dr hab. Krzysztof Jóźwiakowski, prof. nadzw. UP Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Katedra Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji ul. Leszczyńskiego 7, 20-069 Lublin tel./fax. 81 53 206 44 e-mail: krzysztof.jozwiakowski@up.lublin.pl Lublin, dnia 26.11.2018 r. RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Moniki Nowrotek pt. Ocena potencjału oczyszczalni hydrofitowej do biotransformacji i usuwania modelowych substancji farmaceutycznych wykonanej w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Korneliusza Mikscha promotor pomocniczy: dr inż. Adam Sochacki 1. Podstawa opracowania Zlecenie Prodziekan Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki Pani dr hab. inż. Joanny Kalki z dnia 11.10.2018 r. 2. Ogólne omówienie rozprawy Oczyszczanie ścieków w obiektach inżynierskich jest ważnym zagadnieniem, na które składają się różnego rodzaju procesy fizyczne, biologiczne i chemiczne. Ponieważ analiza prawidłowości przebiegu takich procesów jest bardzo trudna, ogromną rolę odgrywają badania eksperymentalne, które pozwalają określić efekt działania analizowanego obiektu. Projektowanie i przewidywanie efektywności funkcjonowania różnych systemów oczyszczania ścieków stanowi znaczne wyzwanie dla inżynierów i naukowców. O stopniu skomplikowania procesów usuwania zanieczyszczeń w oczyszczalniach ścieków świadczy ogromna liczba publikacji naukowych, które są efektem licznych badań prowadzonych zarówno w skali laboratoryjnej w systemach modelowych, jak również realizowanych w obiektach pracujących w pełnej skali technicznej. Pomimo wielu prac z zakresu oczyszczania ścieków w systemach hydrofitowych, dotyczących usuwania podstawowych wskaźników zanieczyszczeń, niewiele jest publikacji, w których analizowane są procesy i efekty usuwania farmaceutyków.
W rozprawie doktorskiej opracowanej przez mgr inż. Monikę Nowrotek zostały zaprezentowane wyniki badań dotyczące efektywności usuwania i biotransformacji substancji farmaceutycznych, czyli diklofenaku (DCF) oraz sulfametoksazolu (SMX) w systemach hydrofitowych. Przedłożona do recenzji rozprawa doktorska pt. Ocena potencjału oczyszczalni hydrofitowej do biotransformacji i usuwania modelowych substancji farmaceutycznych obejmuje 5 oryginalnych prac naukowych, w tym 4 z nich opublikowano w czasopismach z listy A, a jedna praca została wydana w czasopiśmie z listy B Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego: 1) Monika Nowrotek, Adam Sochacki, Ewa Felis, Korneliusz Miksch 2016. Removal of diclofenac and sulfamethoxazole from synthetic municipal waste water in microcosm downflow constructed wetlands: start-up results. International Journal of Phytoremediation 18 (2): 157-163 (25 pkt., IF 1,77 35% udziału doktorantki), 2) Monika Nowrotek, Ewa Kotlarska, Aneta Łuczkiewicz, Ewa Felis, Adam Sochacki, Korneliusz Miksch 2017. The treatment of wastewater containing pharmaceuticals in microcosm constructed wetlands: the occurrence of integrons (inti1-2) and associated resistance genes (sul1-3, qaceδ1). Environmental Science and Pollution Research 24 (17): 15055-15066 (30 pkt., IF 2,8 30% udziału doktorantki), 3) Adam Sochacki, Monika Nowrotek, Ewa Felis, Joanna Kalka, Aleksandra Ziembińska- Buczyńska, Sylwia Bajkacz, Sławomir Ciesielski, Korneliusz Miksch 2018. The effect of loading frequency and plants on the degradation of sulfamethoxazole and diclofenac in vertical-flow constructed wetlands. Ecological Engineering 122: 187-196 (30 pkt., IF 3,023 20% udziału doktorantki). 