Anoksik Ortamda Biyolojik Fosfor Giderimi Yapan Bakteri Çeşitliliğinin Kantitatif Gerçek Zamanlı Zincir Tepkimesi Tekniği İle İncelenmesi

Abstract

Günümüzde uygulanan biyolojik aşırı fosfor giderimi (BAFG) karışık bir proses olduğu kadar oldukça gelişmiş; maliyeti düşük, çevreye dost atıksu arıtma proseslerinden biridir. BAFG Fosforun giderimi ve potansiyel yeniden fosfor kazanımında, su kaynaklarını ötrofikasyona karşı korumada sürdürülebilir bir yol olduğundan, gün geçtikçe Dünya çapında daha da popüler hale geliyor. BAFG, karmaşık mikrobiyal komünite ile uygulanan iyi bilinen, belirlenmiş sınırları nedeniyle mikrobiyal ekolojide model ekosistem olmak için oldukça uygun bir prosestir. BAFG prosesinin prensibi ardışık anaerobik-aerobik ve/veya anaerobik-denitrifiye koşullarda hücre içinde aşırı miktarda polifosfatı depolayan mikroorganizmaların (PAO) zenginleşmesine dayanır. Yüksek fosfor içeriğine sahip bu mikroorganizmaların fazla çamurla sistemden atılması ile biyolojik aşırı fosfor giderimi gerçekleşmiş olur. Ham atıksuyun içindeki kompleks yapıdaki organik madde anaerobik ortamda fermantasyon sonucu daha basit yapıda uçucu yağ asitlerine (UYA) (örn. asetik asit (HAc)) dönüşürler. Fosfat depolayan mikroorganizmalar anaerobik ortamda oluşan uçucu yağ asitlerini hücre içinde poli- -hidroksialkanoatlar (PHA) (örn. poly-β-hidroksibütirat (PHB)) olarak sentezlerler. Sentezleme için gerekli olan enerji hücre içindeki polifosfat (ATP) ve glikojenin parçalanması ile elde edilir ve bunun sonucunda yüksek miktarlarda fosfor salınımı gerçekleşir. Daha sonra aerobik faza gelen PAO lar aerobik ortamda büyürler. Bünyelerindeki polifosfatı ve glikojeni geri kazanmak için gerekli olan karbon ve enerji kaynağı olarak daha önce anaerobik ortamda depoladıkları PHB’ları kullanırlar. Polifosfatın hücre içinde tekrar depolanması için gerekli olan enerji aerobik ortamda PHB oksidasyonu ile sağlanır. Aerobik ortamda hücreye geri alınan fosfat miktarı anaerobik ortamda salınan fosfattan daha fazla olduğu için biyolojk aşırı fosfor giderimi gerçekleşmiş olur. Son yıllarda biyolojik besi giderimi (BBG) prosesleri ile ilgili yapılan çalışmalar anoksik ortamda elektron alıcısı olarak nitratı (NO3-N) ve/veya nitriti (NO2-N) kullanarak fosfat depolama kabiliyetine sahip organizmaların (denitrifikasyon yapabilen fosfat depolayan organizmalar (DPAO)) varlığını ortaya çıkarmıştır. Klasik biyolojik fosfor giderimi (anaerobik-aerobik) ile kıyaslandığında çamur üretiminde %50, oksijen tüketiminde %30 azalma sağlayan ve karbon kaynağının verimli bir şekilde kullanıldığı anoksik ortamda biyolojik fosfor giderimini etkileyen faktörlerin incelenmesi önem teşkil etmektedir. Literatür incelendiğinde Accumulibacter türlerinin aerobik ve anoksik BAFG giderim sistemlerinde etkin türlerden biri olduğu görülür. Bu nedenle bu mikroorganizmaların BAFG prosesi üzerine etkilerini belirlemek ilginç bir bilimsel araştırma konusu haline gelmiştir. Bu çalışmada, başarıyla işletilmiş iki farklı denitrifiye fosfor giderim prosesi ve onların mikrobiyal komünite yapılarının arasındaki bağlantıyı araştırmak hedeflenmiştir. Bu amaçla Marmara Üniversitesindeki proje ortaklarımız; iki farklı ardışık kesikli reaktör, oksik-anoksik koşullarda ve sonda denitrifikasyon-önde denitrifikasyon konfigürasyonlarında incelenmiştir. Konvansiyonel datalara göre, karbon/azot oranlarına sahip atıksular için önde denitrifikasyon proses konfigürasyonu daha uygundur. Sonda denitrifikasyon-önde denitrifikasyon konfigürasyonlarından belirli zamanlarda alınan örneklerle, ortamda varsayılan Candidatus Accumulibacter phosphatis ‘in varlığını kantitatif gerçek zamanlı polimeraz zincir tepkimesi metoduyla belirlenmesi için çalışılmıştır. Önde denitrifikasyon proses örneklerinde Candidatus Accumulibacter phosphatis sayısal olarak yükselen bir profil sergilerken, sonda denitrifikasyon proses örnekleri dalgalanan bir profil sergilemiştir. Önde denitrifikasyon konfigürasyonunda Candidatus Accumulibacter phosphatis miktarsal olarak fosfat giderimiyle doğru orantılı olacak şekilde artmıştır. Önde denitrifikasyon konfigürasyonlarında Candidatus Accumulibacter phosphatis’ in baskınlığını öne sürerken, sonda denitrifikasyon konfigürasyonlarında; Actinobacter türü fosfat depolama kabiliyetine sahip organizmalar ya da henüz belirlenememiş mikroorganizma grupları baskın olabileceğini işaret etmektedir. Tüm bu sonuçlar ışığında; her iki proses konfigürasyonu için ortak bir problem olan nitrit ve/veya nitrat iyonunun anaerobik faza taşınmasını engellemek amacı ile anaerobik faz öncesinde çamurun anoksik koşullar altında gideriminin avantajlı sistem olarak önerilebilir.

