Inhibitory impact of selected antibiotics on biodegradation characteristic and microbial population under aerobic conditions
Seçilmiş antibiyotiklerin aerobik koşullar altinda biyolojik ayrişabilirlik ve mikrobiyal popülasyon üzerine etkilerinin belirlenmesi
- Tez No: 323704
- Danışmanlar: PROF. DR. DERİN ORHON
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 234
Özet
Teknoloji, endüstri ve tarımsal aktivitelerdeki gelişmeler neticesinde sentetik ve genellikle toksik organik maddeler atıksulara girmeye başlamıştır. Çeşitli endüstriyel proseslerde ortaya çıkan kalıcı organik maddelerin ve mikrokirleticilerin varlığı, bu maddelerin gideriminin ve arıtma sistemlerine etkilerinin belirlenmesinin önemini arttırmıştır. Bu kalıcı organik maddelerden olan ve son yıllarda çevre için büyük tehlike arz etmeye başlayan zenobiyotikler, genellikle sentetik olarak üretilen ve organizmaya yabancı olan maddeler olarak tanımlanmaktadır.Antibiyotikler de doğada ayrışmadan kalabilen ve besin zincirinde biyoakümüle olan zenobiyotiklerden biridir. Günümüzde başta tıp alanında olmak üzere veterinerlik ve tarımda yaygın olarak uygulanan antibiyotiklerin, bilinçsiz kullanımı ile sularda ve toprakta miktarları her geçen gün artmaktadır. Günümüzde bu kontrolsüz kullanım sonucu birçok bakteri türünün, özellikle patojen türlerin, antibiyotik direnci kazanması söz konusudur. Antibiyotik direnci kazanan mikroorganizmaların doğal ekosistemlerde yaygın olarak bulunması, başta insanlar olmak üzere hayvanlar ve bitkiler açısından büyük bir risk oluşturmaktadır.Literatürde antibiyotiklerin atıksu arıtma tesislerinin giriş ve çıkışlarındaki konsantrasyon değerleri ve alıcı ortamlardaki konsantrasyonları ile ilgili birçok çalışma bulunmaktadır. Buna karşın bu maddelerin arıtma tesislerindeki ayrışma mekanizmaları ve sistemdeki mikrobiyal popülasyon üzerine olan etkilerin ayrıntılı olarak araştırılmadığı görülmüştür. Yapılan araştırmalarda ise sistemde ya sadece kollektif parametrelerin ölçüldüğü ya da sadece antibiyotik konsantrasyonlarının izlendiği görülmektedir. Mikrobiyal popülasyonun antibiyotiklere verdikleri tepkiler ve popülasyon dinamiği de incelenmemiştir. Ayrıca, literatürde antibiyotiklerin biyolojik ayrışmaları ile ilgili yapılan çalışmalarda birbirinden çok farklı sonuçlara ulaşılmış olduğu da görülmektedir.Sulfonamidler insanlarda toplam antibiyotik kullanımının % 16-21 kadarını kapsamaktadır, kullanım sonrasında genellikle metabolitleri ve bir kısmı da orijinal aktif madde olmak üzere idrar ile dışarı atılmaktadır. Bu grubu temsilen seçilen sulfametoksazol en yaygın görülen sulfonamid grubu antibiyotiktir. Literatürde yapılan çalışmalarda sulfametoksazolün giderimi ile ilgili olarak kesin bir bilgi bulunmamaktadır.Seçilen ikinci antibiyotik olan tetrasiklin ve türevi antibiyotikler, hayvancılık ve tarımda en yaygın kullanılan antibiyotiklerdendir. Tetrasiklin grubu antibiyotiklerinin %80'i fotokatalitik reaksiyonlar ile ayrışma özelliğine sahiptir. Tetrasiklin antibiyotiğinin, aktif çamur sistemlerinde çamura tutunma yolu ile giderildiği ve bunun tetrasiklinin kalsiyum ve benzeri iyonlar ile, çözünürlüğü çok düşük bileşikler oluşturma eğiliminin bir sonucu olabileceği belirtilmiştir.Makrolidler ise insanlarda toplam antibiyotik kullanımının % 9-12 kadarını kapsayan en önemli antibiyotik