Marmara Denizi Sedimentlerindeki Sülfat İndirgeyiciler Ve Methanojenler

Abstract

The Marmara Sea is a small (size ≈ 70 x 250 km) intercontinental basin connecting Black Sea and Mediterranean Sea. The population of Marmara region reaches to 25 million and therefore there is large number of domestic and industrial wastewater discharges to the Marmara Sea from different points. Also large quantities of Central Asian oil and gas are transported to the west through the Marmara Sea. Combining effect of pollution sources create a chronic pollution at the Marmara Sea and formed several anoxic sediments in highly polluted sites. The regions are populated by both residential and industrial sites and takes domestic and industrial effluent of more than 3 million people. Industrial sites mainly composed of metal industry, textile and leather industry, medicine industry, paper industry, chemical industry, rubber and plastic industry. Sediment is a carbon and nutrient pool for aquatic environments. The presence of hydrocarbon compounds creates a suitable environment for the growth of anaerobic bacteria.Anaerobic biodegradation processes are slower than aerobic biodegradation. However, anaerobic processes can be a significant factor in removal of organic contaminants owing to the abundance of anaerobic electron acceptors relative to dissolved oxygen; therefore promising a stable and long term removal of contaminants. The sediments of the Marmara Sea are of importance since they are sensitive recorders of biological and chemical changes in the ecosystem It has been estimated that less than 1% of the total microbial population in the land environment and even less in the marine environment have been successfully isolated in pure culture. Marmara Sea has great importance not only because of geological position but also its composition of microbial life which still remains in darkness. Sulfate reduction and methanogenesis are considered to be the most important microbial processes in marine sediments, and they consistently co-occur. Sulfate reduction and methanogenic community analyses together with chemical analyses of the sediments will undoubtly form a base to develop bioremediation strategies to overcome chronic pollution in the MSS. In this study, abundance of sulfate reducing bacteria (SRB) and methanogenic archaea (MA) were monitored in sediments from 10 different locations in the Marmara Sea for 2 years to reveal how important these processes and what may control abundance of the responsible organisms. Microorganism quantifications were carried out using quantitative polymerase chain reaction (Q-PCR) and targeting functional genes (mcrA and dsrB). In order to mark suitable communities as a cornerstone for a bioremediation strategy, the results were evaluated along with other microbiological and chemical sediment characteristics which were determined by Kolukirik . (2009) during a TUBITAK project on bioremediation of petroleum hydrocarbons. Q-PCR results indicated that Sulfate reducers and Methanogens cell contents of the sediments were high in the MSS (1,46x109- 1,56x1010and 1,45x109- 3,82x1010cells/cm3 respectively ). TUBITAK project on bioremediation of petroleum hydrocarbons revealed that electron donors were not limited in the MSS. Scarcity of the electron acceptors determined dominancy of the organisms responsible for the relevant terminal e--accepting processes. Microorganisms, mainly sulfate reducers, and methanogens coexisted within a very short distance (15 cm) from the sediment surfaces. The sediment analyses targeting functional genes (mcrA and dsrB) also revealed that all of these metabolic groups were abundant in the sediments. Sediment chacarteristics correlation analysis were done between heavy metal, elemental composition (C/N/P), anionic content (NO3-, SO42-), petroleum hydrocarbon (TPH , aliphatics, aromatics, asphaleten, resene), total cell count (DAPI count, Q-PCR count), genes / transcrips responsible for Sulfate Reduction, Anoxic N cycle, BTEX degradation and Methanogenesis, total cell activity (rRNA level), physical characteristics (salinity, pH, temprature, sediment grain size) parameters (Kolukirik ,2009). Correlation results demonstrated that sediment variables were not related to Methanogens whereas Sulfate reducers were strongly related to sulfate concentration in the sediment. (r= 0.98,p<0.05,n=47). Because the Marmara Sea Sediments (MSS) contains high amount of sulfate reducing and methanogenic microorganisms, a bioremediation strategy for the Marmara Sea based on stimulation of these microbes is possible. After this study, further laboratory hydrocarbon degradation microcosms were set up in the concenpt of TUBITAK 105Y307 project. The project overall results revealed that it is possible to increase hydrocarbon degrading activity of methanogenic-sulfate reducing microorganisms in the MSS for approximetly 10 by nutrient amendment. This will form a base for further filed scale bioremediation applications.