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is one of the most advanced and complicated, costeffective and environmentally friendly wastewater treatment processes. It is becoming more and more popular worldwide as a sustainable way to protect the receiving water bodies against eutrophication, and to remove P. The EBPR process is a well-studied system which is carried out by complex microbial communities. Because of the clearly defined boundaries, The EBPR process is very suitable as a model ecosystem in microbial ecology. The principle of the EBPR processes is to enrich microorganisms that can accumulate excessive amounts of intracellular polyphosphate (polyP) by phosphate-accumulating organisms (PAOs) using sequential anaerobic-aerobic and/or anaerobic-denitrifying conditions. PAOs take up anaerobically and store Carbon sources, particularly volatile fatty acids (VFA) as poly--hydroxyalkanoates (PHA) through the release of phosphorus (P) and degradation of glycogen. Higher amounts of phosphorus (P) are taken up when an electron acceptor is supplied (aerobic conditions) through PHA oxidation, which is accompanied by biomass growth and the regeneration of glycogen. When compared to conventional EBPR, simultaneous denitrification and P removal can save on aeration, minimize sludge disposal and reduce the demand for the often-limiting carbon sources. In recent years, the studies about biological nutrient removal processes explored the existence of phosphate accumulating organisms which capable of using nitrate (NO3-N) and/or nitrite (NO2-N) as electron acceptor (denitrifying phosphate accumulating organisms (DPAO)) in anoxic environment. Investigation of the factors that affect the phosphorus removal in anoxic conditions is very important since it causes 50% decrease in excess sludge production and 30% decrease in oxygen consumption and provides efficient use of carbon source. Literature studies are suggested that Accumulibacter spp. is one of the effective microorganism in both aerobic and anoxic EBPR systems.Therefore, to determine the effects of those microorganisms on the EBPR process became a great scientific interest. In this study investigation the link between the performance of two successfully operated denitrifying phosphorus (P) removal systems and their microbial community structure was aimed. For this purpose, two sequencing batch reactors (SBRs) were operated in oxic and anoxic conditions in post and predenitrification configurations at Marmara University by our project partners. Samples from both post and predenitrification configurations performed to determine the putative existence of Candidatus Accumulibacter phosphatis, with Quantitative Real Time Polymerase Chain Reaction method (Q-RTPCR). Conventional data showed that predenitrification system is more appropriate for wastewaters with low carbon/nitrogen ratio. While a rising quantity of Candidatus Accumulibacter phosphatis was obtained in samples of predenitrification system, samples of postdenitrification system exhibited a fluctuated quantity. Thus, it might be suggested that Candidatus Accumulibacter phosphatis found to be the dominant group in pre-denitrification configurations; however in post-denitrification configurations Actinobacter-related phosphate-accumulating organisms or other yet undefined groups of microorganisms may have important roles.