Απομόνωση μικροοργανισμών να διασπούν Ν-ακυλο-ομοσερινολακτόνες και διερεύνηση του ρόλου τους στην αύξηση της αποδοτικότητας βιοαντιδραστήρα μεμβρανών επεξεργασίας λυμάτων.
Creators: name: Καμπούρης, Ιωάννης Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Ν-ακυλο-ομοσερινολακτόνες
Βιοτεχνολογία
Βιοαντιδραστήρας μεμβρανών
Quorum Quenching
Biotechnology
Membrane Bioreactor

description: Η τεχνολογία των συστημάτων βιοαντιδαστήρων μεμβράνης (MBR) συνδυάζει την επεξεργασία ενεργού ιλύος με διήθηση, παράγοντας υψηλότερης ποιότητας εκροή, χαμηλότερο αποτύπωμα και ενεργειακό κόστος. Ωστόσο η έμφραξη της μεμβράνης μειώνει την απόδοση των MBR και αυξάνει το ενεργειακό και το οικονομικό κόστος. Κύρια αιτία της έμφραξης αποτελεί η προσκόλληση των διαλυτών μικροβιακών προϊόντων (SMP) και των δεσμευμένων εξωκυττάριων πολυμερών (bEPS) στη μεμβράνη. Η παραγωγή των SMP και bEPS ρυθμίζεται από ένα ειδικό τύπο διακυτταρικής επικοινωνίας, γνωστός ως Quorum sensing (QS). To QS στα κατά Gram αρνητικά βακτήρια βασίζεται στην παραγωγή διαειδικών μικρομοριακών διαβιβαστών, τις N-ακυλο-ομοσερινολακτόνες (AHLs). Μία νέα μέθοδος για τον έλεγχο της έμφραξης στους MBR, περιλαμβάνει τη χρήση ενζύμων ή μικροβιακών στελεχών για τη διάσπαση των AHLs, γνωστή ως Quorum Quenching (QQ). Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η απομόνωση QQ-στελεχών από ενεργό ιλύ αστικού λύματος ικανών να περιορίζουν την έμφραξη των MBRs. Αρχικά δείγμα ενεργού ιλύος ενοφθμαλμίστηκε σε ειδικό θρεπτικό μέσο το οποίο περιείχε ανόργανα θρεπτικά συστατικά και εξανοϋλο-ομοσερινολακτόνη ως κύρια πηγή άνθρακα και αζώτου. Μετά από αρκετούς εμπλουτισμούς δείγμα από τη καλλιέργεια επιστρώθηκε σε τρυβλία με LB-άγαρ και παρατηρήθηκε η ανάπτυξη τεσσάρων στελεχών. Η εκτίμηση της ικανότητας των στελεχών να διασπούν την εξανοϋλο-ομοσερινολακτόνη πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του στελέχους βιοδείκτη Chromobacterium violaceum Cv026, το οποίο παράγει μωβ χρωστική όταν εκτεθεί σε Ν-ακυλο-ομοσερινολακτόνες. Τρία στελέχη έδειξαν ικανότητα διάσπασης, ενώ ένα στέλεχος μόνο παρουσίασε την ικανότητα να διασπά πλήρως 50 mM εξανοϋλο-ομοσερινολακτόνης σε 9 ώρες. Το στέλεχος ταυτοποιήθηκε με τη χρήση μοριακών μεθόδων (16S rRNA) ως μέλος του γένους Lactobacillus. Στo δεύτερο μέρος αυτής της εργασίας διερευνήθηκε η ικανότητα του επιλεγμένου στελέχους να επιδρά στην έκφραση φαινοτύπων της μικροβιακής χλωρίδας σε πιλοτικής κλίμακας βιοαντιδραστήρα μεμβράνων κατά την επεξεργασία συνθετικού λύματος. Ο βιοαντιδραστήρας μεμβρανών λειτούργησε σε δύο περιόδους: ελέγχου αναφοράς (σφαιρίδια αλγινικού) και QQ-περίοδος (σφαιρίδια με το QQ-στέλεχος). Η ικανότητα έμφραξης της μεμβράνης εκτιμήθηκε με τη μέθοδο της κρίσιμης ροής. Κατά τη διάρκεια της QQ-περιόδου λειτουργίας παρατηρήθηκε μικρότερη έμφραξη και χαμηλότερες συγκεντρώσεις των bEPS και SMP, λόγω της δράσης του επιλεγμένου στελέχους. Η ποιότητα της εκροής και η απομάκρυνση του οργανικού φορτίου δεν διέφεραν μεταξύ των δύο περιόδων. Συμπερασματικά το επιλεγμένο στέλεχος είναι ένα νέο στέλεχος με ικανότατα να προκαλεί Quorum Quenching και να παρεμποδίζει την έμφραξη σε βιοαντιδραστήρες μεμβρανών.
description: Membrane bioreactor (MBR) combines activated sludge treatment with filtration, producing higher quality effluent, smaller footprint and lower energy cost. Membrane biofouling reduces MBR performances and elevates energy and operation cost. Biofouling is mainly due to the deposition of Soluble Microbial Products (SMP), and bound Extracellular Polymeric Substances (bEPS) on membrane pores. The expression of production of SMP and bEPS is regulated by Quorum Sensing (QS). Quorum Sensing in Gram-negative bacteria is based on the production of N-acyl-homoserine lactones (AHLs). New methods for biofouling control utilize enzymes or microbial strains for the degradation of AHLs (Quorum Quenching, QQ). The aim of the present study is the isolation of QQ-microorganisms from municipal wastewater sludge and the examination of their potential use as quorum quenching agents in MBRs. Activated sludge sample was cultivated to a minimal medium containing the appropriate inorganic nutrients and N-hexanoyl-L-homoserine lactone (C6-HSL) as the main carbon and nitrogen source. After several enrichments, a sample of the culture was streaked on a LB-agar plate and different strains with distinct types of colonies were observed. The evaluation of the ability of the strains to degrade C6-HSL was accomplished using the biosensor strain Chromobacterium violaceum Cv026, that produces violet pigment when exposed to AHLs. Three strains showed the ability to degrade C6-HSL. One strain showed the ability to completely degrade 50 mM C6-HSL in nine hours. This particular strain was indentified to belong in Lactobacillus genus by using molecular methods (16S rRNA). In the second part of the present study, the ability of the selected AHL-degrading strain to alter the expression of phenotypes was investigated, in a pilot scale MBR treating synthetic wastewater. The pilot scale MBR was operated in two periods: control period (with addition of alginate beads) and quorum quenching period (addition of alginate beads including the QQ-strain). Biofouling rate was evaluated with critical flux method. During the QQ period low biofouling rate was observed, associated with reduced EPS and SMP content in membrane tank, aeration tank and effluent. Nevertheless, the quality of biological treatment process and the organic load removal rate was preserved during the SBR04MA use. In conclusion, the new isolated QQ-strain was capable of mitigating biofouling and enhancing the performances of the pilot scale MBR.