arıtma Sistemi Türleri

Su arıtımı için biyolojik arıtma sistemleri, kirleticileri metabolik süreçler yoluyla parçalamak için organizmaları kullanan doğal ve mühendislik kategorileri olarak geniş bir yelpazede sınıflandırılır. Akarsu kenarındaki nehir kıyısı bölgeleri ve doğal göller gibi doğal sistemler; bitki örtüsünün, mikropların ve sucul organizmaların insan müdahalesi olmadan kirletici giderimini kolaylaştırdığı doğal ekolojik dinamiklere dayanır.^[12] Bu sistemler, bozulmamış ekosistemleri taklit ederek sürdürülebilirliği teşvik eder ve genellikle su havzalarında besin ve organik madde filtrasyonu için tampon görevi görür.^[13] Buna karşılık, mühendislik sistemleri; kentsel atık suları arıtmak için mikroorganizmaların havalandırmalı tanklarda askıda tutulduğu aktif çamur tesisleri ve doğal süreçlerin kontrollü ortamlarda kopyalandığı yapay sulak alanlar dahil olmak üzere biyolojik aktiviteyi optimize etmek için kasıtlı olarak tasarlanmıştır.^[14]^[15]

Mühendislik sistemlerinin temel örnekleri arasında; atık suyun, organik maddeyi aerobik olarak parçalayarak önemli ölçüde biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOD) azalımı sağlayan mikrobiyal biyofilmlerle kaplı ortam yüzeyleri üzerinden süzüldüğü damlatmalı filtreler yer alır.^[16] Bir diğer öne çıkan tasarım, biyokütleyi tutmak ve genellikle yer kısıtlaması olan kentsel ortamlarda yeniden kullanıma uygun yüksek kaliteli çıkış suyu üretmek için askıda büyüyen biyolojik arıtmayı membran filtrasyonu ile entegre eden membran biyoreaktörüdür (MBR).^[17] Bu sistemler, katı madde ayrımını yönetirken atık su ve organizmalar arasındaki teması en üst düzeye çıkarmaya odaklanan tasarım ilkelerini vurgular.

Operasyonel parametreler, sistem performansını kritik ölçüde etkiler; bunlar arasında, aktif çamur gibi sistemlerde oksidatif bozunma için aerobik koşulları veya sulak alanlarda metan üreten çürütme için anaerobik kurulumları belirleyen oksijen mevcudiyeti bulunur.^[18] Hidrolik bekletme süresi (HRT) tasarıma göre değişir; örneğin aktif çamur süreçleri yeterli mikrobiyal temas için tipik olarak 4-8 saat kullanırken, yapay sulak alanlar etkili kirletici çökeltimi ve alımı için 2-7 güne ihtiyaç duyar.^[19]^[20] Sıcaklık da organizma aktivitesini etkiler; çoğu mezofilik mikrop, organik parçalanma için enzimatik oranların zirve yaptığı 20-30°C arasında en iyi performansı gösterir.^[21]

Modern gelişmeler arasında, 2000’lerin sonlarından bu yana öne çıkan ve bakterilerin organik substratlardan elektrik üretmesini sağlarken %80’e varan kimyasal oksijen ihtiyacı (COD) giderimi sağlayan mikrobiyal yakıt hücrelerinin (MFC’ler) arıtma sistemlerine entegrasyonu yer almaktadır.^[22] 2024 itibarıyla, biyolojik sistemlerde arıtma verimliliğini artırmak için mikrobiyal toplulukların yapay zeka destekli optimizasyonunu içeren yeni gelişmeler de mevcuttur.^[23] Düşük enerji gereksinimleri nedeniyle 1980’lerde popüler hale gelen yapay sulak alanlar, sinerjik bitki-mikrop etkileşimleri sayesinde kırsal ve endüstriyel bağlamlarda ölçeklenebilir uygulamaları desteklemektedir.

Organizmalar Tarafından Hedeflenen Yaygın Kirleticiler

Patojenler ve Organik Madde

Su arıtımında patojenler; arıtma sırasında giderilmedikleri takdirde önemli sağlık riskleri oluşturan Escherichia coli gibi bakteri türlerini, enterovirüsler gibi virüsleri ve Giardia lamblia gibi protozoan kistlerini içerir.^[24]^[25] Atık sudan kaynaklanan çözünmüş ve partikül halindeki karbon bazlı kirleticileri içeren organik madde; toplam oksitlenebilir organikleri ölçen kimyasal oksijen ihtiyacı (COD) ve mikrobiyal ayrışma gerektiren biyolojik olarak parçalanabilir organikleri değerlendiren biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOD) gibi metriklerle ölçülür.^[26]^[27]

Organizmalar; protozoaların E. coli gibi bakteriyel patojenleri otlaması ve bakteriyofajların konakçı bakterileri parçalayarak (lizis) arıtma sistemlerindeki popülasyonlarını azaltması gibi avlanma mekanizmaları yoluyla patojen giderimine katkıda bulunur.^[28]^[29] Organik madde bozunumu için mikroorganizmalar, proteinler ve polisakkaritler gibi karmaşık makromolekülleri asimilasyon için daha basit bileşiklere parçalayan hidrolazlar ve oksidazlar gibi hücre dışı enzimler salgılar.^[30]

