Chemical characterization of exopolysaccharides from floccular and aerobic granular sludge receiving synthetic/ Industrial wastewasters

Atıksudan kaynaklanan farklı tipteki kirleticilerin verimli bir şekilde giderildiğinden emin olmak ve tabi ki çevreyi korumak amacıyla; ayrıca katı mevzuat nedeniyle atıksu arıtma teknolojilerindeki gelişimler gerekli hale gelmiştir. Biyolojik atıksu arıtma, atıksu arıtma prosesinin bir parçası olup; atıksudaki çözünebilir organik maddeleri giderir ve mikrobiyal biyokütle tarafından bünyesine alınmasını sağlar ki böylelikle atıksudan ayırarak temiz çıkış elde edilir. Granüler aktif çamur uygulaması, çevre biyoteknoloji alanındaki en başarılı hikayelerden biri olarak tıksu arıtımında dikkati çekmiştir. Bu durum öncelikle sistemin klasik veya floküler aktif sistemlere göre bir takım avantajlarının olmasından kaynaklanır. Aerobik granüler çamur, granül görünümünde olan ve kendi-sabitliyor. Hücresini içeren bir tür biyofilmdir. Biyofilm tabakası, biyolojik atıksu arıtımında kullanılır, mikrobiyal yapıların bir araya gelerek çökmesi ile oluşmaktadır. Dahası, uluslarası su birliğine göre, 'aerobik granüler aktif çamurdaki granüllerin mikrobiyal orjinli agregat oldukları; hidrodinamik stres altında çökelmedikleri ve aktif çamur floklarından gözle görünür şekilde daha iyi çökeldikleri anlaşılmıştır'(de Kreuk et al, 2005). AGÇ'un önemli karakteristik özelliğine oluşan granüller sayesinde iyi çökelebilme özelliğini verebiliriz. Çökelebilirliğin tespitinde kullanılan kilit bir parametre olan çamur hacim indeksi ; aerobik granüler çamur sistemlerinde düşük (80ml/g) ve hatta daha da düşük, 20 ml/g olabilmektedir. Bu durum biyolojik atıksu arıtma için önemlidir; bu sayede çökelme süresi ve katı-sıvı faz ayrımı için gereken hacim azalır; dolayısıyla işletme maliyetini düşer. AGÇ'un iyi çökelebilme özellikleri; esas olarak hücre dışı polisakkaritleri, hücre dışı proteinlerin, bazı humik maddeler, nükleik asitler ve hücresel olmayan organik/inorganik maddeleri içeren egzopolimerik yapılardan EPS kaynaklanır. EPS, mikrobiyal hücreleri bir araya getirerek koloni oluşturmalarını sağlayan yapıştırıcı gibi davranır. Koloniler büyüdükçe yoğunlukları artar ve bundan dolayı mikroorganizmalar hızlıca çökelir. Bira endüstrisi çıkış suyu şeker, çözünebilir nişasta, uçucu yağ asitleri vb. maddelerden oluşan yüksek konsantrasyonlarda biyobozunur organik madde içermektedir. Kimyasal oksijen ihtiyacı sonuç olarak nispeten yüksek bir BOİ/KOİ oranına, 0 .6-0.7, sahiptir. Bira endüstrisi çıkış suyu yüksek miktarda organik madde içermesi, mikrobiyal kirlilik ve kimyasallar nedeniyle yatırım maliyeti düşük olan, ve ayrıca BOİ ile KOİ açısından 80-90 % arıtma verimine sahip olan biyolojik metotlara ihtiyaç duymaktadır. Bu tezde, öncelikli olarak floküler aktif çamur ve granüler aktif çamurdan ekstrakte edilen hücre dışı polisakkaritlerin karakterize edilmeleri amaçlanmıştır. İkincil olarak, egzopolisakkaritler ve alginat arasındaki muhtemel benzerliklerin araştırılması ve ayrıca egzopolisakkaritlerin kimyasal özellikleri ile granüler aktif çamur sistemlerindeki rolü arasındaki ilişkinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmanın kapsamında iki farklı metot uygulanmıştır; katyon değişim reçinesi ve (CER-DOWEX, Frolund et al., 1996 tarafından ve sentetik atıksu ve bira endüstirisi atıksuyu ile beslenen KAÇ ile GAÇ'dan hücre dışı polisakkaritlerin ekstrakte edilmesi için Na2CO 3 (Lin et