Meyve, sebze atıklarından kuru fermentasyon ile biyohidrojen üreten mikrobiyotanın belirlenmesi ve üretimden sorumlu genlerin moleküler karakterizasyonu
Determination of biohydrogen producing microbiota by dry fermentation and molecular characterization of genes responsible for production
Yazar: CANSU VURAL
Danışman: PROF. DR. GÜVEN ÖZDEMİR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Temel ve Endüstriyel Mikrobiyoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy ; Mikrobiyoloji = Microbiology
Dizin: Biyohidrojen = Biohydrogen ; Elektroforez-jel-iki boyutlu = Electrophoresis-gel-two dimensional ; Filogenetik = Phylogenetic ; Gerçek zamanlı polimeraz zincir reaksiyonu (RT-PCR) = Reverse transcription polimerase chain reaction ; Taksonomik analiz = Taxonomic analysis

Özet:
Biyohidrojen, çoğunlukla çevresel organik atıklar kullanılarak üretilen en değerli enerji kaynaklarından biridir. Hidrojen verimliliğini mikrobiyolojik bir perspektiften analiz etmek için, bu değerli enerji kaynağının üretiminde rol oynayan potansiyel bakterilerin bilgisine oldukça gereksinim vardır. Bu tezde, karışık kültürlerin ve meyve-sebze atıklarının karanlık fermantasyonu ile biyohidrojen üreten üç farklı reaktörde ısıl ön işlemin ve partikül boyutunun mikrobiyal dinamikler üzerindeki etkileri ve değişimleri incelenmiştir. Mikrobiyal profildeki değişiklikler, denatüre edici gradyan jel elektroforezi (DGGE) ve operasyonel taksonomik birim (OTU) analizleri ile belirlenmiştir. Clostridium ve Lactobacillus genus üyelerinin yüksek oranda hidrojen üretimi olan reaktör örneklerinde baskın olduğu tespit edilmiştir. C. butyricum (%46,93) ve L. fermentum (%28,28) reaktör örneklerinde en yaygın türler olarak kaydedilmiştir. Ayrıca reaktör örneklerinde nispi potansiyel hidrojen üretici türlerinin tespiti için referans suşlar olan C. butyricum DSM-10702, C. tyrobutyricum DSM-2637 ve C. pasteurianum DSM-525 kullanılmıştır. Örneklerdeki tür analizleri kantitatif polimeraz zincir reaksiyonu (Real-time PCR) ile gerçekleştirilmiştir. Hidrojen verimi en yüksek olan reaktörde bu türlerin gen kopya sayıları sırasıyla 1,23x105 DNA/mL, 1,95x105 DNA/mL ve 3,77x104 DNA/mL olarak hesaplanmıştır. Ayrıca örneklerdeki [FeFe]-hidrojenaz (hydA) gen dizileri, temsili biyohidrojen üretici türler olarak C. butyricum, C. tyrobutyricum, C. pasteurianum ve C. acetobutylicum dizileri baz alınarak tasarlanan 4 farklı primer seti kullanılarak karakterize edilmiştir. Reaktör örneklerinde hidrojen üretimine aracılık eden önemli bir enzim olarak bilinen hydA geninin karakterizasyonu ile, çevredeki mikrobiyal popülasyonlar arasındaki hidrojenaz evrimini anlamak için yeni bir pencere açıldığı düşünülebilir. hydA gen karakterizasyonu ile bağlantılı olarak, hydA kısmi gen dizilerinin filogenetik ilişkileri değerlendirilmiştir. C. butyricum'da bulunan hydA dizisi, aynı zamanda yüksek benzerlikle birlikte C. saccharobutyricum, Clostridium sp. ve C. chromiireducens'te de saptanmıştır. Öte yandan, C. tyrobutyricum'un hydA dizisinin Clostridium sp., C. kluvyeri, C. acetobutylicum ve C. acidisoli'deki hydA dizilerine yakından benzediği gözlenmiştir.

Abstract:
Biohydrogen is one of the most valuable energy sources which is produced mostly using environmental organic wastes. Knowledge of potential bacteria which plays a role in the production of this valuable energy source is much needed to analyse the hydrogen efficiency from a microbiological perspective. In this thesis, the effects and changes of thermal pretreatment and particle size on microbial dynamics in three different reactors producing biohydrogen by dark fermentation of mixed cultures and fruit-vegetable wastes were examined. Changes in microbial profile were determined by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and operational taxonomic unit (OTU) analyses. The members of Clostridium and Lactobacillus genera were dominantly detected in reactor samples with a high level of hydrogen production. C. butyricum (46.93%) and L. fermentum (28.28%) were recorded were the prevalent species in these reactor samples. In addition, to detect relative potential hydrogen producer species in reactor samples, C. butyricum DSM-10702, C. tyrobutyricum DSM-2637 and C. pasteurianum DSM-525 which are the reference strains were used. The species analyses in samples were performed by quantitative polymerase chain reaction (Real-time PCR). In the reactor with the highest hydrogen efficiency, the gene copy numbers of these species were calculated as 1.23x105 DNA/mL, 1.9x105 DNA/mL and 3.77x104 DNA/mL, respectively. Besides, [FeFe]-hydrogenase (hydA) gene sequences in samples were characterized using 4 different primer sets based on the sequences of C. butyricum, C tyrobutyricum, C. pasteurianum and C. acetobutylicum as representative biohydrogen producer species. It could be considered with the characterization of the hydA gene known as an important enzyme that mediates the hydrogen production in reactor samples has been opened a new window to figure out hydrogenase evolution among microbial populations in the environment. Linked to hydA gene characterization, the phylogenetic relationships of hydA partial gene sequences were evaluated. The hydA sequence found in C. butyricum was also detected in C. saccharobutyricum, Clostridium sp. and C. chromiireducens with high similarity. On the other hand, the hydA sequence of C. tyrobutyricum was observed as closely resembling the hydA sequences in Clostridium sp., C. kluvyeri, C. acetobutylicum and C. acidisoli.