Temel bir biyolojik arıtma yöntemi olan aktif çamur süreçlerinde, mikrobiyal yumaklaşma (flokülasyon), patojenleri hapseden ve çökelten yoğun kümeler oluşturarak, dışkı koliformları gibi indikatörler için fiziksel hapsetme ve biyolojik bozunma yoluyla %99’a varan giderim verimliliği sağlar.^[31] Bu süreç, patojenleri daha sonraki avlanma veya yumak matrisi içinde ölme süreçleri için yoğunlaştırarak genel dezenfeksiyonu artırır.^[32]

Dikkat çekici bir vaka çalışması, yapay sulak alanlardaki doğal ölümleri içerir; burada avlanma ve UV maruziyeti gibi çevresel faktörler, tipik bekletme süreleri boyunca koliform bakterilerini 2-3 log birimi (%99-99,9 giderim) oranında azaltarak, kimyasal katkı maddeleri olmadan etkili patojen zayıflatmasını gösterir.^[33]^[34]

Besin Maddeleri

Su kütlelerindeki aşırı azot ve fosfor, ötrofikasyona yol açarak alg patlamalarını ve sucul ekosistemlere zarar veren oksijen tükenmesini teşvik edebilir. Bakteriler, algler ve su bitkileri gibi organizmalar; sulak alanlar ve atık su arıtma tesisleri gibi doğal ve mühendislik sistemlerinde biyolojik alım, dönüşüm ve asimilasyon süreçleri yoluyla bu makro besinlerin giderilmesinde hayati roller oynar. Daha az vurgulanan Potasyum (K⁺), sulak alan bitkileri ve mikropları tarafından biyokütleye asimile edilerek yapay sistemlerde genel besin sekestrasyonuna katkıda bulunur.^[35]^[36]

Başta amonyak (NH₄⁺), nitrit (NO₂⁻) ve nitrat (NO₃⁻) formlarında bulunan azot, mikrobiyal süreçler yoluyla daha az zararlı gaz formlarına dönüştürülür veya biyokütleye dahil edilir. Nitrosomonas ve Nitrobacter gibi ototrofik bakteriler tarafından gerçekleştirilen nitrifikasyon, aerobik koşullar altında amonyağı nitrite ve ardından nitrata oksitler. İlk adım şu şekilde temsil edilebilir:

$$ 2NH_4^+ + 3O_2 \rightarrow 2NO_2^- + 4H^+ + 2H_2O $$

^[35]

Denitrifikasyon ise anoksik ortamlarda gerçekleşir; burada heterotrofik bakteriler nitratı azot gazına (N₂) indirgeyerek su sütunundan etkili bir şekilde uzaklaştırır. Bu süreç şu şekilde gösterilir:

$$ 2NO_3^- + 10e^- + 12H^+ \rightarrow N_2 + 6H_2O $$

^[35]

Başlıca ortofosfat (PO₄³⁻) formundaki fosfor, lüks tüketim sergileyen mikroorganizmalar tarafından alınarak giderilir; burada polifosfat biriktiren organizmalar (PAO’lar), anaerobik salınımın ardından aerobik fazlarda metabolik ihtiyaçlarının ötesinde aşırı fosforu hücre içinde depolar.^[35]

Atık su arıtma tesislerindeki biyolojik besin giderimi (BNR) sistemlerinde, bu mikrobiyal süreçler inorganik azotun %80-95 oranında azaltılmasını sağlayarak, giriş seviyelerini genellikle 10 mg/L’nin altındaki çıkış suyu toplamlarına dönüştürür.^[37] Yapay sulak alanlar, makrofit biyokütlesinin yılda yaklaşık 5-20 g N/m² sekestre etmesiyle bitki alımı yoluyla etkinliğini daha da gösterir.^[38]^[39]

1990’lardan bu yana, A²O (anaerobik-anoksik-oksik) süreci gibi ardışık anaerobik ve aerobik döngüler kullanan gelişmiş BNR konfigürasyonları, denitrifikasyon yapan ve PAO topluluklarının seçici büyümesini teşvik ederek besin döngüsünü optimize etmiş ve çıkış suyu nitratını rutin olarak 10 mg/L’nin altına düşürmüştür.^[40]

Ağır Metaller ve İnorganik Toksinler

Kadmiyum (Cd), kurşun (Pb), cıva (Hg) ve krom (Cr) gibi ağır metaller ve siyanürler gibi inorganik toksinler; madencilik, elektrokaplama, metal işleme ve kimyasal üretim gibi endüstriyel atık sularından kaynaklanan yaygın su kirleticileridir. Bu kirleticiler; cevher çıkarma, pil üretimi ve pigment sentezi gibi süreçlerle atık suya karışır ve toksisiteleri, kalıcılıkları ve biyobirikim potansiyelleri nedeniyle sucul ekosistemler ve insan sağlığı için ciddi riskler oluşturur. Örneğin, altın madenciliği ve çelik endüstrilerinden salınan siyanürler, metal ekstraksiyonunu kolaylaştırsa da arıtılmamış atık sularda güvenli sınırları aşarak organizmalarda akut toksisiteye yol açar.^[41]^[42]^[43]