4) Adam Sochacki, Ewa Felis, Sylwia Bajkacz, Monika Nowrotek, Korneliusz Miksch 2018. Removal and transformations of diclofenac and sulfamethoxazole in a two-stage constructed wetland system. Ecological Engineering 122: 159-168 (30 pkt., IF 3,023 10% udziału doktorantki). 5) Ewa Felis, Adam Sochacki, Katarzyna Bula, Monika Nowrotek, Sylwia Bajkacz 2018. Usuwanie i transformacja wybranych mikrozanieczyszczeń antropogenicznych w sztucznych mokradłach skojarzonych z procesami indukowanymi światłem słonecznym. Acta Scientiarum Polonorum (seria Biotechnologia) 17 (4): 43-48 (6 pkt. 20% udziału doktorantki). Wymienione prace opublikowano w latach 2016-2018, jako oryginalne artykuły wieloautorskie, za które łączna liczba punktów, określona na podstawie list MNiSW 2
z 2016 r. wynosi 121, a IF = 10,616. Zaletą ocenianej rozprawy doktorskiej jest to, że prawie wszystkie czasopisma, w których opublikowano wymienione prace należą do wyróżniających się na świecie wydawnictw z zakresu inżynierii środowiska. W dwóch publikacjach Doktorantka jest pierwszym autorem, w jednej jest drugim autorem oraz w dwóch pozostałych jest czwartym autorem. Mankamentem ocenianej rozprawy jest fakt, że w jej składzie brakuje publikacji w 100% autorskiej. Istotnym mankamentem przedłożonej do recenzji rozprawy jest sposób prezentacji wybranych publikacji. W opracowaniu brakuje oryginalnych wersji publikacji, które podano w zmienionej wersji (bez spisu literatury). Słabą stroną ocenianej pracy jest również niewielki, średnio 23% udział Doktorantki w przygotowaniu artykułów, który podano na podstawie oświadczeń dołączonych do rozprawy (nie przedstawiono udziału procentowego w samej rozprawie). Biorąc pod uwagę wspomniany udział procentowy można stwierdzić, że Doktorantka za 5 publikacji wchodzących w skład przedłożonej rozprawy samodzielnie zgromadziła 27,95 pkt. Oznacza to, że zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 12 grudnia 2016 r. w sprawie przyznawania kategorii naukowej jednostkom naukowym i uczelniom, w których zgodnie z ich statutami nie wyodrębniono podstawowych jednostek organizacyjnych, Doktorantka samodzielnie uzyskała więcej niż 25 punktów, które przyznaje za monografię autorską. W związku z tym, można zakwalifikować ocenianą pracę jako autorską rozprawę doktorską. Dużym mankamentem recenzowanej rozprawy doktorskiej jest brak jasno określonego problemu naukowego, który zgodnie z art. 13.1. Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki Doktorantka powinna sformułować. O ile bogata zawartość pracy jak najbardziej potwierdza wysoką ogólną wiedzę teoretyczną Doktorantki w omawianym temacie, o tyle brak jasno i wprost sformułowanego problemu naukowego obniża jakość rozprawy i zmusza Recenzentów do bardzo wnikliwej analizy dysertacji. Na podstawie analizy treści zawartych w ocenianej pracy można stwierdzić, że problem naukowy podano w sposób niejawny w rozdziale I.4 (Zastosowanie oczyszczalni hydrofitowych do usuwania substancji farmaceutycznych ze ścieków), w którym Doktorantka opisuje możliwości zastosowania oczyszczalni hydrofitowych do usuwania zanieczyszczeń farmaceutycznych (ze szczególnym uwzględnieniem DCF i SMX), analizuje dostępną w tym zakresie literaturę, ale jednocześnie podkreśla, że rozbieżność uzyskanych jak dotąd wyników wskazuje na dalszą konieczność prowadzenia badań w tym zakresie, dążących do lepszego poznania mechanizmów usuwania tych substancji. Na końcu tego rozdziału Doktorantka artykułuje więc problem poszukiwania optymalnego systemu 3