al., 2010) kullanımıdır. Karakterizasyon açısından, hücre dışı polisakkaritlerin jel oluşturma kapasitesi CaCl 2 soüsyonundaki jelleşmesine bakılarak test edilmiştir. Eksrakte edilmiş olan hücre dışı polisakkaritlerin morfolijeleri ve kabaca bileşenleri sırasıyla SEM ve UV-VIS spektroskopisi ile incelenmiştir. Ayrıca kimyasal yapısını belirlemek için de FTIR analizi gerçekleştirilmiştir. KAÇ ve GAÇ'deki hücre dışı polisakkaritler laboratuvar ölçekli oluşturulan ve sentetik, bira endüstrisi atıksuyu ile beslenmiş AKR'lerden elde edilmiştir. Söz konusu ekstraksiyon iki farklı metot ile gerçekleştirilmiştir; DOWEX (Frolund et al., 1996) ve Na2CO 3 ile (Lin et al, (2010). DOWEX yönteminde egzopolimerik maddelerin ekstraksiyonu yapılırken; Na2CO 3 yönteminde ise spesifik olarak alginat benzeri egzopolisakkaritlerin ekstraksiyonu yapılmaktadır. Hücre dışı polisakkaritlerin Na2CO 3 yöntemi ile ekstraksiyonunda floküler ve aerobik granüler numunelerinde 2% verimle, hemen hemen eşit miktarlarda hücre dışı polisakkaritler elde edilmiştir. Hücre dışı polisakkaritlerin jel oluşturma kapasitelerini ölçmek adına 1:1 oranındaki CaCl 2 solüsyonuna bırakılmış ve bir gece boyunca oda sıcaklığında jelleşmenin oluşması için bekletilmiştir. Deneylerde aynı zamanda ticari olarak temin edilen sodyum alginat referans olarak kullanılmıştır. Sonuçlara göre, 2% alginat solüsyonunun1: 1 oranındaki CaCl 2 ile mükemmel küresel hidrojel tanelerini oluşturduğu tespit edilmiştir. Yine de jel oluşturma kapasitesinin alginat konsantrasyonun azalması ile düştüğü belirlenmiştir. Na2CO 3 yöntemi ile ekstrakte edilen hücre dışı polisakkaritlerde de alginatlardakine benzer jelleşme göstermiştir. Klasik aktif çamur sisteminden elde edilen hücre dışı polisakkaritler asetat ile beslendiklerinde; 1:1 oranındaki CaCl 2 ile hemen hemen küresel hidrojel taneler oluşturmuştur. Oysa bira atıksuyu ile beslenen granüler aktif çamurdan elde edilen hücre dışı polisakkaritler hidrojeller yerine küçük topaklar oluşturabilmiştir. Oluşturulan jeller daha sonra elektron mikroskobu ile incelenmiştir. Klasik aktif çamurdan ve granüler aktif çamurdan elde edilen hücre dışı polisakkaritlerin morfolojik açıdan alginat ile karşılaştırılmaları sonucu klasik aktif çamurdan elde edilenin yapısall açıdan ince lif ağından oluşan alginat ile benzerliklerinin olduğu belirlenmiştir. Granüler aktif çamurdan elde edilen küçük topaklardaki hidrojeller ise bir dereceye kadar alginata benzer katlanmalar göstermiştir. Hücre dışı polisakkaritleri aynı zamanda FTIR ile de incelenmiş ve buradan çıkan sonuçlar ile hücre dışı polisakkaritler ile alginatlar arasındaki benzerlikler doğrulanmıştır. Hücre dışı polisakkaritlerin granül oluşumunun farklı evrelerinin spektrosu alginattaki fonksiyonel gruplara eş değer fonksiyonel gruplar içerdiklerini ortaya koymuştur. Alginik uronik asit için karakteristik olan manuronik asit ile guluronik asit kalıntılarına her iki sistemdeki hücre dışı polisakkaritlerinde rastlanmıştır. Bu doğrulama ekstrakte edilen maddelerin polisakkarit olduklarından emin olmak ve alginat ile benzer olduklarını göstermek için yapılmıştır. FTIR sonuçları ayrıca hücre dışı polisakkaritlerin Ca2+ile olan reaksiyonunu daha iyi kavramamızı sağladı. CaCl 2 solüsyonundaki hücre dışı polisakkaritlerin birleşmesini sağlayan divalent katyonlar karboksil gruplarının varlığını göstermektedir. Ekstraktların proteinlerle olabilecek muhtemel kontaminasyonu ise 190- 800 nm dalga boyundaki UV-Visible spektroskopi altında incelenmiştir. Na2CO 3 yöntemi ile ekstrakte edilen hücre dışı polisakkaritler UV spektrosunda alginat ile benzerlikler göstermiştir. Her iki sistemde de tipik UV aralığında (120nm ve 190nm) piklere rastlanmıştır. Klasik aktif çamur numunlerinin yüksek konsantrasyonlarda alginat göre daha yoğun absorpsiyonlarının olduğu görülmüştür. 