Isolation of novel Quorum quenching bacteria for the control of membrane biofouling and the effect of Bacillus sp. T5 and Delftia sp. T6 on microbial community structure in membrane bioreactor

Nüfusun artışı ve endüstrileşmenin bir sonucu olarak, atıkların arıtılmadan ya da yetersiz arıtılarak alıcı ortamlara deşarj edilmesi, doğal kaynakların günden güne tükenmesine neden olmaktadır. Bu kaynaklardaki daralma iklim değişikliği vb. çok mühim çevresel sorunlara neden olmaktadır. Bu nedenle, su kıtlığının üstesinden gelmek amacıyla, su kaynaklarının genişletilmesi ve atıksuların yeniden kullanılması konusunda küresel bir çaba sarf edilmektedir. Membran Biyoreaktör teknolojisi, ileri düzey, biyolojik atıksu arıtma teknolojisidir. Bu teknoloji vasıtasıyla atıksulardan yüksek kalitede, kullanılabilir su elde edilebilmektedir. Ancak membran yüzeylerinde oluşan biyotıkanma hala MBR proseslerinin önündeki en büyük engellerden biridir. Quorum Quenching, MBR sistemlerindeki biyotıkanma sorununun çözümü için geliştirilmiş en en yenilikçi yaklaşımlardan biridir. QQ mikroorganizmaların grup davranışlarını engellemekte böylece biyofilm oluşumunu en az seviyeye indirgemektedir. Gerçekleştirilen tezde, yeni ve çok etkili QQ bakterilerini milli kaynaklarımızdan izole edilmesi, deniz, göl ve tuzla ortamlarından izole edilen türlerin AHL degredasyon yollarının anlaşılması, seçilen QQ bakterilerinin biyofilm oluşumunu engellemek amacıyla, değişik tutturma ortamları kullanılarak MBR sistemlerinde uygulanması ve nihayetinde QQ bakterileri Bacillus sp. T5 ve Delftia sp. T6 ile MBRdaki mikrobiyal kommünite arasındaki bağlantının incelenmesi neticesinde QQ mekanizmasının genel işleyişi konusunda kapsayıcı bir yorum geliştirebilmektir. Elde edilen sonuçlara göre, 13 genusa ait 25 QQ bakteri türü, göl, deniz, tuzla ve sızıntı suyu ortamlarından izole edilmiş ve genetik olarak tanılanmıştır. Bu genuslar Shewanella, Acinetobacter, Klebsiella, Bacillus, Deftia, Vibrio, Comamonas, Microbacterium, and Pseudomonas, Brevundimonas, Bosea, Stenotrofomonas and Tistrella'dır. İzolasyonlar, C8-HSL'nin tek karbon kaynağı olduğu minimal medium metodu kullanılarak yapılmıştır. AHL degredasyon aktivitesi Biotest metodu ile ölçülmüştür. İzolatların hücre ekstraktlarındaki AHL degredasyonunun, supernatanta oranla daha yüksek olduğu gösterilmiştir. Bu durum izole edilen türlerden büyük çoğunluğunun intraselüler aktivitelerinin daha güçlü olduğunu ortaya koymaktadır. Aktivite testi sonuçlarına göre Tistrella'nın QQ aktivitesine sahip olduğu ayrıca T21, T22, T4, G2, G4, G5, G6, H1, H3, H7, H8, H10 türlerinin ise laktonaz aktivitesi gösterdiği ilk kez ortaya konulmuştur. İzolatlardan T5, T6, S5, S10 % 90 üzerinde AHL degredasyon aktivitesi göstererek en aktif QQ türleri olmuştur. Bu sonuçlar göstermektedir ki, değişik yaşam ortamlarında yaşayan bakteriler tarafından kendi türleri adına avantaj sağlamak için edinilmiş tipik bir strateji olabilir. İzolasyonları takiben, hallow fiber membranlar kullanılarak, yeni bir immobilizasyon ortamı olan QQ-Fiber üretilmiştir. Bacillus sp. T5 tutturulmuş QQ-fiberler ile gerçekleştirilen MBR operasyonu sonucu biyofilm oluşumu % 25 oranında engellenmiştir. İki farklı tutunma ortamının ve QQ bakterilerinin karşılaştırılması amacıyla seçilen QQ türleri olan Bacillus sp. T5 ve Delftia sp. T6. sodium aljinat boncuklara tutturulmuş ve MBRa uygulanmıştır. Toplam anti-biyofoling etkisi T5 ve T6 için %85 ve %75 olarak hesaplanmıştır. MBRdaki bakteriyel kommünite dinamikleri konusunun incelenmesi alanındaki boşluğu doldurmak için iki farklı QQ bakteri tipi Bacillus sp. T5 and Delftia sp. T6'nın QQ ve kontrol reaktörlerine etkileri İllumina Hi-Seq platformu kullanılarak 16 S rRNA gen temelli araştırılmıştır. Illumina Hi-Seq analizi sonuçları detaylı olarak phylum, class ve genus bazında incelenmiştir ve neticesinde taksonların dağılım profili incelendiğinde, farklı QQ bakterilerinin MBR'da farklı mikrobiyal grupları etkilediği görülmüştür ve etkilerinin birbirinin tam zıttı yönde işlediği ortaya konulmuştur Mikrokosmosdaki en çok etkilenen taxonlar Proteobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Firmicutes, Acidobacteria and Actinobacteria olmuştur. QQ-MBR Gram Bacillus sp. T5 ile işletildiğinde gram negatif classların artmasına neden olurken gram pozitif classların sayısını azaltmıştır. Tam tersine Gram Delftia sp. T6 gram negatif classları azaltırken gram pozitiflerin sayısının artmasına neden olmuştur. Karışık işletme moleküler dataları da bu bulguyu destekler niteliktedir. Bu bulgular MBR'daki mevcut bakterial komünitenin dağılımı ile QQ bakterileri arasında cereyan eden sıkı ilişkinin MBR performansı için çok önemli olduğunu belirtmektedir. Literatür araştırmasına göre, bu çalışma böyle bir ilişkiyi ilk kez ortaya koymaktadır. Bu tez kapsamında, elde edilen tüm çıktılar ışığında, biyofilm kontrolü konusunda vazgeçilmez olan QQ teknolojisi hakkında çok kıymetli sonuçlara ulaşılmıştır. Ayrıca QQ bakterileri ile MBR içerisindeki mirobiyal kommünite arasındaki ilişki hakkındaki mevcut kısıtlı bilginin genişletilmesine katkı sağlanmıştır. Bu sonuçlar, başta MBR operasyonları olmak üzere pek çok farklı biyoteknolojik uygulama için QQ bakterisi/stratejisi seçiminde araştırmacıların eski seçim metotlarından farklı yeni bir yol izlemesinde yardımcı olacaktır. Mikrobiyal kommünite üzerindeki moleküler analizlerin, membran sistemlerinde biyotıkanmanın önlenmesi ve böylece bu sistemlerin iyileştirilmesine yönelik çok gerekli analizler olduğu ortaya konulmuştur.