hydrofitowego, którego zastosowanie pozwoli na wyeliminowanie substancji farmaceutycznych ze ścieków. W ocenianej rozprawie podano tezę, że oczyszczalnie hydrofitowe mogą stanowić alternatywną, efektywną i tanią metodę usuwania substancji farmaceutycznych ze środowiska wodnego. Natomiast jako główny cel pracy wskazano: ocenę efektywności usuwania i biotransformacji diklofenaku (DCF) oraz sulfametoksazolu (SMX) w systemach hydrofitowych. W ramach głównego celu pracy podano również cele cząstkowe, które obejmowały: - określenie wpływu konfiguracji systemu (oczyszczalni hydrofitowej) na usunięcie i (bio)transformację sulfametoksazolu (SMX) i diklofenaku (DCF), - określenie wpływu sulfametoksazolu (SMX) oraz diklofenaku (DCF) na pracę oczyszczalni hydrofitowej w zależności od stosowanej konfiguracji systemu, - określenie wpływu sulfametoksazolu (SMX) i diklofenaku (DCF) na strukturę i bioróżnorodność biocenozy bakteryjnej obecnej w górnej warstwie (strefie ryzosfery) wypełnienia oczyszczalni hydrofitowej oraz genów związanych z opornością na antybiotyki, a także porównanie toksyczności ścieków surowych i oczyszczonych zwierających SMX i DCF względem ścieków nie zawierających tych substancji. Tytuł dysertacji wiąże się ze sformułowaną tezą i celem pracy, jak i zakresem wykonanych badań, zaprezentowanych w 5 wskazanych publikacjach. W rozprawie doktorskiej Pani mgr inż. Moniki Nowrotek zaprezentowano wyniki badań, wykonywanych w warunkach modelowych (laboratoryjnych), nad funkcjonowaniem jednostopniowych systemów hydrofitowych z pionowym, podpowierzchniowym przepływem ścieków (publikacja nr 1, 2, 3, 5) oraz w systemie hybrydowym dwustopniowym, składającym się ze złoża z pionowym podpowierzchniowym przepływem ścieków i złoża drugiego o przepływie powierzchniowym (publikacja nr 4). W związku z powyższym tytuł pracy można było sformułować jako: Ocena potencjału oczyszczalni hydrofitowych do biotransformacji i usuwania modelowych substancji farmaceutycznych, ponieważ badania prowadzono w różnych układach systemów hydrofitowych, w nie w jednej oczyszczalni hydrofitowej. Badania zaprezentowane w publikacji nr 1 polegały na określaniu efektywność usuwania SMX oraz DCF w jednostopniowym systemie hydrofitowym, do którego dozowano syntetyczne ścieki bytowo-gospodarcze, a zastosowane stężenie DCF oraz SMX wynosiło 5 mg/l. Badania realizowano w ciągu 86 dni, a obciążenie hydrauliczne systemu ściekami wynosiło 32 mm/dobę. Dodatkowo określono wpływ farmaceutyków na efektywność usuwania ze ścieków związków azotu, węgla oraz fosforu. 4
W publikacji nr 2 przedstawiono wyniki badań dotyczące występowania genów związanych z opornością na sulfonamidy (sul1-3) oraz innych elementów genetycznych (qaceδ1 oraz inti1-2) w górnej warstwie wypełnienia systemu hydrofitowego z pionowym przepływem, do którego dopływały ścieki zawierające SMX oraz DCF. Próbki wypełnienia pochodziły z systemu omawianego w publikacji 1, a badania wykonywano w tym samym okresie badawczym, jaki podano w publikacji 1. Dodatkowo w publikacji nr 2 przedstawiono produkty transformacji SMX w próbkach odpływu z kolumn obsadzonych roślinami mozgi trzcinowatej (Phalaris arundinacea Picta ). W publikacji nr 3 przedstawiono wyniki badań wpływ częstotliwości zasilania ściekami na efektywność usuwania SMX i DCF w systemie hydrofitowym z pionowym przepływem, obsadzonym mozgą trzcinowatą (Phalaris arundinacea Picta ). W eksperymencie tym zmniejszono stężenie SMX i DCF w ściekach dopływających do oczyszczalni do 0,5 mg/l. Wykonano także test toksyczności Microtox dla ścieków surowych i oczyszczonych zawierających DCF i SMX, względem ścieków pobranych z systemu stanowiącego kontrolę. Przeprowadzono także analizę struktury mikroorganizmów