gruplarından biridir ve penisilinlere alternatif olarak kullanılmaktadırlar. Makrolidler genellikle metabolize edilememekte ve değişmeden dışkı ile atılmaktadır.Gerçekleştirilmiş olan çalışma, antibiyotik maddelerin pepton karışımına aklime edilmiş bir aerobik mikrobiyal kültürün substrat ayrıştırması üzerine olan etkilerini, mikrobiyal popülasyon üzerine olan etkilerini ve aynı zamanda sistemin direnç profilini incelemiştir. İki adet doldur-boşalt tipi reaktör ISO8192 prosedüründe belirlenmiş olan pepton karışımı ile beslenmiş ve iki farklı çamur yaşında (çamur yaşı 10 gün ve 2 gün) kararlı halde devam ettirilerek, çalışma boyunca biyokütle kaynağı olarak kullanılmıştır.Akut inhibisyon çalışmaları için, kontrol reaktörlerinden alınan kaynak çamur kullanılarak kurulan paralel kesikli reaktörlerde, toplamda her iki çamur yaşı için onbir set deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. 50 mg/L ve 200 mg/L olmak üzere ani Sulfamethoksazol, Tetrasiklin ve Eritromisin ilavesi yapılmıştır.Ayrıca, aktif çamur sistemlerinin antibiyotiklere kronik maruz kalmalarının etkilerinin incelenmesi amacıyla toplamda altı adet reaktör işletilmiş ve farklı günlerde deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Substrat tüketimi, ilgili oksijen tüketim profillerinin gözlemlenmesi ile incelenmiş ve antibiyotik etkisi altında olmayan ilgili kontrol reaktörünün oksijen tüketim profili ile karşılaştırılmıştır.Serbest substratın temel stokiyometrisi ve kütle dengesi, inhibitörlerin etkisinin açıklanması açısından çok önemlidir, bunun nedeni ise substratın bloke edilmesinin göz ardı edilmesi ile elde edilen kinetik değerlendirmenin yanlış yönlerdici özelliğe sahip olmasıdır. Literatürdeki birçok çalışma substrat bağlanmasını göz ardı etmiştir ve sadece substrat profillerine dayalı incelemelerde bulunmuşlardır. Bu çalışmalarda biyokimyasal reaksiyonlara katılmayan bağlı substrat ayrıdedilmemiştir. Oksijen tüketim hızı (OTH) profillerinin inhibisyon etkisi incelemelerinde kullanılmaları bu çalışmanın orijinalliğini oluşturmaktadır. Bu kapsamda seçilmiş olan antibiyotiklerin substrat bağlayıcı özellikleri unkompetitif inhibisyon yaklaşımı ile belirlenebilmiştir.Seçilmiş olan antibiyotik maddelerin pepton karışımının biyolojik olarak ayrışması üzerindeki akut ve kronik inhibisyon etkilerinin belirlenmesi amacıyla, bütün OTH profilleri temin eden respirometrik testler çalışmanın temelini oluşturmuşlardır. İnhibisyon etkisi, antibiyotik ilavesinin olmadığı kontrol testinde elde edilen orijinal OTH profilinin şeklindeki değişiklikler ile ortaya konmuştur.Antibiyotiklerin, peptonun piyolojik ayrışmasına en önemli etkisi, OTH testlerinde tüketilen oksijen miktarının azalmasıdır. Bu etki, maksimum büyüme hızını (?H) azaltarak ve/veya yarı doygunluk sabitini (KS) arttırarak biyolojik ayrışmayı etkileyen geleneksel inhibisyon kavramı ile açıklanamamaktadır. Bu iki etki de kinetik olarak substrat kullanımını yavaşlatma özelliğine sahiptir. Bu tür bir inhibisyon OTH eğrilerinin endojen solunum aşamasına ulaşma süresini uzatacak ancak OTH eğrisi altındaki alana tekbül eden oksijen tüketim miktarının sabit kalmasına neden olacaktır.Ancak, bu çalışmada elde edilen OTH profilleri farklı özelliklere sahiptir. Antibiyotik ilavesi ardından, biyolojik ayrışma süresi sabit kalmakta, buna karşın tüketilen