Atık sulardan izole edilen bazı bakteriler aracılığıyla biyoplastik üretimi
Bioplastic production via isolated various bacteria species from waste water
Yazar: HAKAN SEVGİLİ
Danışman: DOÇ. DR. NAZMİYE ÖZLEM ŞANLI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Dünya üzerindeki petrokimyasal plastik kullanımları sonucu açığa çıkan günlük çöp miktarı bu plastiklerin geri dönüşüm oranının yaklaşık 6-7 katıdır. Bu çöp artışı özellikle istiflenme ile toprak arazilerini ve topraklar tarafından emilerek denizlerin kirletilmesinde önemli bir paya sahiptir. Ekosistemler, plastiklerin indirgenmiş son hali mikroplastik diye tabir edilen yapılar tarafından tehdit halindedir. Dolayısıyla bu ve bunun gibi sorunların aşılmasında biyoplastik üretimleri üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle bu çalışmalar polihidroksi alkanoat aile grubuna doğru genişletilmiştir.
Köken olarak biyolojik yapılara dayanan biyoplastikler kullanım ömürleri tamamlandıktan sonra toprak ya da denizde kolaylıkla mikroorganizma varlığında geri dönüştürülebilirler. Bu özellikleri herhangi bir kimyasal ya da fiziksel manipülasyona uğramadan doğal döngüler içerisinde gerçekleştiği için dikkat çekmektedir. Ayrıca kullanım olarak biyouyumlu olmaları özellikle sağlık, protez, ilaç sanayi gibi endüstrilerde önem arz etmektedir. Ancak üretimleri sırasında kullanılan biyoteknoloji tekniklerinin maliyet dengesini olumsuz etkilemesi çözülmesi gereken bir problemdir.
Son yıllarda, biyoplastik tabanlı araştırmalar polihidroksi alkanoat polimeri üzerinde yoğunlaşmakla beraber, çeşitli modifikasyonlarla bakterilerin zenginleştirilmesi üzerinde durulmuştur. Ancak bu modifikasyonların üretim maliyetini arttırdığı bilinmektedir. Dolayısıyla, atıkların kullanılarak üretimlerin sonucunun farklı polimerlerle karışımları üzerine yapılmış çok sayıda araştırma bulunmaktadır. Bu çalışmaların neredeyse tamamında farklı stratejiler üzerinde durulmuş ancak maliyet sorununun aşılması yönünde verimin, kullanılan atık modelinin ve bakterilerin elde ediliş biçimlerinin kullanıldığı makalelere rastlanmamıştır. Bu nedenle çalışmamızda, ticari olarak kullanılmaktan uzak ve sadece ortadan kaldırılmak için gerekli tetkiklerin uygulandığı atık sulardan biyoplastik üretebilir suşlar izole edilerek çeşitli atık besinlerle üretimleri birbiriyle kıyaslanmış ve en iyi üretime sahip model tercih edilmeye çalışılmıştır.
Bakteri suşlarının biyoplastik üretebilir yetenekte olup olmadıkları sudan black B boyaması ile kalitatif olarak ve spektrofotometre üzerinden kantitatif olarak analiz edilerek değerlendirilmiştir. Bu üretim yeteneklerinin değerlendirilmesi sırasında sırasıyla ticari medya, kahve atığı ve atık yağ belirli ölçeklerde kullanılarak substratların ne derecede ürüne dönüştüklerine dikkat edilmiştir. Bununla birlikte başarılı olan suşlar ayrılarak lab ölçeğinde üretim denemelerine alınmıştır.
Batch üretim prosesiyle en yüksek verimde olan suşların EF2-3 ve RY4-3 adlı suşlar olduğu tespit edilmiştir. Bununla birlikte, bu suşların maksimum üretim değerine 36 saatte ulaştıkları ve biyoplastik üretim denemelerinde 36 saatin proses üretim saati olarak belirlenmiştir. Bazı suşların 24 saatte gösterdikleri üretim performansları diğer saat değerlerine ulaşamadan içerisindeki biyoplastikleri parçaladığı görülerek üretim dışı tutulmuştur.
Üretimleri tamamlanan suşlar, mekanik ve kimyasal olarak parçalanarak içerisindeki biyopolimerlerin elde edilmesi sağlanmıştır. Bu polimerler daha sonrasında oda sıcaklığında biriktirilerek çeşitli karakterizasyon prosedürlerine tabii tutulmuş ve oluşturulan polimerin termal ve fiziksel yapısı anlaşılmaya çalışılmıştır.
Biyoplastiklerin petrokimyasal plastiklere oranla tercih edilmesinin önündeki sorunların aşılmasında sadece mikroorganizmaların kullanılması yeterli bir dönüt sağlayamamıştır. Dolayısıyla bu üretim modellerinin finansal olarak sürdürülebilir yapıya kavuşması için tamamen atıklar üzerinden bir değer yaratılması hem maliyet hem verim açısından umut vaat edebilir.

Abstract:
The daily amount of garbage released as a result of petrochemical plastic use in the world is about 6-7 times the recycling rate of these plastics. This increase in litter has a significant share in the pollution of the seas by being absorbed by the soils and the soils, especially by hoarding. Ecosystems are threatened by structures called microplastics, the reduced final form of plastics. Therefore, studies on bioplastic production are carried out to overcome these and similar problems. In particular, these studies have been extended to the polyhydroxy alkanoate family group.
Bioplastics, which are originally based on biological structures, can be easily recycled in the soil or sea in the presence of microorganisms after their useful life is completed. These features attract attention because they occur in natural cycles without undergoing any chemical or physical manipulation. In addition, their biocompatibility in use is especially important in industries such as health, prosthetics and pharmaceuticals. However, it is a problem that needs to be solved that the biotechnology techniques used during their production negatively affect the cost balance.
In recent years, bioplastic-based research has focused on the polyhydroxy alkanoate polymer, but the enrichment of bacteria with various modifications has been emphasized. However, it is known that these modifications increase the production cost. Therefore, there are many studies on the mixtures of the result of production using wastes with different polymers. Almost all of these studies focused on different strategies, but no articles were found in which the yield, the waste model used and the way of obtaining bacteria were used to overcome the cost problem. For this reason, in our study, strains capable of producing bioplastics were isolated from waste waters, which are far from being used commercially and where only the necessary investigations were applied to eliminate them, and their production with various waste nutrients was compared with each other and the model with the best production was tried to be preferred.
Whether the bacterial strains were capable of producing bioplastics was evaluated qualitatively by black B staining from water and quantitatively by spectrophotometer. During the evaluation of these production capabilities, attention was paid to the extent to which the substrates were transformed into products by using commercial media, coffee waste and waste oil at certain scales, respectively. However, the successful strains were separated and put into production trials on a lab scale.
It was determined that the strains with the highest yield with the batch production process were the strains named EF2-3 and RY4-3. However, it was determined that these strains reached the maximum production value in 36 hours and 36 hours were determined as process production hours in bioplastic production trials. Production performances of some strains in 24 hours were observed to break down the bioplastics before they could reach other hour values, and they were excluded from production.
The strains that have been produced are broken down mechanically and chemically to obtain the biopolymers in them. These polymers were then deposited at room temperature and subjected to various characterization procedures and the thermal and physical structure of the formed polymer was tried to be understood.
The use of microorganisms alone could not provide sufficient feedback to overcome the problems that prevent the preference of bioplastics over petrochemical plastics. Therefore, in order for these production models to achieve a financially sustainable structure, creating a value entirely from wastes can be promising both in terms of cost and efficiency.