Geri Dön

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

Membran biyotıkanmasının kontrolü amacıyla yeni Quorum quenching bakterilerinin izolasyonu ve Bacillus sp.T5/Delftia sp. T6 türlerinin membran biyoreaktördeki mikrobiyal komüniteye etkisinin belirlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 506666
  2. Yazar: BAHAR YAVUZTÜRK GÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 111

Özet

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 atık suların yeniden kullanılması konusunda küresel bir çaba sarfedilmektedir. Membran Biyoreaktör (MBR) 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 (QQ), MBR sistemlerindeki biyotıkanma sorununun çözümü için geliştirilmişen 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.

Özet (Çeviri)

The outcomes of the increase in the World population and industrialization, waste discharging to non-receipt bodies or an insufficient treatment cause accumulation and rapid decrease in natural resources day by day. The shrinkage of these resources results in significant environmental issues. To overcome the water scarcity, there is a global effort to expand on water resources and reuse of wastewater. Membrane Bioreactor (MBR) technology is an advanced biological wastewater treatment technology. Nevertheless, biofouling on membrane surface remains one of the main obstacles to profitable MBR operation. Quorum Quenching (QQ) is an innovative approach attempting to solve the biofouling problem in MBRs. QQ applications prevent the group behavior of microorganisms therefore ceases/retards the formation of biofilm. Researchers have demonstrated that Quorum sensing and biofilm formation are strongly linked and act to regulate the biofilm formation on the membrane surface in MBR. C6-HSL and C8-HSL, 3-oxo-C8-HSL C4-HSL, C6-HSL, C8-HSL, 3-oxo-C8-HSL, C10- HSL, C12-HSL, 3-oxo-C12-HSL and C14-HSL have been detected from biofilm on the membrane surfaces and in the mix liquor of. Because biofilm formation on membranes can be controlled by QS, several studies have turned their attention to blocking AHL signals to either reduce membrane biofouling or improve reactor performance. In the last 10 years, research on QQ mediated strategies for mitigating membrane biofouling in MBRs has intensified and notable success has been achieved in this regard. Current thesis aims to isolate new and highly effective QQ bacteria from our national resources and to understand what are the Achyl-homoserine lactone (AHL) degradation pathways of the isolated new bacterial strains found in marine, pond and saltern environments that are capable of interfering with AHL-mediated Quorum Sensing. This study also evaluates applying the selected new QQ bacteria to the MBRs with QQ-fiber/beads for the purpose of controlling biofilm formation. Finally assess the interaction between the indigenous microbial community and two different QQ bacteria, Bacillus sp. T5 (Gram positive) and Delftia sp. T6 (Gram negative), in order to develop a comprehensive understanding of occurrence of QQ mechanisms in MBR step by step. A BLAST search of GenBank was performed to identify if there was any taxonomical relationship between the sequences available in the database and those of the 16S rRNA gene of the 25 new isolates. New isolates belonged predominantly to Gammaproteobacteria (G2, G4, T21, T22, T4, H1, H2, H3, H4, H7, H8, H9, H10), Betaproteobacteria (G6, T6, H5), Firmicutes (G5, T5), and Actinobacteria (G7). The assessment of the partial nucleotide sequence of the amplified 16S rRNA gene revealed a strong homology of 97-100 between this sequence and that of the bacteria from the following genera: Shewanella, Acinetobacter, Klebsiella, Bacillus, Deftia, Vibrio, Comamonas, Microbacterium, and Pseudomonas, Brevundimonas, Bosea, Stenotrofomonas and Tistrella. Minimal medium method was used which employs C8-HSL as the sole carbon source. AHL degradation activity was measured via Biotest. The activity test results indicated that Tistrella exhibited QQ activities for the first time, and strains T21, T22, T4, G2, G4 G5, G6, H1, H3, H7, H8, H10 presented lactonase activity which has not been recorded in the previous research. Strain T5 and T6 from saltern and strain S5 and S10 from leachate degraded more than 90% of the AHL, thus each of them exhibits significant AHL activity. Results point that QQ is the strategy that may typically be adopted in the different environmental sources to overcome stress conditions and achieve competitive advantages. After isolation of the QQ bacteria, a new immobilization medium named QQ-fiber was produced by hollow fiber membranes. MBRs was operated with QQ-fiber immobilized with Bacillus sp. T5 and biofilm formation was successfully mitigated with 25 % efficiency. To compare the immobilizations media and two different QQ bacteria, sodium alginate beads entrapped with chosen strains Bacillus sp. T5 and Delftia sp. T6. Total anti-biofouling effects of T5 and T6 beads were calculated as 85% and 75%, respectively. One of the major findings of the thesis was bacterial community changes during the QQ-MBR runs with QQ bacteria which investigated using metagenomic analysis. The effect of QQ on the bacterial community was examined in detail on the basis of phylum, class and genus. The gap in the understanding of bacterial community dynamics in MBRs was addressed by investigating the behavior of two types of QQ bacteria, Bacillus sp. T5 and Delftia sp. T6, within the control and QQ MBRs via Illumina's HiSeq method using 16S rRNA genes. The analysis of the results and comparison of relative abundances of taxa in MBR operations were revealed that different QQ bacteria have an effect on different taxa. Proteobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Firmicutes, Acidobacteria and Actinobacteria were most QQ affected phyla in the microcosms. Furthermore, when the QQ MBR was operated with gram-positive T5, a reduction in the abundance of gram-positive classes and an increase in the abundance of gram-negative classes was observed. On the contrary, when the QQ MBR was operated with gram-negative T6, a reduction in gram-positive classes and an increase in gram-negative classes was observed. As such, the outputs of the Illumina Hi-seq analysis were demonstrated that use of gram-negative QQ bacteria in the reactor induced a gram-positive microbial community and vice versa. This indicates a close interaction occurs between indigenous gram-negative and positive bacterial classes and Bacillus sp. T5/Delftia sp. T6 is fundamental to the performance of MBRs. To the best of the researchers' knowledge, this is the first study of its kind to demonstrate such a relationship. Molecular data of operation with mixed T5 and T6 was support this finding. To summarize, within the scope of this thesis, new and active species were isolated from different sources, used in MBR as an antibiofouling agent and successfully reduced biofilm and proven to be a highly effective biotechnological solution method for biofouling problem. Moreover, three different immobilization media (QQ-Fiber, SA Beads and PVA Beads) were applied with selected QQ bacteria. Finally, according to the results of the molecular analysis, different QQ bacteria were found to act by interacting with different microbial groups. The results of this thesis reveal valuable information about the QQ technologies that is the indispensable application for mitigating biofouling. It is anticipated that the findings of this thesis will lead to an enhanced knowledge of the relationships that exist between QQ bacteria and the bacterial community structures in MBRs. Additionally, it assistances to the researchers to select QQ bacteria/strategy in a different way from the past selection method (like only consideration of the QQ activity) for MBR operations and different biotechnological applications. Consequently, the results support the idea that molecular and metagenomic analysis in MBR could be essential for membrane biofouling control.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439552