znajdujących się w wierzchniej warstwie wypełnienia i w strefie ryzosfery oraz zaproponowano struktury produktów transformacji SMX i DCF w zależności od stosowanej częstotliwości zasilania układu. Badania zaprezentowane w publikacja nr 4 obejmowały ocenę efektywności usuwania SMX oraz DCF w hybrydowym dwustopniowym systemie hydrofitowym, w którym zidentyfikowano produkty transformacji DCF oraz SMX po każdym etapie oczyszczania. Badania realizowano przez okres 442 dni w systemie zasilanym syntetycznymi ściekami bytowo-gospodarczymi, które zawierały SMX oraz DCF w stężeniu 2 mg/l. Część pierwsza układu była obsadzona miskantem olbrzymim (Miscanthus giganteus), natomiast w drugiej części systemu występowały rośliny zakorzenione na pływającej wyspie (kosaciec żółty, tatarak zwyczajny, krwawnica pospolita), rośliny pływające i wynurzone (rzęsa pospolita, wywłócznik brazylijski, hiacynt wodny, limnobium gąbczaste, pistia rozetkowa). Badania tego systemu prowadzono przy zastosowano dodatkowego napowietrzania. W publikacji nr 5 przedstawiono wyniki badań dotyczące efektywności usuwania SMX i DCF w procesie skojarzonym bazującym na świetle słonecznym (wspomaganym TiO 2 ). Badania wykonywano w systemie hydrofitowym z pionowym przepływem ścieków częściowo obsadzonym miskantem olbrzymim (Miscanthus giganteus). Dodatkowo, w pracy podjęto próbę określenia głównych produktów transformacji DCF oraz SMX. Badania wykonane przez Doktorantkę mogą wzbudzać uznanie ze względy na obszerny materiał wynikowy, a szczególnie w zakresie analizy substancji farmaceutycznych, czyli 5
diklofenaku (DCF) oraz sulfametoksazolu (SMX). Na podstawie badań zaprezentowanych w cyklu 5 monotematycznych publikacji składających się na rozprawę doktorską mgr inż. Moniki Nowrotek wykazano, że: - konfiguracja oczyszczalni hydrofitowej ma istotne znaczenie przy usuwaniu sulfametoksazolu (SMX) i diklofenaku (DCF). Stosowanie zmiennej częstotliwości zasilania układu hydrofitowego wskazuje na wyższe usunięcie SMX i DCF w układzie o niższej częstotliwości zasilania. - zastosowanie dwustopniowego (hybrydowego) systemu hydrofitowego może znacząco wpływać na zwiększenie efektywności usuwania DCF oraz SMX. - obecność dodatkowego napowietrzania w systemie hydrofitowym o podpowierzchniowym pionowym przepływie ścieków nie skutkuje zwiększeniem efektywności usunięcia DCF i SMX, natomiast zastosowanie dodatkowego napowietrzania w systemie o przepływie powierzchniowym może wpływać na lepsze usuwanie DCF, obniżając jednocześnie usunięcie SMX. - właściwości opisanych produktów transformacji SMX oraz DCF mogą świadczyć o procesach beztlenowych i tlenowych, które biorą udział w przemianie tych związków, jak również biodegradacji, czy udziale procesów abiotycznych, które mogą zachodzić we wnętrzu systemu hydrofitowego. Określono, że opisane produkty transformacji, występujące niezależnie od stosowanej konfiguracji systemu, to hydroksylowane pochodne DCF oraz hydroksylowane i metylowane pochodne SMX. - ciekawą alternatywą okazuje się połączenie systemu hydrofitowego z procesami fotokatalitycznymi indukowanymi światłem słonecznym w obecności fotokatalizatora (TiO 2 ). Zastosowanie dodatkowego etapu doczyszczania skutkuje niemalże całkowitym usunięciem SMX oraz DCF ze ścieków oczyszczonych, jednak stosowanie takich procesów w pełnej skali technicznej wiąże się ze znacznymi kosztami, co może wykluczać takie rozwiązanie. - obecność SMX oraz DCF może wpływać na podstawowe parametry pracy systemu hydrofitowego, takie jak zawartość azotu azotanowego (V) w ściekach oczyszczonych, nie wpływa natomiast na zawartość azotu amonowego, czy związków węgla. - długotrwały czas ekspozycji systemu hydrofitowego na SMX dozowany w ściekach wpływa na zmianę jakościową obecnych w górnej warstwie wypełnienia determinantów genetycznych. Wykonane analizy wskazują na zmniejszenie różnorodności struktury mikroorganizmów w oczyszczalni hydrofitowej zasilanej ściekami zawierającymi SMX 6
