Lokal izolatların 2,3-bütandiol üretme potansiyellerinin araştırılması
Investigation of 2,3-butanediol production potentials of local isolates
Yazar: MEHMET AKİF ÖMEROĞLU
Danışman: PROF. DR. AHMET ADIGÜZEL
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında, çeşitli toprak ve sıcak su örneklerinden izole edilen bakterilerin melas bazlı fermentasyon ortamında 2,3-Bütandiol (2,3-BD) üretme potansiyelleri araştırıldı. En yüksek üretim verimine sahip olan izolatın moleküler düzeyde identifikasyonu yapıldıktan sonra, üretim verimini artırmak için hücre immobilizasyon teknolojisi kullanıldı ve kültür koşullarının optimizasyonu yapıldı.
Yöntem: Tez çalışması kapsamında, farklı toprak ve sıcak su örnekleri hedeflenen bakteriler için izolasyon kaynağı olarak kullanıldı. İzolasyon çalışmaları aerobik koşullarda melas bazlı agar besiyerleri kullanılarak gerçekleştirildi. En yüksek 2,3-BD üretme potansiyeli olan izolatın moleküler identifikasyonu 16S rRNA dizi analizine göre yapıldı. Ardından, sodyum aljinat matrisi kullanılarak, identifikasyonu yapılan izolatın hücreleri immobilize edildi. İmmobilize hücrelerle steril olmayan koşullarda gerçekleştirilen 2,3-BD üretimini artırmak için sıcaklık (40, 45, 50, 55, 60 ve 65 ⁰C), pH (4-9), melas konsantrasyonu (25, 50, 75, 100, 125 ve 150 ml/l), yatak miktarı (5, 10, 15 ve 20 g), yatak hacmi (3, 5 ve 7 mm) ve inkübasyon süresi (12, 24, 36, 48 ve 60 saat) parametleri test edildi. Optimize edilmiş kültür koşullarında gerçekleştirilen proses sonucunda, kültür ortamındaki 2,3-BD konsantrasyonu Gaz kromatografisi/Kütle spektroskopisi (GC-MS) ile analiz edildi.  
Bulgular: Farklı toprak ve sıcak su örneklerinden toplam 52 adet bakteri izolatı elde edildi. Voges–Proskauer (VP) testi ve GC-MS analizleri sonucunda, BD43 kodlu izolatın en yüksek 2,3-BD üretme potansiyeline sahip olduğu tespit edildi.  16S rRNA dizi analizine göre BD43 kodlu izolatın Bacillus licheniformis'e %99 oranında benzerlik gösterdiği belirlendi. B. licheniformis BD43'ün immobilize hücreleriyle steril olmayan fermentasyon koşullarında 2,3-BD üretimi için optimum parametreler, 55°C, pH 7, 100 ml/l melas konsantrasyonu, 15 g yatak miktarı, 5 mm yatak hacmi ve 24 saatlik inkübasyon süresi olarak tespit edildi. Optimize edilmiş kültür koşullarında üretim prosesi sonucunda 31,6 g/l 2,3-BD elde edildi. 
Sonuçlar: Mevcut tez çalışmasında, lokal olarak izole edilen termofilik B. licheniformis BD43 suşunun aerobik koşullarda melası karbon kaynağı olarak kullanarak 2,3-BD üretimini gerçekleştirebileceği belirlendi. İzolatın termofilik özellikleri sayesinde üretim proseslerinin steril olmayan koşullar altında yüksek verimle gerçekleşebileceği ortaya konuldu. Hücre immobilizasyon teknolojisinin kullanılması ve kültür koşullarının optimize edilmesi ile izolatın 2,3-BD üretim potansiyelinin artırılabileceği gösterildi.

Abstract:
Purpose: In this thesis study, 2,3-Butanediol (2,3-BD) production potentials of bacteria isolated from various soil and hot water samples in molasses-based fermentation medium were investigated. After the isolate having the highest production yield was identified at the molecular level, cell immobilization technology was used and culture conditions were optimised in order to increase the production yield. 
Method: Within the scope of the thesis study, different soil and hot water samples were used as an isolation source for the targeted bacteria. Isolation studies were carried out under aerobic conditions using molasses-based agar media. Molecular identification of the isolate having the highest potential to produce 2,3-BD was performed according to 16S rRNA sequence analysis. Afterwards, the cells of the identified isolate were immobilized using sodium alginate matrix. In order to enhance the production of 2,3-BD by immobilized cells performed under non-sterile conditions, parameters of temperature (40, 45, 50, 55, 60 and 65 ⁰C), pH (4-9), molasses concentration (25, 50, 75, 100, 125 and 150 ml/l), bead amount (5, 10, 15 and 20 g), bead size (3, 5 and 7 mm) and incubation time (12, 24, 36, 48 and 60 hours) were tested. As a result of the process executed under optimized culture conditions, the concentration of 2,3-BD in the culture medium was analyzed by Gas chromatography/Mass spectroscopy (GC-MS). 
Findings: A total of 52 bacterial isolates were obtained from different soil and hot water samples. As a consequence of Voges–Proskauer (VP) test and GC-MS analysis, it was detected that the isolate coded with BD43 had the highest potential to produce 2,3-BD. According to 16S rRNA sequence analysis, it was determined that BD43 showed similarity to Bacillus licheniformis with the rate of 99%. Optimum parameters for the production of 2,3-BD by immobilized cells of B. licheniformis BD43 under non-sterile fermentation conditions were detected to be 55°C, pH 7, 100 ml/l molasses concentration, 15 g bead amount, 5 mm bead size and 24 hour of incubation time. As a result of the production process under optimized culture conditions, 31.6 g/l 2,3-BD was obtained.  
Conclusion: In the current thesis study, it was designated that the locally isolated thermophilic B. licheniformis BD43 strain could produce 2,3-BD by using molasses as a carbon source under aerobic conditions. Thanks to the thermophilic features of the isolate, it was revealed that the production processes can be carried out under non-sterile conditions with high yield. It was demonstrated that potential of isolate to produce 2,3-BD can be increased by using cell immobilization technology and optimizing the culture conditions.