Molecular investigation of anaerobic ammonium oxidation (Anammox) bacteria under long-term nanoparticle exposure


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Institute For Graduate Studies İn Pure And Applied Sciences, Department Of Bioengineering (Eng), Turkey

Approval Date: 2019

Thesis Language: English

Student: TUĞBA SARI

Supervisor: Deniz Akgül

Abstract:

Anammox, geleneksel nitrifikasyon/denitrifikasyon prosesine kıyasla önemli avantajları nedeniyle atık su arıtma tesislerinde yenilikçi bir biyoproses haline gelmiştir. Fakat anammox bakterilerinin dış çevreye gösterdiği değişken tepkiler ve yavaş büyüme hızları, bu prosesin endüstriyel uygulamalarını sınırlandırmaktadır. Ayrıca, dünyadaki nanopartikül kullanımının artması ve bunların ekosisteme özellikle atık su arıtma tesislerine salınımı nanoparçacıkların biyolojik sistemler üzerindeki olumsuz etkileri konusunda büyük endişe yaratmaktadır. Bu kapsamda, ZnO ve TiO2 nanopartiküllerinin laboratuvar ölçekli anammox sistemleri üzerindeki uzun süreli inhibe edici etkileri, azot arıtım performansı, metal analizi, EPS ve mikrobiyal çeşitliliğin değerlendirilmesi açısında ayrı ayrı incelenmiştir. ZnO nanopartikülleri, anammox bakterileri üzerinde TiO2 nanopartiküllerinden daha düşük konsantrasyonda daha kısa sürede daha fazla toksik etki göstermiştir. EPS sekresyonunda benzer profiller gözlenmesine rağmen, TiO2 nanopartiküllerine maruz kalan mikrobiyal konsorsiyum daha fazla EPS üretmiştir. qPCR'ye göre, her iki nanopartikül uygulamasında, anammox popülasyonu ilk olarak belirli bir konsantrasyona kadar düşmüştür. Ardından, stres faktörüne adaptasyonları ile birlikte anammox miktarı artmış ve inhibisyon sebebiyle tekrar azalmıştır. TiO2 nanopartikül maruziyeti süresinde inhibisyon konsantrasyonunda nispi anammox miktarında %86 oranında azalma gözlenmiştir. ZnO nanopartikül maruziyetinde ise, metagenomik analizde Ca. Brocadiacea familyasının nispi miktarının yarıya düştüğü belirlenmiş olup bu sonuç qPCR ile uyuşmaktadır. Son olarak, DGGE'ye göre mikrobiyal konsorsiyumlarda çeşitli değişiklikler tespit edilmesine rağmen her iki biyoreaktördeki toplam biyoçeşitlilikte belirgin bir değişiklik gözlenmemiştir. -------------------- Anammox has become an innovative bioprocess in wastewater treatment facilities due to its significant advantages over conventional nitrification/denitrification process. However, variable responses of anammox bacteria to external environment and slow growth rate of them cause limitations to industrialization of this process. Besides, increased utilization of nanoparticles worldwide and releasing of them into the ecosystem, notably in wastewater treatment plants, lead to great concern about their adverse impacts on biological systems. In this context, the long-term inhibitive effects of ZnO and TiO2 nanoparticles on bench-scale anammox systems were individually investigated in terms of nitrogen removal performance, metal analysis, assessment of EPS and microbial diversity within the bioreactor. ZnO nanoparticles showed more toxic effects at a lower concentration in less time than TiO2 nanoparticles. Although similar profiles on EPS secretion were observed, higher amount of EPS was produced by microbial consortia exposed to TiO2 nanoparticles. According to qPCR, anammox population firstly decreased up to a certain concentration for both nanoparticles. Subsequently, relative anammox abundance increased with the adaptation to stress factor and decreased again due to inhibition. 86% reduction on relative anammox quantification was observed during TiO2 nanoparticles exposure at the inhibition concentration. As for ZnO nanoparticles exposure, the metagenomic analysis revealed that relative abundance of Ca. Brocadiacea family was approximately halved which was consistent with qPCR. Lastly, overall biodiversity slightly changed in both bioreactors although various shifts in microbial consortia were detected according to DGGE.