Två olika typer QQ bakterier, en Grampositiv och en Gramnegativ, användes för kontroll av påväxten på membranen i en MBR med gott resultat. Undersökning av den mikrobiella sammansättningen i reaktorerna visade att användning av Gramnegativa QQ bakterier skapade ett Grampositivt mikrobiellt samhälle i reaktorn och vice versa.
Av: Bengt Andersson
Tidigare studier har visat att cell-till-cell signaler även kända som quorum sensing (QS) spelar en vanlig roll vid kontroll av biofilmen på en membranyta som utvecklas vid drift av membranbioreaktorer (MBR). Man har funnit att QQ metoder, som interfererar med QS signaler, effektivt kan minska biopåväxten och att metodiken är lovande eftersom den dels förbättrar reningseffektiviteten dels kräver mindre energi än de alternativa metoderna för att begränsa effekten av igensättningen. Emellertid har QQ bakterier hittills endast undersökts som ett sätt att hämma QS signaler baserat på nedbrytningen av N-Acyl-L-homoserin (AHL) och inga försök har gjorts för att uppskatta den påverkan, som QQ bakterierna har på den mikrobiella sammansättningen i processen.
I refererad studie undersöktes sambandet mellan mikrobiologin i MBR-processen och två olika QQ bakterier, Bacillus sp. T5 (Grampositiv) och Delftia sp. T6 (Gramnegativ). Syftet var att använda Illumina sequencing för att visa hur olika QQ bakterier kan påverka den relativa sammansättningen av mikrobiologin för en QQ-MBR process. Genom studien förväntades uppnås en ökad kunskap om sambandet mellan QQ bakterier och mikrobiologin i MBR-processen så att effektiva metoder för kontroll av igensättning av membranen i en MBR skulle kunna utvecklas.
Genomförande
Försöken utfördes i två parallella MBR-system i laboratorieskala vardera bestående av en luftningstank med nedsänkta hålfibermembran, där den ena tanken utgjorde en referens utan QQ bakterier och den andra tillfördes QQ bakterier (Bacillus sp. T5 i det första försöket och Delftia sp. T6 i det andra). Dessutom fanns erforderlig utrustning för mätning och styrning av viktiga parametrar som flöden och TMP. Slam för ymp togs från en MBR i fullskala och vid försöken användes ett syntetiskt avloppsvatten. Tillväxthastigheten för QQ bakterierna bestämdes både i Luria-Bertani medium (LB) och i syntetiskt avloppsvatten.
Immobilisering av QQ cellerna gjordes i kulor av alginat. Alginatkulor utan QQ celler skapades även för användning i referensreaktorn. Medelstorleken för alginatkulorna var cirka 3 mm och koncentrationen av QQ bakterier i kulorna uppgick till omkring 9 mg/ml.
Analys av bakteriesammansättningen i reaktorerna gjordes med hjälp av PCR förstärkning med 16S rDNA genprimer med sekvensering enligt Illumina metodik. QQ bakteriernas förmåga att bryta ned AHL analyserades genom en bioassaymetod från tidigare studier.
Resultat
Varje QQ bakterie växte fortare i LB medium och de specifika hastigheterna för T5 och T6 i LB medium var 0,45 h-1 resp. 0,44 h-1 medan de var 0,23 h-1 resp. 0,28 h-1 i syntetiskt avloppsvatten. Nedbrytningspotentialen för AHL bestämdes för båda QQ bakterierna och för referensen utan QQ bakterier. Nedbrytningspotentialen uppgick till 77 % för T5 och till 71 % för T6 medan nedbrytningen var försumbar i referensen.
TMP ökningen kunde kontrolleras med testade QQ bakterier T5 och T6. I kontrollreaktorn ökade TMP till 300 mbar efter 20 dygn medan TMP-värdet i QQ reaktorn med T5 endast ökade till 100 mbar under samma tid. I det andra försöket ökade TMP till 420 mbar efter 11 dygn medan TMP-värdet i QQ reaktorn med T6 ökade till 150 mbar under samma tid. Genom att jämföra ytorna under TMP-kurvorna kunde minskningen av igensättningen av biofilmen genom immobilisering av T5 resp. T6 beräknas till 85 resp. 76 %. Minskningen av påväxten av biofilm på membranytorna konfirmerades genom laser scanning mikroskopi efter genomförda försök. Biofilmen var väsentligt tunnare på membranen i reaktorn med QQ bakterier jämfört med membranen i referensreaktorn. COD-avskiljningen uppgick till mellan 96 och 98 % och den påverkades inte genom QQ bakterierna.
Den mikrobiologiska sammansättningen av slammet i reaktorerna visade att Proteobacteria, Actinobacteria och Bacteroidetes var dominerande fyla i såväl referensreaktorn som i QQ reaktorn. Den genomsnittliga förekomsten av Proteobacteria var 31 % i referensreaktorn och 40 % i QQ reaktorn med T5. Motsvarande värden för referensreaktorn och QQ reaktorn med T6 var 34 resp. 28 %. Det observerades att effekten av T5 orsakade en minskning av förekomsten av Actinobacteria och en ökning av Proteobacteria och Bacteroidetes medan effekten av T6 blev den omvända med en ökning av förekomsten av Actinobacteria och en minskning av Proteobacteria och Bacteroidetes. QQ mekanismerna för T5 och T6 hade således omvänd effekt på den mikrobiella sammansättningen.
Den genomsnittliga relativa förekomsten av dominerande bakterier visade att förekomsten av bacilli, bacteroidea och Chloroflexia ökade och förekomsten av Acidimicrobia och Acidobacteria minskade med tiden i QQ reaktorn med T5 medan inga förändringar kunde noteras i referensreaktorn. I QQ reaktorn med T6 erhölls omvända förändringar och sammansättningen i referensreaktorn förändrades fortfarande inte. Mekanismerna var således olika mellan QQ reaktorerna och referensreaktorn. Dessutom observerades att Gramnegativa QQ bakterier (T6) ökade den relativa förekomsten av Grampositiva klasser och minskade de Gramnegativa och vice versa.
Resultaten av studien visade att QQ påverkade både diversiteten av det mikrobiella samhället och den relativa förekomsten av dessa mikrober och att effekterna varierade beroende på typ av QQ bakterier.
Slutsatser
Försök med två olika QQ bakterier, en grampositiv Bacillus sp. T5 och en gramnegativ Delftia sp. T6, visade att
- båda bakterierna hade en positiv påverkan på igensättningen av membranen i en MBR där biopåväxten på membranen minskade med 85 resp. 76 % för T5 resp. T6
- användning av den grampositiva QQ bakterien T5 skapade ett gramnegativt mikrobiellt samhälle medan effekten av den gramnegativa QQ bakterien T6 blev den omvända
- resultaten belyste effekten av vald QQ på populationsdynamiken med ökade möjligheter till bättre val av QQ bakterier och strategier
Källa: B. Yavuztürk Gül, D. Yüksel Imer, P-K. Park, I,. Koyuncu. Selection of quorum quencing (QQ) bacteria for membrane biofouling control: effect of different Gram-staining QQ bacteria, Bacillus sp.T5 and Delftia sp. T6, on microbial population in membrane bioreactors. Water Science & Technology, 78.2, 2018, pp 358 – 366.