250- 290 nm dalga boyundaki piklerin olmayışı ekstraskiyon metodunun özgünlüğünden kaynaklı olabilir ki DNA ve proteinlerle girişim yaptığı düşünülebilir. DOWEX metodu ile ekstrakte edilen egzopolimerik maddeler ve supernatant solüsyonundaki hücre dışı polisakkaritler de U-VIS spektroskopisinde incelenmiştir. Her ikisinde de alginat ve egzopolimerik maddelerde olduğu gibi geniş aralıklarda piklere rastlanmıştır. Fakat her ikisindeki absorbanslar alginat ile mukayese edildiğinde daha yüksektir. 240- 290 nm dalga aralığında belirgin bir absorbans kaydedilmesi ile her ikisinde de protein ve nukleik asitlerin olduğu söylenebilir ki egzopolimerik maddelerin proteinler, karbonhidratlar, bazı humik maddeler, nukleik asitler, lipitler ve diğer maddelerden oluştuğu bilinmektedir. Bu durum ile egzopolimerik maddelere özgü olan her iki metot arasındaki farkları açıkça ortaya koymaktadır. Aynı zamanda egzopolimerik maddelerin ekstraksiyonunda metot seçiminin önemini vurgulamaktadır. Granüler aktif çamurdaki egzopolimerik maddelerdeki guluronik ve mannuronik asit kalıntılarını belirlemek için blok fraksiyonlaşması gerçekleştirilmiştir. Egzopolimerik maddelerin %16.48'inin GG bloklarından; %18.24'sinin MG bloklarından oluştuğu bulunmuştur. Ayrıca GG blok fraksiyonunun GM fraksiyonun az olduğu; bu durumda GG blok konsantrasyonun daha da az olduğu durumlarda egzopolimerik maddelerden ekstrakte edilen ve oluşturulan hidrojelin yine oluşabileceği gösterilmiştir. Yüksek miktarlardaki MG blokları; oluşan jelin elastikiyetinin artmasını sağlayan mükemmel esnekliği sağlamaktadır. Jelin mükemmel elastikiyette olması aktif çamurun reaktördeki baskılara karşı daha dayanaklı olmasına yardımcı olmaktadır. Güçlü jellerin oluşması ve kararlı aktif çamur, GG ve MG bloklarının çamurun çökelebilme özelliğini açıkça artırmasıyla gözlemlenmektedir. Daha yoğun ve kararlı çamurun sistemden kaçması mümkün olmayacaktır. Nem içeriği egzopolimerik maddelerin hidrojel olarak tanımlanebilirliği belirlemek içindir. Hidrojellerin 90 %'dan fazlası sudur ve literatür verilerine göre kalsiyum ile birlikte egzopolimerik maddelerin nem içeriklerinin 93% oldukları belirlenmiştir. Ekstrakte edilen egzopolimerik maddelerin nem içeriği 95 .8%'dir ki bu da net bir şekilde hidrojel olduklarını göstermektedir. %0.2'lik alginatta geri kazanılan karbohıdrat, glukoz olarak yaklaşık %7.4'tur. Deşiken geri kazanım yüzdeleri ekstrakte edilen ekzopolimerik maddelerden elde edilmiştir. Örneğin, granüler ekzopolimerik maddeler için geri kazanım %7.8'dir. Diğer klasik aktıf çamur sistemlerindeki ekzopolimerik maddelerden %7.4'den az geri kazanım görülürken; kaçınnılmazbir şekilde floküler ekzopolimerik maddelerden 52 gün itibariyle %16. 8 oranında kazanım kaydedilmiştir ki bu da algınatta geri kazanılanın iki katı kadardır. EPS-ilişkili egzopolisakkaritlerin alginat benzeri egzopolisakkaritler oldukları ve yüksek jel oluşturma kapasitesine sahip granüler aktif çamur egzopolimerik maddelerin daha iyi çökelme özellikleri ile düşük maliyetli biyolojik atıksu arıtma sağlayacakları söylenebilir.