Organizmalar; metal iyonlarının mikrobiyal duvarlardaki karboksil, hidroksil ve amin gibi fonksiyonel gruplar aracılığıyla hücre yüzeylerine pasif olarak bağlandığı biyosorpsiyon; hücresel dokular içinde aktif alım ve depolamayı içeren biyobirikim; ve toksin değerlik durumlarını değiştirerek hareketliliği azaltan redoks dönüşümleri gibi mekanizmalarla su arıtımına katkıda bulunur. Biyosorpsiyon, iyon değişimi ve kompleksleşme yoluyla gerçekleşir; bakteriyel ekzopolisakkaritlerdeki karboksil grupları, Pb²⁺ ve Cd²⁺ gibi katyonlarla kararlı şelatlar oluşturarak metabolik enerji gerektirmeksizin hızlı yüzey immobilizasyonu sağlar. Biyobirikim, toksinleri hücre içinde, genellikle bitkilerin vakuollerinde veya mikropların sitoplazmasında sekestre ederken; bakteriyel enzimlerin Cr(VI)’yı elektron transferi yoluyla daha az toksik Cr(III)’e indirgemesi gibi redoks süreçleri, çökeltme veya detoksifikasyonu kolaylaştırır. Sülfat indirgeyen bakteriler, sülfatı sülfüre dönüştürerek ağır metalleri çözünmez sülfürler olarak çökeltip çözeltiden etkili bir şekilde uzaklaştırarak sürece ayrıca yardımcı olur.^[44]^[45]^[46]

Biyosorpsiyon kinetiği ve kapasitesi, genellikle homojen yüzeylerde tek tabakalı adsorpsiyon varsayan Langmuir izotermi kullanılarak modellenir ve şu şekilde ifade edilir:

$$ q = \frac{q_{\max} K_L C}{1 + K_L C} $$

Burada q, birim biyokütle başına metal alım miktarını (mg/g); q_max, maksimum alım kapasitesini; K_L, adsorpsiyon afinitesiyle ilişkili Langmuir sabitini (L/mg); ve C, denge metal konsantrasyonunu (mg/L) temsil eder. Bu model, mikrobiyal biyosorbentler üzerindeki çok sayıda çalışmada doğrulanmış olup, pH ve sıcaklık gibi değişen koşullar altında doygunluk sınırları ve verimlilik hakkında fikir verir. Pratik uygulamalarda, ayçiçeği (Helianthus annuus) gibi su bitkileri kullanılarak yapılan rizofiltrasyon işlemlerinde, kök adsorpsiyonu ve translokasyon yoluyla 24 saat içinde kontamine çözeltilerden %80’in üzerinde uranyum giderilebilir. Benzer şekilde, sülfat indirgeyen bakteriler sülfür üreterek Cd ve Pb gibi metallerin çökeltilmesini sağlar; laboratuvar ölçekli sistemler endüstriyel simülasyonlardan %95’e varan giderim göstermiştir.^[47]^[48]

Genetik mühendisliğindeki ilerlemeler bu süreçleri geliştirmiştir; cıva direnç operonlarından mer genlerini ifade edecek şekilde değiştirilen Escherichia coli, Hg(II)’yi detoksifikasyon için uçucu Hg(0)’a verimli bir şekilde indirgeyebilir. 1990’lardan beri geliştirilen bu suşlar, laboratuvar atık su testlerinde %95’in üzerinde cıva giderimi sağlamış, çevresel salınımı en aza indirirken gram kuru hücre ağırlığı başına 26.8 mg Hg biriktirmiştir. Bu tür mühendislik ürünü mikroplar, biyosorpsiyonu enzimatik dönüşümle bütünleştirerek, birden fazla inorganik toksin içeren atık suların arıtılması için ölçeklenebilir çözümler sunar.^[49]^[50]

Su Arıtımında Mikroorganizmalar

Bakteriler

Bakteriler; doğal ve mühendislik sistemlerinde organik kirleticilerin parçalanması, besin döngüsü ve toksin giderimi sağlayan metabolik çok yönlülükleri sayesinde su arıtımında merkezi bir rol oynar. Prokaryotlar olarak, aktif çamur arıtımı ve yapay sulak alanlar gibi süreçlerin temelini oluşturan hızlı üreme oranları ve değişen oksijen seviyeleri ile substrat mevcudiyeti gibi çeşitli çevre koşullarına uyum sağlama yeteneği sergilerler. Mikrobiyal topluluklardaki kolektif eylemleri, karmaşık kirleticilerin genellikle endüstriyel katalizi taklit eden ancak ortam koşullarında gerçekleşen enzimatik yollarla daha basit, daha az zararlı bileşiklere ayrışmasını kolaylaştırır.^[51]

