Analysis of microbial communities associated with anaerobic solvent degradation in sequencing batch reactors by traditional and molecular tools

Abstract

Son yıllarda, organik solventlerin alıcı ortama deşarjları, insan hayatı ve doğal yaşam üzerine olumsuz etkileri nedeniyle çevre yönetmeliklerince sınırlandırılmıştır. Metanol, toluen ve propanol gibi organik bazlı solventler ilaç, petrol, boya vb. endüstrilerin atıksularında önemli miktarlarda bulunmaktadır. Diğer arıtım metodları ile karşılaştırıldığında, organik solvent içeren atıksuların anaerobik şartlarda arıtılması çevresel ve ekonomik açıdan bir alternatif seçenek olarak önem kazanmıştır. Bununla birlikte, solventlerin anaerobik arıtımda rol oynayan mikrobiyal topluluğun yapısına ve aktivitesi üzerine muhtemel olumsuz etkileri nedeniyle, anaerobik arıtma metodlarının solvent içeren atıksulara uygulanması konusunda hala bazı önemli noktaların aydınlatılmasına ihtiyaç vardır. Anaerobik reaktörlerin daha verimli işletebilmesi için, solventlerin anaerobik arıtımda rol oynayan mikrobiyal topluluğun yapısına ve aktivitesine etki eden faktörlerin anlaşılması önem taşımaktadır. Solventler gibi spesifik bazı kirleticilerin, anaerobik reaktörlerde mikrobiyal topluluğun yapısına ve aktivitesine yaptığı etkileri tanımlayarak, biyoreaktörlerde hakim proseslerin anlaşılması ve böylece bu sistemlerden daha iyi performans elde edilmesi sağlanabilir. Bu tez kapsamında, metanol, toluen ve isopropanol gibi solvent içeren atıksuların anaerobik arıtımında, anaerobik ardışık kesikli reaktörlerde (AKAR) mikrobiyal populasyon dinamikleri ve aktivitesine etkisi sırasıyla Floresanlı Yerinde Hibritleşme (FISH) ve Denaturan Gradyan Jel Elektroforezi (DGGE) gibi moleküler yöntemler ve Spesifik Metanojenik Aktivite (SMA) testleri yardımıyla incelenmiştir. Seçilmiş solventlerle beslenen anaerobik reaktörlerdeki mikrobiyal çeşitlilik, reaktörlere beslenen değişik atıksu kompozisyonlarına bağlı olarak önemli bir değişiklik göstermiştir. Bu reaktörlerin işletilmesi sırasında, solventlerin etkisine bağlı olarak aktif populasyonun oranı önemli miktarda azalmıştır.

In recent years, discharges of the organic solvents have been subjected to stringent environmental regulations because of their undesirable effect on living organisms in aquatic environments and human health. Organic solvents such as methanol, isopropanol and toluene are found in wastewaters of several industries such as refineries, paint and pharmaceutical manufacturers. Treatment of solvent-containing wastewaters using anaerobic reactors has gained much attention in recent years as a cost-effective option compared to other treatment methods. However, there are still some concerns in the application of anaerobic treatment processes for this kind of wastewaters due to possible detrimental effect of the compounds present in the waste streams on both activity and microbial community playing crucial role in anaerobic digestion. Defining the effects of solvents on both microbial community structure and activity changes in anaerobic reactors may lead to improvements in the understanding of interactions in the bioreactors, thereby obtaining better reactor performance. Within the scope of the thesis, effects of methanol, propanol and toluene on microbial diversity and activity have been examined for acclimated and unacclimated sludge in anaerobic sequencing batch reactors (ASBR) using particularly Fluorescent in situ Hybridization (FISH), Denaturant Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) techniques and Specific Methanogenic Activity (SMA) tests, respectively. In the ASBRs fed with solvents, microbial diversity changed significantly throughout the course of the operation where different wastewater compositions were fed to the anaerobic reactors. In ASBRs fed with solvent-containing synthetic wastewater, percentage of active population in the reactor decreased over the period of operation of the reactors.