oksijen miktarı kullanılan antibiyotik türü ve dozajına bağlı olarak azalmaktadır. Bu kapsamda, farklı oranlarda pepton karışımının antibiyotik tarafından bloke edildiği ve devam eden mikrobiyal büyüme reaksiyonlarına katılamadığı sonucu ortaya çıkmaktadır. Bu gözlem sadece unkompetitif inhibisyon mekanizması ile açıklanabilmektedir. Bu kapsamda, bütün gözlemler unkompetitif inhibisyon kavramı ile açıklanmıştır ancak inhibisyon etkisinin antibiyotik dozu ve türüne bağlı olarak değiştiği gözlemlenmiştir.Elde edilen deneysel data Aktif Çamur Model No.3 kullanılarak simüle edilmiştir. Sonuçlar, bütün dışsal substrat giderilirken, antibiyotik ilavesi ile oksijen tüketiminde önemli bir düşüş yaşandığını ortaya koymuştur. Bu durum, pepton karışımının değişken fraksiyonlarının antibiyotik madde tarafından bloke edildiğini ve biyolojik ayrışmaya girmediğini göstemiştir. Bu gözlem, enzim-inhibitör kompleksi oluşumu ile benzer bir substrat blokajına neden olan unkompetitif inhibisyon mekanizması ile örtüşmektedir.Ayrıca, kronik reaktörlerinde görülen direnç profili ve pirosekanslama yöntemi kullanılarak kronik sistemlerin mikrobiyal popülasyon dinamikleri incelenmiştir. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar sistemlerin dominant türlerinde kayma gerçekleştiğini ve sistemlerde antibiyotik etkisi altında canlılığını sürdürebilen organizmaların antibiyotik maddelere dirençli olma özelliklerini ortaya koymuştur.Çalışmalardan elde edilen sonuçlar çamur yaşının mikrobiyal popülasyona olan etkilerini de açığa çıkarmıştır. Elde edilen sonuçlara gore, yavaş büyüme özelliği olan Actinobacteria türlerinin hızlı büyüyen SRT2d sistemini domine etme özelliklerinin olmadığını göstermiştir. Buna karşın SRT2d sistemini Proteobacteria türlerinin domine ettiği görülmüştür. Ancak, çamur yaşı 10 gün sisteminde Actinobacteria yıkanmamış ve sistemi domine edebilmişlerdir. ERY etkisi altında ise SRT 10gün sisteminde popülasyonda bir kayma geçeklemiş ve dominantlik Actinobacteria'dan Proteobacteria`ya geçmiştir. Bunun nedeni dirençli Proteobacteria'nın sistemde yaşamını sürdürebilmesidir. Sistemde Comamonas sp OTU#293 en baskın canlılardan olmuştur. SRT2gün sisteminde ise ERY etkisi yok iken Proteobacteria baskın olmasına ragmen ERY etkisi altında kültüre alınamamış aday phylum olan TM7 türü (OTU#83) baskın hale gelmiştir. Ancak TET ve SMX'in etkilerinin popülasyonda bir kaymaya neden olmadığı görülmüştür. Buna karşın, TET SRT2d sisteminde Deinococcus-Thermus phylumu yok olurken, SMX SRT2d sisteminde OTU#1, Deinococcus-Thermus phylumu türünün en baskın organizmalardan biri haline geldiği görülmektedir. SMX SRT2d sisteminde Proteobacteria önemli derecede azalmiş ve Deinococcus-Thermus phylumu artmıştır. Ancak SRT0d sisteminde Bacteroidetes önemli derece azalmıştır. Bütün SMX ve TET sistemlerinde Arthrobacter türlerinin baskın oldukları belirlenmiştir (OTU#2, OTU#55 ve OTU#4).Antibiyotik çalışmalarının devam ettirilmesi halinde, bu maddelerin giderilmesi ile ilgili çalışmaların gerçekleştirilmesi ve antibiyotikleri ayrıştırabilen organizmaların belirlenmesi üzerinde çalışılmasının faydalı olacağı düşünülmüştür. Ayrıca bu tür çalışmalarda da mutlaka modelleme simülasyon çalışmalarının devam ettirilmesi gerekmektedir. Böylece sistemin verdiği tepkinin doğru şekilde belirlenmesi mümkün olacaktır.