Su arıtımında yer alan bakteriler, oksijen gereksinimlerine ve metabolik stratejilerine göre sınıflandırılır. Nitrosomonas türleri gibi aerobik bakteriler, atık sudan azotlu atıkların uzaklaştırılmasında kritik bir adım olan nitrifikasyonu, oksijen açısından zengin ortamlarda amonyağı nitrite oksitleyerek gerçekleştirir. Desulfovibrio türleri ile örneklenen anaerobik bakteriler, sülfat indirgemesini yöneterek oksijenin sınırlı olduğu koşullarda sülfatları hidrojen sülfüre dönüştürür; bu da anaerobik çürütücülerde koku ve korozyonun azaltılmasına yardımcı olur. Pseudomonas türleri gibi fakültatif bakteriler, dalgalanan oksijen seviyelerinde hidrokarbonları ve diğer organikleri parçalamak için aerobik solunum ve anaerobik fermantasyon arasında geçiş yaparak çok yönlü bozunma yetenekleri sergiler.^[52]^[53]^[51]

Kilit bakteri suşları, kirletici gideriminde özelleşmiş işlevlere katkıda bulunur. Gelişmiş biyolojik fosfor giderimi (EBPR) sistemlerinde yaygın olan aktinobakteri Tetrasphaera türleri, anaerobik koşullar altında polifosfat biriktirir ve bunu aerobik olarak serbest bırakır; böylece amino asitler ve peptitler gibi çeşitli karbon kaynaklarını kullanarak tam ölçekli atık su tesislerinde önemli fosfor giderimi sağlar. Mor sülfürsüz bakteriler olan Rhodobacter türleri, metal indirgemesini kolaylaştırarak kontamine atık sulardan kadmiyum ve çinko gibi ağır metalleri biyosorbe edip çöktürür ve fotosentetik koşullar altında %95’i aşan giderim verimliliklerine ulaşır. Bu suşlar genellikle yüzeylere yapışmış yapılandırılmış topluluklar olan biyofilmler oluşturur; burada açil-homoserin laktonlar gibi otoindükleyiciler aracılığıyla hücreden hücreye sinyal mekanizması olan “quorum sensing” (çoğunluğu algılama), yapışma, hücre dışı polimerik madde üretimi ve kolektif kirletici bozunumu için gen ekspresyonunu koordine eder.^[54]^[55]^[56]

Arıtma için bakteriyel mekanizmalar, hedeflenen enzimatik ve genetik adaptasyonlara dayanır. Organik maddenin enzimatik hidrolizi; Clostridium ve Bacillus türleri gibi bakteriler tarafından salgılanan selülazlar ve diğer glikozit hidrolazların, bitki bazlı kirleticilerden türetilen selüloz ve ligninler gibi karmaşık polimerlerdeki β-1,4-glikozidik bağları parçalayarak bunları daha ileri metabolizma için fermente edilebilir şekerlere dönüştürmesini içerir. Plazmid aracılı direnç, bakterilerin toksinlere tolerans göstermesine olanak tanır; mobil genetik elementler, ağır metalleri ve ksenobiyotikleri detoksifiye eden efluks pompalarını ve redüktazları kodlayarak, kirli sularda hayatta kalmalarını ve bozunma aktivitelerini kolaylaştırır.^[57]

Bakteriyel büyüme ve kirletici bozunma kinetiği, biyoreaktörlerde arıtma verimliliğini tahmin etmek için gerekli olan substrat sınırlı büyüme oranlarını tanımlayan Monod denklemi kullanılarak modellenir.

$$ \mu = \mu_{\max} \cdot \frac{S}{K_s + S} $$

Burada, μ spesifik büyüme oranıdır, μ_max maksimum büyüme oranıdır, S substrat (kirletici) konsantrasyonudur ve K_s yarı doygunluk sabitidir; bu ampirik model, daha yüksek S değerinin doygunluğa kadar oranları hızlandırdığı organik bozunma için geçerlidir ve atık su sistemlerinde optimum kirletici giderimi için hidrolik bekletme sürelerine rehberlik eder.^[58]

Bakteriyel uygulamalardaki gelişmeler arasında; 2008 sonrasında kapsamlı bir şekilde geliştirilen ve Geobacter ile Shewanella gibi elektroaktif bakterilerin karışık topluluklarının anotta organikleri oksitleyerek elektrik ürettiği ve pilot ölçekli atık su arıtımında %80-90 COD giderimi ile 0.5-2 W/m³ güç yoğunluklarına ulaştığı mikrobiyal yakıt hücrelerindeki (MFC’ler) konsorsiyumlar yer almaktadır. Sentetik biyoloji, 2020’lerde verimliliği daha da artırmıştır; hedeflenen kirletici bozunumu için sentetik yollar içeren modifiye edilmiş Pseudomonas putida gibi mühendislik suşları, geliştirilmiş enzim ekspresyonu ve stres toleransı için gen devreleri aracılığıyla vahşi tiplere kıyasla giderim oranlarını %50-75 artırmıştır.^[59]^[60]

