Impacts of Oxytetracycline on performance of thermophilic anaerobic manure digesters and active microbial population

Son yıllarda hızla gelişen endüstri ve nüfus artışıyla birlikte bütün dünyada enerji ihtiyacı da hızla artmaktadır. Enerji kaynağı olarak fosil yakıtların fazlaca tüketilmesi sera gazı etkisi yaratması nedeniyle iklim değişikliğine sebep olmaktadır. Bu kaynakların çevre üzerinde yarattığı olumsuz etkileri minimum seviyeye indirgemek için alternatif ve çevre dostu enerji kaynakları kullanılması öngörülmektedir. Bu anlamda, anaerobik çürütme yoluyla biyogaz üretimi yenilenebilir enerji üretimi açısından diğer enerji formlarına göre önemli avantajlar sunmaktadır. Bu süreç, atmosferdeki sera gazı emisyonlarını azaltabilmekte ve bu prosesin son ürünü olan digestate bitkiler için gübre olarak yeniden kullanılabilmektedir. Bu nedenlerle, anaerobik çürütme prosesi biyoenerji üretimi için en tasarruflu ve çevreye faydalı teknolojilerden biri olarak kabul edilmektedir. Organik atıkların herhangi bir türü anaerobik çürütme işlemi için substrat olarak kullanılabilmektedir. Elde edilmesi son derece kolay olan hayvansal atıklar en yaygın olarak kullanılan substratların başında yer almaktadır. Diğer taraftan, bu atıkların kullanılması anaerobik çürütücü sistemlerinde bazı sorunlar yaratabilmektedir. Veteriner hekimliğinde kullanılan antibiyotikler, zayıf metabolize olma özellikleriyle, vücuttan gübre olarak atılarak hayvan dışkısında sıklıkla tespit edilmişlerdir. Bu antibiyotikler havasız çürütme sistemlerindeki hassas mikroflaraya zararlı olduklarından, hayvan gübresinin biyogaz üretiminde substrat olarak kullanılması sırasında problem teşkil edebilirler. Ayrıca, antibiyotik içeren hayvan atıkları toprakla şartlandırıldığında çevre üzerinde bu antibiyotik kalıntılarının potansiyel etkisi dikkate alınması gereken önemli bir diğer husus haline gelmektedir. Antibiyotiklerin sık kullanımı mikroorganizmaların antibiyotiklere karşı direnç geliştirmeleri ile ilgili sorunları önemli ölçüde arttırmaktadır. Bunlara ek olarak, OTC hayvanların sindirim sistemlerinde indirgenerek metabolitlerine ayrışmaktadır. Oluşan bu metabolitler mikrobiyal popülasyon üzerine etki eden inhibitörlerdir. Orjinal molekül tarafından üretilen inhibisyondan ziyade bu antibiyotik metabolitleri bakteriyel faaliyetler üzerine inhibisyon etkisi yaratmaktadır. Bu maddelerin biyogaz üretimi üzerindeki etkileri mühendislik açısından incelenmiş olmasına rağmen, mikrobiyal popülasyon üzerindeki olası etkileri ile ilgili çalışmalar oldukça azdır. Bu nedenle, bu çalışmanın amacı yaygın olarak kullanılan bir veteriner antibiyotiği olan OTC'nin, aktif mikrobiyal popülasyon üzerine ve termofilik gübre çürütücülerdeki biyogaz üretimi üzerine olan etkilerinin değerlendirmesidir. Bu çalışmada, sık kullanılan bir veteriner antibiyotiği olan oksitetrasiklinin, intramusküler enjeksiyon yoluyla aşılanmış olan büyükbaş hayvanın gübresinin termofilik havasız çürütücülerinde biyogaz ve metan üretimleri ile mikrobiyal populasyon üzerine olan etkisi farklı katı oranları ve karıştırma hızları denenerek gözlemlenmiştir. Çalışma doğrultusunda, Set 1 ve Set 2 olmak üzere iki deney seti kurulmuştur ve bu setlerin her biri 2 tane kontrol ve 2 tane de OTC içeren olmak üzere 4 (D1, D3, D4 and D5) reaktör içermektedir. D1 ve D4 kontrol, D3 ve D5 ise OTC içeren reaktörlerdir. Set 1, termofilik koşullarda (55 10C), 90 rpm karıştırma hızında ve farklı katı oranlarıyla (5-5. 