i DCF. Nie zaobserwowano także wzrostu toksyczności ścieków surowych i oczyszczonych zawierających SMX i DCF względem kontroli. W rozprawie doktorskiej Pani mgr inż. Moniki Nowrotek zaproponowano również dalsze kierunki badań dotyczące mechanizmu usuwania farmaceutyków w systemach hydrofitowych, które powinny obejmować: 1) analizę stężenia farmaceutyków w różnych miejscach wypełnieniu systemu pracującego w wybranych konfiguracjach oraz określenie potencjalnych produktów transformacji. 2) analizę metagenomową zbiorowiska bakteryjnego w systemie hydrofitowym w różnych poziomach wypełnienia, co pozwoli na dogłębne poznanie zbiorowisk bakteryjnych, zwłaszcza tych posiadających wybrane geny oporności na antybiotyki w całym przekroju systemu. 3) analizę tkanek roślinnych (liście, łodyga, korzenie) pod kątem zawartości farmaceutyków oraz określenie potencjalnych produktów transformacji farmaceutyków, co pozwoli na wykluczenie, bądź potwierdzenie bezpośredniego udziału roślin w rozkładzie wybranych substancji. Badania przeprowadzone przez Doktorantkę i przedstawione w cyklu publikacji składającym się na rozprawę doktorską wnoszą nowe treści do dyscypliny inżynieria środowiska. Uwagi krytyczne podane w recenzji nie umniejszają merytorycznej wartości rozprawy doktorskiej, którą oceniam jako dobre opracowanie naukowe. Tematyka rozprawy przedstawiona przez Doktorantkę jest jak najbardziej aktualna i potrzebna ze względu na coraz szersze stosowanie substancji farmaceutycznych i ich obecność w środowisku przyrodniczym. Badania i praktyczne zastosowanie systemów hydrofitowych, które zapewniają nie tylko skuteczne usuwanie zanieczyszczeń podstawowych, ale i farmaceutycznych jest niezbędne ze względu na konieczność porządkowania gospodarki wodno ściekowej w aspekcie realizacji wymagań Ramowej Dyrektywy Wodnej UE. 3. Wniosek końcowy Uważam, że rozprawa doktorska mgr inż. Moniki Nowrotek jest cennym opracowaniem, w którym potwierdzono główną tezę pracy i rozwiązano problem naukowy, który został podany w sposób niejawny. Doktorantka wykazała się odpowiednim przygotowaniem teoretycznym i praktycznym, znajomością współczesnej literatury dotyczącej tematu pracy oraz umiejętnością planowania i prowadzenia badań. Autorka pokazała, że potrafi właściwie wykonać zamierzone prace eksperymentalne oraz prawidłowo i wnikliwie zinterpretować uzyskane wyniki badań. 7
Tematyka i zakres pracy jest ściśle związany z ważnym problemem społeczno-gospodarczym, który dotyczy zastosowania i efektywności funkcjonowania hydrofitowych oczyszczalni ścieków aspekcie ochrony środowiska i dlatego podjętą problematykę badawczą należy zaliczyć do grupy badań stosowanych. Biorąc po uwagę informacje zaprezentowane powyżej stwierdzam, że rozprawa doktorska mgr inż. Moniki Nowrotek pt. Ocena potencjału oczyszczalni hydrofitowej do biotransformacji i usuwania modelowych substancji farmaceutycznych spełnia warunki obowiązującej ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 r. (Dz. U. Nr 65, poz. 595). Dlatego wnioskuję o jej przyjęcie jako rozprawy doktorskiej i dopuszczenie mgr inż. Moniki Nowrotek do publicznej obrony przed Radą Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej. Lublin, dnia 26.11.2018 r. 8