Protozoa, Rotiferler ve Diğer Tek Hücreli Ökaryotlar

Protozoa ve rotiferler, biyolojik su arıtma sistemlerinde, özellikle de mikrobiyal topluluklar üzerinde yukarıdan aşağıya kontrol uygulayarak genel arıtma verimliliğini artırdıkları aktif çamur süreçlerinde kilit tek hücreli ökaryotları temsil eder.^[61] Bu organizmalar öncelikle yırtıcı olarak işlev görür; aşırı çoğalmayı önlemek için serbest yüzen bakterileri otlar, böylece dengeli bir ekosistemi korur ve daha berrak çıkış suyu sağlar.^[61] Avlanmaya ek olarak, biyokütle agregasyonuna ve çökelmesine yardımcı olan, çıkış suyundaki asılı katı maddeleri azaltan dışkı peletleri ve mukus üretimi yoluyla yumak (flok) stabilizasyonuna katkıda bulunurlar.^[62] Çok hücreli olmalarına rağmen rotiferler, filtrasyondaki tek hücreli benzeri davranışları ve arıtma sistemlerinde benzer yırtıcı dinamiklerindeki rolleri nedeniyle buraya dahil edilmiştir.^[63]

Atık sudaki yaygın protozoa türleri arasında; fagositoz yoluyla bakterileri aktif olarak otlayan Paramecium caudatum ve Vorticella spp. gibi silyatlar; dağılmış partikülleri yutan Arcella spp. gibi amipler; ve erken arıtma aşamalarında çözünür organikleri ve bakterileri tüketerek gelişen kamçılılar (flagellatlar) bulunur.^[61] Brachionus spp. ve Keratella spp. ile örneklendirilen rotiferler, bakterileri ve ince partikülleri korona (taç) yapıları aracılığıyla filtreler ve malzemeleri çökeltmeyi iyileştiren yumak yapılarına bağlamak için mukus salgılar.^[63] Düşük oksijen veya yüksek toksisite gibi çevresel stres altında protozoalar hayatta kalmak için kist oluşturabilir ve koşullar iyileştiğinde aktiviteye devam edebilirken, rotiferler olgun çamur fazlarında bile filtrasyonu sürdürür.^[61] Brachionus plicatilis gibi rotiferler için filtrasyon oranları, av yoğunluğuna ve türe bağlı olarak birey başına dakikada yaklaşık 0.001–0.01 mL’ye ulaşır.^[64]

Bu ökaryotlar, arıtma sağlığının biyoindikatörleri olarak hizmet eder; örneğin, yüksek silyat yoğunlukları yeterli havalandırmayı ve kararlı koşulları işaret ederken, amip veya kamçılıların baskınlığı zayıf oksijenlenmeyi veya genç çamuru gösterebilir.^[61] Aktif çamurda, bazı sistemlerde toplam biyokütlenin %20’sini oluşturabilen protozoalar, otlama yoluyla fazla bakterileri gidererek yumak yapısını stabilize eder ve dağılmış bakteri popülasyonlarını azaltarak suyu berraklaştırır.^[65] Atık su arıtma ortamları, 200’den fazla protozoa türüne ev sahipliği yapar; silyatlar çoğunluğu oluşturur ve başlangıçtaki yüksek BOD fazlarında kamçılı baskınlığından olgun, aerobik aşamalarda silyat yaygınlığına doğru süksesyon modelleri sergiler.^[61] Bu çeşitlilik ve zamansal değişim, bakteriyel aşırılığı kontrol ederek ve sistem direncini artırarak arıtmayı optimize etmedeki bütünleyici rollerini vurgular.^[61]

Algler ve Mantarlar

Algler; oksijen ve sucul sistemlerden kirleticileri uzaklaştırmak için hasat edilebilen biyokütle üretmek üzere fotosentezi kullanarak besinleri asimile etme ve kirleticileri bağlama yetenekleri sayesinde su arıtımında önemli bir rol oynar. Chlorella vulgaris gibi mikroalgler, hücre duvarı etkileşimlerini ve hücre içi alımı içeren biyosorpsiyon mekanizmaları yoluyla fosforu adsorbe etmede özellikle etkilidir ve optimize edilmiş koşullar altında gerçek atık suda %54’e varan giderim oranlarına ulaşır.^[66] Ulva lactuca ile örneklendirilen makroalgler, aljinat açısından zengin hücre duvarlarında yüzey adsorpsiyonu ve iyon değişimi yoluyla kadmiyum ve kurşun gibi ağır metalleri bağlamada mükemmeldir.^[67]^[68] Bu organizmalar, aydınlatılmış koşullar altında 0.1–0.5 gün⁻¹ spesifik oranlar (μ) ile karakterize edilen hızlı büyümelerinin 1–7 gün içinde biyokütlenin iki katına çıkmasına izin verdiği biyoreaktörlerde veya doğal göletlerde gelişerek verimli kirletici sekestrasyonunu kolaylaştırır.^[69]