5 %TS and 7.5- 8 %TS) kurulmuştur. Set2, sadece Set1'den farklı olarak 120 rpm karıştırma hızıyla kurulmuştur diğer koşullar Set 1 ile aynı olacak şekilde kurulmuştur. Bu çalışmada, mikroorganizmaların yüksek sıcaklığa adapte olabilmelerini sağlamak adına sıcaklık 1. gün 37 C, 2. gün 40 C, 3. gün 45 .2 C, 4. gün 50 C ve 5. gün 55 C olacak şekilde kademeli olarak ayarlanmıştır. Termofilik çürütücülerin mezofilik çürütücülere kıyasla, yüksek metabolizma hızı, prosesin daha hızlı olması ve daha yüksek verimde biyogaz üretimi, düşük hidrolik bekleme sürelerinin olması, daha yüksek organik yükleme oranları ile beslenme yeteneği ve patojenlerin daha yüksek verimle ölmelerinin sağlanması gibi birçok avantajı bulunmaktadır. Ayrıca, bu çalışmaya göre, termofilik koşullarda mezofiliğe oranla daha yüksek metan oranı bulunmuştur ve OTC'nin yarı ömrü de daha düşük olarak saptanmıştır. Bu çalışma kapsamında, 3.5 yaşındaki dişi Holstein ırkı, 440 kg vücut ağırlığındaki süt ineğinin vücudunun her iki tarafına, musculus semitendinosus ve musculus semimembranosus kaslarına, eşit miktarda ve standart uygulama dozunda 50 ml solusyon (20 mg/kg) oksitetrasiklin enjekte edilmiştir. 5 gün boyunca her 24 saatte bir hayvandan dışkı örnekleri toplanmış ve homojen bir numune elde etmek için bu 5 numune karıştırılmıştır ve bu karışım deney boyunca anaerobik çürütücüler için substrat olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada, çürütücülere laboratuvar ölçekli dışkı çürütücülerinden alınan aşı çamuru 1:10 oranında eklenmiştir. Her iki set için de hidrolik bekletme süresi 20 gün olarak belirlenmiştir ve her 5 günde bir analitik, moleküler ve fizikokimyasal analizler için numune alınmıştır. Çürütücülerdeki biyogaz üretimi, TS giderimi, biyogaz ve VFA konsantrasyonları izlenmiştir. Fluorescent in situ Hybridization and RNA tabanlı Q-PCR yöntemleri kullanılarak mikrobiyal populasyonun çeşitliliğine bakılmıştır. Bu çalışmada, Set 1 ve Set 2'de maksimum biyogaz verimi 132- 134 L/kgTVS olarak bulunmuştur. Sonuçlar, 90 ve 120 rpm karıştırma hızlarınnın biyogaz verimi üzerine önemli bir etki yaratmadığını göstermiştir. 20 günün sonunda, 1,5-4, 7 mg/L değerler aralığındaki OTC konsantrasyonunun toplam biyogaz üretimi üzerine inhibisyonu %10- 18 oranında olmuştur. 20 günlük işletme sonunda maksimum TS giderimi %30 oranında bulunmuştur. Asetik ve propiyonik asit baskın olarak gözlenmekle beraber inhibisyon etkisi yaratabilecek konsantrasyonlarda VFA birikimi gözlenmemiştir. İşletme süresi boyunca OTC azalma eğilimi göstermiştir ve termofilik anaerobik çürütücülerde yarı ömrü 14 gün olarak hesaplanmıştır. Aktif populasyon dinamiği FISH ve Q-PCR gibi moleküler yöntemler kullanılarak incelenmiştir. FISH sonuçlarına göre, aktif bakteri populasyonu işletmenin sonunda bütün çürütücülerde azalırken aktif Methanomicrobiales populasyonu yükselmiştir. Bütün çürütücülerde en fazla bulunan metanojen (%48 oranında) Methanobacteriales olmuştur. Ayrıca Methanobacteriales spp. kontrol çürütücülerinde değişme göstermemekle birlikte OTC içeren çürütücülerde azalma göstermiştir. Aktif Methanosarcina populasyonu dalgalanmalar göstermiştir ve spesifik bir trend izlenmemektedir. Q-PCR sonuçlarına göre, Set 1 çürütücülerinde bakteriyal, Methanobacteriales, Methanomicrobiales, Methanosaeta ve Methanosarcinales gen kopya sayısı zaman içinde azalmıştır. Methanobacteriales and Methanosarcinales gen kopya sayısı 90 rpm karıştırma hızıyla işletilen Set-1'de azalırken 120 rpm karıştırma hızıyla işletilen Set 2'de artma göstermektedir. Bakteriyal, Methanomicrobiales and Methanosaeta gen kopya sayıları bütün çürütücülerde azalmıştır. Methanosaeta gen kopya sayısı oldukça düşük konsantrasyonlarda tespit edilmiştir ve zaman içinde önemli bir azalma göstermemiştir. Methanosaeta türlerinin aktivite ve gen kopya sayıları setlerin bütün çürütücülerinde düşük konsantrasyonlarda gözlenmiştir ve bu da metan oluşumunun özellikle Methanosarcinales türleri ve hidrojenotrofik metanojenler grubundaki Methanobacteriales ve Methanomicrobiales türleri tarafından gerçekleştirildiğini göstermektedir.