    Regulatory effect of transcriptional factor SinR and LutR on the expression of bacABCDEywfG operon in Bacillus subtilis

    Bacillus subtilis'de SinR ve LutR transkripsiyon faktörlerinin bacABCDEywfG operonu üzerine düzenleyici etkisi

    HASAN DEMİRCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYTEN KARATAŞ

  2. Tez No

    465429

    Strategies for isolation of novel enzymes by using metagenomics approach

    Metagenomik yaklaşım kullanılarak yeni enzimlerin elde edilmesi

    HAVVA ESRA TÜTÜNCÜ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEVİN GÜL-KARAGÜLER

  3. Tez No

    485161

    Ascidiacea sınıfına dahil Microcosmus vulgaris'den biyoaktif etken madde izolasyonu ve yapı tayini

    Isolation and structure elucidation of bioactive secondary metabolites from sea squirt Microcosmus vulgaris

    MELEK SERTDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Deniz BilimleriAnkara Üniversitesi

    Temel Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BELMA KONUKLUGİL

  4. Tez No

    771646

    Mantar polisakkaritlerinin izolasyonu, antikanser, antibiyofilm ve antienflamatuvar etkilerinin belirlenmesi

    Isolation of polysaccharides from mushrooms and determining their anticancer, antibiofilm, and antiinflammatory effects

    DOĞUKAN MUTLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyokimyaPamukkale Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞEVKİ ARSLAN

  5. Tez No

    538797

    Yer fıstığı filizinden resveratrol bileşiğinin izolasyonu, radyoiyodinasyonu ve nöroblastoma hücre hatları üzerinde biyoetkinliğinin incelenmesi

    Isolation of resveratrol compound from peanut sprouts, radioiodination and investigation of its bioactivity on neuroblastoma cell lines

    KADRİYE BUŞRA KARATAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    BiyokimyaEge Üniversitesi

    Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FAZİLET ZÜMRÜT BİBER MÜFTÜLER

Geri Dön