Mantarlar, genellikle simbiyotik veya konsorsiyum düzenlemelerinde organik maddeyi ayrıştırarak ve besin döngüsünü kolaylaştırarak su arıtımına katkıda bulunur. Aspergillus niger gibi saprofitik mantarlar, ligninler ve hidrokarbonlar gibi karmaşık organikleri hücre dışı enzim salgısı yoluyla parçalayarak, mantar filtrelerinde evsel atık sudaki kimyasal oksijen ihtiyacını %70’e kadar azaltır.^[70]^[71] Rhizophagus irregularis gibi arbusküler tipleri içeren mikorizal mantarlar, yağmur suyu arıtımı için biyofiltre sistemlerinde fosfor ve azot gibi besinlerin bitki tarafından alımını artırır ve yapay sulak alanlarda genel giderimi iyileştirmek için kök ağlarını genişletir.^[72]

Alg ve mantar arıtımındaki temel mekanizmalar, kirleticileri dönüştüren oksidatif süreçleri içerir. Alglerde, Bisfenol A gibi organik kirleticilere maruz kalma, fotosentez sırasında üretilen reaktif oksijen türleri yoluyla lipid peroksidasyonunu indükleyebilir, bu da alg hücrelerinde oksidatif strese ve toksisiteye yol açar.^[73] Trametes versicolor gibi türler tarafından üretilen çok bakırlı oksidazlar olan mantar lakkazları, atık sudaki fenollerin ve boyaların oksidasyonunu katalize eder ve aşağıdaki basitleştirilmiş reaksiyonu izler:

$$ \text{Substrat} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Oksitlenmiş ürün} + \text{H}_2\text{O} $$

Bu enzimatik eylem, aromatik bileşikleri detoksifiye ederek endüstriyel boyalar için %80–100 oranında renk giderme oranlarına ulaşır.^[74]^[75]

Pratik uygulamalar, bu organizmaların mühendislik sistemlerindeki etkinliğini vurgulamaktadır. Fotobiyoreaktörlerde Chlorella gibi türleri kullanan alg biyoreaktörleri, asimilasyon ve ardından biyokütle hasadı yoluyla toplam azotun %90’a kadarını gidererek, gelişmiş performans için bakteriyel süreçlerle entegre olur.^[76]^[77] 2023 çalışmalarında tanımlanan Aspergillus ile denitrifikasyon yapan Pseudomonas suşları gibi son mantar ve bakteri konsorsiyumları, düşük oksijenli ortamlarda mikrobiyal etkileşimleri stabilize ederek monokültürlerden daha iyi performans gösterip %100’e yaklaşan verimliliklerde aerobik nitrat indirgemesini sağlar.^[78] Bu yaklaşımlar, alg ve mantar biyolojisinden yararlanan sürdürülebilir, düşük enerjili su arıtma potansiyelinin altını çizmektedir.

Su Arıtımında Çok Hücreli Organizmalar

Su Bitkileri ve Makrofitler

Su bitkileri ve makrofitler; kirleticileri adsorbe ettikleri, yararlı organizmalar için habitat sağladıkları ve kök bölgelerinde mikrobiyal aktiviteyi artırdıkları fitoremediasyon yoluyla su arıtımında çok önemli bir rol oynar. Bu vasküler bitkiler; besinleri ve kirleticileri doğrudan sudan ve tortulardan almak için kapsamlı kök sistemlerini, yapraklarını ve gövdelerini kullanır, böylece yapay sulak alanlar gibi doğal ve inşa edilmiş sistemlerde su kalitesini iyileştirir. Tortuları stabilize ederek ve su akışını azaltarak, kirleticilerin yeniden süspanse olmasını önlerken organik maddenin parçalanmasını kolaylaştırırlar.^[79]

Makrofitler; her biri arıtma süreçlerine benzersiz şekilde katkıda bulunan emergent (su üstüne çıkan), batık ve yüzen tipler olarak kategorize edilir. Phragmites australis (yaygın saz) gibi emergent türler, sığ sulardaki kök ağları aracılığıyla kirleticileri yakalamak ve parçalamak için rizom filtrasyonu kullanır. Myriophyllum spicatum (Avrasya su civanperçemi) gibi batık bitkiler, fotosentez yoluyla oksijen salarak kirletici bozunumunu destekleyen aerobik koşulları teşvik eder. Su mercimeği (Lemna minor) dahil olmak üzere yüzen makrofitler, yüksek yüzey alanı/hacim oranı ve hızlı büyüme oranları nedeniyle hızlı besin alımı sergileyerek yüzey suyu arıtımı için idealdir.^[79]^[80]^[81]^[82]