Marmara denizi, Karadeniz ve Akdeniz arasındaki tek rotadır. Marmara bölgesinin nüfusu 25 milyona yaklaşmakta ve Marmara denizine çeşitli noktalardan büyük miktarda evsel ve endüstriyel atık boşaltılmaktadır. Ayrıca Marmara denizinde gemi ve tanker trafiği yoğundur. Kirlilik kaynaklarının toplam etkisi sonucu yoğun kirlenen bölgelerde anoksik sedimentler oluşmuştur. Bu bolgeler hem yerleşim hem de endüstriyel bazda yoğundur ve 3 milyondan fazla kişinin evsel ve endüstriyel atığına maruz kalır. Genelde, bölgelerde metal, tekstil ve deri, ilaç, kâğıt, kimya ve plastik endüstrileri gözlemlenir. Sediment su ortamları için bir karbon ve besin havuzudur. Hidrokarbon bileşiklerinin varlığı anaerobik bakterilerin büyümesi için uygun bir ortam oluşturur. Anaerobik biyodegredasyon süreci aerobik biyodegredasyona göre yavaştır. Yine de anaerobik biyodegredasyon, anaerobik elektron alıcılarının çözünmüş oksijene kıyasla daha bol olması sebebiyle, organik kirleticilerin ortamdan kaldırılmasında önemli bir faktör olup kirleticilerin devamlı ve uzun soluklu giderilmesini vaat eder. Tahmin edilmektedir ki karada yaşayan toplam mikrobiyal populasyonun %1’inden azı, deniz ortamlarında yaşayanların daha da azı saf kültüre alınmıştır. Marmara denizi sadece jeolojik pozisyonu sebebiyle değil hâlihazırda bilinmeyen mikrobiyal hayatın içeriği ile de büyük önem taşımaktadır. Sulfate indirgenmesi ve methanojenesis deniz sedimentlerindeki en onemli mikrobiyal proseslerdir.Sulfat indirgeyici ve methanojenik komünite analizleri, sediment kimyasal analizleri ile birlikte değerlendirilerek Marmara Denizindeki kronik kirlenmeyi gidermek için kullanılacak bir biyoıslah stratejisi oluşturabileceklerdir. Bu çalışmanın esas amacı sulfat indirgeyici bakteriler ve methanojenik arkelerin Marmara denizinde ne derece önemli olduğu ve bu mikrobiyal kominıtelerin nasıl kontrol altına alınabileceğini belirlemektir bu amaçla Marmara denizinin 10 farklı bölgesi 2 yil boyunca gözlemlenmiştir. Mikrobiyal hücre sayısı gerçek zamanlı polimeraz zincir reaaksiyonu yöntemi ile belirlenmiş olup, işlevsel mcrA ve dsrB genleri hedeflenmistir. Uygun komüniteleri belirlemek için sonuçlar sediment kimyasal analizleri ve mikrobiyolojik sediment karakterizasyonu ile birlikte değerlendirilmiştir. Gerçek zamanlı polimeraz zincir reaksiyonu sonuçları gostermiştir ki sülfat indirgeyici bakteriler ve methanojenik arkeler Marmara denizinde çok yüksek oranda bulunmaktadır (sırasıyla 1,46x109- 1,56x1010ve 1,45x109- 3,82x1010cells/cm3). Sediment karakterizasyonu korelasyon analizleri ağır metaller,elemental kompozisyon (C/N/P),Anyonik içerik (NO3-, SO42-),petrol hidrokarbonu (TPH, alifatikler, aromatikler,asfaltan,rezen),toplam hücre miktari (DAPI yontemi ile sayim, Gerçek zamanli polimeraz zincir reaksiyonu ile sayim),Sülfat indirgenmesi,Methanojenesis,Anoksik azot döngüsü, BTEX degradasyonu ile ilgili genlerin sayimi,Toplam hücre aktivitesi(RNA duzeyinde), fiziksel özellikler (tuzluluk, ph, sıcaklık, sediment tane büyüklüğü) parametreleri arasinda TUBITAK projesi kapsamında yapılmıştır. Korelasyon sonuçları göstermiştir ki; sediment karakterizasyon parametreleri ile methanojenler arasında bir bağlantı bulunamamaış bunun aksine, sülfat indirgeyici bakteriler ve sülfat konsantrasyonu arasında çok yüksek oranda bir korelasyon bulunmuştur.(r= 0.98,p<0.05,n=47) Marmara denizi sedimentlerinin (MSS) yüksek miktarlarda sülfat indirgeyen ve metanojen mikroorganizma içermesi nedeniyle, bu mikroorganizmaların stimülasyonuna dayanan biyoıslah stratejisi geliştirmek mümkündür. Bu çalışma sonrasında, 105Y307 No. lu TÜBİTAK projesi kapsamında, laboratuvar ortamında daha ileri hidrokarbon degradasyonu mikrokozmosları kurulmuştur. Bu projenin sonuçları, MSS içerisindeki metanojen-sülfat indirgeyen mikroorganizmaların hidrokarbon degradasyonu etkinliklerinin, besin ıslahıyla yaklaşık olarak on kat arttırılabileceğini göstermiştir. Bu sonuçlar, daha büyük saha ölçekli biyoremediyasyon uygulamaları için bir temel oluşturacaktır.