Determination of effects of selected veterinary antibiotics on biogas production in anaerobic digestion systems and analysis of resistance gene promotion

Abstract

Bu çalışma OTC ile aşılanmış büyükbaş hayvan dışkısıyla çalıştırılmış birçok lab ölçekli çürütücü çalışmasının sonuçlarını sunmaktadır. OTC tedavisi sonrasında atılım düzeni gözlemlenmiş ve atılan miktar hesaplanmıştır. Büyükbaş gübresinin havasız çürütme süreci gözlemlenmiş ve sistem performansları antibiyotik ve değişen işletme parametreleri altında incelenmiştir. Toprak gübre ile karıştırılmış ve çürütücü mikrobiyal komünitelerin ve oksitetrasiklinin toprak mikrobiyal yapıları üzerindeki etkisi ve akıbeti gözlemlenmiştir. Bu doktora tezi kapsamında, OTCnin çürütücü performansını ciddi bir şekilde düşürdüğü tespit edilmiştir. OTCnin etkisi bakteriler üzerinde arkelerdeki etksine kıyasla daha fazladır. OTC hayvan vücudundan aşılanan miktarın en az %18i oranında katı dışkı ile atılmaktadır. Bu miktar ardı ardına enjeksiyon ve sıvı dışkı eklenmesiyle daha da artacaktır. OTC içeren dışkılar çiftlik tipi çürütücüler için kullanılan genel işletme şartlarında işletilmiş ve sistem performansı üzerindeki inhibisyonu incelendiğinde biyogaz üretimini %50 azalttığı görülmüştür. Sıcaklık en etkin parametre olarak bulunmuş katı oranı ve karışım hızı onu takip etmiştir. Sıcaklık OTC bozunması üzerinde en etkili parametre olmuştur. Karışma hızı az da olsa OTCnin bozunmasına yardım etmektedir. Katı oranı da OTC inhibisyonu ile negatif etkileşim halindedir. OTCnin yarı ömrü mezofilik çürütücülerde 22-28 gün arasında, termofilik çürütücülerde 16-18 gün arasında bulunmuştur.Çürütücülerdeki bakteriyal komünite Firmicutes grubuna bağlı fermantasyon ve hidroliz yapan bakterilerden ve Proteobacteria grubuna bağlı asidojen bakterilerden oluşmaktadır. Methanobacteriales, Methanomicrobiales ve Methanosarcina türleri metanojen populasyonunu oluşturmaktadır. FISH analizleri mikrobiyal aktivitenin 20 gün boyunca arttığını sonrasında ciddi bir biçimde düştüğünü göstermiştir.Dışkı ve çürütücü çıkışı toprağa karıştırılarak antibiyotiğin topraktaki akıbeti ve mikrobiyal yapılar üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. OTCnin topraktaki yarı ömrü (135 gün) çürütücülerdekinden (18-24 gün) çok daha fazla olarak bulunmuş ve dışkı eklenmesi mikrobiyal yapıları değiştirmiştir. Tetrasiklin direnç geni analizleri çürütücü çalışmalarında 10000-1000000 direnç geni kopyası, toprak çalışmalarında ise 1000-100000 direnç geni kopyası tespit etmiştir. Analizler direnç genlerinin bakteriyal 16S rRNA genlerine oranının mezofilik çürütücülerde 50 kat, termofilik çürütücülerde ise 100 kat arttığını göstermiştir. Toprak çalışmalarında bu oran belirgin bir değişiklik göstermemiştir.

This study presents results of investigation of many laboratory scale anaerobic digesters operated with cattle manure of OTC vaccinated animal. Excretion pattern of oxytetracycline after treatment was observed and excreted amount of antibiotic was calculated. Anaerobic digestion of cattle manure was monitored and performances were recorded in presence of antibiotic and changing operational parameters. Manure amendment to soil was performed to monitor fate and effect of oxytetracycline and digester microbial communities on soil microbial communitiesWithin the scope of the dissertation, it was found that OTC inhibits digester performance significantly. Effect of OTC was higher on bacterial population rather than archaea. OTC excreted from animal body as at least 18% of initial amount within solid manure. This amount will further increase because of repetitive injections and liquid manure addition. These manures were used as feedstock in anaerobic digesters operated under common operational parameters for farm type anaerobic digesters. 50% inhibition in biogas production was observed. Temperature was most influential parameter of digester performance followed by solid content and mixing rate. Temperature has been also most effective parameter on degradation of OTC. Mixing rate also helped degradation of OTC slightly. Also solid content was in negative relation with OTC inhibition. It has been found that half-life of OTC was ranging from 22-28 days in mesophilic and 16-18 days in thermophilic digesters, respectively. Molecular analyses showed that bacterial community of digesters was dominated by fermentative and hydrolytic bacteria belonging groups of Firmicutes and acidogenic Proteobacteria. Methanobacteriales, Methanomicrobiales and Methanosarcina spp. were found as methanogenic community. FISH analyses indicated an increase in microbial activity after 20 days; after that activity dropped significantly. Manure and digestate were amended to soil to monitor the elimination of antibiotic and its effects on microbial structures. It has been found that the half-life of OTC is far longer (135 days) in soil than in digesters (18-24 days) and microbial structures were changed after amendment. Tetracycline resistance gene analyses showed presence of 10000-1000000 resistance gene copies in digester studies and 1000-100000 resistance gene copies in soil studies Analyses also showed that ratio of antibiotic resistance genes to bacterial 16S rRNA genes were increased 50 fold in mesophilic digesters and 100 fold in thermophilic digesters. In soil studies ratio dont showed a significant change.