Temel mekanizmalar arasında; bitkilerin dokularında 1000 mg/kg’ı aşan konsantrasyonları sekestre ettiği ağır metallerin hiperakümülasyonu ve bakteriyel aktiviteyi artırmak için anaerobik tortularda aerobik mikro bölgeler yaratan köklerden radyal oksijen kaybı (ROL) yer alır. Örneğin, Phragmites australis ve Typha türleri gibi emergent ve batık makrofitler ROL’u kolaylaştırarak organik kirleticilerin oksidasyonunu ve besin döngüsünü artırır. Besin alım oranları türe göre değişir; su mercimeği biyokütle birikimi yoluyla yılda 50-100 g N/m² giderebilirken, fosfor için genel fitoremediasyon verimliliği sulak alan sistemlerinde %20-40’a ulaşır.^[83]^[84]^[82]

Öne çıkan bir örnek, yüzey emilimi ve gelişmiş mikrobiyal bozunma yoluyla biyokimyasal oksijen ihtiyacını (BOD) yaklaşık %70 oranında azaltan tropikal sulak alanlardaki su sümbülüdür (Eichhornia crassipes). Bu serbest yüzen bitki, organikleri ve besinleri kökleri ve yaprakları aracılığıyla emerek arıtılmış çıkış sularında 63-138 mg/L’den 20-30 mg/L’ye düşüşler sağlar. Ancak, çürüyen dokuların depolanan fosfor gibi besinleri suya geri salarak potansiyel olarak ötrofikasyonu şiddetlendirdiği mevsimsel ölümlerden kaynaklanan zorluklar ortaya çıkar. Bu sorun, biriken kirleticileri kalıcı olarak uzaklaştırmak ve yeniden salınımı önlemek için düzenli hasatla yönetilir.^[85]

Omurgasızlar

Omurgasızlar; tortu oksijenlenmesini artıran, asılı katı maddeleri azaltan ve sucul ekosistemlerde ve arıtma sistemlerinde besin döngüsünü teşvik eden biyotürbasyon, filtrasyon ve organik partikülleri otlama gibi mekanizmalar yoluyla su arıtımında çok önemli bir rol oynar. Annelidler, böcekler ve yumuşakçalar dahil olmak üzere bu organizmalar; genellikle bentik ortamlarda bulanıklığa ve ötrofikasyona katkıda bulunabilecek organik maddeleri işleyerek, tortuları mekanik olarak karıştırıp döküntüleri (detritus) tüketerek suyun berraklaşmasına katkıda bulunur. Faaliyetleri, sabit adsorpsiyona güvenmeden su akışını ve atık parçalanmasını iyileştirerek diğer biyolojik süreçleri tamamlar.^[86]

Tubifex tubifex gibi tübifisid solucanlar olan annelidler, tortulara gömülerek havalandırmayı ve oksijenin anoksik katmanlara difüzyonunu kolaylaştıran kilit biyotürbatörlerdir. Tortu parçacıklarını yutup yeniden işleyerek, bu solucanlar oksijen penetrasyonunu artırır ve organik maddenin oksidasyonu ve besin salınımı dahil olmak üzere biyojeokimyasal süreçleri uyarır. Bu biyotürbasyon, tortu solunum oranlarını %20–300 oranında artırarak kirli veya durgun sistemlerde genel su kalitesini iyileştirebilir. Atık su bağlamında, faaliyetleri çökelmiş katıların konsolidasyonunu ve drenajını teşvik ederek çamur susuzlaştırmaya yardımcı olur.^[86]

Böcek larvaları, özellikle kironomidler (ısırmayan tatarcıklar), atık su arıtımında organik döküntüleri ve asılı katıları otlayarak katkıda bulunur. Bu larvalar bakteriyel yumakları ve ince partikülleri yutarak, gelişim aşamalarında ardışık kesikli reaktörlerde çamur üretimini %50’ye kadar azaltır. Oyuk açma ve beslenme davranışları ayrıca organik madde bozunumunu destekleyerek toplam asılı katı maddeleri düşürmeye ve havalandırma havuzlarında arıtma verimliliğini artırmaya yardımcı olur.^[87]

Yumuşakçalar, özellikle tatlı su midyeleri gibi çift kabuklular, algleri, bakterileri ve diğer partikülleri yakalamak için suyu solungaçlarından pompalayarak partikül filtrasyonunda mükemmeldir. Bireysel midyeler, tür ve boyuta bağlı olarak günde 10–50 litre suyu filtreleyebilir; sindirilemeyen materyaller, çöken ve su sütununu daha da berraklaştıran psödofeces (yalancı dışkı) olarak atılır. Doğal sistemlerde, istilacı zebra midyesi (Dreissena polymorpha) bu kapasiteyi örneklendirir; alglerin %90’ından fazlasını (klorofil a azalmalarıyla gösterildiği gibi) giderir ve bakterileri otlar, ancak yoğun popülasyonlar altyapıda biyokirlenme (biofouling) riski oluşturur. Bu filtrasyon süreçleri sadece bulanıklığı azaltmakla kalmaz, aynı zamanda besinleri tortulara aktararak akış aşağı arıtmayı destekler.^[88]

2010’lardan bu yana belirgin bir şekilde geliştirilen akuaponik gibi entegre sistemlerde, salyangozlar ve bazı böcek larvaları gibi omurgasızlar, yenmemiş yemleri ve dışkıları tüketerek balık kaynaklı katı atıklar ile bitki alımı arasında köprü kurmaya yardımcı olur ve böylece devridaim kurulumlarında besin dağıtımını iyileştirir.

