Biyolojik atık su arıtma sistemlerinde bakteriyofajların biyoteknolojik uygulamaları
Biotechnological applications of bacteriophages in biological wastewater treatment processes
Yazar: ŞUHEDA REİSOĞLU
Danışman: PROF. DR. SEVCAN AYDIN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyoloji = Biology ; Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Antibiyotik dirençliliği =   ; Bakteriyofajlar = Bacteriophages ; Biyoreaktörler = Bioreactors ; Endüstriyel atık su = Industrial waste water ; Evsel atık su = Domestic sewage ; Faj dirençliliği = Phage resistance ; Kentsel atık sular = Municipal waste waters ; Membran reaktör = Membrane reactor ; İlaçlara direnç-bakteriyel = Drug resistance-bacterial ; İlaçlara direnç-çoklu = Drug resistance-multiple

Özet:
Bakteriyofajlar, spesifik bakterileri enfekte eden ve mikrobiyal ekosistemlerin evriminde önemli rol oynayan virüslerdir. Fajların spesifik konak hücreleri ile etkileşimi, mikrobiyomun içeriğini, fonksiyonunu ve evrimsel sürecini etkileyebilmektedir. Bu etkileşimin anlaşılması, çevre ve gıda mühendisliği gibi farklı mühendislik alanlarında mikrobiyal büyümeyi kontrol etmek için önem taşımaktadır. Biyolojik atık su arıtma tesislerinde yer alan mikrobiyal çeşitlilik ve aralarındaki genetik etkileşimler arıtma tesisinin verimli olarak işletilmesini sağlamaktadır. Dolayısıyla, tesisteki mevcut mikrobiyotanın stabilitesi, biyolojik atık su arıtma sistemlerinin kimyasal ve biyolojik kirleticileri gidermesi için önem taşımaktadır. 
Biyolojik atık su arıtma sistemlerinde yüksek bolluk ve çeşitlilikte yer alan fajlar, mikrobiyal çeşitliliğin değişimi için itici güçler olup konak hücreyi etkileyerek mikrobiyal çeşitliliği değiştirme yeteneğine sahiptir. Bu nedenle faj-konakçı dinamiklerinin anlaşılması, biyolojik arıtma sürecinin kalitesini iyileştirmede büyük önem taşımaktadır. Önerilen tezde, beş farklı patojen bakteriye özgü litik faj içeren piyofaj kokteyli kullanılarak biyolojik atık su arıtımının önceliği olan fonksiyonel mikrobiyotanın iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Fajlar tarafından modifiye edilebilen ökaryotik mikroorganizmalar da dahil olmak üzere tüm mikrobiyom için kapsamlı veri elde etmek amacıyla aerobik membran biyoreaktörüne faj kokteyli ve antibiyotik uygulaması yapılarak süreç sonunda reaktörden alınan numunede shotgun metagenomik dizileme analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analiz ile fajların spesifik olduğu patojenleri etkili bir şekilde giderme potansiyeline ek olarak, fajların genel olarak mikrobiyal komünite yapısına, faj-mikrobiyal komünite etkileşimi sonucu metabolik süreçlerde aktif rol oynayan metabolik yolaklara ve reaktördeki antibiyotik direnç genleri dağılımına etkisi  izlenmiştir.  Bu çalışma İstanbul Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından desteklenmiştir. Proje numarası: FYL-2023-39728.

Abstract:
Bacteriophages are viruses that infect specific bacteria and play an important role in the evolution of microbial ecosystems. The interaction of phages with specific host cells can affect the content, function and evolutionary process of the microbiome. Understanding this interaction is important to control microbial growth in different engineering fields such as environmental and food engineering. Microbial diversity in biological wastewater treatment plants and microbial dynamics between them ensure the efficient operation of the treatment plant. Therefore, the stability of the existing microbiota in the process is important for biological wastewater treatment systems to remove chemical and biological pollutants.
Phages, which are present in high abundance and diversity in biological wastewater treatment systems, are driving forces for the change of microbial diversity and have the ability to change microbial community diversity by affecting the host cell. Therefore, understanding phage-host dynamics is of great importance in improving the quality of the biological treatment process. In the proposed thesis, it is aimed to improve the functional microbiota, which is the priority of biological wastewater treatment, by using a pyophage cocktail containing lytic phages specific to five different pathogenic bacteria. In order to obtain comprehensive data for the entire microbiome, including eukaryotic microorganisms that can be modified by phages, phage cocktail and antibiotics were applied to the aerobic membrane bioreactor and shotgun metagenomic sequencing analysis was performed on the sample taken from the reactor at the end of the process. With this analysis, in addition to the potential of phages to effectively eliminate pathogens for which they are specific, the effects of phages on the microbial community structure, metabolic pathways that play an active role in metabolic processes as a result of phage-microbial community interaction, and the distribution of antibiotic resistance genes in the reactor were monitored. This thesis study was supported by Istanbul University Scientific Research Projects Coordination Unit. Project number: FYL-2023-39728.