Membran biyofilm reaktöründe biyofilm kalınlığının sinyal iletiminin önlenmesi yöntemi ile kontrolü
Control of biofilm thickness in membrane biofilm reactor by using quorum quenching method
Yazar: BANU TAŞKAN
Danışman: PROF. DR. HALİL HASAR
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Membran biyofilm reaktörü (MBfR), içme suyu ve atıksu arıtımı için gelecekte yaygın olarak kullanılma potansiyeli olan bir ileri arıtım teknolojisidir. MBfR, membran fiberlerinin kullanılarak difüzyon ile gaz transferinin sağlandığı ve biyofilm büyümesi için etkin bir yüzey sağlaması açısından dikkat çekici bir teknoloji olarak göze çarpmaktadır. MBfR sistemlerinin temel problemi, membran yüzeyindeki biyofilm kalınlığının kontrolsüz bir şekilde artışıdır. Biyofilm kalınlığının artışı ile membran yüzeyinde fazla biyokütle birikimi üniform olmayan gaz transferine neden olur ve buna bağlı olarak sistem performansı düşer. Membran yüzeyinde hızlı biyokütle oluşumu, MBfR sistemlerinin içme suyu ve atıksu arıtma tesislerinde yaygın bir şekilde kullanımını kısıtlayan ana unsurlardan biridir. Bu çalışmada, biyofilm kontrolüne olanak sağlayan "Sinyal iletiminin önlenmesi (Quorum quenching)" yöntemi ile bu problemin önüne geçilebileceği düşünülmektedir.
Çalışmada oksijen tabanlı MBfR (O2-MBfR) sisteminde Quorum quenching (QQ) yöntemi kullanılarak biyofilm kalınlığı kontrol altında tutulmaya çalışılmıştır. Bu amaçla, başlangıçta tek bir izole edilmiş QQ bakterisi denenerek biyofilm kalınlığı optimum düzeyde tutulmaya çalışılmış ve sistem performansının sürdürülebilirliği araştırılmıştır. İkinci aşamada ise farklı ortamlardan QQ aktivitesine sahip bakteri izolasyonu gerçekleştirilerek en yüksek QQ aktivitesi gösteren türler reaktörlere aljinat boncuklara immobilize edilerek eklenmiş ve O2-MBfR performansına etkileri araştırılmıştır. Tez çalışması kapsamında, O2-MBfR'nde QQ aktivitesi ve reaktör performansına etkisi, membran yüzeyindeki biyofilm yapısı ve biyofilm içerisindeki mikrobiyal türlerin değişimi detaylı bir şekilde incelenerek biyofilm kontrolünün reaktör performansına etkisi araştırılmıştır. Burada asıl hedef, sistemin arıtım performansı değil O2-MBfR sisteminde biyofilm kalınlığını QQ uygulamaları ile kontrol altında tutarak sistem performansına etkilerini araştırmaktır. Rhodococcus sp. BH4 bakterisi için elde edilen çalışma sonuçları membran yüzeyindeki biyofilm kalınlığının özellikle 12 sa hidrolik bekletme zamanı (HRT) değeri, 6 psi O2 gaz basıncı ve 15 ml QQ boncuk konsantrasyonunda etkin düzeyde tutulduğunu göstermiştir. Bakteri izolasyonu sonucunda en yüksek QQ aktivitesi gösteren türler Bacillus methylotrophicus, Klebsiella pneumoniae, Lysinibacillus fusiformis, Achromobacter xylosoxidans şeklinde sıralanabilir.

Abstract:
Membrane biofilm reactor (MBfR) is advanced a treatment technology that has the potential for widespread use for drinking water and wastewater treatment in the future. MBfR is considered as a remarkable technology in terms of providing gas transfer by diffusion through membrane fibers and providing an effective surface for biofilm growth.  The main problem of MBfR systems is the uncontrolled increase of biofilm thickness on the membrane surface. Excess biomass accumulation on the membrane surface with the increase in biofilm thickness causes non-uniform gas transfer and consequently the system performance decreases. Therefore, rapid biofilm formation on the membrane surface is one of the main factors restricting the use of MBfR systems in the drinking water and wastewater treatment plants. In this study, it is expected to overcome this problem by "Quorum quenching (QQ)" allowing control of biofilm.
In the study, biofilm thickness on the membrane surface was kept under the control by using method of QQ in the MBfR based on oxygen (O2-MBfR). For this purpose, firstly biofilm thickness using of a single isolated QQ bacteria was kept to an optimum level and the sustainability of system performance was investigated. In the second stage, bacterial isolation with QQ activity was performed in different media. Species exhibiting the highest QQ activity were added to the alginate capsules immobilized by reactors. Within the scope of thesis study, QQ activity and effect on the O2-MBfR performance, biofilm structure and microbial community changes in biofilm was studied in detail. The main objective here is to investigate the effect of the system on performance by controlling the biofilm thickness in the O2-MBfR system by QQ applications rather than the treatment performance. The results of the study obtained for the Rhodococcus sp. BH4 bacterium showed that the biofilm thickness on the membrane surface was effectively maintained, especially at 12 h hydraulic retention time (HRT), 6 psi O2 gas pressure and 15 ml QQ bead concentration. The species with the highest QQ activity as a result of bacterial isolation can be listed Bacillus methylotrophicus, Klebsiella pneumoniae, Lysinibacillus fusiformis, Achromobacter xylosoxidans.