Balıklar ve Diğer Omurgalılar

Balıklar ve diğer omurgalılar; özellikle biyofiltrasyon, besin geri dönüşümü ve çevre sağlığının biyoindikatörleri olarak hizmet etme yoluyla biyolojik su arıtma sistemlerinde çok önemli roller oynar. Akuaponik ve polikültür havuzları gibi entegre su ürünleri kurulumlarında balıklar, organik maddeyi tüketerek ve mikrobiyal nitrifikasyonu ve bitki alımını destekleyen besinleri dışkılayarak atık işlemeye katkıda bulunur, böylece kirletici yüklerini azaltır. Kurbağalar gibi amfibiler, aksi takdirde su kalitesini bozabilecek veya patojenleri yayabilecek böcek popülasyonlarını kontrol ederek bu çabaları tamamlar. Bu omurgalılar, biyokütle hasadı yoluyla sürdürülebilir besin ihracını mümkün kılarak, dış girdileri en aza indirirken genel sistem verimliliğini artırır.^[89]^[90]

Belirli balık türleri, arıtma bağlamlarında beslenme alışkanlıkları nedeniyle özellikle değerlidir. Örneğin Tilapia (Oreochromis spp.), ticari yemleri tükettikleri ve bakterilerin hidroponik bitkiler tarafından kullanılabilir formlara dönüştürdüğü besin açısından zengin atıklar ürettikleri akuaponik sistemlerde mükemmeldir; bu sayede balık yetiştiriciliğini atık su arıtımıyla etkili bir şekilde entegre eder. Dip besleyicileri olarak Adi sazan (Cyprinus carpio), polikültür havuzlarında döküntüleri ve tortuları hedef alarak, aşırı besin salabilecek ve ötrofikasyonu teşvik edebilecek organik katmanların birikmesini önler. Bu tamamlayıcı beslenme nişleri, su sütunu katmanları boyunca mevcut kaynakların verimli bir şekilde kullanılmasına olanak tanır.^[89]^[91]

Bu omurgalıların arıtmaya yardımcı olduğu temel mekanizmalar arasında; özelleşmiş solungaç yapıları yoluyla partikül filtrasyonu, besin boşaltımı ve stres faktörlerine karşı fizyolojik tepkiler yer alır. Filtreyle beslenen türlerde, solungaç tarakları solunum sırasında algler ve döküntüler gibi asılı partikülleri yakalamak için elek görevi görerek su sütunundaki bulanıklığı ve organik yükü azaltır. Balıklar amonyağı öncelikle solungaçları yoluyla dışarı atar; bu da nitrifiye edici bakterileri amonyağı daha az toksik nitratlara dönüştürmeye teşvik eder ki bu süreç devridaim sistemlerinde biyofiltrasyonun merkezindedir. Ayrıca omurgalılar biyoindikatör görevi görür; balıklarda yüksek kortizol seviyeleri veya değişen enzim aktivitesi gibi stres tepkileri su kalitesinin bozulduğunu işaret ederek kirlenmiş ortamlarda erken müdahaleye izin verir.^[92]^[89]^[93]

Verimlilik metrikleri, omurgalıların besin yönetimindeki etkisini vurgulamaktadır. Polikültür havuzlarında balık hasadı, girdi azotunun %20-40’ını biyokütleye dahil ederek uzaklaştırabilir; bu da kirleticileri sistemden etkili bir şekilde ihraç eder ve akış aşağı ötrofikasyonunu önler. Kurbağalar gibi amfibiler, sivrisinek larvaları da dahil olmak üzere sucul böcekleri avlayarak bunu geliştirir; bu da zararlı çoğalmasından kaynaklanan organik girdileri azaltır ve dengeli besin ağlarını destekler. Bu katkılar, dengeli stoklama yoğunluklarının biyofiltreleri aşırı yüklemeden giderimi optimize ettiği sistem tasarımıyla ölçeklenir.^[94]^[95]

Buna dikkate değer bir örnek, biyofiltrelerin iyonize olmamış amonyağı 0.5 mg/L’nin altında tutarak balık sağlığını ve suyun yeniden kullanıma uygunluğunu sağladığı devridaim su ürünleri yetiştiriciliği sistemlerinde kanal yayın balığının (Ictalurus punctatus) kullanılmasıdır. Bu kurulum, omurgalı metabolizmasının minimum atık su deşarjı ile yüksek yoğunluklu üretimi sürdürmek için mikrobiyal süreçlerle nasıl entegre olduğunu gösterir.^[96]