Özet (Çeviri)
The study evaluated the inhibitory impact of antibiotics on the biodegradation of peptone mixture by an acclimated microbial culture under aerobic conditions, together with their effects on the microbial population and the resistance profile of the biomass. Two fill and draw reactors fed with the peptone mixture defined in the ISO 8192 procedure and sustained at steady state at a sludge age of 10 days and 2 days were used as the biomass pool with a well-defined culture history.Acute inhibition experiments involved running a total of six and five parallel batch reactors, for each sludge age of 10 and 2 days, respectively, seeded with biomass from control reactors (SRT 10d and 2 d) and the same peptone mixture together with pulse feeding of 50 mg/L and 200 mg/L of Sulfamethoxazole, Tetracycline and Erythromycin.Moreover, the effects of chronic exposure of the antibiotics were evaluated, for which a total number of six chronic reactors were set and investigated on different days throughout the study. Substrate utilization was evaluated by observing the respective oxygen uptake rate profiles and compared with both control reactors, which were started without antibiotic addition.All the data obtained were simulated using Activated Sludge Model No.3. Results showed that while all available external substrate was removed from solution, addition of antibiotics induced a significant decrease in the amount of oxygen consumed, indicating that a varying fraction of peptone mixture was blocked by the antibiotic and did not participate to the on-going microbial growth mechanism. This observation was also compatible with the concept of the uncompetitive inhibition mechanism, which defines a similar substrate blockage through formation of an enzyme-inhibitor complex.Additionally, resistance genes profiles and the microbial population characteristics of chronically inhibited systems were investigated. Moreover, microbial population dynamics studies by pyrosequencing revealed that the microbial population structure alters significantly under constant exposure to antibiotic substances. Results of both investigations revealed that organisms harboring resistance genes against antibiotics were able to survive under constant exposure to the inhibitory substances at both sludge ages.
Benzer Tezler
- Combined effect of water hyacinth and trichocladium canadense on biogas production during anaerobic treatment of wastewater with antibiotics mixture
Antibiyotik karışımı içeren atıksuyun havasız arıtımı sırasında biyogaz üretimi üzerinde su sümbülü ve trichocladium canadense'ın birleşik etkisi
ISMI KHAIRUNNISA ARIANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
DOÇ. DR. SEVCAN AYDIN
- BisBAL'un Escherichia coli üzerine inhibisyon etkisi ve bisbal'lu membranların Xanthan Gum ile filtrasyonu
Inhibition effect of bisbal on Escherichia coli and Xanthan Gum filtration by membranes which contains BisBAL
SELİN OKATAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SÜLEYMAN ÖVEZ
- Investigation of antimicrobial resistance in wild-type and stress-resistant Saccharomyces cerevisiae strains
Yaban-tip ve strese dirençli Saccharomyces cerevisiae suşlarında antimikrobiyal dirençliliğinin incelenmesi
RIZIQ NAHIDH ISMAEEL ALSAMAWI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR
- Çitosan-graft-poliakrilonitril/bor nanobiyokompozit sentezi
Bionanocomposite synthesis of chitosan-graft-polyacrylonitrile / boron
NERMİN SİMGE ÖZTEKİN
- Relating microbiome profiles to removal of non-steroidal anti-inflammatory drugs in sequencing batch reactors along a sludge retention time
Farklı çamur yaşlarında işletilen ardışık kesikli reaktörlerde steroid yapıda olmayan antienflamatuvar yapıdaki ilaçların giderimi ile mikrobiyom profillerinin ilişkisi
MELİS SERCAN AKKOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI